MÁQUINAS ELÉCTRICAS:

Ciclos-GM y GS
MOTORES ELÉCTRICOS
S32A
Curso 2011-12
Dto. de Electricidad-electrónica
Nº de páginas: 30
MÁQUINAS ELÉCTRICAS:
Se denominan así a los dispositivos eléctricos y electromecánicos, que transforman la energía
eléctrica entre si o la intercambian con trabajo mecánico:
· Transformadores: convierten energía eléctrica en energía eléctrica, cambiando los
valores de tensión e intensidad; la potencia es constante.
· Motores: se alimentan de energía eléctrica y la transforman en trabajo mecánico, en
forma de giro.
· Generadores: transforman el trabajo mecánico (giro) en energía eléctrica.
En todos los procesos de transformación, se pierde parte de la energía, sea eléctrica, mecánica o
ambas. Deducimos de aquí el concepto de rendimiento (ŋ), como la relación entre la potencia (o
energía) obtenida (útil) y la consumida o absorbida:
Ŋ = Putil / Pabsorbida
(normalmente se expresa en %)
MOTOR ELÉCTRICO
Es una máquina formada por una serie de bobinados fijos, llamados estator o inductor, y otros
bobinados sobre el eje interior, giratorio, llamado rotor o inducido. El Conjunto estator-rotor, junto
a los elementos de sujeción, carcasa, rodamientos, caja de bornes, etc., forman el motor
completo. Los devanados o bobinados del estator y rotor, pueden ser diversos, y la forma de
funcionamiento diferente.
De esta manera, se dan los tipos de motores siguientes:
Motores de c.c.:
-
Bobinados independientes, serie, paralelo, mixto (compound).
Estator de Imán permanente y rotor bobinado: pequeños motores, motores de
precisión, encoder, motores paso a paso, etc.
Motores de c.a.:
-
Síncronos: rotor bobinado, generalmente, recorrido por c.c.
Asíncronos:
o Rotor bobinado: anillos rozantes
o Rotor sin bobinar: jaula de ardilla o rotor en cortocircuito
Estos motores a su vez, pueden estar alimentados por c.a. monofásica o trifásica; además
pueden ser motores de varias velocidades, motor-freno, etc.
Motor de c.c. miniatura
(juguetes)
motor industrial en general
motor-freno
____________________________________________________________________________________________________________
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Página: 1
MOTOR DE CORRIENTE CONTÍNUA
Principio: el motor de c.c. elemental, tiene dos polos magnéticos fijos (imanes) y el rotor está
formado por una espira que gira en el interior del campo magnético:
La batería suministra c.c. a la espira a través de un colector de delgas y
unas escobillas, que mantienen el contacto durante el giro del rotor.
Al circular una corriente por la espira, esta genera un campo magnético en
oposición al del imán permanente, lo que crea un par de fuerzas y produce
el giro inicial. Al dar media vuelta, el sentido del campo creado por la espira
cambia, ya que ha girado media vuelta el colector, y recibe la intensidad en
sentido contrario, eso hace que vuelva a aparecer la repulsión entre polos y
continúe el giro. Así se mantendrá de manera continuada mientras se alimente la espira.
En esta vista, se aprecia como las escobillas rozan con el
colector y llevan la c.c. hacia la espira.
En los motores reales, no hay una espira, sino muchas (un
bobinado o devanado), sobre una forma de láminas
metálicas, para producir un campo magnético mayor que el
del imán.
Al girar el colector, hay un momento en que las escobillas
podrían rozar las dos delgas a la vez, provocando un breve cortocircuito; para evitarlo, en la
práctica, se utilizan colectores de 3 o múltiplos de 3 delgas, de manera que al estar separados en
ángulos de 120º no coinciden enfrente y se evita el cortocircuito. Por otro lado, los bobinados se
agrupan igualmente en grupos de tres, o bien en un cierto número de “pares” de tres partes,
puesto que cada par formará el polo N y S del rotor.
El motor “real” de c.c. es mas complejo, y tiene la siguiente estructura:
Estator: Formado por una corona de material ferromagnético denominada culata o yugo
en cuyo interior, regularmente distribuidos y en número par, van dispuestos unos salientes
radiales con una expansión en su extremo, denominados polos, sujetos por tornillos a la
culata. Rodeando los polos, se hallan unas bobinas de hilo de cobre aislado, que al ser
alimentadas por corriente continua, crean el campo magnético inductor de la máquina, y
las polaridades norte y sur. Salvo las máquinas de potencia reducida, en general de menos
de 1 kW, encontramos también en el estator, alternando los polos antes citados, otros
llamados polos de conmutación. Los motores miniaturas, sustituyen estos bobinados por
imanes permanentes.
