MÁQUINAS ELECTRICAS MMEE 20 21

TEMA1.- EL MOTOR ELECTRICO
Vamos aprender qué es un motor eléctrico, cómo funcionan los diferentes tipos de
motores, de corriente continua y alterna, síncronos y asíncronos, y las partes de un motor
eléctrico.
¿Qué es un Motor Eléctrico?
Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias. Transforman una energía
eléctrica en energía mecánica de rotación en un eje.
Tienen múltiples ventajas, entre las que cabe citar su economía, limpieza, comodidad y
seguridad de funcionamiento, el motor eléctrico a reemplazado en gran parte a otras fuentes
de energía, tanto en la industria como en el transporte, las minas, el comercio, o el hogar.
Su funcionamiento se basa en las fuerzas de atracción y repulsión establecidas entre un imán y
un hilo (bobina) por donde hacemos circular una corriente eléctrica.
Entonces solo sería necesario una bobina (espiras con un principio y un final) un imán y una pila
(para hacer pasar la corriente eléctrica por las espiras) para construir un motor eléctrico.
Recuerda también se pueden llamar "motor electromagnético". Pero expliquemos todo esto
mucho mejor y desde el principio.
Todo empezó gracias al científico Hans Christian Oersted que comprobó como colocando una
espira (cable enrollado) alrededor de una brújula, si hacia pasar una corriente por la espira, la
aguja de la brújula, que está unida a un imán giratorio, se movía. Lo que hacía la espira con
corriente eléctrica era mover el imán de la brújula que estaba dentro de la espira.
De esta forma demostró la relación que había entre la electricidad y el magnetismo.
Un campo magnético es una región del espacio donde existen fuerzas magnéticas (fuerzas que
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atraen o repelen metales). Esta propiedad de atraer metales se llama magnetismo.
Un campo magnético lo puede generar un imán con dos polos, polo Norte (N) y polo sur (S). Estos
polos se encuentran en los extremos del campo que genera el imán.
Antes del descubrimiento de Oersted ya se sabía que un imán tiene un campo magnético y que cuando
le atraviesa otro campo magnético, el de otro imán por ejemplo, los imanes se mueve por atracción o
repulsión. Si acercas dos imanes, cuando se juntan los campos magnéticos generados por cada uno de
ellas, se mueven. Polos iguales enfrentados se repelen, polos distintos se atraen.
Pero... ¿Qué demostró Oersted con su experimento? Pues algo importantísimo para poder
posteriormente crear un motor eléctrico.
El conductor con corriente eléctrica (la espira) se comportaba como un imán frente al imán de la
brújula, creaba un campo magnético a su alrededor, por eso se movía la brújula al pasar corriente por
el conductor.
No solo podemos crear un campo magnético con un imán, ahora según el descubrimiento de
Oersted, podemos generar un campo magnético por medio de electricidad. Electricidad ==> Campo
Magnético
Las dos fuerzas magnéticas, una por la corriente por el conductor y la otra la del propio imán,
interactúan haciendo que la aguja de la brújula (imán) girase. En definitiva, había creado un pequeño
motor eléctrico. Mediante la electricidad podamos crear un giro de un eje = un motor eléctrico.
Electricidad ==> Rotación Mecánica.
También sucede, al contrario, que es como se construyen los motores eléctricos de corriente continua.
Si un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de un campo
magnético, el de un imán por ejemplo, el conductor se desplaza perpendicularmente al campo
magnético, es decir se crea una fuerza en el conductor que hace que este se mueva. Una corriente +
campo magnético = movimiento.
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Realmente la corriente que circula por el conductor lo que hace es crear a su alrededor un campo
magnético, como descubrió Oersted, y al interactuar el campo del imán con el campo creado en el
conductor, se produce su movimiento al ser como dos imanes. Recuerda dos imanen enfrentados =
fuerza de atracción o repulsión. Según el sentido de la corriente por el conductor el campo creado
tendrá una polaridad o la contraria, por ese motivo, los campos se atraerán o repelerán, haciendo que
el conductor se mueva un sentido o en otro.
Si el campo magnético es horizontal y el conductor está vertical, el conductor se desplazará saliendo o
entrando del imán que provoca el campo magnético (depende del sentido de la corriente por el
conductor).
En la imagen anterior el conductor se moverá en dirección de la fuerza que se crea sobre el cable o
conductor (de color rojo). Pero... ¿Si el conductor o el campo magnético están en otra dirección?
¿cómo se mueve?
¿Cómo se Mueve el Conductor?
Es muy fácil averiguarlo con la regla de la mano izquierda. Si ponemos la mano izquierda en dirección
del campo magnético creado por el imán B (de Norte a Sur) con el dedo índice, los otros 3 dedos,
menos el pulgar, en la dirección de la corriente eléctrica por el conductor (ver en la imagen
siguiente), la posición del pulgar nos dice la dirección del movimiento del conductor (en la imagen F,
hacia arriba). Fíjate en la imagen siguiente:
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Esta regla es válida para cualquier caso que se de. En el caso anterior el conductor sube (dirección de
la fuerza generada sobre él).
Ahora ya podemos comenzar a construir y explicar el funcionamiento de un motor eléctrico.
¿Cómo Funciona un Motor Eléctrico?
Tanto los motores de corriente continua (c.c) como los de corriente alterna (c.a) funcionan
por inducción electromagnética, o lo que es lo mismo, un campo magnético induce o produce una
fuerza rotatoria por un conductor que lleva corriente eléctrica.
Aunque el principio de funcionamiento sea el mismo, las causas que producen la rotación en los de c.c
y los de c.a no son las mismas, por eso los estudiaremos por separado.
Motor de Corriente Continua
Para crear nuestro primer motor de corriente continua, el cable con corriente eléctrica que
anteriormente se movía dentro de un campo lo vamos a convertir en una espira (cable enrollado, ver
imagen de más abajo).
Al meter la corriente por la espira, es como si tenemos 2 conductores enfrentados (por uno entra la
corriente y por el otro sale), un lado de la espira subirá y el otro bajará, ya que por un lado la corriente
entra y por el otro lado de la espira la corriente sale. ¿Y esto que produce? Pues produce un giro de la
espira, un par de fuerzas con sentido contrario. Hemos conseguido hacer girar una espira por medio
de la corriente eléctrica. ¡¡¡Ya tenemos nuestro motor!!!. Hemos convertido la energía eléctrica en
energía mecánica en el movimiento del eje.
Veamos el dibujo, fíjate que el sentido de la corriente I a un lado y al otro de la espira es contrario,
esto hace que se produzcan fuerzas opuestas a cada lado de la espira = Par de Fuerzas = Giro.
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La entrada y salida de la corriente, si es corriente continua (motor de corriente continua), tiene
siempre el mismo sentido, es por eso que debemos colocar lo que se llama el colector de delgas, un
anillo cortado por el medio que es el encargado de recoger la corriente desde las escobillas y hacer
que la corriente siempre entre y salga por el mismo lado.
Si te fijas esta partido en dos y gira con la espira, por eso al girar posibilita que siempre entre la
corriente por el mismos sitio respecto a la espira. En el caso de la figura la corriente siempre entra por
la parte de la espira que está a la izquierda (frente el polo sur del imán fijo) y siempre sale por la parte
que está a la derecha (frente al polo Norte del imán fijo) independientemente de la posición de la
espira. El par de fuerzas sobre la espira siempre hace que gire hacia el mismo lado.
Este sería el motor más sencillo, pero lógicamente para que tenga más par (fuerza) lo que haremos
será colocar muchas espiras formando una bobina o bobinado o también llamado devanado.
Si sobre el imán fijo enrollamos unas bobina de cable eléctrico y hacemos pasar por la bobina una
corriente eléctrica, entonces tenemos un electroimán que es capaz de generar un campo magnético
mayor y por lo tanto mayor par en la espira o bobinado interior. Lo más común en los motores de c.c.
es alimentar el electroimán con la misma corriente de la espira o bobina interna que gira.
Según lo explicado tenemos dos partes principales en nuestro motor:
- Parte Fija: Es un electroimán que produce un campo magnético que induce una fuerza sobre la espira
o parte móvil. Se llama Estator (estático) o Inductor (induce la fuerza en la parte giratoria).
- Parte Móvil: Compuesto por muchas espiras de cable enrolladas o bobina. Se llama Rotor (rotación)
o Inducido (se induce sobre la una fuerza).
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Si ahora por el rotor la corriente que introducimos es corriente alterna, no será necesario poner
colector de delgas ya que la corriente cambia de sentido cada ciclo o vuelta a la vez que gira el motor.
Este tipo de motor no se utiliza en la vida real, aunque si se utiliza con el efecto contrario, como
alternador eléctrico para obtener corriente alterna.
Los motores eléctricos de corriente alternan que se utilizan en la vida real son los asíncronos que
estudiaremos a continuación. Si quieres puedes ver antes: corriente alterna.
Motores de Corriente Alterna
El principio de funcionamiento de estos motores se basa en el campo magnético giratorio que crea una
corriente alterna trifásica (3 fases) descubierto por Tesla y en el descubrimiento de las corrientes
inducida de Faraday.
Michael Faraday descubrió que un conductor eléctrico moviéndose dentro de un campo magnético
(imán) generaba una tensión o diferencial de potencial (d.d.p) entre sus dos extremos (igual que la pila
tiene tensión entre sus dos extremos). También ocurre lo mismo si el imán se mueve y el conductor
está fijo. En cualquier caso, si el conductor corta las líneas del campo magnético del imán se crea en la
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una tensión. Si unimos los extremos, por ejemplo, en cortocircuito o con una bombilla, circulará una
corriente por el conductor.
Si la que se mueve dentro del campo es una espira, si esa espira (los 2 conductores) cortan las líneas
del campo magnético, es decir, se mueve dentro del campo, en los extremos de la espira se produce
(induce) una tensión o diferencia de potencial inducida, de tal forma que si cuando está en movimiento
conectamos un receptor en los extremos de la bobina, por ejemplo una bombilla, al cerrar el
circuito con la bombilla, comenzará a circular por la espira una corriente eléctrica (intensidad)
inducida y debido a esa tensión inducida, la bombilla luce.
Esta tensión generada en la espira al ser inducida se conoce como fuerza electromotriz inducida (fem),
pero simplemente es una tensión entre dos punto. Si cortocircuitamos las espiras, se generará por la
espira una corriente inducida (corriente de cortocircuito).
Nikola Tesla descubrió que una corriente alterna trifásica genera un campo magnético giratorio al
circular la corriente de cada una de las 3 fases por una bobina de un electroimán diferente (imán con
bobina enrollada = electroimán). Fíjate en la siguiente animación:
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Cuando la corriente es de valor 0 no hay campo en esa fase, luego va aumentando y cada medio ciclo
de la onda el campo cambia de sentido.
Además, si tenemos un campo magnético estático dentro de otro campo magnético giratorio, el campo
estático girará siguiendo al campo giratorio.
Imagina 2 imanes enfrentados, uno de ellos sujetándolo en nuestras manos y el otro con un eje que lo
atraviese y que pueda girar. Al enfrentarlos con polos opuestos el del eje gira. Si movemos el que
tenemos en nuestras manos (el giratorio), podemos seguir moviendo el del eje (estático), es decir
podemos hacer que siga girando. Si los campos enfrentados son opuestos se repelen y por eso se
mueve el campo estático. También si los polos enfrentados fueran distintos el que gira seguiría al
giratorio externo girando por atracción.
Veamos esto con un ejemplo muy sencillo y un campo giratorio manual como el de la siguiente figura.
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En la imagen puedes ver un campo giratorio manualmente externo, y un imán estático en su interior.
El movimiento giratorio del externo provocará que gire el interno ya que intentará seguirle por la
atracción de los polos diferentes que están enfrentados. La velocidad de giro del campo externo
giratorio será la misma que la de rotación del imán interno. Velocidad de sincronismo se llama, y así
son y giran los Motores Síncronos de Corriente Alterna. El campo giratorio del estator (inductor) gira a
la misma velocidad que el rotor. Estos motores tienen el rotor compuestos por imanes permanentes,
por ese motivo son asíncronos. El estator es un bobinado de imanes formando electroimanes. Estos
motores no estudiaremos mucho más porque no se utilizan prácticamente, salvo en raras excepciones
y sobre todo, como ya dijimos antes, como alternadores, pero no como motores.
Pero... ¿Y si el imán interno fuera un campo magnético inducido en lugar de un imán? Pues también
girará siguiendo el campo giratorio, pero a menor velocidad. Veamos por qué.
Si el imán interno fuera una espira que está en movimiento, según Faraday al moverse el campo
giratorio, en la espira se produciría una tensión en sus extremos. Recuerda que una espira moviéndose
dentro de un campo genera tensión en sus extremos. Este caso es al revés pero lo mismo, se mueve el
campo sobre la espira, pero la espira corta las líneas del campo giratorio igualmente y se genera en
ella una tensión.
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Si ahora esta espira la ponemos en cortocircuito, se produce una corriente inducida en la espira, y
como ya sabemos por Oersted, al circular esta corriente inducida por la espira, en la espira se
crea un campo magnético. Ya tenemos nuestros dos campos magnéticos, uno giratorio (en este caso
manual) y otro estático e inducido por la corriente inducida en la espira.
En este caso la espira girará un poco más lento que el campo giratorio, ya que si girasen a la misma
velocidad la espira no cortaría las líneas del campo giratorio y no se produciría corriente inducida.
Conclusión, si girase a la misma velocidad el motor se pararía. Estos motores son los Motores
Asíncronos de Corriente Alterna.
Ya sabemos el principio de funcionamiento de los motores de corriente alterna, pero el problema
ahora es como crear un campo giratorio con corriente alterna y no manual para crear nuestro motor
eléctrico. Eso será lo que veremos a continuación.
Motores de Corriente Alterna Asíncronos
Todos los motores de corriente alternan asíncronos, ya sean monofásicos o trifásicos, tienen dos
partes diferenciadas:
- El estator: Es la parte fija del motor. Está constituido por una carcasa en la que está fijada una corona
de chapas de acero al silicio provistas de unas ranuras. Los bobinados están dispuestos en dichas
ranuras formando las bobinas que se dispondrán en tantos circuitos como fases tenga la red a la que
se conectará la máquina. En los motores trifásicos 3 bobinas y circuitos diferentes (un circuito por
bobina), pero en lo monofásicos necesitamos 2 en lugar de uno por el problema del arranque del motor
como luego veremos. Esta parte es la que creará el campo magnético giratorio, por eso se llama
Inductor, ya que inducirá una corriente en la otra parte, o lo que es lo mismo inducirá el movimiento.
- El rotor: Es la parte móvil del motor. Este situado en el interior del estator y consiste en un núcleo de
chapas de acero al silicio apiladas que forman un cilindro, en el interior del cual se dispone un bobinado
eléctrico. Los tipos más utilizados son: Rotor de jaula de ardilla y Rotor bobinado. También se llama
inducido porque es donde se inducirá las tensiones, corrientes y por lo tanto el movimiento de nuestro
motor.
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El rotor en jaula de ardilla es rotor con una serie de barras de aluminio o cobre (conductores) a su
alrededor y unidas en cortocircuito por dos anillos en sus extremos. El de rotor bobinado es un rotor
con bobinas a su alrededor. Fíjate en la imagen.
Motor Trifásico
Son motores eléctricos alimentados por un sistema trifásico de corrientes (3 fases). Son los motores
más usados, ya que en estos motores no tenemos el problema del arranque como en los monofásicos.
Según lo estudiado al principio para los motores en alterna, si creamos un campo giratorio en el
estator, y en el rotor creamos otro campo magnético, el campo magnético del rotor seguirá al campo
giratorio del estator, girando el rotor y por lo tanto el motor.
Si tuviéramos un motor con un estator con solo 3 espiras y cada espira la alimentamos con una fase
diferente, resulta que tendremos 3 campos generados diferentes en cada momento y variables con el
tiempo. Recuerda que las fases están desfasadas 120º, como muestra la imagen de más abajo. La
interacción de los 3 campos que producen las 3 fases crea un campo magnético giratorio en el estator
del motor. Ver Animación del Campo Giratorio.
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En el momento o punto 1, habrá 3 campos creados, dos negativos creados por L2 y L3 y uno positivo
creado por L1 y que al tener la corriente el valor máximo será el campo máximo que puede crear L1.
La suma vectorial de los 3 campos nos da el vector de color negro dentro del motor.
En el punto 2 ahora será L2 la que crea el campo máximo y los otros dos serán negativos. La suma de
los 3 dan como resultado el vector en esa posición. Se puede comprobar como ha girado.
En la posición 3 el máximo campo lo crea L3 y los otros dos son negativos. El vector del campo y el
campo sigue girando.
Ya tenemos nuestro campo giratorio creado por las corrientes trifásicas.
Este campo giratorio, además cortará las bobinas del rotor produciendo en ellas una corriente inducida
ya que están en cortocircuito y esta corriente a su vez generarán otro campo magnético en el rotor. El
campo magnético creado en el rotor seguirá al campo giratorio del estator. El campo del rotor es
contrario al del estator, ya que según un físico llamado "Lenz" en su ley dice:
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Ley de Lenz: las fuerzas electromotrices (tensiones) inducidas, como las que se inducen en el rotor y
luego producen corrientes, tienen un sentido tal que sus efectos tienden a oponerse a la causa que las
produce, es decir se oponen a que les corte el campo giratorio, por eso le siguen, para intentar que no
le corten líneas de este campo. Además, serán el campo giratorio externo tendrá los polos opuestos
que el interno del rotor, por lo que se verá rechazado "empujado" y girará.
Gira el rotor porque es algo parecido a como anteriormente explicamos con dos imanes, uno en
nuestras manos y otro con un eje que puede girar. Recuerda que son 2 campos magnéticos, uno dentro
de otro, uno giratorio y el otro creado fijo, pero sobre un rotor que puede girar.
Ahora sería bueno que vieras el siguiente video, es de un motor monofásico, pero te servirá para
comprender el efecto de inducción electromagnética y por qué giran los motores. Luego veremos el
motor monofásico explicado.
De hecho, si el rotor solo fuera una chapa magnética o un imán con campo fijo, esta se vería atraída
por el campo giratorio y también giraría, pero recuerda, en este caso sería un motor síncrono trifásico,
como el de la figura de abajo.
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Es mejor tener el rotor bobinado (espiras) para que se creen en el unas corrientes inducidas al cortar
las líneas de campo del estator y el campo producido sea mayor y el motor tenga más fuerza. Este
sería el motor asíncrono trifásico.
Se llaman Motores Asíncronos porque la velocidad de giro del campo del estator es un poco mayor
que la del campo generado en el rotor, tienen lo que se conoce por deslizamiento, debido a las
pérdidas por rozamiento y que además, si las velocidades fueran iguales no se produciría corrientes
inducidas en el rotor, ya que las líneas de campo magnético generadas en el estator no cortarían las
bobinas del rotor.
Estos motores asíncronos arrancan sin ayuda, pero es necesario controlar la corriente y tensiones
producidas en el rotor en el arranque ya que pueden ser muy elevadas. Recuerda que están en
cortocircuito, por eso suele hacerse el arranque con las conexiones estrella-triángulo. El arranque de
los motores se explicará en otro capítulo. Si te interesa, puedes ver el arranque estrella triángulo
explicado en el siguiente enlace: Contactor.
Motor
Monofásico
Los motores monofásicos son alimentados por una corriente alterna senoidal de una sola fase y el
neutro, lo que provoca que el campo creado por la bobina del estator sea variable, pero de una solo
dirección. Al no ser un campo giratorio el creado por una sola fase, el motor no gira al intentarlo
arrancar. Fíjate en la curva Par-Velocidad de un motor monofásico.
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Resulta evidente que el motor no tiene par de arranque y por tanto no podría vencer en vacío ni sus
propios rozamientos. Esto es lógico porque un devanado monofásico recorrido por una corriente
alterna monofásica, no produce el campo giratorio necesario.
Para provocar un campo giratorio se crean unas corrientes bifásicas en el estator (dos
fases) desfasadas 90º. Esto se consigue añadiendo un devanado (bobinado) auxiliar alimentado con la
misma fase, pero con un condensador en serie. El condensador desfasa la fase 90º en el devanado
auxiliar.
El devanado auxiliar se coloca en otro par de polos, con lo estos motores suelen tener 4 polos.
Ahora imagina que el motor esté ya girando a sus revoluciones por minuto (rpm) nominales, por
ejemplo 1.000rpm. Si desconectamos el devanado auxiliar y el condensador el motor sigue girando sin
problemas a sus 1.000rpm y no se para. Esto es porque el rotor, como está girando y por inercia, el
campo creado le ayuda a seguir girando si pararse. La desconexión del devanado auxiliar u el
condensador se hace con un interruptor centrífugo.
Conclusión: los motores monofásicos de corriente alternan necesitan una ayuda para arrancar, pero
una vez arrancado ya no necesita la ayuda inicial.
Fíjate en la curva par velocidad como aumenta el par en el motor cuando ponemos el devanado auxiliar
con el condensador. Este tipo de motores se llaman "Motores de Fase Partida".
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Hay otro tipo de motores monofásicos llamados de Espira en Cortocircuito, Espira de Sombra o Espira
de arranque. Son motores para potencias inferiores a 300w y puede arrancarse directamente por si
mismo, lo que se consigue por el efecto que producen las llamadas espiras en cortocircuito. El sistema
consiste en dividir los polos en dos partes desiguales y en una de ellas colocar una espira en
cortocircuito. Fíjate en la siguiente imagen en la que puedes ver los 2 tipos de motores monofásicos.
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Un motor eléctrico también se puede llamar motor electromagnético, ya que mezcla la electricidad
con el magnetismo y también motores de inducción electromagnética, ya que un campo
electromagnético
produce
o
induce
un
movimiento
del
rotor.
Faraday descubrió el efecto contrario y construyó el primer generador de corriente. Si quieres saber
cómo funciona el generador de corriente visita el siguiente enlace: Dinamo.
Partes de un Motor Eléctrico
Lógicamente cuantas más espiras y más imanes tengan nuestro motor, mayor será su fuerza, ya que
se sumarían todas las fuerzas de todas las espiras e imanes.
Su colocamos las espiras sobre (enganchadas) a un eje, las espiras al girar harán que gire el eje. Esta
parte móvil, el eje con las espiras, es lo que se llama el Rotor del motor. Estas espiras se
llaman bobinado del motor, tiene un principio, en la primera espira, y un final en la última espira. En
definitiva, es un solo cable que lo enrollamos en muchas espiras. Por el principio de este bobinado será
por donde entre (metamos) la corriente eléctrica y saldrá por el final.
Si ahora colocamos varios imanes fijos alrededor de este rotor, tendremos una parte fija que se llama
el Estator.
Todo este bloque, rotor y estator, irá colocado sobre una base para que pueda girar el rotor (sobre
rodamientos) y que además cubrirá todo el bloque para que no se vea. Este bloque es lo que se llama
la Carcasa del motor.
Además, todos los motores eléctricos tienen escobillas por donde entra y sale la corriente al bobinado
y además los de c.c. (corriente continua) tienen delgas.
