UNIDAD3
MOTORES ELECTRICOS
Un motor eléctrico
es una maquina elecrica que transforma energia electrica en energia
mecanica por medio de campos magnéticos variables electromagneticas.
Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar
energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores Los
motores eléctricos de tracción usados en locomotoras realizan a menudo
ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos
Son
ampliamente utilizados en instalaciones industriales, comerciales y
particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministro
electrico o a baterias. Así, en automoviles se están empezando a
utilizar en vehiculos hibridos para aprovechar las ventajas de ambos.
Principio de funcionamiento
Los motores
de corriente alterna y los de corriente continua se basan en el mismo principio
de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el que circula una corriente electrica se encuentra dentro de la
acción de un campo magnetico éste tiende a desplazarse
perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnetico
El conductor
tiende a funcionar como un electroima debido a la corriente electrica que circula por el mismo
adquiriendo de esta manera propiedades magnéticas, que provocan, debido a la
interacción con los polos ubicados en el estator,
el movimiento circular que se observa en el rotor del motor. Aprovechando el estator y
rotor ambos de acero laminado al silicio se produce un campo magnético uniforme
en el motor.
Partiendo
del hecho de que cuando pasa corriente por un conductor produce un campo
magnetico , además si lo ponemos dentro de la acción de un
campo magnetico potente, el producto de la interacción de ambos campos
magnéticos hace que el conductor tienda a desplazarse produciendo así la
energía mecánica. Dicha energia es comunicada al exterior mediante un
dispositivo
llamado flecha.
Ventajas
En diversas
circunstancias presenta muchas ventajas respecto a los motores de combustion:
- A igual potencia , su tamaño y peso son más reducidos.
- Se pueden construir de cualquier tamaño.
- Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente constante.
- Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 75%, aumentando el mismo a medida que se incrementa la potencia de la máquina).
- Este tipo de motores no emite contaminantes, aunque en la generacion de energia electrica de la mayoría de las redes de suministro sí emiten contaminantes.
Motores de corriente continua
Diversos
motores eléctricos.
Los motores
de corriente continua se clasifican según la forma
como estén conectados, en:
Motor paso a paso
Servomotor
Motor sin nucleo
Motores de corriente alterna
Los motores
de C.A. se clasifican de la siguiente manera:
Asíncrono o de inducción
Los motores
asíncronos o de inducción son aquellos motores eléctricos en los que el rotor
nunca llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace el campo
magnético del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de
frecuencias.
Jaula de ardilla
Un rotor de
jaula de ardilla es la parte que rota usada comúnmente en un motor de inducción
de corriente alterna. Un motor eléctrico con un rotor de jaula de ardilla
también se llama "motor de jaula de ardilla". En su forma instalada,
es un cilindro montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras
longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos
extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula. El nombre
se deriva de la semejanza entre esta jaula de anillos y barras y la rueda de un
hámster (ruedas probablemente similares existen para las ardillas domésticas)
Anteriormente
se usaban rotores con barras conectadas entre si con tuercas lo que da
problemas cuando perdían presión y provocan mal contacto. Eso se mejoro usando
jaulas de ardilla sin tuercas, son de material fundido, en el futuro se
pretende utilizar cobre en la jaula para mejorar la eficiencia, actualmente se
utiliza aluminio.
Artículo
principal:jaula de ardilla.
Monofásicos
- Motor de arranque a resistencia. Posee dos bobinas una de arranque y una bobina de trabajo.
- Motor de arranque a condensador. Posee un condensador electrolítico en serie con la bobina de arranque la cual proporciona más fuerza al momento de la marcha y se puede colocar otra en paralelo la cual mejora la reactancia del motor permitiendo que entregue toda la potencia.
- Motor de marcha.
- Motor de doble condensador.
- Motor de polos sombreados o polo sombra.
Trifásicos
- Motor de Inducción.
A tres fases
La mayoría
de los motores trifásicos tienen una carga equilibrada, es decir, consumen lo
mismo en las tres fases, ya estén conectados en estrella o en triángulo. Las
tensiones en cada fase en este caso son iguales al resultado de dividir la
tensión de línea por raíz de tres. Por ejemplo, si la tensión de línea es
380 V,
entonces la tensión de cada fase es 220 V.
Rotor Devanado
El rotor
devanado o bobinado, como su nombre lo indica, lleva unas bobinas que se
conectan a unos anillos deslizantes colocados en el eje; por medio de unas
escobillas se conecta el rotor a unas resistencias que se pueden variar hasta
poner el rotor en corto circuito al igual que el eje de jaula de ardilla.
Monofásicos
- Motor universal
- Motor de Inducción
- Motor de fase partida
- Motor por reluctancia
- Motor de polos sombreados
Trifásico
- Motor de rotor devanado.
- Motor asíncrono
- Motor síncrono
Seleccion de velocidades nominales de los motores de induccion jaula de ardilla o de rotor devanado.
