Módulo de Aprendizaje 16: Fundamentos y Control de Motores. Serie Básica 101

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1 Módulo de Aprendizaje 16: Fundamentos y Control de Motores Serie Básica 101

2 Temario En este módulo, estudiaremos con detalles cada uno de estos temas: Teoría de los Motores 5 Campos Magnéticos 5 Flujo de Corriente 5 Movimiento Inducido 5 Conmutador 7 Motores CD 8 Motores Simples 8 Motor CD Práctico 9 Electroimanes 11 Componentes de Motor 11 Inversión de un Motor CD 12 Tipos de Motores CD 12 Repaso 1 13 Motores CA 14 Qué hace que un Motor CA sea Diferente de un Motor CD? 14 Monofásico 14 Trifásico 14 El Motor de Inducción de Tipo Jaula de Ardilla 16 Principio de la Inducción 16 Aplicación del Principio de la Inducción al Motor CA 16 Motor Trifásico 17 Construcción de Motores Trifásicos 18 Y y Delta 19 Doble Tensión 19 Repaso 2 21 Control de Velocidad 22 Fuerza, Trabajo y Par 22 Potencia y Caballo de Potencia 23 Resumen 20 Tipos de Aplicación 24 Control de Velocidad para un Motor CD 25 Control de Velocidad para un Motor CA 26 Arranque del Motor 28 Across the Line 25 Minimizing Inrush Current 25 Reversing the Motor 26 Arrancador Manual Reversible 29 Arrancador Magnético Reversible 30 Frenar el Motor 30 Frenado por Inyección CD 30 Frenado Dinámico 31 Repaso 3 33 Página 2

3 Glosario 34 Respuestas del Repaso 1 37 Respuestas del Repaso 2 37 Respuestas del Repaso 3 37 Apéndice A: Conexiones Típicas de un Motor de Velocidades Múltiples 38 Referencia 39 Página 3

4 Bienvenido Bienvenido al Módulo 16 que trata de los fundamentos de los motores y control de motor. Un motor eléctrico es una máquina que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Existen dos grupos principales de motores eléctricos. Los motores CD y los motores CA. Este módulo trata de ambos tipos de motores y cómo controlarlos. Figura 1. Motor Eléctrico Típico Notas sobre Estilos de Fuentes Viendo el Glosario Como los demás módulos en esta serie, este módulo presenta pequeñas secciones de material nuevo seguidas por una serie de preguntas sobre este material. Estudie el material cuidadosamente y conteste después a las preguntas sin hacer referencia a lo que acaba de leer. Usted es el mejor juez de su asimilación del material. Repase el material tan frecuentemente como lo considere necesario. Lo más importante es establecer una base sólida sobre la cual construir conforme pase de tema en tema y de módulo en módulo. Los puntos esenciales se presentan en negritas. Los elementos del Glosario se presentan en cursivas y subrayados la primera vez que aparecen. Las versiones impresas tienen el glosario al final del módulo. Usted puede también hojear el Glosario seleccionando con el mouse la marca de Glosario en el margen izquierdo. Página 4

5 Teoría de los Motores Para entender la teoría de los motores, necesitamos ver los principios básicos de los campos magnéticos, flujo de corriente y movimiento inducido. NOTA: Existen dos teorías en cuanto al flujo de la corriente. La Teoría del Flujo de Electrones establece que la corriente flujo desde el negativo hacia el positivo. La Teoría del Flujo Convencional establece que la corriente flujo del positivo al negativo. Este módulo utiliza la Teoría del Flujo de Electrones. Para mayor información sobre estas teorías, véase Módulo 2, Introducción la Electricidad. Campos Magnéticos Entre los polos de un imán existe un campo magnético. La dirección de un campo magnético se conoce como Flujo Magnético. El flujo magnético se desplaza del polo norte al polo sur, como se muestra en la Figura 2. Figura 2. Las Líneas de Flujo Magnético fluyen del Polo Norte al Polo Sur Flujo de Corriente A continuación vamos a considerar un alambre (conductor) que lleva una corriente eléctrica. Un campo magnético rodea el alambre, como se muestra en la Figura 3. Figura 3. Regla de Flujo de la Mano Izquierda: Las Líneas de Flujo Magnético Rodean un Conductor Movimiento Inducido La comprensión de la dirección del flujo magnético alrededor de un conductor es un aspecto esencial para entender el movimiento del motor. La dirección del flujo magnético puede ser determinada empleando la Regla de Flujo de la Mano Izquierda. Imagine que está usted deteniendo el alambre con la mano izquierda, cerciorándose que su pulgar esté dirigido en la dirección del flujo de la corriente. Sus dedos se doblan alrededor del alambre en la dirección del flujo magnético. En la Figura 3, la corriente está fluyendo a través de la página, de tal manera que las líneas de flujo giren en el sentido contrario de las manecillas del reloj alrededor del alambre. Cuando el conductor que lleva corriente está colocado entre los polos de un imán, se distorsionan ambos campos magnéticos. En la Figura 4, el conductor tenderá a desplazarse hacia arriba puesto que la corriente está fluyendo a través de la página. La fuerza ejercida hacia arriba depende de la fuerza del campo magnético entre los polos del imán, y la fuerza de la corriente a través del conductor. Un método sencillo para determinar la dirección del movimiento es la Regla de Motor de la Mano Derecha. En la Figura 4, el índice apunta en la dirección del flujo magnético (N a S), el dedo cordial apunta en la dirección del flujo de la corriente a través del conductor, y el pulgar apunta en la dirección del movimiento del conductor. Página 5

6 Figura 4. Regla de la Mano Derecha: El Alambre es Desplazado Hacia Arriba Esto significa que si usted conoce la dirección de flujo de la corriente, y la orientación de los polos, se puede determinar el desplazamiento del conductor en el campo magnético. Aplicando la regla del motor de la mano derecha a la Figura 4, el conductor se desplazará hacia arriba a través del campo magnético. Si se invierte la corriente a través del conductor, el conductor se desplazará hacia abajo. Obsérvese que la corriente en el conductor se encuentra a un ángulo recto con relación al campo magnético. Esto es necesario para provocar el movimiento puesto que el conductor no siente ninguna fuerza si la dirección de corriente y de campo son paralelas. Supongamos ahora que cambiemos el conductor simple por una bobina simple o devanado de alambre. Esta bobina se conoce como Armadura, y se muestra en la Figura 5. Figura 5. Rotación de Armadura Ambas secciones de la armadura AB y CD reciben una fuerza. Por qué el devanado tiene tendencia a desplazarse en un movimiento contrario a las manecillas del reloj? Recuerde que el flujo magnético gira alrededor de los conductores. Las secciones de armadura AB y CD tienen corriente que fluye en direcciones opuestas. Página 6