Rotor: Formado por una columna de material ferromagnético, a base de chapas de hierro,
aisladas unas de las otras por una capa de barniz o de óxido. La corona de chapa
magnética presenta en su superficie externa un ranurado donde se alojan los bobinados o
inducido del motor. Este devanado esta constituido por bobinas de hilo de cobre aislado.
Las diferentes bobinas están conectadas ente si, y el circuito cerrado al conectar el final de
la última bobina con el principio de la primera. Además se conectan a las delgas del
colector.
Colector: Constituido esencialmente por piezas planas de cobre duro de sección
trapezoidal, llamadas delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de
mica, formando el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado fuertemente. El colector tiene
tantas delgas como bobinas posee el devanado inducido de la máquina.
____________________________________________________________________________________________________________
Página: 2
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Escobillas: dos piezas de carbón, presionadas por muelles, dispuestas en los porta
escobillas de bronce o latón, que retienen las escobillas que establecerán el enlace
eléctrico entre el colector y el circuito de corriente continua exterior.
Todo el conjunto, además de la carcasa, ventilador, rejillas, caja de bornes, rodamientos, etc., se
cierra fuertemente mediante tornillos, y dispone de unos anclajes de sujeción del motor. La fuerza
se transmite mediante el giro del eje, a través de acoplamientos, engranajes, poleas, ejes con
chavetas… etc. En las figuras siguientes se representan las partes y despiece del motor de c.c.
Partes de un motor de c.c.:
Despiece:
____________________________________________________________________________________________________________
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Página: 3
Conexión de motores de c.c.
El motor de c.c. dispone entonces de bobinados en el estator y en el rotor. Ambos bobinados,
pueden conectarse de diferentes maneras:
i) Independiente:
ii) paralelo:
iii) Serie:
Simbología del motor de c.c.:
Los modos de excitación (conexión del
inductor) influyen en la respuesta del motor, en
cuanto a par. Además existe el modo
compuesto o serie-paralelo. La simbología
expresa de manera gráfica el modo de
conexión de los bobinados del motor de c.c.
Fórmulas de cálculo en motores de c.c.:
Pabs = U·I
Putil (eje) = U·I·ŋ
Potencia absorbida por el motor (W)
Potencia útil en el eje
U = tensión del inducido (V); I = intensidad nominal (A)
PEx = Uex· Iex
(Potencia de excitación necesaria)
T = 9.550 · (P/n)
Par nominal en N·m (P en Kw) para velocidad nominal n
P1 = P · (n1/n)
Potencia P1, para velocidad n1 (menor a la nominal n)
Variación de velocidad del motor de c.c.: se puede variar la velocidad, modificando el valor de
la tensión del inducido (rotor) mediante resistencias fijas o variables, o mejor, reguladores
electrónicos. Al variar la tensión aplicada, podría variar la característica de par-velocidad; esto se
comprueba con la curva que proporciona el fabricante.
Para paliar el problema de las escobillas (chispas, desgaste, interferencias…) se han desarrollado
motores sin escobillas brushless, que evitan los problemas del mantenimiento de colector y
escobillas, si bien son motores pequeños, en general de imán permanente.
____________________________________________________________________________________________________________
Página: 4
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA
Los motores de c.a., al igual que los de c.c. disponen de un devanado inductor (estator) y de un
rotor que puede estar bobinado o no. La velocidad de rotación depende de la frecuencia de la c.a.
que lo alimenta. Cuando la velocidad de giro real coincide con la teórica, el motor se denomina
síncrono, y cuando es ligeramente menor asíncrono.
La mayoría de motores utilizados a nivel industrial son asíncronos y generalmente trifásicos; los
monofásicos, son mas utilizados en aplicaciones domésticas y maquinaria portátil ligera (taladro,
amoladora, sierra radial…).
Constitución del motor asíncrono trifásico:
El estator o inductor, dispone de tres grupos de bobinas, que en conjunto forman un sistema
circular separados 120º cada grupo de bobinas. Los tres grupos son iguales en todo: mismo
número de espiras, mismo hilo, misma resistencia…. Cada uno de los tres bobinados se conectan
a un borne de inicio y otro final, de manera que tendremos 6 bornes en la caja de conexiones
En la figura, se muestran los tres bobinados simétricos a 120º, el
conjunto formará el estator; el rotor, por su parte, puede estar
bobinado o sin bobinar.
