1. La corriente alterna (C.A.)

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1 TEMA 6. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA 1. La corriente alterna (C.A.) La corriente alterna es una corriente eléctrica en la que el sentido de circulación de los electrones y la cantidad de electrones varían cíclicamente. La característica principal de una corriente alterna es que durante un instante de tiempo un polo es negativo y el otro positivo, mientras que en el instante siguiente las polaridades se invierten. Esto ocurre tantas veces como ciclos por segundo (hertzios) posea esa corriente. No obstante, aunque se produzca un constante cambio de polaridad, la corriente siempre fluirá del polo negativo al positivo, tal como ocurre en las fuentes de FEM que suministran corriente continua. Como la tensión varia constantemente se coge una tensión de referencia llamada valor eficaz. Este valor es el valor que debería tener en corriente continua para que produjera el mismo efecto sobre un receptor en corriente alterna. En Europa la corriente alterna que llega a los hogares es de 230 V y tiene una frecuencia de 50 Hz. La forma más común de generar corriente alterna es empleando grandes generadores o alternadores ubicados en plantas termoeléctricas, hidroeléctricas o centrales atómicas. La corriente alterna que llega a nuestras casas puede representarse en un diagrama tensión-tiempo y nos daremos cuenta de se trata de una onda senoidal Conocimientos básicos de C.A. Periodo (T): Es el tiempo, que tarda la corriente en repetir sus valores. En el tiempo de un periodo la corriente realiza una oscilación completa o ciclo. Frecuencia (f): Es el número de ciclos realizados en un segundo y se mide en hercio (Hz). La frecuencia es la inversa del periodo. Valor instantáneo de una corriente o una tensión: es el valor (i o v) que toma la intensidad o el voltaje en un momento determinado. Valor máximo: es el mayor valor I max o V max de una tensión o intensidad alternas. Se denomina amplitud. Valor medio: es el valor I m de una intensidad que transporta la misma carga en el mismo tiempo que una corriente continua de igual intensidad. En una onda senoidal tenemos: 1

2 1.2. Ventajas de la corriente alterna Algunas de las ventajas de la corriente alterna, comparada con la corriente continua, son las siguientes: Se transporta a grandes distancias con poca pérdida de energía. Al incrementar su frecuencia por medios electrónicos en miles o millones de ciclos por segundo (frecuencias de radio) es posible transmitir voz, imagen, sonido y órdenes de control a grandes distancias, de forma inalámbrica. Los motores y generadores de corriente alterna son estructuralmente más sencillos y fáciles de mantener que los de corriente continua Sistemas más empleados de CA: Los sistemas más empleados para transporte y uso de la CA son: Sistema monofásico. En ese sistema se emplea una sola fase de corriente alterna y un neutro, obteniéndose tensiones de 230 V de valor eficaz y 50 Hz de frecuencia.. Sistema trifásico. Sistema formado por un neutro y tres fases de corrientes alterna, de igual frecuencia y valor eficaz, desfasadas entre si 120 grados. Esto permite tensiones de 230 V (entre fase y neutro) y de 400 V (entre fases). Y 50 Hz de frecuencia La utilización de electricidad en forma trifásica es común en industrias donde muchas de las máquinas funcionan con motores para esta tensión. Las corrientes trifásicas se generan mediante alternadores dotados de tres bobinas o grupos de bobinas, enrolladas sobre tres sistemas de piezas polares equidistantes entre sí. 2

