TECNOLOGA INDUSTRIAL I1. Departamento de Tecnologa. IES Nuestra Seora de la Almudena M Jess Saiz

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TEMA 11: MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

1.- La corriente alterna (C.A.)

La corriente alterna es una corriente elctrica en la que el sentido de circulacin de los electrones y la cantidad de electrones varan cclicamente.

La caracterstica 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 fluir del polo negativo al positivo, tal como ocurre en las fuentes de FEM que suministran corriente continua.

Como la tensin varia constantemente se coge una tensin de referencia llamada valor eficaz. Este valor es el valor que debera 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 ms comn de generar corriente alterna es empleando grandes generadores o alternadores ubicados en plantas termoelctricas, hidroelctricas o centrales atmicas.

La corriente alterna se representa con una onda senoidal.

f = frecuencia (ciclos/s = Hertzio Hz)

Ventajas de la corriente alterna

Entre algunas de las ventajas de la corriente alterna, comparada con la corriente continua, tenemos las siguientes:

Se transporta a grandes distancias con poca prdida de energa. Al incrementar su frecuencia por medios electrnicos en miles o millones de ciclos por

segundo (frecuencias de radio) es posible transmitir voz, imagen, sonido y rdenes de control a grandes distancias, de forma inalmbrica.

Los motores y generadores de corriente alternan son estructuralmente ms sencillos y fciles de mantener que los de corriente continua.

Sistemas ms empleados de CA:

Los sistemas ms empleados para transporte y uso de la CA son:

Sistema monofsico. En ese sistema se emplea una sola fase de corriente alterna y un neutro, obtenindose tensiones de 230 V de valor eficaz y 50 Hz de frecuencia..

Vmximo Veficaz

230 V

http://www.monografias.com/trabajos11/teosis/teosis.shtml

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Sistema trifsico. 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 utilizacin de electricidad en forma trifsica es comn en industrias donde muchas de las mquinas funcionan con motores para esta tensin. Las corrientes trifsicas se generan mediante alternadores dotados de tres bobinas o grupos de bobinas, enrolladas sobre tres sistemas de piezas polares equidistantes entre s.

Variacin de la tensin en la corriente alterna trifsica

Los colores que segn la normativa se emplean en los cables son:

Fases

Negro, gris o marrn

Neutro

N azul claro

Toma tierra

TT rayas verde/amarilla

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 elctricos y magnticos en las mquinas, pero no se consume. Sin embargo, la fuente debe proveerla para el funcionamiento del circuito.

MONOFSICA TRIFSICA

Potencia activa: P = U.I.cos = S cos (W) P = 3 Uf.If.cos = S cos (W)

Potencia reactiva: Q =U.I.sen =S sen VAr) Q = 3 Uf.If..sen =S sen (VAr)

Potencia aparente: S = U.I (VA) S = 3 Uf.If. (VA)

Factor de potencia = cos

Potencia activa: P Es la potencia que representa la cantidad de energa elctrica que se va a transformar en trabajo (calor, energa mecnica, etc). Es la potencia necesaria absorbida de la red.

Aplicando un rendimiento dar la potencia til.

Se designa con la letra P y 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 elctrico y magntico que requieren para su funcionamiento los motores y transformadores: Esta potencia slo aparecer cuando existan bobinas o condensadores

R

S

T

U (V)

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en los circuitos. Es una potencia devuelta al circuito, por lo que la potencia reactiva tiene un valor medio nulo y no produce trabajo til.

Se mide en voltamperios reactivos (VAR) y se designa con la letra Q.

Esta potencia es debida nicamente a los elementos reactivos.

Potencia aparente: S La potencia aparente de un circuito elctrico de corriente alterna corresponde a la energa que consume dicho circuito en forma de calor o trabajo y la energa utilizada para la formacin de los campos elctricos y magnticos de sus componentes.

Esta potencia ha de satisfacer la energa consumida por los elementos resistivos y tambin la que van a "almacenar" bobinas y condensadores. Se la designa con la letra S y se mide en voltiamperios (VA).

