4. MOTORES ELÉCTRICOS

Universitat Institute for LifeLong Learning Institut de Formació Contínua Instituto de Formación Continua de Barcelona TEMA 5 PRINCIPIOS BÁSICOS DE ELECTROTECNIA Y MÁQUINAS ELÉCTRICAS LUIS MARTÍNEZ BARRIOS INGENIERO ELÉCTRICO Y LICENCIADO EN CIENCIAS FÍSICAS. PROFESOR TITULAR DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS DEL DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DE LA UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA (UPC). de esta edición: Fundació IL3-UB, 2009 D.L.: B-46901-2009 U B Les Heures Fundació Bosch i Gimpera Universitat de Barcelona UNIVERSITAT DE BARCELONA Virtual

ÍNDICE 4. Motores eléctricos... 3 4.1. Principio de funcionamiento y constitución... 4 4.2. Tipos de motores de inducción... 5 4.3. Ecuaciones fundamentales y placa de características... 7 4.3.1. Fuerzas electromotrices por fase E F (V)... 7 4.3.2. Frecuencias f (Hz)... 8 4.3.3. Deslizamiento... 8 4.3.4. Potencia útil Pu (W)... 8 4.3.5. Placas de características... 8 4.4. Características de los motores de inducción... 10 4.5. Puesta en marcha de los motores de inducción... 10 4.5.1. Sistemas de puesta en marcha para motores de jaula de ardilla o en cortocircuito... 10 4.5.2. Sistemas de puesta en marcha para motores de rotor bobinado o anillos rozantes... 12 4.6. Placas de características... 12 2

4. MOTORES ELÉCTRICOS Una de las aplicaciones importantes de la electricidad es la de producir fuerza motriz para su aprovechamiento en forma de energía mecánica. Esto se consigue mediante convertidores electromecánicos: son los motores eléctricos. El motor eléctrico recibe una energía eléctrica bajo la forma de tensión (U) y de una intensidad (I) procedentes de la red a la que se conecta, y mediante un proceso de conversión electromagnética la devuelve transformada en energía mecánica en forma de velocidad de rotación (ω), y un par mecánico (M) en un eje que gira. P ELE = k U I P MEC = M ω (4.1) Donde, P ELE = potencia eléctrica, y P MEC = potencia mecánica. La constante k dependerá del tipo de motor que se considere. Los motores pueden ser: De corriente continua: Excitación independiente. Serie. Derivación. De corriente alterna sincrónicos. De corriente alterna: Asincrónicos. Monofásicos. Trifásicos. Nos referiremos a los motores de corriente alterna y, de éstos, especialmente a los que se utilizan de forma mayoritaria: los asincrónicos o de inducción. El motor sincrónico tiene el mismo principio de funcionamiento (y constitución) que el generador de corriente alterna (alternador) trabajando al revés. Atendiendo a su gama de potencias los motores a estudiar pueden abarcar desde algunos centenares de W hasta potencias de miles de kw. Por otra parte, el motor de inducción, al igual que el sincrónico, puede funcionar como generador asincrónico como ocurre en algunas instalaciones (de energía eólica sobre todo). 3

