Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO. MQUINAS ELCTRICAS ROTTIVAS MOTORES DE INDUCCIN O ASNCRONOSLa conversin electromecnica. Principio general de funcionamiento y disposicin constructiva de las mquinas elctricas. Todas las mquinas elctricas funcionan aprovechando las leyes de Biot y Savart, la ley de la induccin electromagntica de Faraday (

e=

F = l I ). En cualquier mquina elctrica aparecern unas tensiones inducidas y unas fuerzas

t ) y la de la fuerza magntica de Laplace (

sobre los bobinados de la mquina. Cuando un conductor est inmerso en el seno de un campo magntico y por el hacernos circular una corriente elctrica, aparecen unas fuerzas de carcter electromagntico que tienden a desplazarlo.

El campo magntico se crea mediante bobinas alojadas en el estator de la mquina. En el rotor se sitan los conductores en los que se va a desarrollar la fuerza cuando sean recorridos por una corriente elctrica. Los motores de corriente alterna ms utilizados son los asncronos o de induccin. Los motores asncronos se deben a Deprez (1883), a Ferraris, que descubri las corrientes polifsicas para producir campos giratorios (1885), a Tesla (1888) y, finalmente, a DolivoDobrowolosky, que en 1889 logr construir un motor utilizable y dos aos despus se fabricaban motores trifsicos de 100 CV. De toda la energa elctrica consumida, el 75 %, aproximadamente, se convierte en energa mecnica destinada a la produccin de fuerza motriz mediante motores elctricos. El resto se transforma principalmente en luz y calor. La mayor parte de los motores elctricos son asncronos de induccin trifsicos y dentro de stos, el 80 % tienen potencias inferiores a 4 kW. El acoplamiento electromagntico Para que se produzcan fuerzas electromotrices inducidas (generadores) y fuerzas o par de giro sobre las bobinas o inducidos (motores), se necesitan dos circuitos elctricos (uno fijo en el estator y otro mvil en el rotor) que estn en el seno de un campo magntico. El acoplador electromagntico transforma la energa elctrica en magntica, para que sta se transforme en mecnica, y viceversa.

Acoplamiento electromagntico como generador y como motor

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.Partes de las que puede constar un motor elctrico asncrono Rotor: Es la parte que gira. Los conductores se alojan en ranuras practicadas en un ncleo formado por chapas magnticas (para evitar prdidas en el hierro) y de forma cilndrica. El rotor posee un tamao muy similar al hueco dejado por el estator con el fin de que el entrehierro sea lo ms pequeo posible. De esta forma, se facilita la conduccin de las lneas de campo magntico desde el estator hacia el rotor y se evitan al mximo los flujos dispersos. Por esta razn, al montar las diferentes partes de un motor elctrico, es muy importante realizar una correcta alineacin del rotor, apoyndolo correctamente en sus cojinetes. Adems, conviene comprobar si el rotor est perfectamente equilibrado, ya que un reparto no uniforme de las masas del devanado o del ncleo puede producir oscilaciones.

Inducidos: (b) de motor de induccin, rotor devanado, (c) de motor de induccin, rotor de jaula o en cortocircuito. Estator: Es la parte que permanece sin movimiento. Las bobinas, encargadas de producir el campo magntico inductor, se alojan en ranuras practicadas en un ncleo formado, por lo general, por paquetes de chapa magntica. De esta forma se consigue que los conductores ocupen menos espacio.

Carcasa: Es la cubierta metlica que protege al motor de las acciones exteriores. Dependiendo de la aplicacin a que se vaya a dedicar el motor, existen diferentes grados de proteccin contra contactos, contra la accin de cuerpos extraos y contra el agua, que vienen definidos en las normas internacionales (sistema de codificacin IP IK). Ventilacin: Los motores producen una serie de prdidas en los devanados (prdidas en el cobre) y en los ncleos magnticos (prdidas en el hierro) a los que se les suma las prdidas producidas por los rozamientos mecnicos en los puntos de apoyo del rotor. Estas prdidas se convierten en calor, que si no es evacuado de una forma adecuada, puede elevar la temperatura de la mquina y perjudicar a los aislamientos de los devanados. Para evitarlo se suele acoplar un ventilador al rotor que impulsa el aire por el interior de la mquina y elimina con eficacia el exceso de calor. Caja de bornes: Sirve para alojar los diferentes terminales de los devanados para poder ser

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.conectados, segn convenga, al circuito de alimentacin. Rendimiento electromecnico En toda mquina elctrica la suma de las prdidas calorficas en el cobre, las prdidas en el hierro y el incremento de energa acumulada, es una energa perdida que no se transforma en energa til. En la prctica, a los instaladores les resulta difcil calcular todas estas prdidas y lo que se hace es trabajar con el rendimiento que dan los fabricantes de motores. Por rendimiento electromecnico entendemos la relacin entre la energa que da una mquina y la energa total que absorbe. Expresado en trminos de potencia para un motor elctrico:

=

Pu Pab

% =

Pu 100 Pab

La P u es la potencia nominal (en kW o CV que aparece en la placa de caractersticas), que junto con el rendimiento en tanto por ciento (%), la suelen proporcionar los fabricantes. Al instalador le corresponde calcular la potencia elctrica absorbida de la red (Pab) para obtener la intensidad de lnea y poder dimensionar conductores y equipos del circuito de fuerza. EJEMPLO En el catlogo de un fabricante de motores trifsicos de induccin para un motor de 20 CV nos da un rendimiento del 88,5 por 100. Calcula: (a) potencia elctrica que absorbe de la red, (b) potencia perdida. Solucin:

a) b)

