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MOTORES
Principio de funcionamiento
Según la segunda Ley de Lorentz, un conductor por el que pasa una corriente
eléctrica que causa un campo magnético a su alrededor tiende a ser expulsado
si se le quiere introducir dentro de otro campo magnético.
F: Fuerza en Newtons
I: Intensidad que recorre el conductor en Amperios
l: Longitud del conductor en metros
B: Inducción en Teslas
Fuerza contraelectromotriz inducida en un motor
Es la tensión que se crea en los conductores de un motor como consecuencia
del corte de las líneas de fuerza, es el efecto generador
La polaridad de la tensión en los generadores es inversa a la aplicada en
bornes del motor.
Las fuertes puntas de corriente de un motor en el arranque son debidas a que
con máquina parada no hay fuerza contraelectromotriz y el bobinado se
comporta como una resistencia pura.
Número de escobillas
Las escobillas deben poner en cortocircuito todas las bobinas situadas en la
zona neutra. Si la máquina tiene dos polos, tenemos también dos zonas
neutras En consecuencia, el número total de escobillas ha de ser igual al
número de polos de la máquina.
En cuanto a su posición, será coincidente con las líneas neutras de los polos.
Sentido de giro
El sentido de giro de un motor de corriente continua depende del sentido
relativo de las corrientes circulantes por los devanados inductor e inducido.
La inversión del sentido de giro del motor de corriente continua se consigue
invirtiendo el sentido del campo magnético o de la corriente del inducido.
Si se permuta la polaridad en ambos bobinados, el eje del motor gira en el
mismo sentido.
Los cambios de polaridad de los bobinados, tanto en el inductor como en el
inducido se realizarán en la caja de Bornes de la máquina.
Reversibilidad
Los motores y los generadores de corriente continua están constituidos
esencialmente por los mismos elementos, diferenciándose únicamente en la
forma de utilización.
Por reversibilidad entre el motor y el generador se entiende que si se hace girar
al rotor, se produce en el devanado inducido una fuerza electromotriz capaz de
transformarse en energía en el circuito de carga.
En cambio, si se aplica una tensión continua al devanado inducido del
generador a través del colector de delgas, el comportamiento de la máquina
ahora es de motor, capaz de transformar la fuerza contraelectromotriz en
energía mecánica.
En ambos casos el inducido está sometido a la acción del campo inductor
principal.
Los motores de imanes permanentes son motores eléctricos cuyo
funcionamiento se basa en imanes permanentes (motores de IP). Existen
diversos tipos siendo los más conocidos:



Motores de corriente continua de IP
Motores de corriente alterna de IP
Motores paso a paso de IP
Uno de los de mayor aplicación es el motor sincrónico de imán permanente (en
inglés Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM).
CLASES DE MOTORES
Motor Sincrónico de Imán Permanente
Las máquinas de imán permanente son extensivamente usadas en
servomotores, accionamiento eléctrico para posicionamiento, robótica,
máquinas herramienta, ascensores, etc. Se han llegado a construir máquinas
de una potencia por encima de 1 MW por ejemplo para el accionamiento de
submarinos. También es posible su aplicación en generación y bombeo a partir
de energía solar o energía eólica.
La construcción de los rotores de los servomotores sincrónicos de imán
permanente pueden adoptar una forma cilíndrica con un bajo diámetro y gran
longitud (cilinder rotor) llamados de flujo radial, o pueden tener un rotor en
forma de disco más liviano rotor de disco (disk rotor), también llamadas
máquinas de flujo axial, resultando así en ambos casos un bajo momento de
inercia y una constante de tiempo mecánica baja. Por otra para aplicaciones
industriales con arranque de línea o mediante arrancadores de voltaje reducido,
los motores poseen un damper que protege los imanes de la desmagnetización durante los transitorios asociados en el arranque, y además
amortigua las oscilaciones pendulares.
En aplicaciones en que el motor es operado electrónicamente desde un
inverter, no es necesario el devanado amortiguador para el arranque pues este
lo realiza el control electrónico, y además el devanado amortiguador (damper)
produce pérdidas de energía adicionales debido a las forma de onda no
senoidales.
Se analizará el caso de estator trifásico, el cual es similar a uno de una
máquina sincrónica trifásica clásica, debiendo destacarse dos tipos de PMSM
según el tipo de rotor:


Imanes montados en la superficie del rotor (Surface-mounted magnets)
Imanes insertos en el rotor (Buried Magnets)
PMSM con imanes montados en la superficie del rotor
En el caso que los imanes van montados (pegados o zunchados) en la
superficie del rotor, estos por el espacio que ocupan obligan a tener un
entrehierro relativamente grande, además los imanes cerámicos tienen efectos
de saliencia despreciables. En estos casos no existe devanado amortiguador.
El gran entrehierro hace que el flujo de la reacción de armadura (RA) tenga
efectos atenuados sobre el rotor, es decir la inductancia sincrónica Ld es
pequeña pues tiene una componente de reacción de armadura Lad pequeña y
por consiguiente los efectos de la RA son muy atenuados. Por otra parte se
deduce que el gran entrehierro resulta en una constante de tiempo eléctrica del
estator T = L/R pequeña.
PMSM con imanes insertos en el rotor
Si los imanes están insertos en el rotor, quedan físicamente contenidos y
protegidos, pero el espacio de hierro del rotor eliminado para insertar los
imanes hace que no puede considerarse que en este caso se tenga un
entrehierro uniforme, se tiene un efecto de saliencia, y aparece una
componente de reluctancia del par.
El criterio de diseño en el caso de servomotores deben encuadrar los
siguientes requerimientos:





Velocidad de operación y par controlado a todas las velocidades
Alta relación [Potencia / peso] y [Par / inercia]
Par electromagnético suave: sin pares pulsantes debido a las armónicas,
ni efectos de posicionamiento preferencial (cogging)debido a las ranuras
Alta densidad de flujo en el entrehierro
Diseño compacto con alto rendimiento y factor de potencia
Un motor eléctrico sin escobillas es un motor eléctrico que no emplea
escobillas para realizar el cambio de polaridad en el rotor.
Los motores eléctricos solían tener un colector de delgas o un par de anillos
rozantes. Estos sistemas, que producen rozamiento, disminuyen el
rendimiento, desprenden calor y ruido, requieren mucho mantenimiento y
pueden producir partículas de carbón que manchan el motor de un polvo que,
además, puede ser conductor.
Los primeros motores sin escobillas fueron los motores de alterna asíncronos.
Hoy en día, gracias a la electrónica, se muestran muy ventajosos ya que son
más baratos de fabricar, pesan menos y requieren menos mantenimiento, pero
su control era mucho más complejo. Esta complejidad prácticamente se ha
eliminado con los controles electrónicos.
El inversor debe convertir la corriente alterna en corriente continua y otra vez
en alterna de otra frecuencia. Otras veces se puede alimentar directamente con
continua, eliminado el primer paso. Por este motivo, estos motores de corriente
alterna se pueden usar en aplicaciones de corriente continua, con un
rendimiento mucho mayor que un motor de continua con escobillas. Algunas
aplicaciones serían los coches y aviones con radio control, que funcionan con
pilas.
Otros motores sin escobillas, que sólo funcionan con corriente continua son los
que se usan en pequeños aparatos eléctricos de baja potencia como Lectores
de CDROM, ventiladores de ordenador, Cassetes, etc. Su mecanismo se basa
en sustituir la conmutación (Cambio de polaridad) mecánica por una electrónica
sin contacto. En este caso la espira sólo es impulsada cuando el polo es el
correcto, y cuando no lo es, el sistema electrónico corta el suministro de
corriente. Para detectar la posición de la espira del rotor se utiliza la detección
de un campo magnético. Este sistema electrónico, además, puede informar de
la velocidad de giro, o si está parado, e incluso cortar la corriente si se detiene
para que no se queme. Tienen la desventaja de que no giran al revés al
cambiarles la polaridad (+ y -). Para hacer el cambio se deberían cruzar dos
conductores del sistema electrónico.
Un sistema algo parecido para evitar este rozamiento en los anillos se usa en
los alternadores. En este caso no se evita el uso de anillos rozantes, sino que
se evita usar uno más robusto y que frenaría mucho el motor. Actualmente, los
alternadores tienen el campo magnético inductor en el rotor, que induce el
campo magnético al estator, que a la vez es inducido. Como el campo
magnético del inductor necesita mucha menos corriente que la que se va
generar en el inducido, se necesitan unos anillos con un rozamiento menor.
Esta configuración la usan desde pequeños alternadores de coche hasta lo
generadores de centrales con potencias del orden de los megavatios.
El motor eléctrico paso a paso es un actuador conversor de tren de impulsos
en movimiento angular giratorio. Existe para un motor eléctrico paso a paso un
ángulo que define el desplazamiento mínimo que puede conseguirse.
El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un convertidor
digital-analógico y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas
lógicos.