Los motores con rotor sin bobinar se denominan de jaula de ardilla,
y son así la mayoría de los utilizados industrialmente.
Cuando el rotor está bobinado, sucede lo mismo que en el estator:
hay tres grupos de bobinas repartidas simétricamente. En el rotor
los finales de bobinas están unidos, y se accede a los terminales
iniciales mediante un colector de anillos rozantes; hay un anillo por
cada bobina, tres en total.
____________________________________________________________________________________________________________
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Página: 5
Motor con rotor bobinado o de anillos rozantes:
Motor con rotor sin bobinar o de jaula de ardilla:
Origen del nombre del rotor…
Despiece del motor asíncrono de jaula de ardilla:
____________________________________________________________________________________________________________
Página: 6
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Fundamento del motor asíncrono trifásico: si por ejemplo, los tres bobinados del estator, se
unieran por sus finales (conexión en estrella), y aplicáramos a los iniciales, las tres fases del
sistema (R-S-T ó L1-L2-L3), se generaría un campo magnético giratorio, siguiendo la evolución de
cada fase:
De esta manera en el rotor aparecerían pares de polos N-S, debidos a la tensión inducida, que se
oponen a los inductores, y en consecuencia aparece un par de fuerzas que produce el giro.
En el caso del motor síncrono, para lograr que el giro del rotor sea a la vez que el del campo del
estator, se aplica corriente contínua al rotor de manera que los polos no son inducidos por el
campo del inductor. Es muy raro el uso de motores síncronos, si bien al contrario, es decir,
generador síncrono, es lo habitual. En todo caso, pueden darse pequeños motores síncronos, que
tienen un imán permanente como rotor, en aplicaciones de medida o control de velocidad de giro.
Caja de bornes de un motor asíncrono trifásico y formas de conexión: la caja de bornes de un
motor de tipo jaula de ardilla, tiene los inicios y finales de cada grupo de bobinados, es decir 6
bornes; los tres grupos de bobinas se llaman U, V y W, sus bornes iniciales U1, V1, W1 y los
finales U2, V2, W2:
Es posible conectar un motor a dos
tensiones diferentes; por ejemplo, si
la placa de características del motor
indica 230/400 V, se utilizará:
· Triángulo, para 230 V
· Estrella para 400 V.
Es decir:
tensión baja Æ triángulo
Tensión alta Æ estrella
____________________________________________________________________________________________________________
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Página: 7
La caja de conexiones tiene los terminales como se indica en la figura, de manera que cambiando
la posición de los puentes se conexiona en triángulo (puentes paralelos) o estrella (puentes en los
finales). La mayoría de los motores industriales tiene dos tensiones de trabajo: 125/220, 220/380,
230/400, 400/690 V etc. En los catálogos de motores, generalmente se indica la intensidad
nominal a la tensión alta (estrella). Para obtener la intensidad nominal en triángulo, hay que
aplicar el factor √3, ya que se trata de sistemas trifásicos equilibrados.
Velocidad angular o de giro: el número de r.p.m. al que gira un motor de c.a. depende de la
frecuencia de la c.a. (F) y del número pares de polos del motor (p):
n = 60 · (F/p)
Ejemplo: red trifásica de 400V/50 Hz; motor de 4 polos (2 pares):
n = 60 · (50/2) = 1500 rpm Æ velocidad síncrona
el motor asíncrono, girará a una velocidad ligeramente inferior a 1500 rpm, por ejemplo 1470 rpm;
este valor de velocidad del motor asíncrono, se da en los catálogos de motores, y aparece en la
placa de características. La diferencia de velocidades (síncrona-asíncrona) se denomina factor de
deslizamiento, δ:
δ = velocidad síncrona – velocidad asíncrona; (también se puede expresar en %)
δ= 1500 – 1470 = 30 (o 2% de deslizamiento)
De acuerdo con la fórmula de la velocidad de giro, n, las formas de variarla serán:
i) variar el número de pares del motor: hay motores con dos o más juegos de bobinados
independientes, que permiten conectar (por ejemplo) 1 pares, 2 pares, 4 pares…
obteniendo así velocidades de 3000 – 1500 – 750 rpm, conmutando los bobinados
correspondientes. Estos motores se denominan de dos velocidades, tres velocidades… y
la conexión suele ser fija en estrella, para cada bobinado. La conmutación se hace
mediante diferentes contactores, bloqueados entre sí y pulsadores o selector de maniobra.