Pab =

Pu 20 736 14720 = = = 16.632,76W 0,885 0,885

Pp = Pab Pu = 16.632,76 20 736 = 16632,76 14720 = 1.912.76W

Par nominal Sea un motor, por ejemplo, de induccin, que gira a una velocidad n (rpm), cuya potencia nominal es de PN (vatios), el valor del par nominal (TN) se deduce como sigue:

TN = 9.554

PN (kW ) ( N m) n(rpm) P (kW ) TN = 974 N (kgf m) n(rpm)

TN = 7.024

PN (CV ) ( N m) n(rpm) P (CV ) TN = 716 N (kgf m) n(rpm)

EJEMPLO Un motor asncrono trifsico de 100 CV gira con una velocidad de 1.490 rpm. Calcula : a) Par nominal en Nm. b) Par nominal en kgfm.

a)

TN = 7.024

PN (CV ) 100 = 7.024 = 471,40 N m n(rpm) 1.490

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO. TN = 716 PN (CV ) 100 = 716 = 48,05kgf m n(rpm) 1.490

b) Par de arranque

Para que el motor pueda arrancar, es preciso que venza la resistencia que le ofrecen los rozamientos y la inercia de las partes mviles de la carga mecnica acoplada a su eje. En este momento, el par desarrollado recibe el nombre de par de arranque.

Par motor = C = K I 2I2: corriente por el rotor El par de arranque lo dan los fabricantes de motores en funcin del tipo constructivo y suele ser, superior a 1.6 veces el par nominal, pudiendo llegar a ser hasta 3 veces mayor. Velocidad de sincronismo La velocidad mecnica de sincronismo o velocidad de sincronismo nS, tiene por expresin:

nS =f p frecuencia pares de polos

60 f (rpm) p

La frmula nos indica que la velocidad del motor slo depende de la frecuencia de la red y del nmero de polos del estator. Si la frecuencia es de 50 Hz y el nmero de pares de polos es 1, la velocidad de sincrona es 3000 rpm (mxima velocidad de sincrona). Tiempo de arranque y par de aceleracin Desde que el motor empieza a moverse hasta que alcanza su velocidad nominal, transcurre un tiempo que se llama tiempo de arranque, y es del orden de milisegundos e incluso varios segundos. Durante este tiempo de arranque existe un par de aceleracin que vence el par resistente de la carga y es muy variable dependiendo del tipo de motor, de su construccin y tipo de carga. Clases de servicio de los motores elctricos S1: le corresponde a motores con funcionamiento continuo y con carga constante (servicio permanente: el motor de una depuradora). S2: el motor funciona slo durante un pequeo instante a su potencia nominal y despus se para un tiempo suficiente como para que alcance la temperatura del medio ambiente (el motor de la puerta de un garaje). S3, S4, S5 y S6: el motor funciona de una forma intermitente. El tiempo de parada no es suficiente para que el motor se enfre hasta la temperatura ambiente. S7: el motor funciona intermitentemente a plena carga y en vaco. MOTORES DE INDUCCIN. MOTOR ASNCRONO TRIFSICO El motor asncrono trifsico es una mquina elctrica que funciona gracias a los fenmenos de induccin electromagntica. Son los ms utilizados en la industria por su sencillez, robustez, buen rendimiento y fcil mantenimiento. Consiguen mantener su velocidad bastante estable para diferentes regmenes de carga y poseen un buen par de arranque. Como su velocidad depende de la frecuencia que se le aplica, una de las formas ms utilizada de regular la velocidad de giro consiste en alimentarlos a travs de variadores electrnicos de frecuencia. No

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.suelen necesitar de contactos deslizantes para su funcionamiento. Dependiendo del tipo de rotor que utilicen, existen dos tipos fundamentales: motores de rotor en cortocircuito o jaula de ardilla y de rotor bobinado.

Principio de funcionamiento Los motores de induccin asncronos trifsicos basan su funcionamiento en la generacin de un campo giratorio en el estator que corta a los conductores del rotor y lo hace girar. Por qu gira el disco si es de un material no magntico?. Error: Reference source not found El imn, en su giro, hace que las lneas de campo magntico que atraviesan el disco sean variables (movimiento relativo del campo magntico frente a un conductor elctrico fijo), por lo que segn el principio de induccin electromagntica (ley de Faraday), en el disco se induce una f.e.m. que, al estar en cortocircuito, hace que aparezcan unas corrientes elctricas por el mismo. Al estar estas corrientes elctricas inmersas en el campo magntico del imn, se originan en el disco un par de fuerzas que ponen el disco en movimiento, siguiendo al campo magntico. El disco nunca puede alcanzar la misma velocidad de giro que el imn, ya que si ocurriese esto, el movimiento relativo de ambos se anulara y el campo magntico dejara de ser variable, por lo que desaparecera la f.e.m. inducida y con ella la corriente y el par de fuerzas. Si se consigue crear un campo giratorio aprovechando las variaciones de corriente de un sistema de C.A. trifsica, podremos hacer girar al rotor de un motor asncrono. En el estator se alojan tres bobinas desfasadas entre s 120. Cada una de estas bobinas se conecta a cada una de las fases de un sistema trifsico, por lo que por cada una de ellas circularn las corrientes instantneas i1, i 2 e i 3 , creando un campo giratorio.