Presenta las ventajas de tener alta precisión y repetibilidad en cuanto al
posicionamiento.
Entre sus principales aplicaciones destacan como motor de frecuencia variable,
motor de corriente continua sin escobillas, servomotores y motores controlados
digitalmente.
Existen 3 tipos fundamentales de motores paso a paso: el motor de reluctancia
variable, el motor de magnetización permanente, y el motor paso a paso
híbrido.
Motores de corriente alterna
En algunos casos, tales como barcos, donde la fuente principal de energía es
de corriente continua, o donde se desea un gran margen de variación de
velocidad, pueden emplearse motores de c-c. Sin embargo, La mayoría de los
motores modernos trabajan con fuentes de corriente alterna. A pesar de que
hay una gran variedad de motores de c-a, solamente se discutirán aquí tres
tipos básicos: el universal, el síncrono y el de jaula de ardilla.
Motores universales
El motor de c.c. serie, tal como se ha explicado, gira cuando se aplica c.c o c.a
de baja frecuencia. Tal motor, llamado universal, se utiliza en ventiladores,
sopladores, batidoras, taladradoras eléctricas transportables y otras
aplicaciones donde se requiere gran velocidad con cargas débiles o pequeña
velocidad con un par muy potente.
Una dificultad de los motores universales, en lo que a radio se refiere, son las
chispas del colector y las interferencias de radio que ello lleva consigo o ruido.
Esto se puede reducir por medio de los condensadores de paso, de 0,001 µF a
0,01 µF, conectados de las escobillas a la carcasa del motor y conectando ésta
a masa.
Motores síncronos
Se puede utilizar un alternador como motor en determinadas circunstancias. Si
se excita el campo con c-c y se alimenta por los anillos colectores a la bobina
del rotor con c-a, la máquina no arrancará. El campo alrededor de la bobina del
rotor es alterno en polaridad magnética pero durante un semiperiodo del ciclo
completo, intentará moverse en una dirección y durante el siguiente
semiperiodo en la dirección opuesta. El resultado es que la máquina
permanece parada. La máquina solamente se calentará y posiblemente se
quemará.
El rotor de un alternador de dos polos debe hacer una vuelta completa para
producir un ciclo de c-a. Debe girar 60 veces por segundo, o 3.600
revoluciones por minuto (rpm), para producir una c-a de 60 Hz. Si se puede
girar a 3.600 rpm tal alternador por medio de algún aparato mecánico, como
por ejemplo, un motor de c-c, y luego se excita el inducido con una c-a de 60
Hz, continuará girando como un motor síncrono.
Su velocidad de sincronismo es 3.600 rpm. Si funciona con una c-a de 50 Hz,
su velocidad de sincronismo será de 3.000 rpm. Mientras la carga no sea
demasiado pesada, un motor síncrono gira a su velocidad de sincronismo y
solo a esta velocidad. Si la carga llega a ser demasiado grande, el motor va
disminuyendo velocidad, pierde su sincronismo y se para. Los motores
síncronos de este tipo requieren todo una excitación de c-c para el campo (o
rotor), así como una excitación de c-a para el rotor (o campo).
Se puede fabricar un motor síncrono construyendo el rotor cilíndrico normal de
un motor tipo jaula de ardilla con dos lados planos. Un ejemplo de motor
síncrono es el reloj eléctrico, que debe arrancarse a mano cuando se para. En
cuanto se mantiene la c-a en su frecuencia correcta, el reloj marca el tiempo
exacto. No es importante la precisión en la amplitud de la tensión.
Motores de jaula de ardilla
La mayor parte de los motores que funcionan con c-a de una sola fase tienen el
rotor de tipo jaula de ardilla. Los rotores de jaula de ardilla reales son mucho
más compactos y tienen un núcleo de hierro laminado.
Los conductores longitudinales de la jaula de ardilla son de cobre y van
soldados a las piezas terminales de metal. Cada conductor forma una espira
con el conductor opuesto conectado por las dos piezas circulares de los
extremos. Cuando este rotor está entre dos polos de campos
electromagnéticos que han sido magnetizados por una corriente alterna, se
induce una fem en las espiras de la jaula de ardilla, una corriente muy grande
las recorre y se produce un fuerte campo que contrarresta al que ha producido
la corriente (ley de Lenz). Aunque el rotor pueda contrarrestar el campo de los
polos estacionarios, no hay razón para que se mueva en una dirección u otra y
así permanece parado. Es similar al motor síncrono el cual tampoco se arranca
solo. Lo que se necesita es un campo rotatorio en lugar de un campo alterno.
Cuando el campo se produce para que tenga un efecto rotatorio, el motor se
llama de tipo de jaula de ardilla. Un motor de fase partida utiliza polos de
campo adicionales que están alimentados por corrientes en distinta fase, lo que
permite a los dos juegos de polos tener máximos de corriente y de campos
magnéticos con muy poca diferencia de tiempo. Los arrollamientos de los polos
de campo de fases distintas, se deberían alimentar por c-a bifásicas y producir
un campo magnético rotatorio, pero cuando se trabaja con una sola fase, la
segunda se consigue normalmente conectando un condensador (o resistencia)
en serie con los arrollamientos de fases distintas.
Con ello se puede desplazar la fase en más de 20° y producir un campo
magnético máximo en el devanado desfasado que se adelanta sobre el campo
magnético del devanado principal.
Desplazamiento real del máximo de intensidad del campo magnético desde un
polo al siguiente, atrae al rotor de jaula de ardilla con sus corrientes y campos
inducidos, haciéndole girar. Esto hace que el motor se arranque por sí mismo.
El devanado de fase partida puede quedar en el circuito o puede ser
desconectado por medio de un conmutador centrífugo que le desconecta
cuando el motor alcanza una velocidad predeterminada. Una vez que el motor
arranca, funciona mejor sin el devanado de fase partida. De hecho, el rotor de
un motor de inducción de fase partida siempre se desliza produciendo un
pequeño porcentaje de reducción de la que sería la velocidad de sincronismo.
Si la velocidad de sincronismo fuera 1.800 rpm, el rotor de jaula de ardilla, con
una cierta carga, podría girar a 1.750 rpm. Cuanto más grande sea la carga en
el motor, más se desliza el rotor. En condiciones óptimas de funcionamiento un
motor de fase partida con los polos en fase desconectados, puede funcionar
con un rendimiento aproximado del 75 por 100.
Otro modo de producir un campo rotatorio en un motor, consiste en sombrear el
campo magnético de los polos de campo. Esto se consigue haciendo una
ranura en los polos de campo y colocando un anillo de cobre alrededor de una
de las partes del polo.
Mientras la corriente en la bobina de campo está en la parte creciente de la
alternancia, el campo magnético aumenta e induce una fem y una corriente en
el anillo de cobre. Esto produce un campo magnético alrededor del anillo que
contrarresta el magnetismo en la parte del polo donde se halla él.
En este momento se tiene un campo magnético máximo en la parte de polo no
sombreada y un mínimo en la parte sombreada. En cuanto la corriente de
campo alcanza un máximo, el campo magnético ya no varía y no se induce
corriente en el anillo de cobre. Entonces se desarrolla un campo magnético
máximo en todo el polo. Mientras la corriente está decreciendo en amplitud el
campo disminuye y produce un campo máximo en la parte sombreada del polo.
De esta forma el campo magnético máximo se desplaza de la parte no
sombreada a la sombreada de los polos de campo mientras avanza el ciclo de
corriente. Este movimiento del máximo de campo produce en el motor el campo
rotatorio necesario para que el rotor de jaula de ardilla se arranque solo. El
rendimiento de los motores de polos de inducción sombreados no es alto, varía
del 30 al 50 por 100. Una de las principales ventajas de todos los motores de
jaula de ardilla, particularmente en aplicaciones de radio, es la falta de colector
o de anillos colectores y escobillas. Esto asegura el funcionamiento libre de
interferencias cuando se utilizan tales motores.
El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía
eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotativo. En la
actualidad existen nuevas aplicaciones con motores eléctricos que no producen
movimiento rotatorio, sino que con algunas modificaciones, ejercen tracción
sobre un riel. Estos motores se conocen como motores lineales.
Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria.
Su fácil control de posición, par y velocidad la han convertido en una de las
mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos.
Pero con la llegada de la electrónica han caído en desuso pues los motores de
corriente alterna del tipo asíncrono, pueden ser controlados de igual forma a
precios más accesibles para el consumidor medio de la industria. A pesar de
esto el uso de motores de corriente continua sigue y se usan en aplicaciones
de trenes o tranvías La principal característica del motor de corriente continua
es la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga.
Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone
principalmente de dos partes, un estator que da soporte mecánico al aparato y
tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estator
además se encuentran los polos, los cuales pueden estar devanados sobre la
periferia del estator, o pueden estar de forma saliente. El rotor es generalmente
de forma cilíndrica, también devanado.
Motores eléctricos su clasificación:

Motores de inducción de jaula de ardilla clase a

Motores de inducción de jaula de ardilla clase c
Motores de inducción de jaula de ardilla clase d






Motores de inducción de jaula de ardilla de clase f
Clasificación de los motores de inducción de jaula de ardilla de
acuerdo con el enfriamiento y el ambiente de trabajo.
Selección de velocidades nominales de motores de inducción
Efecto de la variación de voltaje sobre la velocidad de un motor
Motor sincrono de inducción
En este caso estaremos tratando sobre los motores de jaula de ardilla.
Estos motores provienen de los motores polifásicos de inducción. Suponiendo
que un motor de inducción comercial de jaula de ardilla se haga arrancar con el
voltaje nominal de las terminales de línea de su estator desarrollará un par de
arranque que hará que aumente la velocidad. Al aumentar la velocidad a partir
del reposo (100% de deslizamiento) disminuye su deslizamiento y su par
disminuye hasta que se desarrolla un par máximo. Esto hace que la velocidad
aumente todavía más, reduciéndose en forma simultánea el deslizamiento y el
par que desarrolla el motor de inducción.
Los pares desarrollados al arranque y al valor de desplazamiento que produce
el par máximo, en ambos exceden el par de la carga, por lo tanto la velocidad
del motor aumentará hasta que el valor de desplazamiento sea tan pequeño
que el par que se desarrolla se reduzca a un valor igual al aplicado por la
carga. El motor continuará trabajando a esa velocidad y el valor de equilibrio
del desplazamiento, hasta que aumente o disminuya el par aplicado.
La característica esencial que distingue a una máquina de inducción de los
demás motores eléctricos es que las corrientes secundarias son creadas
únicamente por inducción.
Cuando se desarrolló por primera vez el rotor de doble jaula de ardilla se creo
tal variedad y adaptabilidad en el diseño de rotores para motores de inducción
que ha llevado a diversas características de curva deslizamiento - par. Al dar la
proporción correcta al devanado de doble jaula de ardilla, los fabricantes han
desarrollado numerosas variaciones del diseño del rotor de vaciado o normal
único. Estas variaciones tienen por consecuencia pares de arranque mayores o
menores que el diseño normal y también menores corrientes de arranque.
Para distinguir entre diversos tipos disponibles, la National Eléctrical
Manufacturers Association (NEMA) ha desarrollado un sistema de identificación
con letras en la cual cada tipo de motor comercial de inducción de jaula de
ardilla se fabrica de acuerdo con determinada norma de diseño y se coloca en
determinada clase, identificada con una letra. Las propiedades de la
construcción eléctrica y mecánica el rotor, en las cinco clases NEMA de
motores de inducción de jaula de ardilla,
MOTORES DE INDUCCION DE JAULA DE ARDILLA CLASE A
El motor clase A es un motor de jaula de ardilla normal o estándar fabricado
para uso a velocidad constante. Tiene grandes áreas de ranuras para una muy
buena disipación de calor, y barras con ranuras ondas en el motor. Durante el
periodo de arranque, la densidad de corriente es alta cerca de la superficie del
rotor; durante el periodo de la marcha, la densidad se distribuye con
uniformidad. Esta diferencia origina algo de alta resistencia y baja reactancia de
arranque, con lo cuál se tiene un par de arranque entre 1.5 y 1.75 veces el
nominal (a plena carga). El par de arranque es relativamente alto y la baja
resistencia del rotor produce una aceleración bastante rápida hacia la velocidad
nominal. Tiene la mejor regulación de velocidad pero su corriente de arranque
varía entre 5 y 7 veces la corriente nominal normal, haciéndolo menos
deseable para arranque con línea, en especial en los tamaños grandes de
corriente que sean indeseables.
Motores de inducción de jaula de ardilla clase B
A los motores de clase B a veces se les llama motores de propósito general; es
muy parecido al de la clase A debido al comportamiento de su deslizamientopar. Las ranuras de su motor están embebidas algo más profundamente que el
los motores de clase A y esta mayor profundidad tiende a aumentar la
reactancia de arranque y la marcha del rotor. Este aumento reduce un poco el
par y la corriente de arranque.
Las corrientes de arranque varían entre 4 y 5 veces la corriente nominal en los
tamaños mayores de 5 HP se sigue usando arranque a voltaje reducido. los
motores de clase B se prefieren sobre los de la clase A para tamaños mayores.
Las aplicaciones típicas comprenden las bombas centrífugas de impulsión, las
máquinas herramientas y los sopladores.
MOTORES DE INDUCCION DE JAULA DE ARDILLA CLASE C
Estos motores tienen un rotor de doble jaula de ardilla, el cual desarrolla un alto
par de arranque y una menor corriente de arranque.
Debido a su alto par de arranque, acelera rápidamente, sin embargo cuando se
emplea en grandes cargas, se limita la disipación térmica del motor por que la
mayor parte de la corriente se concentra en el devanado superior.
En condiciones de arranque frecuente, el rotor tiene tendencia a sobre
calentarse se adecua mejor a grandes cargas repentinas pero de tipo de baja
inercia.
Las aplicaciones de os motores de clase C se limitan a condiciones en las que
es difícil el arranque como en bombas y compresores de pistón
MOTORES DEINDUCCION DE JAULA DE ARDILLA CLASE D
Los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla clase D se conocen
también como de alto par y alta resistencia.
Las barras del rotor se fabrican en aleación de alta resistencia y se colocan en
ranuras cercanas a la superficie o están embebidas en ranuras de pequeño
diámetro. La relación de resistencia a reactancia del rotor de arranque es
mayor que en lo motores de las clases anteriores.
El motor está diseñado para servicio pesado de arranque, encuentra su mayor
aplicación con cargas como cizallas o troqueles, que necesitan el alto par con
aplicación a carga repentina la regulación de velocidad en esta clase de
motores es la peor.
MOTORES DE INDUCCIÓN DE JAULA DE ARDILLA DE CLASE F
También conocidos como motores de doble jaula y bajo par. Están diseñados
principalmente como motores de baja corriente, porque necesita la menor
corriente de arranque de todas las clases. Tiene una alta resistencia del rotor
tanto en su devanado de arranque como en el de marcha y tiende a aumentar
la impedancia de arranque y de marcha, y a reducir la corriente de marcha y de
arranque.
El rotor de clase F se diseño para remplazar al motor de clase B. El motor de
clase F produce pares de arranque aproximadamente 1.25 veces el par
nominal y bajas corrientes de arranque de 2 a 4 veces la nominal. Los motores
de esta clase se fabrican de la capacidad de 25 hp para servicio directo de la
línea. Debido a la resistencia del rotor relativamente alta de arranque y de
marcha, estos motores tienen menos regulación de voltaje de los de clase B,
bajan capacidad de sobrecarga y en general de baja eficiencia de
funcionamiento. Sin embargo, cuando se arrancan con grandes cargas, las
bajas de corrientes de arranque eliminan la necesidad de equipo para voltaje
reducido, aún en los tamaños grandes.
CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN DE JAULA DE
ARDILLA DE ACUERDO CON EL ENFRIAMIENTO Y EL AMBIENTE DE
TRABAJO.
Los motores comerciales de inducción de jaula de ardilla, y en general todos lo
motores eléctricos, se pueden clasificar también de acuerdo con el ambiente en
que funcionan, sí también como en los métodos de enfriamiento.
La temperatura ambiente juega un papel importante en la capacidad y
selección del tamaño de armazón para una dínamo, parte importante del
motivo es que la temperatura ambiente influye en la elevación permisible de
temperatura por sobre los 40º C normales. Por ejemplo una dínamo que trabaje
a una temperatura ambiente de 75º C empleando aislamiento clase B tiene un
aumento permisible de temperatura de tan solo 55º C. Si trabajara a su
temperatura ambiente normal de 40 º C se podría permitir un aumento de
temperatura de 90º C, sin dañar su aislamiento.
También se hizo notar que la hermeticidad de la máquina afecta a su
capacidad. Una máquina con una armazón totalmente abierta con un ventilador
interno en su eje, permite un fácil paso de aire succionado y arrojado. Esta caja
origina una temperatura final de trabajo en los devanados, menor en
comparación que la de una máquina totalmente cerrada que evita el
intercambio de aire con el exterior.
Esto da como resultado que existe una clasificación de los motores por el tipo
de carcaza.
TIPOS DE ENVOLVENTES O CARCAZAS.
La NEMA reconoce los siguientes:
1. carcaza a prueba de agua. Envolvente totalmente cerrada para impedir
que entre agua aplicada en forma de un chorro o manguera, al recipiente
de aceite y con medios de drenar agua al interior. El medio para esto
último puede ser una válvula de retención o un agujero machuelado en
la parte más inferior del armazón, para conectar un tipo de drenado.
2. carcaza a prueba de ignición de polvos. Envolvente totalmente cerrada
diseñada y fabricada para evitar que entren cantidades de polvo que
puedan encender o afectar desempeño o capacidad.
3. carcaza a prueba de explosión. Envolvente totalmente cerrada diseñada
y construida para resistir una explosión de un determinado gas o vapor
que pueda estar dentro de un motor, y también para evitar la ignición de
determinado gas o vapor que lo rodee, debido a chispas o llamaradas en
su interior.
4. carcaza totalmente cerrada envolvente que evita el intercambio de aire
entre el interior y el exterior de ella pero que no es lo suficiente mente
cerrada para poderla considerar hermética al aire.
5. carcaza protegida al temporal. Envolvente abierta cuyos conductos de
ventilación están diseñados para reducir al mínimo la entrada de lluvia o
nieve y partículas suspendidas en el aire, y el acceso de estas en las
partes eléctricas.
6. carcaza protegida. Envolvente abierta en la cual todas las aberturas
conducen directamente a partes vivas o giratorias, exceptuando los ejes
lisos del motor, tienen tamaño limitado mediante el diseño de partes
estructurales o parrillas coladeras o metal desplegado etc. Par< evitar el
contacto accidental con las parte vivas
7. Carcaza a prueba de salpicaduras. Envolvente abierta en la que las
aberturas de ventilación están fabricadas de tal modo que si caen
partículas de sólidos o gotas de líquidos a cualquier ángulo no mayor de
100º con la vertical no puedan entrar en forma directa o por choque de
flujo por una superficie horizontal o inclinada hacia adentro.
8. Carcaza a prueba de goteo envolvente abierta en que las aberturas de
ventilación se construye de tal modo que si caen partículas sólidas o
gotas de líquido a cualquier ángulo no mayor de 15º con la vertical no
pueda entrar ya sea en forma directa o por choque y flujo por una
superficie horizontal o inclinada hacia adentro.
9. Carcaza abierta envolvente que tiene agujeros de ventilación que
permiten el flujo de aire externo de enfriamiento sobre y alrededor de los
devanados de la máquina.
El costo y el tamaño de los motores totalmente cerrados son mayores que el de
los motores abiertos, de la misma potencia y ciclo de trabajo y elevación sobre
la temperatura ambiente.
SELECCIÓN DE VELOCIDADES NOMINALES DEMOTORES
INDUCCION DE JAULA DE ARDILLA O DE ROTOR DEVANADO.
DE
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.
EFECTO DE LA VARIACIÓN DE VOLTAJE SOBRE LA VELOCIDAD DE UN
MOTOR DE INDUCIDO DE JAULA DE ARDILLA O DE ROTOR DEVANADO.
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 cálculo, 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.
El cálculo del deslizamiento con un cambio en el voltaje del estator (y del rotor)
es un tanto más complejo, porque el deslizamiento varía también con la
resistencia del rotor, el voltaje del estator y/o el par. La relación se puede
resumir de la siguiente forma: para la cual se ha definido previamente los
símbolos y subíndices.
De un motor de inducción de jaula de ardilla de propósito general. Al voltaje
nominal del estator Vs, el motor entrega el par nominal a un desplazamiento
aproximado de 5 %, lo cual se ve en el punto a de la figura a una reducción del
80 % del voltaje del estator, suponiendo una carga convencional cuyo par varíe
con la velocidad, disminuyen tanto el par como la velocidad,, con lo cual se
tiene un aumento en el deslizamiento , como se muestra en el punto b. Una
reducción semejante de voltaje produce tanto la reducción en el par como
aumento en el desplazamiento en el punto c. La extrapolación de los puntos a,
b, y c produce la línea de carga que aparece punteada para mayores
reducciones en el voltaje del estator.
Por tanto si se tiene mayor calentamiento a la menor velocidad, así como una
eficiencia reducida, lo cuál causa un rápido deterioro en el aislamiento del
motor. Por tanto se acostumbra limitar la variación de voltaje sobre el par, el
deslizamiento y la velocidad, empleando las ecuaciones 1 y 2
El siguiente ejemplo muestra que tanto resiste la velocidad de un motor
comercial de inducción de jaula de ardilla a un cambio de voltaje en el estator.
Como se muestra en la parte (d) de ese ejemplo, cuando se reduce 10 % el
voltaje del estator, tan solo produce ¡una disminución de 1.23% en la velocidad!
MOTOR SINCRONO DE INDUCCIÓN
Este motor se creó debido a la demanda de un motor síncrono polifásico con
arranque propio en tamaños menores, de menos de 50 HP. Que no necesitarán
excitación del campo con CD y que poseen las características de velocidad
constante el motor. El rotor consiste de un devanado de jaula de ardilla,
