Motores de
características especiales.
Indice
1.-
Regulación de la velocidad.
2.-
Motores de 2 velocidades, devanados independientes.
3.-
Motores de 2 velocidades, conexión Dahlander.
4.-
Motores de 3 y 4 velocidades.
5.-
Maquinas trifasicas síncronas y asíncronas.
5.1.-
Particularidades comunes.
5.2.-
Forma constructiva y funcionamiento de una maquina síncrona.
6.-
Maquinas asíncronas.
6.1.-
Generación del campo giratorio.
6.2.-
Funcionamiento del rotor.
6.3.-
Arranque del motor trifasico. Corriente y par de arranque.
Conexión
estrella - triángulo.
6.4.-
Rotor con anillos rozantes, rotor de jaula y rotor de efecto Skin.
Características
del par.
1.-
Regulación de la velocidad.
En
los trifasicos con rotor en cortocircuito, normalmente basta con que la
velocidad sea bastante constante, pero a veces se necesita variar la velocidad,
bien sea en forma gradual o escalonada, el procedimiento más utilizado para
esta regulación de velocidad es la de variar el numero de polos del estator,
puesto que sabemos que la velocidad de un motor depende de la frecuencia de la
red y del numero de pares del motor.
Luego
en los motores trifasicos con rotor en cortocircuito, variando el numero de
polos podemos obtener de una forma escalonada dos, tres, cuatro velocidades,
resultando este procedimiento de regulación de velocidad económica y buenas características
mecánicas.
Los
motores de varias velocidades tienen su principal utilidad en aquellos casos en
los que la velocidad no tiene que regularse de forma progresiva, como es el
caso de herramientas como tornos, fresas, taladradoras, etc, en general todas
las que trabajan por arranque de virutas, pues de esta manera se reducen las
transmisiones mecánicas, con lo que se reducen las perdidas.
Este
tipo de regulación de velocidad se realiza por medio de varias velocidades. Con
respecto a los motores de dos velocidades, pueden obtenerse de dos maneras
diferentes :
- por medio de dos
devanados diferentes, o sea, independiente.
- por medio de un solo
devanado en conexión Dahlander.
2.- Motores de dos velocidades,
devanados independientes.
So motores trifasicos con rotor
en cortocircuito que llevan dos devanados separados, normalmente conectados
cada uno de ellos en estrella y teniendo también cada uno de ellos distinto
numero de polos para obtener una velocidad por cada bobinado.
Estos tipos de motores solamente
se pueden conectar a una tensión y solamente se puede realizar el tipo de
arranque directo.
Los motores con devanados
independientes, teóricamente, permiten cualquier relación de velocidad y de
potencia, aunque son preferibles los montajes a potencia constante y relación
de velocidad distinta a 2 : 1, cosa que no resulta posible en la conexión
Dahlander.
El empleo de este tipo de
motores es bastante reducido y prácticamente ha desaparecido su uso, pues
tienen poca potencia y mucho volumen.
La relación de velocidades con
respecto al numero de polos suele ser :
Velocidades 500 / 700 750 / 1000
1000 / 1500
Nº de polos 12 / 8 8 / 6 6 / 4
3.- Motor de dos velocidades
conexión Dahlander.
El motor de dos velocidades
tiene las mismas características constructivas que el motor normal, su
diferencia esta únicamente en el bobinado, pues mientras en el motor normal
cada bobinado corresponde a una fase, en el motor Dahlander el bobinado de una
fase está dividido en dos partes iguales con una toma intermedia. Según
conectemos estas bobinas conseguiremos una velocidad más lenta o más rápida,
pues en realidad lo que se consigue es variar el numero de pares de polos del
bobinado.
Para conseguir la velocidad
pequeña o lenta, conectaremos la línea a los bornes marcados con la letra
" P " o sea, en los bornes correspondientes a la conexión triángulo,
dejando libres los otros. De esta manera el numero de polos es mayor y el
numero de revoluciones es más pequeño.
Para conseguir la velocidad
rápida conectaremos la línea a los bornes marcados con la letra " M "
y unimos entre si los marcados con la letra " P ". De esta manera
conseguimos un menor numero de polos y aumentamos el numero de revoluciones.