a

b

c

d

e

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Representacin de los 3 devanados de un estator de 24 ranuras y con un par de polos Deslizamiento Debido al principio de funcionamiento de las mquinas asncronas, el campo magntico giratorio del inducido trata de acoplarse al campo magntico sncrono del estator, pero no llega a alcanzar la velocidad sncrona. La diferencia entre la velocidad sncrona (nS) del campo giratorio y la velocidad en marcha de la mquina (n) es lo que llamamos deslizamiento (s) y se expresa en tanto por ciento:

s=

nS n 100(%) nS

Cuando el motor trabaja en vaco, el deslizamiento es mnimo (del orden de un 0.1%). Al arrastrar la carga nominal, el motor tiende a frenarse y el deslizamiento aumenta un poco (4-5 %). El par de fuerzas que se desarrolla en el rotor depende de la corriente que por ste circule y sta depende, a su vez, de la f.e.m. inducida en los conductores del mismo. Por eso cuanto mayor sea el esfuerzo a realizar por el motor, el rotor tender a frenarse (aumento del deslizamiento y del movimiento relativo del campo magntico respecto a los conductores del rotor) para conseguir una mayor f.e.m. inducida y, por tanto, una mayor corriente rotrica y, en definitiva, un mayor par de fuerzas. Motor asncrono de rotor en cortocircuito El rotor est formado por conductores de aluminio alojados en las ranuras del ncleo y cortocircuitados por sus extremos mediante unos anillos. A este rotor tambin se le da el nombre de jaula de ardilla por la semejanza a ese objeto. En motores de pequea potencia, el rotor se construye fundiendo en un bloque integral unas varillas de aluminio junto con los anillos.

Conexin de un motor asncrono trifsico El devanado trifsico del estator de un motor asncrono se puede conectar en estrella o en

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.tringulo, dependiendo de la tensin de la red y la que se indique en la placa de caractersticas del motor. Los motores trifsicos pueden funcionar a dos tensiones. En un motor que en su placa de caractersticas aparezcan las tensiones: 380/220 V, nos indica que se puede conectar en estrella a la tensin mayor (380 V) y en tringulo a la menor (220 V), de tal forma, que en cada bobina siempre queda sometida a la tensin menor. Lo importante es recordar que el motor desarrolla su potencia nominal, siempre que a cada uno de sus arrollamientos de fase (U-X), (V-Y) y (W-Z) se le someta a su tensin nominal. La tensin nominal de cada arrollamiento de fase es el valor ms bajo que figura en la placa de caractersticas.

En la caja de bornes de los motores aparecen los seis terminales correspondientes a los tres devanados del motor, ms el terminal de conexin a tierra. La disposicin de los terminales siempre se hace de la misma forma, siguiendo las normas internacionales. Para conseguir la conexin en estrella, basta con unir con unos puentes los finales Z-X-Y. La conexin en tringulo se consigue realizar con facilidad al unir con unos puentes los terminales (U-Z), (V-X), (W-Y).

Sentido de giro La denominacin normalizada de los bornes de conexin U, V, y W corresponde con la

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.sucesin temporal de los bornes de red L 1, L 2, y L 3, respectivamente, para un sentido de giro hacia la derecha visto desde el lado del accionamiento. Para invertir el sentido de giro basta con permutar dos fases o dos bornes de la red.

Placa de caractersticas de un motor La placa de caractersticas ha de contener la siguiente informacin: Identificacin del fabricante Tipo de motor, con tamao y forma Nmero de fabricacin Clase de proteccin contra entrada de polvo y agua (IP) Potencia del motor, expresada en KW o CV (es la potencia til en el eje PU) Tensin de alimentacin, expresa en V o KV Frecuencia, expresada en Hz Intensidad de corriente absorbida a plena carga, en A Velocidad del motor, expresada en revoluciones por minuto Factor de potencia del motor (Coseno de )

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.Intensidad de lnea y de fase El valor de la intensidad absorbida de la red o intensidad de lnea (IL) se calcula mediante la ecuacin:

IL =EJEMPLOS

Pu ( A) 3 U L cos

En el motor de la placa de caractersticas anterior calcula la potencia absorbida y el rendimiento (), si se conecta en estrella a una red de alimentacin de 380 V alternos y 50 Hz y en tringulo a una red de 220 V alternos y 50 Hz. En estrella En tringulo

Pab = 3 U L I L cos = 3 380 4,70 0,85 = 2629,43W Pab = 3 U L I L cos = 3 220 8,10 0,85 = 2623,54W

=El rendimiento del motor ser

Pu 2200 100 = = 0,84% Pab 2629,43

Como se puede observar, la potencia en trngulo y en estrella es prcticamente la misma Un motor trifsico de 22 kW 220/380 V, tiene un rendimiento () del 91,7 por 100 y un factor de potencia (cos ) de 0,89. Calcula: (a) Intensidad de lnea si se conecta en directo a una red trifsica de 220 V-50 Hz. (b) Idem si la red es de 380 V-50 Hz. Solucin: (a) Se conecta directamente en conexin tringulo

IL =

22 1000 = 70,74 A 3 0,917 220 0,89 22 1000 = 40,95 A 3 0,917 380 0,89 3

(b) En este caso se conecta directamente en estrella

IL =

Como vemos, en ambos casos se mantienen la potencia, el rendimiento y el factor de potencia; y para la tensin de red mayor que corresponde a la conexin estrella, intensidad disminuye en veces. Funcionamiento en servicio del motor de rotor en cortocircuito Arranque Al conectar las bobinas del estator de un motor trifsico, permaneciendo el rotor sin movimiento, en un principio, el campo giratorio corta los conductores del rotor, induciendo en los mismos una f.e.m. elevada (de la misma frecuencia que la del estator), que, a su vez, producir una fuerte corriente. Estas corrientes, al interactuar con el campo magntico, producen elevadas fuerzas mecnicas que, al actuar sobre el rotor, le proporciona un fuerte par de arranque.