7 Esto significa que el flujo magnético fluye alrededor de ellas en direcciones opuestas. Como se muestra en la Figura 6. Figura 6. Flujo Magnético alrededor de las Secciones de Armadura Cuando el campo magnético de los imanes se representan en un dibujo, los dos campos magnéticos son distorsionados. Una fuerza de rotación o Par, actúa sobre el devanado. Las líneas de fuerza actúan como bandas elásticas estiradas que tienden a contraerse. El resultado es que la armadura gira en una dirección contraria a las manecillas del reloj. La Figura 7 ilustra una vista en corte transversal del movimiento inducido. Figura 7. Creación de Par: Sección Transversal Conmutador La interacción entre los dos campos magnéticos provoca un doblado de las líneas de fuerza. Cuando las líneas se enderezan, provocan la rotación de la armadura. El conductor de la izquierda (AB) es forzado hacia abajo y el conductor de la derecha (CD) es forzado hacia arriba, provocando una rotación en sentido opuesto a las manecillas del reloj. Como hemos mencionado antes, cuando la armadura está colocada de tal manera que los lados del devanado estén a ángulos rectos con relación al campo magnético, se ejerce una fuerza de rotación. Pero qué pasa cuando el devanado gira 180? Surge un problema aquí. El campo magnético en el conductor está ahora opuesto al campo magnético del campo, y esto tiende a empujar la armadura de regreso, suspendiendo el movimiento de rotación. Para resolver este problema, se debe emplear un método para revertir la corriente en la armadura cada media rotación, de tal manera que los campos magnéticos sigan funcionando juntos para mantener una rotación positiva. Un dispositivo llamado Conmutador efectúa esta tarea. Dos Cepillos estacionarios, uno que recibe una corriente CD positiva y el otro que recibe una corriente CD negativa, suministran corriente a los dos segmentos rotatorios del conmutador. Conforme la armadura y el conmutador giran juntos, el conmutador invierte la dirección de la corriente a través de la armadura. De esta forma los campos magnéticos están siempre en la dirección necesaria para contribuir a un esfuerzo de rotación continuo. Página 7

8 Figura 8. El Conmutador Revierte la Corriente a Través de la Armadura Posición A Par Posición B Neutro Posición C Par Posición D Neutro Motores CD Motores Simples Ahora estamos logrando algo. Con la armadura girando continuamente en el campo magnético, se crea energía mecánica a partir de la energía eléctrica. Lo que acabamos de describir es un motor CD. La corriente directa es alimentada al conmutador. El conmutador está conectado a la armadura de tal manera que la dirección de la corriente (se llama Polaridad) cambia cada media vuelta de la armadura. Esto permite que la armadura siga girando en el campo magnético, creando energía mecánica a partir de la energía eléctrica. Sin embargo, este motor CD simple tiene algunas limitaciones. Cada vez que la armadura se encuentra en una posición paralela con relación al campo magnético (se conoce como Posición Neutral), no se produce par. (Véase Figura 8). Recuerde que cuando la armadura está en una posición tal que los lados del devanado estén a ángulos rectos con relación al campo magnético, se ejerce un par. Pero, puesto que la armadura gira en un círculo, existen dos puntos en los cuales se encuentra en un estado paralelo con relación al campo magnético en una vuelta y no se genera par. (Véase Figura 8). El cambio de la cantidad de par se muestra gráficamente en la Figura 9. La velocidad del motor varía debido a los cambios de par. La mayoría de los dispositivos requiere de un motor que gire a una velocidad uniforme, de tal manera que el motor CD simple que acabamos de describir no sería adecuado. Figura 9. Gráfica de Par y Velocidad de Motor CD Simple Página 8

9 Motor CD Práctico Otro problema con un motor CD simple es que no arranca fácilmente. Esto es particularmente cierto si el devanado se encuentra en o cerca de una posición neutral. La armadura debe ser desplazada fuera de la posición neutral para que arranque el motor. En el caso de un motor CD práctico, la armadura nunca se encuentra en una posición neutral y el par siempre está en su máximo. Esto se logra utilizando una armadura con más que un devanado. Una armadura de cuatro devanados se muestra en la Figura 10. Como usted puede ver, cada devanado de la armadura está conectado a un par de segmentos de conmutador. Figura 10. Armadura de Cuatro Devanados Cuando la corriente fluye a través de los cepillos, los cuatro devanados actúan juntos, produciendo un par completo todo el tiempo. No hay posición de armadura neutral en ausencia de par. Asimismo, observe que los cepillos son más grandes que los espacios entre los segmentos de conmutador. Esto significa que el contacto con el conmutador se mantiene todo el tiempo durante la rotación de la armadura. Un motor CD de este tipo tiene un par uniforme, tanto para su funcionamiento como para su arranque. Es una mejora clara en comparación con el motor CD simple. En Campo Presentamos abajo un taladro inalámbrico común que puede ser utilizado por un encargado de mantenimiento en un edificio. Funciona con una batería y utiliza un motor CD. Taladro Inalámbrico con Motor CD Página 9

