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Módulo de Aprendizaje 16:
Serie Básica 101
Fundamentos y Control de Motores
Fundamentos y Control de Motores
Temario
En este módulo, estudiaremos con detalles cada uno de estos temas:
Teoría de los Motores
Campos Magnéticos
Flujo de Corriente
Movimiento Inducido
Conmutador
5
5
5
5
7
Motores CD
Motores Simples
Motor CD Práctico
Electroimanes
Componentes de Motor
Inversión de un Motor CD
Tipos de Motores CD
8
8
9
11
11
12
12
Repaso 1
13
Motores CA
¿Qué hace que un Motor CA sea Diferente de un Motor CD?
Monofásico
Trifásico
14
14
14
14
El Motor de Inducción de Tipo Jaula de Ardilla
Principio de la Inducción
Aplicación del Principio de la Inducción al Motor CA
Motor Trifásico
Construcción de Motores Trifásicos
Y y Delta
Doble Tensión
16
16
16
17
18
19
19
Repaso 2
21
Control de Velocidad
Fuerza, Trabajo y Par
Potencia y Caballo de Potencia
Resumen
Tipos de Aplicación
Control de Velocidad para un Motor CD
Control de Velocidad para un Motor CA
22
22
23
20
24
25
26
Arranque del Motor
Across the Line
Minimizing Inrush Current
28
25
25
Reversing the Motor
Arrancador Manual Reversible
Arrancador Magnético Reversible
26
29
30
Frenar el Motor
Frenado por Inyección CD
Frenado Dinámico
30
30
31
Repaso 3
33
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Fundamentos y Control de Motores
Glosario
34
Respuestas del Repaso 1
37
Respuestas del Repaso 2
37
Respuestas del Repaso 3
37
Apéndice A: Conexiones Típicas de un Motor de Velocidades Múltiples 38
Referencia
39
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Fundamentos y Control de Motores
Bienvenido
Bienvenido al Módulo 16 que trata de los fundamentos de los motores y control de motor. Un motor eléctrico es una máquina que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Existen dos grupos principales de motores eléctricos.
Los motores CD y los motores CA. Este módulo trata de ambos tipos de motores
y cómo controlarlos.
Figura 1. Motor Eléctrico Típico
Como los demás módulos en esta serie, este módulo presenta pequeñas secciones de material nuevo seguidas por una serie de preguntas sobre este material. Estudie el material cuidadosamente y conteste después a las preguntas sin
hacer referencia a lo que acaba de leer. Usted es el mejor juez de su asimilación
del material. Repase el material tan frecuentemente como lo considere necesario.
Lo más importante es establecer una base sólida sobre la cual construir conforme
pase de tema en tema y de módulo en módulo.
Notas sobre Estilos de
Fuentes
Los puntos esenciales se presentan en negritas.
Viendo el Glosario
Las versiones impresas tienen el glosario al final del módulo. Usted puede también hojear el Glosario seleccionando con el mouse la marca de Glosario en el
margen izquierdo.
Los elementos del Glosario se presentan en cursivas y subrayados la primera vez
que aparecen.
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Fundamentos y Control de Motores
Teoría de los
Motores
Para entender la teoría de los motores, necesitamos ver los principios básicos de
los campos magnéticos, flujo de corriente y movimiento inducido.
NOTA: Existen dos teorías en cuanto al flujo de la corriente. La Teoría del Flujo
de Electrones establece que la corriente flujo desde el negativo hacia el positivo.
La Teoría del Flujo Convencional establece que la corriente flujo del positivo al
negativo.
Este módulo utiliza la Teoría del Flujo de Electrones. Para mayor información
sobre estas teorías, véase Módulo 2, Introducción la Electricidad.
Campos Magnéticos
Entre los polos de un imán existe un campo magnético. La dirección de un
campo magnético se conoce como Flujo Magnético. El flujo magnético se
desplaza del polo norte al polo sur, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2. Las Líneas de Flujo Magnético fluyen del Polo Norte al Polo Sur
Flujo de Corriente
A continuación vamos a considerar un alambre (conductor) que lleva una corriente eléctrica. Un campo magnético rodea el alambre, como se muestra en la
Figura 3.
Figura 3. Regla de Flujo de la Mano Izquierda: Las Líneas de Flujo Magnético Rodean un Conductor
La comprensión de la dirección del flujo magnético alrededor de un conductor es un aspecto esencial para entender el movimiento del motor. La
dirección del flujo magnético puede ser determinada empleando la Regla de Flujo
de la Mano Izquierda.
Imagine que está usted deteniendo el alambre con la mano izquierda, cerciorándose que su pulgar esté dirigido en la dirección del flujo de la corriente. Sus
dedos se doblan alrededor del alambre en la dirección del flujo magnético.
En la Figura 3, la corriente está fluyendo a través de la página, de tal manera que
las líneas de flujo giren en el sentido contrario de las manecillas del reloj alrededor del alambre.
Movimiento Inducido
Cuando el conductor que lleva corriente está colocado entre los polos de un
imán, se distorsionan ambos campos magnéticos. En la Figura 4, el conductor
tenderá a desplazarse hacia arriba puesto que la corriente está fluyendo a través
de la página.
La fuerza ejercida hacia arriba depende de la fuerza del campo magnético entre
los polos del imán, y la fuerza de la corriente a través del conductor.
Un método sencillo para determinar la dirección del movimiento es la Regla de
Motor de la Mano Derecha.
En la Figura 4, el índice apunta en la dirección del flujo magnético (N a S), el dedo
cordial apunta en la dirección del flujo de la corriente a través del conductor, y el
pulgar apunta en la dirección del movimiento del conductor.
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Fundamentos y Control de Motores
Figura 4. Regla de la Mano Derecha: El Alambre es Desplazado Hacia Arriba
Esto significa que si usted conoce la dirección de flujo de la corriente, y la
orientación de los polos, se puede determinar el desplazamiento del conductor en el campo magnético.
Aplicando la regla del motor de la mano derecha a la Figura 4, el conductor se
desplazará hacia arriba a través del campo magnético. Si se invierte la corriente a
través del conductor, el conductor se desplazará hacia abajo.
Obsérvese que la corriente en el conductor se encuentra a un ángulo recto
con relación al campo magnético. Esto es necesario para provocar el movimiento puesto que el conductor no siente ninguna fuerza si la dirección de corriente y de campo son paralelas.
Supongamos ahora que cambiemos el conductor simple por una bobina simple o
devanado de alambre. Esta bobina se conoce como Armadura, y se muestra en
la Figura 5.
Figura 5. Rotación de Armadura
Ambas secciones de la armadura AB y CD reciben una fuerza. ¿Por qué el devanado tiene tendencia a desplazarse en un movimiento contrario a las manecillas
del reloj?
Recuerde que el flujo magnético gira alrededor de los conductores. Las secciones de armadura AB y CD tienen corriente que fluye en direcciones opuestas.
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Fundamentos y Control de Motores
Esto significa que el flujo magnético fluye alrededor de ellas en direcciones
opuestas. Como se muestra en la Figura 6.
Figura 6. Flujo Magnético alrededor de las Secciones de Armadura
Cuando el campo magnético de los imanes se representan en un dibujo, los dos
campos magnéticos son distorsionados. Una fuerza de rotación o Par, actúa
sobre el devanado. Las líneas de fuerza actúan como bandas elásticas estiradas
que tienden a contraerse. El resultado es que la armadura gira en una dirección
contraria a las manecillas del reloj.
La Figura 7 ilustra una vista en corte transversal del movimiento inducido.
Figura 7. Creación de Par: Sección Transversal
La interacción entre los dos campos magnéticos provoca un doblado de las líneas
de fuerza. Cuando las líneas se enderezan, provocan la rotación de la armadura.