Factor de potencia: cos El factor de potencia se define como el cociente de la potencia activa entre la potencia aparente; esto es:

cos = P / S

El factor de potencia es un trmino utilizado para describir la cantidad de energa elctrica que se ha convertido en trabajo.

El valor ideal del factor de potencia es 1, esto indica que toda la energa 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 energa necesaria para producir un trabajo til.

2.- Motores de CA trifsicos

Se utilizan en la mayor parte de mquinas industriales.

Estn constituidas por el estator, el rotor y el entrehierro.

La separacin de aire entre el estator y el rotor se llama entrehierro

Estator: parte fija formada por una corona de chapas ferromagnticas 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 magntico.

Rotor: parte mvil situada en el interior del estator, formado por chapas ferromagnticas 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 s 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

Ranura del estator

Entrehierro

Rotor

Bobina del rotor

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Rotor bobinado: los devanados del rotor van

distribuidos en la periferia y sus extremos estn 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 nmero de pares de polos.

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 caractersticas.

3. Durante el periodo de arranque tambin es mayor el factor de potencia debido a la presencia de las resistencias rotricas.

4. En los motores de rotor bobinado es posible una mejor regulacin de la velocidad

Los principales inconvenientes son los siguientes:

1. El devanado del rotor encarece el precio del motor y lo hace ms voluminoso.

2. Los equipos para el arranque, frenado, regulacin de la velocidad, etc... son ms complejos. Esto significa ms caros, ms voluminosos y personal ms entrenado para su manejo.

FUNCIONAMIENTO:

El motor se conecta a CA trifsica. Pero la corriente circula exclusivamente por las bobinas inductoras del estator. Esto genera un campo magntico giratorio (en CC es lineal).

Como consecuencia del campo magntico giratorio en los conductores del rotor se inducen corrientes elctricas. Estas corrientes interactan con el campo magntico del estator, provocando fuerzas electromagnticas que dan lugar al par motor que obliga a girar al rotor.

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N

R

S

T

Motor con 1 par de polos /fase

N

R

S

T

Motor con 2 pares de polos /fase

El Campo magntico giratorio se obtiene con tres devanados desfasados 120 (acoplados en estrella o tringulo) y conectados a un sistema trifsico de C. A.

CLASIFICACIN DE MOTORES DE C.A.:

Sncronos: son aquellas en las que la velocidad de giro del rotor es la misma que la velocidad de giro del campo magntico. Son poco utilizadas, emplendose solo en aplicaciones muy especificas.

Asncronos o de induccin: en las que la velocidad de giro del rotor es inferior a la de rotacin de campo magntico. La amplia mayora de los motores empleados son asncronos trifsicos debido a su sencillez, rendimiento y robustez, adems pueden ser empleados en instalaciones monofsicas mediante la conexin de un condensador.

CONEXIN Y ARRANQUE DEL MOTOR:

Para arrancar el motor hay que conectar entre s las tres bobinas inductoras del estator, y efectuar la conexin a la red.

La conexin puede ser con arranque directo en estrella o en tringulo.

Al principio o fin de cada bobina se le llama con las letras U, V, W. Y al final con X, Y, Z.

Tensin de lnea: Es la diferencia de potencial que existe entre dos conductores de lnea o entre fases. (UL)

Tensin de fase: Es la diferencia de potencial que existe en cada uno de los bobinados o de las ramas monofsicas de un sistema trifsico. (Uf)

Intensidad de lnea: Es la que circula por cada uno de los conductores de lnea o de fase de la red elctrica. (IL)

Intensidad de fase: Es la que circula por cada uno de los bobinados o de las ramas monofsicas de un sistema trifsico. (If)

V W

Z

U

X Y

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Conexin en estrella:

Se consigue uniendo los terminales finales de las tres bobinas (X-Y-Z) en un punto comn, que normalmente se conecta a neutro. Los terminales iniciales (U-V-W) se conectan a las fases de la red electrica

UL= 3 Uf

IL= If La intensidad de lnea coincide con la de fase

La potencia en trifsica se calcula sumando las potencias de las tres fases:

P = 3 Uf.If.cos = S cos (w)

Q =3 Uf.If..sen =S sen (VAr)

S = 3 Uf.If. (VA)

La potencia en una conexin en estrella es: P = 3 UL.IL.cos = S cos (w)

Q = 3 UL.IL..sen =S sen (VAr)

S = 3 UL.IL. (VA)

Cos = P / S

Conexin en tringulo:

Este tipo de conexin se realiza uniendo el final de una bobina con el principio de la siguiente, hasta cerrar la conexin formando un tringulo. Es una conexin sin neutro. Despus los tres extremos iniciales se conectan a las fases de la red.

