Motores  CA  

Apunte Creado Por: José Anselmo Rubio González Objetivo: Comprender el principio de funcionamiento de los motores de corriente alterna. Introducción: Los motores de corriente alterna son los que tienen mayor uso en la industria minera. En este curso se analizarán las partes principales que componen a un motor de corriente alterna (CA) de inducción tipo jaula de ardilla, así mismo se describirá el principio básico de operación, las características de operación, las pérdidas eléctricas que se presentan en la máquina para poder obtener su circuito equivalente, de igual manera se analizarán los tipos de conexiones trifásicas de mayor uso.

En la segunda parte se analiza el motor de corriente alterna tipo rotor devanado o bobinado y los motores monofásicos de corriente alterna para finalmente describir algunas de las aplicaciones principales de este tipo de motores.

Los Motores de corriente alterna se utilizan en todo el mundo en muchas aplicaciones para transformar energía eléctrica en energía mecánica. Hay muchos tipos de motores de corriente alterna, pero este apunte se centra en la inducción trifásica de motores de corriente alterna, el tipo más común de motor usado en las aplicaciones industriales.

Un motor de CA de este tipo puede ser parte de una bomba, un ventilador o estar conectado a algún otro tipo de equipo mecánico tal como una rebanadora, una correa transportadora, o un mezclador. En el mercado se fabrican una amplia variedad de motores de corriente alterna para las distintas industrias según su aplicación.

 

 

 

 

En este apunte, haré referencia a la “National Electrical Manufacturers Association” (NEMA). NEMA es una organización internacional que desarrolla estándares para una gran variedad de productos eléctricos, por lo que es importante estar familiarizado con esta norma.

Las normativas NEMA, incluyen los motores de CA. Por ejemplo, la norma NEMA MG 1, esta dedicada a la publicación y promulgación de los estándares NEMA respecto de tamaño del bastidor de los motores de corriente alterna.

También se fabrican motores de acuerdo a las normas de la Comisión Electrotecnia Internacional (IEC). IEC es otra organización internacional responsable de las normas eléctricas distinta de las Normas NEMA, aplicadas comúnmente en la comunidad Europea. Las Normas IEC realizan la misma función que las normas NEMA, pero difieren en muchos aspectos. En muchos países, los equipos eléctricos comúnmente son diseñados para cumplir con las normas IEC. En los Estados Unidos, aunque los motores IEC se utilizan a veces, los motores NEMA son más comunes y predominantes. Tengamos en cuenta, sin embargo, que muchas empresas con sede en distintos países fabrican o crean productos para exportación a los países que siguen las normas IEC o la normas NEMA indistintamente.

Fuerza  y  movimiento  

Antes de tratar directamente el tema respecto de motores de corriente alterna, es necesario comprender algunos de los términos básicos relacionados con el

funcionamiento del motor. Muchos de estos términos son familiares para nosotros en algún otro contexto. Más adelante en este mismo apunte, veremos cómo estos términos se aplican a los motores de CA

Fuerza: En términos simples, una fuerza es un empujón o un tirón. La fuerza puede ser causada por electromagnetismo, la gravedad, o una combinación de medios físicos.

Fuerza Neta: Fuerza neta es la suma vectorial de todas las fuerzas que actúan sobre un objeto, incluyendo la fricción y la gravedad. Cuando se aplican fuerzas en la misma dirección, que se añaden. Por ejemplo, si dos fuerzas de 10 libras se aplican en la misma dirección, la fuerza neta sería de 20 libras.

Si 10 libras de fuerza se aplican en una dirección y 5 libras de fuerza se aplica en la dirección opuesta, la fuerza neta sería de 5 libras, y el objeto se moverá en la dirección de la fuerza mayor.

En el caso que apliquemos 10 libras de fuerza, iguales en ambas direcciones, la fuerza neta sería cero y el objeto no se movería.