embobinado o vaciado, distribuido uniformemente en las ranuras que se
muestran en la figura 1.
Cuando una corriente alterna polifásica se aplica a la armadura normal de un
estator polifásico, el motor arranca como motor de inducción. Debido al rotor de
polo saliente, que se muestra en la figura 2, el motor llega muy fácil a su
sincronía y desarrolla con rapidez el par máximo del motor síncrono de la
máquina de polos salientes.
Así el motor síncrono de inducción desarrolla el par de reluctancia, proporcional
a sen de 2 y al cuál se le llama a veces motor polifásico de reluctancia. Pero
este es un nombre equivocado porque el motor síncrono de inducción trabaja
con las características combinadas de par del motor síncrono y de inducción,
como se ve en la figura 2. Cuando está diseñado con devanados de rotor de
alta resistencia, se pueden desarrollar pares de arranque bastante altos, hasta
del 400 % del par a plena carga. Por otro lado, el empleo de devanados del
rotor con alta resistencia ocasiona desplazamiento mayor, menor eficiencia y
menor posibilidades entrada en sincronismo con carga mediante el par de
reluctancia.
Como motor síncrono, trabaja a velocidad constante hasta un poco más del
200% de la plena carga. Si la carga aplicada es mayor que el 200% del par a
plena carga se baja a su característica de inducción, en donde puede seguir
trabajando como motor de inducción hasta casi el 700% del par a plena carga.
Debido a que el par crítico del motor síncrono es aproximadamente la tercera
parte del correspondiente del de inducción, el armazón del estator de un motor
síncrono de inducción es de tamaño tres veces mayor que un motor ordinario
de inducción de la misma potencia. Además, puesto que trabaja desde sin
carga hasta plena carga como motor síncrono sin excitación un mayor ángulo
de par compensa la falta de excitación y el motor toma una alta corriente de
retraso a bajo factor de potencia. Esto también ocasiona baja eficiencia y
necesita de mayor tamaño de armazón para disipar el calor.
En motores de potencia relativamente baja, como el motor síncrono de
inducción, los problemas creados por su mayor tamaño y peso, baja eficiencia
y corriente en retraso no tienen importancia en comparación con las ventajas
de velocidad constante, robustez, falta de excitación de CD, alto par de
arranque , de marcha y de mantenimiento mínimo que caracterizan a estos
motores.
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
disminuye hasta el valor en que se desarrolle el par máximo (Rr = sXIr ) de
acuerdo con la ecuación 2 . Esto hace que la 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
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 función 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.
Nótese que a desplazamiento cero, el par desarrollado y la corriente del rotor,
que se indica como línea de puntos, son ambos cero porque no, se efectúa
acción del motor de inducción a la velocidad sincronía. Aún sin carga, es
necesario que el motor de inducción tenga un pequeño deslizamiento, que en
general es del 1%, para poder desarrollar el pequeño par que necesita para
superar las fricciones mecánicas y con el aire, y otras pérdidas internas.
El motor de inducción es de velocidad constante entre el funcionamiento sin
carga y a plena carga (puntos d y c en la figura) y tiene una curva característica
de velocidad que se asemeja a la del motor derivación.
Los motores asíncronos o de inducción, por ser robustos y baratos, son los
más extensamente empleados en la industria. En estos motores el campo gira
a velocidad sincrónica, como en las máquinas síncronas: ns = f / p.
Teóricamente, para el motor girando en vacío y sin pérdidas, el rotor también
tendría la velocidad sincrónica. No obstante al ser aplicado un par externo al
motor, su rotor disminuirá su velocidad justamente en la proporción necesaria
para que la corriente inducida por la diferencia de velocidad entre el campo
giratorio (síncrono) y el rotor, pase a producir un par electromagnético igual y
opuesto al par aplicado exteriormente. El par electromagnético es proporcional
al flujo producido por el campo giratorio y a la corriente y al factor de potencia
del rotor.
El par del motor electromagnético puede ser expresado por la relación:
C = Pg /
s
Donde Pg es la potencia del campo que gira a una velocidad angular sincrónica
radianes por segundo. Por otro lado, si P es la potencia mecánica
proporcionada a través del eje que gira a una velocidad angular radianes por
segundo C = P / s
s
Por lo tanto:
P = Pg * /
s=
(1 - s) * Pg
O sea la potencia cedida por el eje es igual a la potencia disponible en el entre
hierro de la máquina Pg (potencia de campo giratorio), menos al parte
correspondiente a las pérdidas en el rotor s * Pg.
En la siguiente figura se muestra el diagrama vectorial de los componentes de
corrientes del motor asíncrono. Para un núcleo de hierro ideal, con una
permeabilidad infinitamente grande y con pérdidas nulas, la corriente absorbida
en vacío por el motor sería nula. En otras condiciones, para un motor en carga,
los arrollamientos del primario (estator) y secundario (rotor), tendrían
exactamente la misma f.m.m., o sea, el motor absorbería de la red una
corriente equivalente a su corriente retórica (determinada por el par solicitado),
referida al arrollamiento del estator, I'2.
Para el caso de núcleos ferromagnéticos reales, la permeabilidad finita
implicará una cierta corriente de magnetización I , y las pérdidas en el hierro
(transformadas en calor en el proceso) exigirán una componente activa de
corriente Ip.
La composición de estas corrientes produce la corriente I0 que el motor
absorbe en vacío.
Ahora para una situación de carga I'2, la corriente absorbida de la línea es la
suma vectorial. I1 = I2 + I0.
Aquí están representadas las ff.ee.mm. E1 (f.e.m inducida en el estator) y E'2
(f.e.m. inducida en el rotor referida al estator). Ellas sirven de referencia para el
diagrama de corrientes, una vez que su vector debe estar adelantado 90º
eléctricos con relación al vector de la corriente de magnetización.
Alterándose la carga aplicada al motor, la componente de corriente del rotor I'2
varía, pues es proporcional al par. I0 permanece constante, pues está vinculada
a la magnetización del motor. El lugar geométrico de la punta del vector que
representa I1, corriente absorbida por el primario, es una circunferencia, tal
como se ve en la figura de abajo:
En la medida que el motor es cargado por un par aplicado a su eje, el punto P
se mueve sobre la circunferencia. En cada punto el desplazamiento es mayor,
aproximadamente al valor s= 1, que corresponde a la condición del rotor
bloqueado (punto Pb). En este punto la corriente absorbida por el estator es
O'Pb y la correspondiente corriente del rotor es Opb. La semirrecta Opb es por
regla general, denominada "recta de las potencias". El segmento PG, igual a I1
cos es proporcional a la potencia por fase UI1 cos absorbida de la línea. El
segmento DG, igual a I0 cos
es proporcional a las pérdidas en vacío del
motor. El segmento ED representa las pérdidas de joule; consecuentemente
PE, el segmento comprendido entre la circunferencia y la recta de potencias, es
proporcional a la potencia transmitida al eje, la potencia mecánica.
El punto Pb, toda potencia absorbida por el motor, con excepción de pérdida en
el hierro, esta siendo convertida en calor a través de las pérdidas de joule en
los circuitos del estator y del rotor, segmentos PbC. Dividiéndose este
segmento en el punto M , de forma que MC es proporcional a las pérdidas de
Joule en el estator, mientras que PbM será proporcional a las perdidas en el
rotor.
Al trazar una recta tangente a la circunferencia, paralela a la recta de las
potencias, se determina el segmento JK proporcional a la máxima potencia que
el motor puede proporcionar. De manera semejante, el segmento LN
representa el máximo par que el eje puede aplicar a la carga. Estos dos
máximos ocurren a diferentes velocidades.
La gráfica anterior y la siguiente son una ayuda para la comprensión de cómo
varían las características del motor. También se muestra el comportamiento de
la corriente del factor de potencia del par y de la potencia excedida al eje en
función de la velocidad del motor, deducidas a partir del diagrama del circuito.
Características de funcionamiento normal del motor de inducción en
marcha (desde vacío hasta plena carga).
Las características de funcionamiento normal del motor se tiene en la gráfica
en los puntos d a c. 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 sincrónica 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 Ie y un componente de carga primario Io inducido en el rotor por
acción del transformador.
La figura 3 muestra la suma fasorial de esas corrientes sin carga, en la que la
corriente de excitación en el primario del estator a circuito abierto es Ie, es decir
la suma fasorial de un componente Ih de histéresis o de potencia, y un
componente Im, de magnetización necesario para producir el flujo rotatorio en el
estator. Los componentes de potencia Ih e Io están en fase con Egp. El factor de
potencia sin cargar se representa mediante , el ángulo entre Isc y Egp. Así, Isc
cos
es la suma de Io
e
Ih, des decir, la pequeña corriente del estator Io
producida por la corriente del rotor y por un componente primario de pérdida de
Iha, debido a la histéresis y corrientes parásitas en el hierro del estator y del
rotor. Se nota que si
es grande, el factor de potencia es extremadamente
pequeño y está en retraso.
Caso de media carga
Al aplicar la carga mecánica al rotor, la velocidad disminuye un poco. La
pequeña disminución de velocidad causa un aumento en el deslizamiento y en
la frecuencia y reactancia del rotor, y en la FEM inducida en éste.
El aumento en la corriente inducida (secundaria) en el rotor se refleja común
aumento de corriente primaria en el estator, Isr, que aparece en la figura, este
componente de la corriente primaria del estator Isr, produce potencia como Io y
está en fase con el voltaje inducido por el primario Egp. La suma fasorial de la
corriente sin carga Isc y el componente de carga Isr, produce una corriente Is, en
el estator a un ángulo de factor de potencia mejorado s con ello, la corriente
en el estator ha aumentado desde Isc hasta Is y el ángulo de factor de potencia
ha disminuido desde
s y ambos factores tienden a producir más
sc hasta
potencia de las barras de distribución (Egp, Is cos s).
Condición de plena carga
El motor de inducción de jaula de ardilla girará un valor de deslizamiento que
proporciona un equilibrio entre el par desarrollado y el par aplicado. De tal
manera, conforme se aplica más carga, el deslizamiento aumenta porque el par
aplicado excede al par desarrollado. Cuando se aplica el valor nominal al eje
del motor de inducción, el componente de la corriente del estator primario en
fase que toma el motor de inducción es grande en comparación con la corriente
sin carga casi de cuadratura, como en la gráfica 3 y el ángulo del factor de
potencia es bastante pequeño. El factor de potencia a plena carga varía entre
0.8 en motores pequeños (1 HP) y 0.9 o 0.95, en los grandes motores de
inducción (150 HP y superiores).
Más allá de plena carga
Si se observa en las gráficas de la figura 3 se supondrá que el factor de
potencia se aproxima a la unidad a mayores aumentos en la carga pero esto no
es así porque:
Con mayor carga y deslizamiento, la frecuencia del rotor continúa aumentando
y el aumento en la reactancia del rotor produce una disminución en el factor de
potencia.
Considerando al motor de inducción como si fueran un transformador, se
puede decir que el secundario del transformador tiene una carga en retraso, lo
cual hace que el factor de potencia del primario se retrase por lo tanto cuando
las cargas son mayores que la plena carga, el factor de potencia se aproxima a
un máximo, para disminuir después rápidamente.
En la siguiente gráfica se resumen los comportamientos del motor desde sin
carga hasta más allá de plena carga.
Se observa que después de la falla o punto crítico (par máximo) la corriente de
línea aumenta, pero el par disminuye debido a que la rapidez de disminución
del factor de potencia es mayor que la rapidez del aumento de corriente.
A cargas livianas, las pérdidas fijas relativamente grandes en proporción con la
salida pequeña, producen una eficiencia baja.
Con cargas grandes, las pérdidas variables relativamente grandes más las
pérdidas fijas producen de nuevo baja eficiencia, no obstante la salida es alta.
La eficiencia máxima se da en cargas moderadas, en las cuales las pérdidas
fijas y variables son iguales y la potencia es aproximadamente igual al valor
nominal.
Obsérvese que el par máximo se presenta bastante más allá del doble de la
potencia nominal, en donde el deslizamiento crítico o de falla es aquella
frecuencia del rotor a la cual la reactancia variable del rotor es igual a la
resistencia de este.
Deslizamiento
La pérdida de velocidad angular del motor (necesaria para que sea producido
un par electromagnético), expresada por unidad de velocidad sincrónica, se
llama deslizamiento.
Donde s= deslizamiento (pérdida de velocidad angular del rotor)
n= velocidad del rotor
= velocidad angular del rotor.
Medición del deslizamiento de acuerdo con varios métodos.
Al probar los motores de inducción y determinar el deslizamiento a diversas
condiciones de carga, es esencial que el valor de deslizamiento que se obtenga
sea exacto.
Por ejemplo si la velocidad a plena carga es de 1700 rpm. Si se mide su
velocidad del rotor con un tacómetro con error de 2%, la indicación puede ser