UL= Uf La tensin de lnea coincide con la de fase

IL= 3 If

U V W

X Y Z

R S T

Caja de bornas

IL

U

IL

IL

IF IF UL

y

Z

X

V

W

T

R

S

UL IF U V W

X Y

R S T

Caja de bornas

Z

N

IL IL

IL

IL

IL

IL

UF UF

UL

Z Y

X

W V

T

R

S

U

UL

UF

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La potencia trifsica es: P = 3 Uf.If.cos = S cos (w)

Q =3 Uf.If..sen =S sen (VAr)

S = 3 Uf.If. (VA)

La potencia en una conexin en tringulo es: : P = 3 UL.IL.cos = S cos (w)

Q = 3 UL.IL..sen =S sen (VAr)

S = 3 UL.IL. (VA)

Cos = P / S

POTENCIA Y PRDIDAS DE POTENCIA:

Potencia absorbida:

La potencia absorbida de la red es : Pab = 3 U . I. cos

Potencia til:

La potencia til del eje del motor es : Pu = Pab prdidas

prdidas = PCui - PCuex - PFe - Pm

Prdidas 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

Prdidas en el hierro: PFe debidas a las prdidas por corrientes de Foucault.

Prdidas mecnicas: Pm

RENDIMIENTO:

Parte de la energa que se aporta al motor se pierde.

= Pu/Pab 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 elevacin, como

ascensores o montacargas; de transporte, como las cintas transportadoras; en sistemas de ventilacin y climatizacin, 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 rotacin del campo magntico. Para ello se necesita cambiar la polaridad de dos de sus fases.

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EJEMPLO DE PLACAS DE MOTORES TRIFSICOS

Anlisis de la placa de caractersticas

Se trata de un motor trifsico ( 3 ) de la marca SIEMENS. Mirando su catlogo 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 diseado para diferentes pases, pues utiliza dos frecuencias.

Para cada frecuencia, el motor necesita unos valores de tensin diferentes, una intensidad absorbida diferente, tiene un cos distinto, y da una potencia distinta.

Para la frecuencia de 50 Hz. Observamos que puede tener una conexin tanto de estrella como de tringulo. Las primeras tensiones, 220-240 V, corresponden a la conexin en tringulo; mientras que las segundas tensiones, 380-420 V, corresponden a la conexin en estrella. Con la intensidad sucede exactamente lo mismo, es decir, las primeras intensidades correspondern a la conexin en tringulo; y las segundas intensidades, correspondern a la conexin en estrella. El factor de potencia es el mismo a diferentes conexiones y tensiones Cos 0.81

Para la frecuencia de 60 Hz. Solo admite un tipo de conexin, en estrella. Pero nos indica que puede llevar dos tensiones440-480 V. Las intensidades absorbidas, tambin son dos la primera corresponde a la primera tensin; y la segunda, corresponde a la segunda tensin. Las dos tensiones tienen el mismo factor de potencia y la misma potencia til del motor.

PROCEDIMIENTOS DE ARRANQUE DEL MOTOR:

El reglamento REBT regula segn la potencia del motor, qu motores deben estar provistos de dispositivos de arranque que impidan intensidades de arranque muy elevadas. Limita adems que la mxima cada de tensin en la red no debe superar el 15% durante el arranque.

Se exige tambin contar con mecanismos que protejan de sobrecargas y sobreintensidades.

Arranque de motores trifsicos:

Arranque directo: para P< 5,5 kw

Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica directamente la tensin nominal a la que debe trabajar.