Torque: El torque es una fuerza de torsión o de giro que hace un objeto al girar. Por ejemplo, una fuerza aplicada al extremo de una palanca provoca un efecto de giro o par de torsión en el punto de pivote.

Torque (τ) es el producto de la fuerza y el radio (distancia de la palanca).

Torque Tau (τ) = Fuerza x El Radio o la distancia al punto de torsión.

En el sistema de medición Inglés, el par o torque se mide en libras-pie (lb-pie) o libras-pulgadas (lb-in), un pie equivale a 12 pulgadas. Por ejemplo, si 10 libras de fuerza se aplican a una palanca de 1 pie de largo, el par o torque resultante es 10 libras-pie.

Un aumento de la fuerza o del radio, aumentando el radio a dos pies por ejemplo, resultará un aumento correspondiente en el par en 20 libras-pie de torsión, al doble

Velocidad Media: La velocidad es un vector, tiene magnitud y dirección. Cualquier objeto en movimiento, necesita tiempo para recorrer cualquier distancia. La velocidad es la relación de la distancia recorrida y el tiempo que se tarda en recorrer la distancia.

Velocidad = ( distancia / tiempo)

Velocidad Lineal: Velocidad lineal es la velocidad a la que un objeto se desplaza una distancia especificada. Velocidad lineal se expresa en unidades de distancia dividida por unidades de tiempo, por ejemplo, millas por hora o metros por segundo (m/s). Por lo tanto, si se toma 2 segundos para recorrer 40 metros, la velocidad es de 20 m/s (40 metros/2 segundos).

Velocidad Angular: La velocidad angular de un objeto que se encuentra girando, determina el tiempo que tarda un objeto para girar una distancia angular específica. Entonces, la velocidad angular es a menudo expresada en revoluciones por minuto

(RPM). Por ejemplo, un objeto que hace diez revoluciones completas en un minuto, tiene una velocidad de 10 RPM.

Velocidad Instantánea:

Rapidez:

Aceleración: Un objeto puede cambiar de velocidad. El aumento de velocidad se llama aceleración. La aceleración se produce sólo cuando hay un cambio en la fuerza que actúa sobre el objeto. Un objeto también puede cambiar de una mayor a una menor velocidad. Esto se conoce como la desaceleración (aceleración negativa). Un objeto giratorio, por ejemplo, puede acelerar de 10 RPM a 20 RPM, o decelerar de 20 RPM a 10 RPM.

Inercia: Los sistemas mecánicos están sujetos a la ley de la inercia. La ley de la inercia indica que un objeto tenderá a permanecer en su estado actual de reposo o de movimiento a menos que actúe sobre él una fuerza externa. Esta propiedad de resistencia a la aceleración/deceleración se refiere como “el momento de inercia”. La unidad del sistema Inglés de medida de inercia es libras-pie cuadrado (lb-ftˆ2).

Por ejemplo, considera una máquina que desenrolla un gran rollo de papel. Si el rollo no está en movimiento, se requiere una fuerza para superar la inercia e iniciar el movimiento del rollo. Una vez en movimiento, se necesita una fuerza en la dirección inversa para llevar el rodillo a una parada o detención.

Cualquier sistema en movimiento tiene que drenar las pérdidas de energía del sistema. La ley de la inercia sigue siendo válida, sin embargo, debido a que el sistema permanecerá en movimiento a velocidad constante si se añade energía al sistema para compensar las pérdidas.

Fricción (Rose): La fricción se produce cuando los objetos están en contacto entre sí. Como todos sabemos, cuando se trata de mover un objeto a través de la superficie de otro objeto, la fricción aumenta la fuerza que debe aplicarse. La fricción es una de las causas más importantes de pérdida de energía en una máquina.

Energía: Se define como la Cantidad de trabajo realizado.