Un caso de motor de dos velocidades sería por ejemplo, el de un ascensor normal, con 4 y
16 polos (motor con freno):
n1 = 60 · (50/2) = 1500 rpm Æ velocidad normal (bajar/subir)
n2 = 60 · (50/8) = 375 rpm Æ velocidad de aproximación (parada)
Un motor especial de varias velocidades es el Dahlander, cuyos bobinados se conmutan
en estrella-triángulo para variar el número de polos y su velocidad.
Fabricar motores con diversos juegos de bobinados, aumenta su precio y tamaño, además
es posible conseguir variar la velocidad en escalones mediante procedimientos mecánicos
mas baratos (engranajes, poleas, desmultiplicadores…). Cuando se desea una variación
de velocidad mas precisa (por ejemplo, de 0 … 1500 rpm) es necesario:
ii) variar frecuencia (F) de la red; esto se consigue mediante aparatos electrónicos que se
denominan genéricamente variadores de frecuencia. Los variadores, se alimentan de la
red de suministro (230, 400 V monofásica o trifásica) y generan una salida trifásica con
frecuencia variable electrónicamente. El control puede ser mediante programa, o por
métodos sencillos (control analógico, digital, autómata… o manual girando un botón..).
Los variadores de frecuencia electrónicos se fabrican con diferentes prestaciones, y
actualmente permiten regular motores desde 1 Kw a cientos de Kw de manera segura,
puesto que incorporan en sus prestaciones funciones de protección y diferentes métodos
de arranque, frenado, inversión de giro, etc. Para ello hay que conocer la documentación
que se proporciona con el variador de frecuencia.
____________________________________________________________________________________________________________
Página: 8
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Sentido de giro del motor: el sentido de giro del motor viene determinado por el giro del campo
magnético generado en el inductor; si la secuencia es (L1-L2-L3) el giro será en sentido horario
(dcha.); al cambiar la secuencia (invertir dos fases entre si) el giro será antihorario (izqda.):
Eléctricamente es indiferente que
fases invertir entre si, aunque a
efectos prácticos (montaje de los
contactores) lo más práctico es
intercambiar L1-L3 y dejar fija L2:
Potencia y Par de un motor asíncrono trifásico:
Pabs = √3·U·I·cosφ donde:
Pabs = potencia absorbida de la red, en W
U,I = tensión e intensidad nominal (V, A)
cosφ = factor de potencia (catálogo o placa del motor)
si tenemos en cuenta el rendimiento del motor (η), la potencia útil del motor, será:
PU = √3·U·I·cosφ · η
y el par:
T = 9550 · (P/n) en N·m (P en Kw)
En los catálogos de motores se dan otros parámetros interesantes:
IS/IN = relación entre la intensidad de arranque (IS) y la nominal (IN)
TS/TN = relación entre el par de arranque y el nominal
Tmax/TN = relación entre el par máximo y el nominal
Nota: en documentación antigua sobre motores (libros o catálogos) puede aparecer el par del giro como M
Ejemplo: motor III de 45 Kw conectado a una red 3~380V / 50Hz., y características:
IN = 85 A ; N = 980 rpm;
η= 92,5 %;
cosφ = 0,86
Pabs = √3·U·I·cosφ = √3 · 380 · 85 · 0,86 = 48.113 W o 48,11 Kw.
PU = √3·U·I·cosφ · η = 48,11 · 0,925 = 44,5 Kw
T = 9550 · (P/n) ;
usamos PU para calcular el par útil o real, en el eje:
T = 9550 · (44,5/980) = 433,64 N·m
____________________________________________________________________________________________________________
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Página: 9
Curvas Características del motor asíncrono trifásico:
Curva de intensidad-velocidad:
En arranque directo, a motor parado, la intensidad
inicial puede llegar a puntas de 6…8 ó más veces
la intensidad nominal; cuando el motor va
acelerando se disminuye este valor, y se estabiliza
a intensidad nominal, al alcanzar la velocidad
nominal, inferior al 100% por se asíncrono.