Placa de

caractersticas

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La intensidad de arranque ser entre 3 y 8 veces la intensidad nominal. Su principal ventaja es el elevado par de arranque, que ser entre 1 y 1,5 veces el par nominal.

El arranque directo puede ser en estrella o en tringulo. Consiste en cerrar un contactor (generalmente asociado a un rel).

Mientras el motor est funcionando queda protegido contra sobrecargas por un rel trmico RT y contra cortocircuitos por fusibles F.

Arranque estrella / tringulo: para P> 5,5 kw

Para motores de alta potencia y preparados para conexin en tringulo, se utiliza un arranque transitorio en estrella.

Este mtodo se basa en disminuir la tensin aplicada en el arranque y as se consigue disminuir la corriente absorbida de la lnea y el par.

En el arranque se conecta el motor en estrella y se arranca el motor a tensin reducida Uf =

UL/ 3 (220 V). Una vez que el motor alcanza el 80% de su velocidad nominal se desconecta

la conexin en estrella y se conecta en tringulo (380 V)

La tensin durante el arranque se reduce 1,73 veces ( 3 ). La intensidad de arranque se reduce 3 veces la intensidad nominal.

Arranque con autotransformador:

M

R

S

T

F

KM1

RT

IF

IF

X W

U

IF

Y

Z

V

UL

UL S

T

F

RT

KM1

IL

UF UF

Z

Y X

V

U

UF

W

IL IL

UL

UL S

T

F

RT

IL

U

IL IL

KM1

Arranque directo en estrella Arranque directo en tringulo

R R

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Se utiliza un transformador de arranque que permite reducir la tensin durante el arranque e ir aumentando la tensin de forma escalonada. Al acelerar el motor se va aumentando la tensin.

Arranque con resistencias variables:

Se intercalan restatos 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 electrnico:

Se utilizan tiristores que permiten aplicar un aumento progresivo de tensin.

Arranque de motores con rotor en bobinado:

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 monofsicos

Se utilizan para aplicaciones de muy baja potencia (de hasta 1CV), electrodomsticos y pequeas mquinas-herramientas.

Este tipo de motor es similar al trifsico con rotor de jaula de ardilla, con la diferencia que su estator est constituido por una sola bobina por lo que el campo magntico que se produce no es giratorio. Esto hace que no sean capaces de ponerse en funcionamiento slos, necesitando un bobinado auxiliar para empezar a girar.

Para invertir el sentido de giro nicamente es necesario invertir las terminales del devanado auxiliar de arranque, esto se puede realizar manualmente o con rels conmutadores

POTENCIA EN CA MONOFASICA:

Potencia activa: P = U.I.cos (w) = S cos

Potencia reactiva: Q =U.I.sen (VAr) =S sen

Potencia aparente: S = U.I (VA)

4.- Motores universales

Pueden conectarse a CC o CA monofsica. Su constitucin 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 pequeas mquinas-herramientas (taladros porttiles, etc.) y en electrodomsticos de tamao medio.

Una variante de este tipo de motores es el motor universal con imn permanente. En lugar de bobinas inductoras lleva un imn permanente que es el encargado de crear el campo magntico necesario.

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5.- Ejercicios:

- Ejercicio 1:

Un motor trifsico de 60 kW de potencia til tiene una tensin 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) Prdidas de potencia

- Ejercicio 2:

Un motor trifsico se conecta en estrella a una tensin de 380 V y consume una corriente de 20 A,

con un factor de potencia de 0,75. Las prdidas en el hierro son de 150 W; las prdidas mecnicas

son de 50 W y las prdidas en el cobre son de 200 W. La resistencia del inductor es de 0,2 .

Calcula:

a) Potencia absorbida

b) Potencia til

c) Rendimiento

- PAU Junio 2009/2010

Un motor elctrico trifsico de 120 kW de potencia til y rendimiento del 81% se conecta a una tensin de lnea 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 lnea.

- PAU Septiembre 2003/2004

Un motor trifsico de 67 kW de potencia til y rendimiento del 72% se conecta a una tensin de lnea 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.