Trabajo: Se genera trabajo cada vez que una fuerza provoca movimiento. El trabajo puede ser calculado simplemente multiplicando la fuerza aplicada a un cuerpo por la distancia recorrida. Es decir, si movemos un cuerpo con la fuerza de un kilógramo para que recorra 1 metro, estamos efectuando un trabajo de 1 kg. x metro.

Trabajo = Fuerza x Distancia

Puesto que el trabajo es el producto de la fuerza por la distancia aplicada, el trabajo puede ser expresado en cualquier unidad compuesta por fuerza y por la distancia. Por ejemplo, en la física, el trabajo es comúnmente expresado en julios. 1 julio es igual a 1 Newton-metro, una fuerza de 1 Newton por una distancia de 1 metro. En el sistema Inglés de mediciones, el trabajo a menudo se expresa en libras-pie (lb-pie).

Cuando se realiza trabajo y la trayectoria es circular, como es el caso de un motor, el cálculo del trabajo se expresa:

Trabajo = Fuerza x (2 π r)

donde “π” es una constante (3,1416) y “r” es el radio de giro.

Power o Potencia: Otro concepto importante y de uso frecuente es la potencia. La potencia es la tasa de realización de trabajo o la cantidad de trabajo realizado en un periodo de tiempo.  Mientras más rápido se realiza el trabajo la potencia que se desarrolla es mayor.

Caballos de Fuerza (Horse Power HP): La potencia puede ser expresada en libras-pie por segundo, pero se expresa también en Caballos de Fuerza (HP). Esta unidad fue definida en el siglo 18 por James Watt. James vendía máquinas de

vapor y se preguntó a cuántos caballos remplazaría un motor de vapor. Tenía caballos caminando alrededor de una rueda para levantar un peso. Él encontró que un caballo realizaba una potencia media de unas 550 libras x pie, de trabajo por segundo. Por lo tanto, un caballo de fuerza es igual a 550 libras-pie por segundo o 33.000 libras-pie por minuto.

Entonces, cuando se aplica el concepto de potencia a los motores, este es útil para determinar la cantidad de potencia para una cantidad dada de par o torque y la velocidad. Cuando el torque se expresa en libras-pie y la velocidad se expresa en RPM, la siguiente fórmula puede ser utilizada para calcular la potencia (HP). Tenga en cuenta que un aumento en el torque, la velocidad, o ambos los caballos de fuerza aumentan.

¿De dónde sale el 5.252 ?

Caballos de Fuerza (HP) y Kilowatts: Los motores de CA fabricado en los Estados Unidos son generalmente clasificados en caballos de fuerza, pero los motores fabricados en muchos otros países son generalmente clasificados en kilovatios (kW). Afortunadamente, es fácil de convertir entre estas unidades

Por ejemplo, un motor de potencia nominal de 25 HP, es equivalente a un motor de 18,65 kW.

0.746 x 25 HP = 18 .65 kW  

Los Kilowatts pueden ser convertidos a HP con la siguiente formula

Potencia en HP = 1.34 x power in kW

Encontrar la velocidad de un Motor:

Un motor de inducción de jaula de ardilla es un motor de velocidad constante. Se debe operar a la velocidad especificada en la placa o se quemará.

Para calcular la velocidad de un motor de inducción:

Vrpm = (120 x F) /P

Vrpm = revoluciones por minuto. 120 = constante F = frecuencia de suministro de energía (en ciclos / seg) P = número de polos del bobinado del motor

Ejemplo: ¿Cuál es la velocidad de un motor síncrono con 2 polos conectado a una fuente de alimentación 60 Hz?

Vrpm = (120 x F) /P

Vrpm = (120 x 60) / 2

Vrpm = 7200 / 2

Vrpm = 3.600 rpm

Encontrar el torque de frenado de un Motor:

Es necesario determinar el torque a plena carga del motor, para determinar el torque de frenado necesaria de un motor. Entonces, para calcular el torque de frenado de un motor:

T = (5252 x HP) / RPM

T = par o torque a plena carga del motor (en libras-pie) 5.252 = constante (33.000 dividido por 3,14 x 2 = 5252) HP = caballos de fuerza del motor RPM = velocidad del motor de eje

Ejemplo: ¿Cuál es el par de frenado de un motor de 40 HP, 240VAC motor que gira a 1.725 rpm?