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.La fuerte corriente del rotor genera, a su vez, un campo magntico que intenta modificar el flujo comn. Como ste slo depende de la tensin aplicada al estator, aparece un incremento de corriente en el mismo que intenta compensar la f.m.m producida por el rotor. De esta forma, cuando aumenta la intensidad rotrica tambin lo hace la corriente estatrica, que corresponde a la corriente tomada de la red por el motor. En el arranque se produce, por tanto, una elevacin de la corriente absorbida por el motor de la red, que a veces conviene suavizar. Aceleracin y carga Tan pronto como empieza a circular corriente por el rotor parado, ste empieza a girar con un movimiento acelerado y en el mismo sentido que el campo giratorio, por lo que el movimiento relativo entre el campo y el rotor disminuye y con l la f.e.m inducida y la corriente. Si el motor est en vaco, rpidamente se alcanza una velocidad muy prxima a la de sincronismo. Si se aplica una carga mecnica resistente al eje del motor, el rotor tender a perder velocidad hasta alcanzar un equilibrio entre el par motor creado por l mismo y el par resistente ofrecido por la carga. Si se aplica una carga mecnica resistente que sobrepase el par mximo que puede proporcionar el motor, ste tiende a pararse. Esto siempre debe de evitarse, ya que al estar el rotor bloqueado, tanto las corrientes rotricas como las estatricas se elevan muchsimo, pudiendo provocar la destruccin del motor si no se le desconecta rpidamente. Se puede decir que el motor intenta desarrollar un par motriz exactamente igual al par opuesto por el resistente de la carga. Caracterstica par-velocidad El par que desarrolla un motor de induccin est ntimamente relacionado con la velocidad del rotor. Dado que su relacin matemtica resulta un poco complicada, por lo general, esta relacin se expresa grficamente mediante una curva caracterstica de par-velocidad. En la curva de la figura se ha representado la relacin par(C)-velocidad(n) de un motor asncrono trifsico con rotor en cortocircuito. En el eje de abcisas se escriben los valores relativos del par referidos al par nominal Cnn y en el de coordenadas el de la velocidad relativa del rotor expresada en %. Cuando el motor arranca (n = 0), se obtiene un par de arranque (Cn = 1,5 Cn ) que es 1,5 veces el par a plena carga. Si hacemos que el motor arrastre una carga que origine un par resistente Ci el motor desarrollar un par resistente a plena carga igual a Ci. Esto se consigue a la velocidad n. Si aplicsemos un par resistente mayor, la velocidad disminuira hasta que se alcance el equilibrio entre el par motor y el par resistente. En el caso de que el par resistente fuese mayor que el par mximo que puede desarrollar el motor (Cmax = 2,5 Cn) el motor se parara. Este caso ocurrira cuando la velocidad se reduce por debajo del 80 %.

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Formas constructivas Los motores pequeos, medianos y grandes (excepto los de potencias muy elevadas), pueden ir montados en posicin horizontal y vertical sin necesidad de modificaciones (se debe consultar cada caso a los fabricantes). De esta manera, la forma constructiva bsica IM B 3 puede prestar servicio en las posiciones de montaje IM B 6, IM B 7, IM B 8, IM V5 e IM V6. Los motores se suministran, tanto en la forma constructiva bsica IM B3, como en las restantes. Las ejecuciones posibles para cada tipo de motor se tomarn en las "Formas constructivas" de las tablas de seleccin.

Equivalencia entre las denominaciones correspondientes a las formas constructivas Potencias normalizadas En la tabla de la figura se dan las potencias normalizadas en kW y CV. En la actualidad, predominan las unidades del SI, y por ello, se suelen dar en los catlogos tcnicos los valores de las potencias slo en kW, como se indica en la tabla de la figura.

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Mejora del factor de potencia Se puede reducir el consumo de energa reactiva mediante la instalacin de condensadores en paralelo con la red de alimentacin o en bornes del motor. Si la mejora del factor de potencia no est controlada con reguladores automticos para toda la instalacin, el sistema ms corriente y sencillo es el indicado en la figura. El valor de la capacidad trifsica se calcula por la ecuacin en funcin de la potencia activa trifsica del motor y de la tensin de lnea, es decir:

C=

PN (tg tg ) U 2 L

Este valor coincide con el valor de la capacidad por fase, si los condensadores se conectan en

3 . El valor de la capacidad trifsica se divide por 3 para calcular estrella ya que su tensin es la capacidad de cada fase si los condensadores estn conectados en tringulo.