El bobinado en esta conexión
queda dividido en dos partes, conectadas en estrella y en paralelo entre si,
formando una conexión en doble estrella.
En la conexión Dahlander hemos
de tener en cuenta lo siguiente :
1.- En la conexión triángulo -
doble estrella permite el arranque estrella - triángulo y se reduce la
corriente de arranque.
2.- Solamente lleva una tensión
y corresponde a la de la línea.
3.- Al pasar de la conexión
triángulo a la de doble estrella se produce una inversión del campo giratorio,
por lo que el motor invertirá el sentido de giro, para evitar esto, se debe
preveer la adecuada conexión en los elementos de accionamiento del motor.
4.- La relación de potencias
entre la velocidad lenta y la rápida es de 1 : 1´5.
5.- La relación entre las
velocidades en la conexión Dahlander es de 2 : 1 , mientras que en el
motor de dos velocidades independientes no existe esta relación.
Las velocidades más utilizadas
en la conexión Dahlander son :
Velocidad 500 / 1000 750 / 1500
1500 / 3000
Nº de Polos 12 / 6 8 / 4 4 / 2
4.- Motores de tres y cuatro
velocidades.
Para obtener las tres
velocidades utilizamos un devanado independiente y otro en conexión Dahlander.
La velocidad del devanado no tiene ninguna relación con la conexión Dahlander,
por lo que al realizar el correspondiente esquema de conexiones para la puesta
en marcha del motor hemos de tener en cuenta el orden de las velocidades, que
normalmente son :
Velocidad 1000 / 1500 /
3000 750 / 1000 / 1500 750 / 1500 / 3000
Nº de Polos 6 / 4 / 2 8 / 6 / 4
8 / 4 / 2
Las velocidades subrayadas
corresponden al devanado independiente.
1ª Velocidad 2ª Velocidad 3ª
Velocidad
Si queremos tener cuatro
velocidades, utilizamos dos devanados en conexión Dahlander, alternando los
polos correspondientes para obtener la velocidades inmediatas, o sea, si un
devanado corresponde a 500 y 1000 revoluciones por minuto y el otro es de 750 y
1500 revoluciones por minuto, el orden correlativo sería : 500 - 750 -
1000 - 1500 revoluciones por minuto, alternando como se ve los dos devanados ;
las relaciones de las velocidades serian :
Velocidad 500 750 1000 1500
Nº de polos 12 8 6 4
Devanado 1º 2º 1º 2º
A la hora de realizar el esquema
de conexiones para la puesta en marcha del motor, hemos de tener en cuenta
estas circunstancias.
5.- Maquinas trifásicas
síncronas y asíncronas.
5.1.- Particularidades comunes.
Todas las maquinas eléctricas,
sean de C.A monofásica o trifásica , sean de C.C, necesitan para su
funcionamiento como generador o como motor :
Un campo
magnético inductor.
Un
arrollamiento inducido.
El campo magnético común a todas
las maquinas trifasicas es un campo giratorio que puede generarse de distintas
manera. Este campo gira siempre a la velocidad sincrona de la maquina que
depende del numero de pares de polos de ésta y de la frecuencia de la corriente
alterna.
En la tabla numérica 13 figuran
los valores de la velocidad síncrona para una frecuencia de 50 Hz y diversos
números de pares de polos. Si la frecuencia es de 60 Hz, estas cifras resultan
un 20 % más elevadas.
Tabla
Numérica 13
Velocidades síncronas a 50 Hz
|
Nº de Pares de Polos
p
|
Velocidad síncrona
ns
rev / min.
|
Nº de Pares de Polos
p
|
Velocidad síncrona
ns
rev / min.
|
|
1
|
3000
|
7
|
429
|
|
2
|
1500
|
8
|
375
|
|
3
|
1000
|
9
|
333
|
|
4
|
750
|
10
|
300
|
|
5
|
600
|
12
|
250
|
|
6
|
500
|
15
|
200
|
Todas las maquinas trifasicas
tienen además en común el arrollamiento trifásico estatórico. Esté está
repartido simétricamente en tres ramas ( fases ), cada una de las cuales va
dispuesta en las ranuras que ha dicho efecto existen en el paquete de chapas
estatórico. Adoptando otra distribución para el arrollamiento estatórico pueden
obtenerse arrollamientos adecuados para corriente alterna monofásica o
bifásica.