de 1740 35 rpm. O sea puede ser tan alta como 1775 rpm o tan baja como
1705 rpm. Un error pequeño de 2% se conservaría en todas las ecuaciones,
por este motivo raramente se mide la velocidad del motor per se, y en lugar de
ello se trata de medir directamente el deslizamiento, (diferencia entre velocidad
sincrónica y la del rotor) es compara la velocidad del motor de inducción con la
de un pequeño motor síncrono empleando un contador electromecánico. El
motor síncrono que se emplee debe tener el mismo número de polos que el
motor de inducción.
Arranque del motor de inducción.
En la mayor parte de las zonas si se cuenta con un motor pequeño de
inducción de jaula de ardilla de unos cuantos caballos de fuerza se pueden
poner en marcha directamente desde la línea con una caída de voltaje que es
de poca importancia en la fuente de voltaje, y con un retardo pequeño o sin
retardo para acelerarse a su velocidad nominal. Igualmente, los motores
grandes de inducción de jaula de ardilla hasta de varios miles de HP, se
pueden arrancar conectándolos directamente a la línea sin daños ni cambios
indeseados de voltaje, siempre que las tomas de voltaje tengan una capacidad
bastante alta.
Aunque hay algunas excepciones entre las diversas clasificaciones de motores
comerciales de inducción de jaula de ardilla, que necesitan normalmente seis
veces el valor de su corriente nominal para arrancar cuando se aplica el voltaje
nominal a su estator. En el instante de arranque la corriente del rotor está
determinada por la impedancia de rotor bloqueado Rr + jXlr. Así, el voltaje del
estator se reduce a la mitad de su valor nominal, la corriente de arranque se
reduciría en esa proporción, es decir a unas tres veces la corriente nominal.
Pero la ecuación: Ts = Kt' Vp2 indica que si el voltaje de línea en el estator se
reduce a la mitad de su valor, el par se reduce a la cuarta parte de su valor
original. Por lo tanto se ha alcanzado la reducción deseable en la corriente de
línea al motor al costo de una reducción indeseable y a un mayor par de
arranque. Si el motor se arranca bajo carga grande, esto tiene cierta
importancia y hay la probabilidad de que el motor pueda arrancar con dificultad
o no arranque. Por otro lado si el motor se arranca sin carga, la reducción en el
par puede no ser importante para algunos casos, y es ventajosa la reducción
de la corriente.
Las fluctuaciones frecuentes de voltaje pueden también afectar al equipo
electrónico y a la iluminación al grado de que se necesite algún método alterno
para arrancar el motor de inducción, para limitar la corriente de arranque. Si las
líneas que alimentan al motor de inducción de jaula de ardilla, tienen
impedancias diferentes; los voltajes del estator pueden desbalancearse,
desbalanceando severamente las corrientes en las líneas y originando que el
equipo de protección deje al descubierto al motor. De hecho un desbaleance de
1 o 2 % en los voltajes de la línea del estator pueden originar un desbalance
del 20 % en las corrientes de línea, presentando calentamiento localizado del
motor y fallas del devanado
Arranque a voltaje reducido con autotransformador
Se pueden poner en marcha los motores trifásicos comerciales de inducción de
jaula de ardilla a voltaje reducido empleando un autotransformador trifásico
único o compensador, o bien con tres autotransformadores monofásicos, como
se muestra en la figura:
Las salidas del transformador varían del 50 al 80% del voltaje nominal. Si el
motor no puede acelerar la carga a voltaje mínimo, se puede probar con salidas
de mayor voltaje hasta que se obtenga el par adecuado y deseado de
arranque; el interruptor de tres polos doble tiro se lleva a la posición de
arranque y se deja ahí hasta que el motor ha acelerado la carga casi hasta la
velocidad nominal. A continuación se pasa rápidamente a la posición de
marcha, en la cual queda conectado el motor en la línea directamente.
El arrancador compensador solo se utiliza durante el periodo de arranque y su
capacidad de corriente se basa en ese trabajo intermitente, y por lo tanto es
algo menor que la de un transformador de capacidad equivalente que podría
emplearse para suministrar un motor de inducción en forma continúa desde
una fuente de mayor voltaje.
El auto transformador funciona de dos maneras:
1. Para reducir la corriente de arranque del motor mediante una reducción
de voltaje.
2. Reduciendo la corriente de arranque mediante la relación de vuelta del
transformador bajo la cual la corriente de línea es menor que la del
secundario del motor. Dado que la relación de vueltas representa
también la relación de voltaje, por lo tanto se reduce la corriente de
arranque de la línea, por consiguiente en proporción al cuadrado de la
relación de vueltas.
Ya que el interruptor se usa solo en forma intermitente, se tiene un ahorro
(eliminación de un transformador) si se usan dos transformadores en delta
abierta. Este arreglo produce un ligero desbalanceo de corriente en la toma
central (L2) de un 10 a 15% de la corriente de arranque, pero este desbalanceo
no es excesivo y no afecta materialmente al funcionamiento del motor.
Arranque a voltaje reducido con resistor o reactor primarios.
Si se introduce un resistor en serie con cada una de las conexiones del estator
o primarias de la línea, la gran corriente de arranque produce una reducción
inmediata de voltaje aplicado a las terminales del estator, pro la corriente de
línea se reduce solo en proporción a la reducción del voltaje de línea. El
siguiente esquema muestra un circuito con ese fin. Enseguida se muestra la
curva desplazamiento - par del motor a plena carga. Empleando una
resistencia o reactancia en el primario la reducción en el voltaje estator
aumenta debido a la reducción en el voltaje del estator al momento de arrancar
se produce la reducción en el par de arranque que se indica. Si este voltaje y la
corriente en el primario fueran constantes, la curva del par motor seguiría la
línea de puntos que aparece en la figura. sin embargo a medida que acelera el
motor, el voltaje a través del estator aumenta debido a la reducción en la
corriente de línea y el par aumenta de acuerdo con el cuadrado el aumento del
voltaje.
El arranque a voltaje reducido mediante una resistencia en serie con el estator
mejora el factor de potencia al arranque, pero se producen pérdidas algo
mayores; y el par máximo no es tan grande para la misma impedancia en serie
con un factor equivalente.
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 a 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 varia 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.
Arranque con parte del devanado
Frecuentemente se diseñan los motores polifásicos comerciales de inducción
de jaula de ardilla con devanados parciales, es decir, dos devanados de fase
idénticos, cada uno de los cuales produce el mismo número de polos y el
mismo campo magnético giratorio. la ventaja de esos devanados es que se
pueden conectar en serie para sistemas de alto voltaje o en paralelo con
sistemas de menor voltaje en la siguiente figura, la corriente de arranque que
resulta es un 65% de la normal de arranque, con los devanados en paralelo, y
el par de arranque es aproximadamente el 45 % del par normal de arranque.
Por lo tanto, el motor se pone en marcha con la mitad de sus devanados y
conectando en estrella; cuando el motor llega a determinada velocidad, el
segundo devanado se
Conecta en paralelo.
Debido a que se tiene una baja pronunciada en la curva de par - deslizamiento
durante el arranque con devanado parcial se haga cuando el motor de
arranque bajo condiciones de carga ligera o sin carga, como el en caso de
ventiladores, sopladores o taladros de banco.
Arranque del motor de inducción de rotor devanado.
El par de arranque de estos motores se puede ajustar mediante una resistencia
externa al rotor para dar pares de arranque que puedan llegar hasta el par
máximo del motor. Como limita la corriente en el circuito del rotor y como da un
mayor factor de potencia y par en el instante de arrancar, se reduce
considerablemente la corriente de línea del estator.
Característica par motor - velocidad de cargas mecánicas.
Para un sistema dotado de movimiento de rotación P = C *
Donde:
P es la potencia desarrollada
C es el par del motor desarrollado
es la velocidad angular del movimiento ( en el sistema MKSI, P en W, C en
N*m y en rad/seg.)
Matemáticamente existen varias combinaciones de C y de modo que den el
mismo valor de P; físicamente sin embargo, una carga mecánica específica
asocia a un único par (C, ) a la carga de la potencia P. La curva en C, en
función de
muestra tal dependencia, y es una característica fundamental
para el proceso de selección del motor adecuado al accionamiento, con vistas
a un funcionamiento estable, económico y satisfactorio.
En función de sus características par - velocidad, se pueden dividir las cargas
mecánicas en seis grandes grupos:
1. Par constante, prácticamente independiente de la rotación, ejemplos
grúas, cabrestantes, guindastes, transportadores de correas bajo cargas
constantes.
2. Par que varía linealmente con la rotación. Ejemplos molinos de rodillos,
bombas de pistón, cepillos y sierras para madera.
3. Par que varía con el cuadrado de la velocidad de rotación (variación
parabólica) ventiladores, mezcladoras, centrifugadoras, bombas
centrífugas, bombas de vacío, compresores.
4. Par que varía inversamente con la rotación, resultando potencia
constante. Ejemplos máquinas - herramientas.
5. Par que varía de forma no uniforme con la rotación, no siendo
suficientemente exactas las aproximaciones por funciones matemáticas.
Ejemplo: horno rotativo de altas prestaciones
6. Cargas que no solicitan pares (volantes). El propósito del volante es
liberar la mayor parte de la energía cinética en él almacenada para los
picos de demanda de energía por parte de la máquina accionada. El
motor accionado debe por tanto dejar de actuar, esto es dejar de
transferir, energía en condiciones de altos pares, pero teniendo la misión
de restaurar al volante su velocidad original, lo cual se lleva a cabo entre
los picos de carga. Las prensas de perforación no de estampado
profundo, no hidráulicas constituyen ejemplos de cargas que utilizan
volantes según este principio.
Los casos presentados constituyen aproximaciones a los casos
reales.
Característica par - velocidad de motores eléctricos.
Es la curva que muestra la dependencia entre el par desarrollado por un motor
eléctrico y su velocidad angular; en general, el comportamiento de esta curva
característica de los motores es distinto del de las cargas, pues los motores
eléctricos tienden a presentar un decrecimiento del par motor para velocidades
crecientes.
R = n0 - n / n
Donde n0 = W 0 / 2
N=W/2
, es la rotación del motor eléctrico en vacío.
, es la velocidad del motor accionando la carga.
La regulación de velocidad es un parámetro para la caracterización de los
diferentes tipos de motores, en función de los valores aumidos (por regulación
de velocidad) para cada velocidad. Los motores asíncronos son motores cuyo
par disminuye en la medida en que la velocidad aumenta, a partir de una cierta
velocidad.
En la siguiente figura observamos la curva par -velocidad para motores de
inducción de rotor en jaula.
Aceleración de la carga
La ecuación que rige la aceleración de una inercia J bajo la acción de un par C
es:
C = J d
/ dt La determinación del tiempo t para que una inercia J sea
acelerada desde la velocidad
par C puede ser hecha por:
1
hasta la velocidad
2,
bajo la acción de un
Admitiéndose que C es constante en el intervalo (0
en el intervalo: ( 1
2).
t) o lo que es equivalente
En le sistema MKS:
J en kg * m2 t en s
C en N * m
en rad/s
Donde C es el par de aceleración numéricamente, el par del motor menos
todos los pares resistencias, es decir todos los de fricción del motor y el de la
máquina accionada y el generado por el funcionamiento de la propia máquina
accionada y J es la suma de todas las inercias involucradas, es decir del rotor
del motor, de la máquina accionada y del (de los ) acoplamiento(s)
Métodos de refrigeración
La clasificación simplificada prescribe que el método de refrigeración será
codificado por las letras IC seguida de dos guarismos. El primero para
identificar a la posición del circuito de refrigeración y el segundo el modo de
suministro de energía para circulación del medio refrigerante.
La clasificación simplificada está relacionada con la utilización del aire como
fluido refrigerante. En la clasificación completa, las letras IC van seguidas de
otra letra que indica el medio refrigerante (A: aire, N: nitrógeno, C: dióxido de
carbono, W: agua y U: aceite) seguridad de dos guarismos.
La utilización de motores en ambientes limpios. Exentos de polvo, humedad
aire, aceite, etc, lleva a la selección de motores abiertos, con grado de
protección IP 13, IP 23, etc., permitiendo IC==, IC01, etc.,
En el caso de motores destinados a áreas clasificadas del tipo con ventilación
canalizada o presurizados se debe a la necesidad de alimentar la refrigeración
del motor con aire exento de contaminación con sustancias inflamables.
Solo en el caso de motores de altas prestaciones es económicamente viable la
utilización de intercambiadores de calor incorporados; sean del tipo aire- aire o
aire agua.
La utilización de intercambiadores de calor aire - aire incorporados debe tener
en cuenta las condiciones ambientales; la presencia excesiva de polvo,
principalmente si además existe humedad, puede ocasionar la obstrucción de