Fíjate en la imagen siguiente, puedes ver todas las piezas de un motor eléctrico:
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Los motores eléctricos que se utilizan hoy en día tienen muchas espiras llamadas bobinado (de
bobinas) en el rotor (parte giratoria) y un imán grande llamado estator colocado en la parte fija del
motor alrededor del rotor.
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También hay motores que su bobinado lo tienen en el estator y el rotor sería el imán como podemos
ver en la figura del estator bobinado de abajo.
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TEMA2.- TIPOS DE MOTORES ELECTRICOS
Un motor eléctrico es una máquina rotatoria que transforma la energía eléctrica en energía mecánica
de rotación. En esta página veremos los diferentes tipos de motores eléctricos que existen, pero no
explicaremos el funcionamiento de los motores, para eso te recomendamos el siguiente enlace: Motor
Eléctrico.
Recordamos las partes de un motor eléctrico:
- Estator: Parte fija.
- Rotor: Parte móvil que gira dentro del estator.
- Entrehierro: Espacio de aire que separa el estator del rotor y que permite que pueda existir
movimiento. Debe ser lo más reducido posible.
Los motores eléctricos tienen unas bobinas (devanados) llamadas inductor e inducido.
- Arrollamiento o devanado de excitación o inductor: Es el que genera el campo magnético.
Normalmente, a no ser motores muy pequeños, el imán que genera el campo magnético (inductor)
también lleva un bobinado para crear un electroimán y que genere un campo magnético mayor. Este
bobinado o devanado se llama inductor. El campo magnético creado por el inductor, al cortar las
espiras del bobinado inducido del rotor, hace que gire.
- Devanado Inducido: El otro devanado, en el rotor normalmente. En el se convierte la energía eléctrica
del estator en energía mecánica de rotación.
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Como ves el funcionamiento de estos motores es por inducción electromagnética, por eso
también se llaman motores de inducción. Inducción = Hacer una cosa y que ocurra otra = Un
campo electromagnético en el estator induce o crea un movimiento en el rotor.
El estator de un motor de inducción es el inductor, es decir el encargado de crear el campo
magnético. El Rotor es la parte giratoria y el inducido.
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Conociendo las partes y el principio básico de funcionamiento del motor eléctrico, ahora
veamos y expliquemos como se clasifican los diferentes motores o lo que es lo mismo, los tipos
de
motores
eléctricos.
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Aquí tienes otra clasificación donde se especifica los motores de corriente alterna más
utilizados. Luego explicaremos todos los tipos uno a uno:
Tipos de Motores de CC
Los motores de corriente continua necesitan unas escobillas para poder meter la
corriente eléctrica en el rotor del motor y unas delgas para que siempre entre y salga en la misma
dirección por las espiras. Ver: Motor Eléctrico.
Los motores de cc usados en la industria tienen los imanes del estator bobinados para crear un
electroimán y crear campos magnéticos mayores. Hay un tipo de motor de cc que no lleva
bobinas en el estator, son los llamados "motores de imanes permanentes", motores usados en
juguetes y pequeños aparatos. El estator está formado simplemente por dos imanes. Por su poco
uso en la industria no los pusimos en los esquemas de los tipos de motores anteriores.
Los motores de cc utilizados en la industria si que llevan bobinados los polos o imanes del
estator. Tanto el devanado (bobina) del rotor como el del estator suelen alimentarse con la
misma fuente de energía, y la forma de conexión para alimentar ambos devanados es
precisamente la forma de clasificar los tipos de motores de corriente continua.
Todos los motores de corriente continua son reversibles, es decir son también dinamos.
Precisamente esta es su mayor aplicación, ya que como motor solo se utilizan en casos muy
concretos y para pequeñas potencias como en los servomotores.
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Su principal ventaja frente a los de corriente alterna era el control de la velocidad, que solía ser
mucho más sencilla en los de cc que en los de ca, pero eso hoy en día cambió bastante y ya se
pueden regular las velocidades de los motores de ca de forma bastante sencilla y económica,
por eso se utilizan muy poco. Pero veamos los tipos que existen.
Los motores de corriente continua se clasifican según la forma de conexión de las bobinas
inductoras e inducidas entre sí. Tenemos 4 tipos:
– Motor de excitación independiente: El motor de excitación independiente es tal que el
inductor y el inducido se alimentan de dos fuentes de energía independientes. No se suelen
utilizar, salvo excepciones muy concretas, por el inconveniente de tener que utilizar una fuente
de tensión externa.
– Motor en serie: El motor serie es tal que los devanados del inductor y del inducido se
encuentran en serie.
– Motor en derivación o motor Shunt: El motor Shunt dispone los devanados inductor e inducido
en paralelo.
– Motor Compound: El motor Compound o Compuesto consta de dos devanados inductores,
uno está en serie con el devanado inducido y el otro en paralelo.
CICLO: MANTENIMIENTO ELECTROMECÁNICO
MÓDULO: MONTAJE Y MANTENIMIENTO ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO
CENTRO: IES SAN JOSÉ (CUENCA
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Los motores de corriente continua fueron el primer tipo de motor ampliamente utilizado y los
costos iniciales de los sistemas (motores y accionamiento) tienden a ser típicamente menores
que los sistemas de corriente alterna para unidades de pequeña potencia, pero con mayor
potencia, los costos generales de mantenimiento aumentan dejando de ser rentable su uso.
Este tipo de motores se siguen utilizando en pequeñas herramientas y electrodomésticos, en
electrónica y en robótica, aunque se están quedando obsoletos en la actualidad y sobretodo
para usos industriales debido a las ventajas de los motores trifásicos y monofásicos de inducción
de corriente alterna, sobre todo desde los avances tecnológicos en cuanto a regulación de
velocidad.
La velocidad de los motores de CC se puede controlar variando la tensión de alimentación y
están disponibles en una amplia gama de voltajes, sin embargo, el tipo más popular es de 12 y
24 V.
Es fácil controlar su velocidad en un amplio rango y esta es la razón por la cual la mayoría de los
motores de tracción y servomotores han sido máquinas de corriente continua. Por ejemplo, los
motores para los trenes eran, hasta hace poco, exclusivamente máquinas de corriente continua.
Hay otro tipo de motores de corriente continua llamados "Motores sin Escobillas" o de "Imanes
Permanentes" o "Brushless" o incluso "De Conmutación Electrónica". Este tipo de motores
funcionan sin necesidad de escobillas que tienden al desgaste y las reemplaza con un dispositivo
electrónico que
mejora
la
fiabilidad
y
la
durabilidad
de
la
unidad.
La desventaja de los motores sin escobillas es que necesitan administración electrónica para
funcionar. Por ejemplo, se necesita un microcontrolador que utiliza una entrada de sensores
que indican la posición del rotor, para energizar las bobinas del estator en el momento correcto.
Visualmente son iguales al resto de motores de corriente continua.
No obstante, desde el punto de vista de su utilización en aplicaciones industriales, los líderes
indiscutibles son los motores trifásicos de inducción y asíncronos, que estudiaremos en esta
unidad.
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Tipos de Motores de Corriente Alterna
La corriente alterna (CA) es la que las compañías eléctricas transmiten a través de los cables
eléctricos y en las tomas de corriente (enchufes) y es un tipo de corriente en la que la cantidad
y la dirección de la corriente varía continuamente. Hay 2 tipos, monofásica y trifásica.
La primera clasificación sería en función del tipo de corriente alterna que utilizan los motores,
pudiendo utilizar corriente monofásica o trifásica. Si utilizan corriente monofásica son motores
monofásicos, y si utilizan la trifásica son motores trifásicos.
Sistema monofásico: En ese sistema se emplea una sola fase de corriente alterna y un neutro,
obteniéndose tensiones de 230 V de valor eficaz entre fase y neutro y 50 Hz de frecuencia. La
energía suministrada en las tomas de corriente de los hogares es de 230 V en corriente alterna
monofásica, por eso muchos motores de pequeños electrodomésticos son monofásicos.
Se suelen utilizar cuando no se dispone de alimentación trifásica, y es por este motivo por el que
es ampliamente utilizado en comparación con el sistema trifásico para fines domésticos,
comerciales y, hasta cierto punto, con fines industriales.
El sistema de una sola fase es más económico y como el requisito de potencia en la mayoría de
las casas, las tiendas y las oficinas es pequeño, con un motor monofásico será suficiente.
Los motores monofásicos son simples en construcción, de bajo costo, confiables y fáciles de
reparar y mantener. Debido a todas estas ventajas, el motor monofásico encuentra su aplicación
en aspiradores, ventiladores, lavadoras, frigoríficos, cámaras frigoríficas expositoras, bombas
centrífugas, lavadoras, juguetes pequeños, etc.
Generalmente se utilizan para potencias menores de 3 KW.
Algo muy importante, los motores monofásicos, como ya vimos en el apartado del motor
eléctrico, no son capaces de arrancar por si solo, necesitan una ayuda en el arranque. Se dice
que no tienen Par de Arranque.
De esto se deduce que para que un motor monofásico arranque vamos a necesitar algún
dispositivo auxiliar que permita ponerlo en funcionamiento.
Estos motores llevan un devanado principal y otro auxiliar con un condensador en serie para
producir un campo bifásico en el bobinado inductor o estator, con lo que conseguimos un campo
magnético giratorio y el motor puede arrancar. El devanado principal sería una fase y el auxiliar
otra fase desfasada 90º gracias al condensador. Algunos presentan un condensador permanente
y otro de uso exclusivo en el arranque, ya que una vez que está girando a su velocidad nominal
no son necesarios ni el condensador ni el bobinado auxiliar. Se desconecta el condensador y el
devanado auxiliar mediante un interruptor centrífugo.
Si te fijas en la siguiente gráfica al colocar un devanado auxiliar con un condensador en serie el
par de arranque aumenta mucho. Sin ellos no tiene casi par de arranque al inicio, por lo que no
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podría arrancar el motor. Una vez revolucionado ya mantiene el par con la velocidad sin
necesidad del condensador ni del devanado auxiliar.
Sistema trifásico: Sistema formado por tres fases de corrientes alterna, de igual frecuencia y
valor eficaz, desfasadas entre si 120 grados. Esto permite tensiones de 230 V (entre fase y
neutro) y de 400 V (entre fases, todavía quedan muchas de 380V) y 50 Hz de frecuencia. La
utilización de electricidad en forma trifásica es común en industrias donde muchas de las
máquinas funcionan con motores para esta tensión.
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Los motores de inducción trifásicos presentan la particularidad de que "producen un campo
giratorio".
Este campo giratorio, cortará las bobinas del rotor produciendo en ellas una corriente inducida
ya que están en cortocircuito y esta corriente a su vez generarán otro campo magnético en el
rotor. El campo magnético creado en el rotor seguirá al campo giratorio del estator y girará el
motor.
Por su velocidad de giro, los motores de corriente alternan se clasifican en síncronos y
asíncronos. Pueden ser síncronos monofásicos y trifásicos o asíncronos monofásicos y trifásicos
también. Veamos primero la diferencia entre síncrono y asíncrono y después todos los tipos.
El Motor Síncrono
Los motores síncronos se caracterizan porque la velocidad del campo magnético giratorio del
estator es igual a la velocidad de giro del campo inducido en el rotor (velocidad del rotor). Se
llama Síncrono porque trabajan sincronizados los dos campos magnéticos, siempre que la carga
no sea excesiva y le haga perder la sincronización.
Este motor tiene la característica de que su velocidad de giro es directamente proporcional a la
frecuencia de la red de corriente alterna que lo alimenta.
Por ejemplo si la fuente es de 50Hz, si el motor es de dos polos, gira a 3.000 rpm (revoluciones
por minuto); si es de cuatro polos gira a 1.500 rpm y así sucesivamente. Este motor o gira a la
velocidad constante y si la carga es excesiva, se detiene.
La fórmula de la velocidad de sincronismo es: ns = (60 x f)/p
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f = frecuencia; p = número de pares de polos del motor.
El motor sincrónico no se utiliza, salvo en aquellos casos excepcionales, como en sistemas de
regulación y control, pero nunca con la transmisión de potencias elevadas.
A pesar de su uso reducido como motor, la maquina sincrónica es la mas utilizada en la
generación de energía eléctrica, por ejemplo, en las centrales hidroeléctricas y termoeléctricas
mediante generadores sincrónicos trifásicos.
El Motor Síncrono puede ser monofásico o trifásico.
El Motor Asíncrono
Si se realizara a nivel industrial una encuesta de consumo de la energía eléctrica utilizada en
alimentar motores, se vería que casi la totalidad del consumo, el 95%, estaría dedicado a
los motores asíncronos.
En estos motores la velocidad del campo magnético giratoria producida por el estator es mayor
que la velocidad de giro del rotor. No están sincronizadas.
Conclusión: La diferencia entre un motor síncrono y asíncrono radica en que un motor
sincrónico gira a una velocidad constante llamada sincrónica que es directamente proporcional
a la frecuencia de la línea con que es alimentado y al número de pares de polos del motor. Un
motor asincrónico gira a una velocidad un poco menor que la sincrónica debido a una
característica de estos motores llamada resbalamiento o "deslizamiento", entre el rotor y el
campo magnético giratorio del estator.
Pueden ser Monofásicos y Trifásicos. Veamos los 2 tipos de Asíncronos.
Motores Asíncronos Monofásicos: tenemos 3 tipos diferentes, de bobinado auxiliar, de espira
en cortocircuito y universal. Recuerda necesitamos una ayuda para que el rotor comience a girar
en el arranque, aunque luego pueda girar por si solo. Suelen tener un rotor de jaula de ardilla
(ver más abajo rotor jaula de ardilla).
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- De Bobinado Auxiliar (de arranque) o Fase Partida: Se divide el bobinado en dos, uno principal
que ocupa 2/3 del total del bobinado y otro auxiliar que ocupará 1/3. En serie con el auxiliar se
coloca un condensador que desfasa 90º la fase por el devanado auxiliar y así poder conseguir un
campo giratorio bifásico. Una vez arrancado se puede desconectar el condensador,
normalmente al cabo de unos 3 segundos. Para estos casos lleva incorporado un interruptor
centrífugo cuya función es la de desconectar el devanado auxiliar después del arranque del
motor. Suelen tener 4 polos salientes en el estator, 2 polos del devanado principal y 2 polos del
devanado auxiliar (el de arranque).
- De Espira en Cortocircuito: Para potencias inferiores a 300w. Este motor puede arrancarse
directamente por si mismo, lo que se consigue por el efecto que producen las llamadas espiras
en cortocircuito. El sistema consiste en dividir los polos en dos partes desiguales y en una de
ellas colocar una espira en cortocircuito (ver imagen más abajo).
En cada polo se colocan la bobina polar que rodea al polo y una espira en cortocircuito que
abarca parte del polo. Al conectarlo a la red, en la espira en cortocircuito aparece una corriente
de elevada intensidad que crea un flujo propio, afectando solamente a la parte de polo abarcada
por la espira. Este flujo se opone al flujo principal, quedando el flujo en la parte de la espira
desfasada en retraso respecto al que atraviesa el resto del polo. Este sistema de dos flujos,
aunque no perfectamente bifásico, es lo suficientemente eficaz para provocar la puesta en
marcha del motor.
Los
Universales los
veremos
en
el
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siguiente
apartado,
otros
motores.
Motores Asíncronos Trifásicos son los más utilizados en la industria y tenemos 2 tipos: De Rotor
Bobinado y en Cortocircuito.
- De Rotor Bobinado: Las bobinas del rotor son similares a las del estator, bobinas normales y
corrientes de cobre o aluminio y con el mismo número de fases, 3 para el trifásico.
- De Rotor en Cortocircuito o Jaula de Ardilla: Casi el 95% de los motores de inducción utilizados
son de tipo jaula de ardilla. Este tipo de rotor consiste en un núcleo laminado cilíndrico con
ranuras paralelas con los conductores del rotor, que no son cables, sino barras de cobre o
aluminio. Las barras de conductores se insertan desde un extremo del rotor y una barra en cada
ranura. Tiene unos anillos que están soldados o están reforzados eléctricamente o incluso
atornillados en ambos extremos del rotor, manteniendo así la continuidad eléctrica. Estos anillos
de los extremos están en cortocircuito y el conjunto parece una jaula para ardillas, de ahí su
nombre.
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Otros Tipos de Motores
Hemos mencionado los motores eléctricos de mayor uso. Existen otros que son utilizados en
casos especializados o domésticos. Entre ellos conviene destacar los siguientes: El motor
universal, el motor paso a paso y el servomotor.
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Motor Universal
Tiene la forma de un motor de corriente continua en conexión serie. La principal diferencia es
que es diseñado para funcionar con corriente alterna y con corriente continua. Se utiliza en los
taladros, aspiradoras, licuadoras, lustradoras, etc. su eficiencia es baja (de orden del 51%), pero
como se utilizan en máquinas de pequeña potencia esta ineficiencia no se considera importante.
Motor Paso a Paso
Básicamente consiste en un motor que tiene como mínimo cuatro bobinas que al ser
energizadas con corriente continua de acuerdo a una secuencia, origina el avance del eje de
acuerdo a ángulos exactos (submúltiplos de 360). Estos motores son muy utilizados en
impresoras, en disqueteras, el sistema de control de posición accionado digitalmente.
El Servomotor
Es muy parecido al de paso a paso. Para saber más sobre este tipo de motor te
recomiendo: Servomotores.
Tipos de Motores Eléctricos Más Utilizados
Los motores trifásicos de inducción se alimentan directamente en corriente alterna, tienen buen
rendimiento, alta estabilidad, fácil conexionado y gracias a la electrónica de potencia
desarrollada actualmente se pueden realizar regulaciones de velocidad y accionamientos muy
precisos. Son las más utilizados en la industria.
En aplicaciones de refrigeración y climatización, estos motores se encargan del accionamiento
de los compresores en los circuitos de fluido, tanto a nivel industrial y comercial (trifásicos),
como doméstico (monofásicos).
Los motores de corriente alternan síncronos debido a sus limitaciones en cuanto a regulación
de velocidad, se utilizan solamente en aplicaciones industriales muy específicas. Una de ellas
son las centrales hidráulicas de bombeo, en donde está máquina síncrona funciona
alternativamente como generador y como motor.
El resto de motores se utilizan en aplicaciones muy concretas y normalmente en bajas potencias.
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TEMA3.- MOTORES MONOFÁSICOS
Los motores monofásicos son utilizados cuando no se dispone de un sistema trifásico
y/o para pequeñas potencias, generalmente se utilizan para potencias menores de 2Kw o 3Kw.
El suministro de corriente alterna (ca) trifásica no siempre está disponible en todas
las instalaciones eléctricas, por ejemplo, en una vivienda el suministro es monofásico (fase +
neutro) a 230V.
Casi todos los frigoríficos y expositores de frío comerciales de los supermercados están
accionados por compresores cuyos motores son monofásicos; lo mismo que las lavadoras
domésticas;
los
portones
de
los
garajes,
etc.
OJO, para pequeños electrodomésticos (batidoras, molinillos, máquinas de afeitar, etc.) la
tendencia es utilizar el motor universal, del que hablaremos en otro capítulo.
Podemos considerar los motores monofásicos como los hermanos pequeños de los motores
trifásicos, puesto que comparten con ellos la sencillez del conexionado y el principio de
funcionamiento; sin embargo no se pueden comparar en rendimiento energético ni en potencia.
Dentro de los motores monofásicos tenemos 3 tipos principales: de fase partida, de fase partida
con arranque por condensador y de espira en cortocircuito o de sombra. Primero veamos cual
es el principio de funcionamiento de estos motores y luego cada uno de los tipos por separado.
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Funcionamiento del Motor Monofásico
Los motores monofásicos. al igual que los trifásicos, están constituidos por un estator donde se
alojan los devanados o bobinas inductoras, y un rotor (inducido) en jaula de ardilla con barras
en cortocircuito.
Muchas cosas sobre los principios de funcionamiento de un motor eléctrico ya las vimos en el
motor eléctrico de forma más desarrollada de lo que lo veremos aquí. Si no entiendes algo te
recomendamos que veas: Motor Eléctrico.
La jaula de ardilla en el rotor son simplemente unas barras de aluminio que están en
cortocircuito mediante unos anillos (unidas por anillos metálicos para ponerlas en
cortocircuitos). Estas barras son conductores eléctricos.
Si al conectar el estator a la corriente o tensión monofásica se creara en él un campo
magnético giratorio, durante su giro este campo magnético iría cortando las barras del estator
(conductores), creándose en ellas una fem (fuerza electromotriz o tensión) según descubrió
Faraday.
Faraday: un campo magnético que corta un conductor produce en el conductor una tensión o
fuerza electromotriz en sus extremos. Si unimos los extremos, por el conductor circulará una
corriente, corriente que será de cortocircuito si no hay receptor entre los dos puntos del
conductor.
Como las barras están en cortocircuito, la fem generada en ellas por el corte del campo
magnético, se transforma en una corriente de cortocircuito por las barras.
A su vez, según descubrió Oersted, esta corriente por los conductores (barras) crea un campo
magnético a su alrededor cuya polaridad depende si la corriente inducida entra o sale por la
chapa o barra (conductor). Si las chapas o barras están unidas en forma de espira, la interacción
del campo giratorio del estator, con el campo magnético inducido en el rotor, crean pares de
fuerza. Estos pares de fuerzas hacen que el rotor gire.
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Resumiendo: Si al conecta el estator tenemos un campo giratorio en el bobinado del estator,
este crea (induce) un campo magnético en el rotor.
Si tenemos un campo magnético estático (en el rotor) dentro de otro campo magnético giratorio
(en el estator), el campo estático del rotor girará siguiendo al campo giratorio del estator. El
rotor girará y ya tenemos funcionando nuestro motor. La velocidad del rotor no puede ser nunca
igual a la del campo giratorio del estator, ya que entonces el campo del rotor no cortaría las
barras del rotor y no se induciría campo magnético en el, por eso son motores asíncronos, las
dos velocidades no están sincronizadas.
Nikola Tesla descubrió que un sistema trifásico o bifásico genera un campo giratorio, pero el
problema es que un sistema monofásico de corriente alterna, como el que alimenta un motor
monofásico, NO genera un campo giratorio, y como vimos, para que nuestro motor
funcione necesitamos generar de alguna manera un campo giratorio en el estator.
Fíjate en la curva Par-Velocidad de un motor monofásico:
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Resulta evidente que el motor no tiene par de arranque y por tanto no podría vencer en vacío
ni sus propios rozamientos. Esto es lógico porque un devanado monofásico recorrido por una
corriente alterna monofásica, no produce el campo giratorio necesario. Necesitamos crear de la
alguna manera un campo bifásico partiendo de uno monofásico para que nuestro motor
monofásico arranque.
Nota: el último punto de la curva sería el funcionamiento en vacío del motor (sin carga). Como
ves no tiene par de arranque, pero gira a una velocidad cercana a la de sincronismo.
Puesto que no hay campo magnético rotacional en el estator, un motor monofásico de
inducción no tiene par de arranque. Sin embargo, si se utilizara una ayuda como algún medio
manual, mecánico auxiliar, u otro, para ponerlo en marcha, el motor empezará a girar en el
sentido en el que es impulsado y aumentará su velocidad hasta acercarse a la de sincronismo
quedando así en condiciones de desarrollar trabajo mecánico sin ninguna ayuda.