El tiempo que dura el arranque varía según el
motor esté en vacío (sin carga) o con carga. El
REBT permite puntas de intensidad en el arranque
entre 1,5 y 4,5 veces la intensidad nominal del
motor, según la potencia y el uso (ICT–BT-47) de
manera que en ocasiones será necesario limitar la
intensidad en el arranque usando resistencias
estatóricas, arranque escalonado estrella-triángulo, arrancadores suaves o progresivos, o
variadores de frecuencia electrónicos. Los fabricantes indican en los catálogos la relación de
intensidad de arranque (IS ó IST) y nominal (IN).
El tiempo de arranque de los motores, debe ser tenido en cuenta para el uso de relé de protección
térmica, especialmente en arranques lentos (mas de 10 segundos) o muy lentos (mas de 20
segundos) de motores de grandes potencias (30 Kw o mayores).
Curva de par-velocidad:
En el instante de conexión, a motor parado,
se produce un impulso muy fuerte de
arranque o par de arranque (TS o TST).
Este valor puede llegar hasta el doble del
par nominal del motor (TN). Al ir
acelerándose, el par va variando, hasta
alcanzar el nominal, cuando la velocidad es
ligeramente inferior a la síncrona.
Normalmente en los catálogos de motores
figuran el par nominal y la relación con el
de arranque y máximo.
Placa de características:
Dependiendo del fabricante, se suelen
indicar , además del modelo y tipo… las
tensiones, intensidades factor de potencia,
número de rpm, y otras como:
IP: grado de protección (polvo y humedad)
IM: modo de fijación del motor
IEC: normativa
Th.CI.: clase de aislamiento térmico
Peso, potencia, modos de conexión, clase
de trabajo…etc.
Å placa de un motor Siemens
____________________________________________________________________________________________________________
Página: 10
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Å Motor ABB, donde leemos:
380-420 V, estrella (Y); 2,2 A
220-240 V triángulo (D); 3,8 A
Funcionamiento a 50 y 60 Hz con
velocidades de 1400 y 1690 rpm
Motor asíncrono trifásico con rotor bobinado o motor de anillos rozantes:
Anillos del rotor bobinado
Al igual que ocurre en el motor de jaula, el rotor bobinado
estará funcionando a plena marcha en cortocircuito. Para
ello los tres grupos de bobinados de rotor, se conectan en
estrella (finales unidos) y los bornes iniciales se conectan a
los anillos. El colector tiene tres anillos y una escobilla
rozante para cada uno. En el arranque, hay que limitar la
intensidad rotórica que se opone a la estatórica limitando el
par, hasta que alcanza la velocidad nominal; en ese
momento se unen directamente los tres anillos. Para reducir
la intensidad rotórica durante el arranque, se usan grupos de
resistencias rotóricas, que se van eliminando progresivamente (dos – tres escalones) mediante
contactores, o bien, reguladores electrónicos.
Motor asíncrono monofásico: los motores
monofásicos se utilizan ampliamente en
aplicaciones de pequeña potencia (menor de
2…3 Kw), en aparatos domésticos (compresor
del frigorífico, aire acondicionado, lavadora,
ventiladores...) y muy abundantemente en
pequeña herramienta portátil, taladros de mano,
sierras de calar, amoladoras, radiales,
destornilladores eléctricos… etc.
La alimentación procede directamente de fase y neutro (L-N) o entre dos fases (L1-L2) a 230 V (o
127 V en aparatos muy antiguos). La normativa, obliga a que los aparatos domésticos y
herramienta portátil se alimente a tensión monofásica, nunca a tensión trifásica.
____________________________________________________________________________________________________________
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Página: 11
Los mas utilizados en maquinas y electrodomésticos, al igual que los trifásicos, son los de jaula de
ardilla, es decir, rotor sin bobinar; el estator está formado por dos bobinados, uno principal o de
trabajo, y otro auxiliar o de arranque. El principal ocupa alrededor de 2/3 del bobinado total, y es
hilo más grueso con poca resistencia, mientras que el auxiliar ocupa alrededor de 1/3 del total y
está hecho con hilo más fino, y de mayor resistencia. Este tipo de motor se denomina monofásico
de fase partida, y su funcionamiento es el siguiente:
Los devanados principal y auxiliar están
dispuestos de manera que se produce un
desfase entre ellos de 90º y eso genera los polos
que inician el giro. Una vez iniciado el giro y
alcanzada la velocidad nominal, el devanado
auxiliar no es necesario, y se desconecta
automáticamente
mediante
un
interruptor
centrífugo (por velocidad de giro).
Entonces, el bobinado auxiliar solo actúa para
producir el par de fuerzas necesario en el
arranque, y una vez puesto en marcha se
desconecta.