10 El pequeño tamaño del motor CD hace que el taladro sea muy ligero, portátil y cómodo. Página 10

11 Electroimanes En los dibujos previos, mostramos la armadura que gira entre un par de polos magnéticos. Los motores CD prácticos no utilizan imanes permanentes; utilizan en su lugar electroimanes. Los electroimanes funcionan de manera muy similar a los imanes permanentes. Para fabricar un electroimán, basta con envolver una varilla de hierro con un alambre aislado y suministrar corriente a través del alambre, como se muestra en la Figura 11. La varilla de hierro desarrolla un campo magnético, y polos magnéticos Norte y Sur. Figura 11. Electroimán Componentes de Motor El electroimán tiene dos ventajas en comparación con el imán permanente. Mediante el ajuste de la cantidad de corriente que fluye a través del alambre, se puede controlar la fuerza del electroimán. Cambiando la dirección de flujo de corriente, los polos del electroimán pueden ser invertidos. En el diagrama arriba, el cambio de los conductores en las terminales de la batería cambia la dirección de flujo de la corriente. (La conexión de los conectores a una fuente de CA cambiaría la dirección de flujo de corriente automáticamente. Más adelante en este módulo veremos los motores CA). Ya hemos comentado tres de los cuatro componentes principales que conforman un motor CD: la armadura, los cepillos y el conmutador. El cuarto componente es las Bobinas de campo (se conocen también como Polos de campo o Devanados Estacionarios). La Figura 12 muestra una vista desarmada de un motor CD tetrapolar típico. Figura 12. Un Motor CD Cuadripolar Típico, Armado y Desarmado Obsérvese que muchas vueltas (o devanados) se utilizan para conformar los polos de campo. Entre mayor son los polos, más fuerte es el campo. Página 11

12 Inversión de un Motor CD Tipos de Motores CD Entre mayor es el número de devanados utilizados en un motor CD, más suavemente funcionará el motor. Sin embargo, el número de devanados de campo debe siempre ser par. Cada conjunto de devanados consiste de un polo Norte y un polo Sur. La dirección de rotación de un motor CD puede ser invertida utilizando uno de los métodos siguientes: Inversión de la dirección de la corriente a través del campo Inversión de la dirección de la corriente a través de la armadura El estándar industrial es la inversión de la corriente a través de la armadura. Esto se logra invirtiendo solamente las conexiones de la armadura. Existen básicamente tres tipos de motores de CD: El Motor de Devanado en Serie, el Motor de Devanado en Derivación, y el Motor Compuesto. Interna y externamente, son prácticamente iguales. La diferencia entre ellos es la forma del alambrado de los circuitos de devanado de campo y devanado de armadura. El motor de devanado en serie (Figura 13) tiene el devanado de campo alambrado en serie con la armadura. Se conoce también como motor universal puesto que puede utilizarse tanto en aplicaciones CD como CA. Tiene un alto par de arranque y una característica de velocidad variable. El motor puede arrancar cargas pesadas, pero la velocidad se eleva conforme se reduce la carga. Figura 13. Motor de Devanado en Serie CD: Diagrama Esquemático y de Alambrado El motor de devanado en derivación (Figura 14) tiene los circuitos de armadura y campo alambrados en paralelo, proporcionando una fuerza de campo y velocidad de motor esencialmente constantes. Figura 14. Motor de Devanado en Derivación CD: Diagrama Esquemático y de Alambrado El motor compuesto (Figura 15) combina las características de los motores de devanado en derivación y de devanado en serie. Un motor compuesto tiene un alto par de arranque y características relativamente buenas de par de velocidad a carga nominal. Debido a que se requieren de circuitos complicados para controlar los motores compuestos, este arreglo de alambrado se utiliza habitualmente solamente en grandes motores bi-direccionales. Figura 15. Motor Compuesto CD: Diagrama Esquemático y de Alambrado Página 12

13 Repaso 1 Conteste las preguntas siguientes sin hacer referencia al material que se le acaba de presentar. Empiece la sección siguiente cuanto esté seguro que entiende lo que acaba de leer. 1. La regla de la mano derecha es ilustrada aquí. Qué indica cada dedo? Pulgar Índice Cordial 2. Los 2 problemas principales del motor CD simple son: 3. Indique los elementos en la gráfica de velocidad/par de motor CD simple abajo: 4. Los 2 métodos para revertir un motor CD son: 5. Los 3 tipos de motores CD son: Página 13

14 Motores CA Qué hace que un Motor CA sea Diferente de un Motor CD? Monofásico Mientras existen solamente tres tipos generales de motores CD, existen muchos tipos diferentes de motores CA. Esto se debe a que cada tipo es limitado a una banda estrecha de características operativas. Estas características incluyen par, velocidad, y servicio eléctrico (monofásico o polifásico). Estas características de operación son utilizadas para determinar lo adecuado de un motor dado para una aplicación dada. En un motor CD, la energía eléctrica es llevada directamente a la armadura a través de cepillos y a través de un conmutador. Un motor CA no requiere de un conmutador para revertir la polaridad de la corriente, puesto que la CA cambia de polaridad naturalmente. Asimismo, cuando el motor CD funcionad mediante el cambio de la polaridad de la corriente a través de la armadura (la parte rotatoria del motor), el motor CA funciona cambiando la polaridad de la corriente que atraviesa el Estator (la parte estacionaria del motor). Los muchos tipos de motores AC pueden dividirse en dos grupos principales: monofásicos y polifásicos. Un sistema monofásico tiene un devanado en el generador. Por consiguiente, se genera una tensión alterna. La curva de tensión de un generador CA monofásico se muestra en la Figura 16. Figura 16. Curva de Tensión de un Generador CA Monofásico Trifásicos Los motores monofásicos son generalmente motores con valores nominales de caballos de potencia de uno o menos. (Se conocen generalmente como motores de caballo de potencia fraccional). Se utilizan generalmente para operar dispositivos mecánicos y máquinas que requieren de una cantidad relativamente baja de energía. Tipos de motores monofásicos incluyen: polo sombreado, capacitor, fase dividida, repulsión, serie (CA o universa) y síncrono. Sin embargo, el motor monofásico generalmente no se utiliza, puesto que es ineficaz, costoso en cuanto a su operación y no es de auto-arranque. No estudiaremos con detalles aquí cada una de las funciones de un motor monofásico. Los motores trifásicos o polifásicos funcionan con energía eléctrica trifásica. Un sistema trifásico tiene tres devanados en el generador. Por consiguiente, se generan tres tensiones separadas y distintas. La curva de tensión se muestra en la Figura 17. Figura 17. Curva de Tensión de un Generador de CA Trifásico Comentaremos cómo funciona la energía eléctrica trifásica con mayores detalles más adelante. Los tipos de motores trifásicos incluyen: inducción (de jaula de ardilla o devanado), tipos de rotor, conmutador y síncrono. Página 14