Si te fijas en la curva, el motor monofásico solo tiene problemas en el arranque, una vez
arrancado funciona correctamente por sí solo.
El tipo de ayuda que tenga el motor monofásico para su arranque determinará el tipo de motor
que es.
Tipos de Motores Monofásicos
Dentro de los motores monofásicos tenemos 3 tipos principales: de fase partida, de fase partida
con arranque por condensador y de espira en cortocircuito o de sombra.
Motor Monofásico de Fase Partida
¿Cómo producir un campo giratorio a partir de una red monofásica? La respuesta es obtener un
campo bifásico a partir de 2 devanados desfasados en el espacio y recorridos por corrientes
también desfasadas.
Recuerda Devanado = Bobinado = Bobina (espiras) de cobre.
Estos dos devanados se conectan en paralelo entre si, el voltaje de línea se aplica a ambos al
arrancar el motor. Los dos devanados difieren entre si, física y eléctricamente.
Estos devanados se llaman:
- Devanado Auxiliar o de arranque (START): desplazado físicamente 90º del principal y ocupa 1/3
de las ranuras (ver imagen de más abajo). Además se lo construye de conductor más fino y suele
tener diferente cantidad de vueltas. Así se le otorga una impedancia diferente al del devanado
principal por lo que la su corriente está desfasada. El devanado de arranque tiene menos vueltas
y consiste en alambre de cobre de menor diámetro que el devanado de marcha. Por lo tanto, el
devanado de arranque tiene alta resistencia y baja reactancia. Se denomina Z1 y Z2 las
conexiones de este devanado en la caja de bornes y está desfasado normalmente 90º
físicamente. El desfase eléctrico no suele superar los 30º.
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- Devanado Principal o de funcionamiento (RUN): ocupa 2/3 de las ranuras con más vueltas de
alambre más grueso, tiene baja resistencia y alta reactancia; pero debido a su impedancia total
menor, la corriente en el devanado principal es en general mayor que la correspondiente en el
devanado de arranque. Se denominan U1 y U2 las conexiones de este devanado en la caja de
bornes.
Al sumar los campos principales y auxiliar se tiene un vector giratorio que describe una elipse.
No es un campo rotante de magnitud constante, pero alcanza para impulsar por sí sólo al rotor
en el arranque. Se recurre a un interruptor centrífugo que desconecta el circuito o devanado
auxiliar una vez que el rotor alcanza aproximadamente el 70% de la velocidad asignada. Este
sistema se aplica en potencias entre 50W y 500W.
El motor de fase partida no suele tener un ángulo de desfase eléctrico muy grande, no suele
superar los 30º, por eso el par de arranque no suele ser muy grande. Normalmente se utiliza el
de fase partida con condensador para desfasar los dos devanados 90º uno respecto del otro.
La curva solo de fase partida sería la misma que ves a continuación, pero un poco más baja
porque estaria menos desfasada la fase partida sola que con condensador.
Motor de Fase Partida con Arranque por Condensador
Los devanados se conectan en paralelo. Si te fijas en el dibujo siguiente es fácil ver como
conseguimos que estén desfasado 90º en el espacio y eléctricamente y mejorar por lo tanto el
par de arranque. Antes ya pudiste ver la curva de fase partida con condensador.
Para desfasarlos 90º eléctricamente utilizamos un condensador en serie, que ya sabes que
desfasa 90º la corriente de la fase normal a la que se conecta en serie con ella. Es un simple
circuito en alterna del tipo RC. Puedes ver estos circuitos con más detalle explicados si te interesa
en el siguiente enlace: Circuitos de Corriente Alterna.
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Nota: Los bornes se nombran con U1 y U2 los principales y con Z1 y Z2 los auxiliares.
Antiguamente U-V y Z-W.
Si te fijas en el motor de la imagen de arriba tiene un interruptor centrífugo. Este interruptor
centrífugo desconecta el devanado auxiliar y el condensador una vez que el motor llega a una
determinada velocidad (sobre el 80% de la nominal), ya que no son necesarios.
Te planteamos un pequeño ejercicio: ¿Serías capaz de dibujar los conductores o el cableado para
el motor de la imagen de arriba donde vienen los bornes de cada parte del motor?
En aplicaciones más exigentes, el condensador de arranque deberá tener más capacidad para
que el par de arranque sea el suficiente. Esto se puede conseguir con dos condensadores:
- Un condensador permanente siempre conectado en serie con el devanado auxiliar.
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- Un condensador de arranque, conectando en paralelo con el permanente en el momento del
arranque, para aumentar la capacidad, y que luego será desconectado.
La secuencia de funcionamiento es la siguiente:
1. Se produce el arranque (punto 0) con ambos condensadores en paralelo (se suman las
capacidades)
obteniendo
alto
par
de
arranque.
2. Cerca del punto de funcionamiento del motor, se elimina el condensador de arranque (punto
3. El motor evoluciona hasta el punto 2 sólo con el condensador permanente.
Ya vimos que para la desconexión se puede utilizar un interruptor centrífugo, pero en el
esquema de los 2 condensadores utilizamos otro elemento diferente llamado Relé de
Intensidad.
En los relés de intensidad (típicos de compresores de frío), la bobina del relé se conecta en serie
con el devanado principal. Cuando la intensidad se aproxima a la nominal (un 80 %
aproximadamente), significa que el motor ya esta lanzado y el contacto del relé se abre
desconectando el condensador de Arranque (CA).
Se pueden utilizar los dos sistemas, interruptor centrífugo o relé de intensidad, los dos son igual
de válidos.
El devanado auxiliar puede estar +90º (adelantado) o -90º (retrasado) respeto al principal,
depende de la conexión de este devanado. Si está a +90º girará en un sentido y si está a -90º en
el sentido contrario, por lo tanto, para cambiar el sentido de giro de un motor monofásico de
fase partida bastará con cambiar las conexiones del devanado auxiliar.
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Esto se puede realizar fácilmente en la caja de conexiones o bornes que viene de serie con el
motor. U1 y U2 son el devanado principal, Z1 y Z2 el auxiliar. A veces hay otro borne que sería
para la toma de tierra. Incluso a veces hay 6 bornes en el que uno se deja sin conectar o es para
conectar otro condensador.
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En virtud de su mayor par de arranque, los motores de fase partida y arranque por capacitor se
emplean para bombas, compresores, unidades de refrigeración, acondicionadores de aire y
lavadoras grandes, en los que se necesita un motor monofásico que desarrolla alto par de
arranque bajo carga y cuando se requiere un motor reversible.
Motor Monofásico de Espira en Cortocircuito o Espira de Sombra
Son motores de muy pequeña potencia, normalmente inferiores a 300w por lo que su uso es
muy limitado. Se usa donde los requisitos de potencia son pequeños, como relojes, secadores
de pelo, ventiladores pequeños, etc.
Este motor puede arrancarse directamente por si solo, lo que se consigue por el efecto que
producen las llamadas espiras en cortocircuito o de arranque o incluso espira de sombra, que
son simples aros de cobre en cortocircuito. El sistema consiste en dividir los polos del estator en
dos partes desiguales y en una de esas partes colocar una espira en cortocircuito, también
llamada espira de sombra. Estos motores son todos de polos salientes en el estator y con el rotor
en jaula de ardilla.
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La interacción entre el campo magnético pulsante principal y los campos creados por las
corrientes inducidas en las espiras de sombra, produce un débil y deformado campo giratorio,
capaz de producir un pequeño par de arranque en el motor, arrancando por si solo. La diferencia
entre el campo principal y el inducido en la espira en cortocircuito no llega al 90º, pero es
suficiente para crear ese pequeño par de arranque.
Circuitos y Esquemas de Arranque de un Motor Monofásico
Para alimentar un motor monofásico se deben de tener en cuenta que hay que poner elementos
de protección en el circuito, por ejemplo un interruptor magnetotérmico omnipolar y por
ejemplo un relé térmico de sobrecarga que evite el calentamiento excesivo del motor.
Los circuitos de motores se hacen con contactores para el arranque y el control del motor. El
relé térmico suele ir incrustado en el contactor.
Los circuitos de motores se dividen en dos, el de fuerza o potencia y el de mando y señalización.
Este último también se puede llamar de control.
En el circuito de control se manejan regularmente bajos niveles de corrientes y voltajes (señales)
en el de fuerza o potencia a la inversa, se manejan altos niveles de corrientes y voltajes.
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Los circuitos de control y de señalización, se utilizan los símbolos correspondientes a los mandos
de control de contactores, relés y otros aparatos controlados eléctricamente. Se representa la
lógica del funcionamiento de la instalación o automatismo.
El Circuito de Fuerza es donde se hacen las conexiones para lograr encender el motor eléctrico.
Para motores no muy grandes se podría hacer la inversión de giro con un simple conmutador.
¿Como Identificar el bobinado principal del auxiliar si no lo sabemos?
Muy fácil, si tienen continuidad dos bornes o cables son un bobinado. De los dos que tendremos,
el que tenga más resistencia será el principal y que tenga menos el auxiliar.
Velocidad de los Motores Monofásicos
La velocidad en los motores de inducción monofásicos o trifásicos, depende del número de polos
y la frecuencia de la corriente alterna.
A mayor frecuencia de la corriente alterna, será mayor la velocidad; y mayor número de polos,
menor será la velocidad. Siendo así que el motor de mayor velocidad será el de 2 polos. En
Europa la frecuencia de la corriente monofásica de suministro es de 50 Hz (hertzios) y en
América suele ser de 60Hz. La fórmula es la siguiente:
Las velocidades normales de estos motores a 50Hz oscila entre 1.500rpm y 3000 r.p.m.,
dependiendo si el motor es de 2 ó 4 polos, teniendo unas tensiones normalmente de 230 V entre
fase y neutro. Esta velocidad es la de sincronismo (la del campo giratorio del estator), por eso la
velocidad real del rotor es un poco mas pequeña, recuerda que son motores asíncronos y hay
un resbalamiento debido a la carga que se pierde, más o menos del 3%.
Como el número de polos del motor no se puede cambiar, si queremos regular la velocidad de
un motor monofásico debemos cambiar de alguna forma la frecuencia del sistema monofásico
que le alimenta o bien cambiar el deslizamiento, son las únicas dos formas. Existen en el
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mercado
variadores
de
frecuencia
especiales
para
motores
monofásicos.
Otra solución es colocar poleas entre el rotor y otros ejes para aumentar o disminuir la
velocidad, pero las potencias finales variarán mucho con respecto a lo del motor.
¿Por qué depende del Número de Polos la Velocidad?
El principio es que en un motor de 2 polos, al recibir un medio ciclo de la corriente alterna, forma
una atracción que lo obliga a dar media vuelta para recorrer el espacio que ocupa un polo, y al
llegar el otro medio ciclo recorrerá el otro polo, completando una vuelta por cada ciclo.
Si la corriente alterna es de 50 ciclos por segundo, el motor dará 50 vueltas por segundo (3000
revoluciones por minuto), en un motor de 4 polos con un ciclo, dará sólo media vuelta, porque
los polos ocupan la cuarta parte del estator, que necesitará 4 medios ciclos para dar una vuelta.
La relación que existe, lo da la formula anterior.
Tipos de Corriente en los Motores
L os motores eléctricos pueden tener distintos tipos de corriente o intensidades, que
fundamentalmente son: corriente nominal, corriente de vacío, corriente de arranque y corriente
a rotor bloqueado.
- Corriente nominal: En un motor, el valor de la corriente nominal es la cantidad de corriente
que consumirá el motor en condiciones normales de operación.
- Corriente de vacío: Es la corriente que consumirá el motor cuando no se encuentre operando
con carga y es aproximadamente del 20% al 30% de su corriente nominal.
- Corriente de arranque: Todos los motores eléctricos para operar consumen un excedente de
corriente, mayor que su corriente nominal, que es aproximadamente de dos a ocho veces
superior.
- Corriente a rotor bloqueado: Es la corriente máxima que soportara el motor cuando su rotor
esté totalmente detenido.
Rendimiento de un motor
Entendemos como rendimiento de un motor el cociente entre su potencia útil o desarrollada en
el eje (este dato lo proporciona el fabricante mediante la placa de características del motor) y la
potencia total o absorbida de la red, el resultado nos lo da en tanto por uno, que si multiplicamos
por 100 nos dará el resultado en tanto por ciento.
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Potencias en los Motores Monofásicos
La tensión y la intensidad en corriente alterna pueden tener un desfase . Este desfase viene dado
por la impedancia del circuito (inductiva, reactiva o capacitiva). Por lo tanto la potencia
absorbida por un motor en corriente alterna viene dada por la expresión:
Pactiva=V x I x cos
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¿Por Qué No arrancan Por sí solos los Motores Monofásicos?
Si en el estator situamos un bobinado monofásico y lo sometemos a una tensión alterna senoidal
(monofásica), el campo magnético que se obtiene es un campo alternativo y fijo, es decir,
cambia de polaridad con la frecuencia de forma alternativa, aumentando y disminuyendo en
cada polaridad de forma parecida a la intensidad de la corriente en alterna (onda senoidal). Todo
esto lo hace siempre sobre el mismo eje, por lo que no es un campo magnético giratorio.
Este campo del estator, conectado a fase y neutro (monofásica), aunque no sea giratorio, si que
cortan sus línea de campo las barras del rotor y se produce una fuerza electromotriz en ellas,
que al estar en cortocircuito aparecen una corrientes de cortocircuito por las barras del rotor y
por lo tanto se genera alrededor de las barras un campo magnético con un par de fuerzas en el
rotor.
El problema es que el par de fuerzas que se crea es un par de fuerzas una vez en un sentido y
otro vez en el sentido contrario (cuando cambia de polaridad la corriente en el estator),
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impidiendo así el giro del rotor. No tiene par de arranque ya que ambos pares se anulan.
En estas condiciones, si empujamos el rotor manualmente en uno de los dos sentidos,
conseguimos desplazar el eje del campo magnético del rotor y el motor comenzará a girar por
si solo hasta alcanzar su velocidad nominal. El motor permanecerá girando en el mismo sentido
en el que se impulsó inicialmente hasta que se desconecte de la corriente.
Puesto que no hay campo magnético rotacional en el estator, un motor monofásico de
inducción no tiene par de arranque. Sin embargo, si se utilizara algún medio manual, mecánico
auxiliar, u otro, para ponerlo en marcha, el motor empezará a girar en el sentido en el que es
impulsado y aumentará su velocidad hasta acercarse a la de sincronismo quedando así en
condiciones de desarrollar trabajo mecánico por si solo, o lo que es lo mismo, puede girar sin la
necesidad de la ayuda inicial.
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TEMA 4.- EL MOTOR TRIFASICO
Los Motores Eléctricos Trifásicos son motores diseñados para trabajar con corriente alterna (ca)
trifásica, corriente utilizada en muchas aplicaciones industriales. El motor trifásico más utilizado
es el motor asíncrono trifásico de inducción que funciona gracias a los fenómenos de inducción
electromagnética, que relacionan la electricidad con el magnetismos y que luego veremos. Son
los más utilizados en la industria por su sencillez, robustez y fácil mantenimiento.
Antes de ver su funcionamiento hagamos un resumen de la corriente alterna trifásica que
utilizan y del campo magnético.
Corriente Trifásica
A diferencia de los sistemas monofásicos de C.A., que utilizan dos conductores eléctricos (Fase
y Neutro) para su distribución y consumo, los sistemas trifásicos utilizan tres o cuatro
conductores. 3 Fases o 3 Fases + Neutro. Al trabajar con 3 fases y el neutro podemos obtener 2
tensiones diferentes, normalmente 230V entre fase y neutro y 400V entre dos fases.
La tensión entre 2 fases es siempre la raíz de 3 veces superior a la de una fase con el neutro:
400/230=√3
La tensión más elevada se suele utilizar en la industria y para los motores, y la más baja para
uso doméstico y alumbrado.
El generador que produce la corriente trifásica se llama alternador y genera 3 fuerzas
electromotrices (fem = tensiones) en cada fase con los siguientes valores instantáneos:
e1=E máxima x senot
e2=E máxima x seno(t-120º)
e3=E máxima x seno(t-240º)
¿Qué significa esto? Pues que los valores de las 3 tensiones (una de cada fase) están desfasadas
120º una respecto a la otra en el tiempo. A las 3 intensidades les pasa lo mismo. Fíjate en la
gráfica como sería:
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Si quieres saber más sobre la corriente alterna visita: Circuitos de Corriente Alterna.
Ventajas del Uso de Corriente Alterna Trifásica
- La primera ventaja es la posibilidad de utilizar 2 tensiones diferentes, de la que ya hablamos
antes.
- Tanto los alternadores como los transformadores y motores de C.A. trifásicos poseen un
mayor rendimiento y, por lo general, son mucho más sencillos y económicos que los
monofásicos. Esto se aprecia fundamentalmente en los motores trifásicos de inducción, los más
utilizados en el sector industrial y los que vamos a estudiar en esta página. Este motor posee
unas características mucho mejores que el motor monofásico, como: par de arranque
muchísimo más fuerte, mejor
rendimiento y mejor factor de
potencia.
- Los sistemas trifásicos consiguen transportar la energía eléctrica con un ahorro considerable
en la sección de los conductores.
Todas estas ventajas hacen que en la actualidad toda la energía eléctrica se produzca,
transporte, distribuya y consuma sea en forma de C.A. alterna trifásica.
Campo magnético
Un campo magnético es una región del espacio donde existen fuerzas magnéticas, fuerzas que
atraen o repelen metales. También se puede definir como la región del espacio donde existe
magnetismo (fuerzas magnéticas). Un imán por ejemplo tiene a su alrededor un espacio donde
si colocamos una sustancia metálica, esta se verá atraída por el imán. El campo lo podemos
representar
por
líneas
que
llamaremos
líneas
del
campo
magnético.
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La fuerza con la que es atraída la sustancia magnética al soltarla dentro del campo magnético
dependen de la fuerza que tenga el imán y de la región del campo donde la coloquemos. No será
igual la fuerza de atracción cerca del imán que en el borde del campo magnético.
Pero un campo magnético no solo lo crea un imán. Un conductor al que le atraviesa una
corriente genera alrededor de el un campo magnético, igual al de un imán. Si el conductor lo
enrollamos en forma de espira (bobina), el campo magnético será mayor, y si además estas
espiras están enrolladas alrededor de un metal (electroimán) será todavía mayor el campo
magnético. Estos campos son campos magnéticos generados por medo de la electricidad.
También hay que recordar que los generadores de campos magnéticos (y el propio
campo) tienen 2 polos, uno positivo y otro negativo y si juntamos dos campos magnéticos
iguales (del mismo polo) los campos generan una fuerza de repulsión, pero si los polos de los
campos son opuestos se genera una fuerza de atracción entre los campos. En un conductor al
que le atraviesa una corriente, los polos del campo generado dependen del sentido en el que
entre y salga la corriente por el conductor. Luego veremos más sobre esto.
Imanes con polos iguales se repelen, de polos opuestos se atraen.
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Con estos conocimientos ya estamos preparados para entender el motor eléctrico trifásico. Si
quieres saber más sobre esto te recomendamos este enlace: Campo Magnético.
Funcionamiento de Un Motor Trifásico
Un motor asíncrono trifásico consta de 2 partes principales (fíjate en la imagen de más abajo):
- Parte Fija o Estator: Es la parte fija del motor. Está constituido por una carcasa en la que está
fijada una corona de chapas de acero al silicio provistas de unas ranuras. Las espiras de los
bobinados están dispuestas en dichas ranuras formando electroimanes y en tantos circuitos
como fases tenga la red a la que se conectará la máquina. En nuestro caso, los motores trifásicos,
3 bobinas y circuitos diferentes (un circuito por bobina). Esta parte, los electroimanes que
forman el estator, es la que creará el campo magnético giratorio como luego veremos, por eso
también se llama Inductor, ya que inducirá una corriente en la otra parte, o lo que es lo mismo
inducirá el movimiento, como más adelante explicaremos.
- Parte Móvil o Rotor: Es la parte móvil del motor. Este situado en el interior del estator y consiste
en un núcleo de chapas de acero al silicio apiladas que forman un cilindro, o de un bobinado
eléctrico dependiendo del tipo de roto, Rotor de jaula de ardilla o Rotor bobinado. También se
llama inducido porque es donde se inducirán las tensiones, corrientes y por lo tanto el
movimiento de nuestro motor.
El rotor en jaula de ardilla, el más utilizado, es un rotor con una serie de barras de aluminio o
cobre (conductores) a su alrededor y unidas en cortocircuito por dos anillos en sus extremos. El
de rotor bobinado es un rotor con bobinas a su alrededor.
El campo magnético (las líneas del campo magnético) giratorio trifásico del estator cortará las
varillas o chapas del rotor, en estas se induce una fuerza electromotriz (tensión) que al estar en
cortocircuito se genera una corriente por ellas, corriente inducida que genera un campo que
seguirá al del estator girando el rotor. Pero…¿Por qué? Para entenderlo tenemos que estudiar 3
descubrimientos de 3 grandes físicos.
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Faraday descubrió que un conductor eléctrico moviéndose dentro de un campo magnético
(imán) generaba una tensión o diferencial de potencial (d.d.p) entre sus dos extremos (igual que
la pila tiene tensión entre sus dos extremos). Como este voltaje es un voltaje inducido se le llama
fuerza electromotriz (fem), en lugar de tensión. Si unimos los extremos, por ejemplo en
cortocircuito o con una bombilla, circulará una corriente por el conductor.
Mientras al mover el conductor cortemos líneas del campo magnético del imán se mantendrá
en los extremos del conductor una fem si el circuito está abierto. Si cerramos el circuito (por
ejemplo, conectamos una lámpara al conductor) la fem producirá una corriente por el
conductor.
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Esta tensión generada en la espira al ser inducida se conoce como fuerza electromotriz
inducida (fem), pero simplemente es una tensión entre dos puntos. Si cortocircuitamos las
espiras, se generará por la espira una corriente inducida (corriente de cortocircuito).
Nikola Tesla descubrió que una corriente alterna trifásica genera un campo magnético
giratorio al circular la corriente de cada una de las 3 fases por una bobina de un electroimán
diferente (imán con bobina enrollada = electroimán). Fíjate en la siguiente animación:
Cuando la corriente es de valor 0 no hay campo en esa fase, luego va aumentando y cada medio
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ciclo de la onda el campo cambia de sentido. Vamos a ver 3 puntos muy concretos:
En el momento o punto 1, habrá 3 campos creados, dos negativos creados por L2 y L3 y uno
positivo creado por L1 y que al tener la corriente el valor máximo será el campo máximo que
puede crear L1. La suma vectorial de los 3 campos nos da el vector de color negro dentro del
motor.
En el punto 2 ahora será L2 la que crea el campo máximo y los otros dos serán negativos. La
suma de los 3 dan como resultado el vector en esa posición. Se puede comprobar como ha
girado.
En la posición 3 el máximo campo lo crea L3 y los otros dos son negativos. El vector del campo
y el campo sigue girando.
Ya tenemos nuestro campo giratorio creado por las corrientes trifásicas. Si quieres ver otra
animación aquí tienes otra muy buena: Campo Giratorio.
