Motores AC.

Tecnología Industrial II. IES Palas Atenea.

MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Los motores de corriente alterna se clasifican de la siguiente forma: 

Trifásicos: formados por tres bobinas iguales; son los más habituales



Bifásicos: formados por dos bobinas iguales



Monofásicos: formados por solo una bobina

Al igual que los motores de corriente continua, constan de dos partes fundamentales:  Estator: parte fija, que constituye el inductor. Está formado por chapas de material ferromagnético ranuradas interiormente, en las que se introducen unas bobinas de cobre que constituyen el devanado de inductor.  Rotor: parte móvil, que constituye el inducido. El Estátor de tres pares de polos inducido puede ser de dos tipos: – rotor

bobinado:

está

formado

por

chapas

de

material

ferromagnético ranuradas exteriormente, en las que se introducen unas bobinas de cobre, de forma similar al estator. Este rotor debe ser alimentado exteriormente, y los motores que lo usan se denominan síncronos. –

rotor en cortocircuito o de jaula de ardilla: está formado por unas barras de cobre o

aluminio sobre anillos de acero. Este rotor no precisa ser alimentado exteriormente. Los motores con este tipo de rotor se denominan asíncronos.

En este curso sólo estudiaremos los motores trifásicos asíncronos.

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MOTORES TRIFÁSICOS ASÍNCRONOS. La corriente alterna trifásica consta de tres señales idénticas en amplitud y frecuencia, pero desfasadas 2p/3 una de la otra. Llamaremos a cada fases u, v y w. Cada una de ellas se conectará a uno de los extremos de cada bobina del estátor. Cada una de estas señales inducirá un campo magnético variable. Debido al desfasaje entre las fases, el máximo del campo magnético total creado por las tres señales describirá una trayectoria circular. Este campo inducirá una fem en el rotor en cortocircuito, en el que aparecerá, por tanto, una corriente eléctrica. Tendremos así un par de fuerzas, que provocará el giro del rotor, arrastrado por el campo magnético giratorio creado por el estátor. Como se ha comentado en el párrafo anterior, a uno de los extremos de cada bobina del estátor se conecta una fase. Para completar el circuito, necesitamos conectar los otros extremos, denominados x, y, y z. Cuando se realice la conexión, circulará corriente por los devanados del inductor y el motor comenzará a girar. Se pueden definir dos valores de tensión y dos de intensidad de corriente: •

Tensión de fase (UF): Es la caída de voltaje entre los extremos de la resistencia de cada uno de los devanados del estátor.

•

Tensión de línea (UL): Es el voltaje entre dos cables de fase.

•

Intensidad de corriente de fase (I F): La que circula por cada uno de los devanados del inductor.

•

Intensidad de corriente de línea (I L): La que circula por cada uno de los conductores de fase.

Podemos realizar dos tipos de conexiones: estrella y triángulo.

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Conexión estrella En la conexión estrella, se cortocircuitan los extremos x, y y z. En esta conexión se cumplen las siguientes relaciones entre tensiones e intensidades de corriente: U L =√ 3 U F I L =I F

Conexión triángulo. Conectamos x con v, y con w y z con u. Las relaciones entre corrientes y tensiones quedarán: U L =U F I L =√ 3 I F VELOCIDADES El motor asíncrono se denomina así porque la velocidad de giro del rotor es diferente a la velocidad de giro del campo magnético. Si ambas fuesen iguales, en el sistema de referencia del rotor el campo magnético sería constante. De ese modo, la fem inducida por la ley de Faraday sería nula, no habría corriente en el rotor ni fuerza de Lorentz, por lo que el motor se pararía. La velocidad a la que gira el campo magnético se denomina velocidad de sincronismo (n1). Se calcula con la fórmula n1 (rpm)=

60· f (Hz) p

Donde f es la frecuencia de la corriente alterna (50 Hz en España) y p el número de pares de polos. Denominaremos n2 a la velocidad de giro del rotor. Para expresar la relación entre los diferentes valores de las dos velocidades se usan las siguientes magnitudes:

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•

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Deslizamiento absoluto (d). Es la diferencia entre ambas velocidades. d = n 1-n2. Se mide en rpm.

•

Deslizamiento relativo (s). Es el cociente entre el deslizamiento absoluto y la velocidad de sincronismo. s = d/n1. Se mide en tanto por ciento.