los tubos y la necesidad de hacer operaciones de limpieza con frecuencia.
La utilización de intercambiadores de calor aire agua exige la utilización de
agua con control de contenido de sólidos acidez y temperatura de entrada a
intervalos regulares para evitar incrustaciones corrosión que además de
disminuir la eficiencia del intercambio de calor en la superficie de los tubos,
puede también producir la penetración del agua hasta las partes activadas del
motor en el caso de perforación de los tubos.
Analogía con los transformadores
El análisis de los transformadores para el estudio de la condición de su máximo
rendimiento es extremadamente útil para la comprensión de una condición
semejante para motores. En estos últimos las pérdidas intrínsecas son las que
hay en el cobre y en el hierro, siendo las pérdidas por rozamiento y ventilación
normalmente de un orden mucho menor. Es obvio que en los transformadores,
las pérdidas mecánicas no existen. De esta forma si analizamos el
comportamiento de un transformador, estaremos procediendo a un análisis
simplificado, pero consistente de las pérdidas intrínsecas en un motor.
En la ecuación válida para transformador Ptotales = P cobre + P hierro se debe
recordar que mientras la primera parte depende de la corriente y, por tanto de
la potencia, la segunda depende la densidad de flujo y, por tanto de la tensión.
Al hacer una extensión a un motor conectado a línea, girando en vacío, se
puede suponer que este poseerá casi la totalidad de sus pérdidas en el hierro,
pues la única corriente que circulará en los arrollamientos será la corriente de
magnetización; naturalmente las pérdidas de rozamiento y ventilación, en el
caso del motor estarán también presentes. El factor de potencia en esta
condición será muy bajo. A medida que se aumente la carga solicitada al
motor, crecerán las pérdidas en el cobre; sin embargo la tasa de crecimiento de
las pérdidas totales será inferior a la tasa de crecimiento de la potencia
mecánica transmitida a la carga o sea, habrá un aumento de rendimiento que
llegará a un máximo y después decrecerá, a medida que las pérdidas en el
cobre se vayan haciendo más elevadas que en el hierro.
Retomando
el
análisis
del
transformador,
y
considerando,
para
la
determinación que sigue, que el transformador opera a su fracción "x" de su
potencia nominal, las pérdidas totales serán:
Ptotales = PFe 2 + X * PCu
Lo que es consecuencia de las consideraciones hechas con respecto a los
parámetros que afectan cada una de las partes componentes de las pérdidas
totales. Siendo Pnom. La potencia nominal, el rendimiento de una fracción de la
carga será:
x
= xP / xP + PFe + X * PCu
si se desea saber cual debe ser la distribución entre las pérdidas en el cobre y
en el hierro para que un transformador, funcionando a x % de su potencia
nominal, presente el máximo rendimiento, se hace:
d
x
/ dx = 0
Por consiguiente
P (Px + PFe + X2 * PCu) - Px * (P + 2 * x * P Cu) = 0
De donde
PFe= X2 * PCu
Se pueden sacar algunas conclusiones relevantes de este resultado y de las
consideraciones hechas anteriormente.
La condición de máximo rendimiento de un transformador se da cuando las
pérdidas en el hierro son iguales a las pérdidas en el cobre; si esto se
comprueba en la potencia nominal, el transformador presentará una curva de
rendimiento ascendente a medida que la potencia que se le solicita se
aproxime a la nominal.
En el caso de motores se ve aproximadamente el mismo comportamiento si las
pérdidas mecánicas son pequeñas
Para los motores proyectados con una determinada potencia nominal en el
régimen continuo y seleccionado para regímenes intermitentes, o continuos con
carga intermitente, de acuerdo con los criterios descritos, se espera un
rendimiento y un factor de potencia visto por la red de alimentación inferior a
los nominales del motor así seleccionado. Naturalmente es posible, si se
informa al fabricante de los parámetros que caracterizan el accionamiento,
proyectar un motor que atienda a la condición de máximo rendimiento en
régimen intermitente o continuo con carga intermitente.
Al súper dimensionar la potencia de un motor para un determinado
accionamiento, se debe tener en cuenta que esto implica el detrimento del
rendimiento y del factor de potencia, ya que los motores suelen proyectarse
para alcanzar los máximos valores de y cos con la carga nominal.
El uso de un transformador como modelo para analizar el comportamiento de
un motor es una simplificación que afecta la calidad de los valores obtenidos.
La pérdida de precisión se compensa en gran parte por la simplicidad y los
conceptos básicos no solo se preservan si no que también se acentúan.
Motores de inducción polifásicos (características generales)
El estudio del motor asíncrono resulta más cómodo si se identifica la máquina
con un circuito estático equivalente cuyo comportamiento es asimilable al del
motor en sus variadas condiciones de servicio.
Un paso previo para poder llevar a cabo este tratamiento es el de referir las
constantes del rotor al primero estableciendo así un solo circuito analógico.
Supongamos que:
E1 La f.e.m. por fase del estator
M1 El número de fases del mismo. M2 El número de fases del rotor
E2 La f.e.m. de una fase rotórica en proceso y a un circuito secundario abierto,
con la tensión U1 aplicada al primario
Z1 Z2 El número total de conductores activos de uno y otro.
1
los coeficientes de bobinado aplicables
v 1 v 2 los números de vías en paralelo que forma cada uno de los dos
devanados.
a. F.e.m.
Si representamos por E1 la f.e.m. por fase primaria inducida, como E2,
por el flujo rotatorio del entrehierro y, con el rotor parado, a la misma
frecuencia f1,
Con el motor en marcha tendremos un deslizamiento s; la frecuencia f1,
para el primario pasa a ser f2 = sf1 para el secundario y la f.e.m. por fase
rotorica desciende hasta (sE2)a la vez que la reactancia por fase que al
motor parado valía X2, se reduce ahora en la misma proporción pasando
a ser (sX2).
b. Intensidades de corriente y desfases
La intensidad I2 y el desfase
2en este caso exactamente coincidirán
con los de un circuito estático, en el cual bajo la f.e.m. a la frecuencia f1
se introdujese la reactancia X2 incrementando al mismo tiempo la
resistencia hasta R2 / s.
La situación con el secundario cerrado y en reposo es homologable a la
de un transformador estático de campo giratorio.
La corriente primaria neutralizante, por fase, I1-2 deberá compensar, por
la f.m.m. 2 creada por la corriente de fase rotórica I2 sobre el conjunto
periférico del entre hierro.
I1-2 / v 1 es la citada corriente del estator por conductor o por vía, así como
I2 / v 2, la del rotor los Z1 conductores primarios vienen afectados en su
efectividad por la distribución y posible acortamiento del paso de
bobinas, a través del coeficiente
corregido por 2.
1
y análogamente ocurre para Z2
c. Potencias
La transformaciones
secundario.
energéticas
de
la transformación
primario-
La potencia electromagnética aparente del sistema vendrá dada por:
La potencia aparente en términos del secundario se corresponde con la
f.e.m. a circuito abierto E2 y la corriente I2 del rotor en la carga.
d. reducción del rotor al reposo
Si imaginamos ahora el rotor frenado hasta el reposo , lo que confiere a sus
devanados la frecuencia f2 = f1, pero añadiendo al mismo tiempo cada una de
las fases de resistencia ideal Rc tal que, en serie con R2 pase a sumar en el
circuito.
R2/s = R2 + Rc [
/FASE]
ESTO DA PARA:
Rc = R2 (1/s -1 ) [
/FASE]
Las condiciones eléctricas de consumo y demás características se mantiene
como para el motor en marcha salvo que en las pérdidas por efecto joule en
esta resistencia añadida Rc, representa la potencia mecánica del motor
En servicio con el desplazamiento s, incluidas las pérdidas de esa naturaleza.
Lãs perdidas por efecto Joule pCu2 = m2 R2 I22 [W]
Y no habrán sido alteradas por estos cambios quedando así las pérdidas
restantes para Rc en Pc = Pem – pCu2
Lo que iguala evidentemente a la potencia mecánica Pm de la máquina incluida
las pérdidas en los cojinetes y por ventilación como adicionales a la potencia
útil P a la salida del eje.
Por tanto Pc = m2 Rc I22= Pm [W]
Reducción del secundario al primario
Para la reducción del secundario se bloquea el primario, como se hace en el
estudio de los transformadores. Ello equivale a sustituir idealmente el rotor del
motor por otro cuyo comportamiento en servicio fuera idéntico al del motor
original pero con el mismo número de fases que en el estator, m`2=m1, la
misma f.e.m. por fase, E’2 = E1, la misma corriente por fase I’2 = I1-2 e igual a la
frecuencia f’2 = f1
Las modificaciones para tal logro son:
Debiendo ser E’2 = E1 habrá que fijar el devanado del rotor quedando como
E’2/E2 = E1/E2=
1/
2 *Z1/Z2 * m2 /m1 * v2/ v1
Paralelamente, la relación entre la intensidad I’2 =I1-2 en cada una de las nuevas
m’2 =m1 fases secundarias y la primitiva I2 por fase original m2 pasará a ser
I’2/I2 = I1-2 /I2 =
2/
1 * Z2/Z1 v1/ v2.
Se cumple entonces la condición esencial
Pem = m1 E’2 I’2 = m2 E2 I2 = Pem. [VA]
La potencia aparente del secundario permanece invariable.
Para continuar con la identidad de los dos circuitos habrá de mantener iguales
las pérdidas por efecto Joule en ambos casos.
Pcu2 = m2 R2 I22 = R’2 I22
1. EL CONTACTOR.
1.1. DEFINICION Y GENERALIDADES.
Podemos definir un contactor como un aparato mecánico de conexión y
desconexión eléctrica, accionado por cualquier forma de energía, menos
manual, capaz de establecer, soportar e interrumpir corrientes en condiciones
normales del circuito, incluso las de sobrecarga.
Las energías utilizadas para accionar un contactor pueden ser muy diversas:
mecánicas, magnéticas, neumáticas, fluídricas, etc. Los contactores
corrientemente utilizados en la industria son accionados mediante la energía
magnética proporcionada por una bobina, y a ellos nos referimos
seguidamente.
Un contactor accionado por energía magnética, consta de un núcleo
magnético y de una bobina capaz de generar un campo magnético
suficientemente grande como para vencer la fuerza de los muelles antagonistas
que mantienen separada del núcleo una pieza, también magnética, solidaria al
dispositivo encargado de accionar los contactos eléctricos.
Así pues, característica importante de un contactor será la tensión a aplicar a la
bobina de accionamiento, así como su intensidad ó potencia. Según sea el
fabricante, dispondremos de una extensa gama de tensiones de
accionamiento, tanto en continua como en alterna siendo las más comúnmente
utilizadas, 24, 48, 220, y 380. La intensidad y potencia de la bobina,
naturalmente dependen del tamaño del contador.
El tamaño de un contactor, depende de la intensidad que es capaz de
establecer, soportar e interrumpir, así como del número de contactos de que
dispone (normalmente cuatro). El tamaño del contactor también depende de la
tensión máxima de trabajo que puede soportar, pero esta suele ser de 660 V.
para los contactores de normal utilización en la industria.
Referente a la intensidad nominal de un contactor, sobre catálogo y según el
fabricante, podremos observar contactores dentro de una extensa gama,
generalmente comprendida entre 5 A y varios cientos de amperios. Esto
equivale a decir que los contactores son capaces de controlar potencias dentro
de un amplio margen; así, por ejemplo, un contactor para 25 A. conectado en
una red bifásica de 380 V. es capaz de controlar receptores de hasta 380ð
25=9.500 VA. y si es trifásica 3ð 220ð 25=16.454 VA. Naturalmente nos
referimos a receptores cuya carga sea puramente resistiva (cos ð = 1), ya que
de lo contrario, las condiciones de trabajo de los contactos quedan
notablemente modificadas.
Cuando el fabricante establece la corriente característica de un contactor, lo
hace para cargas puramente óhmicas y con ella garantiza un determinado
número de maniobras, pero si el cosð de la carga que se alimenta a través del
contactor es menor que uno, el contactor ve reducida su vida como
consecuencia de los efectos destructivos del arco eléctrico, que naturalmente
aumentan a medida que disminuye el cos ð.
Por lo general, los contactores que utilicemos referirán sus características a las
recomendaciones C. E. I (Comité Electrotécnico Internacional), que establecen
los siguientes tipos de cargas:
AC-1 Para cargas resistivas o débilmente inductivas cos ð = 0,95.
AC-2 Para cargar inductivas (cos ð = 0.65) .Arranque e inversión de marcha
de motores de anillos rozantes.
AC-3 Para cargas fuertemente inductivas (cos ð = 0.35 a 0.65). Arranque y
desconexión de motores de jaula.
AC-4 Para motores de jaula: Arranque, marcha a impulsos y frenado por
inversión.
Prácticamente, la casi totalidad de las aplicaciones industriales, tales como
máquinas-herramientas, equipos para minas, trenes de laminación, puentesgrúas, etc., precisan de la colaboración de gran número de motores para
realizar una determinada operación, siendo conveniente que puedan ser
controlados por un único operador situado en un "centro de control", desde
donde sea posible observar y supervisar todas las partes de la instalación. Esta
clase de trabajo no se puede realizar con interruptores o cualquier otro
elemento de gobierno que precise de un mando manual directo, debido a que
el operador no tendría tiempo material de accionar los circuitos que
correspondiesen de acuerdo con las secuencias de trabajo. Estos y otros
problemas similares pueden quedar solventados con el uso de contactores
montados según un circuito de marcha-paro que denominaremos "función
memoria" y que es base de los automatismos eléctricos.
1.2. DESCRIPCION DEL CONTACTOR.
1.2.1. PARTES DEL CONTACTOR.