En nuestro motor el campo magnético generado en el estator está en movimiento y sus líneas
de campo magnético cortarán las chapas metálicas (conductores) del rotor en jaula de ardilla
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generando entre ellas una fem, pero que al estar en cortocircuito lo que se generará será una
corriente inducida que circulará por las chapas del rotor.
También sabemos que Oersted demostró que si un conductor por el que circula una corriente
eléctrica se encuentra dentro de un campo magnético y sus líneas de campo cortan al conductor,
el conductor se desplaza perpendicularmente al campo magnético, es decir se crea una fuerza
en el conductor que hace que este se mueva.
Una corriente por conductor + campo magnético = movimiento del conductor.
Realmente la corriente que circula por el conductor lo que hace es crear a su alrededor un
campo magnético, como descubrió Oersted, y al interactuar el campo del imán con el campo
creado en el conductor, se produce su movimiento (sería como si fueran 2 imanes). Recuerda
dos imanen enfrentados = fuerza de atracción o repulsión. Según el sentido de la corriente por
el conductor (entre o salga) el campo creado tendrá una polaridad o la contraria, por ese motivo,
los campos se atraerán o repelerán, haciendo que el conductor se mueva un sentido o en
otro (depende
del
sentido
de
la
corriente
por
el
conductor).
Si el conductor en lugar de ser un único conductor fuera una espira, sobre la espira se crearían 2
fuerzas de sentido contrario (par de fuerzas), porque por un lado de la espira la corriente tiene
un sentido (entra) y por el otro lado tiene sentido contrario (sale) a la del otro lado de la
espira, haciendo que la espira gire. El par de fuerzas genera un Momento o Par que produce el
giro de la espira.
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¿Por qué Gira un Motor Trifásico?
En nuestro motor trifásico tenemos un estator con un campo magnético giratorio (según Tesla),
que corta unos conductores o chapas del rotor por los que se genera una tensión inducida
llamada fem (Faraday) y que al estar estos conductores o chapas en cortocircuito se produce
por ellos la circulación de una corriente inducida y se crea a su alrededor un campo magnético.
Como por las chapas del rotor (conductores) circula una corriente, se crea en ellas campos
magnéticos inducidos y estos campos crean pares de fuerza en el rotor (Oersted) que hace que
¡¡¡El Rotor se Mueva o Gire!!! (Oersted). Ya tenemos nuestro motor trifásico funcionando.
El campo magnético creado en el rotor seguirá al del estator, pero nunca logrará alcanzarlo, ya
que es ese caso las líneas del campo del estator no cortarían las chapas del rotor y no se
produciría corriente inducida. Por eso se llaman "motores asíncronos", la velocidad del rotor y
la del campo del estator no están sincronizadas. Además, se llama motor de inducción porque
el estator induce una corriente en el rotor para que funcione. "Motor Asíncrono Trifásico de
Inducción".
La corriente inducida por las chapas del rotor lo que realmente crean es un campo magnético a
su alrededor, campo que se moverá girando para seguir al campo giratorio del estator trifásico.
Es como si tuviéramos dos imanes.
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Fíjate como gira el rotor de la siguiente animación cuando alimentamos con corriente trifásica
el estator. Aunque en la animación se vea el rotor como un imán, en la realidad es un rotor de
jaula de ardilla, pero que como ya vimos se crea en el un campo magnético, con lo que se
convierte en un imán.
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Se define el deslizamiento de un motor asíncrono como la diferencia de estas velocidades
expresada en tantos por ciento:
S=[(ns-n)/ns]x100
S=deslizamiento en tanto por ciento %.
ns = velocidad síncrona del campo magnético del estator.
n = velocidad del rotor.
Un motor asíncrono trifásico de rotor en cortocircuito posee una velocidad síncrona de 3.000
r.p.m. ¿Cuál será el deslizamiento del rotor a plena carga si se mide con un tacómetro una
velocidad de 2.850 r.p.m.?
S=[3000-2850/3000]=5%.
El estator de un motor asíncrono trifásico se construye de tal forma que se alojan tres bobinas
desfasadas entre sí 120º. Cada una de estas bobinas se conecta a cada una de las fases de un
sistema trifásico, por lo que por cada una de ellas circularán las corrientes instantáneas i 1 , i2 e
i3.
Cuando aumenta la carga en el rotor del motor, la velocidad del rotor decrece, con lo que
aumenta el deslizamiento. Esto provoca que el flujo del estator corte las barras de rotor a mayor
velocidad, y por consiguiente se incrementa mucho la intensidad en el rotor y el "par motor"
para vencer el "par resistente" de la carga. Esto es lo que ocurre por ejemplo en el arranque de
los motores, en los que podemos llegar a tener intensidades absorbidas por el motor 7 veces
mayores que una vez en marcha el motor.
La velocidad del rotor no disminuye mucho cuando aumenta la carga, es decir los deslizamientos
de los motores trifásicos no suelen ser muy grandes.
La velocidad síncrona del campo giratorio depende del número de polos con el que se
construyan los devanados en el estator y de la frecuencia de la red a la que se conecte (En España
50Hz en América 60Hz):
ns=(60xf)/p
ns = velocidad síncrona del campo giratorio del estator.
f = Frecuencia de la red trifásica en Hertzios (Hz).
p = Número de pares de polos del estator. El mínimo sería 1 par de polos (Norte-Sur). Más
adelante veremos la diferencia entre un motor de 1 par de polos y de 2 pares de polos.
Por ejemplo, si se tiene una máquina de 1 par de polos (2 polos) trabajar a 3.000rpm a 50Hz, de
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2 pares de polos (4 polos) la máquina girará a 1.500 revoluciones por minuto, si fuera de 3 pares
de polos sería de 1000rpm y si fuera de 4 pares de polos sería de 750rpm. Los polos tienen que
ver con el número de bobinas que tenemos por cada fase en el bobinado del estator. Más abajo
en el bobinado de los motores lo puedes ver.
Normalmente sabiendo la velocidad del motor, que viene en la placa de características, lo que
hacemos es averiguar el número de polos del motor.
La potencia absorbida (o nominal) de un motor, la que viene en la placa de características,
es Pabs = √3 x Vn x In x cos , pero esta potencia no se transmite por completo en el eje del
motor porque los motores tienen pérdidas. Las perdidas principales son:
- Pérdidas en el Cobre, debidas a la resistencia de los bobinados.
- Pérdidas en el hierro, debidas a la histéresis y a las corrientes parásitas o de Foucault.
- Pérdidas mecánicas, debidas a los elementos giratorios por rozamientos.
El rendimiento (η) de un motor es:
η=(P útil/P absorbida)x100; en tanto por ciento.
La potencia útil`, si ponemos el rendimiento en número, no en porcentaje (por ejemplo,
rendimiento de 0,87, en lugar del 87%) será:
Pu=η x Pabsorbida=ηx√3xVnxInxcos;
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Recuerda 1CV = 736 vatios (w), en muchos problemas viene la potencia expresada en caballos
de vapor.
Arranque, Aceleración y Carga del Motor Trifásico
Cuando el motor pasa de funcionar en vacío a arrastrar una carga mecánica, el rotor tiende a
frenarse por el par resistente que produce la carga contraria al giro del rotor. Esto hace que el
movimiento relativo del campo magnético giratorio respecto a los conductores del rotor
aumente, lo que produce un aumento de la f.e.m. y de la corriente inducida en los conductores
o chapas del rotor. Dado que el par de fuerzas que se desarrolla en el rotor o par motor depende
de esta corriente, se produce un aumento de dicho par que tiende a equilibrar el par resistente
con el par motor. De aquí se entiende que según aumenta la carga en el motor, también
aumente el deslizamiento y el par motor.
La característica del motor nos indica la relación entre el par del motor y su velocidad. El par que
desarrolla un motor de inducción está íntimamente relacionado con la velocidad del rotor. Dado
que su relación matemática resulta un poco complicada, por lo general, esta relación se expresa
gráficamente mediante una curva característica de par-velocidad.
La curva del motor par-velocidad nos determina su funcionamiento. Por ejemplo, a
continuación, podemos ver la curva de un motor con el par motor (Mm) y el par resistente
(Mi)en función de su velocidad (n).
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En esta representación gráfica se ha trazado la evolución del par motor, así como la evolución
del par resistente al que se lo somete al motor. Este par resistente podría corresponder, por
ejemplo, al transmitido por un eje al que se le ha acoplado un montacargas.
Funcionamiento Nominal= funcionamiento del motor en condiciones normales de operación
para el que fue diseñado, es decir donde trabaja normalmente. El par nominal, la intensidad
nominal, la velocidad nominal, etc. serán valores en ese punto. Los motores en el arranque
tienen condiciones de arranque diferentes hasta que se estabiliza y funciona en su estado
normal, o nominal. El par nominal, nos da la potencia nominal y la intensidad nominal o
viceversa.
Par nominal = Mn = Pu / w; potencia útil partido por la velocidad angular en radianes/segundo;
=(2π/60) x Velocidad Nominal en rpm (n)
Mn=(Pux60)/(2πxn)=Newton x metros
En la curva mostrada como ejemplo se puede observar que en el momento del arranque del
motor (n = 0rpm) se obtiene un par de arranque 1,5 veces mayor que su par nominal (Mn). Si
hacemos que este motor arrastre una carga que origine un par resistente Mi, el motor adaptará
su velocidad hasta conseguir desarrollar un par motor Mn que consiga arrastrar la carga
mecánica.
Esto se consigue a la velocidad "n" nominal. En el caso de que aplicásemos un par resistente
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mayor, la velocidad disminuiría hasta que se alcanzara el equilibrio entre el par motor y el par
resistente. En el caso de que el par resistente fuese mayor que el par máximo que puede
desarrollar el motor (en nuestro ejemplo: Mmáx = 2,5Mn) el motor se pararía.
Ejercicio: Un motor asíncrono trifásico posee las siguientes características: potencia eléctrica
absorbida de la red 8 kW; 400 V; 50 Hz; cos de fi 0,85; rendimiento del 93%; pares de polos del
devanado estatórico 2; deslizamiento a plena carga del 4%. Calcular el par de rotación del rotor.
¿Cuál sería el par de arranque y el par máximo de este motor si su característica mecánica es la
que se muestra en la figura siguiente?
La mayoría de las características de los motores eléctricos se suele expresar en la propia placa
de características del motor, tal como tensiones, potencia, frecuencia, velocidad, nivel de
protección, clase de aislamiento, factor de potencia, tipo de servicio, etc.
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La Intensidad Nominal del Motor se puede obtener de la potencia nominal o absorbida (son la
misma):
Pn = √3 x η x Vn x In x cos; donde η es el rendimiento del motor a plena carga.
Ejercicio: Se desea conectar a una red trifásica de 400V un motor trifásico de inducción de
230/400V, 50Hz y 22Kw de potencia nominal, rendimiento a plena carga del 91,7% (0,917),
factor de potencia 0,88 y 2.945rpm de velocidad nominal. ¿Qué intensidad absorberá de la
linea?
solución: 39,35 A
Si queremos obtener otros datos, como el comportamiento en servicio a diferentes regímenes
de carga, tendremos que recurrir a las características que se facilitan en las informaciones
técnicas
que
proporcionan
los
propios
fabricantes
de
los
motores.
En la Tabla 20.1 se muestran, a modo de ejemplo, las características técnicas de una gama de
motores asíncronos trifásicos comerciales con rotor en cortocircuito de un par de polos y 50 Hz.
Debajo tenemos una comprobación para ver si los datos de intensidad son correctos.
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Conexiones de los Bobinados del Estator en un Motor Trifásico
El devanado o bobinado trifásico del estator de un motor asíncrono son las bobinas donde se
conectará cada fase. Las bobinas están distribuidas en 3 fases y se distribuyen en las ranuras del
interior de la circunferencia del estator.
Cada una de las 3 bobinas del estátor tienen dos mitades colocadas en posiciones diagonalmente
opuestas respecto al estator. Cada mitad creará un polo del campo magnético (norte y sur).
Las bobinas están desfasadas 120º entre si. El sentido de arrollamiento de las bobinas es tal que,
cuando la corriente pasa a través de ellas, se induce un campo magnético a través del rotor. En
este caso cada bobina tiene 2 polos, con lo que el motor será bipolar.
Todas las bobinas que se conectan a la misma fase están unidas en serie formando una única
bobina o bobinado, con un principio y un final. Como tenemos 3 fases, tenemos 3 principios y 3
finales, en total 6 extremos, terminales o bornes para conectar. Incluso si las bobinas de una
misma fase estuvieran conectadas en paralelo (algunas veces puede ser así) también tendríamos
3 principios y 3 finales.
Fíjate en la siguiente imagen. Tienes un bobinado de un motor de 2 pares de polos y después
conexiones de las bobinas en estrella y en triángulo.
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Los terminales también se suelen llamar U1-V1-W1 los principios de los bobinados y U2-V2-W2
los finales.
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Bobinado de los Motores Trifásicos: No vamos a explicar demasiado sobre este tema ya que es
un aspecto constructivo y poco nos interesa. Simplemente te dejamos un esquema de como
sería el bobinado de un estator de 36 en cada ranura iría una bobina y las bobinas irían unidas
según el esquema. El número de polos resultante sería de 2 pares de polos o 4 polos en total.
Como puedes observar tenemos 2 formas diferentes de conectar los extremos de las bobinas
del estator llamadas Conexión Estrella y Conexión Triángulo.
Pero...¿Cuál es la diferencia eléctrica entre una y otra?
Recuerda: Tensión de fase: es la tensión entre una fase y el neutro. Tensión de línea: es la
tensión que existe entre dos fases. La VL = √3 x Vf. Si la de fase es 230, la de línea es de 400V.
Al conectar las bobinas del motor en triángulo, las bobinas quedan alimentadas a la misma
tensión que la red de alimentación. Si es una alimentación trifásica de 400V (V línea), las bobinas
del motor quedan sometidas a esa misma tensión 400V.
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Al conectar las mismas bobinas en estrella, al tener un punto neutro en el centro que une todos
los finales de las bobinas, quedan sometidas a la misma tensión que entre fase y neutro de la
red,
Vf=VL/√3,
que
si
Vf
es
400V
quedan
sometidas
a
230V.
Como puedes observar tenemos que tener en cuenta la tensión de alimentación para
conectarlo en estrella o en triángulo.
Por ejemplo, un motor que sus bobinas trabajan a 400V en su funcionamiento normal (nominal),
si lo queremos conectar a una alimentación trifásica de 400V podemos hacerlo en triángulo
perfectamente. En estrella también, pero trabajarían a menor tensión de la de trabajo,
trabajarían las bobinas a 230V.
Si ahora es un motor que sus bobinas trabajan a 230V, si lo queremos conectar a una
alimentación de 400V solo podríamos conectarlo en estrella, en triángulo quemaríamos las
bobinas. ¡¡¡Mucho cuidado con esto!!!.
Pero ¿Cómo sabemos la tensión de trabajo de las bobinas de un motor? Esta tensión viene en
la placa de características. Suele venir expresada de la siguiente manera:
220V/400 --> significa que se puede conectar en estrella a 400V y en triángulo a 220V. La tensión
normal de trabajo y máxima que aguantan las bobinas siempre es la que marca en triángulo, en
este caso 220V. Nunca podemos superar esta tensión en las bobinas del motor.
Si este motor lo queremos conectar a una red trifásica de 400V entre fases. ¿Cómo lo
deberíamos conectar? Lógicamente en estrella, en triángulo quemaríamos las bobinas, ya que
se quedarían a 400V.
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¡¡¡Siempre mirar cómo están las conexiones de las bobinas antes de hacer un arranque de un
motor trifásico!!!
Normalmente los motores suelen ser de 400V/690V, porque las redes trifásicas son de 400V y
por lo tanto lo puedo conectar en triángulo a las 3 fases y en estrella, aunque en este último
caso las bobinas quedarían a 230V funcionando a tensión más baja de lo normal (valdrá para el
arranque como luego veremos).
En definitiva:
- 220/380V - Se puede conectar a una red de 220V directamente en triángulo. En estrella a una
red máxima de 380V. OJO nunca en triángulo a una red de 380V
- 380/660V - Se puede conectar a una red de 380V en triángulo y 660V en estrella. Si lo
conectamos en estrella en una red de 380V las bobinas del motor quedan a 230V.
- 400/690V - Se puede conectar a una red de 400V en triángulo y 690V en estrella. Si lo
conectamos en estrella en una red de 400V las bobinas quedan trabajando a 230V.
En la caja de bornes de los motores aparecen los seis terminales correspondientes a los tres
devanados del motor más el terminal de conexión a tierra. La disposición de los terminales
siempre se hace de la misma forma, siguiendo las normas internacionales.
Para conseguir la conexión en estrella, basta con unir con unos puentes los finales Z-X-Y. La
conexión en triángulo se consigue realizar con facilidad al unir con unos puentes los terminales
(U-Z), (V-X), (W-Y).
Para cambiar el sentido de giro del motor solo hay que cambiar el orden de una de las fases.
Fíjate
en
el
siguiente
esquema:
Estos motores asíncronos arrancan sin ayuda, pero es necesario controlar la corriente y
tensiones producidas en el rotor en el arranque ya que pueden ser muy elevadas.
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Arranque de los Motores Trifásicos
Cuando se conecta el motor directamente a la red, éste absorbe una intensidad muy fuerte de
la línea en el momento del arranque, lo que puede afectar no sólo a la duración de los aparatos
de conexión, sino a la línea que suministra energía eléctrica.
Estas fuertes corriente sobrecargan las líneas de distribución, por lo que pueden producir caídas
de tensión y calentamiento en los conductores de tales líneas. Por esta razón el
REBT (reglamento electrotécnico de baja tensión) establece normas para reducir dichas
corrientes de arranque a valores que sean aceptables. En la instrucción técnica ITC-BT47 se establece la relación máxima entre la corriente de arranque y la de plena carga para
motores de
C.A.
Normalmente para reducir esta corriente de arranque de un motor se hace reduciendo su
tensión. Hay que tener en cuenta que la disminución de la tensión del motor hace también
disminuir su par motor.
Hay varios métodos para reducir la corriente de arranque reduciendo la tensión del
motor: arranque estrella-triángulo, arranque con resistencias estatóricas, arranque por
autotransformador y arrancadores estáticos.
Fíjate la curva característica de un motor trifásico y la intensidad que absorbe en cada momento
el motor:
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TEMA 54: MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
1. Introducción
2. Principios fundamentales de las máquinas eléctricas
a. Inducción electromagnética
b. Fuerza electromagnética
3. Constitución y clasificación de las máquinas eléctricas rotativas
4. Característica par-velocidad de un motor. Estabilidad
a. Fases del funcionamiento
b. Estabilidad de funcionamiento
5. Pérdidas de las máquinas eléctricas
6. Motores de corriente continua
a. Introducción
b. Balance de potencias
c. Adaptación automática del motor y par resistente
d. Arranque de los motores de corriente continua
e. Características de los motores de corriente continua
i. Motor derivación
ii. Motor serie
iii. Motor compound
f. Regulación de velocidad
g. Inversión de sentido de giro
h. Aplicaciones de los motores de corriente continua
7. Ejercicios
5
1. INTRODUCCIÓN
Las máquinas eléctricas se han hecho imprescindibles hoy día, y comprenden desde los grandes
generadores situados en las centrales productoras de energía eléctrica hasta las máquinas empleadas
en el transporte de viajeros y mercancías, en industrias mineras, etc. y Por supuesto en nuestras casas
lavado a, f igo ífi o, et …
En este tema estudiaremos y daremos una visión lo más amplia posible, de los principios generales en
los cuales se basan estas máquinas eléctricas, así como su clasificación y constitución, balance de
potencias, y estudio de la característica par-velocidad, para a continuación describir los tipos y
características más importantes de los motores de corriente continua. En el siguiente tema
estudiaremos los motores de corriente alterna.
2. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE
LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
En general entendemos por máquina eléctrica todo aparato que transforma la energía eléctrica en
cualquier otra forma de energía, o viceversa. También se incluye dentro de este concepto a aquellos
dispositivos que conservan la energía eléctrica, transformando únicamente sus características.
En función de esta definición, las máquinas eléctricas se clasifican en:
 Generadores. Transforman cualquier clase de energía, principalmente mecánica, en energía
eléctrica.
 Transformadores. Modifican las características de la energía eléctrica.
 Receptores. Convierten en cualquier tipo de energía la energía eléctrica que reciben. Uno de los
receptores más empleados son los motores.
Las máquinas eléctricas rotativas están basadas en los principios de inducción electromagnética y
fuerza electromagnética.
a) Inducción electromagnética
Campo magnético: Es la zona espacial alrededor de un imán que se encuentra afectado por sus
propiedades
Líneas de fuerza: Son cerradas, van de norte a sur y en cada punto se pueden asociar a un vector que
es la inducción magnética B
El flujo (ø): Es el número total de líneas de inducción magnética que atraviesan perpendicularmente a
una superficie
Donde:
B = inducción en teslas (T)
s = superficie en m2
PRINCIPIO DE INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
En un conductor que se mueve en un campo magnético cortando las líneas de fuerza del campo se
crea o genera una fuerza electromotriz (fem) inducida E.
Esta fem inducida depende de la variación de flujo con respecto al tiempo, es decir:
La superficie del conductor, según podemos observar en el dibujo será:
Donde:
l es la longitud del conductor
Por otro lado sabemos que:
Por tanto, sustituyendo estas dos últimas expresiones en la fórmula del flujo tendremos:
Por último nos quedará la expresión para la fem inducida:
De esta expresión, el signo negativo nos indica que la fem inducida E, es opuesta al flujo inductor.
Por tanto nos quedará finalmente la expresión para el módulo de la fem inducida:
Donde:
E = Fem inducida en voltios (V)
l = longitud del conductor en metros (m)
B = Inducción en teslas (T)
v = velocidad de desplazamiento en metros (m/s)
Esta fem inducida está presente si la máquina funciona como motor o como generador. En el caso de
los motores a la fem inducida se le denomina fuerza contraelectromotriz E’
Para determinar el sentido de la fem inducida aplicaremos la regla de la mano derecha como sigue:
Si dispo e os la mano derecha abierta, de forma que las líneas de campo entren por la palma de la
mano, y el dedo pulgar indique la dirección del movimiento, el resto de los dedos estirados nos indica
la dirección de la fem inducida
b) Fuerza electromagnética
Recíprocamente al principio de inducción magnética, tenemos el principio de fuerza electromagnética,
que dice lo siguiente:
Todo o du to e o ido po u a corriente y bajo la acción de un campo magnético, se ve sometido
a u a fue za ag éti a
El valor de esta fuerza viene dado por la expresión:
Donde:
B = Inducción (Teslas)
l = longitud (m)
I = Intensidad de corriente (A)
α = Á gulo formado por el conductor y la dirección del campo magnético
Si el á gulo es α =
o
entonces la expresión queda:
En los motores el conductor y el campo magnético siempre forman 90o. El sentido de la fuerza se
determina aplicando la regla de la mano izquierda:
Si disponemos la mano izquierda abierta, de forma que las líneas de campo entren por la palma de la
mano, el pulgar nos indicará en sentido de la fuerza electromagnética, y el resto de los dedos estirados
nos indica el sentido de la corriente
Si en vez de una espira tenemos muchas, acopladas en torno a un cilindro que las hace girar,
tendremos:
Si colocamos este cilindro inducido de radio r en un campo magnético, y hacemos pasar corriente a
través de las espiras se producirá el par de giro provocado por la fuerza electromagnética:
Este es el par producido por cada espira
El par total será la suma de todos los pares de todos los conductores y recibe el nombre de par
electromagnético interno (Mi).