5.2.- Forma constructiva y
funcionamiento de una maquina síncrona
La maquina asíncrona es
generalmente de polos interiores contrariamente a la de corriente continua, el
arrollamiento de excitación necesario para crear el campo magnético situado en
el rotor ( rueda polar ). En la figura 127 se ha representado en corte una
maquina síncrona tetrapolar con la disposición de las líneas de fuerza del
campo inductor. La máquina es excitada independientemente por medio de una
batería o de un generador de corriente continua ( excitatriz ) acoplado al
mismo eje. La tensión de excitación puede escogerse libremente de modo que
resulte un arrollamiento de fácil ejecución.
Al montar este arrollamiento
sobre la rueda polar deben preverse soportes especiales para cada bobina con
objeto de contrarrestar de forma segura las fuerzas centrifugas que aparecen en
servicio.
Excitando una maquina síncrona
con corriente continua y haciéndola girar luego su rueda polar, se crea un
campo rotatorio que induce en cada uno de los tres arrollamientos estatóricos
una tensión alterna. Estas tres tensiones están desfasadas 120º entre si ;
la maquina funciona como generador trifasico. Si el estator está conectado a
una red trifasica con carga, los arrollamientos del mismo suministraran
corriente a dicha red en cuanto actúe sobre la rueda polar la fuerza de
accionamiento necesario. El arrollamiento estatórico de la mayoría de
generadores existentes en las centrales eléctricas suele trabajar a tensiones
elevadas de hasta 10000 V.
Si la maquina síncrona recibe
energía eléctrica de un red trifasica en vez de energía mecánica en su rueda
polar, aparece en esta ultima un efecto motor. El motor síncrono puede accionar
entonces cualquier máquina de trabajo acoplada al eje de su rueda polar,
conservando siempre un mismo numero de revoluciones constante ( velocidad
síncrona ). Esta condición es exigida en muchos casos.
Fig. 127.- Campo inductor un generador Fig. 128.- Líneas
de fuerza en una maquina
síncrono tetrapolar trifásica con arrollamiento bipolar.
6.- Máquinas asíncronas.
Contrariamente a las máquinas
síncronas empleadas normalmente como generadores, las máquinas asíncronas han
encontrado su principal aplicación como motores, debido a la sencillez de su
construcción . El motor asíncrono trifásico es hoy el motor usual de
accionamiento en todas las redes de distribución.
6.1.- Generación del campo
giratorio.
El campo magnético del motor
asíncrono es también un campo giratorio. En el caso de un motor trifásico está
generado por las tres corrientes desfasadas que circulan por el arrollamiento
estatórico. La figura 128 representa la disposición que adoptan las líneas de
fuerza en un instante determinado para un arrollamiento bipolar.
Para que se genere el campo
giratorio es preciso que los arrollamientos estén uniformemente repartidos en
la periferia del estator, como lo están en el tiempo ( es decir, en el orden de
sucesión ) las 3 corrientes de fase. En maquinas bipolares el ángulo entre
bobinas correspondientes de cada fase deberá ser, por consiguiente, de 120º.
Las 3 corrientes estatóricos del lugar entonces a 3 campos alternos, también
desfasados 120º entre si, cuya resultante es un campo magnético giratorio. La dirección
que posee este campo en un momento dado puede representarse por medio de una
flecha. En la figura 129 se ha indicado para diferentes instantes de tiempo.
Fig 129.- Posiciones del campo giratorio de una maquina
trifásica bipolar durante una revolución completa.
El sentido de las corrientes y
la dirección del campo giratorio en una máquina bipolar, que por razones de
sencillez se ha supuesto provista únicamente de 6 ranuras. El tiempo
correspondiente a cada posición puede deducirse a partir del ángulo girado por
el campo ( de 0 a 360º ), que figura en la cabecera de cada esquema. Esta
representación gráfica permite ver que el campo resultante gira en el espacio
en este caso en el sentido de las agujas de un reloj ; así girará también
el rotor de la maquina .
Permutando dos bornes de la red
( como se ha efectuado en la figura nº 130 ) se invierte el sentido de giro del
campo. El rotor se movería entonces en sentido contrario al de las agujas de un
reloj.