UL

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Instalacin de condensadores para la mejora del factor de potencia de un motor trifsico de induccin EJEMPLO Calcula la capacidad de los condensadores a instalar para mejorar el factor a cos =0,92 para un motor trifsico de las siguientes caractersticas: P=11 kW. Tensin 220/380 V, cos = 0,85, red de 380 V-50 Hz. Solucin cos = 0,85; cos = 0,92; =31,78; =23,07; tg = 0,6197 tg = 0,4259

C=

PN (tg tg ) 11.000 ( 0,6197 0,4259 ) = = 47,02 F U 2 L 380 2 314

Si conectamos los condensadores en tringulo, cada condensador ha de ser de 16F-380 V, y potencia:

Qc1 = U L C = 380 2 314 16 10 16 = 725VAr2

Este valor coincide con el de la potencia reactiva trifsica dividido por 3

11.000( 0,6197 0,4259 ) : 3 = 710,6VArSi conectamos los condensadores en estrella, cada condensador ha de ser de 48F-220V, y potencia

Qc1 = U L C = 220 2 314 48 10 16 = 725VAr2

La potencia trifsica y por fase de los condensadores es la misma, tanto si se conectan en estrella como si se conectan en tringulo. Mientras la capacidad por fase en tringulo es 3 veces ms pequea que la capacidad por fase en estrella. En el caso mejorar el factor de potencia en el origen de la instalacin, se realiza mediante un regulador automtico que conecta los escalones 1, 2, 3, 4, 5 de la batera de condensadores,

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.segn la demanda de energa reactiva y en funcin del cos fijado en el regulador.

Batera de condensadores con regulador automtico del factor de potencia Motor asncrono de rotor bobinado o de anillos rozantes En estos motores, el estator posee las mismas caractersticas que el del motor de rotor en cortocircuito, pero el rotor se construye insertando un devanado trifsico en las ranuras de un ncleo cilndrico de chapas magnticas. Este devanado se conecta normalmente en estrella y los tres terminales restantes se conectan a tres anillos rozantes. Unas escobillas frotan estos anillos y permiten conectar unas resistencias externas en serie con el fin de poder limitar la corriente rotrica. En la placa de caractersticas de estos motores aparecen tres nuevos terminales correspondientes al bobinado del rotor, que para no confundirlos con los del estator se indican con las letras minsculas u, v, w. El principio de funcionamiento es exactamente igual que el del rotor en cortocircuito, pero ahora es posible la regulacin directa de la corriente rotrica y con ella, la propia corriente del estator. Este sistema tiene la ventaja de que no es necesario disminuir la tensin en el estator para disminuir el flujo y, con l, la corriente rotrica, que siempre trae consigo una reduccin del par motor. El gran inconveniente que presentan estos motores frente a los de jaula de rotor en cortocircuito es que resultan bastante ms caros y necesitan de un mayor mantenimiento. En la actualidad el control electrnico de los motores asncronos de rotor en cortocircuito ha desplazado en casi todas las aplicaciones al motor de rotor bobinado, quedando ste ltimo para casos especiales donde se requiera un par de arranque muy elevado (gras, instalaciones de media tensin, etc). Sistemas de arranque de los motores asncronos trifsicos de rotor en cortocircuito Cuando se conecta el motor directamente a la red, ste absorbe una intensidad muy fuerte de la lnea en el momento del arranque, lo que puede afectar no slo a la duracin de los aparatos de conexin, sino a las lneas que suministran energa elctrica. Estas fuertes corrientes sobrecargan las lneas de distribucin, pudiendo producir cadas de tensin y calentamiento en los conductores de las mismas. Por esta razn, las compaas de energa prescriben reglamentaciones para reducir dichas corrientes de arranque a unos valores que sean aceptables. El arranque directo esta permitido para motores que posean una potencia inferior a 5,5 KW. Arranque directo o a plena tensin consiste en someter a cada arrollamiento de fase a su tensin nominal y acelerarlo sin interrupcin hasta que alcanza su velocidad nominal. Sirve lo mismo para motores de rotor de jaula como para motores de rotor bobinado, ambos de

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.una, dos o tres velocidades. Una forma de reducir la corriente de arranque es reducir la tensin aplicada al motor. Con ello tambin se disminuye el par efectivo de arranque, ya que al disminuir la tensin, el flujo del estator tambin disminuye y con l la f.e.m. inducida en el rotor y la intensidad rotrica. El par de arranque disminuye con el cuadrado de la tensin. Existen diferentes mtodos para reducir la corriente de arranque disminuyendo la tensin: arranque estrella-tringulo, arranque con resistencias estatricas, arranque por autotransformador. Arranque estrella-tringulo Es uno de los mtodos ms conocidos con el que se pueden arrancar motores de hasta 11 KW de potencia. Consiste en conectar el motor primero en estrella para, una vez arrancado, conmutar a la conexin en tringulo. Para que esto se pueda llevar a cabo, se debe utilizar un motor que est preparado para funcionar a la tensin inferior conectado en tringulo. As, por ejemplo, un motor de 220/380 podr ser arrancado en una red de 220 V. Si a un motor de las caractersticas indicadas se le conecta primero en estrella, cada una de las bobinas del mismo quedar sometida a una tensin 3 inferior que si hubiese conectado en tringulo. Con ello se consigue que la intensidad en el arranque quede disminuida a la tercera parte respecto al arranque directo en conexin en tringulo. El par tambin queda reducido a la tercera parte, lo que conviene tenerlo en cuenta si el motor arranca con toda la carga. Por esta razn, conviene que el motor arranque en vaco o con poca carga.

Arranque por autotransformador Consiste en conectar un autotransformador en la alimentacin del motor. De esta forma se consigue reducir la tensin y con ella la corriente de arranque. El par de arranque queda reducido en este caso en la misma proporcin que la corriente, es decir, al cuadrado de la tensin reducida. Este sistema proporciona una buena caracterstica de arranque, aunque posee el inconveniente de su alto precio. Este arranque se emplea para motores de gran potencia, a los que se les somete sucesivamente al 60, 70, 80, 90 y 100 por 100 de la tensin nominal a

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.travs de las sucesivas tomas del autotransformador. En la figura con slo dos tomas, se arranca con una tensin del 50 por 100 de la red y la intensidad y el par se reducen a la cuarta parte.