3 1.4. POTENCIA EN CA: La potencia total suministrada por el generador no siempre es la consumida por el circuito. Una parte de la potencia se utiliza para crear campos eléctricos y magnéticos en las máquinas, pero no se consume. Sin embargo la fuente debe proveerla para el funcionamiento del circuito. Potencia activa (P) Es la potencia que representa la cantidad de energía eléctrica que se va a transformar en trabajo (calor, energía mecánica, etc). Es la potencia que se utiliza. Aplicando un rendimiento dará la potencia útil. Se mide en vatios (W). La potencia activa (absorbida) es debida a los elementos resistivos. Potencia reactiva (Q) Es la encargada de generar el campo eléctrico y magnético que requieren para su funcionamiento los motores y transformadores: Esta potencia sólo aparecerá cuando existan bobinas o condensadores en los circuitos. Es una potencia devuelta al circuito, por lo que la potencia reactiva tiene un valor medio nulo y no produce trabajo útil. Se mide en voltamperios reactivos (VAR) Esta potencia es debida únicamente a los elementos reactivos. Potencia aparente (S) La potencia aparente de un circuito eléctrico de corriente alterna es la suma vectorial de la energía que consume dicho circuito en forma de calor o trabajo y la energía utilizada para la formación de los campos eléctricos y magnéticos de sus componentes. Esta potencia ha de satisfacer la energía consumida por los elementos resistivos y también la que van a almacenar bobinas y condensadores. Se mide en voltiamperios (VA). La relación entre estas tres potencias se conoce como el triángulo de potencias de la corriente alterna: Factor de potencia: El factor de potencia se define como el cociente de la potencia activa entre la potencia aparente; esto es: Cos φ = P / S 3

4 El factor de potencia es un término utilizado para describir la cantidad de energía eléctrica que se ha convertido en trabajo. El valor ideal del factor de potencia es 1, esto indica que toda la energía consumida por los aparatos ha sido transformada en trabajo. Por el contrario, un factor de potencia menor a la unidad significa un mayor consumo de energía necesaria para producir un trabajo útil. 2. MOTORES DE CA TRIFÁSICOS Se utilizan en la mayor parte de máquinas industriales. Están constituidas por el estator, el rotor y el entrehierro. Entrehierro: La separación de aire entre el estator y el rotor. Estator: parte fija formada por una corona de chapas ferromagnéticas aisladas provistas de ranuras, donde se introducen 3 bobinas inductoras, cuyos extremos van conectados a la red. Es la parte encargada de crear el campo magnético. Rotor: parte móvil situada en el interior del estator, formado por chapas ferromagnéticas aisladas y ranuradas exteriormente. El bobinado del rotor puede estar de dos formas: Rotor de jaula de ardilla: en las ranuras se encuentran los bobinados del inducido cuyos extremos se unen entre sí en cortocircuito. Por tanto no hay posibilidad de conectar el devanado del rotor con el exterior. El rotor va montado sobre un eje Rotor bobinado: los devanados del rotor van distribuidos en la periferia y sus extremos están conectados a anillos colectores montados sobre el mismo eje, sobre los que se deslizan unas 4

5 escobillas que permiten conectar la bobina a un circuito exterior. Estator y rotor, tienen el mismo número de pares de polos. Ventajas del motor con rotor en bobinado respecto al motor con rotor en cortocircuito. La corriente de arranque es menor, solamente, de 1,5 a 2.5 veces la corriente nominal, debido al empleo de las resistencias de arranque. El par de arranque es siempre mayor en motores de las mismas características. Durante el periodo de arranque también es mayor el factor de potencia debido a la presencia de las resistencias rotóricas. En los motores de rotor bobinado es posible una mejor regulación de la velocidad Los principales inconvenientes son los siguientes: El devanado del rotor encarece el precio del motor y lo hace más voluminoso. Los equipos para el arranque, frenado, regulación de la velocidad, etc... son más complejos. Esto significa más caros, más voluminosos y personal más entrenado para su manejo FUNCIONAMIENTO El motor se conecta a CA trifásica. Pero la corriente circula exclusivamente por las bobinas inductoras del estator. Esto genera un campo magnético giratorio (en CC es lineal). Como consecuencia del campo magnético giratorio en los conductores del rotor se inducen corrientes eléctricas. Estas corrientes interactúan con el magnético del estator, provocando fuerzas electromagnéticas que dan lugar al par motor que obliga a girar el motor. 5