Fig nº 130.- Inversión del sentido
de giro del campo debida a la permutación de dos fases.
6.2.- Funcionamiento del rotor.
El rotor del motor trifasico es
atravesado por el campo giratorio engendrado en el estator. El arrollamiento
rotorico puede ejecutarse como el estatorico en forma repartida, con las
bobinas unidas en serie ( rotor bobinado o con anillos rozantes) ; o
también a base de barras ( rotor de jaula o en cortocircuito ). Estas barras,
de aluminio, están conectadas en paralelo y al mismo tiempo puestas en
cortocircuito por medio de dos aros estremos. Dichos aros suelen fundirse
conjuntamente con la aleación de aluminio que rellena lasa ranuras del rotor.
En uno y otro caso queda el
arrollamiento rotórico en cortocircuito una vez el motor está en servicio.
Igual que en el secundario de un transformador, en el arrollamiento rotórico se
induce también una f.e.m., la cual, por estar éste cerrado sobre sí mismo, da
lugar a la circulación de una corriente rotórica. La acción conjunta del
campo giratorio y del campo debido a la corriente rotorica determina, como en
todos los motores, un par de giro. Éste par arrastra al rotor en el sentido de
rotación del campo giratorio y le comunica una velocidad muy próxima a la de
sincronismo. Tanto en reposo como en el instante inicial del arranque, el motor
trifásico funciona igual que un transformador normal y genera en el rotor la
tensión rotórica de reposo, cuya magnitud depende asimismo de la relación entre
los números de espiras. En motores con rotor bobinado puede medirse esta
tensión en los anillos rozantes (con el arrollamiento abierto). El valor de
misma suele estar indicado en la placa de características.
Una vez el motor puesto en
marcha se induce en el rotor, además de la tensión de reposo, una contratension
producida por el movimiento de los conductores rotoricos en el campo giratorio.
Con el motor en servicio, la tensión rotorica efectiva equivale pues solamente
a la diferencia entre las dos anteriores.
Si el rotor llegase a girar a la
velocidad de sincronismo es evidente que ambas tensiones serían iguales (en
magnitud), con lo cual la tensión rotórica efectiva resultaría nula. En tal
caso no circularía tampoco corriente alguna por el rotor y desaparecería el par
de giro. El motor trifásico funciona, pues, siempre algo rezagado con respecto
a la velocidad de sincronismo: se dice que desliza. La diferencia entre esta
última y la velocidad real del motor constituye la velocidad relativa de éste
con respecto al campo. Recibe el nombre de deslizamiento el cociente de dividir
la velocidad relativa por la de sincronismo; suele venir expresado en tanto por
ciento. El motor trifasico es, por consiguiente, esencialmente asincrono. A
medida que la carga aumenta y con ella la corriente rotórica, va disminuyendo
el numero de revoluciones. El deslizamiento a plena carga de los motores
trifásicos normales es del orden de 5 % para potencias pequeñas y de 2-3 % para
las mayores. La característica de servicio del motor trifásico (fig.
131) es parecida a la del motor derivación de corriente continua. Intercalando
resistencias en el circuito rotórico es posible conseguir.
Fig. 131.- Característica de
servicio del motor trifasico, con y sin resistencias en el rotor.
una característica de más
pronunciado descenso a efectos de regulación de la velocidad, pero entonces se
originan pérdidas más elevadas y el rendimiento del motor baja.
6.3.- Arranque del motor
trifásico. Corriente y par de arranque. Conexión Estrella - Triángulo
Si el motor trifásico se conecta
directamente a la red, sin intercalar resistencia alguna en el circuito
rotórico, circula por éste una corriente de arranque que es
prácticamente de cortocircuito.
En motores normales con rotor de
jaula es del orden de 5 a 8 veces la intensidad de corriente nominal.
