MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA
En la actualidad, el motor de corriente alterna es el que más se utiliza para la mayor parte de las aplicaciones, debido fundamentalmente a que consiguen un buen rendimiento, bajo mantenimiento y sencillez, en su construcción, sobretodo en los motores asíncronos.
Partes básicas de un motor de corriente alterna
1. Carcasa: caja que envuelve las partes eléctricas del motor, es la parte externa. 2. Estator: consta de un apilado de chapas magnéticas y sobre ellas está enrollado el
bobinado estatórico, que es una parte fija y unida a la carcasa.
3. Rotor: consta de un apilado de chapas magnéticas y sobre ellas está enrollado el bobinado rotórico, que constituye la parte móvil del motor y resulta ser la salida o eje del motor.
Los motores de corriente alterna se clasifican por su velocidad de giro, por el tipo de rotor y por el número de fases de alimentación.
a) Por su velocidad de giro: 1. Asíncronos
2. Síncronos
b) Por el tipo de rotor:
1. Motores de anillos rozantes. 2. Motores con colector 3. Motores de jaula de ardilla
c) Por su número de fases de alimentación: 1. Monofásicos
2. Bifásicos 3. Trifásicos
Motores asíncronos
El motor asíncrono fue creado es su forma más simple por Galileo Ferraris y Nikola Tesla entre 1885 y 1886. La diferencia del motor asíncrono con el resto de los motores eléctricos radica en el hecho de que no existe corriente conducida a uno de sus
devanados (normalmente al rotor).
La corriente que circula por el devanado del rotor se debe a la fuerza electromotriz inducida en él por el campo giratorio; por esta razón, a este tipo de motores se les designa también como motores de inducción.
Se les llama motores asíncronos porque la velocidad de giro del motor no es la de sincronismo, impuesta por la frecuencia de la red.
Hoy en día se puede decir que más del 80% de los motores eléctricos utilizados en la industria son de este tipo, trabajando en general a velocidad prácticamente constante. No obstante, y gracias al desarrollo de la electrónica de potencia en los últimos años está aumentando considerablemente la utilización de este tipo de motores a velocidad variable.
La gran utilización de los motores asíncronos se debe a las siguientes causas: fácil construcción, bajo peso, poco volumen, económico y mantenimiento inferior al de cualquier otro tipo de motor eléctrico.
Hay dos tipos básicos de motores asíncronos: motores de jaula de ardilla y motor de rotor bobinado.
Motor asíncrono trifásico
Cuando se alimenta el estator de un motor asíncrono con un sistema trifásico de
tensiones de frecuencia f1, se origina en el entrehierro un campo magnético giratorio de amplitud constante cuya velocidad es:
ns = (60 x f) / p
p es el número de pares de polos con los que se construyen los devanados del estator. f es la frecuencia de la red.
Esta velocidad recibe el nombre de velocidad de sincronismo y depende del número de pares de polos del estator y de la frecuencia.
Ejemplo: se dispone de un motor asíncrono trifásico de 2 pares de polos. Averiguar la velocidad de sincronismo para frecuencias de 50 y 60 Hz.
ns = (60 x 50) / 2 = 1500 r.p.m. ns = (60 x 60) / 2 = 1800 r.p.m.
Motor asíncrono trifásico de rotor en cortocircuito
En el estator de estos motores se colocan las bobinas encargadas de producir el campo magnético giratorio. Estas se alojan en ranuras practicadas en un núcleo formado, generalmente por paquetes de chapas magnéticas. Las 3 bobinas quedan desfasadas entre sí 120º y los 6 terminales de que constan se conectan a la placa de bornes del motor, conectándose en estrella o en triángulo.
El rotor es cilíndrico, en éste se sitúan conductores de aluminio alojados en las ranuras del núcleo y cortocircuitados por sus extremos mediante anillos conductores.
Funcionamiento
Cuando las bobinas del estator son recorridas por un sistema de corrientes trifásicas, se forma en él un campo magnético giratorio. Los conductores del rotor, que en un
principio está parado, son barridos por el campo magnético giratorio por lo que se induce en ellos una f.e.m. Como estos conductores están en cortocircuito, aparece una corriente por los mismos que en unión con el campo magnético del estator da lugar a un par de fuerzas que pone en movimiento el rotor en el mismo sentido que el campo giratorio.