CARCAZA.
La carcaza es el elemento en el cual se fijan todos los componentes
conductores del contactor, para lo cual es fabricada en un material no
conductor con propiedades como la resistencia al calor, y un alto grado de
rigidez. Uno de los más utilizados materiales es la fibra de vidrio pero tiene un
inconveniente y es que este material es quebradizo y por lo tanto su
manipulación es muy delicada. En caso de quebrarse alguno de los
componentes no es recomendable el uso de pegantes.

ELECTROIMAN.
También es denominado circuito electromagnético, y es el elemento motor del
contactor.
Esta compuesto por una serie de elementos cuya finalidad es transformar la
energía eléctrica en un campo magnético muy intenso mediante el cual se
produce un movimiento mecánico aprovechando las propiedades
electromagnéticas de ciertos materiales.

BOBINA.
Consiste en un arrollamiento de alambre de cobre con unas características muy
especiales con un gran número de espiras y de sección muy delgada para
producir un campo magnético. El flujo magnético produce un par magnético
que vence los pares resistentes de los muelles de manera que la armadura se
puede juntar con el núcleo estrechamente.

Bobina energizada con CA.
Para el caso cuando una bobina se energiza con corriente alterna, se produce
una corriente de magnitud muy alta puesto que solo se cuenta con la
resistencia del conductor, ya que la reactancia inductiva de la bobina es muy
baja debido al gran entrehierro que existe entre la armadura y el núcleo, esta
corriente tiene factor de potencia por consiguiente alto, del orden de 0.8 a 0.9 y
es llamada corriente de llamada.
Esta corriente elevada produce un campo magnético muy grande capaz de
vencer el par ejercido por los muelles o resorte que los mantiene separados y
de esta manera se cierra el circuito magnético uniéndose la armadura con el
núcleo trayendo como consecuencia el aumento de la reactancia inductiva y así
la disminución de hasta aproximadamente diez veces la corriente
produciéndose entonces una corriente llamada corriente de mantenimiento
con un factor de potencia más bajo pero capaz de mantener el circuito
magnético cerrado.
Para que todo este procedimiento tenga éxito las bobinas deben ser
dimensionadas para trabajar con las corrientes bajas de mantenimiento pues si
no se acciona el mecanismo de cierre del circuito magnético la corriente de
llamada circulará un tiempo más grande del previsto pudiendo así deteriorar la
bobina.

Bobina energizada con CC.
En este caso no se presenta el fenómeno anterior puesto que las corrientes de
llamada y de mantenimiento son iguales. La única resistencia presente es la
resistencia de la bobina misma por lo cual las características y la construcción
de estas bobinas son muy especiales.
La bobina puede ser energizada por la fuente de alimentación o por una fuente
independiente.

EL NUCLEO.
Su función es concentrar y aumentar el flujo magnético con el fin de atraer la
armadura eficientemente. Está construido de láminas de acero al silicio
superpuestas y unidas firmemente unas con otras con el fin de evitar las
corrientes parásitas.
El pequeño entrehierro entre la armadura y el núcleo se crea con el fin de
eliminar los magnetismos remanentes.
Cuando circula una corriente alterna por la bobina es de suponerse que cuando
la corriente pasa por el valor cero, el núcleo se separa de la armadura puesto
que el flujo también es cero pero como esto sucede 120 veces en un segundo
(si la frecuencia es de 60Hz) por lo cual en realidad no hay una verdadera
separación pero esto sin embargo genera vibraciones y un zumbido además
del aumento de la corriente de mantenimiento; por esto las bobinas que operan
con corriente alterna poseen unos dispositivos llamados espiras de sombra las
cuales producen un flujo magnético desfasado con el principal de manera que
se obtiene un flujo continuo similar al producido por una corriente continua.

ARMADURA.
Es un elemento móvil muy parecido al núcleo pero no posee espiras de
sombra, su función es la de cerrar el circuito magnético ya que en estado de
reposo se encuentra separada del núcleo. Este espacio de separación se
denomina entrehierro o cota de llamada.
Tanto el cierre como la apertura del circuito magnético suceden en un espacio
de tiempo muy corto (10 milisegundos aproximadamente), todo debido a las
características del muelle, por esto se pueden presentar dos situaciones.

Cuando el par resistente es mayor que el par electromagnético, no se
logra atraer la armadura.

Si el par resistente es débil no se lograra la separación rápida de la
armadura.
Cada una de las acciones de energizar o desenergizar la bobina y por
consiguiente la atracción o separación de la armadura, es utilizada para
accionar los contactos que obran como interruptores, permitiendo o
interrumpiendo el paso de la corriente. Estos contactos están unidos
mecánicamente (son solidarios) pero son separados eléctricamente.

CONTACTOS.
El objeto de estos elementos es permitir o interrumpir el paso de la corriente,
son elementos conductores, los cuales se accionan tan pronto se energiza o se
desenergiza la bobina por lo que se les denomina contactos instantáneos.
Esta función la cumplen tanto en el circuito de potencia como en el circuito de
mando.
Los contactos están compuestos por tres partes dos de las cuales son fijas y se
encuentran ubicadas en la carcaza y una parte móvil que une estas dos y
posee un resorte para garantizar el contacto
Las partes que entran en contacto deben tener unas características especiales
puesto que al ser accionados bajo carga, se presenta un arco eléctrico el cual
es proporcional a la corriente que demanda la carga, estos arcos producen
sustancias que deterioran los contactos pues traen como consecuencia la
corrosión, también las características mecánicas de estos elementos son muy
importantes.

CONTACTOS PRINCIPALES.
Son los encargados de permitir o interrumpir el paso de la corriente en el
circuito principal, es decir que actúa sobre la corriente que fluye de la fuente
hacia la carga.
Es recomendable estar verificando la separación de estos que permiten que las
partes fijas y móviles se junten antes de que el circuito magnético se cierre
completamente, esta distancia se le denomina cota de presión. Esta no debe
superar el 50%.
En caso de cambio de los contactos se tienen las siguientes recomendaciones:

Cambiar todos los contactos y no solamente el dañado.

Alinear los contactos respetando la cota inicial de presión.

Verificar la presión de cada contacto con el contactor en funcionamiento.

Verificar que todos los tornillos y tuercas se encuentren bien apretados.
Debido a que operan bajo carga, es determinant4e poder extinguir el arco que
se produce puesto que esto deteriora el dispositivo ya que produce
temperaturas extremadamente altas, para esto, los contactos se encuentran
instalados dentro de la llamada cámara apaga chispas, este objetivo se logra
mediante diferentes mecanismos.

Soplado por auto-ventilación: Este dispositivo consiste en dos
aberturas, una grande y una pequeña, al calentarse el aire, este sale por
la abertura pequeña entrando aire fresco por la abertura grande y este
movimiento de aire hace que se extinga la chispa.

Cámaras desionizadoras: Estas cámaras consisten en un
recubrimiento metálico que actúa como un disipador de calor y por esto
el aire no alcanza la temperatura de ionización. Este método suele
acompañarse por el soplado por auto-ventilación.

Transferencia y fraccionamiento del arco: Consiste en dividir la
chispa que se produce de manera que es mas fácil extinguir chispas
más pequeñas. Esto se realiza mediante guías en los contactos fijos.

Soplo magnético: Este método emplea un campo magnético que atrae
la chispa hacia arriba de la cámara aumentando de esta manera la
resistencia. Este método suele ir acompañado del soplado por autoventilación y debe realizarse en un tiempo no muy largo pero tampoco
extremadamente corto.

CONTACTOS SECUNDARIOS.
Estos contactos secundarios se encuentran dimensionados para corrientes
muy pequeñas porque estos actúan sobre la corriente que alimenta la bobina
del contactor o sobre elementos de señalización.
Dado que en ocasiones deben trabajar con los PLC estos contactos deben
tener una confiabilidad muy alta.
Gran parte de la versatilidad de los contactores depende del correcto uso y
funcionamiento de los contactos auxiliares. Normalmente los contactos
auxiliares son:

Instantáneos: Actúan tan pronto se energiza la bobina del contactor.

De apertura lenta: La velocidad y el desplazamiento del contacto móvil
es igual al de la armadura.

De apertura positiva: Los contactos abiertos y cerrados no pueden
coincidir cerrados en ningún momento.
Sin embargo se encuentran contactores auxiliares con adelanto al cierre o a la
apertura y con retraso al cierre o a la apertura. Estos contactos actúan algunos
milisegundos antes o después que los contactos instantáneos. Existen dos
clases de contactos auxiliares:

Contacto normalmente abierto: (NA o NO), llamado también contacto
instantáneo de cierre: contacto cuya función es cerrar un circuito, tan
pronto se energice la bobina del contactor. En estado de reposo se
encuentra abierto.

Contacto normalmente cerrado: (NC), llamado también contacto
instantáneo de apertura, contacto cuya función es abrir un circuito, tan
pronto se energice la bobina del contactor. En estado de reposo se
encuentra cerrado.
1.3. FUNCIONAMIENTO DEL CONTACTOR.
Cuando la bobina se energiza genera un campo magnético intenso, de manera
que el núcleo atrae a la armadura, con un movimiento muy rápido. Con este
movimiento todos los contactos del contactor, principales y auxiliares, cambian
inmediatamente y de forma solidaria de estado.
Existen dos consideraciones que debemos tener en cuenta en cuanto a las
características de los contactores:

Poder de cierre: Valor de la corriente independientemente de la tensión,
que un contactor puede establecer en forma satisfactoria y sin peligro
que sus contactos se suelden.

Poder de corte: Valor de la corriente que el contactor puede cortar, sin
riesgo de daño de los contactos y de los aislantes de la cámara apaga
chispas. La corriente es más débil en cuanto más grande es la tensión.
Para que los contactos vuelvan a su posición anterior es necesario
desenergizar la bobina. Durante esta desenergización o desconexión de la
bobina (carga inductiva) se producen sobre-tensiones de alta frecuencia, que
pueden producir interferencias en los aparatos electrónicos.
Desde del punto de vista del funcionamiento del contactor las bobinas tienen la
mayor importancia y en cuanto a las aplicaciones los contactos tienen la mayor
importancia.
1.4. CLASIFICACION DE LOS CONTACTORES.
Los contactores se pueden clasificar de acuerdo con:

Por su construcción

. Contactores electromecánicos: Son aquellos ya descritos que
funcionan de acuerdo a principios eléctricos, mecánicos y magnéticos.

Contactores estáticos o de estado sólido: Estos contactores se
construyen a base de tiristores. Estos presentan algunos inconvenientes
como:

Su dimensionamiento debe ser muy superior a lo necesario.

La potencia disipada es muy grande (30 veces superior).

Son muy sensibles a los parásitos internos y tiene una corriente de fuga
importante.

Su costo es muy superior al de un contactor electromecánico
equivalente.

Por el tipo de corriente eléctrica que alimenta la bobina.

Contactores para AC.

Contactores para DC.

Por los contactos que tiene.

Contactores principales.

Contactores auxiliares.

Por la carga que pueden maniobrar (categoría de empleo). Tiene que
ver con la corriente que debe maniobrar el contactor bajo carga.
1.2.1. CATEGORIA DE EMPLEO.
Para establecer la categoría de empleo se tiene en cuenta el tipo de carga
controlada y las condiciones en las cuales se efectúan los cortes.
Las categorías más usadas en AC son:

AC1: Cargas no inductivas (resistencias, distribución) o débilmente
inductivas, cuyo factor de potencia sea por lo menos 0.95.

AC2: Se refiere al arranque, al frenado en contracorriente y a la marcha
por impulso permanente de los motores de anillos.
Al cierre el contactor establece el paso de corrientes de arranque equivalentes
a más o menos 2.5 la corriente nominal del motor. A la apertura el contactor
debe cortar la intensidad de arranque, con una tensión inferior o igual a la
tensión de la red.

AC3: Para el control de motores jaula de ardilla (motores de rotor en
cortocircuito) que se apagan a plena marcha.
Al cierre se produce el paso de corrientes de arranque, con intensidades
equivalentes a 5 o más veces la corriente nominal del motor. A la apertura corta
el paso de corrientes equivalentes a la corriente nominal absorbida por el
motor. Es un corte relativamente fácil.