4.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Y CONSTITUCIÓN Este tipo de máquinas eléctricas, convertidores electromecánicos de energía, se basa en la acción electromagnética entre un campo magnético giratorio y unas corrientes inducidas en un devanado por este mismo campo. Se describirá el motor trifásico como el general; el monofásico es un caso particular de éste. De forma esquemática puede decirse que este tipo de motor está constituido por: Una corona formada por chapas magnéticas, aisladas entre sí, ranuradas en su perímetro interior, prensadas y sujetas a un bastidor o carcasa. Las ranuras están ocupadas por un devanado trifásico distribuido sobre toda la zona perimetral. Este conjunto constituye el estator y el devanado será el estatórico o inductor. Las ranuras del estator tienen formas diversas según el tamaño y tensión nominal de la máquina. Por regla general son del tipo semicerradas para reducir la longitud efectiva del entrehierro, lo que da lugar a una menor reluctancia del mismo. Para las máquinas de alta tensión se emplean las de sección rectangular, del tipo abierto. Las magnitudes y partes del estator se identificarán con el subíndice 1 (R 1, U 1, I 1...). Otra corona, también constituida por chapas magnéticas, montadas sobre un eje, de forma directa o indirecta según la potencia de la máquina, y ranurada en su parte exterior (o muy cerca de su perímetro externo). En estas ranuras se alojan los conductores de otro devanado, el rotórico o inducido, siendo el conjunto lo que se conoce como rotor. Las ranuras del rotor presentan formas mucho más variadas, dependiendo de los distintos devanados que se monten. Éstos darán lugar a diversos tipos de motores que se estudiarán más adelante. Las distintas magnitudes y partes del rotor serán identificadas con el subíndice 2 (E 2, f 2, X 2, etc.). Entre ambas partes debe existir una separación conocida como entrehierro que permite la rotación de la parte interior, rotor, dentro de la exterior, estator. Este espacio ha de tener una anchura tal que habrá de ser una solución de compromiso entre un valor lo suficientemente grande para evitar el roce mecánico entre las dos coronas y el más pequeño posible para que el campo magnético no se disperse entre el estator y el rotor. Según el tamaño del motor puede variar desde algo más de 1 mm, en grandes motores, hasta décimas de mm para los pequeños (figura 1). Figura 1. Coronas estatórica y rotórica, ranuradas, separadas por un entrehierro. Chapa de 0,5 mm. Fuente: catálogo comercial AEG. 4

El funcionamiento se basa en la aplicación de una tensión alterna al devanado trifásico del estator, el cual crea un campo magnético giratorio que rota a n s (rpm), conocida como velocidad de sincronismo. Al «barrer» este campo los conductores del rotor inducen sobre él una fuerza electromotriz y, al estar cortocircuitados entre sí, crea unas corrientes en ellos. Estas corrientes, a su vez, inducen en torno a los conductores unos campos magnéticos que tienden a seguir al giratorio, haciendo girar el rotor y el eje, del cual es solidario, a una velocidad n (n menor que n s ). Ambas velocidades no podrían ser iguales, porque si así fuera, la velocidad relativa del campo giratorio respecto a los conductores del rotor sería cero y no podría «barrerlos». La diferencia, relativa, entre estas velocidades está definida a través del concepto de deslizamiento (s) que varía según los tipos de motores entre el 2 % y el 5 %. La interacción entre las corrientes inducidas y el flujo magnético en el entrehierro determina un par de giro sobre el rotor, cuyo sentido será el mismo que el del campo magnético giratorio. 4.2. TIPOS DE MOTORES DE INDUCCIÓN Los motores asincrónicos se clasifican en función del tipo de rotor en dos clases: de jaula de ardilla y de rotor bobinado. MOTORES TIPO JAULA DE ARDILLA Conocidos también como motores en cortocircuito tienen el rotor formado a base de barras de cobre o de aluminio, desnudas, unidas por sus extremos a unos anillos del mismo material que las cortocircuitan, de ahí su otra forma de denominarlas: Si se trata de cobre las barras van alojadas en las ranuras del paquete de chapa y la unión con los anillos se hace mediante soldadura. Si se trata de barras de aluminio estas, junto con los anillos de cortocircuito de los extremos, se funden directamente sobre el paquete de chapas formando una unidad. Esta estructura de la parte móvil hace que sea inaccesible por lo que no se puede actuar sobre el rotor ni manipular sus magnitudes. Otros tipos, variantes de este, son los conocidos como de doble jaula y los de ranuras profundas que permiten un arranque mejor que el de simple jaula. Figura 2. Motor de inducción, tipo de jaula de ardilla. Fuente: fotografía de un motor AEG, realizada por el autor. 5