15 En un entorno de CA, el motor de inducción de jaula de ardilla es el más ampliamente utilizado. Nos enfocaremos exclusivamente a este tipo de motor. Página 15

16 El Motor de Inducción de Tipo Jaula de Ardilla Fundamentos y Control de Motores Antes de comentar adicionalmente el motor de tipo jaula de ardilla, consideremos el término Inducción. La inducción se refiere a la carga eléctrica de un conductor colocándolo cerca de un cuerpo cargado. Principio de la Inducción El principio del motor de inducción fue descubierto primero por Arago en Observó que si un disco de metal no magnético y una brújula pivotaban con sus ejes paralelos, de tal manera que uno (o ambos) de los polos de la brújula estén localizados cerca del borde del disco, la rotación del disco provocaba la rotación de la aguja de la brújula. La dirección de la rotación inducida en la brújula es siempre la misma que la impartida al disco. Usted puede comprobarlo. Coloque un disco de cobre o aluminio y una gran brújula en un árbol vertical de tal manera que cada uno pueda girar sobre su propio soporte, independientemente del otro. Haga girar el disco y observe la aguja de la brújula. No hay forma más efectiva de demostrar el principio de la inducción. Figura 18. Demostración del Principio de la Inducción Aplicación del Principio de la Inducción al Motor CA Entonces, Cómo aplicamos el concepto de la inducción a un motor? Recuerde que el motor CA funciona cambiando la polaridad de la corriente que pasa a través del estator (la parte estacionaria del motor). El estator desempeña la función del disco metálico descrito arriba. Un campo magnético rotatorio es establecido en el estator. El conductor, que se conoce como Rotor, sigue el campo magnético rotatorio comenzando a girar, de la misma manera que la aguja de la brújula que acabamos de describir. El motor de inducción utiliza un rotor de un diseño especial. Se parece a una jaula utilizada para las ardillas. Es la razón por la cual se conoce como rotor de tipo jaula de ardilla. El rotor consiste de anillos extremos circulares unidos a través de barras metálicas. Obsérvese que las barras metálicas se colocan directamente opuestas entre ellos y proporcionan un circuito completo dentro del rotor, independientemente de la posición del rotor. El rotor tiene normalmente varias barras, pero se muestran aquí solamente algunas para mayor claridad. Página 16

17 Figura 19. El Rotor de un Motor de Inducción de Tipo Jaula de Ardilla Motor Trifásico Los motores de tipo jaula de ardilla se prefieren habitualmente a otros tipos de motores debido a su simplicidad, resistencia y confiabilidad. Debido a estas características, los motores de tipo jaula de ardilla se han vuelto prácticamente los estándares aceptados para las aplicaciones de motores de velocidad constante, para propósitos generales, CA. Sin duda, el motor de tipo jaula de ardilla es el diseño básico en la industria. El Motor de Inducción de Jaula de Ardilla tiene ciertas ventajas sobre el motor CD. Existen solamente dos puntos de desgaste mecánico en el motor de tipo jaula de ardilla: los dos soportes. Puesto que no tiene conmutador, no hay cepillos que puedan desgastarse. Esto hace que el mantenimiento sea mínimo. No se generan chispas que puedan crear un posible peligro de incendio. Un motor de inducción depende de un campo magnético eléctricamente rotatorio, no de un campo magnético mecánicamente rotatorio. (Un campo magnético mecánicamente rotatorio funcionaría, pero un campo magnético eléctricamente rotatorio tiene ventajas importantes). Cómo se obtiene un campo eléctricamente rotatorio? Todo empieza con el desplazamiento de fase de un sistema trifásico. La energía trifásica puede considerarse como tres suministros de energía monofásica. Se conocen como A, B y C. En el motor trifásico, cada fase del suministro de energía está equipada con su propio grupo de polos, ubicados directamente frente uno a otro en el estator. e igualmente desplazados entre ellos con relación a los polos de las demás dos fases. Figura 20. Tres Pares de Bobinas de Campo en el Estator, a 120 Las tres corrientes empiezan en momentos diferentes. La fase B empieza 120 después de la fase A y la fase C empieza 120 después de la fase B. Esto se muestra en la gráfica de onda sinusoidal en la Figura 21, que indica la forma del campo magnético en varios momentos en el ciclo. Página 17

18 Figura 21. La Rotación del Campo Magnético Proporciona un Par para la Rotación del Motor La introducción de estas corrientes de fases diferentes en las tres bobinas de campo a 120 una de la otra en el estator produce un campo magnético rotatorio, y los polos magnéticos están en rotación constante. Los polos magnéticos se persiguen entre ellos, induciendo simultáneamente corrientes eléctricas en el rotor (en general, barras de cobre integradas en un núcleo de hierro laminado). Las corrientes inducidas establecen sus propios campos magnéticos, en oposición al campo magnético que provocó las corrientes. Las atracciones y repulsiones resultantes proporcionan el par que hace girar el motor y lo mantiene en rotación. Si cada polo magnético se alumbrara cada vez que es excitado, el efecto sería similar a luces corriendo alrededor del estator, de manera muy similar a las luces en algunos letreros eléctricos que simulan un borde en movimiento. Vamos a estudiar con detalles una revolución del motor para ver cómo funciona. Primero, los polos A del estator son magnetizados por la fase A. Después, los polos magnéticos son magnetizados por la fase B. El rotor gira, debido a la corriente inducida. Después, los polos C son magnetizados por la fase C. El rotor gira, debido a la corriente inducida. En este punto, el rotor ha terminado una media vuelta. Figura 22. La Rotación del Campo Magnético Hace Girar el Motor Ahora, los polos A del estator son magnetizados otra vez, pero la corriente fluye en la dirección opuesta. Esto provoca que el campo magnético siga girando y que el rotor siga. Después, los polos B son magnetizados por la fase B. El rotor gira, debido a la corriente inducida. Después, los polos C son magnetizados por la fase C. El rotor gira, debido a la corriente inducida. Figura 23. La Rotación del Campo Magnético Hace Girar el Motor Construcción de Motores Trifásicos El rotor ha terminado una revolución entera en este punto, y el proceso se repite. El motor trifásico es probablemente el más sencillo y el más resistente de todos los motores eléctricos. Para tener una idea de la importancia del motor trifásico, usted tiene que saber que este motor se emplea en el noventa por ciento de las aplicaciones industriales. Todos los motores trifásicos son construidos con varias bobinas eléctricas devanadas individualmente. Independientemente del número de bobinas individu- Página 18