Otra forma de proporcionar el arranque, es desfasar la intensidad aplicada al bobinado auxiliar
mediante un condensador, que se coloca externamente en serie con dicho bobinado. El
condensador introduce un desfase entre las
intensidades que recorren los bobinados
principal y auxiliar, y eso produce un desfase en
los campos magnéticos generados, de manera
que se refuerza el par de arranque inicial.
Mas tarde, cuando el motor alcanza ya cierto
número de rpm, el efecto centrífugo abre el
interruptor, y deja fuera de servicio el conjunto
de condensador y bobina auxiliar.
La capacidad del condensador la indica el
fabricante para cada motor; en general, suele ser
de unos 5 μF cada Kw. La tensión nominal del
condensador será superior a Umax de la red (por
ejemplo, red de 230 V, Umax = √2 · 230 = 325 V,
luego el condensador será de al menos 400 V).
Å motor monofásico con condensador de arranque
(de fase partida)
Para cambiar el sentido de giro de un motor monofásico
basta invertir la polaridad del devanado auxiliar, puesto
que así el campo generado irá en sentido contrario.
Por otro lado, hay motores monofásicos de dos
velocidades, como por ejemplo los utilizados en
lavadoras, que tienen inversión de giro, y velocidad alta
para el centrifugado:
____________________________________________________________________________________________________________
Página: 12
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
S1 selecciona el sentido de giro, mientras que el conmutador doble S2-S3, selecciona uno entre
los bobinados de marcha lenta L1-L2, o de marcha rápida L3-L4.
Motor universal: se denomina así al motor monofásico, con rotor
bobinado, colector y escobillas; los bobinados del estator y del rotor se
conectan en serie. El motor puede funcionar (generalmente) con c.a. y
con c.c., si bien varían las características de velocidad y par. Este tipo
de motor se emplea en pequeños aparatos domésticos (batidora,
robot, picadora…) y en herramienta portátil tipo taladros, sierras de
calar, discos radiales… etc. En general la potencia es, menor de 1 Kw.
Para variar el sentido de giro, se usan conmutadores que
intercambian la polaridad del rotor y el estator entre si, mientras que
para variar la velocidad se emplean dispositivos con tiristores o triacs
(electrónicos) de regulación que varían la tensión aplicada, sea c.c. ó c.a. y en consecuencia la
velocidad; cuando la velocidad es pequeña, el par es también más pequeño:
Motor universal
acoplamiento (engranaje)
colector
escobillas
regulador de velocidad
electrónico
En el caso de alimentarse con corriente contínua (por ejemplo mediante un rectificador con
diodos) el sentido de giro depende de la polaridad aplicada +/- ó -/+).
____________________________________________________________________________________________________________
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Página: 13
Motor monofásico con espira de sombra: otra manera de conseguir el desfasaje entre el campo
inductor y el inducido para iniciar el giro, consiste en poner una espira en cortocircuito, llamada
de sombra, en una ranura núcleo del estator:
espira
La espira de sombra,
desfasa en el inicio, el
campo
magnético,
creando el par de
polos necesario para
el arranque. Este tipo
de motores se emplea
en aplicaciones de
muy poca potencia
tipo ventiladores o
similares, en general
menores de 100 W.
El arranque es muy suave, con poca potencia, que va aumentando con la velocidad. Para
conseguir mayor fuerza, se emplean reductores de velocidad con engranajes, de manera que
disminuyendo la velocidad de giro final, se aumenta la fuerza, permitiendo realizar mayores
esfuerzos. Caso típico de aparatos electrodomésticos pequeños, exprimidores de fruta o similares.
Finalmente, la potencia de los motores monofásicos de inducción viene dada por:
Pabs = U· I · cosφ
potencia absorbida de la red (W)
Putil = Pabs · η
potencia útil en el eje del motor (W)
Las fórmulas de velocidad de giro (n) y par (T) son las mismas que en motores trifásicos. El factor
de potencia suele ser menor en los motores monofásicos que en los trifásicos, lo mismo que su
rendimiento. A igual potencia, normalmente el tamaño será mayor en los monofásicos.
Frenado de motores: para frenar o detener el giro de los motores, se emplean diferentes
procedimientos, eléctricos y electromecánicos:
Contracorriente: se produce una inversión de fases durante unos segundos, de manera que el
motor intentará cambiar el sentido de giro y en consecuencia, reducirá rápidamente su velocidad.