MOTORES TIPO ROTOR BOBINADO El rotor está constituido por un devanado semejante al del estator, trifásico, en estrella por los dos extremos, lo que sería algo semejante al caso anterior con las mismas prestaciones e inconvenientes. Si cada uno de los terminales de estos devanados se conecta a un anillo colector de bronce (uno por terminal), montados y calados sobre el eje de la máquina, que giran con él, pero aislados de este y entre sí, se tiene lo que se denomina motor de anillos rozantes. Estos anillos permiten, mediante unas escobillas de grafito, añadir unas resistencias variables que modifican el valor Fuente: catálogo comercial AEG. Figura 3. Motor de inducción, tipo de anillos rozantes. de las resistencias del rotor (R 2 ) permitiendo la manipulación de algunas magnitudes del rotor para el control y regulación del motor. Sea cual sea el tipo de motor, el conjunto va protegido por una carcasa de la que saldrá un eje para conectar el mecanismo que se quiera arrastrar y unos bornes para hacer la conexión a la línea de alimentación. Esta carcasa, por lo general, está dotada de aletas para su refrigeración y para aumentar la superficie de disipación de calor. También se ayuda a evacuar este calor mediante un ventilador situado en el extremo opuesto del acoplamiento (figura 4). Corte transversal 2 Corte longitudinal 3 4 5 6 1 (1) Eje. (2) Carcasa. (3) Unión carcasa-estator. (4) Chapa estatórica. (5) Entrehierro. (6) Ventilador. (7) Cabezas de bobina del devanado rotórico. (8) Chapa rotórica (9) Cabezas de bobina del devanado estatórico. 9 8 7 Figura 4. Corte transversal y longitudinal de un motor de inducción. Fuente: Machines électriques (tomo 2). 6

La refrigeración es fundamental para el buen funcionamiento del motor, y de cualquier máquina. Los aislantes son muy sensibles a un exceso de temperatura por lo que una característica del motor será lo que se denomina clase de aislamiento que define una temperatura límite admisible. La refrigeración tiene por misión no superar estos límites térmicos (clase Y: 90 ºC, clase B: 105 ºC, clase E: 120 ºC...). Existe un largo listado de materiales recomendados y clasificados para cada una de estas clases de aislamiento. Esta clasificación no es imperativa, ya que únicamente por la experiencia o mediante ensayos adecuados y aceptados se pueden establecer los límites definitivos de temperatura. Mientras no se disponga de una clasificación, puede permitirse el uso de materiales que no estén incluidos siempre que exista acuerdo. J En un futuro estos materiales aislantes serán clasificados mediante recomendaciones internacionales. La utilización de estos materiales, bajo la exclusiva responsabilidad del fabricante, debe ser justificada por ensayos. Por otra parte hay que tener en cuenta que la endurancia de los materiales empleados para el aislamiento de los motores eléctricos se ve afectada, no solamente por la temperatura, sino también por otros factores como solicitaciones mecánicas y eléctricas, vibración, exposición a atmósferas agresivas y a productos químicos, humedad y suciedad. 4.3. ECUACIONES FUNDAMENTALES Y PLACA DE CARACTERÍSTICAS 4.3.1. FUERZAS ELECTROMOTRICES POR FASE E F (V) Haciendo un símil con el transformador, al estator se le conecta a una red trifásica de tensión U 1. Esta tensión induce, en las bobinas de éste, una fuerza electromotriz E F1. El campo magnético generado induce, sobre el devanado del rotor, otra fuerza electromotriz (E F2 ) que, al estar cerrados sobre ellos mismos, provoca una circulación de corriente por los conductores cortocircuitados en los de tipo jaula de ardilla o, a través de las resistencias adicionales, en los de anillos rozantes. Los valores de estas magnitudes son: E F1 = 4,44 f 1 N F1 ξ 1 Φ máx (4.2) E F2 = 4,44 f 2 N F2 ξ 2 Φ máx (4.3) Donde ξ es el factor de devanado, próximo a la unidad, característico del devanado del estator (1) y del rotor (2). 7

4.3.2. FRECUENCIAS F (Hz) Las tensiones y corrientes del estator son alternas de frecuencia igual a la de la red (f1). La corriente y fuerza electromotriz del rotor también son alternas, pero como el campo inductor gira a una velocidad relativa (n s n) respecto a los conductores del inducido, la frecuencia será distinta (f 2 ). Esta variará con la velocidad de la máquina y será diferente con cada carga. f 2 = s f 1 (4.4) 4.3.3. DESLIZAMIENTO Es la velocidad relativa del campo inductor respecto a los conductores del inducido. (4.5) 7 Recuerda: n = velocidad s = deslizamiento 4.3.4. POTENCIA ÚTIL Pu (W) Se define así la potencia mecánica proporcionada por el eje. Está producida por la velocidad de rotación ω (rad s 1 ) y el par mecánico útil M u (N m). Pu = Mu ω 5 (N m) Momento Newton por metro: unidad de medida según el Sistema Internacional de Unidades. 4.4. CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Se denominan características de un motor las funciones que relacionan dos de las magnitudes. De las muchas posibles se utilizan especialmente dos: 1. La primera relaciona la intensidad absorbida de la red para cada velocidad de giro. Característica Intensidad velocidad [I = f(n)] 2. La segunda es conocida como característica mecánica porque relaciona magnitudes mecánicas de la máquina, es la más interesante para el usuario del motor. Característica Par velocidad [M = f(n)] En la figura 5, se representa un estudio del laboratorio de ensayos de una importante fábrica de motores correspondiente a un motor de inducción trifásico con la siguiente placa de características: 3 kw, 380 V, 50 Hz, 2.820 min 1, 6,30 A, cos ϕ = 0,88, tipo jaula, conexión triángulo 8