La potencia electromagnética está relacionada con el par electromagnético a través de la velocidad
angular de giro del motor:
Donde:
Pi = Potencia electromagnética interna (W)
Mi = Pa ele t o ag éti o i te o N∙
ω = velo idad a gula
ad/s
3. CONSTITUCIÓN Y CLASIFICACIÓN
DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
ROTATIVAS
Todas las máquinas eléctricas rotativas poseen características comunes y tienen una constitución muy
parecida. Desde el punto de vista mecánico tenemos:
 Estator: es la parte fija. Está formado por un imán natural o un electroimán.
 Rotor: Es la parte giratoria. Formado por un hilos de cobre esmaltado llamado devanado, que
va formando espiras enrolladas sobre un núcleo de hierro.
El entrehierro es el espacio de aire que existe entre rotor y estator.
Desde el punto de vista electromagnético tenemos:
 Un circuito magnético: formado por los núcleos del estator y rotor y el entrehierro
 Dos circuitos eléctricos: formado por los circuitos inductor (devanado encargado de crear el
campo magnético) e inducido (devanado sobre el que se inducen las intensidades de corriente)
Si atendemos a la corriente eléctrica generada o utilizada por la máquina, tenemos:
 Máquinas eléctricas de corriente continua
 Máquinas eléctricas de corriente alterna: síncronas y asíncronas o de inducción
o Sícronas: Máquina que gira a una velocidad igual a la del campo magnético y que
corresponde a la siguiente fórmula
Donde:
f = frecuencia de la señal alterna
P = nº de pares de polos
n = velocidad de giro en RPM
o Asíncronas: Máquina cuya velocidad de funcionamiento es menor que la de sincronismo.
o De inducción: Son motores, cuyas bobinas giratorias son alimentadas por corrientes
inducidas desde el estator.
4. CARACTERÍSTICA PAR-VELOCIDAD
DE UN MOTOR. ESTABILIDAD.
Cuando un motor está en marcha, su velocidad y su par vienen impuestos por las características de la
carga, y definidos por su comportamiento. La siguiente gráfica muestra el comportamiento de un
motor para dos tipos de carga A y B.
a) Fases del funcionamiento
1. ARRANQUE
Es el momento de conectar un motor a la red eléctrica y se presentan dos pares, el par interno de
arranque (Mia) y el par resistente de arranque (Mra).
En el instante inicial, el Mia debe ser mayor que el Mra (Mia> Mra), ya que de no ser así, el sistema no se
pondrá en marcha. Estos dos pares corresponden a la ordenada en el origen de las curvas M i = f(n) y
Mr = f(n), tal y como se indica en la gráfica:
2.ACELERACIÓN
Período que sigue a la puesta en marcha. Durante este periodo se exige al motor el máximo par que es
capaz de dar, ya que debe vencer el par resistente y , además, debe acelerar el sistema
contrarrestando el par de inercia. Las condiciones de arranque y aceleración son, en la mayoría de los
casos, las que van a decidir sobre el motor a elegir para una aplicación.
Una de las relaciones más importantes en los motores eléctricos es la que existe entre el par de
arranque (Mia) y el par nominal (Mn). De este valor va a depender si el motor debe arrancar con o sin
carga.
3.MARCHA DE RÉGIMEN
Un motor alcanza su marcha de régimen cuando su velocidad bajo la carga nominal es constante
(n=cte).
En estas condiciones, el par motor desarrollado es igual y de signo contrario al par resistente de carga,
y el motor se encuentra trabajando en el punto Q, con n=nn y M=Mn
Por tanto la potencia interna desarrollada por le motor es igual a la potencia absorbida por la carga.
La característica mecánica del motor se puede modificar, actuando sobre el campo inductor, la
corriente inducida, o los dispositivos de regulación. La característica mecánica de la carga se puede
modificar cada vez que cambien las condiciones de trabajo.
b) Estabilidad de funcionamiento
Diremos que un motor tiene un régimen estable cuando al variar su velocidad, el desequilibrio de
pares tiende a volver la velocidad a su valor inicial, es decir:
 Si la velocidad aumenta, el par motor debe ser inferior al par resistente
 Si la velocidad disminuye, el par motor debe ser superior al par resistente.
Dicho de otra manera:
 Si Δ es egativo, Δ Mm - Mr)>0
 Si Δ es positivo, Δ Mm - Mr)<0
Esto se puede apreciar en las siguientes gráficas
INESTABLE
Supongamos un cambio de velocidad N1, entonces el momento resistente será mayor que el momento
del motor, éste sufre una desaceleración alejándose del punto de equilibrio. Si por el contrario
aumentamos la velocidad hasta N2 entonces el par motor es mayor que el par resistente, el motor se
acelerará alejándose también del punto de equilibrio.
ESTABLE
Supongamos un cambio de velocidad N1, entonces el momento motor será mayor que el momento del
motor, por lo que el motor se acelerará retornando al punto de equilibrio. Si por el contrario
aumentamos la velocidad hasta N2 entonces el par motor es menor que el par resistente, el motor se
frenará retornando al punto de equilibrio.
5. PÉRDIDAS ELÉCTRICAS EN LAS
MÁQUINAS ELÉCTRICAS
En la transformación de potencia eléctrica en mecánica, una fracción de la misma se transforma en
calor, en lo que llamamos pérdidas de la máquina. Estas pérdidas se pueden dividir en:
 Pérdidas en el hierro: Se producen por histéresis magnética (en materiales magnéticos) y por
corrientes parásitas de Foucault. Se dan en todos los órganos de la máquina en los cuales el
flujo es variable.
o Histéresis magnética: La imantación de un material ferromagnético lleva retraso con
respecto al campo magnético que la origina
o Corrientes de Foucault: Corrientes inducidas en los materiales metálicos como
consecuencia de la variación del flujo magnético. Dependen del grosor del material, por
lo que se intentan evitar poniendo un grupo de chapas en vez de un material grueso.
 Pérdidas en los conductores: Corresponden a las pérdidas por efecto Joule en los devanados y
se cuantifican mediante la siguiente fórmula:
 Perdidas mecánicas: Corresponden a las pérdidas por roce en los cojinetes, en el aire y en las
escobillas, así como la potencia absorbida por el ventilador si lo hay.
El rendimiento de una máquina eléctrica se define como la relación:
Normalmente se expresa en porcentaje sobre la potencia absorbida
6. MOTORES DE CORRIENTE
CONTINUA
a) Introducción
La máquina de corriente continua que funciona como motor es exactamente la misma que funciona
como generador, debido al proceso de reversibilidad.
Fundamentalmente, consta de un devanado inductor en el estator encargado de crear el campo
magnético, y de un devanado inducido en el rotor, donde se genera la fuerza contraelectromotriz
i du ida E’ .
Luego, en el inducido se genera una fem inducida que a su vez provoca una corriente eléctrica ¡pues
bien! Esa corriente inducida circula en sentido contrario a la corriente que ya estaba establecida en el
rotor, de ahí el término contralectromotriz. La fuerza contraelectromotriz, sólo aparece en en el
devanado inducido ¡no lo olvides!
Para introducir la corriente en los conductores del inducido se utilizan el colector y las escobillas. En
función del tipo de conexión del devanado inductor con respecto al inducido obtenemos los siguientes
tipos de motores:
 Excitación independiente: Si el inductor y el inducido se alimentan con fuentes independientes.
 Excitación en serie: Si los devanados de inductor e inducido están en serie.
 Excitación en derivación (Shunt): Si el devanado inductor está en paralelo con el devanado del
inducido
 Excitación compuesta (Compound): Se compone de dos inductores, de los cuales uno está en
serie y otro en derivación con el inducido, o sea, es una máquina mixta de ambas.
También existen motores de corriente continua excitados por imanes permanentes, pero en nuestro
estudio no nos vamos a referir a ellos por ser normalmente de pequeña potencia.
Veamos cual es la expresión de la fuerza co traelectro otriz E’ y del par interno (Mi)
Donde
K’ = o sta te de la
á ui a
Ø = flujo magnético en weber (Wb)
n = velocidad en revoluciones por minuto (rpm)
Por otro lado, el par interno depende se representa como:
Donde
K = constante que depende de la máquina
Ii = Intensidad del inducido en amperios (A)
Ø =flujo magnético en weber (Wb)
b) Balance de potencias
Antes de empezar vamos a ver la nomenclatura con la que vamos a nombrar las distintas resistencias
que hay en los motores:
Ri=devanado inducido
Rd=devanado excitación paralelo Rs=devanado excitación serie
Raux,Rc=devanado auxiliar
Ra=reostato de arranque
Rv, Rr=reostato de velocidad
Definamos las distintas formas de potencia que encontramos en un motor:
 Potencia absorbida (Pabs): Es la potencia eléctrica que absorbe el motor, también llamada
potencia de entrada. Es la potencia que consume el motor.
Donde:
U = Tensión aplicada a los bornes del motor
Iabs = Intensidad de la corriente de entrada al motor
Al circuito cerrado del devanado inductor se le llama también circuito de excitación, por eso a la
corriente que recorre el circuito de excitación se le denota Iexc. A la intensidad que pasa por el circuito
inducido se le denomina Ii
En un motor con derivación en:
o Serie:
o Derivación:
 Potencia útil (Pu): Potencia útil, es la potencia disponible para realizar trabajo. Es trabajo
mecánico.
 Potencia perdida en el cobre (Pcu): Representa las pérdidas que transcurren en ambos
devanados (inductor e inducido) debido al efecto Joule.
o Serie:
o Derivación:
 Potencia perdida en el hierro (Pfe): Son pérdidas de tipo magnético
 Potencia perdida mecánica (Pm): Es la potencia perdida a los rozamientos principalmente.
 Potencia eléctrica interna (Pei): Es la potencia que queda después de quitar las potencias
perdidas en el cobre
o Serie:
o Derivación:
 Potencia perdida total (Pp): Es la suma de las potencias perdidas en el cobre, el hierro y las
mecánicas.
La potencia absorbida es la suma de la potencia útil más la potencia perdida:
Sustituyendo el valor de la Pabs en la ecuación de la Pei tendremos:
Y sustituyendo ahora el valor se la Pp tendremos:
Despejando la potencia útil:
NOTA: La fuerza contraelectromotriz (E') se mide en VOLTIOS. Esta tensión, en caso de que la máquina
eléctrica funcione como un motor, se genera en el devanado inducido y se opone a la corriente inicial
que surge en el inducido (Ii). Es por ello que, según la ley de Ohm:
Ejemplo 1:
A un motor eléctrico de corriente continua con derivación en serie le aplicamos una tensión de 200V y
a so e u a i te sidad de A. Si E’=
V las pé didas e el hie o ás las e á i as so
W,
halla el rendimiento (µ) del motor y el valor de las pérdidas en el cobre.
Solución:
Ejemplo 2:
Un motor eléctrico de corriente continua tiene una potencia útil de 2 KW y un rendimiento del 75%. Se
sabe que las Pcu son iguales a las del hierro más las mecánicas. Si la tensión de alimentación es de
400V, determina:
a)
b)
c)
d)
Solución:
Intensidad que absorbe el motor
Potencia perdida
Pérdidas en el hierro más pérdidas mecánicas
Potencia eléctrica interna
Ejemplo 3:
Un motor derivación tiene los siguientes datos: Rexc =
Ω, Ri = ’ Ω, la te sió de ali e ta ió es
de 200V y la potencia absorbida 4600W. Sabemos también que P fe+Pm son la quinta parte de las
pérdidas en el cobre. Calcula:
a)
b)
c)
d)
La intensidad absorbida de la línea
La intensidad del inducido
La fuerza contraelectromotriz
El rendimiento
Solución:
c) Adaptación automática del motor y par
resistente
La fue za o t aele t o ot iz E’ ha e de egulado de velo idad e los
Para un motor en derivación tenemos:
oto es de o ie te o ti ua.
Despejando Ii:
Esta corriente nos determina el par mecánico interno:
Que es equilibrado por el par resistente:
Para ver cómo se adaptan el par motor y el par resistente, supongamos que Mr experimenta un
aumento, entonces n disminuye. Re o de os ue E’ es di e ta e te p opo io al a la velo idad:
Por lo tanto E’ dis i uye. Este des e so de la E’ i pli a ue la Ii aumenta, por tanto el par inducido
Mi aumenta hasta que se iguala con el par resistente. Si el par resistente Mr disminuyera, sucedería el
proceso inverso, es decir Mi disminuiría hasta igualarse con el par resistente.
d) Arranque de los motores de corriente
continua
En los puntos anteriores hemos visto que las condiciones de marcha de un motor vienen determinadas
por la carga acoplada al eje.
En un primer instante, cuando el sistema motor-carga está parado, el motor debe realizar un par de
arranque Mia>Mra. Recordemos que Mi es proporcional a la corriente por el inducido Ii
E el
o e to del a a
ue E’=
o lo ue:
Que será muy elevada debido a que sólo está limitada por la resistencia del inducido (Ri)
Es decir, por una parte tenemos que:
 Limitar la corriente Iia para que no dañe la máquina
 Obtener un par Mia>Mra
Esto lo solucionamos:
 Reduciendo la tensión que llega a los bornes del motor (U) ó
 Aumentando la resistencia del devanado inducido (Ri)
Se utiliza fundamentalmente la reducción de U, por ser la opción que menos pérdidas ocasiona, y se
realiza intercalando una resistencia de arranque entre la red y el inducido denominada reostato de
arranque (Ra)
A medida que el
oto se va a ele a do, E’ au e ta:
se van reduciendo (
), (
), y por tanto, la corriente y el par
). Durante este proceso debe ir disminuyéndose la
resistencia de arranque, hasta que su valor se elimina por completo.
e) Características de los motores de corriente
continua
Las características de funcionamiento dependen del tipo de excitación, siendo la más importante la
característica mecánica (M=f(n)), característica de velocidad (n=f(Ii)) y la característica del par
(M=f(Ii)).
A continuación vamos a describir estas características en los motores con excitación en derivación
(muy parecido al de excitación independiente), en los de excitación serie y en los de excitación
compuesta.
i.MOTOR DERIVACIÓN
 Característica de velocidad: Relaciona la velocidad con la intensidad n=f(Ii). Sabemos que U=cte
y Iexc= te. Pa ti os de las e ua io es pa a la E’ U:
Si sustitui os E’ e U:
Ahora despejamos n:
Como el término (Ri+Rc ∙Ii es muy pequeño (del orden del 4% de U), la variación de la velocidad es muy
poca. Se dice que el motor derivación tiene una característica de velocidad dura, o también que es
autorregulado en velocidad. Se usa en aplicaciones donde se necesite velocidad constante: máquinas
herramienta automáticas, industria del papel, etc.
 Característica del par: Nos relaciona el par motor con la corriente del inducido M=f(Ii). El
momento del inducido viene dado por:
Es decir la gráfica debería ser lineal, pero el momento útil es:
Pero a medida que aumenta la Ii aumentan las pérdidas, por lo tanto, la gráfica es lineal para
intensidades de inducido bajas, pero va curvándose a medida que va aumentando la intensidad.
 Característica mecánica: Relaciona la velocidad del motor con el par interno del mismo M=f(n).
Es la característica fundamental de todo el motor. Se puede obtener de las dos gráficas
anteriores n=f(Ii) y M=f(Ii)
La estabilidad del par con respecto a la velocidad es muy elevada
ii. MOTOR SERIE
El inductor está en serie con el inducido, y está recorrido por la misma corriente.
 Característica de velocidad: Partiendo de la ecuación anterior:
Por otro lado:
Sustitu e do la E’:
El motor con derivación serie, puede aumentar mucho su velocidad con poca carga (Ii baja), lo cual
puede provocar fallos mecánicos; por otro lado si la carga es mucha (Ii alta) puede afectar a los
circuitos del motor.
 Característica del par: Partimos de la expresión:
Debido a que ø depende proporcionalmente de Iexc, y ésta es Ii, tendremos que:
Como en el caso anterior, para hallar el par útil habrá que restarle las pérdidas:
 Característica mecánica: Se obtiene a partir de las dos anteriores:
Esta característica proporciona al motor serie un grado de estabilidad en marcha menor que la del
motor en derivación, a la vez que pone de manifiesto que la potencia útil desarrollada es
prácticamente constante, es una curva del estilo
En nuestro caso:
iii. MOTOR COMPOUND
Tiene dos circuitos inductores, uno en serie y otro en paralelo con el circuito inducido.
Se pueden distinguir dos tipos de máquina en función de la conexión:
 Compound larga: El devanado derivación está en paralelo con la agrupación inductor serie e
inducido
 Compound corta: El devanado derivación está en paralelo sólo con el inducido. El devanado
serie está en serie con los dos anteriores.
En función de que los flujos inductores se sumen o se resten, tendremos:
 Compound adicional: Los flujos inductores se suman
 Compoun diferencial: Los flujos inductores se restan
Las características de este tipo de motores son intermedias entre los motores en serie y los derivación.
f) Regulación de velocidad
Tiene por objeto mantener la velocidad en un valor prefijado. La velocidad de régimen viene
condicionada por la igualdad entre par motor y par resistente, definida en el punto de intersección de
las respectivas características mecánicas (motor y carga).
Trasladando este punto a la característica del par M=f(Ii) obtenemos la corriente absorbida.
Si la característica de la carga es invariable, el problema de la regulación consiste en actuar sobre los
siguientes parámetros:
RT = Ri + Rc (motor en derivación)
ó
RT = Ri + Rc + Rs (motor en serie)
Ri = resitencia inducido
Rc = resistencia devanado auxiliar de conmutación
Rs = resistencia en serie
Si queremos regular la velocidad manteniendo el par constante (Ii y ø constantes), se puede variar la
velocidad variando la tensión aplicada por medio de los siguientes métodos:
 Regulación por resistencia: Intercalando una resistencia en serie con el inducido (variamos la
RT)
 Regulación por control de tensión: Variando la tensión de alimentación (variamos U)
Otra forma de variar la velocidad es disminuir el flujo ø, pero aquí sí que perderemos par. Se utiliza una
resistencia variable llamada reostato, es la Rv, que podemos ver en los circuitos en serie y derivación
de más arriba.
g) Inversión del sentido de giro
Los motores de corriente continua pueden funcionar en ambos sentidos de giro, sin más que cambiar
las conexiones del inductor respecto al inducido.
Es recomendable cambiar las conexiones del inducido, ya que si se cambian las del circuito de
excitación, habrá un momento que el motor se quedará sin excitación, y por lo tanto sin fuerza.
h) Aplicaciones de los motores de corriente
continua
A la hora de elegir el tipo de motor más idóneo para una aplicación tendremos que tener en cuenta:
a) La velocidad: constante, variable o regulable.
b) El par de arranque: inferior, igual o mayor que el par nominal.
c) La corriente pico de arranque: valor máximo de la corriente en la conexión del motor a la red.
Las características de velocidad, par y fundamentalmente la característica mecánica, permiten obtener
el motor más apropiado para una aplicación.
MOTOR DERIVACIÓN
 Su velocidad se mantiene constante independientemente de la carga. Se emplea en máquinas
cuya velocidad debe mantenerse constante, como en máquinas-herramientas (tornos, fresas,
traladros, etc.) y en máquinas de elevación cuya carga puede ser suprimida bruscamente
 El par es proporcional a la corriente
 Es un motor autorregulable en velocidad
MOTOR SERIE
Más conveniente para tracción eléctrica por las siguientes razones:
 Gran par necesario para el arranque
 Si la carga disminuye (Ii) pequeña, la velocidad puede aumentar mucho y ser peligroso. No
podrán usarse donde exista riesgo de embalamiento.
 Si la carga es mucha, el motor se puede parar
Es frecuente que los motores se arranquen en serie, para tener gran par en el arranque, y luego se
cambien a derivación para mantener una velocidad constante
MOTOR COMPOUND
Por sus características entre el serie y el derivación, el motor de excitación compuesta se puede
emplear en cualquier uso, siendo su aplicación característica aquella en la que no debe variar mucho la
velocidad, y a la vez se necesita un fuerte par de arranque.
7. EJERCICIOS
1) U
oto se ie tie e las siguie tes a a te ísti as: U =
V; E’ =
V; Ri = Ω; Rs = Ω.
Determina:
a. La intensidad nominal
b. La intensidad en el arranque
c. La Ra para que Ia=2In
d. Si la velocidad es de 1000 rpm cuando absorbe 15A, averigua a qué velocidad girará
cuando la intensidad sea de 5 y de 30A, respectivamente.
2) Un motor derivación tiene las siguientes características: Rd=
U=200V; n=2200 rpm. Determina:
a. La intensidad nominal
b. La fuerza contraelectromotriz
c. La intensidad de arranque
d. Ra para que Ia= ’ In
e. Velo idad del oto pa a ’
In
Ω; Ri= ’ Ω; Pu=5KW; µ=80%;
3) De un motor serie de 22 CV se conocen: Ri= , Ω; Rs= , Ω; la te sió de ali e ta ió es de
220V y la intensidad de corriente que absorbe de la línea es de 100A, cuando la velocidad n=1200
rpm. Determina:
a. El esquema de conexiones
b. El rendimiento de la máquina
c. Las Pcu y las Pfe+Pm
d. El par motor nominal
4) Un motor derivación tiene las siguientes características: Pu=5CV, µ=80%, velocidad a plena carga:
n=1200 rpm, tensión en bornes U=180V. Conocemos también que las pérdidas en el devanado
i du ido e el i du to so iguales al % de la pote ia a so ida. Dete i a E’ Ra para que Ia
sea 2Iu
5) A un motor de corriente continua y excitación serie se le aplica una tensión de 250V. E’ vale
V,
y la intensidad nominal es de 20A cuando gira a 1200 rpm; se sabe también que R i=Rs. Determina:
a. Rs y Ri
b. La potencia absorbida
c. El rendimiento si Pfe=100W y despreciamos Pm
d. El par nominal
e. Velocidad del motor si el par resistente aumenta al doble del valor actual
6) Un motor derivación de 75 KW de potencia en el eje, U=440 V y n=1500 rpm, con una resistencia
de e ita ió de
Ω; Ri + Rc = ’ Ω, tie e u e di ie to del 95%. Calcula:
a. Intensidad de línea
b. Intensidad de excitación
c. Intensidad de inducido
d. Fuerza contraelectromotriz inducida
7) Un motor eléctrico se alimenta a 12V y consume 20A cuando gira a 1200 rpm, siendo su
esiste ia i te a Ri= , Ω. Cal ula:
a. La fuerza contraelectromotriz inducida
b. Potencia absorbida, potencia útil y rendimiento
c. Intensidad de arranque
d. Ra para que Ia sea ’ ve es In
e. Par nominal y par de arranque, suponiendo el flujo constante
8) Un motor de corriente continua excitación derivación tiene una potencia de 50CV. Se sabe que las
pé didas del oto so el % e el eje. Si U=
V, Rd=
Ω Ri= ’ Ω. Cal ula:
a. Intensidad de línea
b. Intensidad de excitación
c. Intensidad del inducido
d. Par nominal si el motor gira a 1500 rpm
9) Un motor eléctrico de corriente continua se alimenta a 200V y consume 35A cuando gira a 1500
rpm, sie do su esiste ia i te a de ’ Ω. Halla, en unidades del sistema internacional:
a. Fuerza contraelectromotriz
b. Potencia absorbida, potencia útil y rendimiento.
c. Intensidad de arranque
d. Resiste ia de a a ue si se uie e li ita la i te sidad de a a ue a ’ ve es la
intensidad nominal
e. El par motor y el par de arranque
10) Un motor eléctrico de corriente continua está alimentado con una tensión de 12V, y consume 4A,
gi a do a u a velo idad de
p . Su e di ie to es de ’ su esiste ia i te a de ’ Ω.