Es poco empleado:
____________________________________________________________________________________________________________
Página: 14
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Frenado por c.c.: se retira la tensión del motor y seguidamente se introduce c.c. a dos de sus
fases; esto produce un campo magnético fijo, que frena rápidamente el rotor. Cuando se ha
frenado o reducido la velocidad, hay que abrir el circuito de contínua, para evitar el
sobrecalentamiento del bobinado estator (contacto sensible a la velocidad o temporizador). La
intensidad de c.c. introducida suele ser del 125% de IN del motor. Si el frenado se hace sobre un
motor de anillos, deben insertarse también las resistencia rotóricas paulatinamente, lo que
complica la maniobra:
Motor-freno o motor con freno incorporado: dispone de un freno de zapatas o de disco, que se
aplica cuando el motor no recibe tensión, manteniéndolo frenado. Al aplicar tensión, el freno se
libera y el motor puede girar libremente. El control del freno se hace mediante un electroimán,
mientras que el frenado es automático mediante un muelle o resorte:
Despiece completo:
http://www.servorecambios.com/motores/despieces/despiece_ba_mgm.shtml
Esquema del motor-freno:
____________________________________________________________________________________________________________
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Página: 15
Frenado por recuperación: cuando un motor conectado a la red, se le hace girar (desde el
exterior) a velocidad superior a la síncrona, se comporta como generador “devolviendo” energía a
la red. Esto se aprovecha en máquinas con grandes cargas en movimiento, como trenes, grúas o
elevadores (contrapesados). Por ejemplo, en una máquina de arrastre de tren, al iniciar la frenada,
el motor deja de aportar fuerza y se engrana mediante un embrague automático al sistema
multiplicador que aprovecha la inercia del movimiento, para hacer girar a velocidad hipersíncrona
del eje del motor (igual que en el motor del coche, al cambiar a una marcha mas corta, aumentan
las rpm y actrua como freno-motor); entonces, el motor actúa como generador devuelve a la red
energía eléctrica (recuperación). Este sistema no detiene totalmente al motor, por lo que hay que
utilizar frenos hidráulicos de disco para la detención total del sistema en movimiento.
OTROS PARÁMETROS DE MOTORES:
Grado de protección: se corresponde con la protección frente a la entrada de polvo o humedad
estándar IP, formada por dos cifras (consultar las tablas normalizadas IP e IK).
Formas constructivas: la forma del motor, sus anclajes, y posición de funcionamiento se definen
como IM (international mounting), formadas por las siglas IM seguida de una letra y uno o dos
dígitos, que indican las variantes posibles:
Letra: B = horizontal;
V = vertical;
ejemplo: IM B 3
El anclaje puede ser por patas, frontal tipo brida mediante un disco atornillable, o combinado.
Las dimensiones principales son la altura desde el centro del eje a la base de sujeción (H) y la
longitud entre los tornillos de anclaje (L). De esta manera, al sustituir un motor por otro que
cumpla con la normativa IM, coincidirán el tamaño, los anclajes, etc., aunque sea de diferente
marca que el original.
La vista completa IM se puede conocer en los catálogos de los fabricantes de motores.
____________________________________________________________________________________________________________
Página: 16
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Clase o factor de servicio: se refiere al modo de funcionamiento:
S1: contínuo con carga constante.
S2: funcionamiento en corta duración con carga constante
S3: funcionamiento intermitente (arranque en vacío)
S4: funcionamiento intermitente (arranque con carga)
S5: funcionamiento intermitente con arranque en carga y frenado
S6: funcionamiento contínuo con carga variable o intermitente
S7: funcionamiento interrumpido con arranque en carga y parada
Clase de aislamiento: la temperatura interior que pueden soportar los bobinados. Es un parámetro
importante cuando se usa el motor con poca refrigeración o funcionamiento intermitente:
CLASE
Y
A
E
B
F
N
C
Temperatura en ºC
Hasta 90
105
120
130
155
180
Mayor de 180
Los motores de funcionamiento crítico (que no
deberían pararse…) y los de potencia de 30 Kw o
más, suelen disponer de termistores (sensores de
temperatura) en el interior de los bobinados, que
controlan un relé electrónico. Esto
permite
conocer en la temperatura interior y evitar el
posible sobrecalentamiento, actuando sobre la
carga del motor o su refrigeración.