El conductor de la izquierda (AB) es forzado hacia abajo y el conductor de la
derecha (CD) es forzado hacia arriba, provocando una rotación en sentido
opuesto a las manecillas del reloj.
Conmutador
Como hemos mencionado antes, cuando la armadura está colocada de tal manera que los lados del devanado estén a ángulos rectos con relación al campo
magnético, se ejerce una fuerza de rotación. Pero ¿qué pasa cuando el devanado gira 180°?
Surge un problema aquí. El campo magnético en el conductor está ahora opuesto
al campo magnético del campo, y esto tiende a empujar la armadura de regreso,
suspendiendo el movimiento de rotación.
Para resolver este problema, se debe emplear un método para revertir la corriente en la armadura cada media rotación, de tal manera que los campos magnéticos sigan funcionando juntos para mantener una rotación positiva.
Un dispositivo llamado Conmutador efectúa esta tarea. Dos Cepillos estacionarios, uno que recibe una corriente CD positiva y el otro que recibe una corriente
CD negativa, suministran corriente a los dos segmentos rotatorios del conmutador.
Conforme la armadura y el conmutador giran juntos, el conmutador invierte
la dirección de la corriente a través de la armadura. De esta forma los campos
magnéticos están siempre en la dirección necesaria para contribuir a un esfuerzo
de rotación continuo.
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Fundamentos y Control de Motores
Figura 8. El Conmutador Revierte la Corriente a Través de la Armadura
Posición “A” – Par
Posición “B” – Neutro
Posición “C” – Par
Posición “D” – Neutro
Ahora estamos logrando algo. Con la armadura girando continuamente en el
campo magnético, se crea energía mecánica a partir de la energía eléctrica.
Motores CD
Motores Simples
Lo que acabamos de describir es un motor CD. La corriente directa es alimentada
al conmutador. El conmutador está conectado a la armadura de tal manera que la
dirección de la corriente (se llama Polaridad) cambia cada media vuelta de la
armadura. Esto permite que la armadura siga girando en el campo magnético,
creando energía mecánica a partir de la energía eléctrica.
Sin embargo, este motor CD simple tiene algunas limitaciones. Cada vez que la
armadura se encuentra en una posición paralela con relación al campo
magnético (se conoce como Posición Neutral), no se produce par. (Véase Figura 8).
Recuerde que cuando la armadura está en una posición tal que los lados del
devanado estén a ángulos rectos con relación al campo magnético, se ejerce un
par. Pero, puesto que la armadura gira en un círculo, existen dos puntos en los
cuales se encuentra en un estado paralelo con relación al campo magnético – en
una vuelta – y no se genera par. (Véase Figura 8).
El cambio de la cantidad de par se muestra gráficamente en la Figura 9. La
velocidad del motor varía debido a los cambios de par. La mayoría de los dispositivos requiere de un motor que gire a una velocidad uniforme, de tal manera
que el motor CD simple que acabamos de describir no sería adecuado.
Figura 9. Gráfica de Par y Velocidad de Motor CD Simple
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Fundamentos y Control de Motores
Otro problema con un motor CD simple es que no arranca fácilmente. Esto
es particularmente cierto si el devanado se encuentra en o cerca de una posición
neutral. La armadura debe ser desplazada fuera de la posición neutral para que
arranque el motor.
Motor CD Práctico
En el caso de un motor CD práctico, la armadura nunca se encuentra en una
posición neutral y el par siempre está en su máximo. Esto se logra utilizando
una armadura con más que un devanado. Una armadura de cuatro devanados se
muestra en la Figura 10. Como usted puede ver, cada devanado de la armadura
está conectado a un par de segmentos de conmutador.
Figura 10. Armadura de Cuatro Devanados
Cuando la corriente fluye a través de los cepillos, los cuatro devanados actúan
juntos, produciendo un par completo todo el tiempo. No hay posición de armadura
neutral en ausencia de par.
Asimismo, observe que los cepillos son más grandes que los espacios entre los
segmentos de conmutador. Esto significa que el contacto con el conmutador se
mantiene todo el tiempo durante la rotación de la armadura.
Un motor CD de este tipo tiene un par uniforme, tanto para su funcionamiento
como para su arranque. Es una mejora clara en comparación con el motor CD
simple.
En Campo
Presentamos abajo un taladro inalámbrico común que puede ser utilizado por un
encargado de mantenimiento en un edificio. Funciona con una batería y utiliza un
motor CD.
Taladro Inalámbrico con Motor CD
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Fundamentos y Control de Motores
El pequeño tamaño del motor CD hace que el taladro sea muy ligero, portátil y
cómodo.
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Fundamentos y Control de Motores
Electroimanes
En los dibujos previos, mostramos la armadura que gira entre un par de polos
magnéticos. Los motores CD prácticos no utilizan imanes permanentes; utilizan en su lugar electroimanes.
Los electroimanes funcionan de manera muy similar a los imanes permanentes.
Para fabricar un electroimán, basta con envolver una varilla de hierro con un
alambre aislado y suministrar corriente a través del alambre, como se muestra en
la Figura 11. La varilla de hierro desarrolla un campo magnético, y polos magnéticos Norte y Sur.
Figura 11. Electroimán
El electroimán tiene dos ventajas en comparación con el imán permanente.
•
Mediante el ajuste de la cantidad de corriente que fluye a través del alambre,
se puede controlar la fuerza del electroimán.
•
Cambiando la dirección de flujo de corriente, los polos del electroimán
pueden ser invertidos. En el diagrama arriba, el cambio de los conductores
en las terminales de la batería cambia la dirección de flujo de la corriente.
(La conexión de los conectores a una fuente de CA cambiaría la dirección de flujo
de corriente automáticamente. Más adelante en este módulo veremos los
motores CA).
Componentes de Motor
Ya hemos comentado tres de los cuatro componentes principales que conforman
un motor CD: la armadura, los cepillos y el conmutador. El cuarto componente es
las Bobinas de campo (se conocen también como Polos de campo o Devanados
Estacionarios).
La Figura 12 muestra una vista desarmada de un motor CD tetrapolar típico.
Figura 12. Un Motor CD Cuadripolar Típico, Armado y Desarmado
Obsérvese que muchas vueltas (o devanados) se utilizan para conformar los
polos de campo. Entre mayor son los polos, más fuerte es el campo.
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Fundamentos y Control de Motores
Entre mayor es el número de devanados utilizados en un motor CD, más
suavemente funcionará el motor. Sin embargo, el número de devanados de
campo debe siempre ser par. Cada conjunto de devanados consiste de un polo
Norte y un polo Sur.
Inversión de un Motor
CD
La dirección de rotación de un motor CD puede ser invertida utilizando uno de los
métodos siguientes:
•
Inversión de la dirección de la corriente a través del campo
•
Inversión de la dirección de la corriente a través de la armadura
El estándar industrial es la inversión de la corriente a través de la armadura.
Esto se logra invirtiendo solamente las conexiones de la armadura.
Tipos de Motores CD
Existen básicamente tres tipos de motores de CD: El Motor de Devanado en
Serie, el Motor de Devanado en Derivación, y el Motor Compuesto. Interna y
externamente, son prácticamente iguales. La diferencia entre ellos es la forma del
alambrado de los circuitos de devanado de campo y devanado de armadura.
El motor de devanado en serie (Figura 13) tiene el devanado de campo alambrado en serie con la armadura. Se conoce también como motor universal
puesto que puede utilizarse tanto en aplicaciones CD como CA. Tiene un alto par
de arranque y una característica de velocidad variable. El motor puede arrancar
cargas pesadas, pero la velocidad se eleva conforme se reduce la carga.