Dado que el
deslizamiento de la mayor parte de los motores comerciales de inducción de
jaula de ardilla, a la velocidad nominal en general de alrededor de un 5% , no
se pueden alcanzar velocidades mayores a 3600 r.p.m. A 60 Hz, las velocidades
son muy múltiplos de los inversos del números de polos en el estator: 1800,
1200, 900, 720 r.p.m. Etc. En general, se prefieren los motores de alta
velocidad a los de baja velocidad, de la misma potencia y voltaje, debido a
que:
- Son de tamaño menor y en consecuencia de menor peso
- Tienen mayor par de arranque
- Tienen mayores eficiencias
- A la carga nominal, tienen mayores factores de potencia
- Son menos costosos.
Por estas razones se
suele dotar de cajas de engranes o embrague a los motores de inducción de jaula
de ardilla para permitir velocidades de eje de cerca sobre 3600 r.p.m. y por
debajo de 200 r.p.m. En muchos usos o aplicaciones comerciales particularmente
en capacidades de menor potencia, la caja de engranes o de embrague va
incorporada en la caja del motor, formando unidad integral con este.
Si solo hacemos variar
el voltaje del estator no se produce una variación correspondiente en el
deslizamiento y la velocidad. Entonces si los demás factores permanecen
constantes, el par del motor es directamente proporcional al cuadrado del
voltaje. Esto significa que si se aumenta el voltaje en el estator, se produce
un aumento mucho mayor en el par y, correspondientemente, una reducción en el
desplazamiento, es decir el deslizamiento varía inversamente con el cuadrado
del voltaje o en proporción al inverso del par.
Para fines de calculo ,
podemos resumir la relación entre par y voltaje de estator como sigue:
En el cual el
subíndice "n" representa el nuevo valor
El subíndice
"o" representa el valor original.
Características de
funcionamiento del motor de inducción.
Suponiendo que el
motor de inducción comercial de jaula de ardilla se haga arrancar con voltaje
nominal en las terminales de línea de su estator (arranque a través de la
línea) desarrollará un par de arranque de acuerdo a la ecuación 1 que hará que
aumente su velocidad. Al aumentar su velocidad a partir del reposo (100% de
deslizamiento), disminuye su deslizamiento y su par velocidad aumente todavía
más reduciéndose en forma simultánea el deslizamiento y el par que desarrolle
el par de inducción.
Los pares
desarrollados al arranque y al valor de deslizamiento que produce el par máximo
ambos exceden al par aplicado a la carga. Por lo tanto la velocidad del motor
aumentará, hasta que el valor del deslizamiento sea tan pequeño que el par que
se desarrolla se reduzca a un valor igual al par aplicado por la carga.
Mientras tanto el motor continuará trabajando a esta velocidad y valor de
equilibrio del deslizamiento hasta que aumente o disminuya el par aplicado de
acuerdo con la ecuación 1.
La siguiente gráfica
resume el funcionamiento de un motor polifásico de inducción.
Muestra la relación
entre los pares de arranque, máximo y nominal a plena carga que desarrolla un
motor de inducción, como funcion de la velocidad de este y del desplazamiento. Esta figura es representación
gráfica de la corriente y el par desarrollados en el rotor del motor como funciones de deslizamiento desde el instante de arranque (punto a ) hasta la condición de
funcionamiento en estado estable (en general entre marcha en vacío y marcha a plena carga puntos c y d )
cuando los pares desarrollados y aplicado son iguales.
Características de
funcionamiento normal del motor de inducción en marcha
Las
características de funcionamiento normal del motor se tiene en la gráfica en
los puntos. Enseguida vemos el comportamiento del rotor de un motor de
inducción de jaula de ardilla a una velocidad sin carga, ligeramente menor que
la velocidad síncrona cuando se aplica una carga que va en aumento.
Caso sin carga y
vacío:
Sin carga, el
deslizamiento es muy pequeño y la frecuencia, reactancia del rotor, y la FEM
inducida en éste son muy pequeñas. Por lo tanto la corriente en el rotor es muy
pequeña y solo la suficiente para producir el par sin carga y por lo tanto la
corriente en el estator es la suma fasorial de su corriente de excitación y un
componente de carga primario inducido en el rotor por acción del transformador.
Arranque en estrella -
delta
La mayor parte de los
motores polifásicos se devanan con sus estatores conectados en delta. Existen
fabricantes que ofrecen motores de inducción con el principio y el final de
cada devanado de fase en forma saliente, con fines de conexión externa. En el
caso de motores trifásicos se pueden conectar a la línea ya se ha en estrella o
en delta cuando se conectan en estrella, el voltaje que se imprime al devanado
es 1/ 3, (57.8%) del voltaje de línea.
Por tanto mediante la
conmutación como la que se muestra en la figura:
Es posible arrancar un
motor con poco más de la mitad de su voltaje nominal y a continuación hacerlo
trabajar en delta, con el voltaje nominal de línea y fase aplicados. como el
par varía de acuerdo con el cuadrado del voltaje impreso al estator la
reducción del voltaje cuando se conecta en estrella producirá aproximadamente
la tercera parte del par de arranque a pleno voltaje.
La conmutación de
estrella a delta se debe hacer tan rápidamente como sea posible para eliminar
grandes corrientes transitorias debidas a la pérdida momentánea de potencia.
Por este motivo, se emplean interruptores de tres polos doble tiro con tensión
de resorte y acción instantánea, en lugar de interruptores de cuchillas.
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