EQUIPAMIENTOS
Se trata de determinar el equipamiento necesario, ante un sistema con motor(es). Partiendo de la
potencia del motor, se determina la intensidad nominal, y se toma como base para dimensionar
los componentes: fusibles, interruptor automático, contactores, relé térmico, conductores, etc. Con
los datos obtenidos, se busca en los catálogos de componentes los elementos necesarios.
Además habrá que tener en cuenta, las sobrecargas y tolerancias, y lo establecido en el REBT.
El I.A. de motor puede ser magnetotérmico en motores de hasta 30 Kw; para potencias superiores
o bien motores críticos, se usa I.A. magnético (de motor) y relé térmico separados, además de
otros posibles relés electrónicos de protección por temperatura, intensidad etc. Si la intensidad
nominal supera aproximadamente los 80 A, el I.A. será tipo caja moldeada, para motor, de los que
hay diversos modelos con prestaciones y funcionamiento diferentes.
Otro detalle a tener en cuenta es la compatibilidad de componentes; normalmente los de una
misma marca son ensamblables entre si. Por ejemplo los contactores y relés térmicos, al estar
conectados entre si. Consultar los catálogos de componentes y fabricantes.
Arranque directo: utilizado en motores trifásicos de potencia (generalmente) menor de 5,5 Kw o
monofásicos de 4 Kw . el arranque podrá ser con o sin inversión de giro. El equipamiento en
función de IN, será:
Fusibles (aM), interruptor automático, contactor(es) principal(es), relé térmico: todos IN
(o bien el valor inmediato superior más cercano según los catálogos comerciales)
Arranque escalonado estrella-triángulo: se aprovecha la característica de conexión Y-Δ, aunque
en este caso, con la red a la tensión menor:
i)
ii)
iii)
arranque en conexión Y
aceleración hasta 80-90 % velocidad nominal (intervalo de tiempo variable)
conmutación a conexión Δ
____________________________________________________________________________________________________________
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Página: 17
Al conectar en estrella a la tensión menor, la intensidad se reduce a 1/3 de IN, lo que permite un
arranque sin puntas elevadas, respetando la norma del REBT (ITC-BT-47):
(En ascensores y aparatos de elevación, multiplicar por 1,3 los valores anteriores)
Ejemplo: motor III de 230/400 V, con IN=20 A, y punta de arranque de 80A (IS/IN = 4), conectado a
la red de 230V para arranque escalonado Y-Δ:
Arranque: se inicia en estrella, con una intensidad de 80/3=26 A, es decir, 26/20=1,33
veces de punta sobre IN, menor de 1,5 establecido en el REBT.
Al alcanzar la velocidad de 80-90%, conmutación a triángulo, con IN de 20 A.
1.- intensidad en Δ
2.- intensidad en Y
1.- par motor en Δ
2.- par motor en Y
3.- par resistente
Valores de intensidad de reglaje de los componentes (equipamiento):
Línea: IN
Línea de triángulo: IN/√3
Línea de estrella: IN/3
Fusibles (aM), el valor inmediato superior (catálogos) de IN (actualmente, protección obsoleta)
Interruptor automático magnético: IN
Contactor de línea y de triángulo: IN/√3
Contactores de línea (para inversión de giro): IN
Contactor de estrella: IN/3
Relé térmico: IN/√3 (conectado en U-V-W ó U1-V1-W1)
Relé térmico: IN (conectado en línea)
____________________________________________________________________________________________________________
Página: 18
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Compensación del factor de potencia, en motores: se pueden usar grupos de condensadores para
compensar la potencia reactiva del motor, conectados en estrella o triángulo, si bien lo usual es
compensar el factor de potencia globalmente, en la cabecera de suministro de energía.
Bibliografía y enlaces de interés sobre el tema:
Roldan Viloria: MOTORES ELÉCTRICOS, aplicación industrial y automatismos de control.
Ed. Paraninfo
Schnneider-telemecanique: TELESQUEMARIO, capitulo 2, motores eléctricos
http://www.tuveras.com/maquinaselectricas.htm
http://www.esi2.us.es/GIE/docs/Tema%207%20Motores%20final.pdf
http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/bach/tecind2/Tema_6/electro.html
http://guindo.pntic.mec.es/rarc0002/all/maq/maq.html
http://guindo.pntic.mec.es/rarc0002/all/aut/automatismos.html
http://www.youtube.com/watch?v=Au6vtu4qGrE
____________________________________________________________________________________________________________
Dto. ELECTRICIDAD-ELECTRÓNICA
Página: 19