M (Nm) 30.0 I (A) 75 28.0 26.0 Mm(D) 70 65 24.0 60 22.0 55 20.0 50 18.0 45 16.0 40 14.0 35 12.0 30 10.0 8.0 I(D) 25 20 6.0 15 4.0 10 2.0 5 0.0 0 0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800 2.000 2.200 2.400 2.600 2.800 3.000 n (1/min) Figura 5. Curva característica de un motor de inducción, D conexión triángulo. Fuente: elaboración propia, a partir de experimentaciones en laboratorio. De la gráfica se deduce que en el instante de puesta en marcha (n = 0) la intensidad es I a = 41,00 A por lo que I a /I n = 41,00/6,30 = 6,51. De la misma forma se puede encontrar la relación de pares (arranque/nominal) que resulta ser 2,76. Todos los motores asincrónicos tienen características semejantes, siendo importante tener en cuenta que el motor trabaja siempre en la zona recta de la curva M = f(n), por lo que las variaciones de velocidad son muy pequeñas. A estos motores se les atribuye la propiedad de tener una característica dura, o, dicho de otra manera, que su velocidad es prácticamente constante aunque el par (carga) varíe de una manera apreciable. 9

4.5. PUESTA EN MARCHA DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Uno de los problemas que plantea la elección, y posterior utilización, de un motor de este tipo es el correspondiente a la puesta en marcha. La rápida aceleración del conjunto motor-carga requiere un considerable par en el instante del arranque, que supera en mucho el par resistente de la carga y los rozamientos. Por otra parte, va acompañado de un importante aumento de la intensidad en el arranque, respecto a la nominal. Estos elevados valores son excesivos para el motor y podrían dañarlo. En las placas características detalladas anteriormente puede apreciarse este problema: Ejemplo Por ejemplo, en el caso del motor de 110 kw, cuyo consumo de red en condiciones normales de funcionamiento es de 192 A, podemos calcular que durante el proceso de puesta en marcha la intensidad de arranque será: I a /I n = 7,4; I a = 7,4 I n = 7,4 192 = 1.421 A Es evidente que es una intensidad de corriente excesiva y que habría que sobredimensionar el motor excesivamente para soportar estos valores que se producen en el momento transitorio de la puesta en marcha. Además, las compañías de suministro, o los organismos competentes de la administración, limitan esta intensidad de arranque para que no produzcan perturbaciones en las redes de distribución, impidiendo el arranque directo por conexión directa a la red. Para este caso, tomamos como referencia la normativa vigente en España, el RBT (Reglamento de Baja Tensión), que establece que: «para motores de corriente alterna de potencia superior a los 15 kw la constante máxima de proporcionalidad entre la intensidad de la corriente de arranque y la de plena carga ha de ser 1,5». Para ampliar la información acerca de las normativas, puedes consultar la página web oficial del Colegio Oficial de Ingenieros Técnicos Industriales de Albacete: http://www.coitiab.es/reglamentos/electricidad/i_electricidad.htm Evidentemente este equipo no cumple, por exceso, las exigencias legislativas. Para superar estas carencias se dispone de varios sistemas para la puesta en marcha de estos motores. Examinemos a continuación estos sistemas. Z 4.5.1. SISTEMAS DE PUESTA EN MARCHA PARA MOTORES DE JAULA DE ARDILLA O EN CORTOCIRCUITO Son métodos que actúan sobre el estator, ya que es el único devanado manipulable de la máquina desde el exterior. Arranque mediante: Resistencias estatóricas. Autotransformador. Conmutación estrella-triángulo. 10