Figura 13. Motor de Devanado en Serie CD: Diagrama Esquemático y de Alambrado
El motor de devanado en derivación (Figura 14) tiene los circuitos de armadura y campo alambrados en paralelo, proporcionando una fuerza de campo y
velocidad de motor esencialmente constantes.
Figura 14. Motor de Devanado en Derivación CD: Diagrama Esquemático y de Alambrado
El motor compuesto (Figura 15) combina las características de los motores
de devanado en derivación y de devanado en serie. Un motor compuesto
tiene un alto par de arranque y características relativamente buenas de par de
velocidad a carga nominal. Debido a que se requieren de circuitos complicados
para controlar los motores compuestos, este arreglo de alambrado se utiliza
habitualmente solamente en grandes motores bi-direccionales.
Figura 15. Motor Compuesto CD: Diagrama Esquemático y de Alambrado
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Fundamentos y Control de Motores
Repaso 1
Conteste las preguntas siguientes sin hacer referencia al material que se le acaba
de presentar. Empiece la sección siguiente cuanto esté seguro que entiende lo
que acaba de leer.
1. La regla de la mano derecha es ilustrada aquí. ¿Qué indica cada dedo?
Pulgar _____________________
Índice______________________
Cordial ______________________
2. Los 2 problemas principales del motor CD simple son:
______________________________________________________
______________________________________________________
3. Indique los elementos en la gráfica de velocidad/par de motor CD simple
abajo:
4. Los 2 métodos para revertir un motor CD son:
______________________________________________________
______________________________________________________
5. Los 3 tipos de motores CD son:
___________________________
___________________________
___________________________
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Fundamentos y Control de Motores
Motores CA
Mientras existen solamente tres tipos generales de motores CD, existen muchos
tipos diferentes de motores CA. Esto se debe a que cada tipo es limitado a una
banda estrecha de características operativas. Estas características incluyen par,
velocidad, y servicio eléctrico (monofásico o polifásico). Estas características de
operación son utilizadas para determinar lo adecuado de un motor dado para una
aplicación dada.
¿Qué hace que un Motor
CA sea Diferente de un
Motor CD?
En un motor CD, la energía eléctrica es llevada directamente a la armadura a
través de cepillos y a través de un conmutador. Un motor CA no requiere de un
conmutador para revertir la polaridad de la corriente, puesto que la CA cambia de polaridad “naturalmente”.
Asimismo, cuando el motor CD funcionad mediante el cambio de la polaridad de
la corriente a través de la armadura (la parte rotatoria del motor), el motor CA funciona cambiando la polaridad de la corriente que atraviesa el Estator (la parte estacionaria del motor).
Los muchos tipos de motores AC pueden dividirse en dos grupos principales:
monofásicos y polifásicos.
Monofásico
Un sistema monofásico tiene un devanado en el generador. Por consiguiente,
se genera una tensión alterna. La curva de tensión de un generador CA
monofásico se muestra en la Figura 16.
Figura 16. Curva de Tensión de un Generador CA Monofásico
Los motores monofásicos son generalmente motores con valores nominales de caballos de potencia de uno o menos. (Se conocen generalmente
como motores de caballo de potencia fraccional). Se utilizan generalmente para
operar dispositivos mecánicos y máquinas que requieren de una cantidad relativamente baja de energía.
Tipos de motores monofásicos incluyen: polo sombreado, capacitor, fase dividida, repulsión, serie (CA o universa) y síncrono.
Sin embargo, el motor monofásico generalmente no se utiliza, puesto que es ineficaz, costoso en cuanto a su operación y no es de auto-arranque.
No estudiaremos con detalles aquí cada una de las funciones de un motor
monofásico.
Trifásicos
Los motores trifásicos o polifásicos funcionan con energía eléctrica trifásica.
Un sistema trifásico tiene tres devanados en el generador. Por consiguiente,
se generan tres tensiones separadas y distintas. La curva de tensión se muestra
en la Figura 17.
Figura 17. Curva de Tensión de un Generador de CA Trifásico
Comentaremos cómo funciona la energía eléctrica trifásica con mayores detalles
más adelante.
Los tipos de motores trifásicos incluyen: inducción (de jaula de ardilla o devanado), tipos de rotor, conmutador y síncrono.
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Fundamentos y Control de Motores
En un entorno de CA, el motor de inducción de jaula de ardilla es el más
ampliamente utilizado. Nos enfocaremos exclusivamente a este tipo de motor.
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Fundamentos y Control de Motores
El Motor de
Inducción de Tipo
Jaula de Ardilla
Antes de comentar adicionalmente el motor de tipo jaula de ardilla, consideremos
el término Inducción. La inducción se refiere a la carga eléctrica de un conductor colocándolo cerca de un cuerpo cargado.
Principio de la Inducción
El principio del motor de inducción fue descubierto primero por Arago en 1824.
Observó que si un disco de metal no magnético y una brújula pivotaban con sus
ejes paralelos, de tal manera que uno (o ambos) de los polos de la brújula estén
localizados cerca del borde del disco, la rotación del disco provocaba la rotación
de la aguja de la brújula. La dirección de la rotación inducida en la brújula es
siempre la misma que la impartida al disco.
Usted puede comprobarlo. Coloque un disco de cobre o aluminio y una gran brújula en un árbol vertical de tal manera que cada uno pueda girar sobre su propio
soporte, independientemente del otro. Haga girar el disco y observe la aguja de la
brújula. No hay forma más efectiva de demostrar el principio de la inducción.
Figura 18. Demostración del Principio de la Inducción
Aplicación del Principio
de la Inducción al Motor
CA
Entonces, ¿Cómo aplicamos el concepto de la inducción a un motor?
Recuerde que el motor CA funciona cambiando la polaridad de la corriente que
pasa a través del estator (la parte estacionaria del motor). El estator desempeña
la función del disco metálico descrito arriba. Un campo magnético rotatorio es
establecido en el estator.
El conductor, que se conoce como Rotor, “sigue” el campo magnético rotatorio
comenzando a girar, de la misma manera que la aguja de la brújula que acabamos de describir.
El motor de inducción utiliza un rotor de un diseño especial. Se parece a una jaula
utilizada para las ardillas. Es la razón por la cual se conoce como rotor de tipo
jaula de ardilla.
El rotor consiste de anillos extremos circulares unidos a través de barras
metálicas. Obsérvese que las barras metálicas se colocan directamente opuestas entre ellos y proporcionan un circuito completo dentro del rotor, independientemente de la posición del rotor. El rotor tiene normalmente varias barras, pero
se muestran aquí solamente algunas para mayor claridad.
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Fundamentos y Control de Motores
Figura 19. El Rotor de un Motor de Inducción de Tipo Jaula de Ardilla
Los motores de tipo jaula de ardilla se prefieren habitualmente a otros tipos
de motores debido a su simplicidad, resistencia y confiabilidad. Debido a
estas características, los motores de tipo jaula de ardilla se han vuelto prácticamente los estándares aceptados para las aplicaciones de motores de velocidad
constante, para propósitos generales, CA. Sin duda, el motor de tipo jaula de
ardilla es el diseño básico en la industria.
El Motor de Inducción de Jaula de Ardilla tiene ciertas ventajas sobre el motor
CD.
Motor Trifásico
•
Existen solamente dos puntos de desgaste mecánico en el motor de tipo
jaula de ardilla: los dos soportes.
•
Puesto que no tiene conmutador, no hay cepillos que puedan desgastarse.
Esto hace que el mantenimiento sea mínimo.
•
No se generan chispas que puedan crear un posible peligro de incendio.
Un motor de inducción depende de un campo magnético eléctricamente
rotatorio, no de un campo magnético mecánicamente rotatorio. (Un campo
magnético mecánicamente rotatorio funcionaría, pero un campo magnético eléctricamente rotatorio tiene ventajas importantes). ¿Cómo se obtiene un campo
eléctricamente rotatorio? Todo empieza con el desplazamiento de fase de un
sistema trifásico.