Calcula la potencia absorbida, la potencia útil, el par motor en el eje, la fuerza
contraelectromotriz y la intensidad en el momento del arranque.
11) Un motor eléctrico de corriente continua se alimenta a 12V y consume 9A, siendo su resistencia
interna Ri= ’ Ω. Dete i a la f e , la pote ia a so ida, la pote ia útil, el e di ie to, la
intensidad de arranque, y la resistencia de arranque si se quiere limitar la intensidad de arranque
a 2 veces la intensidad nominal.
12) El convertidor electromecánico de energía que transforma energía eléctrica en energía mecánica
se denomina:
a. Generador
b. Motor
c. Receptor
d. Transformador
13) Los principios básicos de las máquinas de corriente continua son:
a. Inducción electromagnética y fuerza electromagnética
b. Ley de Kirchhoff y ley de Ohm
c. Principio de conservación de la energía
d. Todos los anteriores
14) La expresión de la fem inducida en un conductor que se mueve en el seno de un campo
magnético es:
a.
b.
c.
d.
15) Para determinar el sentido de la fuerza electromagnética se aplica:
a. Regla de la mano derecha
b. Regla de la mano izquierda
c. Regla del sacacorchos
d. La misma regla que para determinar el sentido de la fem inducida
16) En una máquina eléctrica, la parte encargada de crear el campo magnético es:
a. El inducido
b. El rotor
c. El inductor
d. El entrehierro
17) Para que un motor pueda arrancar:
a. El par interno debe ser mayor que el par resistente de arranque
b. El par interno debe ser menor que el par resistente de arranque
c. Los pares deben ser iguales
d. La diferencia entre pares será positiva
18) La característica mecánica nos indica:
a. La variación del par en función de la velocidad
b. La variación de la velocidad en función de la tensión aplicada
c. La variación del par en función de la intensidad
d. La variación de la velocidad en función de la intensidad
19) De las siguientes gráficas, ¿cuál representa un equilibrio de pares estable y cual inestable en el
punto de intersección?
A
B
C
20) Las pérdidas en el hierro (Pfe) es una máquina de corriente continua son producidas por
a.
b.
c.
d.
Histéresis y corrientes parásitas
La circulación de una corriente eléctrica por un conductor
El rozamiento de cojinetes y otras partes
La circulación del flujo magnético en el entrehierro
21) El reostato de regulación sirve:
a. Para disminuir la corriente en el arranque
b. Para regular la intensidad de excitación
c. Para regular la intensidad del inducido
d. Todo lo anterior
22) Un motor de corriente continua (excitado según el circuito de la figura) tiene una tensión en
bornes de 230V, si la fuerza electromotriz generada en el inducido es 224V y absorbe una
corriente de 30A, (se desprecian la reacción de inducido y las pérdidas mecánicas). Calcula:
a. Resistencia total del inducido
b. Potencia absorbida de la línea
c. Potencia útil en el eje
d. Par nominal si el motor gira a 1000 rpm
e. Rendimiento eléctrico
23) De un motor de c.c. de excitación derivación tiene una potencia de 40 C.V., se sabe que las
pérdidas del motor son del 5% de su potencia en el eje. Si U=400V, Rd=400 Ω Ri= , Ω. Calcula:
a. Intensidad en la línea
b. Intensidad de excitación
c. Intensidad de arranque
d. Valor del reostato de arranque para que en ese régimen no se supere el valor de
intensidad de 2In
e. Par motor si gira a 1500 rpm
24) Un motor eléctrico de corriente continua con excitación en derivación que tiene las siguientes
características: Tensión alimentación U=600 V, resistencia del devanado de excitación Rexc=
Ω.
Resistencia del inducido Ri= , Ω. I te sidad a so ida de la ed Iabs=138 A. Potencia útil 100 CV.
Determine:
a. La intensidad de excitación y la intensidad del inducido.
b. Rendimiento del motor.
c. El par útil cuando el motor gira a 1200 rpm.
Nota: Despreciar en este problema la caída de tensión en las escobillas y la resistencia del
reóstato de arranque y de los polos auxiliares.
25) Un motor de c.c. excitación serie de tensión en bornes 230V, gira en régimen nominal a 1200
r.p.m. El devanado inducido tie e u a esiste ia de , Ω, la del deva ado de e ita ió es de
, Ω, la esiste ia de los polos au ilia es es de , Ω su f e es de
V. Dete i a :
a. Corriente en el momento del arranque.
b. Intensidad absorbida de la línea.
c. Potencia absorbida de la red.
d. Pérdida de potencia en los devanados.
e. Rendimiento del motor.
26) Un motor de c.c. excitación derivación tiene una tensión de alimentación de 120 V, la potencia
que absorbe de la red es de 3,6KW, cuando gira en un régimen a 1000 r.p.m. presenta un
rendi ie to del %, la esiste ia del deva ado de e ita ió es Ω. Dete i a :
a. Fuerza contraelectromotriz.
b. Resistencia del devanado del inducido.
c. Par útil en el eje.
27) Para una determinada aplicación se requiere un motor de elevado par de arranque, por lo que se
elige un motor en serie que proporciona 18 CV a 1 500 rpm, cuando se conecta a 220 V, absorbe
67 A. Se sabe que Ri+Rc= , Ω, Rs= , Ω Vescobilla=1 V. Determina:
a. ¿Cuál será su velocidad, si la corriente absorbida aumenta un 30 %?
b. ¿Cuál será su velocidad, si la corriente absorbida disminuye un 20 %?
28) Un motor de c.c. serie tiene una tensión en bornes de 230 V y absorbe de la red 15 A. La fcem
generada en el inducido es de 220 V y las pérdidas en el hierro más las mecánicas son de 250 W.
Calcular:
a. Balance de potencia del motor
b. Rendimiento eléctrico
29) U
oto se ie posee u a esiste ia e el i du ido de , Ω. La esiste ia del deva ado de
e ita ió se ie vale , Ω. La te sió de lí ea es de
V la f e de 15V. Determinar:
a. La intensidad nominal de la línea.
b. Intensidad que absorbe en el arranque.
c. Resistencia a conectar para reducir la intensidad de arranque al doble de la normal. Se
desprecia la caída de tensión en las escobillas.
30) Un motor de corriente continua de excitación derivación es alimentado a la tensión de 120V. De
la línea absorbe una potencia de 3,6 kilovatios y gira a 1.000 r.p.m. La resistencia del devanado
i du to es de Ω su e di ie to del %.
a. El momento angular o par mecánico suministrado
b. La resistencia del inducido y la fcem.
31) Un motor de corriente continua tipo derivación de 220 V gira a 1.500 r.p.m. La resistencia del
i du ido es de , Ω, la esiste ia de e ita ió vale
Ω. La pote ia a so ida de la ed vale
3.300 W. Calcular:
a. Intensidades que circulan por el motor.
b. Velocidad del motor para: 0,5 Ii y 3 Ii.
c. La corriente de arranque (por el inducido)
d. Valor del reostato de arranque a conectar, en serie con el devanado del inducido, para
limitar la intensidad de arranque al doble de la nominal.
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TEMA6.- TRANSFORMADOR ELÉCTRICO
Hace algo más de un siglo que se inventó el Transformador. Este dispositivo ha hecho posible la
distribución de energía eléctrica a todos los hogares, industrias, etc.
Si no fuera por el transformador, tendría que acortarse la distancia que separa a los generadores de
electricidad (centrales eléctricas) de los consumidores.
Al final te dejamos un enlace para que hagas unos ejercicios online sobre los transformadores que te
servirán de repaso de lo aprendido.
¿Qué es un Transformador?
Se denomina transformador a una máquina eléctrica estática y reversible que funciona por
electromagnetismo (eléctrico y magnético) que permite aumentar o disminuir el voltaje y/o la
intensidad de una corriente alterna manteniendo constante la potencia.
Si no se consideran pérdidas, la potencia a la entrada y a la salida será la misma. Aunque el
transformador aumente la tensión de un lado a otro (del primario al secundario) el producto de la V x I,
que es la potencia aparente, permanece constante.
Recuerda: Potencia = Tensión x Intensidad
La mejor forma de transportar la corriente eléctrica desde donde se genera es en alta tensión, el
problema es que después hay que disminuirla hasta 230V al llegar a las viviendas, y esto solo es posible
gracias a los transformadores, que nos permiten aumentar la tensión a la salida de la central eléctrica
para transportarla y posteriormente disminuirla para utilizarla en las viviendas, industrias, etc.
CICLO: MANTENIMIENTO ELECTROMECÁNICO
MÓDULO: MONTAJE Y MANTENIMIENTO ELÉCTRICO Y ELECTRÓNICO
CENTRO: IES SAN JOSÉ (CUENCA
¡Ojo! NO hay transformadores de corriente continua, solo hay de corriente alterna. Nunca se
transporta en c.c.
Partes del Transformador
En su forma más simple, un transformador está formado por dos bobinas de conductores con espiras
enrolladas (devanado) sobre un núcleo cerrado de hierro dulce (núcleo magnético).
Tiene 2 circuitos eléctricos (2 devanados) llamados Primario, en el que tenemos la tensión entrada, y
Secundario en donde obtendremos la tensión de salida. Además, tenemos un circuito magnético que
será el Núcleo del trafo de chapas de acero de muy bajo espesor.
Un transformador monofásico sería como el siguiente:
Funcionamiento del Transformador
Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética.
Recordamos que La inducción electromagnética es generar corriente eléctrica (inducida) por medio de
un campo magnético y/o viceversa
De forma muy resumida podemos entender la inducción electromagnética, suficiente para entender el
funcionamiento del trafo, con los siguientes descubrimientos:
– Oersted descubrió que por un cable (o bobina de espiras) por el que circula una corriente eléctrica
se crea a su alrededor un campo magnético. Este campo magnético se expresa mediante el llamado
flujo magnético, que nos da una idea de la cantidad o cómo es de grande y fuerte el campo magnético.
Algo similar al agua y el caudal de agua (litros de agua que atraviesa una superficie por cada segundo).
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 = símbolo del flujo magnético.
– Faraday descubrió lo contrario, que un campo magnético variable que se mueva o varíe cortando a
un conductor, hace que se genere una diferencia de potencial (tensión) en los extremos del
conductor. Si conectamos una carga en los extremos del conductor donde tenemos la
tensión, aparecerá una corriente eléctrica que circulará por la carga debido a la tensión que había en
los extremos.
Nota Importante: Nosotros vamos a considerar que la tensión en bornes del primario será igual a la
fuerza electromotriz (fem) interna en el trafo (en el principio de la bobina), ya que en la realidad es más
o menos así.
Lo mismo para la fem generada en el secundario, consideramos que será igual a la tensión en bornes
del secundario.
Ahora sí, vamos a explicar cómo funciona.
La bobina primaria recibe una tensión, y al ser un circuito eléctrico cerrado formado por espiras
comenzará a circular una corriente eléctrica I1 por las espiras del devanado primario. Esta corriente será
variable porque es corriente alterna.
Al circular esta corriente por las espiras del primario, según Oersted, se generará alrededor de ellas
un campo magnético, que lo expresamos como su flujo magnético. Este flujo magnético Φ1 viajará a
través del núcleo hasta el secundario del trafo y será variable por que la intensidad que lo crea es
corriente alterna.
Cuando el Φ1 llega a las bobinas del secundario, como es un flujo variable, este flujo mientras varia
corta las espiras del devanado del secundario, y según Faraday se creará en ellas una tensión V2.
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Si ahora conectamos una carga (resistencia, por ejemplo) en los extremos del devanado secundario,
como se ha generado una tensión en sus extremos, tendremos una corriente eléctrica que circulará por
la carga I2.
En definitiva, lo que hace un transformador eléctrico es mediante una bobina de cable inducir
magnéticamente una tensión en otra bobina situada cerca de la primera y unidas por un núcleo
magnético.
¿Por qué No pueden ser con Corriente Continua?
Si la corriente en el primario fuera corriente continua, el flujo creado no seria variable, por lo que no
cortaría las espiras del secundario, ya que siempre sería el mismo y no se generaría tensión o corriente
en el secundario.
Funcionamiento del Transformador en Vacío
Cómo en vació no le conectamos carga en el secundario, el flujo que crea el primario Φ1, creará una
tensión en el secundario V2, pero I2 será nula, es decir valdrá I2 = 0A.
Solo tendremos un flujo el Φ1 al que llamaremos Φo (flujo en vacío)
En estas condiciones, la tensión generada por un flujo en el secundario viene determinada por la
expresión:
V2 = 4,44 x f x N2 x Φo
V2 = tensión en el secundario
f = frecuencia; es España y Europa es siempre la misma 50Hz.
N2 = Número de espiras (vueltas) en el secundario.
Φo = flujo magnético en vacío
Esta expresión también es válida para expresar la tensión en el primario:
V1 = 4,44 x f x N1 x Φo
Relación de Transformación del Transformador
La relación de transformación es la relación entre la tensión del «Primario» y la del «Secundario»:
m = V1/V2; donde m es la relación de transformación.
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Si ahora dividimos las dos tensiones, pero expresadas según las fórmulas vistas anteriormente tenemos
que:
V1/V2 = [4,44 x f x N1 x Φo] / [4,44 x f x N2 x Φo]
Como todos los términos arriba y abajo son iguales, excepto N1 y N2 tenemos que:
m = V1/V2 = N1/N2
Como puedes ver la relación de transformación en un transformador depende del número de vueltas
que tenga el primario y el secundario.
Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de voltaje
(multiplicador).
Si en el secundario hay la mitad de vueltas que, en el primario, en el secundario tendremos la mitad de
tensión que en el primario (reductor).
Podemos expresar la relación de transformación en función de las fem. La relación entre la fuerza
electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la
obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados
primario (Np) y secundario (Ns) (igual que si hablamos de las tensiones).
Recuerda fem será en el interior del trafo, la de las bobinas, tensión sera fuera del trafo, la que metemos
o la que sacamos. Si el transformador es ideal (no tiene pérdidas, como el de la imagen de arriba) las
tensiones son iguales a las fuerzas electromotrices (fem). Entonces:
Vp/Vs = Np/Ns
Un transformador puede ser «elevador o reductor» dependiendo del número de espiras de cada
bobinado.
Cuando el secundario tiene un mayor número de vueltas que el primario, el voltaje en aquel es mayor
que en el primario y, por consiguiente, el transformador aumenta el voltaje.
Cuando el secundario tiene un número menor de vueltas que el primario, el transformador reduce el
voltaje. Sin importar cual sea el caso, la relación siempre se da en términos del voltaje en el primario, el
cual puede aumentarse o reducirse en el devanado secundario.
Si se supone que el transformador es ideal, o sea, se desprecian las pérdidas por calor, en el hierro y
otras, entonces las fem y las tensiones serán iguales. Además, como ya vimos la potencia entregada en
el primario y la recibida en el secundario serán las mismas.
Potencia aparente de entrada en el primario (Sp) = Potencia aparente de salida en el secundario (Ss); Sp
= Ss
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Si tenemos los datos de corriente y voltaje de un dispositivo, se puede averiguar su potencia usando la
siguiente fórmula:
S=VxI;
Si es un trafo trifásico será:
S = √3 x Vn x In
Donde
Vn = Tensión nominal (tensión de línea, entre fase y fase)
In = Intensidad nominal (de fase)
Transformador en Carga
Cuando en el transformador conectamos al secundario una carga, entonces el flujo creado por el
primario Φ1 no será el único, ya que circulará una corriente por la carga y por las bobinas del secundario.
Esta corriente I2 creará a su vez un flujo en las bobinas del secundario Φ2, de sentido contrario al que
lo creo, es decir en sentido contrario al Φ1.
El flujo total ahora será Φt = Φ1 – Φ2; que resulta que es del mismo valor que el Φo, es decir que el
creado cuando el transformador trabaja en vacío.
Con el trafo en carga, la potencia aparente del primario y del secundario es la misma, si no se consideran
las perdidas, entonces:
V1 x I1 = V2 x I2; despejando las I para un lado y las V para el otro, tenemos la relación de transformación:
V1/V2 = I2/I1 = m
Luego la relación de transformación también la podemos expresar en función de las intensidades en el
primario y en el secundario.
Recuerda que también V1/V2=N1/N2, ya que seguimos teniendo el mismo flujo, el de vacio, luego esto
también se cumple en carga.
Para conocer la corriente en el secundario cuando tengo la corriente Ip (corriente en el primario), Np
(espiras en el primario) y Ns (espiras en el secundario) se utiliza siguiente fórmula:
Is/Ip = Np / Ns; Si despejamos de la fórmula la Is, tenemos que Is = (Np x Ip) / Ns
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Símbolos Para El Transformador
Aquí tienes los símbolos utilizados para representar a los transformadores:
Pérdidas en el Transformador
Al ser el transformador una máquina estática, su nivel de pérdidas es muy bajo, aun así es importante
contabilizarlas e intentar minimizarlas.
En el trafo tenemos 2 tipos de pérdidas:
– Pérdidas en el Cobre (Pcu) = Pérdidas por efecto Joule en las bobinas, es decir por calentamiento de
los cables de los devanados.
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Las perdidas en el cobre dependen del regimen de carga en que funcione el transformador y valen:
Pcu= I1 x R1 + I2 x R2
Donde R1 y R2 es la resistencia del bobinado primario y secundario
– Pérdidas en el Hierro (Pfe) = Pérdidas en el núcleo o pérdidas en el hierro del núcleo.
Las perdidas en el hierro son las mismas para cualquier régimen de carga en el transformador, ya que
se considera que el flujo magnético no varía, y coinciden con Ia potencia medida en el ensayo en vacío
del transformador.
Ensayo del Transformador en Vacio
Mediante este ensayo podemos obtener las pérdidas en el hierro obtenidas por medida directa con un
vatímetro.
En el ensayo de vacío el bobinado secundario está abierto y no circulará intensidad por él secundario
(I2 = 0).
El primario se conecta a la tensión nominal, siendo la tensión del secundario la nominal del
transformador.
La lectura del vatímetro es el consumo de potencia del transformador en esas condiciones, pero como
no hay carga, corresponderá a las pérdidas en el hierro más las pérdidas en el cobre (Joule).
Resulta que en el bobinado secundario las pérdidas por efecto Joule son cero, ya que no hay corriente
por los cables y no se calientan, y en el bobinado primario son despreciables, ya que la corriente de
vacío I0 es muy baja.
Por tanto, se puede afirmar que vatímetro en el ensayo en vacio indica las pérdidas en el hierro Pfe,
es decir las pérdidas en las chapas magnéticas.
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Ensayo del Transformador en Cortocircuito
Para realizar el ensayo se cortocircuita el secundario, conectando el primario a tensión. Se aumentará
progresivamente el valor de la tensión hasta que los amperímetros marquen los correspondientes
valores nominales I1n e I2n.
En ese instante el voltímetro V1 indicará el valor de la tensión de cortocircuito del transformador UCC.
Por su parte, el vatímetro mostrará la potencia perdida por efecto Joule o Pérdidas en el Cobre para
los valores nominales de corriente.
Pero con este ensayo hay un dato muy importante que sacamos a parte de las Pcu, que es la Tensión de
Cortocircuito del Transformador.
La Tensión de cortocircuito Vcc es la tensión que hay que aplicar al bobinado primario para que, estando
en cortocircuito el devanado secundario, circule por cada uno de ellos su intensidad nominal.
La Vcc se expresa en % de la tensión nominal del primario y su valor se indica en la placa de
características del transformador.
Vcc% = Vcc / V1 x 100
¿Por qué es tan importante?
Porque para acoplar transformadores en paralelo, una de las condiciones que deben cumplirse
es tener los dos trafos igual tensión de cortocircuito en %.
Rendimiento de los Transformadores
El rendimiento de un transformador se define como el cociente entre la potencia cedida al exterior por
el bobinado secundario y la potencia absorbida por el bobinado primario:
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Un método para el cálculo del rendimiento es mediante la conexión de vatímetro en el primario y en el
secundario (método directo).
El cociente de las potencias medidas multiplicado por 1000 nos da como resultado el rendimiento del
trafo en porcentaje.
Caída de Tensión en los Transformadores
Consideremos un transformador alimentado siempre a la tensión nominal primaria U1n.
En vacío, el transformador proporcionará la tensión nominal secundaria V2n.
Con el secundario a plena carga, y con determinado factor de potencia (I2n, cosϕ2), la V2 ya no es la
nominal, se designa por V2c.
Se denomina caída interna del transformador a: ∆ V2 = V2n – V2c. En valor absoluto. Es decir, tensión
nominal del secundario en vacío menos la tensión del secundario en carga.
En porcentaje referida a la tensión nominal secundaria (V2n) será:
∆ V2% = ([V2n – V2c] / V2n) x 100
TIPOS DE TRANSFORMADORES
Según su tensión tenemos 2 tipos, los explicados anteriormente, que son los transformadores
monofásicos, y los transformadores trifásicos, que utilizan una alimentación trifásica de entrada y de
salida.
Los transformadores trifásicos utilizados en los Centros de Transformación, normalmente, están
equipados con un conmutador de tensión en vacío de 5 posiciones (5 tensiones diferentes) en el lado
de alta tensión con el mando situado en la tapa. Si aumentan los usuarios y baja la tensión en el
secundario, podemos cambiar (aumentar) el conmutador para poner el primario a una pequeña tensión
mayor.
Pero a parte de su alimentación tenemos muchas más tipas de transformadores.
Transformadores Secos Encapsulados en Resina Epoxi
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CENTRO: IES SAN JOSÉ (CUENCA
Descripción: Se utilizan en interior para distribución de energía eléctrica en media tensión, en lugares
donde los espacios reducidos y los requerimientos de seguridad en caso de incendio imposibilitan la
utilización de transformadores refrigerados en aceite.
Son de aplicación en grandes edificios, hospitales, industrias, minería, grandes centros comerciales y
toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica.
Características Generales: Su principal característica es que son refrigerados en aire con aislamiento
clase F, utilizándose resina epoxi como medio de protección de los arrollamientos, siendo innecesario
cualquier mantenimiento posterior a la instalación.
Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 2500 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25,
33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.
El Transformador de Núcleo Distribuido
Descripción: Tiene un núcleo central y cuatro ramas exteriores. Se denomina transformadores de
distribución, generalmente los transformadores de potencias iguales o inferiores a 500 kVA y de
tensiones iguales o inferiores a 67 000 V, tanto monofásicos como trifásicos.