Los tres métodos se basan en el mismo principio: disminuir la tensión con la que se alimenta el motor para disminuir, en la misma proporción, la corriente que consume en el instante del arranque, volviendo a la tensión normal de funcionamiento cuando el rotor alcanza una velocidad próxima a la nominal. El método de resistencias consiste en colocar una resistencia, por fase, en cada uno de los conductores de entrada lo que provocará unas caídas de tensión que disminuirán la tensión en el valor que sea necesario. Es un método anticuado que elimina toda la energía excedente en forma de calor, por efecto Joule, y que requiere unas resistencias bien refrigeradas. El método del autotransformador se basa en disminuir la tensión de alimentación del motor mediante este mecanismo, interpuesto entre la línea y el motor. La tensión del lado de alta será la de la red, la nominal del motor, y la de baja la necesaria para conseguir la tensión de arranque precisa. Por lo general son regulables para poder ajustar la tensión de salida la necesaria para el arranque del motor a los valores más adecuados y con toda exactitud. La selección del autotransformador es muy simple: sea a la relación de placa entre la corriente de arranque y la asignada (dato del fabricante) y a la misma relación pero impuesta por la norma (dato legislativo). Así el autotransformador a seleccionar ha de tener una relación de transformación m y una potencia S, que cumplan: (4.6) El sistema de arranque estrella-triángulo es muy simple ya que consiste en un conmutador que sitúa los devanados del estator en conexión estrella, en el momento del arranque, pasándolo a conexión triángulo cuando la velocidad del motor está próxima a la nominal. Esta conexión es la natural del devanado estatórico. Cuando el motor se desconecta, un mecanismo vuelve a la conexión estrella para el próximo arranque. Este sistema tiene el inconveniente de no ser regulable, y reduce sólo a la tercera parte la intensidad de arranque entre funcionar en estrella o funcionar en triángulo. Lo mismo ocurre con el par de arranque. Si se quiere determinar cómo disminuye el par de arranque al reducir la tensión, por cualquiera de los tres métodos, hay que tener en cuenta que los pares son proporcionales a los cuadrados de las tensiones. 11

4.5.2. SISTEMAS DE PUESTA EN MARCHA PARA MOTORES DE ROTOR BOBINADO O ANILLOS ROZANTES Se utiliza el aumento de la impedancia del motor por adición de resistencias, en el instante de puesta en marcha, para disminuir la intensidad. Estas resistencias se intercalan en el rotor, tal como se describió con anterioridad, usando los anillos colectores o anillos rozantes. Como pueden ser variables permiten ajustar con bastante exactitud las necesidades exigibles. 4.6. PLACAS DE CARACTERÍSTICAS En los motores deben constar una serie de datos como son: Potencia asignada. Es la potencia mecánica disponible en el eje, y debe expresarse en vatios (W). En muchos sitios todavía se emplea como unidad el «caballo». 1 C.V. es equivalente a 736 W. Tensión asignada. Es la tensión entre las fases en los bornes de la máquina a la potencia asignada. Intensidad asignada. Es la corriente absorbida de la red, por cada fase, para la tensión y la potencia asignadas. Frecuencia y número de fases. Tipo de conexión. En los motores trifásicos será una de las dos posibles utilizadas en sistemas trifásicos: estrella o triángulo. Factor de potencia. Será el cosϕ del conjunto del motor. Ejemplo Se expone un ejemplo de una placa de características tomada de un motor de 6 polos (1.000 rpm): 110 kw, 400 V, 50 Hz, 192 A, cos ϕ = 0,87, 987 min 1, I a /I n = 7,4, M a /M n = 2,7 Según las normas para motores de varias velocidades se deben estipular unas características asignadas particulares para cada velocidad. Ejemplo A modo de ejemplo, se da una placa característica para este caso de un motor de 6/8 polos (1.000/750 rpm): 90/70 kw, 400 V, 50 Hz, 160/135 A, cos ϕ = 0,87/0,81 988/740 min 1, I a /I n = 7,5/7,4, M a /M n = 2,0/2,0 Además, debido a los problemas que los motores de inducción presentan en el instante de puesta en marcha, se han de dar las veces que la intensidad en el arranque es mayor que la asignada (I a /I n ), así como las veces que es mayor el par en la puesta en marcha respecto al par correspondiente a la potencia asignada (M a /M n ). 12