La energía trifásica puede considerarse como tres suministros de energía
monofásica. Se conocen como A, B y C. En el motor trifásico, cada fase del
suministro de energía está equipada con su propio grupo de polos, ubicados
directamente frente uno a otro en el estator. e igualmente desplazados entre ellos
con relación a los polos de las demás dos fases.
Figura 20. Tres Pares de Bobinas de Campo en el Estator, a 120°
Las tres corrientes empiezan en momentos diferentes. La fase B empieza 120°
después de la fase A y la fase C empieza 120° después de la fase B. Esto se
muestra en la gráfica de onda sinusoidal en la Figura 21, que indica la forma del
campo magnético en varios momentos en el ciclo.
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Fundamentos y Control de Motores
Figura 21. La Rotación del Campo Magnético Proporciona un Par para la Rotación del Motor
La introducción de estas corrientes de fases diferentes en las tres bobinas de
campo a 120° una de la otra en el estator produce un campo magnético rotatorio,
y los polos magnéticos están en rotación constante.
Los polos magnéticos se persiguen entre ellos, induciendo simultáneamente corrientes eléctricas en el rotor (en general, barras de cobre integradas en un núcleo
de hierro laminado). Las corrientes inducidas establecen sus propios campos
magnéticos, en oposición al campo magnético que provocó las corrientes. Las
atracciones y repulsiones resultantes proporcionan el par que hace girar el motor
y lo mantiene en rotación.
Si cada polo magnético se “alumbrara” cada vez que es excitado, el efecto sería
similar a luces “corriendo” alrededor del estator, de manera muy similar a las
luces en algunos letreros eléctricos que simulan un borde en movimiento.
Vamos a estudiar con detalles una revolución del motor para ver cómo funciona.
Primero, los polos A del estator son magnetizados por la fase A. Después, los
polos magnéticos son magnetizados por la fase B. El rotor gira, debido a la corriente inducida. Después, los polos C son magnetizados por la fase C. El rotor gira,
debido a la corriente inducida. En este punto, el rotor ha terminado una media
vuelta.
Figura 22. La Rotación del Campo Magnético Hace Girar el Motor
Ahora, los polos A del estator son magnetizados otra vez, pero la corriente fluye
en la dirección opuesta. Esto provoca que el campo magnético siga girando y
que el rotor siga. Después, los polos B son magnetizados por la fase B. El rotor
gira, debido a la corriente inducida. Después, los polos C son magnetizados por
la fase C. El rotor gira, debido a la corriente inducida.
Figura 23. La Rotación del Campo Magnético Hace Girar el Motor
El rotor ha terminado una revolución entera en este punto, y el proceso se repite.
Construcción de
Motores Trifásicos
El motor trifásico es probablemente el más sencillo y el más resistente de
todos los motores eléctricos. Para tener una idea de la importancia del motor
trifásico, usted tiene que saber que este motor se emplea en el noventa por ciento
de las aplicaciones industriales.
Todos los motores trifásicos son construidos con varias bobinas eléctricas devanadas individualmente. Independientemente del número de bobinas individu-
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Fundamentos y Control de Motores
ales que se encuentran en un motor trifásico, las bobinas individuales
estarán siempre alambradas juntas (en serie o paralelo) para producir tres
devanados distintos, que se conocen como fases. Cada fase contendrá siempre una tercera parte del número total de las bobinas individuales. Como lo
hemos mencionado, estas fases se conocen como fase A, fase B y fase C.
Los motores trifásicos varían desde fracciones de caballo de potencia hasta miles
de caballos de potencia. Estos motores tienen una característica de velocidad relativamente constante pero una amplia variedad de características de par. Se
elaboran para prácticamente todas las tensiones y frecuencias estándares y son
frecuentemente Motores de Doble Tensión. (Estudiaremos brevemente los
motores de doble tensión más adelante).
Y y Delta
Todos los motores trifásicos están alambrados de tal manera que las fases estén
conectadas ya sea en configuración Y (Y) o en configuración Delta (∆).
En una configuración Y (Y) (Figura 24), un extremo de cada una de las tres
fases está conectada a las demás fases internamente. El extremo restante de
cada una de las fases es extraído y conectado a la línea de suministro de energía
eléctrica. Los conductores externos se conocen como T1, T2 y T3 y están
conectados a las líneas de suministro de energía eléctrica trifásica indicados L1,
L2 y L3, respectivamente.
Figura 24. Configuración de Tipo Y
En una configuración Delta (∆) (Figura 25), cada devanado es alambrado
extremo con extremo para formar un circuito de devanado cerrado. En cada
uno de los tres puntos en donde están conectadas las fases, se extrae un conductor. Están marcados T1, T2 y T3, y conectados a las líneas de suministro de
energía eléctrica trifásica marcadas L1, L2 y L3, respectivamente.
Figura 25. Configuración de Tipo Delta
En cualquier caso, para que el motor opere apropiadamente, la línea de suministro de energía trifásica al motor debe tener los mismos valores nominales de tensión y frecuencia que el motor.
Doble Tensión
Muchos motores trifásicos se fabrican de tal manera que puedan conectarse a
cualquiera de dos tensiones. El propósito de fabricar motores para dos tensiones es permitir que el mismo motor pueda ser utilizado con dos tensiones de línea de suministro de energía eléctrica diferentes. Habitualmente,
las dos tensiones nominales de los motores industriales son 230/460V. Sin
embargo, se debe siempre revisar la placa para cerciorarse de las tensiones
nominales correctas.
Cuando el electricista tiene la opción de decidir qué tensión utilizar, se prefiere la tensión más alta. El motor utilizará la misma cantidad de energía, dando
los mismos caballos de potencia con alta o baja tensión, pero cada vez que se
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Fundamentos y Control de Motores
duplica la tensión (de 230 a 460), se reduce a la mitad la intensidad. Con la mitad
de la intensidad, se puede reducir el tamaño del alambre y de esta forma se
obtienen ahorros en cuanto a la instalación.
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Fundamentos y Control de Motores
Repaso 2
Conteste las siguientes preguntas sin hacer referencia al material que se le acaba
de presentar. Empiece la sección siguiente cuando esté seguro que entiende lo
que acaba de leer.
1. Nombre los dos grupos de motores CA.
___________________________ ___________________________
2. Explique por qué un motor CA no requiere de un conmutador.
_____________________________________________________________
3. La energía trifásica puede considerarse como tres ____________
___________ _________ ____________ diferentes.
4. Llene los espacios en el diagrama siguiente.
5. ¿El diagrama arriba muestra una configuración Y o DELTA? Circule la
respuesta correcta.
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Fundamentos y Control de Motores
Control de
Velocidad
El control de la velocidad es esencial en muchas aplicaciones. Máquinas
para minería, prensas, grúas y montacargas, elevadores y transportadores, entre
otros, requieren del control de la velocidad.
Al seleccionar el método de control de velocidad para una aplicación, se
deben considerar tres factores principales:
•
Tipo de equipo (carga) que impulsa el motor
•
Tipo de aplicación
•
Tipo de motor
A continuación comentaremos cada uno de estos factores en secuencia.
Las cargas y los tipos de aplicación son tan variados como los tipos de motores
disponibles. Sin embargo, existen dos tipos de motores fundamentales: CA y CD.
Cada tipo tiene su propia capacidad de controlar cargas diferentes a velocidades
diferentes.
Con el objeto de seleccionar el tipo de motor adecuado para una aplicación
dada, es necesario entender primero los requerimientos de carga. Para
entender estos requerimientos, debe usted estar familiarizado con los conceptos
de fuerza, trabajo, par, potencia y caballo de potencia y como se relacionan con
la velocidad.