19 Y y Delta ales que se encuentran en un motor trifásico, las bobinas individuales estarán siempre alambradas juntas (en serie o paralelo) para producir tres devanados distintos, que se conocen como fases. Cada fase contendrá siempre una tercera parte del número total de las bobinas individuales. Como lo hemos mencionado, estas fases se conocen como fase A, fase B y fase C. Los motores trifásicos varían desde fracciones de caballo de potencia hasta miles de caballos de potencia. Estos motores tienen una característica de velocidad relativamente constante pero una amplia variedad de características de par. Se elaboran para prácticamente todas las tensiones y frecuencias estándares y son frecuentemente Motores de Doble Tensión. (Estudiaremos brevemente los motores de doble tensión más adelante). Todos los motores trifásicos están alambrados de tal manera que las fases estén conectadas ya sea en configuración Y (Y) o en configuración Delta ( ). En una configuración Y (Y) (Figura 24), un extremo de cada una de las tres fases está conectada a las demás fases internamente. El extremo restante de cada una de las fases es extraído y conectado a la línea de suministro de energía eléctrica. Los conductores externos se conocen como T1, T2 y T3 y están conectados a las líneas de suministro de energía eléctrica trifásica indicados L1, L2 y L3, respectivamente. Figura 24. Configuración de Tipo Y En una configuración Delta ( ) (Figura 25), cada devanado es alambrado extremo con extremo para formar un circuito de devanado cerrado. En cada uno de los tres puntos en donde están conectadas las fases, se extrae un conductor. Están marcados T1, T2 y T3, y conectados a las líneas de suministro de energía eléctrica trifásica marcadas L1, L2 y L3, respectivamente. Figura 25. Configuración de Tipo Delta Doble Tensión En cualquier caso, para que el motor opere apropiadamente, la línea de suministro de energía trifásica al motor debe tener los mismos valores nominales de tensión y frecuencia que el motor. Muchos motores trifásicos se fabrican de tal manera que puedan conectarse a cualquiera de dos tensiones. El propósito de fabricar motores para dos tensiones es permitir que el mismo motor pueda ser utilizado con dos tensiones de línea de suministro de energía eléctrica diferentes. Habitualmente, las dos tensiones nominales de los motores industriales son 230/460V. Sin embargo, se debe siempre revisar la placa para cerciorarse de las tensiones nominales correctas. Cuando el electricista tiene la opción de decidir qué tensión utilizar, se prefiere la tensión más alta. El motor utilizará la misma cantidad de energía, dando los mismos caballos de potencia con alta o baja tensión, pero cada vez que se Página 19

20 duplica la tensión (de 230 a 460), se reduce a la mitad la intensidad. Con la mitad de la intensidad, se puede reducir el tamaño del alambre y de esta forma se obtienen ahorros en cuanto a la instalación. Página 20

21 Repaso 2 Conteste las siguientes preguntas sin hacer referencia al material que se le acaba de presentar. Empiece la sección siguiente cuando esté seguro que entiende lo que acaba de leer. 1. Nombre los dos grupos de motores CA. 2. Explique por qué un motor CA no requiere de un conmutador. 3. La energía trifásica puede considerarse como tres diferentes. 4. Llene los espacios en el diagrama siguiente. 5. El diagrama arriba muestra una configuración Y o DELTA? Circule la respuesta correcta. Página 21

22 Control de Velocidad Fuerza, Trabajo y Par El control de la velocidad es esencial en muchas aplicaciones. Máquinas para minería, prensas, grúas y montacargas, elevadores y transportadores, entre otros, requieren del control de la velocidad. Al seleccionar el método de control de velocidad para una aplicación, se deben considerar tres factores principales: Tipo de equipo (carga) que impulsa el motor Tipo de aplicación Tipo de motor A continuación comentaremos cada uno de estos factores en secuencia. Las cargas y los tipos de aplicación son tan variados como los tipos de motores disponibles. Sin embargo, existen dos tipos de motores fundamentales: CA y CD. Cada tipo tiene su propia capacidad de controlar cargas diferentes a velocidades diferentes. Con el objeto de seleccionar el tipo de motor adecuado para una aplicación dada, es necesario entender primero los requerimientos de carga. Para entender estos requerimientos, debe usted estar familiarizado con los conceptos de fuerza, trabajo, par, potencia y caballo de potencia y como se relacionan con la velocidad. Un trabajo se efectúa cuando una fuerza supera una resistencia. El Trabajo se mide a través de la fórmula: Trabajo = Distancia x Fuerza Si usted lleva una bolsa de 10 libras sobre 50 pies, usted efectúa un trabajo de 500 pies-libras (ft.-lb.). En el caso de un motor eléctrico, la fuerza no se ejerce en una línea sino que en un círculo alrededor de un eje cilíndrico. Como usted lo recuerda, la fuerza rotatoria se conoce como par. Par = Distancia Radial x Fuerza Si usted aplica 100 libras de fuerza a un eje de motor a una distancia radial de 5 pies, se aplica al eje un par de 500 pies-libras (ft.-lb. Figura 26. Par = Distancia Radial X Fuerza Potencia y Caballo de Potencia La potencia toma en cuenta la velocidad con la cual se logra el trabajo. La Potencia es el ritmo de realización del trabajo. La fórmula para determinar la potencia es: Potencia = Trabajo/Tiempo Página 22