TRIÁNGULO DE POTENCIAS. RENDIMIENTO. En corriente alterna, la potencia se trata como un número complejo, pudiéndose definir un triángulo de potencias como el mostrado en la figura de la izquierda. El balance de potencias no es simplemente una suma algebraica como ocurre en corriente continua, sino que debemos realizar una suma de vectores. En el triángulo se puede ver que tenemos tres componentes: •

Potencia Aparente (S). Es la que se absorbe de la red eléctrica. Se calcula como: S= √ 3 U L I L

Se mide en voltiamperios (VA). •

Potencia Activa (P). Es la que de verdad podremos aprovechar para transformar en potencia mecánica útil en el eje del motor. Del triángulo se puede deducir que: P=√ 3 U L I L cos φ Se mide en vatios (W)

•

Potencia reactiva (Q). Es una fracción de la potencia aparente que se pierde en la generación y mantenimiento de campos electromagnéticos provocados por el carácter variable de la corriente alterna. Es potencia que se paga pero no va a poder ser transformada en potencia mecánica. Q= √3 U L I L sen φ

Se mide en voltiamperios reactivos (VAr) La relación entre las tres se puede obtener mediante trigonometría o aplicando el teorema de Pitágoras al triángulo de potencia 2

2

S =P +Q

2

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Interesa que la potencia activa sea lo más cercana posible a la aparente, para poder aprovechar al máximo la potencia consumida. Lo cerca o lejos que estamos de este objetivo se mide mediante un parámetro denominado factor de potencia f =cos φ=S / P Cuanto más cercano esté ese factor a 1, más eficiente será. La potencia útil se calcula a partir de la potencia activa restándole las pérdidas, de tal forma que el rendimiento se define como h=Pú/P. Las pérdidas se calculan igual que hemos visto para los motores de continua. ARRANQUE ESTRELLA-TRIÁNGULO En la figura de la izquierda están representadas las curvas de par e intensidad en función de la velocidad para las conexiones estrella y triángulo. Como se puede observar, para una misma velocidad el par obtenido en la conexión triángulo es mayor que el de conexión estrella. En principio, esto podría inducir a pensar que ésta sería la conexión más adecuada desde el punto de vista de rendimiento mecánico. Sin embargo, como se puede ver en la gráfica correspondiente a la intensidad, durante el arranque la corriente que pasa por los devanados del estátor es tan elevada que podría poner en peligro el motor. Para evitar este problema, los motores se arrancan con conexión estrella, que presenta unas corrientes bajas durante el arranque. Cuando el motor acelera, las corrientes disminuyen. Cuando se llega a una velocidad tal que la intensidad en los devanados del estátor en una conexión en triángulo sería suficientemente baja, se cambia (mediante un circuito de relés) la conexión de estrella a triángulo, para obtener un mayor par. REGULACIÓN DE VELOCIDAD Para regular la velocidad de giro de un motor asíncrono se actúa sobre la velocidad de sincronismo. Podemos o bien modificar el número de pares de polos mediante divisores de tensión o modificando la frecuencia de la corriente suministrada.

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Actuar sobre el número de pares de polos provoca variaciones bruscas de la velocidad, pero era el único método disponible antes de la aparición de sistemas electrónicos que permitiesen actuar sobre la frecuencia. INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO. El sentido de giro del rotor en un motor asíncrono viene determinado por el sentido en el que gira el campo magnético total generado por los tres devanados del estátor. A su vez, este sentido viene marcado por el desfasaje temporal en el máximo de cada una de las señales de las fases. Supongamos que, como se muestra en la gráfica de la página 2, la primera señal en alcanzar su máximo es u, luego v y finalmente w. Si esas señales se conectan a los devanados del inductor según se muestra en la primera figura de la página 1, el campo girará en un sentido (supongamos horario), arrastrando al rotor en cortocircuito. Si intercambiamos entre sí dos de las tres fases (u en w y w en u), los máximos en el campo irán rotando en el sentido contrario (antihorario), por lo que habremos logrado invertir el sentido de giro del motor. Al igual que ocurría con el arranque estrella-triángulo, la inversión de giro se realiza mediante circuitos con relés que no veremos en este curso.

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