Aunque la mayoría de tales unidades están proyectadas para montaje sobre postes, algunos de los
tamaños de potencia superiores, por encima de las clases de 18 kV, se construyen para montaje en
estaciones o en plataformas. Las aplicaciones típicas son para alimentar a granjas, residencias, edificios
o almacenes públicos, talleres y centros comerciales.
El transformador de núcleo arrollado
Descripción: El núcleo consiste en una tira de hierro arrollado en forma de espiral en torno a una bobina
preformada. Los transformadores se pueden refrigerar con circulación natural o forzada de aire, pero
su tensión nominal viene limitada por la baja rigidez dieléctrica del aire.
El aire (o el Askerol o Pyranol) sirve tanto para aislante como para refrigerante. Los transformadores se
pueden refrigerar mediante circulación natural o forzada en aceite.
Para aumentar la superficie disipadora del calor, se sueldan los tubos de la cubierta o se empernan
radiadores a ella. Para gobernar la tensión y la fase, algunos transformadores están equipados de
mecanismos de tomas variables.
Cuando se eleva la temperatura del transformador a causa de la carga, el aire o gas que se halle dentro
del transformador se dilata y es expulsado; cuando se enfría el transformador, se contrae el aire o gas
y penetra aire del exterior que contiene oxigeno y humedad.
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A este efecto se le da el nombre de respiración. La humedad y el oxigeno deterioran el sistema y
ensucian el aceite. Para evitar esto, se emplea nitrógeno y un respirador elimina el oxigeno y la humedad
del aire que penetra. Un pequeño tanque de expansión, llamado conservador, montado sobre la
cubierta del transformador, reduce mucho la superficie del aceite expuesta al gas.
Los transformadores Auto Protegidos
Aplicaciones: El transformador incorpora componentes para protección del sistema de distribución
contra sobrecargas, corto-circuitos en la red secundaria y fallas internas en el transformador, para esto
posee fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión, montados internamente en el tanque, fusibles
de alta tensión y disyuntor de baja tensión.
Para protección contra sobretensiones el transformador está provisto de dispositivo para fijación de
pararrayos externos en el tanque. Características Potencia: 45 a 150KVA Alta Tensión: 15 o 24,2KV Baja
Tensión: 380/220 o 220/127V.
El Transformador de Núcleo
Descripción: Los devanados rodean al núcleo. Éste está constituido por láminas rectangulares o en
forma de L que se ensamblan y solapan alternativamente en capas adyacentes.
En los transformadores trifásico de núcleo hay tres núcleos unidos por sus partes superior e inferior
mediante un yugo y sobre cada núcleo se devanan el primario y el secundario de cada fase. Este
dispositivo es posible porque, en todo momento, la suma de los flujos es nula.
Invirtiendo las conexiones de las bobinas centrales en el transformador trifásico acorazado, las
secciones de los núcleos entre las ventanas es igual al valor que se obtendría sin invertir las conexiones,
divididas por raíz de 3.
El transformador trifásico más compacto y ligero que los tres transformadores monofásicos
equivalentes, pero disminuye la flexibilidad del sistema.
En un auto transformador, parte del devanado es común a primario y secundario. Tan solo se transforma
una parte de la potencia, yendo la restante de la carga por conducción.
Cuando la razón de transformación es próxima a la unidad o es pequeña, se ahorra mucho material y
pérdidas adoptando este sistema en vez del transformador clásico aparente.
Los transformadores Rurales
Descripción: Están diseñados para instalación monoposte en redes de electrificación suburbanas
monofilares, bifilares y trifilares, de 7.6, 13.2 y 15 kV.En redes trifilares se pueden utilizar
transformadores trifásicos o como alternativa 3 monofásicos.
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Los transformadores Herméticos de Llenado Integral
Descripción: Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión,
siendo muy útiles en lugares donde los espacios son reducidos.
Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros
comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. Características
Generales:
Su principal característica es que al no llevar tanque de expansión de aceite no necesita mantenimiento,
siendo esta construcción más compacta que la tradicional.
Se fabrican en potencias normalizadas desde 100 hasta 1000 kVA, tensiones primarias de 13.2, 15, 25,
33 y 35 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.
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TEMA 7.- EL TRANSFORMADOR TRIFASICO
Un transformador es una máquina eléctrica estática y reversible, que puede modificar tensión e
intensidad para una potencia dada, manteniendo constante la frecuencia de la red.
Tipos de Transformadores
Los transformadores, ya sean trifásicos o monofásicos, se clasifican en función de sus devanados y de
sus núcleos magnéticos.
El núcleo, que es el circuito magnético del trafo, son chapas de acero de muy bajo espesor. Según el
núcleo los trafos pueden ser a 2 columnas o a 3 columnas. Estos últimos también se
llaman Acorazados = 3 columnas. Ver imagen de más abajo.
El circuito eléctrico son las bobinas o devanados enrolladas (bobina de cable) sobre el núcleo magnético.
Los devanados que reciben la energía se denominan "primario" y las bobinas o devanados que
suministran la energía, lógicamente la misma energía, pero con diferente tensión e intensidad, se
denominan "secundario del trafo". Podemos considerar el secundario como el receptor.
Los cables de los bobinados están aislados y también se pueden llamar "Bobinado de Alta AT" y
"Bobinado de Baja BT", ya sea el que tiene más tensión para el de alta y el que tiene menos para el de
baja.
En función de cómo se colocan (enrollan) las bobinas o devanados los tenemos concéntricos o
alternados.
Los transformadores trifásicos son todos a 3 columnas y suelen tener sus bobinas de forma
concéntrica.
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Resumen tipos:
- Según el núcleo: a 2 columnas y/o Acorazados (3 columnas)
- Según las bobinas: Concéntricos y/o Alternados
Luego los tenemos con líquido refrigerante en su interior o secos, pero esto lo veremos más adelante.
Los trifásicos, como suelen ser de mucha potencia son todos con líquido refrigerante.
El Transformador Trifásico
Un transformador trifásico está formado por un conjunto de 3 devanados (bobinas) para el
primario del transformador y otras 3 para el secundario o de salida del transformador. En cada
columna del núcleo tenemos el bobinado del secundario, normalmente pegado a la chapa de la
columna, y encima de este bobinado, enrollado sobre él pero separados por un aislante, el bobinado
del primario, pero los dos sobre la misma columna.
Todas las bobinas están montadas sobre un mismo núcleo o banco de chapas magnéticas, pero en 3
columnas
diferentes.
Fíjate
en
la
siguiente
imagen:
Al ser transformadores de mucha potencia, las bobinas y el núcleo van recubiertas de un líquido
refrigerante para que no se calienten en exceso, por ese motivo los trafos trifásicos van metidos en una
carcasa herméticamente cerrados. Luego veremos lo tipos de refrigerantes que se utilizan.
Como el trafo está montado en lo que llamamos un banco de chapas magnéticas, a este tipo de
transformadores se les suele llamar "Banco Trifásico". Podríamos decir que un transformador trifásico
está constituido por tres transformadores monofásicos montados en un núcleo magnético común.
Antiguamente se utilizaban 3 transformadores monofásicos independientes conectados a una línea
trifásica, pero tiene más pérdidas y son más caros, por lo que ya casi no se usan.
Los principios y finales de las bobinas del transformador se nombran en lado de alta tensión AT
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(nuestro caso el primario) con letras mayúsculas de la siguiente forma: A principio y A´ (A prima) final
del primario. Ver imagen de más abajo.
En el lado de baja tensión BT (secundario en nuestro caso) igual pero con letras minúsculas aa´ principio
y final de la bobina de la misma columna, pero del secundario.
Dependiendo de cómo estén conectadas las bobinas, el primario o el secundario pueden trabajar en
estrella o en triángulo.
En la columna 1 tendremos las bobinas del primario y cuyo extremo A conectaremos a la fase L1 y
además, en esa misma columna tendremos arrollada la bobina del secundario o de salida, que nos dará
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una tensión de salida diferente y que llamaremos l1. Esta salida l1 al exterior de la bobina del secundario
se hace a través del extremo o borne a.
A la bobina de la columna 2 se conectará la fase L2, y la L3 a la tercera bobina de la columna 3.
En estos transformadores se introduce una tensión trifásica en el primario y se induce una fuerza
electromotriz (fem) o tensión diferente en el secundario y también trifásica.
La nomenclatura nueva es 1U, 1V y 1W para los bornes del primario y 2u, 2v, 2w y 2n para los bornes
del secundario. Nosotros utilizamos la vieja, que es la de las imágenes de arriba.
Por ejemplo, si es un transformador reductor, tendremos una tensión elevada en el primario que se
reducirá en el secundario. si es un transformador elevador, tendremos una tensión pequeña en el
primario que aumentará en el secundario.
En el transporte y distribución de la energía eléctrica es donde más se utilizan hoy en día los
transformadores trifásicos. A la salida de la central eléctrica elevamos la tensión mediante un
transformador elevador para transportarla a otro sitio en alta tensión. Te puede interesar: Redes Aéreas
de Distribución.
Cuando vamos llegando al punto de consumo tendremos que ir reduciendo esta tensión elevada
mediante transformadores reductores. Si quieres saber más sobre esto visita el siguiente enlace: Como
se Distribuye y Transporta la Energía Eléctrica.
Cuando hablamos de tensión en el transformador se refiere a los voltios fuera del transformador y es
la que metemos por el primario o la que sacamos por el secundario. Tensión en bornes del trafo o
Tensión Nominal, que siempre se considera la tensión de línea (entre fase y fase)
Cuando hablamos de Fuerza Electromotriz (fem) es la creada o inducida por dentro del transformador,
en las bobinas y también se mide en voltios.
Funcionamiento del Transformador Trifásico
Si analizamos una sola columna del trafo tenemos:
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- Al conectar una bobina del primario a una tensión alterna se genera en las chapas del transformador
una fem (fem del primario) y un flujo magnético que recorrerá las chapas magnéticas del banco. Como
ves esta fem es interna al transformador.
- Ahora esta flujo viajará por las chapas magnéticas de la columna y cortará las espiras de la bobina del
secundario por lo que se inducirá en esta bobina una fem por el fenómeno de la inducción
electromagnética. Esta fem inducida en el secundario será de diferente valor que la del primario
porque la bobina del secundario tiene diferente número de espiras que la bobina del primario. Esta
fem inducida la podemos sacar fuera del trafo y será la tensión en el secundario.
Las dos (la fem y la tensión) se miden lógicamente en voltios porque son tensiones. Hablamos de tensión
en el primario o de entrada y de tensión en el secundario o de salida.
Esto que ocurre en una columna, ocurrirá igualmente en las otras dos al conectarlas a un sistema
trifásico. Eso si, las tensiones (y corrientes) en cada columna, y por lo tanto las fem, estarán desfasadas
120º una respecto a la otra, como ya deberías saber por ser un sistema trifásico.
Relaciónes de Transformación de un Transformador Trifásico
La relación de transformación es lo que aumenta o disminuye la tensión en un transformador entre el
primario y el secundario. La relación, de forma generalizada, en un trifásico será:
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m = V1/V2
donde:
V1 = tensión de línea del primario
V2 = Tensión de línea del secundario
También se cumple que:
m = V1/V2= N1/N2
N1 = Número de espiras del bobinado del primario.
N2 = Número de espiras del bobinado del secundario.
La división de las tensiones de fase también nos dará la relación de transformación, ya que será la misma
que si dividimos las tensiones de línea.
Recuerda que VL = √3 * Vf.
ms = Vfp/Vfs = Np/Ns; donde
ms = relación de transformación simple o de fase.
Vfp = Tensión de fase del primario Vfs = Tensión de fase del secundario
Np = Número de espiras del bobinado del primario.
Ns = Número de espiras del bobinado del secundario.
Las tensiones que se utilizan normalmente en los trafos son las de línea (medida entre 2 fases). De
hecho estas son las que se llaman tension nominal, Siempre a la de línea.
Tanto la fem del primario como la del secundario (y las tensiones) dependen del número de espiras del
primario y del secundario y de la forma de conectar las bobinas. No será lo mismo conectar las bobinas
en
estrella,
que,
en
triángulo,
como
más
adelante
veremos.
Cuando el transformador está en carga, si es ideal, la potencia aparente del primario será igual a la del
secundario:
S1 = S2
√3 x V1 x I1 = √3 x V2 x I2; de lo tenemos:
V1/V2 = I2/I1 = m
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Podemos calcular la relación de transformación con el número de espiras o con las intensidades en el
trafo, además de por supuesto con las tensiones.
Las conexiones de las bobinas, además de modificar la relación de transformación en el trafo, puede
provocar un desfase de las tensiones de fase entre el primario y el secundario provocando que
tengamos el llamado índice horario.
¿Qué es el índice horario de un Transformador?
Es el desfase entre el diagrama vectorial de las fuerzas electromotrices (tensiones) del primario y del
secundario. Así de sencillo, el problema es determinar el índice horario de un transformador concreto.
Eso es lo que aprenderemos aquí.
Lo primero que tenemos que conocer es que el índice horario se llama así porque el desfase se expresa
según las horas de un reloj. Cada hora, desde las 12 en punto, representa un desfase de 30º. Veamos el
reloj que se toma como referencia y con algún ejemplo:
Por ejemplo, si el desfase entre la fuerza electromotriz (fem) del primario y la fem del secundario es de
6, significa que el diagrama de las fem del primario y del secundario están desfasados 180º. Si es de 3,
desfase de 90º, si es de 11, desfase de 330º (o -30º). Una vez entendido esto veamos como se expresan
las diferentes opciones de conexión de los transformadores trifásico.
En los trafos también se expresa el "Grupo de Conexión", que es la conexión de las bobonas del primario
y del secundario mediante letras.
- La primera letra, en mayúscula, nos expresa la conexión del primario. "D" en triángulo, "Y" en estrella.
- La segunda letra, en minúscula, nos expresa la conexión del secundario. "d" en triángulo, "y" en
estrella.
- Puede llevar una n (minúscula) como tercera letra para expresar que es con neutro. Por ejemplo, Dyn
(triángulo con salida en estrella con neutro)
- El número que se pone a continuación es el índice horario del trafo, como ya vimos anteriormente.
Por ejemplo: Dy11 es un transformador con conexión triángulo en el primario y conectado en estrella
en el secundario y cuyo índice horario es de 11 o 330º.
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Yd11 será estrella en el primario, triángulo en el secundario y desfase de 330º.
Dd0 será triángulo y triangulo con desfase de 0º.
Existe un grupo de conexión llamada zig-zag que se denomina con la letra z y que podrás ver en las
conexiones de la imagen de más abajo. Nosotros en esta página no hablaremos de este tipo de conexión.
A continuación, te dejamos una tabla con los índices horarios más utilizados y las conexiones del
transformador trifásico. De momento solo fíjate en lo explicado hasta ahora, a continuación, te
explicaremos como determinar el índice horario.
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Las razones para elegir una configuración Y o Δ para las conexiones de devanado del transformador
son las mismas que para cualquier otra aplicación trifásica: las conexiones en Y brindan la posibilidad de
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múltiples voltajes, mientras que las conexiones en Δ disfrutan de un mayor nivel de confiabilidad (si un
devanado falla, los otros dos aún pueden mantener voltajes de línea completos a la carga).
Determinación del Índice Horario de un Transformador
Para determinar el índice horario de un trafo trifásico se parte de lo siguiente: "Todos los arrollamientos
montados sobre una misma columna abrazan en cada instante el mismo flujo común F y, con el fin de
precisar el sentido de las f.e.m., suponemos que el sentido de arrollamiento de las bobinas primarias y
secundarias es el mismo". ¿Qué significa esto?
Los transformadores trifásicos tienen 3 columnas, o lo que es lo mismo 3 arrollamientos (bobinas) en el
primario y 3 en el secundario. Pues lo dicho arriba significa que el vector de la fem de un transformador
trifásico en una de sus 3 columnas del primario es de la misma dirección y sentido que la generada en
el secundario en la misma columna. Lógicamente en el secundario mas pequeña si es reductor de
tensión. Si todavía no lo entiendes no te preocupes, con el ejemplo que veremos te quedará claro.
Las columnas (bobinas) en un trafo se nombran de la siguiente forma:
En el Primario el Inicio con la letra A, el Final de la bobina con la A´(A prima). La segunda columna del
trafo será BB´ y la tercera C y C´.
En el Secundario lo mismo, pero con letras minúsculas. En la figura el secundario las letras minúsculas
de la parte de arriba son las primas a´b´c´y las de abajo son a, b y c (sin ser primas).
Si nombramos de esta forma, los vectores de las tensiones o fem del primario AA´ y la del secundario
aa´ tienen la misma dirección y sentido (como si fueran paralelos, una más grande que otro).
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Además, Siempre las conexiones a la red del primario serán L1, L2 y L3 (mayúsculas) y las del secundario
l1, l2 yl3 (minúsculas).
A partir de ahora hablaremos de tensiones. Ya sabes que en un transformador la fem es la interna, y la
tensión es la externa, es decir la que tenemos en los bornes de conexión.
Una vez que sabemos esto, ahora veamos los pasos a realizar para calcular el índice horario.
Imaginemos queremos deducir el índice horario del siguiente trafo:
1º) Sacamos los vectores de las fem del primario AA’, BB’ y CC’. Para eso dibujamos el siguiente
triángulo.
Si el primario es en estrella, nos quedará la estrella de tensiones desde el punto neutro, si es en
triángulo, nos quedará una representación de vectores formando el triángulo. ¡¡¡OJO!!!! Dibujar el
triángulo siempre del primario en la misma posición ya que será la referencia para sacar el índice
horario.
En el triángulo anterior ponemos las letra del primario que está conectada a L1 a L2 y a L3 (antiguamente
R,S,T).
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Como A está unido a L1, en el triángulo de alimentación A deberá estar unido a L1. De igual modo se
observa que A’ está unido a L2, por lo que sucederá lo mismo en el triángulo de alimentación. Siguiendo
este procedimiento marcaremos los extremos B y B’, así como C y C’.
Nos queda:
Si fuera en estrella tendríamos que poner las tensiones desde N. Sigamos con nuestro ejemplo y lo
entenderás.
2º) A continuación representamos los vectores de las tensiones aa’, bb’ y cc’ del secundario, que como
dijimos tienen que tener la misma dirección y sentido que los segmentos AA’, BB’ y CC’ . OJO, en este
ejemplo en estrella. Según el esquema de conexión a´,b´, y c´están unidos formando el punto neutro.
Pues ya sabes, a ponerlos en el mismo punto.
Sabemos dónde este el punto A´ en el primario y donde está el punto a’ en el secundario. Sabiendo
donde está el punto A de primario deducimos donde estará el punto a en el secundario. Recuerda que
tienen que ser vectores paralelos AA´ y aa´(misma dirección y sentido) . Además, el punto a está
conectado a l1. Con todos estos datos no es difícil sacar el vector aa´. Repetimos el proceso para las
otras dos columnas y nos queda lo siguiente:
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¿Te fijas en la diferencia (ángulo) que hay entre el diagrama del primario y del secundario? Si tomamos
como referencia el 12 del reloj, el secundario estaría en el 11, es decir, el índice horario sería 11 con
330º de desfase.
Lógicamente en este caso al estar a´en el neutro la tensión de fase en el secundario de salida será a´a,
vector contrario en sentido al AA´, ya que aa´ será del mismo sentido que AA´.
Realmente si hiciéramos el diagrama de tensiones de fase del primario y lo comparamos con el del
secundario, eso sería el índice horario: "El desfase entre las tensiones de fase o simples del primario
y del secundario de un transformador".
¡OJO! No todas las conexiones iguales, por ejemplo, Yy, tienen el mismo índice, depende de la forma
de unir los bornes para hacer la conexión. Veamos un ejemplo de una Yy0 y una Yy6 (imagen de abajo).
¿Qué las hace diferentes fíjate que en el secundario están conectada la estrella (el puente) de la misma
manera, sin embargo, en el primario de la Yy6 es puente de la estrella se hace ABC, no A´B´y C´ como
en el Yy0? Eso hace que, aunque estén los dos en estrella, el desfase o índice horario sea diferente.
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Por último, te dejamos una imagen con la mayoría de las posibles conexiones de un transformador
trifásico y sus respectivos índices horarios.
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Fórmulas y Magnitudes en los Transformadores Trifásicos
Además de las relaciones de transformación tenemos:
- Potencia del Trafo = Potencia Aparente en KVAs = Es el valor de potencia aparente que puede
suministrar el secundario de un transformador. Este valor estará referido a la tensión nominal en las
condiciones de temperatura preestablecidas.
S = √3 x Vl x Il
Donde Vl e Il son la tensión y la intensidad nominal del secundario, es decir las de línea.
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Las potencias nominales están normalizadas y los valores son: 25, 50, 100, 250, 400 y 630 kVA. Las dos
últimas son las más utilizadas en los centros de transformación.
Si no se consideran pérdidas, la potencia del trafo sería igual en el primario que en el secundario.
Recuerda:
- Tensión nominal primaria: Se refiere a la tensión de alimentación del transformador. Suele llamarse
V1n, aunque no te confundas con la n, es tensión de línea, es decir medida entre 2 fases.
- Tensión nominal secundaria: Es la obtenida en los bornes del secundario (U2n) cuando el
transformador opera en vacío y se alimenta el circuito primario a su tensión nominal. Su valor suele ser
un 5% mayor, respecto a los valores nominales de la red, para compensar las caídas de tensión.
De la fórmula de la potencia aparente anterior podemos despejar la I1n o I2n (intensidad nominal
primario o secundaria) para calcularla, sabiendo la S del trafo.
- Intensidad nominal primaria: Es la que recorre el devanado primario cuando el transformador trabaja
a plena carga o a su potencia nominal. I1n
- Intensidad nominal secundaria: Es la que recorre el devanado secundario cuando el transformador
suministra su potencia nominal. I2n
Otras tensiones son:
- Tensión máxima de servicio: Es la máxima tensión que soportaría el transformador funcionando en
régimen permanente. En el caso de distribución, para una tensión nominal en el primario de 20 kV,
correspondería
una
tensión
máxima
de
servicio
de
24
kV.
- Tensión de cortocircuito: Es la tensión que hay que aplicar al bobinado primario para que, estando en
cortocircuito el devanado secundario, circule por cada uno de ellos su intensidad nominal.
La tensión de cortocircuito UCC se expresa en % de la tensión nominal del primario y su valor se indica
en la placa de características del transformador. Para acoplar transformadores en paralelo, una de las
condiciones que deben cumplir es tener igual tensión de cortocircuito en %.
. Rendimiento del Trafo: Potencia del primario / Potencia del secundario
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Tensiones en triángulo y en estrella
Fíjate que la tensión de las bobinas es la tensión de fase y que la tensión de la línea y la de las bobinas
(de fase) del transformador, en triángulo son las mismas.
En Estrella, la tensión de la línea a la que se conecta el trafo es √3 veces mayor que la tensión a la que
estarán sometidas las bobinas (la de fase)
Además, recuerda que:
ms = Vfp/Vfs = Np/Ns; y que además la mc = VLp/VLs.