6 El Campo magnético giratorio se obtiene con tres devanados desfasados 120º (acoplados en estrella o triángulo) y conectados a un sistema trifásico de C. A CLASIFICACIÓN DE MOTORES DE C.A.: Síncronos: son aquellas en las que la velocidad de giro del rotor es la misma que la velocidad de giro del campo magnético. Son poco utilizadas, empleándose solo en aplicaciones muy específicas. Asíncronos o de inducción: en las que la velocidad de giro del rotor es inferior a la de rotación de campo magnético. La amplia mayoría de los motores empleados son asíncronos trifásicos debido a su sencillez, rendimiento y robustez, además pueden ser empleados en instalaciones monofásicas mediante la conexión de un condensador VELOCIDAD DE GIRO EN MOTORES ASÍNCRONOS: Hay dos velocidades de giro, la del campo magnético y la del rotor. El deslizamiento es la diferencia relativa expresada en % entre las velocidades de giro del campo magnético y la del rotor CONEXIÓN Y ARRANQUE DEL MOTOR: 6

7 Para arrancar el motor hay que conectar entre sí las tres bobinas inductoras del estator, y efectuar la conexión a la red. La conexión puede ser con arranque directo en estrella o en triángulo. Al principio de cada bobina se le llama con las letras U, V, W. Y al final con X, Y, Z. Tensión de línea: Es la diferencia de potencial que existe entre dos conductores de línea o entre fases. (U L) Tensión de fase: Es la diferencia de potencial que existe en cada uno de los bobinados o de las ramas monofásicas de un sistema trifásico. (U f) Intensidad de línea: Es la que circula por cada uno de los conductores de línea o de fase de la red eléctrica. (I L) Intensidad de fase: Es la que circula por cada uno de los bobinados o de las ramas monofásicas de un sistema trifásico. (I f) Conexión en estrella: Se consigue uniendo los terminales finales de las tres bobinas (X-Y-Z) en un punto común, que normalmente se conecta a neutro. Los terminales iniciales (U-V-W) se conectan a las fases de la red eléctrica En este caso la intensidad de línea coincide con la de fase: IL= If Para las tensiones se cumple: La potencia en trifásica se calcula sumando las potencias de las tres fases: Por lo que en una conexión en estrella tenemos: 7

8 Conexión en triángulo: Este tipo de conexión se realiza uniendo el final de una bobina con el principio de la siguiente, hasta cerrar la conexión formando un triángulo. Es una conexión sin neutro. Después los tres extremos iniciales se conectan a las fases de la red. La tensión de línea coincide con la de fase UL= Uf Para las intensidades se cumple: 2.5. POTENCIA Y PÉRDIDAS DE POTENCIA: El balance de pérdidas de potencia es similar al que teníamos en los motores de corriente continua: Potencia absorbida: La potencia absorbida de la red es: Potencia útil: La potencia útil se obtiene de restar las pérdidas a la potencia absorbida. Estas pérdidas son las siguientes: Pérdidas en el cobre: debidas al efecto Joule por calentamiento En los conductores del estator: Pcuex = 3. Rex.(Iex) 2 En los conductores del rotor: Pcui = 3. Ri.(Ii) 2 8