Fuerza, Trabajo y Par
Un trabajo se efectúa cuando una fuerza supera una resistencia. El Trabajo
se mide a través de la fórmula:
Trabajo = Distancia x Fuerza
Si usted lleva una bolsa de 10 libras sobre 50 pies, usted efectúa un trabajo de
500 pies-libras (ft.-lb.).
En el caso de un motor eléctrico, la fuerza no se ejerce en una línea sino que en
un círculo alrededor de un eje cilíndrico. Como usted lo recuerda, la fuerza rotatoria se conoce como par.
Par = Distancia Radial x Fuerza
Si usted aplica 100 libras de fuerza a un eje de motor a una distancia radial de 5
pies, se aplica al eje un par de 500 pies-libras (ft.-lb.
Figura 26. Par = Distancia Radial X Fuerza
Potencia y Caballo de
Potencia
La potencia toma en cuenta la velocidad con la cual se logra el trabajo. La
Potencia es el ritmo de realización del trabajo. La fórmula para determinar la
potencia es:
Potencia = Trabajo/Tiempo
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Fundamentos y Control de Motores
Si la bolsa de 10 libras estaba conectada a un motor muy pequeño, el motor
podría requerir de varios minutos para desplazar la carga sobre 50 pies. De utilizarse un motor más grande, la carga podría ser desplazada en pocos segundos.
La razón de esta diferencia es la cantidad de trabajo que puede efectuarse en un
lapso dado de tiempo. Evidentemente, un motor más grande podría proporcionar
más trabajo en un lapso dado que un motor mucho más pequeño. Es esta diferencia la que determina la potencia nominal del motor.
Los motores son especificados en caballos de potencia (HP). Un Caballo de
Potencia es igual a 33,000 ft.-lbs. por minuto. (La potencia eléctrica puede también medirse en watts. Un caballo de potencia es igual a 746 watts de potencia
eléctrica). Vamos a estimar el caballaje de un motor para desplazar estas bolsas.
Recuerde que:
Trabajo = Distancia x Fuerza
Si usted lleva una bolsa de 10 libras sobre una distancia de 50 pies, efectúa un
trabajo de 500 pies-libras. Si usted conecta la bolsa a un motor que puede
desplazarla sobre 50 pies en 15 segundos, ¿cuál es el caballaje del motor?
Potencia = Trabajo/Tiempo
Potencia = 500 ft.-lb./.25 minutos
Potencia = 2000 ft.-lb. por minuto
Y puesto que 33,000 ft.-lb. por minuto es igual a 1 HP, (2000 / 33,000) el motor
tiene aproximadamente 0.06 caballo de fuerza.
Resumen
Par, caballo de fuerza y velocidad están inter-relacionados cuando excitan una
carga. El caballaje es proporciona al par y a la velocidad. La fórmula siguiente
los une:
HP = (T x N)/5252
En donde:
HP = el caballaje proporcionado por el motor
T = el par del motor en pies-libras
N = la velocidad síncrono del motor en revoluciones por minuto
Esto significa que si la velocidad o el par permanece constante mientras se eleva
el otro, se incrementa el caballaje. A la inversa, si el par o la velocidad se reduce
mientras el otro permanece constante, se reduce el caballaje.
Página 23
Fundamentos y Control de Motores
A continuación se presenta una gráfica que muestra la relación entre caballo de
potencia, par y velocidad.
Figura 27. Relación entre Caballo de Potencia, Par y Velocidad
Tipos de Aplicación
Incremento de la
Velocidad
Par Constante
Incremento del
Caballaje
Reducción de la
Velocidad
Par Constante
Reducción del
Caballaje
Velocidad Constante
Incremento del Par
Incremento del
Caballaje
Velocidad Constante
Reducción del Par
Reducción del
Caballaje
Incremento de la
Velocidad
Reducción del Par
Incremento del
Caballaje
Reducción de la
Velocidad
Incremento del Par
Reducción del
Caballaje
Cuando un motor está impulsando una carga, tendrá que entregar ya sea un par
constante o un par variable y ya sea un caballaje constante o un caballaje variable. La cantidad de par y caballaje que se requiere dependerá de la velocidad y
del tamaño de la carga.
Existen tres tipos principales de aplicaciones. Vamos a ver a continuación cada
uno de ellos.
Par Constante/Caballaje Variable
Este tipo de carga se encuentra frecuentemente en máquinas que tienen cargas
de tipo fricción, tales como transportadores, bombas de tipo engranaje y equipo
de levantamiento de cargas.
Los caballos de potencia requeridos se incrementan cuando se eleva la
velocidad. El requerimiento de par no varía en el rango de velocidades excepto
en el caso del par de arranque extra requerido para superar la fricción. El par permanece constante puesto que la fuerza de la carga no cambia.
Caballaje Constante/Par Variable
Este tipo de carga es utilizado para cargas que requieren de un par elevado a
bajas velocidades y un par bajo a altas velocidades. Ejemplos de estas cargas
son máquinas que enrollan y desenrollan papel o metal.
Puesto que la velocidad lineal del material es constante, el caballaje debe también ser constante. Mientras que la velocidad del material es mantenida constante, la velocidad del motor no es constante. Al arranque, el motor debe
funcionar a alta velocidad para mantener la velocidad correcta del material mientras se mantiene el par a un mínimo. Conforme se agrega material al rollo, el
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Fundamentos y Control de Motores
motor debe suministrar más par a una velocidad menor. En esta aplicación, tanto
el par como la velocidad cambian constantemente mientras que el caballaje del
motor permanece igual.
Par Variable/Caballaje Variable
Este tipo de carga es utilizado para cargas que tienen un par y un caballaje variables a velocidades diferentes. Aplicaciones típicas son ventiladores, sopladores,
bombas centrífugas, agitadores y mezcladoras.
Conforme se eleva la velocidad del motor, se eleva también la salida de carga.
Puesto que el motor debe trabajar más fuerte para suministrar más salida a
velocidades más rápidas, se elevan tanto el par como el caballaje.
Control de Velocidad
para un Motor CD
Ahora que usted entiende los factores importantes para seleccionar un motor
para una aplicación, veremos como controlar realmente la velocidad del motor.
Empecemos con el motor CD.
La Velocidad Base de un motor es la velocidad a la cual el motor funciona con
plena tensión de línea aplicada a la armadura y al campo.
La velocidad de un motor CD es controlada variando la tensión aplicada a través
de la armadura, el campo o ambas cosas. Cuando se controla la velocidad en la
armadura, el motor suministra un par constante. Cuando la tensión de campo es
controlada, el motor suministra un caballaje constante.
Figura 28. Tensión de Campo Vs. Tensión de Armadura en el Control de la Velocidad de un Motor CD
Los motores CD son utilizados en aplicaciones industriales que requieren
ya sea de un control de velocidad variable, alto par, o bien ambas cosas.
Puesto que la velocidad de la mayoría de los motores CD puede ser controlada
suave y fácilmente desde cero hasta plena velocidad, los motores CD son utilizados en muchas aplicaciones de aceleración y desaceleración.
El motor CD es ideal en aplicaciones en las cuales se requiere de la salida de un
par momentáneamente más alto. El motor CD puede suministrar de tres a
cinco veces su par nominal durante cortos períodos de tiempo. (La mayoría
de los motores CA se paran con la carga que requiere dos veces el par nominal).
Por estas razones, los motores CD son utilizados para manejar grandes
máquina-herramientas, grúas y elevadores, prensas de impresión, carros de
vaivén y arrancadores para automóviles.
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Fundamentos y Control de Motores
Control de Velocidad
para un Motor CA
Puesto que cada tipo de motor tiene sus propias características de caballos de
potencia, para y velocidad, tipos diferentes de motor son más adecuados para
aplicaciones diferentes.
