EMA 11: MOOE DE COIENE ALENA 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 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 se representa con una onda senoidal. 230 V V máximo V eficaz f = frecuencia (ciclos/s = Hertzio Hz) W = pulsación = 2πf U = U máx sen 2πft = U máx sen wt I = I máx sen 2πft = I máx sen wt Ventajas de la corriente alterna Entre algunas de las ventajas de la corriente alterna, comparada con la corriente continua, tenemos las siguientes: e 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. 1
istemas más empleados de CA: Los sistemas más empleados para transporte y uso de la CA son: istema 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.. istema trifásico. istema 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). 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. U (V) Los colores que según la normativa se emplean en los cables son: Fases Neutro N Negro, gris o marrón azul claro oma tierra rayas verde/amarilla POENCIA 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. in embargo la fuente debe proveerla para el funcionamiento del circuito. MONOFÁICA IFÁICA Potencia activa: P = U.I.cos φ = cos φ (W) P = 3 U f.i f.cos φ = cos φ (W) Potencia reactiva: Q =U.I.sen φ = sen φ VAr) Q = 3 U f.i f..sen φ = sen φ (VAr) Potencia aparente: = U.I (VA) = 3 U f.i f. (VA) Factor de potencia = cos φ 2
Potencia activa 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. e designa con la letra P y se mide en vatios (W). La potencia activa (absorbida) es debida a los elementos resistivos. Potencia reactiva 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 nuloy no produce trabajo útil. e mide en voltamperios reactivos (VA) y se designa con la letra Q. Esta potencia es debida únicamente a los elementos reactivos. Potencia aparente 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. e la designa con la letra y se mide en voltiamperios (VA). elación entre potencias activas, aparentes y reactivas 2 = P 2 + Q 2 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 / 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 e utilizan en la mayor parte de máquinas industriales. Están constituidas por el estator, el rotor y el entrehierro. La separación de aire entre el estator y el rotor se llama entrehierro 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 3
el campo magnético. otor: 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: otor 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 Estator Bobina del estator anura del estator Entrehierro otor Bobina del rotor otor 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 escobillas que permiten conectar la bobina a un circuito exterior.. Estator y rotor, tienen el mismo número de pares de polos. 4
Ventajas del motor con rotor en bobinado respecto al motor con rotor en cortocircuito. 1. 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. 2. El par de arranque es siempre mayor en motores de las mismas características. 3. Durante el periodo de arranque también es mayor el factor de potencia debido a la presencia de las resistencias rotóricas. 4. En los motores de rotor bobinado es posible una mejor regulación de la velocidad Los principales inconvenientes son los siguientes: 1. El devanado del rotor encarece el precio del motor y lo hace más voluminoso. 2. 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. FUNCIONAMIENO: 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 campo magnético del estator, provocando fuerzas electromagnéticas que dan lugar al par motor que obliga a girar al rotor. 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. N N Motor con 1 par de polos /fase Motor con 2 pares de polos /fase CLAIFICACIÓN DE MOOE DE C.A.: íncronos: son aquellas en las que la velocidad de giro del rotor es la misma que la velocidad de giro del campo magnético. on poco utilizadas, empleándose solo en aplicaciones muy especificas. 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. 5
VELOCIDAD DE GIO EN MOOE AÍNCONO: Hay dos velocidades de giro, la del campo magnético y la del rotor. Velocidad de giro del campo magnético o velocidad síncrona: f = frecuencia de corriente (Hz) p = nº de pares de polos del motor Velocidad de giro del rotor: 2 1 (sino no hay giro) Deslizamiento absoluto: n1 n2 Deslizamiento relativo: d 100(%) n n n 2 1 n n 1 D n 1 n 2 n 1 60 f p El deslizamiento es la diferencia relativa expresada en % entre las velocidades de giro del campo magnético y la del rotor. CONEIÓN AANQUE DEL MOO: 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 o fin de cada bobina se le llama con las letras U, V, W. al final con,,. ensión de línea: Es la diferencia de potencial que existe entre dos conductores de línea o entre fases. ( ) ensión 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. ( ) Intensidad de fase: Es la que circula por cada uno de los bobinados o de las ramas monofásicas de un sistema trifásico. (I f ) U V W Conexión en estrella: U e consigue uniendo los terminales finales de las tres bobinas (--) en un punto común, que normalmente se conecta a neutro. Los terminales iniciales (U-V-W) se conectan a las fases de la red electrica U F N V U F U F W U V W Caja de bornas 6