Arranque por resistencias estatricas Consiste en reducir la tensin que producen unas resistencias conectadas en serie con el estator. Este sistema tiene el inconveniente de que se consigue disminuir la corriente en funcin lineal de la cada de tensin producida. Sin embargo, el par queda disminuido con el cuadrado de la cada de tensin, por lo que su aplicacin se ve limitada a motores en los que el momento de arranque resistente sea bajo.

Arrancadores progresivos de motores asncronos trifsicos Son dispositivos electrnicos que permiten el arranque de los motores asncronos de jaula, de forma controlada, reduciendo el par y la corriente en el momento de arranque. Bsicamente un arrancador progresivo est formado por un circuito de potencia y un circuito de

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.control. El circuito de potencia es un convertidor de corriente alterna a corriente alterna variable de menor valor; est compuesto por tres grupos de dos tiristores montados en oposicin dos a dos en cada fase de la red.

Constitucin interna de un arrancador electrnico Este circuito permite suministrar una tensin variable en el motor, aumentndola progresivamente hasta su valor nominal, dependiendo del instante y del ngulo de encendido de los tiristores. Regulacin de velocidad de los motores asncronos La velocidad de un motor asncrono depende fundamentalmente del nmero de polos con que est construido y de la frecuencia, por lo que si conseguimos modificar una de estas dos variables habremos conseguido controlar la velocidad. Los motores de induccin (como productores de fuerza motriz) se utilizan principalmente a velocidad constante, conectados directamente a la red de acuerdo con sus propias caractersticas par-velocidad, nmero de polos, y en condiciones de funcionamiento determinadas, para la carga de la mquina operadora. De esta forma, se construyen motores de una sola velocidad de 2, 4, 6, 8 polos, que corresponde a 3.000, 1.500, 1.000 y 750 rpm, respectivamente, con deslizamientos de 0,008 (motores grandes) hasta 0,085 (motores pequeos). Motores de dos y tres velocidades Existe un control discreto de la velocidad si los devanados del estator se disponen de tal forma que se pueda exteriormente, mediante las conexiones accesibles, modificar el nmero de polos. La velocidad de sincronismo de un motor de induccin es ns = 60 f / p (f=frecuencia y p=pares de polos. Si variamos el nmero de polos 2p al doble o a la mitad, obtenemos una velocidad mitad o doble, respectivamente. Este es el principio por el cual se obtienen motores de dos velocidades mediante arrollamientos separados. Para dos velocidades se suelen construir hasta 120 kW y de 1.000/1.500 rpm (6/4 polos), 750/ 1.500 rpm (8/4 polos), 1.500/3.000 rpm (4/2 polos).

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Esquemas de conexin del estator con dos devanados separados para motor de dos velocidades. (a) Lenta. (b) Rpida. (c) Circuito de fuerza con contactores. Regulacin de velocidad con variadores de frecuencia Debido a los inconvenientes de las mquinas de cc (impedimento del uso de colector y escobillas en ambientes agresivos o peligrosos, temperatura, velocidad perifrica del colector, etc.) frente a algunas ventajas de los motores de induccin (sencillez, robustez, ausencia de colector, tamao ms reducido, etc.) y a que los precios de los componentes de estado slido han disminuido mucho, en la actualidad, ha tomado mucha importancia la regulacin de la velocidad de los motores de induccin. Al ser el motor asncrono una mquina donde la velocidad depende de la frecuencia, al modificar sta se consigue variar la velocidad. Los sistemas electrnicos que transforman la frecuencia de la red en otra frecuencia variable en el motor, se denominan sistemas inversores. En la figura se representa el esquema de un sistema inversor que est formado por:

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Variador de velocidad, diagrama de bloques - Un rectificador que transforma la corriente alterna en corriente continua. Un filtro formado por bobinas y condensadores, que tienen como finalidad proporcionar a la entrada del inversor una tensin prcticamente continua, sin rizado. - Un inversor que transforma tensin de c.c obtenida a la salida del bloque rectificador en tensin alterna, de frecuencia diferente a la de la red. Los sistemas inversores ms utilizados son los de modulacin de anchura de impulsos (PWM). Es una tcnica que consiste en modificar la duracin del ancho de los pulsos de una secuencia de impulsos, como se muestra en la figura.

Tensin de fase formada por impulsos modulados en amplitud La duracin del ancho de los impulsos o tiempo de conduccin de los tiristores o transistores de potencia, vara en proporcin directa al valor de la tensin de control utilizada. Si la tensin de control es senoidal, con este sistema, se puede obtened una tensin a la salida del inversor, cuyo valor medio vara de forma senoidal, con una frecuencia igual a la de la tensin de control. En el inversor trifsico, los dispositivos que actan como interruptores, pueden ser tiristores o transistores de potencia. La misin de este circuito es dar forma a las tensiones trifsicas en el motor, controlando su magnitud y frecuencia, a partir de una tensin continua en la entrada del inversor. Para obtener las tensiones trifsicas en el motor se utilizan tres tensiones de control senoidales desfasadas 120, que son comparadas con una tensin de referencia de forma triangular. Los encuentros de estas tensiones determinan los instantes de conduccin de cada tiristor, y la duracin del ancho de cada impulso obtenido. En la figura anterior se representa grficamente el procedimiento para obtener la tensin entre dos fases del motor. Como puede observarse el valor medio de la tensin de salida vara de forma senoidal con una frecuencia igual a la de las tensiones de control.