9 Pérdidas en el hierro: PFe debidas a las pérdidas por corrientes de Foucault. Pérdidas mecánicas: Pm Rendimiento: Sirve para cuantificar que parte de la potencia total absorbida es realmente convertida en energía útil por el motor: 2.6. APLICACIONES: Son sencillos y robustos Pueden arrancar a plena carga (elevado par motor) Buen rendimiento Se usan en instalaciones industriales de gran potencia. Se utilizan en sistemas de elevación, como ascensores o montacargas; de transporte, como las cintas transportadoras; en sistemas de ventilación y climatización, como las unidades de tratamiento del aire;: en las bombas y los compresores; en trenes de alta velocidad CAMBIO DE SENTIDO DE GIRO: Se consigue variando la rotación del campo magnético. Para ello se necesita cambiar la polaridad de dos de sus fases PLACA DE CARACTERÍSTICAS DE UN MOTOR TRIFÁSICO: Se trata de un motor trifásico ( 3 ) de la marca SIEMENS. Mirando su catálogo podríamos saber que este modelo corresponde a un motor de jaula de ardilla. El motor puede tener dos tipos de frecuencia, 50 Hz y 60 Hz. Esto indica que el motor ha sido diseñado para diferentes países, pues utiliza dos frecuencias. Para cada frecuencia, el motor necesita unos valores de tensión diferentes, una intensidad absorbida diferente, tiene un cosφ distinto, y da una potencia distinta. Para la frecuencia de 50 Hz. Observamos que puede tener una conexión tanto de estrella como de triángulo. Las primeras tensiones, V, corresponden a la conexión en triángulo; mientras que las segundas tensiones, V, corresponden a la conexión en estrella. Con la intensidad sucede exactamente lo mismo, es decir, las primeras intensidades corresponderán a la conexión en triángulo; y las segundas intensidades, corresponderán a la conexión en estrella. El factor de potencia es el mismo a diferentes conexiones y tensiones Cosφ

10 Para la frecuencia de 60 Hz. Solo admite un tipo de conexión, en estrella. Pero nos indica que puede llevar dos tensiones V. Las intensidades absorbidas, también son dos la primera corresponde a la primera tensión; y la segunda, corresponde a la segunda tensión. Las dos tensiones tienen el mismo factor de potencia y la misma potencia útil del motor PROCEDIMIENTOS DE ARRANQUE DEL MOTOR: El reglamento REBT regula según la potencia del motor, qué motores deben estar provistos de dispositivos de arranque que impidan intensidades de arranque muy elevadas. Limita además que la máxima caída de tensión en la red no debe superar el 15% durante el arranque. Se exige también contar con mecanismos que protejan de sobrecargas y sobreintensidades. Arranque directo: Para P < 5,5 Kw Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica directamente la tensión nominal a la que debe trabajar. La intensidad de arranque será entre 3 y 8 veces la intensidad nominal. Su principal ventaja es el elevado par de arranque, que será entre 1 y 1,5 veces el par nominal. El arranque directo puede ser en estrella o en triángulo. Consiste en cerrar un contactor (generalmente asociado a un relé). Mientras el motor está funcionando queda protegido contra sobrecargas por un relé térmico RT y contra cortocircuitos por fusibles F. 10

11 Arranque estrella / triángulo: para P> 5,5 kw Para motores de alta potencia y preparados para conexión en triángulo, se utiliza un arranque transitorio en estrella. Este método se basa en disminuir la tensión aplicada al estator y así se consigue disminuir la corriente absorbida de la línea y el par. En este arranque se conecta el motor en estrella sobre una red donde debe de conectare en triángulo. De esta forma durante el arranque los devanados del estator están a una tensión a la nominal. veces inferior En el arranque los devanados del estator tendrán una tensión Se arranca el motor en estrella a tensión reducida Uf = UL/ 3 (220 V) (contactores KM1 y KM3 cerrados, KM2 abierto). Una vez que el motor alcanza el 80% de su velocidad nominal se desconecta la conexión en estrella y se conecta en triángulo (380 V) (contactor KM3 abierto y se cierra KM1 y KM2). La tensión durante el arranque se reduce 1,73 veces ( 3 ). La intensidad de arranque se reduce 3 veces la intensidad nominal. Arranque con autotransformador: Se utiliza un transformador de arranque que permite reducir la tensión durante el arranque e ir aumentando la tensión de forma escalonada. Al acelerar el motor se va aumentando la tensión. Arranque con resistencias variables: Se intercalan reóstatos o resistencias variables con la velocidad, en cada fase del motor. Al aumentar la velocidad del motor, disminuye el valor de la resistencia hasta desaparecer. Arranque electrónico: Se utilizan tiristores que permiten aplicar un aumento progresivo de tensión. Arranque de motores con rotor en bobinado: 11