La velocidad del rotor no puede alcanzar a la del campo giratorio, ya que si son iguales no se induciría tensión alguna en el rotor, por lo que el rotor siempre gira a una
velocidad menor a la de sincronismo.
El deslizamiento de un motor asíncrono se define como la diferencia de estas velocidades expresada en porcentaje:
S = {(ns – n) / ns} x 100
Ejemplo: Un motor asíncrono trifásico de rotor en cortocircuito posee una velocidad síncrona de 3000 r.p.m. ¿Cuál será el deslizamiento del rotor a plena carga si se mide con un tacómetro una velocidad de 2850 r.p.m.?
S = {(3000 – 2850) / 3000} x 100 = 5%
El deslizamiento de un motor varía con la carga mecánica que tenga que arrastrar. Cuando el motor trabaja en vacío el deslizamiento es mínimo (0.1%). Al arrastrar la carga nominal el motor tiende a frenarse y el deslizamiento aumenta un poco (4%). Cuando el motor arrastra una carga mecánica el rotor tiende a frenarse. Esto hace que el movimiento relativo del campo magnético giratorio respecto a los conductores del rotor aumente, lo que acrecenta la f.e.m. y la corriente inducida en los mismos. Como el par de fuerzas que se desarrolla en el rotor depende de la corriente, se produce un aumento
de dicho par que tiende a equilibrar el par resistente con el motor. Según aumenta la carga en el motor, también aumenta el deslizamiento.
Arranque
Al conectar el estator de un motor trifásico, permaneciendo el rotor sin movimiento, en un principio, el campo giratorio corta los conductores del rotor, induciendo en estos una f.e.m. elevada de la misma frecuencia que la del estator, que a su vez producirá una corriente fuerte (cientos de amperios). Esta corriente al interactuar con el campo magnético, produce elevadas fuerzas mecánicas que al actuar sobre el rotor le proporciona un fuerte par de arranque. La fuerte corriente del rotor genera un campo magnético que intenta modificar el flujo común; como esto solo depende de la tensión aplicada al estator, aparece un incremento de corriente en el mismo que intenta
compensar la f.m.m. producida por el rotor. Cuando aumenta la intensidad rotórica también lo hace la corriente estatórica que corresponde a la corriente tomada de la red por el motor.
Aceleración y carga
Al momento de circular corriente por el rotor parado, empieza a girar con un
movimiento acelerado y en el mismo sentido que el campo giratorio. Debido a esto el movimiento relativo entre el campo y el rotor disminuye igual que la f.e.m. y la corriente. Si el motor está en vacío, se alcanza una velocidad próxima a la de
sincronismo. Si se aplica una carga mecánica, el rotor tenderá a perder velocidad hasta lograr un equilibrio entre el par motor creado por el mismo y el par resistente ofrecido por la carga.
Motor asíncrono de rotor bobinado o de anillos rozantes
El estator posee las mismas características que el rotor en cortocircuito, sin embargo el rotor se construye insertando un devanado trifásico en las ranuras de un núcleo
cilíndrico de chapas magnéticas.
Este devanado se conecta normalmente en estrella y los tres terminales restantes se conectan a tres anillos colectores. Unas escobillas frotan los anillos y permiten conectar unas resistencias externas en serie para limitar la corriente rotórica.
El principio de funcionamiento es igual que el del rotor en cortocircuito. Ahora es posible la regulación directa de la corriente rotórica y con ella, la propia corriente
estatórica. Tiene la ventaja de que no es necesario disminuir la tensión en el estator para disminuir el flujo y con él la corriente rotórica que trae una reducción del par motor. El arranque se hace en sucesivos escalones, obteniendo un arranque con corriente suave en el estator con un buen par de arranque.
El gran inconveniente que presentan estos motores frente a los de jaula de rotor en cortocircuito es que resultan bastante más caros y necesitan de un mayor
mantenimiento.