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El circuito de control es un circuito electrnico que se encarga de generar las tensiones de control y de referencia y, en funcin de stas, abrir y cerrar los tiristores al ritmo que impone la frecuencia de la tensin de referencia. Este sistema permite obtener una amplia gama de frecuencias y niveles de tensin en el motor, y por tanto diferentes velocidades.

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.CARACTERSTICAS, BORNAS Y ESQUEMA DE MONTAJE DEL VARIADOR DE VELOCIDAD

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JUSTIFICACIN DEL MOTOR TRIFSICO La potencia activa, es la que nos produce la potencia til en el eje del motor. Por contra, la potencia reactiva no nos produce energa mecnica en el eje del motor.

Potencia activa que absorbe de la red un motor monofsico y uno trifsico En el caso de un motor monofsico que es una carga Z=R+jX vemos que adems de tomar el valor cero cuatro veces en un perodo, llega incluso a ser negativa o bombeada a la red por el efecto ya conocido de la reactancia. Esto hace que en el eje del motor no se obtenga una potencia constante y funcione a impulsos, que debido a la inercia del sistema, no se aprecian a simple vista, pero el motor tiene que soportar esfuerzos intermitentes. En motores grandes, esto

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.es prohibitivo desde el punto de vista mecnico y energtico. Estos inconvenientes de obtener en el eje del motor, en algunos instantes, una potencia pulsatoria cero o negativa, se evitan si el circuito es trifsico. De esta forma, la potencia resultante que suministra la red es siempre positiva y, por consiguiente, la potencia mecnica en el eje del motor es siempre mayor de cero. Motor monofsico de induccin de rotor en cortocircuito Debido a la sencillez, robustez, bajo precio y a la ausencia de chispas, los motores de campo giratorio se construyen tambin para corriente alterna monofsica. Se utilizan en aquellas instalaciones donde no se dispone de suministro trifsico, como por ejemplo, aplicaciones domsticas. Al igual que los trifsicos, estn constituidos por un rotor de jaula de ardilla y un estator donde se alojarn los devanados inductores. Motor de fase partida Si en el estator situamos un bobinado monofsico y le sometemos a una tensin alterna senoidal, se obtiene un campo magntico alternativo y fijo que no es capaz de provocar un par de arranque efectivo en el rotor. Si en estas condiciones empujamos el rotor manualmente en uno de los sentidos, conseguiremos desplazar el eje del campo magntico del rotor y el motor comenzar a girar hasta alcanzar su velocidad nominal. El sentido de giro del motor depende de hacia donde se haya iniciado el giro y su velocidad del nmero de pares de polos del devanado.

Rotor parado

Rotor girando

Para conseguir que el motor arranque automticamente se inserta en las ranuras del estator un segundo bobinado auxiliar que ocupe 1/3 de las mismas. Como la impedancia de las dos bobinas es diferente, se producir un pequeo ngulo de desfase en la corriente absorbida por el bobinado auxiliar respecto a la del principal. Este ngulo suele ser de adelanto debido a que el bobinado auxiliar es de menor seccin y, por lo tanto, ms resistivo. El flujo que produce dicha bobina queda tambin adelantado al principal, lo que hace que se forme un campo giratorio suficiente para impulsar a moverse al rotor. Dado que el ngulo de desfase entre ambos flujos resulta muy pequeo, el par de arranque tambin lo es.

Ta = K I P I a sen

Ta = Par de arranque Ip = Intensidad del devanado principal la = Intensidad del devanado auxiliar a = ngulo de desfase entre Ip e la K = Coeficiente (Por ello el par es mximo cuando el desfase que se logra es de 90). Motor con condensador de arranque Para aumentar el par de arranque de estos motores se aade un condensador en serie con el bobinado auxiliar, de tal forma que el ngulo de desfase entre los flujos producidos por ambas bobinas se acerque a 90.

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.El par de arranque conseguido ser mayor, cuanto mayor sea la capacidad del condensador. Sin embargo, una capacidad excesivamente elevada puede reducir la impedancia total del devanado auxiliar a valores muy pequeos, lo que trae consigo un aumento de la corriente absorbida por el bobinado auxiliar. Si este devanado no se desconecta una vez arrancado el motor, el calor producido por la fuerte corriente puede llegar a destruirlo. Para que esto no ocurra, una vez que el motor haya alcanzado unas ciertas revoluciones, se procede a la desconexin del conjunto formado por el condensador y el devanado auxiliar. Dicha desconexin se puede realizar mediante un interruptor centrfugo (interruptor que est acoplado al eje del motor y que abre sus contactos cuando se alcanzan unas ciertas revoluciones) o manualmente.

En algunos motores el condensador se desee dejar continuamente conectado. Los motores con condensador poseen un buen factor de potencia y un rendimiento aceptable (es inferior al de los motores trifsicos) y se aplican, por ejemplo; para electrodomsticos, mquinas herramientas, bombas, etc. Inversin de giro de un motor monofsico Para invertir el giro de estos motores es suficiente con invertir la conexin de una de las dos bobinas. Motores monofsicos con espira en cortocircuito Este motor es de muy sencilla construccin y se aplica para motores de pequeas potencias (hasta 100 200 W). El rotor de estos motores es de jaula de ardilla. El estator es de polos salientes, en el cual se arrolla la bobina principal. En la parte extrema de cada polo se coloca una espira de cobre en cortocircuito. El devanado principal produce un campo magntico alternativo que atraviesa el rotor y las dos espiras en cortocircuito. En estas espiras se induce una pequea corriente y un pequeo flujo que queda retrasado respecto al flujo principal, lo que es suficiente para provocar un pequeo par de arranque en el motor.

