Módulo de Aprendizaje 16: Fundamentos y Control de Motores
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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 Página 2 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 Página 3 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. Página 4 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. Página 5 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. Página 6 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. Página 7 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 Página 8 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 Página 9 Fundamentos y Control de Motores El pequeño tamaño del motor CD hace que el taladro sea muy ligero, portátil y cómodo. Página 10 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. Página 11 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 Página 12 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: ___________________________ ___________________________ ___________________________ Página 13 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. Página 14 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. Página 15 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. Página 16 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. Página 17 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- Página 18 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 Página 19 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. Página 20 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. Página 21 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 Página 22 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 Página 24 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. Página 25 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. Página 26 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 Página 27 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”. Página 28 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. Página 29 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). Página 30 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. Página 31 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. Página 32 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 Página 33 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. Página 34 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. Página 35 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. Página 36 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 Página 37 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. Página 38 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). Página 39