= 3 U f = I f La intensidad de línea coincide con la de fase La potencia en trifásica se calcula sumando las potencias de las tres fases: P = 3 U f.i f.cos φ = cos φ (w) Q =3 U f.i f..sen φ = sen φ (VAr) = 3 U f.i f. (VA) La potencia en una conexión en estrella es: P = 3..cos φ = cos φ (w) Conexión en triángulo: Q = = 3...sen φ = sen φ (VAr) 3.. (VA) Cos φ = P / 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. U W I F y I F V I F U V W Caja de bornas = U f La tensión de línea coincide con la de fase = 3 I f La potencia trifásica es: P = 3 U f.i f.cos φ = cos φ (w) Q =3 U f.i f..sen φ = sen φ (VAr) = 3 U f.i f. (VA) La potencia en una conexión en triángulo es: : P = 3..cos φ = cos φ (w) Q = 3...sen φ = sen φ (VAr) = 3.. (VA) Cos φ = P / POENCIA PÉDIDA DE POENCIA: Potencia absorbida: La potencia absorbida de la red es : P ab = 3 U. I. cos φ Potencia útil: La potencia útil del eje del motor es : P u = P ab pérdidas 7
pérdidas = P Cui - P Cuex - P Fe - P m Pérdidas en el cobre: debidas al efecto Joule por calentamiento En los conductores del estator: P cuex = 3. ex.(i ex ) 2 En los conductores del rotor: P cui = 3. i.(i i ) 2 Pérdidas en el hierro: P Fe debidas a las pérdidas por corrientes de Foucault. Pérdidas mecánicas: P m ENDIMIENO: Parte de la energía que se aporta al motor se pierde. ᶯ = P u /P ab APLICACIONE: - on sencillos y robustos - Pueden arrancar a plena carga (elevado par motor) - Buen rendimiento - e usan en instalaciones industriales de gran potencia. e 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 ENIDO DE GIO: e consigue variando la rotación del campo magnético. Para ello se necesita cambiar la polaridad de dos de sus fases. EJEMPLO DE PLACA DE MOOE IFÁICO Caja de bornas Placa de características Análisis de la placa de características e trata de un motor trifásico ( 3 ) de la marca IEMEN. Mirando su catálogo podriamos 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, 220-240 V, corresponden a la conexión en triángulo; mientras que las segundas tensiones, 380-420 V, corresponden a la conexión en estrella. Con la intensidad sucede exactamente lo mismo, es decir, las primeras intensidades 8
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 0.81 Para la frecuencia de 60 Hz. olo admite un tipo de conexión, en estrella. Pero nos indica que puede llevar dos tensiones440-480 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. POCEDIMIENO DE AANQUE DEL MOO: El reglamento EB 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. e exige también contar con mecanismos que protejan de sobrecargas y sobreintensidades. Arranque de motores trifásicos: Arranque directo: para P< 5,5 kw e 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. u 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). F Mientras el motor está funcionando queda protegido contra sobrecargas por un relé térmico y contra cortocircuitos por fusibles F. KM 1 M F F KM 1 KM 1 IL IL U U V U F U F U F W I F W U I F V 9 Arranque directo en estrella I F Arranque directo en triángulo
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 veces inferior a la nominal. En el arranque los devanados del estator tendrán una tensión U f = / 3 F riángulo Estrella KM 1 KM 2 KM 3 U V W e arranca el motor en estrella a tensión reducida U f = / 3 (220 V) (contactores KM 1 y KM 3 cerrados, KM 2 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 KM 3 abierto y se cierra KM 1 y KM 2 ). La tensión durante el arranque se reduce 1,73 veces ( reduce 3 veces la intensidad nominal. Arranque con autotransformador: 3 ). La intensidad de arranque se e 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: e 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: e utilizan tiristores que permiten aplicar un aumento progresivo de tensión. Arranque de motores con rotor en bobinado: e 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. 10
3.- Motores de CA monofásicos e 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 sólos, 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 POENCIA EN CA MONOFAICA: Potencia activa: P = U.I.cos φ (w) = cos φ Potencia reactiva: Q =U.I.sen φ (VAr) = sen φ Potencia aparente: = U.I (VA) 4.- Motores universales Pueden conectarse a CC o CA monofásica. u constitución es similar a un motor serie de CC. ienen elevado par de arranque, por lo que pueden conectarse a plena carga. u velocidad de giro se adapta a la carga. e 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. 11
5.- 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%. e 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) endimiento - 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. abiendo 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 eptiembre 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. abiendo 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. 12