23 Resumen Si la bolsa de 10 libras estaba conectada a un motor muy pequeño, el motor podría requerir de varios minutos para desplazar la carga sobre 50 pies. De utilizarse un motor más grande, la carga podría ser desplazada en pocos segundos. La razón de esta diferencia es la cantidad de trabajo que puede efectuarse en un lapso dado de tiempo. Evidentemente, un motor más grande podría proporcionar más trabajo en un lapso dado que un motor mucho más pequeño. Es esta diferencia la que determina la potencia nominal del motor. Los motores son especificados en caballos de potencia (HP). Un Caballo de Potencia es igual a 33,000 ft.-lbs. por minuto. (La potencia eléctrica puede también medirse en watts. Un caballo de potencia es igual a 746 watts de potencia eléctrica). Vamos a estimar el caballaje de un motor para desplazar estas bolsas. Recuerde que: Trabajo = Distancia x Fuerza Si usted lleva una bolsa de 10 libras sobre una distancia de 50 pies, efectúa un trabajo de 500 pies-libras. Si usted conecta la bolsa a un motor que puede desplazarla sobre 50 pies en 15 segundos, cuál es el caballaje del motor? Potencia = Trabajo/Tiempo Potencia = 500 ft.-lb./.25 minutos Potencia = 2000 ft.-lb. por minuto Y puesto que 33,000 ft.-lb. por minuto es igual a 1 HP, (2000 / 33,000) el motor tiene aproximadamente 0.06 caballo de fuerza. Par, caballo de fuerza y velocidad están inter-relacionados cuando excitan una carga. El caballaje es proporciona al par y a la velocidad. La fórmula siguiente los une: HP = (T x N)/5252 En donde: HP = el caballaje proporcionado por el motor T = el par del motor en pies-libras N = la velocidad síncrono del motor en revoluciones por minuto Esto significa que si la velocidad o el par permanece constante mientras se eleva el otro, se incrementa el caballaje. A la inversa, si el par o la velocidad se reduce mientras el otro permanece constante, se reduce el caballaje. Página 23

24 A continuación se presenta una gráfica que muestra la relación entre caballo de potencia, par y velocidad. Figura 27. Relación entre Caballo de Potencia, Par y Velocidad Incremento de la Velocidad Par Constante Incremento del Caballaje Reducción de la Velocidad Par Constante Reducción del Caballaje Velocidad Constante Incremento del Par Incremento del Caballaje Velocidad Constante Reducción del Par Reducción del Caballaje Incremento de la Velocidad Reducción del Par Incremento del Caballaje Reducción de la Velocidad Incremento del Par Reducción del Caballaje Tipos de Aplicación Cuando un motor está impulsando una carga, tendrá que entregar ya sea un par constante o un par variable y ya sea un caballaje constante o un caballaje variable. La cantidad de par y caballaje que se requiere dependerá de la velocidad y del tamaño de la carga. Existen tres tipos principales de aplicaciones. Vamos a ver a continuación cada uno de ellos. Par Constante/Caballaje Variable Este tipo de carga se encuentra frecuentemente en máquinas que tienen cargas de tipo fricción, tales como transportadores, bombas de tipo engranaje y equipo de levantamiento de cargas. Los caballos de potencia requeridos se incrementan cuando se eleva la velocidad. El requerimiento de par no varía en el rango de velocidades excepto en el caso del par de arranque extra requerido para superar la fricción. El par permanece constante puesto que la fuerza de la carga no cambia. Caballaje Constante/Par Variable Este tipo de carga es utilizado para cargas que requieren de un par elevado a bajas velocidades y un par bajo a altas velocidades. Ejemplos de estas cargas son máquinas que enrollan y desenrollan papel o metal. Puesto que la velocidad lineal del material es constante, el caballaje debe también ser constante. Mientras que la velocidad del material es mantenida constante, la velocidad del motor no es constante. Al arranque, el motor debe funcionar a alta velocidad para mantener la velocidad correcta del material mientras se mantiene el par a un mínimo. Conforme se agrega material al rollo, el Página 24

25 Control de Velocidad para un Motor CD motor debe suministrar más par a una velocidad menor. En esta aplicación, tanto el par como la velocidad cambian constantemente mientras que el caballaje del motor permanece igual. Par Variable/Caballaje Variable Este tipo de carga es utilizado para cargas que tienen un par y un caballaje variables a velocidades diferentes. Aplicaciones típicas son ventiladores, sopladores, bombas centrífugas, agitadores y mezcladoras. Conforme se eleva la velocidad del motor, se eleva también la salida de carga. Puesto que el motor debe trabajar más fuerte para suministrar más salida a velocidades más rápidas, se elevan tanto el par como el caballaje. Ahora que usted entiende los factores importantes para seleccionar un motor para una aplicación, veremos como controlar realmente la velocidad del motor. Empecemos con el motor CD. La Velocidad Base de un motor es la velocidad a la cual el motor funciona con plena tensión de línea aplicada a la armadura y al campo. La velocidad de un motor CD es controlada variando la tensión aplicada a través de la armadura, el campo o ambas cosas. Cuando se controla la velocidad en la armadura, el motor suministra un par constante. Cuando la tensión de campo es controlada, el motor suministra un caballaje constante. Figura 28. Tensión de Campo Vs. Tensión de Armadura en el Control de la Velocidad de un Motor CD Los motores CD son utilizados en aplicaciones industriales que requieren ya sea de un control de velocidad variable, alto par, o bien ambas cosas. Puesto que la velocidad de la mayoría de los motores CD puede ser controlada suave y fácilmente desde cero hasta plena velocidad, los motores CD son utilizados en muchas aplicaciones de aceleración y desaceleración. El motor CD es ideal en aplicaciones en las cuales se requiere de la salida de un par momentáneamente más alto. El motor CD puede suministrar de tres a cinco veces su par nominal durante cortos períodos de tiempo. (La mayoría de los motores CA se paran con la carga que requiere dos veces el par nominal). Por estas razones, los motores CD son utilizados para manejar grandes máquina-herramientas, grúas y elevadores, prensas de impresión, carros de vaivén y arrancadores para automóviles. Página 25