Las características básicas de cada tipo de motor CA se determinan a través del
diseño del motor y la tensión de alimentación utilizada. Estos tipos de diseños
son clasificados y reciben una designación con letra que puede encontrarse en la placa de los tipos de motores listados como “Diseños NEMA”
Corriente
de
Par de Falla
Arranque
Deslizamiento de
Plena
Carga
Diseño
NEMA
Par de
Arranque
A
Normal
Normal
Alto
Bajo
B
Normal
Baja
Alto
Bajo
C
Alto
Baja
Normal
Bajo
D
Muy Alto
Baja
—
Alto
Aplicaciones
Típicas
MáquinaHerramienta
Ventilador
Bomba Centrífuga
MáquinaHerramienta
Ventilador
Bomba Centrífuga
Compresor Cargado
Transportador
Cargado
Prensa Punzonadora
El motor de diseño NEMA CA más comúnmente utilizado es el NEMA B.
En Campo
El transportador en esta línea de embotellado de cerveza es impulsado por un
motor NEMA B.
Motor NEMA Diseño B en Campo
El motor NEMA diseño B es un motor de inducción CA para propósitos generales.
Es el motor de diseño NEMA más comúnmente utilizado puesto que ofrece un
buen equilibrio entre su servicio y su precio.
El motor de inducción es básicamente un dispositivo de velocidad constante. La velocidad a la cual gira el campo de estator de inducción se conoce
como Velocidad Síncrona. Esto se debe a que dicho campo se encuentra sincronizado con la frecuencia de la energía CA todo el tiempo. La velocidad del
campo rotatorio es siempre independiente de los cambios de carga en el motor, a
condición que la frecuencia de línea sea constante.
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Fundamentos y Control de Motores
La velocidad síncrona es determinada por el número de polos del motor y la
frecuencia suministrada. La ecuación para determinar la velocidad síncrona de
un motor es la siguiente:
N = 120f/P
En donde:
N = la velocidad síncrona del motor en revoluciones por minuto (RPM)
f = la frecuencia suministrada el motor en Hertz (Hz)
P = el número de polos del motor
Motores diseñados para uso con 60 Hertz (estándar en los Estados Unidos de
América) tienen las siguientes velocidades síncronas:
Polos
RPM
2
4
6
8
10
12
14
16
3600
1800
1200
900
720
600
514
450
Los motores de inducción no funcionan a velocidad síncrona; funcionan a
Velocidad de Plena Carga, que es la velocidad de rotación del rotor. La
velocidad de plena carga es siempre más lenta. La reducción porcentual de la
velocidad se conoce como Porcentaje de Deslizamiento. El deslizamiento se
requiere para desarrollar un par de rotación. Entre más alto es el par, mayor es
el deslizamiento.
La velocidad del motor, bajo condiciones de carga normal, es raras veces mayor
que 10% debajo de la velocidad síncrona. Si el motor no está impulsando una
carga, se acelerará a velocidad casi síncrona. Conforme se incrementa la
carga, se eleva el deslizamiento porcentual.
Por ejemplo, un motor con un deslizamiento de 2.8% y una velocidad síncrona de
1800 rpm tendría un deslizamiento de 50 rpm, y una velocidad de plena carga de
1750 rpm (1800 - 50 = 1750 rpm). Es esta velocidad de plena carga que encontraremos en la placa del motor.
A partir de la fórmula, resulta evidente que la frecuencia de alimentación y el
número de polos son las únicas variables que determinan la velocidad del
motor.
La variación de la tensión no es una buena manera de cambiar la velocidad del
motor. De hecho, si la tensión es cambiada en más del 10%, el motor puede ser
dañado. Esto se debe al hecho que el par de arranque varía al cuadrado de la
tensión aplicada.
Puesto que la frecuencia y el número de polos debe cambiar para modificar la
velocidad de un motor CA, dos métodos de control de velocidad están disponible.
Son:
•
Cambiar la frecuencia aplicada al motor
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Fundamentos y Control de Motores
El cambio de la frecuencia requiere de un dispositivo que se conoce como Controlador de Frecuencia Ajustable a insertar corriente arriba con relación al motor.
Este dispositivo convierte la frecuencia de 60 Hertz entrantes en cualquier
frecuencia deseada, permitiendo que el motor funcione virtualmente a cualquier
velocidad.
Por ejemplo, mediante el ajuste de la frecuencia a 30 Hz, se puede hacer que el
motor funcione solamente a la mitad de la velocidad.
Estudiaremos los controladores de frecuencias ajustables con mayores detalles
en el módulo 20, Controladores de Frecuencias Ajustables.
•
Utilización de motor de velocidades múltiples
Los motores CA de velocidades múltiples están diseñados con devanados
que pueden ser reconectados para formar números diferentes de polos. Son
operados a frecuencia constante.
Los motores de dos velocidades tienen habitualmente un devanado que puede
estar conectado para proporcionar dos velocidades, una de las cuales es la mitad
de la otra.
Los motores con más de dos velocidades incluyen habitualmente varios devanados. Estos pueden estar conectados de muchas formas para proporcionar
velocidades diferentes. Véase Apéndice A: “Conexiones Típicas de Motores de
Velocidades Múltiples”.
En Campo
Todos conocemos este aparato. El ventilador oscilante de tres velocidades
portátil puede encontrarse en la mayoría de los hogares.
Ventilador Oscilante de Tres Velocidades
El motor de velocidades múltiples del ventilador contiene muchos devanados que
pueden estar conectados de tres formas diferentes. Esto permite al usuario
ajustar el ventilador para que funcione a cualesquiera de las tres velocidades preestablecidas.
Arranque del Motor
Un Arrancador es un dispositivo que se utiliza para arrancar un motor desde un
estado de parada. El arrancador en la línea es por mucho el más común.
Este tipo de arrancador coloca el motor directamente a la plena tensión de las
líneas de alimentación, y de ahí le viene su nombre: arrancador de “línea”.
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Fundamentos y Control de Motores
Cuando un motor de inducción se coloca en línea, acelera a plena velocidad en
cuestión de segundos.
En Línea
¿Qué aplicaciones son adecuadas para este tipo de aceleración rápida? Las
bombas de todos los tipos, ventiladores y sopladores y la mayoría de las
máquinas tales como prensas de perforación, tornos y molinos son adecuados.
Comentaremos con mayores detalles los arrancadores en el Módulo 19,
Características Básicas de los Arrancadores.
Los pequeños motores CD son generalmente arrancados cerrando simplemente
el interruptor de línea. No se requiere de ningún equipo de arranque auxiliar para
limitar la irrupción inicial de corriente. La misma práctica aplica en el caso de la
mayoría de los pequeños motores polifásicos (y algunos de gran tamaño).
Minimización de la
Corriente de Irrupción
Durante el período de aceleración en el arranque del motor CA, se requiere de
una gran cantidad de corriente para iniciar la rotación del motor y llevarlo a la
velocidad de funcionamiento. Esto se conoce como corriente irruptiva. Corrientes de 6 a 8 veces la plena carga nominal del motor son frecuentes
cuando el motor es arrancado en línea.
A partir de esto, podemos ver que la compañía de suministro de energía eléctrica
estaría preocupada puesto que tiene que suministrar la corriente necesaria para
arrancar (y también permitir el funcionamiento) del motor. Así, es deseable (pero
no necesario) limitar la irrupción inicial de corriente a un valor razonable, aproximadamente 1.25 a 5 veces la plena carga nominal. Existen varias formas de
lograr este propósito:
•
(CA/CD) Insertar una resistencia en la línea, y después cortar la resistencia
gradualmente conforme el motor gana velocidad.