Intercalando resistencias en el arrollamiento rotórico puede reducirse la
corriente de arranque al valor que se desee. Esto se logra, en motores con
rotor bobinado, poniendo los anillos rozantes en contacto con el arrancador
(fig. 132). A pesar de la elevada corriente de arranque absorbida por el rotor
normal de jaula (que puede provocar grandes caídas de tensión en las redes de
distribución), el par de arranque desarrollado por el mismo resulta muy
bajo, ya que en dicho instante el factor de potencia rotórico es también muy
pequeño. En rotores bobinados puede mejorarse notablemente el factor de
potencia inicial gracias al arrancador, con lo cual se consigue un par de
arranque más elevado. Cuando la corriente de arranque no debe exceder de un
valor moderado (como se exige en las redes públicas), los motores con rotor de
jaula se arrancan mediante la conexión estrella - triángulo (fig. 133).
Para ello es preciso que el arrollamiento estatórico esté dimensionado de forma
que la conexión normal de servicio sea la conexión en triángulo. Alimentando el
motor con una red trifásica a 220/380 V, en cada fase estatórica queda entonces
aplicada una tensión de 380 V. En cambio, si mediante el arrancador
Fig. 132 .- Esquema de un motor trifasico fig. 133 .-
Conexión Estrella - Triángulo mediante
con rotor de anillos rozantes y arrancador de carrera
cilíndrica ( tambor)
resistencias de arranque.
se conectan primero las tres
fases del estator en estrella, es evidente que el motor queda capacitado para
trabajar en una red cuya tensión compuesta fuera de 660 V. Como de hecho sólo se
le aplican 380 V, la corriente de arranque absorbida viene a ser (en virtud de
la reacción rotórica) solamente 1/3 de la que tomaría conectado directamente a
la red y con sus fases en triángulo.
Si suponemos, por ejemplo, que
en este último caso la corriente de arranque es 6 veces superior a la nominal,
con la conexión en estrella se logra reducir este factor a 2. Hay que tener
presente, sin embargo, que el par de arranque también disminuye en la misma
proporción. Por consiguiente, sólo es posible efectuar el arranque en vacío o a
media carga, condición suficiente en la mayoría de casos. Como el
arrancador estrella - triángulo, a causa de sus numerosos contactos, exige un
entretenimiento periódico, se procurará prescindir del mismo en aquellas
instalaciones donde no existan tales cuidados. Para subsanar este inconveniente
se han ideado rotores de jaula provistos de ranuras especiales, con los cuales
se consigue un par de arranque elevado
y una corriente de arranque
relativamente pequeña aun en el caso de conectar el motor directamente a la
red.
6.4.- Rotor con anillos
rozantes, rotor de jaula y rotor de efecto skin.
Características del par
Las características de arranque
del motor con rotor bobinado o con rotor de jaula sencilla se deducen de las curvas
que dan la variación del par en función de la velocidad (como las representadas
en la figura 134 para un motor del primer tipo). Cada una de estas curvas
corresponde a una determinada resistencia del circuito rotórico. Si no hay
ninguna resistencia adicional (curva R2 ), el par,
relativamente pequeño en el instante del arranque, crece basta alcanzar un
valor máximo (par critico) y desciende luego casi en línea recta hasta
anularse. El par crítico, que se produce cuando el rotor gira aproximadamente
al 90 % de la velocidad síncrona, suele ser en motores normales de 2 a 3 veces
superior al par nominal. íntercalando resistencias adicionales en el circuito
rotórico por medio del arrancador, se obtienen las curvas características
designadas por 2 R2-5 R2. Con ello se consigue
desplazar progresivamente el valor critico del par en el
fig. 134.- Curvas del par en función del nº de
revoluciones para distintas resistencias rotóricas, en un motor
trifasico con rotor de anillos rozantes
sentido de las velocidades decrecientes,
hasta alcanzar el eje de ordenadas (instante del arranque). El motor puede
entonces arrancar con un par ele vado. La resistencia adicional intercalada se
va desconectando luego escalonadamente por medio del arrancador. Estas
resistencias escalonadas se dimensionan de manera que el motor, conservando su
elevado par inicial, se vaya acelerando gradualmente. En motores con rotor de
jaula sencilla no es posible obtener un par de arranque elevado (curva R2
de la figura 134). El elevado precio de los motores con rotor
bobinado y el entretenimiento que exigen los contactos de los anillos rozantes
limitan el empleo de aquéllos a casos especiales (por ejemplo, en dispositivos
de elevación, que requieren un arranque bajo carga).