26 Control de Velocidad para un Motor CA Puesto que cada tipo de motor tiene sus propias características de caballos de potencia, para y velocidad, tipos diferentes de motor son más adecuados para aplicaciones diferentes. Las características básicas de cada tipo de motor CA se determinan a través del diseño del motor y la tensión de alimentación utilizada. Estos tipos de diseños son clasificados y reciben una designación con letra que puede encontrarse en la placa de los tipos de motores listados como Diseños NEMA Diseño NEMA Par de Arranque Corriente de Arranque Par de Falla Deslizamiento de Plena Carga Aplicaciones Típicas A Normal Normal Alto Bajo Máquina- Herramienta Ventilador Bomba Centrífuga B Normal Baja Alto Bajo Máquina- Herramienta Ventilador Bomba Centrífuga C Alto Baja Normal Bajo Compresor Cargado Transportador Cargado D Muy Alto Baja Alto Prensa Punzonadora El motor de diseño NEMA CA más comúnmente utilizado es el NEMA B. En Campo El transportador en esta línea de embotellado de cerveza es impulsado por un motor NEMA B. Motor NEMA Diseño B en Campo El motor NEMA diseño B es un motor de inducción CA para propósitos generales. Es el motor de diseño NEMA más comúnmente utilizado puesto que ofrece un buen equilibrio entre su servicio y su precio. El motor de inducción es básicamente un dispositivo de velocidad constante. La velocidad a la cual gira el campo de estator de inducción se conoce como Velocidad Síncrona. Esto se debe a que dicho campo se encuentra sincronizado con la frecuencia de la energía CA todo el tiempo. La velocidad del campo rotatorio es siempre independiente de los cambios de carga en el motor, a condición que la frecuencia de línea sea constante. Página 26

27 La velocidad síncrona es determinada por el número de polos del motor y la frecuencia suministrada. La ecuación para determinar la velocidad síncrona de un motor es la siguiente: N = 120f/P En donde: N = la velocidad síncrona del motor en revoluciones por minuto (RPM) f = la frecuencia suministrada el motor en Hertz (Hz) P = el número de polos del motor Motores diseñados para uso con 60 Hertz (estándar en los Estados Unidos de América) tienen las siguientes velocidades síncronas: Polos RPM Los motores de inducción no funcionan a velocidad síncrona; funcionan a Velocidad de Plena Carga, que es la velocidad de rotación del rotor. La velocidad de plena carga es siempre más lenta. La reducción porcentual de la velocidad se conoce como Porcentaje de Deslizamiento. El deslizamiento se requiere para desarrollar un par de rotación. Entre más alto es el par, mayor es el deslizamiento. La velocidad del motor, bajo condiciones de carga normal, es raras veces mayor que 10% debajo de la velocidad síncrona. Si el motor no está impulsando una carga, se acelerará a velocidad casi síncrona. Conforme se incrementa la carga, se eleva el deslizamiento porcentual. Por ejemplo, un motor con un deslizamiento de 2.8% y una velocidad síncrona de 1800 rpm tendría un deslizamiento de 50 rpm, y una velocidad de plena carga de 1750 rpm ( = 1750 rpm). Es esta velocidad de plena carga que encontraremos en la placa del motor. A partir de la fórmula, resulta evidente que la frecuencia de alimentación y el número de polos son las únicas variables que determinan la velocidad del motor. La variación de la tensión no es una buena manera de cambiar la velocidad del motor. De hecho, si la tensión es cambiada en más del 10%, el motor puede ser dañado. Esto se debe al hecho que el par de arranque varía al cuadrado de la tensión aplicada. Puesto que la frecuencia y el número de polos debe cambiar para modificar la velocidad de un motor CA, dos métodos de control de velocidad están disponible. Son: Cambiar la frecuencia aplicada al motor Página 27

28 El cambio de la frecuencia requiere de un dispositivo que se conoce como Controlador de Frecuencia Ajustable a insertar corriente arriba con relación al motor. Este dispositivo convierte la frecuencia de 60 Hertz entrantes en cualquier frecuencia deseada, permitiendo que el motor funcione virtualmente a cualquier velocidad. Por ejemplo, mediante el ajuste de la frecuencia a 30 Hz, se puede hacer que el motor funcione solamente a la mitad de la velocidad. Estudiaremos los controladores de frecuencias ajustables con mayores detalles en el módulo 20, Controladores de Frecuencias Ajustables. Utilización de motor de velocidades múltiples Los motores CA de velocidades múltiples están diseñados con devanados que pueden ser reconectados para formar números diferentes de polos. Son operados a frecuencia constante. Los motores de dos velocidades tienen habitualmente un devanado que puede estar conectado para proporcionar dos velocidades, una de las cuales es la mitad de la otra. Los motores con más de dos velocidades incluyen habitualmente varios devanados. Estos pueden estar conectados de muchas formas para proporcionar velocidades diferentes. Véase Apéndice A: Conexiones Típicas de Motores de Velocidades Múltiples. En Campo Todos conocemos este aparato. El ventilador oscilante de tres velocidades portátil puede encontrarse en la mayoría de los hogares. Ventilador Oscilante de Tres Velocidades El motor de velocidades múltiples del ventilador contiene muchos devanados que pueden estar conectados de tres formas diferentes. Esto permite al usuario ajustar el ventilador para que funcione a cualesquiera de las tres velocidades preestablecidas. Arranque del Motor Un Arrancador es un dispositivo que se utiliza para arrancar un motor desde un estado de parada. El arrancador en la línea es por mucho el más común. Este tipo de arrancador coloca el motor directamente a la plena tensión de las líneas de alimentación, y de ahí le viene su nombre: arrancador de línea. Página 28