•
(CA) Utilizar un Arrancador de Tensión Reducida, que comentaremos con
mayores detalles en el Módulo 21, Arrancadores de Tensión Reducida.
•
(CA) Utilizar un equipo de motor de rotor devanado, que emplea un controlador de resistencia para la función de arranque y que puede también servir
como un dispositivo de control de velocidad.
•
(CA) Utilizar el método Y-Delta, en donde el estator está conectado en Y al
momento del arranque, y en Delta una vez que el motor ha alcanzado su
velocidad normal.
•
(CA) Utilizar un controlador de frecuencia ajustable, que comentaremos con
mayores detalles en el Módulo 20, Controladores de Frecuencias Ajustables.
Inversión del Motor
En aplicaciones en las cuales es deseable que un motor funcione tanto en forma
directa como reversa, existen algunas opciones para proporcionar una capacidad
de inversión.
Arrancador Manual
Reversible
Un Arrancador Manual Reversible puede ser utilizado para cambiar la dirección
de rotación de un motor trifásico, monofásico o CD. Se logra conectando simplemente dos arrancadores manuales juntos. El diagrama eléctrico se muestra en la Figura 29.
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Fundamentos y Control de Motores
Figura 29. Arrancador Manual Reversible
Este tipo de dispositivo se utiliza generalmente para motores con baja potencia
tales como los motores encontrados en ventiladores, pequeñas máquinas, bombas y sopladores.
Arrancador Magnético
Reversible
Un Arrancador Magnético Reversible efectúa la misma función que un arrancador
manual reversible. Eléctricamente, la única diferencia entre los arrancadores
manuales y magnéticos es la adición de bobinas directas y reversas y el
uso de contactos auxiliares.
Las bobinas directas y reversas reemplazan los botones de un arrancador manual. Los contactos auxiliares proporcionan protección eléctrica adicional y flexibilidad de circuito.
Frenar el Motor
Dos métodos comunes para frenar un motor son Frenado por Inyección de CD y
Frenado Dinámico. Examinaremos ambos métodos con detalles, comenzando
con el frenado eléctrico.
Frenado por Inyección
CD
El frenado por inyección CD es un método para frenar en donde se aplica corriente directa (CD) a los devanados estacionarios de un motor CA después de
la remoción de la tensión CA. Es un método eficaz para frenar la mayoría de los
motores CA. El frenado por inyección de CD proporciona una acción de frenado
rápido y suave sobre todos los tipos de cargas, incluyendo cargas de alta
velocidad y alta inercia.
Recuerde que polos magnéticos opuestos se atraen y polos magnéticos similares
se rechazan. Este principio, cuando se aplica tanto a motores CA como CD, es la
razón por la cual gira el eje del motor.
En un motor de inducción CA, cuando se remueve la tensión CA, El motor llegará
a un estado de parada en un cierto lapso de tiempo puesto que ningún campo
inducido lo mantiene en rotación. Puesto que la velocidad de desaceleración
puede ser inaceptable, especialmente en una situación de emergencia, se puede
utilizar un frenado eléctrico para proporcionar una parada más inmediata.
Mediante la aplicación de una tensión CD a los devanados estacionarios una vez
que la corriente CA es removida, se crea un campo magnético en el estator que
no cambia de polaridad.
A su vez, este campo magnético constante en el estator crea un campo magnético en el rotor. Puesto que el campo magnético en el estator no cambia en
cuando a polaridad, intenta detener el rotor cuando los campos magnéticos están
alineados (N a S y S a N).
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Fundamentos y Control de Motores
Figura 30. Frenado por Inyección de CD
La única cosa que puede impedir la parada del rotor con la primera alineación es
la inercia de rotación de la carga conectada al eje del motor. Sin embargo, puesto
que la acción de frenado del estator está presente todo el tiempo, el motor es
frenado rápida y suavemente hasta pararse.
Puesto que ninguna parte entra en contacto físico durante el frenado, el mantenimiento es mínimo.
Frenado Dinámico
El frenado dinámico es otro método para frenar un motor. Se logra mediante la
reconexión de un motor en funcionamiento para actuar como generador
inmediatamente después de ser apagado, frenando rápidamente el motor.
La acción de generador convierte la energía mecánica de rotación en energía
eléctrica que puede ser disipada como calor en una resistencia.
El frenado dinámico de un motor CD puede ser requerido puesto que los motores
CD se utilizan frecuentemente para levantar y desplazar cargas pesadas que
pueden ser difíciles de parar.
Debe existir acceso a los devanados del rotor con el objeto de reconectar el
motor para actuar como generador. En un motor CD, el acceso se logra a través
de los cepillos en el conmutador.
En este circuito, las terminales de armadura del motor CD están desconectadas del suministro de energía y conectadas inmediatamente a través de una
resistencia, que actúa como carga. Entre menor la resistencia ohmica, mayor
es la velocidad de disipación de energía, y mayor es la desaceleración.
Los devanados de campo del motor CD permanecen conectados al suministro de
energía eléctrica. La armadura genera una tensión que se conoce como “fuerza
contra electromotriz” (CEMF). Esta fuerza contra electromotriz provoca que la
corriente fluya a través de la resistencia y armadura. La corriente provoca la
disipación del calor en la resistencia, removiendo energía del sistema y
desacelerando la rotación del motor.
La fuerza contra-electromotriz generada se reduce conforme la velocidad del
motor baja. Cuando la velocidad del motor se acerca a cero, la tensión generada
se acerca también a cero. Esto significa que la acción de frenado se reduce conforme la velocidad del motor baja. Como resultado, un motor no puede ser
totalmente frenado mediante la utilización del frenado dinámico. El frenado
dinámico tampoco puede mantener una carga una vez que se ha detenido puesto
que ya no hay ninguna acción de frenado.
Por esta razón, los frenos de fricción electromecánica se utilizan frecuentemente
junto con el frenado dinámico en aplicaciones que requieren del sostenimiento de
la carga o bien en aplicaciones en las cuales una carga muy pesada debe ser
detenida. Esto es similar a la utilización de un paracaídas para desacelerar un
automóvil de carrera antes de utilizar los frenos.
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Fundamentos y Control de Motores
Figura 31. El Frenado Dinámico se Utiliza Frecuentemente con Frenado de Fricción Electromecánica
El frenado dinámico para motores CA puede ser manejado con un controlador de
frecuencia ajustable. Comentaremos los controladores de frecuencia ajustable
con mayores detalles en el Módulo 20, Controladores de Frecuencia Ajustable.
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Fundamentos y Control de Motores
Repaso 3
Conteste las preguntas siguientes sin hacer referencia al material que se le acaba
de presentar.
1. Llene los espacios en las fórmulas siguientes:
Trabajo = _________ x_________ Potencia = _________ / __________
2. Calcule el caballaje nominal de un motor que desplaza una carga de 1000
libras sobre una distancia de 330 pies en un minuto.
Respuesta: _________ HP
3. Un transportador es un ejemplo de una aplicación de ________ Par /
_________ caballos de potencia.
4. Nombre dos dispositivos que pueden ser utilizados para revertir la dirección
de un motor.
________________________________
________________________________
5. La reducción de la tensión suministrada al campo de un motor CD provoca el
INCREMENTO o la REDUCCIÓN de la velocidad del motor. Circule la
respuesta correcta.
6. Utilizando la fórmula de la velocidad síncrona, calcule la velocidad de plena
carga de un motor con 8 polos funcionando a 60 Hz con un deslizamiento de
2.2%.
Respuesta: _________ RPM
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Fundamentos y Control de Motores
Glosario
Controlador de
Este dispositivo controla la energía entrante de 60 Hz
Frecuencia Ajustable en cualquier frecuencia deseada, permitiendo que un
motor CA funcione a casi cualquier velocidad.