MOTOR TRIFÁSICO SÍNCRONO
Este tipo de motor presenta la ventaja de que gira a una velocidad constante para diferentes regímenes de carga, siempre que se mantenga constante la frecuencia de alimentación.
Al aplicar corriente alterna al devanado trifásico del estator se produce un campo magnético giratorio que gira la velocidad síncrona. Si se hace girar a las piezas polares del rotor a una velocidad igual, se produce una especie de acoplamiento entre los polos de distinta polaridad del rotor y los del campo giratorio, produciéndose un arrastre del rotor por dicho campo giratorio.
La velocidad del rotor coincide con la velocidad de sincronismo del campo giratorio: n = 60 x f
p n = velocidad del motor síncrono (r.p.m.) f = frecuencia de la red (Hz)
El inconveniente de este motor es que necesita ser empujado hasta la velocidad de sincronismo para que funcione, por lo que se suelen arrancar sin carga. Existen diferentes procedimientos, como son el arranque mediante motor auxiliar de lanzamiento o el arranque como motor asíncrono.
Estos motores requieren de una fuente DC para la alimentación de la excitación del rotor. No se les puede someter a variaciones bruscas de la carga, pues podría ocasionar la pérdida de sincronismo del rotor, provocando la parada del motor.
Estos motores desarrollan un factor de potencia muy alto y poseen un rendimiento muy bueno.
Se pueden construir pequeños motores síncronos monofásicos que consiguen una velocidad constante con una construcción relativamente sencilla. En estos casos el motor no posee ningún tipo de bobinado y se construye para que se formen polos magnéticos opuestos a los del campo giratorio generado por el estator. Estos pequeños motores son ideales para la construcción de relojes eléctricos, registradores y en las aplicaciones donde es importante mantener una velocidad constante.
MOTORES MONOFÁSICOS
Dada la sencillez, robustez, bajo precio y ausencia de chispas son de gran aplicación los motores asíncronos monofásicos de inducción de rotor en cortocircuito.
La utilización de motores monofásicos será factible para aplicaciones de pequeña potencia. En los motores monofásicos no resulta sencillo iniciar el campo giratorio, por lo cual se tiene que usar algún elemento auxiliar.
MOTOR MONOFÁSICO DE INDUCCIÓN
Su funcionamiento es el mismo que el de los motores asíncronos de inducción. Dentro de este grupo existen los siguientes motores:
1. De polos auxiliares o también llamados de fase partida 2. Con condensador
3. Con espira en cortocircuito o también llamados de polos partidos
Motor monofásico de fase partida
Tiene dos devanados, uno principal y otro auxiliar. El devanado auxiliar es el que provoca el arranque del motor, debido a que desfasa un flujo magnético respecto al flujo del devanado principal, así se logra tener dos fases en el momento del arranque. Al tener el devanado auxiliar la corriente desfasada respecto a la corriente principal, se genera un campo magnético que facilita el giro del rotor. Cuando la velocidad del giro del rotor acelera el par de motor aumenta. Si esta velocidad está próxima al sincronismo, se logra alcanzar un par de motor tan elevado casi como en un motor trifásico. Cuando la
velocidad alcanza un 75% del sincronismo, el devanado auxiliar se desconecta gracias a un interruptor centrífugo que llevan incorporados estos motores, lo cual hace que el motor solo funcione con el devanado principal.
Este tipo de motor dispone de un rotor de jaula de ardilla como los utilizados en los motores trifásicos. El par de motor de estos motores oscila entre 1500 y 3000 r.p.m., dependiendo si el motor es de 2 ó 4 polos, teniendo unas tensiones de 125 y 220 V. La velocidad es prácticamente constante. Para invertir el giro del motor se intercambian los giros de uno solo de los devanados (principal o auxiliar).