Ningún motor trifásico puede
sobrepasar el par crítico de su característica de servicio. Si se obliga al
motor a suministrar un par superior al critico, el rotor se para; como se dice
vulgarmente, el motor " se cala ". Por este motivo las prescripciones
VDE fijan para motores normales los valores mínimos del par critico: 1,6 veces
el par nominal si el servicio es permanente, y 2 veces dicho
Fig.
135.- Diferentes disposiciones constructivas para ranuras rotóricas.
par si el servicio es
intermitente. El par normal de servicio de un motor trifásico oscila por tanto
entre el 35 y el 50% de su par critico.
Como ya se ha indicado al final
del apartado anterior, han sido ideados rotores en cortocircuito con una
ejecución especial de las ranuras que permite alcanzar elevados pares de arranque.
En todos ellos se hace aplicación del efecto pelicular (skin), y por tal motivo
se designan con el nombre rotores de efecto skin. Éstos pueden ser de
varios tipos. El llamado de doble jaula se compone de dos jaulas
independientes cuyas barras respectivas, unidas en paralelo, van alojadas en
dos ranuras especiales superpuestas y separadas por una angosta rendija. La
forma de estas ranuras es muy diversa. En la figura 135 c - g se han
reproducido las ejecuciones constructivas más frecuentemente empleadas.
El objeto perseguido en todas es
que la corriente se distribuya desigualmente entre las barras de la superior y
las de la jaula inferior. Las barras superiores o inferiores pueden unirse
eléctricamente una vez montadas, pero generalmente se funde la doble jaula
entera de aluminio, con los aros de cortocircuito, en moldes especiales. A
causa de su exigua tensión no es necesario aislar las del rotor. El rotor de corrientes
parásitas lleva las barras alojadas en ranuras relativamente estrechas y
profundas ( fig. 135, a - b ).
El funcionamiento del rotor de
doble jaula radica en la diferente reactancia de la jaula superior y de la
inferior. En el momento del arranque las frecuencias del rotor y del estator
son iguales, exactamente como en el primario y el secundario de un
transformador. Debido al tipo y configuración de las ranuras, las barras
rotóricas pueden considerarse representadas por una conexión pueden
considerarse representada por una conexión en serie de
Fig.136.- Desplazamiento de
corriente ( efecto skin ) en el rotor de doble jaula.
resistencias óhmicas y
reactancias. La reactancia de las barras inferiores es relativamente mayor que
la de las barras superiores, ya que el número de líneas de fuerza abrazado por
las primeras es también más grande (fig. 136 a ). Durante el arranque, por
consiguiente, la mayor parte de la corriente rotórica circula por la jaula
superior, como si fuera empujada hacia arriba. Por ser las barras superiores de
sección muy reducida, el efecto es el mismo que si se hubiera intercalado una
resistencia de arranque.
Fig. 137.- Curvas del par de la
corriente de arranque en un motor con escaso efecto skin
( conexión en estrella triángulo )
.
A medida que el motor se acelera
va disminuyendo el deslizamiento, que una vez alcanzado el régimen de servicio
es del orden del 5 %. Con ello disminuye también la frecuencia rotórica hasta
valores de sólo 1-2 Hz. La reactancia de las barras inferiores desciende
entonces a un valor muy bajo ( ya que, como sabemos, es proporcional a la
frecuencia ) y la corriente puede circular también por ellas, que son de gran
sección (fig. 136 b). La resistencia del circuito rotórico, casi puramente
óhmica, es ahora muy pequeña.
Ejecutando las ranuras del rotor
de distintas formas se obtienen también diferentes pares de arranque. En las
figuras 137 a 139 se han representado las
Fig. 138.- Curvas del par y de la corriente de Fig. 139.-
Curvas del par y de la corriente de
arranque en un rotor de corriente parásitas. de arranque
en un rotor de doble jaula ( conexión
en estrella y triángulo ).
características del par y de la
corriente en función de la velocidad para varios casos, que corresponden
respectivamente a ranuras diseñadas según los tipos a, b, e de la figura 135.
Se observa que el primero y tercero de estos tipos son también adecuados para
el arranque con conexión estrella - triángulo ( par y corriente de arranque
reducidos ).
Bibliografía utilizada:
www.lafacu.com
Monografías
