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 :
a) por medio de dos devanados diferentes, o sea, independiente.
b) 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 alcanz
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