AC4: Se refiere al arranque, al frenado en contracorriente y a la marcha
por impulso permanente de los motores de jaula.
Al cierre se produce el paso de la corriente de arranque, con intensidades
equivalentes a 5 o más veces la corriente nominal del motor. Su apertura
provoca el corte de la corriente nominal a una tensión, tanto mayor como tanto
mayor es la velocidad del motor. Esta tensión puede ser igual a la tensión de la
red. El corte es severo.
En corriente continua se encuentran cinco categorías de empleo: DC1, DC2,
DC3, DC4 y DC5.
Un mismo contactor dependiendo de la categoría de empleo, puede usarse con
diferentes corrientes.
1.5. CRITERIOS PARA LA ELECCIÓN DE UN CONTACTOR.
Para elegir el contactor que más se ajusta a nuestras necesidades, se debe
tener en cuenta los siguientes criterios:

Tipo de corriente, tensión de alimentación de la bobina y la frecuencia.

Potencia nominal de la carga.

Condiciones de servicio: ligera, normal, dura, extrema. Existen
maniobras que modifican la corriente de arranque y de corte.

Si es para el circuito de potencia o de mando y el número de contactos
auxiliares que necesita.

Para trabajos silenciosos o con frecuencias de maniobra muy altas es
recomendable el uso de contactores estáticos o de estado sólido.

Por la categoría de empleo.
1.6. VENTAJAS DEL USO DE LOS CONTACTORES.
Los contactores presentan ventajas en cuanto a los siguientes aspectos y por
los cuales es recomendable su utilización.

Automatización en el arranque y paro de motores.

Posibilidad de controlar completamente una máquina, desde barios
puntos de maniobra o estaciones.

Se pueden maniobrar circuitos sometidos a corrientes muy altas,
mediante corrientes muy pequeñas.

Seguridad del personal, dado que las maniobras se realizan desde
lugares alejados del motor u otro tipo de carga, y las corrientes y
tensiones que se manipulan con los aparatos de mando son o pueden
ser pequeños.

Control y automatización de equipos y máquinas con procesos
complejos, mediante la ayuda de los aparatos auxiliares de mando,
como interruptores de posición, detectores inductivos, presóstatos,
temporizadores, etc.

Ahorro de tiempo al realizar maniobras prolongadas.
1.7. CAUSAS DEL DETERIORO DE LOS CONTACTORES.
Cuando un contactor no funciona o lo hace en forma deficiente, lo primero que
debe hacerse es revisar el circuito de mando y de potencia (esquemas y
montaje), verificando el estado de los conductores y de las conexiones, porque
se pueden presentar falsos contactos, tornillos flojos etc.
Además de lo anterior es conveniente tener en cuenta los siguientes aspectos
en cada una de las partes que componen el contactor:
1.7.1. DETERIORO EN LA BOBINA.

La tensión permanente de alimentación debe ser la especificada por el
fabricante con un 10% de tolerancia.

El cierre del contactor se puede producir con el 85% de variación de la
tensión nominal y la apertura con el 65%.

Cuando se producen caídas de tensión frecuentes y de corta duración,
se pueden emplear retardadores de apertura capacitivos.

Si el núcleo y la armadura no se cierran por completo, la bobina se
recalentará hasta deteriorarse por completo, por el aumento de la
corriente de mantenimiento.
1.7.2. DETERIORO EN EL NUCLEO Y ARMADURA.
Cuando el núcleo y la armadura no se juntan bien y/o se separan, produciendo
un campo electromagnético ruidoso, es necesario revisar:

La tensión de alimentación de la bobina: si es inferior a la especificada,
generará un campo magnético débil, sin la fuerza sufriente para atraer
completamente la armadura.

Los muelles, ya que pueden estar vencidos por fatiga del material, o muy
tensos.

La presencia de cuerpos extraños en las superficies rectificadas del
núcleo y/o armadura. Estas superficies se limpian con productos
adecuados (actualmente se fabrican productos en forma de aerosoles).
Por ningún motivo se deben raspar, lijar y menos limar.
1.7.3. DETERIORO EN LOS CONTACTOS.
Cuando se presenta un deterioro prematuro es necesario revisar:

Si el contactor corresponde a la potencia nominal del motor, y al número
y frecuencia de maniobras requerido.

Cuando la elección ha sido la adecuada y la intensidad de bloqueo del
motor es inferior al poder de cierre del contactor, el daño puede tener
origen en el circuito de mando, que no permite un correcto
funcionamiento del circuito electromagnético.

Caídas de tensión en la red, provocadas por la sobre-intensidad
producida en el arranque del motor, que origina pérdida de energía en el
circuito magnético, de tal manera que los contactos, al no cerrarse
completamente y carecer de la presión necesaria, acaban por soldarse.

Cortes de tensión en la red: al reponerse la tensión, si todos los motores
arrancan simultáneamente, la intensidad puede ser muy alta,
provocando una caída de tensión, por lo cual es conveniente colocar un
dispositivo, para espaciar los arranques por orden de prioridad.

Micro-cortes en la red: cuando un contactor se cierra nuevamente
después de un micro-corte (algunos milisegundos), la fuerza contraelectromotriz produce un aumento del corriente pico, que puede alcanzar
hasta el doble de lo normal, provocando la soldadura de algunos
contactos y un arco eléctrico, entre otros problemas. Este inconveniente
puede eliminarse usando un contacto temporizado, que retarde dos o
tres segundos el nuevo cierre.

Vibración de los contactos de enclavamiento, que repercute en el
electroimán del contactor de potencia, provocando cierres incompletos y
soldadura de los contactos.
2. ELEMENTOS AUXILIARES DE MANTO.
2.1. DESCRIPCION Y DEFINICION DE LOS ELEMENTOS AUXILIARES DE
MANDO.
Son aparatos con funciones similares a la de los pulsadores, pero que a
diferencia de estos, no son accionados por el operario sino por otros factores,
como presión, tiempo, luz, acción mecánica, campos magnéticos, temperatura
etc. Dentro del diagrama general de un automatismo eléctrico, se ubican en las
etapas de detección y de tratamiento.
Los elementos usados en la etapa de detección, tienen las mismas
aplicaciones e importancia en los automatismos electrónicos. Como en el caso
de los pulsadores, únicamente trataremos aquellos que tienen un uso más
frecuente y generalizado en los procesos industriales actuales.
2.2. TIPOS DE ELEMENTOS AUXILIARES DE MANDO.
2.2.1. INERRUPTOR DE POSICIÓN FINAL O DE CARRERA.
Aparato empleado en la etapa de detección y fabricado específicamente para
indicar, informar y controlar la presencia, ausencia o posición de una máquina o
parte de ella siendo accionado por ellas mismas mediante contacto físico
(ataque).
Pueden ser también:

De ataque frontal.

De ataque lateral unidireccional o bidireccional.

De ataque lateral multidireccional.
2.2.2. TEMPORIZADORES O RELES DE TIEMPO.
Son aparatos en los cuales se abren o cierran determinados contactos,
llamados contactos temporizados, después de cierto tiempo, debidamente
preestablecido, de haberse abierto o cerrado su circuito de alimentación.
2.2.2.1. TEMPORIZADOR AL TRABAJO.
Aquel cuyos contactos temporizados actúan después de cierto tiempo de que
se ha energizado el elemento motor del temporizador. En el momento de
energizar el temporizador, los contactos temporizados que tiene siguen en la
misma posición de estado de reposo y solamente cuando ha transcurrido el
tempo programado, cambian de estado, es decir que el contacto NA se cierra y
el contacto NC se abre.
2.2.2.2. TEMPORIZADOR AL REPOSO.
En este tipo de temporizador, los contactos temporizados actúan como
temporizados después de cierto tiempo de haber sido desenergizado ele
elemento motor del temporizador. Cuando se energiza el temporizador, sus
contactos temporizados actúan inmediatamente como si fueran contactos
instantáneos, manteniéndose en esa posición todo el tiempo que el
temporizador esté energizado.
2.2.2.3. TEMPORIZADOR ELECTROMECÁNICO.
Temporizador en el cual la temporización se consigue mediante engranajes,
con sistemas comparables a los relojes mecánicos. El conteo del tiempo
programado se inicia al energizar un pequeño motor sincrono de velocidad
constante, que mueve una serie de engranajes, para reducir la velocidad del
motor. El último de los engranajes lleva un pin o tope para accionar unos
contactos de apertura lenta o un micro ruptor de apertura brusca, los cuales
actúan como contactos temporizados.
2.2.2.4. TEMPORIZADORES NEUMATICOS.
Temporizadores en los cuales la temporización se obtiene regulando la entrada
de aire en un fuelle, hasta que se llene completamente, momento en el cual
éste acciona los contactos del temporizador. El aire es expulsado del fuelle
prácticamente en forma instantánea.
2.2.2.5. TEMPORIZADORES ELECTRONICOS.
Son aquellos cuyo sistema de temporización esta conformado por circuitos
electrónicos. Se encuentra una gran variedad de modelos, dependiendo de su
funcionamiento.
2.2.3. PRESOSTATOS.
Son aparatos que abren o cierran un circuito eléctrico al detentar cambios de
presión en sistemas neumáticos o hidráulicos.

De membrana: la variación de presión, en un sistema neumático o
hidráulico, produce la deformación de una membrana. Esta deformación
se transmite a un pistón, el cual a su vez, desplaza los contactos
eléctricos que tiene el presóstato.

Sistema tubular: Funciona gracias a un tubo ondulado (a manera de
fuelle metálico), el cual maniobra los contactos eléctricos del presóstato
de acuerdo con las variaciones de presión.
Los presóstatos se instalan en las tuberías de conducción de gases o líquidos,
o bien en los tanques de almacenamiento de dichos elementos.
2.2.4. TERMOSTATOS.
Aparatos que abren o cierran circuitos eléctricos, en función de la temperatura
que los rodea. Los termostatos no deben confundirse con los relees térmicos.

De láminas metálicas: Se fundamenta en la acción que ejerce la
temperatura en una lámina, compuesta por dos metales con diferentes
coeficientes de dilatación (bimetal), que se flexiona (dobla) al elevarse o
disminuir la temperatura, hasta llegar a accionar los contactos que tiene.

De tubo capilar: Aprovecha las alteraciones en la presión de un fluido
alojado en un tubo muy delgado, al variar la temperatura. Esta variación
de presión produce a su vez una modificación en la forma del tubo,
hasta accionar los contactos eléctricos que posee.
2.2.5. PROGRAMADORES.
Son aparatos que accionan un gran número de contactos, en forma
independiente, simultanea, secuencial o repitiéndose periódicamente (cíclica).
Están conformados por un motor, transmisión y contactos (micro ruptores). En
la actualidad estos sistemas mecánicos se van sustituyendo por
procedimientos electrónicos.
2.2.6. DETECTORES.
Conocidos también como captadores o sensores, son dispositivos
electrónicos que transmiten información sobre presencia, ausencia, paso, fin de
recorrido, rotación, contaje etc. De objetos sin entrar en contacto físico con las
piezas.
3. CONCLUSIONES.
Después de la realización de este trabajo se pueden llegar a estas
conclusiones:

Existe gran variedad de dispositivos auxiliares de mando, la diferencia
entre unos y otros radica muy especialmente en el campo de aplicación.

En cuando a los contactores, se puede notar su gran importancia en
cuanto al desarrollo de sistemas de producción y de la industria en
general.

Es muy importante la característica de protección al operario que posee
el contactor pues la conservación de la integridad de la vida humana
debe ser prioridad siempre.

Gracias al uso de estos dispositivos se han logrado muchos procesos
que antes no se podían imaginar por su cantidad de maniobras.

Existen gran cantidad de clases de contactor para lo cual debemos tener
muy en cuenta las características de la carga para la escogencia de
estos.

La bobina es el elemento fundamental para el funcionamiento del
contactor.

Los contactos son el principal elemento en cuanto a la aplicación del
contactor.

El arco eléctrico es el principal obstáculo en el diseño de instalaciones
con contactores.