29 En Línea Minimización de la Corriente de Irrupción Inversión del Motor Arrancador Manual Reversible Cuando un motor de inducción se coloca en línea, acelera a plena velocidad en cuestión de segundos. Qué aplicaciones son adecuadas para este tipo de aceleración rápida? Las bombas de todos los tipos, ventiladores y sopladores y la mayoría de las máquinas tales como prensas de perforación, tornos y molinos son adecuados. Comentaremos con mayores detalles los arrancadores en el Módulo 19, Características Básicas de los Arrancadores. Los pequeños motores CD son generalmente arrancados cerrando simplemente el interruptor de línea. No se requiere de ningún equipo de arranque auxiliar para limitar la irrupción inicial de corriente. La misma práctica aplica en el caso de la mayoría de los pequeños motores polifásicos (y algunos de gran tamaño). Durante el período de aceleración en el arranque del motor CA, se requiere de una gran cantidad de corriente para iniciar la rotación del motor y llevarlo a la velocidad de funcionamiento. Esto se conoce como corriente irruptiva. Corrientes de 6 a 8 veces la plena carga nominal del motor son frecuentes cuando el motor es arrancado en línea. A partir de esto, podemos ver que la compañía de suministro de energía eléctrica estaría preocupada puesto que tiene que suministrar la corriente necesaria para arrancar (y también permitir el funcionamiento) del motor. Así, es deseable (pero no necesario) limitar la irrupción inicial de corriente a un valor razonable, aproximadamente 1.25 a 5 veces la plena carga nominal. Existen varias formas de lograr este propósito: (CA/CD) Insertar una resistencia en la línea, y después cortar la resistencia gradualmente conforme el motor gana velocidad. (CA) Utilizar un Arrancador de Tensión Reducida, que comentaremos con mayores detalles en el Módulo 21, Arrancadores de Tensión Reducida. (CA) Utilizar un equipo de motor de rotor devanado, que emplea un controlador de resistencia para la función de arranque y que puede también servir como un dispositivo de control de velocidad. (CA) Utilizar el método Y-Delta, en donde el estator está conectado en Y al momento del arranque, y en Delta una vez que el motor ha alcanzado su velocidad normal. (CA) Utilizar un controlador de frecuencia ajustable, que comentaremos con mayores detalles en el Módulo 20, Controladores de Frecuencias Ajustables. En aplicaciones en las cuales es deseable que un motor funcione tanto en forma directa como reversa, existen algunas opciones para proporcionar una capacidad de inversión. Un Arrancador Manual Reversible puede ser utilizado para cambiar la dirección de rotación de un motor trifásico, monofásico o CD. Se logra conectando simplemente dos arrancadores manuales juntos. El diagrama eléctrico se muestra en la Figura 29. Página 29

30 Figura 29. Arrancador Manual Reversible Arrancador Magnético Reversible Frenar el Motor Frenado por Inyección CD Este tipo de dispositivo se utiliza generalmente para motores con baja potencia tales como los motores encontrados en ventiladores, pequeñas máquinas, bombas y sopladores. Un Arrancador Magnético Reversible efectúa la misma función que un arrancador manual reversible. Eléctricamente, la única diferencia entre los arrancadores manuales y magnéticos es la adición de bobinas directas y reversas y el uso de contactos auxiliares. Las bobinas directas y reversas reemplazan los botones de un arrancador manual. Los contactos auxiliares proporcionan protección eléctrica adicional y flexibilidad de circuito. Dos métodos comunes para frenar un motor son Frenado por Inyección de CD y Frenado Dinámico. Examinaremos ambos métodos con detalles, comenzando con el frenado eléctrico. El frenado por inyección CD es un método para frenar en donde se aplica corriente directa (CD) a los devanados estacionarios de un motor CA después de la remoción de la tensión CA. Es un método eficaz para frenar la mayoría de los motores CA. El frenado por inyección de CD proporciona una acción de frenado rápido y suave sobre todos los tipos de cargas, incluyendo cargas de alta velocidad y alta inercia. Recuerde que polos magnéticos opuestos se atraen y polos magnéticos similares se rechazan. Este principio, cuando se aplica tanto a motores CA como CD, es la razón por la cual gira el eje del motor. En un motor de inducción CA, cuando se remueve la tensión CA, El motor llegará a un estado de parada en un cierto lapso de tiempo puesto que ningún campo inducido lo mantiene en rotación. Puesto que la velocidad de desaceleración puede ser inaceptable, especialmente en una situación de emergencia, se puede utilizar un frenado eléctrico para proporcionar una parada más inmediata. Mediante la aplicación de una tensión CD a los devanados estacionarios una vez que la corriente CA es removida, se crea un campo magnético en el estator que no cambia de polaridad. A su vez, este campo magnético constante en el estator crea un campo magnético en el rotor. Puesto que el campo magnético en el estator no cambia en cuando a polaridad, intenta detener el rotor cuando los campos magnéticos están alineados (N a S y S a N). Página 30

31 Figura 30. Frenado por Inyección de CD Frenado Dinámico La única cosa que puede impedir la parada del rotor con la primera alineación es la inercia de rotación de la carga conectada al eje del motor. Sin embargo, puesto que la acción de frenado del estator está presente todo el tiempo, el motor es frenado rápida y suavemente hasta pararse. Puesto que ninguna parte entra en contacto físico durante el frenado, el mantenimiento es mínimo. El frenado dinámico es otro método para frenar un motor. Se logra mediante la reconexión de un motor en funcionamiento para actuar como generador inmediatamente después de ser apagado, frenando rápidamente el motor. La acción de generador convierte la energía mecánica de rotación en energía eléctrica que puede ser disipada como calor en una resistencia. El frenado dinámico de un motor CD puede ser requerido puesto que los motores CD se utilizan frecuentemente para levantar y desplazar cargas pesadas que pueden ser difíciles de parar. Debe existir acceso a los devanados del rotor con el objeto de reconectar el motor para actuar como generador. En un motor CD, el acceso se logra a través de los cepillos en el conmutador. En este circuito, las terminales de armadura del motor CD están desconectadas del suministro de energía y conectadas inmediatamente a través de una resistencia, que actúa como carga. Entre menor la resistencia ohmica, mayor es la velocidad de disipación de energía, y mayor es la desaceleración. Los devanados de campo del motor CD permanecen conectados al suministro de energía eléctrica. La armadura genera una tensión que se conoce como fuerza contra electromotriz (CEMF). Esta fuerza contra electromotriz provoca que la corriente fluya a través de la resistencia y armadura. La corriente provoca la disipación del calor en la resistencia, removiendo energía del sistema y desacelerando la rotación del motor. La fuerza contra-electromotriz generada se reduce conforme la velocidad del motor baja. Cuando la velocidad del motor se acerca a cero, la tensión generada se acerca también a cero. Esto significa que la acción de frenado se reduce conforme la velocidad del motor baja. Como resultado, un motor no puede ser totalmente frenado mediante la utilización del frenado dinámico. El frenado dinámico tampoco puede mantener una carga una vez que se ha detenido puesto que ya no hay ninguna acción de frenado. Por esta razón, los frenos de fricción electromecánica se utilizan frecuentemente junto con el frenado dinámico en aplicaciones que requieren del sostenimiento de la carga o bien en aplicaciones en las cuales una carga muy pesada debe ser detenida. Esto es similar a la utilización de un paracaídas para desacelerar un automóvil de carrera antes de utilizar los frenos. Página 31