12 Se arrancan intercalando varios grupos de resistencias en el circuito del rotor. El motor arranca con todas las resistencias y a medida que el motor adquiere revoluciones se eliminan grupos de resistencias hasta alcanzar la velocidad nominal. 3. MOTORES DE CA MONOFÁSICOS Se utilizan para aplicaciones de muy baja potencia (de hasta 1CV), electrodomésticos y pequeñas máquinas-herramientas. Este tipo de motor es similar al trifásico con rotor de jaula de ardilla, con la diferencia que su estator está constituido por una sola bobina por lo que el campo magnético que se produce no es giratorio. Esto hace que no sean capaces de ponerse en funcionamiento solos, necesitando un bobinado auxiliar para empezar a girar. Para invertir el sentido de giro únicamente es necesario invertir las terminales del devanado auxiliar de arranque, esto se puede realizar manualmente o con relés conmutadores POTENCIA EN CA MONOFASICA: Potencia activa: P = U.I.cos φ (w) = S cos φ Potencia reactiva: Q =U.I.sen φ (VAr) =S sen φ Potencia aparente: S = U.I (VA) 4. MOTORES UNIVERSALES Pueden conectarse a CC o CA monofásica. Su constitución es similar a un motor serie de CC. Tienen elevado par de arranque, por lo que pueden conectarse a plena carga. Su velocidad de giro se adapta a la carga. Se utilizan en pequeñas máquinas-herramientas (taladros portátiles, etc.) y en electrodomésticos de tamaño medio. Una variante de este tipo de motores es el motor universal con imán permanente. En lugar de bobinas inductoras lleva un imán permanente que es el encargado de crear el campo magnético necesario. 12

13 Ejercicios - Ejercicio 1: Un motor trifásico con 8 polos por fase tiene un deslizamiento del 5 %. La frecuencia de la linea eléctrica es de 50 Hz. Calcula: a) Velocidad de giro del campo magnético o velocidad síncrona b) Velocidad de giro del rotor - Ejercicio 2: Un motor trifásico de 60 kw de potencia útil tiene una tensión de trabajo de 230 / 400 V, un factor de potencia de 0,8 y un rendimiento del 90%. Se conecta a una red de 230 V. Calcula: a) Intensidad de corriente que absorbe de la red b) Intensidad de corriente que circula por el estator del motor c) Pérdidas de potencia - Ejercicio 3: Un motor trifásico se conecta en estrella a una tensión de 380 V y consume una corriente de 20 A, con un factor de potencia de 0,75. Las pérdidas en el hierro son de 150 W; las pérdidas mecánicas son de 50 W y las pérdidas en el cobre son de 200 W. La resistencia del inductor es de 0,2 Ω. Calcula: a) Potencia absorbida b) Potencia útil c) Rendimiento - PAU Junio 2009/2010 Un motor eléctrico trifásico de 120 kw de potencia útil y rendimiento del 81% se conecta a una tensión de línea de 420 V. Sabiendo que su factor de potencia es 0,91 y el bobinado se encuentra conectado en estrella, calcule: a) Potencia activa. b) Potencia aparente c) Potencia reactiva. d) Intensidad de línea. - PAU Septiembre 2003/2004 Un motor trifásico de 67 kw de potencia útil y rendimiento del 72% se conecta a una tensión de línea de 380 V. Sabiendo que su factor de potencia es 0,9 y el bobinado se encuentra conectado en estrella en su placa de bornes, calcule: a) Potencia activa. b) Potencia aparente c) Potencia reactiva. d) Intensidad de fase. 13