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El sentido de giro de estos motores depende de la disposicin relativa de las espiras de cortocircuito y de los polos principales. A pesar de que el par de arranque, el rendimiento y el factor de potencia de estos motores no es muy bueno, la gran sencillez de este motor le hace ideal para aplicaciones de poca potencia y en los que el par de arranque no sea muy importante. TRANSFORMACIN MONOFSICO DE UN MOTOR TRIFSICO PARA QUE FUNCIONE COMO

Para poder utilizar motores trifsicos con una red de dos hilos y que funcionen como si fueran monofsicos, hay que efectuar una pequea transformacin mediante la conexin de un condensador. Esta conexin slo es aconsejable en casos especiales en los que la potencia del motor es igual o inferior a 2 kW, y en los que la potencia solicitada por la mquina operadora no supere el 70-80 por 100 de las potencia del motor. El par de arranque solicitado debe ser inferior al 40 por 100 del par nominal. El condensador a instalar debe ser de una tensin 1,15 veces la tensin de la red monofsica (mnimo 250 V), y el valor de su capacidad es el que se deduce de la siguiente ecuacin:

220 50 C = 50 P U f ( F ) L C = Capacidad del condensador en F UL = Tensin de la red monofsica P = Potencia del motor trifsico en kW f = Frecuencia en hercios

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Para un motor trifsico de induccin de 220 V/ 380 V de 1,1 kW 50 Hz:

Instalaramos un condensador de 55 F.

220 50 C = 50 P ( F ) = 55F 220 50 26/27

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Montaje y mantenimiento de los sistemas elctrico y electrnico. I.E.S. JUAN MARTN EL EMPECINADO.EXTRACTO DEL REGLAMENTO ELECTROTCNICO DE BAJA TENSIN. ITC-BT-47 3. CONDUCTORES DE CONEXIN Las secciones mnimas que deben tener los conductores de conexin con objeto de que no se produzca en ellos un calentamiento excesivo, deben ser las siguientes: 3.1 Un solo motor Los conductores de conexin que alimentan a un solo motor deben estar dimensionados para una intensidad del 125 % de la intensidad a plena carga del motor. En los motores de rotor devanado, los conductores que conectan el rotor con el dispositivo de arranque -conductores secundarios- deben estar dimensionales, asimismo, para el 125 % de la intensidad a plena carga del rotor. Si el motor es para servicio intermitente, los conductores secundarios pueden ser de menor seccin segn el tiempo de funcionamiento continuado, pero en ningn caso tendrn una seccin inferior a la que corresponde al 85 % de la intensidad a plena carga en el rotor 3.2 Varios motores Los conductores de conexin que alimentan a vanos motores, deben estar dimensionados para una intensidad no inferior a la suma del 125 % de la intensidad a plena carga del motor de mayor potencia, ms la intensidad a plena carga de todos los dems. 3.3 Carga combinada Los conductores de conexin que alimentan a motores y otros receptores, deben estar previstos para la intensidad total requerida por los receptores, ms la requerida por los motores, calculada como antes se ha indicado 4. PROTECCIN CONTRA SOBREINTENSIDADES Los motores deben estar protegidos contra cortocircuitos y contra sobrecargas en todas sus fases, debiendo esta ltima proteccin ser de tal naturaleza que cubra, en los motores trifsicos el riesgo de la falta de tensin en una de sus fases. En el caso de motores con arrancador estrella-tringulo, se asegurara la proteccin, tanto para la conexin en estrella como en tringulo. Las caractersticas de los dispositivos de proteccin deben estar de acuerdo con las de los motores a proteger y con las condiciones de servicio previstas para estas, debiendo seguirse las indicaciones dadas por el fabricante de los mismos. 6. SOBREINTENSIDAD DE ARRANQUE Los motores deben tener limitada la intensidad absorbida en el arranque cuando se pudieran producir efectos que perjudicasen a la instalacin u ocasionasen perturbaciones inaceptables al funcionamiento de otros receptores o instalaciones. Cuando los motores vayan a ser alimentados por una red de distribucin pblica, se necesitara la conformidad de la Empresa distribuidora respecto a la utilizacin de los mismos, cuando se trate de - Motores de gran inercia. - Motores de arranque lento en carga. - Motores de arranque o aumentos de carga repetida o frecuente - Motores para frenado. - Motores con inversin de marcha. En general los motores de potencia superior a 0,75 kilovatios deben estar provistos de restatos de arranque o dispositivos equivalentes que no permitan que la relacin de corriente entre el perodo de arranque y el de marcha normal que corresponda a su plena carga, segn las caractersticas del motor que debe indicar su placa sea superior a la sealada en el cuadro siguiente: Tabla 1Motores de corriente alterna Constante mxima de Potencia nominal proporcionalidad entre la del motor intensidad de la corriente de arranque y de la de plena carga De 0,75kW a 1.5kW 4.5 De1.5kW a 5.0kW 3.0 De 5.0KW a 15.0kW De ms de 15.0kW 2.0 1.5

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