Motor monofásico con condensador de arranque
También disponen de devanado principal y auxiliar. Se añade un condensador en serie con el devanado auxiliar de tal modo que el ángulo de desfase entre los flujos
producidos por ambas bobinas se acerque a 90º. El par de arranque conseguido por estos motores aumenta con la capacidad del condensador. Sin embargo una capacidad
excesivamente elevada puede reducir la impedancia total del devanado auxiliar a valores pequeños, aumentando la corriente absorbida por el devanado auxiliar. Si este devanado no se desconecta una vez arrancado el motor, el calor producido por la fuerte corriente puede llegar a destruirlo. Sin embargo para que esto no ocurra, se procede a la desconexión del conjunto formado por el condensador y el devanado auxiliar mediante un interruptor centrífugo.
Motor monofásico con espira en cortocircuito
El rotor de estos motores es de jaula de ardilla. El estator es de polos salientes, en el cual se arrolla la bobina principal como si fuese un transformador. En la parte extrema de cada polo se coloca una espira en cortocircuito. El devanado principal produce un campo magnético alternativo que atraviesa el rotor y las dos espiras en cortocircuito situadas en el estator. En las espiras se induce una f.e.m. que hace aparecer una pequeña corriente y un pequeño flujo magnético que queda retrasado respecto al flujo principal, que es suficiente para provocar un par de arranque en el motor.
El sentido de giro de estos motores depende de la disposición relativa de las espiras de cortocircuito y de los polos principales. El par de arranque, el rendimiento y el factor de
potencia no es muy bueno. Sin embargo la gran sencillez de este motor lo hace ideal para aplicaciones de poca potencia.
Motor universal
Motor monofásico que se puede alimentar con corriente alterna o continua. En realidad se trata de un motor de C.C. con la excitación conectada en serie con el inducido.
En los motores serie C.C. el sentido de giro se invierte cuando se cambia la polaridad de uno de los dos devanados, el inducido o el inductor. Si se invierte el sentido de la
corriente en los dos devanados a la vez, el sentido de giro no cambia. Esta es la razón por la cual estos motores funcionan en corriente alterna. Los motores universales se diseñan especialmente para funcionar con C.A., construyendo los núcleos con chapa magnética tal como se hace con los motores C.A.
Pueden funcionar a velocidades muy altas (por encima de los 10000 r.p.m.). Además se puede regular fácilmente la velocidad, bien modificando la tensión total aplicada al motor, o la aplicada al circuito de excitación. Estos motores tienen el inconveniente de que al precisar del colector de delgas y escobillas se producen chispas y desgastes en ambos elementos. La velocidad de estos motores se disminuye con la carga. La principal aplicación de estos motores es como elemento motriz de pequeños electrodomésticos y pequeñas máquinas herramientas: batidoras, robots de cocina, molinillos, taladradoras portátiles, etc.
MOTORES ESPECIALES
La característica principal de estos motores es que posee un amplio margen de control y regulación de sus características funcionales. Esta regulación se hace mediante equipos electrónicos.
Su eje se puede posicionar de una forma determinada, además es muy posible tener un control muy preciso de su velocidad de giro. El estator está constituido por varios electroimanes y el motor por uno o varios imanes permanentes. A las diferentes bobinas del estator se alimenta mediante impulsos, proporcionados por un circuito electrónico, consiguiendo que el rotor se posicione paso a paso según sea el avance de dichos impulsos. La velocidad de giro del rotor depende de la frecuencia de los impulsos y del número de polos. Se fabrican motores con diferentes ángulos de paso, por ejemplo, 24 pasos por revolución, 28, 96, 200, etc. Si un motor paso a paso posee 24 pasos, su ángulo de paso será 360º/24 = 15º.
Algunas de las aplicaciones son: impresoras plotters, teletipos, telefax, cintas
magnéticas, equipos médicos, lectores de tarjetas magnéticas, taxímetros, contadores, etc.
Servomotor
Estos motores son muy utilizados en las máquinas herramientas modernas. Con ellos se consiguen movimientos precisos gracias a la regulación y control electrónica que se ejerce sobre ellos. Se trata de un motor de corriente continua de pequeña potencia en el que la excitación se realiza mediante imanes permanentes especiales de tipo cerámico que producen una elevada intensidad de campo magnético. El rotor es similar al de un motor C.C. y es alimentado a través de un colector, con C.C. regulada mediante circuitos electrónicos.