Armadura
El conductor giratorio en un motor CD.
Velocidad Base
La velocidad a la cual un motor CD funciona con plena
tensión aplicada a la armadura y campo.
Cepillos
Los componentes estacionarios del conmutador, que
suministran corriente a los segmentos rotatorios del
conmutador.
Bobinas
Los devanados estacionarios del motor CD que
generan el campo electromagnético.
Conmutador
Un dispositivo utilizado en un motor CD para revertir la
corriente en la armadura cada media rotación de tal
manera que los campos magnéticos funcionen juntos
para mantener la rotación.
Motor Compuesto
Un motor CD que combina las características de los
motores de devanado en serie y de los motores de
devanado en derivación.
Teoría del Flujo
Convencional
Una teoría sobre el flujo de la corriente. Establece que
la corriente fluye de positivo a negativo.
Frenado por
Inyección de CD
Un método de frenado de un motor CA en donde se
aplica corriente directa (CD) a los devanados
estacionarios de un motor CA después de la remoción
de la tensión CA.
Delta
Un arreglo de conexión de motor en donde cada
devanado está alambrado extremo con extremo para
formar un circuito totalmente cerrado.
Motores de Doble
Tensión
Un motor fabricado para dos tensiones. Permite que el
motor sea utilizado con dos tensiones de línea de
suministro de energía eléctrica diferentes.
Frenado Dinámico
Un método de frenado de un motor CD mediante la
reconexión de un motor en funcionamiento para que
actúe como generador inmediatamente después de ser
apagado. La reconexión del motor de esta forma hace
que el motor actúe como generador cargado que
desarrolla un par retardante, desacelerando
rápidamente el motor.
Teoría del Flujo de
Electrones
Una teoría sobre el flujo de la corriente que establece
que la corriente fluye del negativo al positivo.
Velocidad de Plena
Carga
La velocidad real a la cual gira un motor, se encuentra
en la placa. Para calcular la velocidad de plena carga,
tome la Velocidad Síncrona restándole el Porcentaje de
Deslizamiento. Es la velocidad del rotor.
Caballo de Potencia
Una unidad de medición de la potencia, que se utiliza
para determinar la cantidad de Trabajo que puede
efectuar un motor. Un caballo de potencia es igual a
33,000 pies-libras por minuto de Trabajo.
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Fundamentos y Control de Motores
Inducción
El proceso de producir una corriente a través del
movimiento relativo de un campo magnético a través de
un conductor.
Regla de Flujo de la
Mano Izquierda
La relación de los factores utilizados para determinar en
qué dirección se desplaza el flujo magnético alrededor
de un conductor. Imagine que usted está sujetando el
alambre con la mano izquierda, cerciorándose que su
pulgar apunta en la dirección del flujo de la corriente.
Sus dedos se doblan alrededor del alambre en la
dirección del flujo magnético.
Flujo Magnético
La dirección de un campo magnético.
Arrancador
Un dispositivo que efectúa la misma función que el
Magnético Reversible arrancador manual reversible. Eléctricamente, la única
diferencia entre los arrancadores manuales y
magnéticos es la adición de bobinas directas y reversas
y el uso de contactos auxiliares.
Arrancador Manual
Reversible
Un dispositivo utilizado para cambiar la dirección o
rotación de un motor trifásico, monofásico o CD. Se
fabrica conectando simplemente dos arrancadores
manuales juntos.
Posición Neutral
La posición en la cual la armadura en un motor CD está
en paralelo con el campo magnético, en donde no se
produce par.
Porcentaje de
Deslizamiento
La diferencia porcentual entre la Velocidad Síncrona de
un motor y su Velocidad de Plena Carga.
Polaridad
La dirección de flujo de corriente a través de un
conductor.
Polos
Los devanados estacionarios del motor CD que
generan un campo electromagnético.
Potencia
Una medición del trabajo efectuado por unidad de
tiempo.
Arrancador de
Tensión Reducida
Un tipo de arrancador que incrementa la potencia hacia
un motor gradualmente para recortar la corriente
requerida al arranque.
Regla de Motor de la
Mano Derecha
La relación de los factores involucrados en la
determinación del movimiento de un conductor en un
campo magnético. El índice apunta en la dirección del
campo magnético (N a S), el cordial apunta en la
dirección del flujo de la corriente de electrones en el
conductor, y el pulgar apunta en la dirección de la
fuerza sobre el conductor.
Rotor
La parte giratoria de un motor CA.
Motor de Devanado
en Serie
Un motor de CD con la bobina de campo alambrada en
serie con la bobina de armadura. Se conoce también
como motor universal.
Motor de Devanado
en Derivación
Un motor CD con la bobina de campo alambrada en
paralelo con la bobina de armadura.
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Fundamentos y Control de Motores
Arrancador
Un dispositivo que se utiliza para arrancar un motor a
partir de una posición de parada.
Devanados
Estacionarios
Los devanados estacionarios del motor CD que
generan un campo electromagnético.
Estator
La parte estacionaria de un motor CA.
Motor de Inducción
de Jaula de Ardilla
El tipo de motor CA más común que se conoce por este
nombre debido al parecido del rotor con una jaula
utilizada para ardillas.
Velocidad Síncrona
La velocidad de rotación del estator, definida por la
fórmula:
N = 120f/P
En donde:
N = la velocidad síncrona del motor en revoluciones
por minuto (RPM)
f = la frecuencia suministrada al motor en Hertz (Hz)
P = el número de polos del motor.
Par
Fuerza de rotación.
Trabajo
La aplicación de una fuerza sobre una distancia.
Y
Un arreglo de conexión de motor en donde un extremo
de cada una de las tres fases está conectado a las otras
fases internamente. El extremo restante de cada fase
es después sacado.
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Fundamentos y Control de Motores
Respuestas del
Repaso 1
1. Pulgar: Dirección de movimiento del conductor
Índice: Dirección del flujo magnético
Cordial: Dirección de flujo de corriente a través del conductor
2. Cuando la armadura está en paralelo con relación al campo magnético, no se
produce par. Son difíciles de arrancar.
3. Los espacios en el fondo de la gráfica, de izquierda a derecha: “1/4”, “1/2”, “3/
4”. Los espacios en el lado de la gráfica, desde arriba hacia abajo: “Par”,
“Velocidad”.
4. La reversión de la dirección de la corriente a través del campo. La reversión
de la dirección de la corriente a través de la armadura.
5. Devanado en serie, devanado en derivación y compuesto.
Respuestas del
Repaso 2
1. Monofásico y polifásico
2. CA cambia de polaridad “naturalmente”.
3. suministro de energía eléctrica monofásica
4. Los espacios desde la izquierda hacia la derecha: “L1”, “L2”, “L3”, “B”, “C”,
“A”.
5. Delta
Respuestas del
Repaso 3
1. Trabajo = Distancia x Fuerza Potencia = Trabajo/Tiempo
2. 10
3. Par Constante/Caballaje Variable
4. Arrancador manual reversible; Arrancador magnético reversible
5. Incrementar
6. Aproximadamente 800 RPM
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Fundamentos y Control de Motores
Apéndice A:
Conexiones Típicas
de un Motor de
Velocidades
Múltiples
Los arreglos comunes de conexiones de motor, de conformidad con los estándares NEMA, se utilizan cuando se conectan motores. Los diagramas son arreglos típicos pero no ilustran todas las posibilidades.
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Fundamentos y Control de Motores
Referencia
Al preparar este módulo de capacitación, material fue tomado de la publicación
siguiente:
Gary Rockis y Glenn A. Mazur, Electrical Motor Controls [Controles de Motores
Eléctricos]. (Homewood, IL: American Technical Publishers, Inc., 1997).
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