Según esto. ahora vamos a deducir la relación de transformación compuesta en función del número de
espiras:
- Trafo triangulo-Triángulo: En este caso las tensiones de línea y fase en el secundario y en el primario
son iguales por lo que:
ms = Vfp/Vfs = N1/N2; como
Vfp/Vfs = VLp/VLs tenemos que:
ms = mc = Vfp/Vfs = N1/N2 = VLp/VLs; normalmente la relación que se utiliza es la relación compuesta
o de línea referida al número de espiras. Esas son las fórmulas que vamos a deducir y a poner en negrita
en cada caso. Para este caso será:
mc = N1/N2
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- Trafo Estrella-Estrella: En este caso las tensiones de línea son √3 la de fase por lo que:
m = Vfp/Vfs = N1/N2; como VLp/VLs = √3Vfp/√3Vfs = Vfp/Vfs; entonces:
ms = mc = Vfp/Vfs = N1/N2 = VLp/VLs
mc = N1/N2
- Trafo Triángulo-Estrella: Aquí las tensiones del primario son iguales, pero las del secundario
no:
ms = Vfp/Vfs = N1/N2
mc = VLp/VLs = Vfp/√3Vfs = N1/√3N2; por lo que mc = ms/√3
mc = N1/√3N2
- Trafo Estrella-Triángulo: Aquí las tensiones del primario no son iguales, pero las del secundario son
iguales, por lo que tenemos:
mc = VLp/VLs = √3Vfp/Vfs = √3N1/N2; luego mc = √3 x ms;
mc = √3N1/N2
Si ahora vuelves a ver la tabla de arriba de índices horarios, verás que en la última columna hay la
relación de transformación de línea en cada tipo de conexión. Verás como coincide con la aquí
explicado.
Refrigeracion de los Transformadores
Como ya dijimos, tanto el núcleo como los bobinados van inmersos en un fluido refrigerante que evita
las altas temperaturas en el interior del transformador. El calor se expulsa al exterior por contacto del
refrigerante con el aire o con otro líquido, por ejemplo, agua.
La designación del sistema de refrigeración utilizado en los transformadores está normalizada según
las normas UNE.
Dicho sistema consta de cuatro letras, donde cada una suministra información de un tipo.
- Primera letra: Se refiere al medio de refrigeración interno que está en contacto con los arrollamientos.
Las opciones son:
O = Aceite mineral o líquido aislante sintético con punto de inflamación menor de 300 °C.
K = Líquido aislante con punto de inflamación superior a 300 °C.
L = Líquido aislante con punto de inflamación no medible.
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- Segunda letra: Indica el modo de circulación del medio de refrigeración interno. Los modos son:
N = Circulación natural por termosifón a través del sistema de refrigeración y en los arrollamientos.
F = Circulación forzada a través del sistema de refrigeración, circulación por termosifón en los
arrollamientos.
D = Circulación forzada a través del sistema de refrigeración, dirigida desde el sistema de refrigeración
hasta, al menos, los arrollamientos principales.
– Tercera
letra.
Se
refiere
al
medio
de
refrigeración
externo.
Las
opciones
son:
A = Aire.
W = Agua.
– Cuarta letra. Indica el modo de circulación del fluido externo. Las posibilidades son dos:
N = Convección natural.
F = Circulación forzada (ventiladores y bombas).
Los tipos más comunes son:
ONAN = Refrigeracion Aceite por circulación Natural (Oil Natural AirNatural). Este es el sistema de
enfriamiento por transformador más utilizado de todos los sistemas y el más económico. En la
circulación del aceite, el aceite absorbe el calor de las bobinas y fluye hacia la parte superior del tanque
del transformador (circulación natural del aceite por convección). Este aceite caliente que llega a la
parte superior disipará el calor a la atmósfera a través de la conducción natural, la convección y la
radiación en el aire y se enfriará, volviendo a circular y refrigerar sin parar mientras el transformador
esté en funcionamiento.
ONAF: Aceite forzado por aire natural (Oil Natural Air Forced). Prácticamente es una ONAN al que se le
añaden ventiladores. La disipación del calor se puede hacer aún más rápido aplicando un flujo de aire
forzado por la superficie de propagación. Se emplean ventiladores que soplan aire en la superficie de
enfriamiento. El aire forzado elimina el calor de la superficie del radiador y proporciona una mejor
refrigeración.
ONWF: Oil Natural Water Forced. Sumergidos en aceite pero por enfriamiento por agua (intercambiador
de calor aceite-agua).
Conclusiones:
En estrella se consigue que la tensión a la que queda sometida cada fase del transformador sea √3 veces
menor que la tensión de línea, por lo que se consigue reducir el número de espiras en relación a la
conexión en triángulo para una misma relación de transformación de las tensiones de línea.
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Por otro lado, la conexión en estrella hace circular una corriente por cada fase del transformador √3
veces mayor que en la conexión en triángulo, por lo que la sección de los conductores de las espiras
aumenta en relación con la conexión en triángulo. Conectando el secundario en estrella se consigue
disponer de neutro, lo que permite obtener dos tensiones de distribución y la posibilidad de conectar
el neutro a tierra para garantizar la seguridad de las instalaciones.
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TEMA 8.- LA MÁQUINA SINCRÓNICA
Las máquinas sincrónicas (o sincrónicas) son maquinas cuyo estator se encuentra alimentado por
corriente alterna, en tanto el rotor tiene alimentación continua ya sea a través de un enrollado de
campo o bien mediante imanes permanentes.
Maquinas Sincrónicas:
Los maquinas síncronas son un tipo de motor de corriente alterna. Su velocidad de giro es constante
y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté conectada y por el número
de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo". Este
tipo de motor contiene electromagnetos en el estator del motor que crean un campo magnético
que rota en el tiempo a esta velocidad de sincronismo.
En términos prácticos, las máquinas sincrónicas tienen su mayor aplicación en potencias elevadas,
particularmente como generadores ya sea a bajas revoluciones en centrales hidroeléctricas, o bien
a altas revoluciones en turbinas de vapor o gas.
Cuando la máquina se encuentra conectada a la red, la velocidad de su eje depende directamente
de la frecuencia de las variables eléctricas (voltaje y corriente) y del número de polos. Este hecho
da origen a su nombre, ya que se dice que la máquina opera en sincronismo con la red. Por ejemplo,
una máquina con un par de polos conectada a una red de 50 [Hz] girará a una velocidad fija de 3000
[RPM], si se tratara de una máquina de dos pares de polos la velocidad sería de 1500 [RPM] y así
sucesivamente, hasta motores con 40 o más pares de polos que giran a bajísimas revoluciones.
En la operación como generador desacoplado de la red, la frecuencia de las corrientes generadas
depende directamente de la velocidad mecánica del eje. Esta aplicación ha sido particularmente
relevante en el desarrollo de centrales de generación a partir de recursos renovables como la
energía eólica.
Las máquinas sincrónicas también se emplean como motores de alta potencia (mayores de 10.000
[HP]) y bajas revoluciones. Un ejemplo particular de estas aplicaciones es al interior de la industria
minera como molinos semiautógenos (molinos SAG) o como descortezadores de la industria
maderera.
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Adicionalmente a la operación como motor y generador, el control sobre la alimentación del rotor
hace que la máquina sincrónica pueda operar ya sea absorbiendo o inyectando reactivos a la red en
cuyo caso se conocen como reactor o condensador sincrónico respectivamente. Particularmente
esta última aplicación es utilizada para mejorar el factor de potencia del sistema eléctrico el cual
tiende a ser inductivo debido a las características típicas de los consumos.
La expresión matemática que relaciona la velocidad de la máquina con los parámetros mencionados
es:
Características constructivas:
Características del estator:
Dada la alimentación alterna de la armadura, el estator de la máquina sincrónica es muy similar al
estator de la máquina de inducción, por lo cual las características constructivas del mismo no se
repetirán en esta sección
Características del rotor:
El rotor de una máquina sincrónica puede estar conformado por:
Imanes permanentes
Rotor de polos salientes
Rotor cilíndrico
Los imanes permanentes representan la configuración más simple ya que evita el uso de anillos
rozantes para alimentar el rotor, sin embargo, su aplicación a altas potencias se encuentra limitada
ya que las densidades de flujo magnético de los imanes no son, por lo general, alta. Adicionalmente,
los imanes permanentes crean un campo magnético fijo no controlable a diferencia de los rotores
con enrollados de excitación donde se puede controlar la densidad de flujo magnético.
Dentro de los rotores con enrollados de excitación se tienen los de tipo cilíndrico y los de polos
salientes.
La imagen muestra el diagrama del estator de una máquina sincrónica, la figura (b) corresponde a un
rotor de polos salientes, en tanto que el dibujo (c) muestra el esquema de un rotor cilíndrico. Por su
parte, en las figuras (d) y (e) se observan la apariencia de una máquina sincrónica vista desde fuera y
la representación de los enrollados de rotor y estator, respectivamente.
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Figura 1. Rotores de máquina sincrónica
Desde el punto de vista de modelamiento el rotor cilíndrico es bastante más simple que el rotor de
polos salientes ya que su geometría es completamente simétrica. Esto permite establecer las
relaciones para los voltajes generados respecto de las inductancias mutuas del rotor y estator, las
cuales son constantes.
En el caso del rotor de polos salientes, su geometría asimétrica provoca que el modelamiento de las
inductancias propias de estator y rotor, así como las inductancias mutuas entre ambos, tengan un
desarrollo analítico bastante complejo.
Motores síncronos:
De acuerdo con lo estudiado, los motores síncronos no pueden arrancar en forma autónoma lo cual
hace que requieran mecanismos adicionales para la partida:
•
Una máquina propulsora externa (motor auxiliar).
•
Barras amortiguadoras.
Particularmente en el segundo caso, se intenta aprovechar el principio del motor de inducción para
generar torque a la partida. Constructivamente, en cada una de las caras polares del rotor (polos
salientes), se realizan calados donde se colocan unas barras, denominadas amortiguadoras, que le
dan al rotor una característica similar a los segmentos tipo jaula de ardilla del motor de inducción.
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Figura 2. Barras amortiguadoras en motor síncrono
De este modo, el motor se comporta como una máquina de inducción hasta llegar a la velocidad
sincrónica. Es importante notar que el circuito de compensación se construye de modo que el campo
magnético rotatorio inducido en el rotor sea débil comparado con el campo magnético fijo del rotor
(producido por la alimentación con corriente continua). De este modo se evita que el efecto de
inducción perturbe la máquina en su operación normal.
Ejes directo y en cuadratura:
El estudio del comportamiento de las máquinas sincrónicas se simplifica al considerar dos ejes
ficticios denominados eje directo y eje en cuadratura, que giran solidarios al rotor a la velocidad de
sincronismo (ver figura 3):
El eje directo es aquel que se define en la dirección Norte-Sur del rotor, con su origen
en el centro magnético y en dirección hacia el Norte.
El eje en cuadratura tiene el mismo origen que el anterior pero su dirección es
perpendicular a éste.
Las corrientes por ambos enrollados ficticios (Id e Iq) están desfasadas en 90º eléctricos y la suma
de ambas es equivalente a la corriente por fase en los enrollados reales.
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Figura 3. Ejes directo y en cuadratura
El uso de estos enrollados ficticios permite simplificar el análisis de las máquinas sincrónicas. En
particular, en el caso de la máquina con rotor cilíndrico que posee una geometría simétrica es
posible establecer un circuito eléctrico equivalente para definir el comportamiento de esta
máquina.
En el caso del rotor de polos salientes, si bien no se puede esquematizar el comportamiento de la
máquina a través de un circuito eléctrico equivalente, el empleo de los ejes directo y en cuadratura
contribuye a simplificar notablemente el desarrollo analítico y las ecuaciones debido a que permite
independizarse del ángulo de posición entre el rotor y los ejes de las fases.
En la sección siguiente se presenta el desarrollo analítico del comportamiento de la máquina de
polos salientes (más compleja) y posterior a ello se analiza el comportamiento de la máquina con
rotor cilíndrico a partir de su circuito equivalente.
Circuito equivalente de la máquina sincrónica:
La existencia de los ejes ficticios directo y en cuadratura permite modelar eléctricamente las
variables del estator a través de la resistencia del estator y las reactancias del eje directo y en
cuadratura.
Particularmente, si el rotor es de polos salientes las reactancias en ambos ejes son diferentes y su
cálculo supone un desarrollo complejo como el presentado precedentemente. En el rotor cilíndrico,
sin embargo, se define una única reactancia: Xs=Xd=Xq por lo cual es posible establecer un circuito
como el de la siguiente figura 4.
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Figura 4. Circuito equivalente por fase de la máquina sincrónica.
A partir de la figura se define:
Donde:
E es la tensión inducida de la máquina
Re es la resistencia en los enrollados del estator. Ler es la
inductancia mutua entre rotor y estator.
Ne, Nr son el número de vueltas de los enrollados de estator y rotor respectivamente.
R es la reluctancia del circuito magnético. Ir es la
corriente rotórica (de excitación).
Generadores Sincrónicos:
El generador síncrono (alternador) es un tipo de máquina eléctrica rotativa capaz de transformar
energía mecánica en energía eléctrica. A estos también se los conoce como Máquinas Síncronas, la
razón por la que se llama generador síncrono es la igualdad entre la frecuencia eléctrica como la
frecuencia angular, es decir, el generador girara a la velocidad del campo magnético, por lo que a
esta igualdad de frecuencias se le denomina sincronismo. Los generadores constan
fundamentalmente del rotor y el estator, ambos con devanados.
Esta máquina funciona alimentando al rotor o circuito de campo por medio de una batería es decir
por este devanado fluirá CC., mientras q en el estator o circuito de armadura la corriente es alterna
CA.
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El generador síncrono está compuesto principalmente de una parte móvil o rotor y de una parte fija
o estator, el principio de funcionamiento de un generador síncrono se basa en la ley de Faraday.
Para crear tensión inducida en el (estator), debemos crear un campo magnético en el rotor o circuito
de campo, esto lo lograremos alimentado el rotor con una batería, este campo magnético inducirá
una tensión en el devanado de armadura por lo que tendremos una corriente alterna fluyendo a
través de él.
Tipos de construcción:
La principal diferencia entre los diferentes tipos de generadores síncronos, se encuentra en su
sistema de alimentación en continua para la fuente de excitación situada en el rotor.
Excitación Independiente: excitatriz independiente de continua que alimenta el rotor a través de
un juego de anillos rozantes y escobillas.
Excitatriz principal y excitatriz piloto: la máquina principal de continua tiene como bobinado de
campo otra máquina de excitación independiente, accionada por el mismo eje.
Electrónica de potencia: directamente, desde la salida trifásica del generador, se rectifica la señal
mediante un rectificador controlado, y desde el mismo se alimenta directamente en continua el
rotor mediante un juego de contactores (anillos y escobillas). El arranque se efectúa utilizando una
fuente auxiliar (batería) hasta conseguir arrancar.
Sin escobillas, o diodos giratorios: la fuente de continua es un rectificador no controlado situado
en el mismo rotor (dentro del mismo) alimentado en alterna por un generador situado también en
el mismo eje y cuyo bobinado de campo es excitado desde un rectificador controlado que rectifica
la señal generada por el giro de unos imanes permanentes situados en el mismo rotor (que
constituyen la excitatriz piloto de alterna).
Partes de un generador síncrono:
A continuación, se detalla las partes fundamentales que componen un generador síncrono:
1. Estator.
2. Rotor.
3. Sistema de enfriamiento.
4. Excitatriz.
5. Conmutador.
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Fig 1: Partes del Alternador
Estator:
Parte fija de la máquina, montada envuelta del rotor de forma que el mismo pueda girar en su
interior, también constituido de un material ferromagnético envuelto en un conjunto de
enrollamientos distribuidos al largo de su circunferencia. Los enrollamientos del estator son
alimentados por un sistema de tensiones alternadas trifásicas.
Por el estator circula toda la energía eléctrica generada, siendo que tanto la tensión en cuanto a
corriente eléctrica que circulan son bastante elevadas en relación al campo, que tiene como función
sólo producir un campo magnético para "excitar" la máquina de forma que fuera posible la
inducción de tensiones en las terminales de los enrollamientos del estator.
La máquina síncrona está compuesta básicamente de una parte activa fija que se conoce como
inducido o ESTATOR y de una parte giratoria coaxial que se conoce como inductor o ROTOR. El
espacio comprendido entre el rotor y el estator, es conocido como entrehierro.
Esta máquina tiene la particularidad de poder operar ya sea como generador o como motor.
Fig 3: Estator del Alternador
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Los elementos más importantes del estator de un generador de corriente alterna, son las
siguientes:
1. Componentes mecánicas.
2. Sistema de conexión en estrella.
3. Sistema de conexión en delta.
Componentes mecánicas. Las componentes mecánicas de un generador son las siguientes:
A. La carcasa: La carcasa del estator está formada por bobinas de campo arrollados sin
dirección, soportadas en piezas de polo sólidas. Las bobinas están ventiladas en su extremo
para proporcionar de esta forma una amplia ventilación y márgenes de elevación
de temperatura. La carcasa del estator es encapsulada por una cubierta apropiada para
proporcionar blindado y deflectores de aire para una correcta ventilación de la excitatriz sin
escobillas.
B.El núcleo.
C.
Las bobinas.
D.
La caja de terminales.
Sistema de conexión en estrella. Los devanados del estator de un generador de
C.A. están conectados generalmente en estrella, en la siguiente figura T1, T2, T3 representan las
terminales de línea (al sistema) T4, T5, T6 son las terminales que unidas forman el neutro.
Fig 4: conexión en estrella
Sistema de conexión delta. La conexión delta se hace conectando las terminales 1 a 6, 2 a 4 y 3 a 5,
las terminales de línea se conectan a 1, 2 y 3, con esta conexión se tiene con relación a la conexión
estrella, un voltaje menor, pero en cambio se incrementa la corriente de línea.
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Fig 4: conexión en delta
Rotor:
Es la parte de la máquina que realiza el movimiento rotatorio, constituido de un material
ferromagnético envuelto en un enrollamiento llamado de "enrollamiento de campo", que tiene
como función producir un campo magnético constante, así como en el caso del generador de
corriente continua para interactuar con el campo producido por el enrollamiento del estator.
La tensión aplicada en ese enrollamiento es continua y la intensidad de la corriente soportada por
ese enrollamiento es mucho más pequeño que el enrollamiento del estator, además de eso el rotor
puede contener dos o más enrollamientos, siempre en número par y todos conectados en serie
siendo que cada enrollamiento será responsable por la producción de uno de los polos del
electroimán.
Fig 5: Rotor del Alternador
Sistema de enfriamiento.
1. Generadores enfriados por aire:
Estos generadores se dividen en dos tipos básicos: abiertos ventilados y completamente cerrados
enfriados por agua a aire.
Los generadores de tipo OV fueron los primeros construidos, el aire en este tipo de generadores
pasa sólo una vez por el sistema y considerable cantidad de
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materias extrañas que pueden acumularse en las bobinas, interfiriendo la transferencia de
calor y afectando adversamente al aislamiento.
Los generadores tipo TEWC, son un sistema de enfriamiento cerrado, donde el aire re circula
constantemente y se enfría pasando a través del tubo del enfriador, dentro de los cuales se
hace pasar agua de circulación. La suciedad y materias extrañas no existen en el sistema, y
puesto que se tiene agua de enfriamiento disponible, la temperatura del aire puede
mantenerse tan baja como se desee.
2. Generadores enfriados por hidrógeno:
Los generadores de mayor capacidad, peso, tamaño y los más modernos, usan hidrógeno
para enfriamiento en vez de aire en circuito de enfriamiento cerrado. El enfriamiento
convencional con hidrógeno puede usarse en generadores con capacidad nominal
aproximada de 300 MVA.
3. Generadores enfriados por hidrógeno / agua:
Pueden lograrse diseños de generadores aun más compactos mediante el uso de
enfriamiento con agua directo al devanado de la armadura del generador. Estos diseños
emplean torones de cobre a través de los cuales fluye agua desionizada. El agua de
enfriamiento se suministra vía un circuito cerrado.
Tipos de diseños:
A continuación, vamos a enumerar cuales son los tipos de diseños que se encuentran en la
construcción de generadores síncronos. Estos son:
De polos salientes en el estator
De polos salientes en el motor
Generador sin escobillas
Ahora vamos a proceder a analizar cada uno de estos, recalcando la utilidad y aplicación de
cada uno de estos diseños.
Generador síncrono con polos salientes en el estator:
Fig. 6. Generador con polos en el estator.
El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio (y se
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les llama "paquete"), que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo
magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos
magnéticos.
La particularidad de este tipo de generador es que tiene el inducido en el rotor, esta
configuración es propia de máquinas de baja y media velocidad y potencia, hasta 1000 rpm.
Por tal razón para poder sacar la tensión producida, necesitamos de un sistema de colector
de anillos. El número de anillos a utilizar va a depender directamente del número de fases
con la que nos encontremos trabajando.
Generador síncrono con polos salientes en el rotor:
Fig. 7. Generador con polos en el rotor
Este generador a diferencia del anterior tiene el inducido en el estator, por tal razón no
necesitamos un mecanismo de colector de anillos para extraer la tensión generada ya que
esta va a encontrarse en la parte externa de la máquina, necesitaríamos únicamente un par
de anillos, con la finalidad de ingresar el voltaje de campo, pero esto es de gran ayuda ya
que el voltaje de campo es considerablemente más pequeño que la tensión generada, por
tal razón este par de anillos van hacer de medidas pequeñas, y así mismo las escobillas no
tendrían un tamaño mayor.
Fig. 5. Polos salientes en el rotor
Se utiliza este tipo de generadores, para gran potencia, por la versatilidad quenos brinda.
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Generador síncrono sin escobillas:
Fig. 5. Generador sin escobillas
Este tipo de generadores son de mediana potencia, para la excitación podríamos tener un
banco de baterías que sería de respaldo, la excitatriz podría ser un alternador, es decir un
generador síncrono con polos salientes en el estator, luego de esta etapa, sale a una placa
electrónica en donde por medio de dispositivos electrónicos, se envía al circuito de
excitación del generador principal. Para realizar reparaciones en este tipo de generadores,
es necesario saber sobre dispositivos electrónicos, y centrarse en el controlador.
Fig. 5. Alternador sin escobillas
Debido a que no presenta ningún contacto mecánico entre el rotor y el estator estas
máquinas requieren mucho menos mantenimiento.
Conclusiones
El generador síncrono consta de una igualdad entre la frecuencia eléctrica y la
frecuencia angular, es decir, el generador girara a la velocidad del campo magnético
a esta igualdad de frecuencias se le denomina sincronismo.
El diseño de polos salientes en el estator, tiene la condición que cuenta con el
inducido en el rotor, es decir en la parte que se mueve, de aquí que es necesario la
utilización de anillos, y estos van a depender del número de fases.
El diseño de polos salientes en el estator, es utilizada para generadores de gran
potencia, el inducido se encuentra en el estator, y no necesitamos sacar la tensión
generada, únicamente ingresar un voltaje mínimo para la excitación del campo.
El diseño del generador sin escobillas es mucho más complejo que los anteriores,
ya que la salida de este va a dirigirse hacia una placa electrónica, en la cual van a
encontrarse diferentes tipos de dispositivos, y este comandar el circuito de
excitación.
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