T = (5252 x HP) / RPM

T = (5252 x 40) / 1725

T = 210,080 / 1725

T = 121,8 libras-pie

Encontrar el torque de un motor:

El torque es la fuerza que hace que un objeto rote. El Torque consistirá en una fuerza que actúa a una distancia y se mide en libras-pie (lb-ft). Torque puede existir aunque no se produce el movimiento. Para calcular el torque:

T = F x D

T = par (en libras-pie) F = fuerza (en libras pulgada) D = distancia (en pies)

Ejemplo: ¿Cuál es el torque producido por una fuerza de 70 libras al empujar una palanca de un brazo de 3 "?

T = F x D

T = 70 x 3

T = 210 libras pies

Encontrar Torque a plena carga:

El torque a plena carga de un motor, es la fuerza necesaria para producir las máxima RPM del motor a la potencia nominal del motor. La cantidad de par motor produce la potencia nominal y la velocidad máxima que se puede producir con la potencia del motor expresada en HP.

Para calcular el motor de par a plena carga:

T = (HP x 5252 ) / RPM

T = par (en libras-pie) HP = caballo de fuerza 5252 = constante RPM = revoluciones por minuto

Ejemplo: ¿Cuál es el par a plena carga de funcionamiento de un motor de 30 HP a 1725 rpm?

T = (HP x 5252) / RPM T = (30 x 5252) / 1725

T = 157,560 / 1725 T = 91,34 libras-pie

Determinación de la potencia en caballos de fuerza:

La energía eléctrica también está valorada en caballos de fuerza o vatios. Un caballo de fuerza es una unidad de potencia igual a 746 watts o 33,0000 lbs-pies por minuto (550 lbs-pies por segundo). Un vatio es una unidad de medida igual a la potencia producida por una corriente de 1 amperio a través de la diferencia de potencial de 1 voltio. Se trata de 1 / 746 de 1 caballo de fuerza. El vatio es la unidad básica de energía eléctrica. Potencia del motor está valorada en caballos de fuerza y en vatios.

Caballos de vapor se utiliza para medir la energía producida por un motor eléctrico mientras se hace el trabajo.

Para calcular la potencia de un motor cuando la eficiencia de corriente, voltaje y son conocidos:

HP = (V x I x Eff) / 746

HP = caballo de fuerza V = voltaje I = corriente (amperios) Eff = Eficiencia

Ejemplo: ¿Cuál es la potencia de un motor de 230 Vac, 4 amperios con un 82% de eficiencia?

HP = (V x I x Eff) / 746

HP = (230 x 4 x .82) / 746

HP = 754,4 / 746

HP = 1

Eff=eficiencia, HP=caballos de fuerza, V=voltios, A=amperes, PF =factor de potencia. Para calcular la potencia de un motor cuando se conoce la velocidad y el troque o par del motor:

HP = (rpm x T(torque)) / 5252 (constantes)

Ejemplo: ¿Cuál es la potencia de un motor de 1.725 rpm, con un troque de 3,1 libras FLT-pie?

HP = (rpm x T) / 5252

HP = (1725 x 3,1 ) / 5252

HP = 5347,5 / 5252

HP = 1

Determinar la velocidad de sincronismo del motor:

Motores de corriente alterna se consideran motores de velocidad constante. Esto se debe a la velocidad sincrónica de un motor de inducción se basa en la frecuencia de la alimentación y el número de polos en el bobinado del motor. Los motores que están diseñados para usar 60 Hz tienen velocidades sincrónicas de 3600, 1800, 1200, 900, 720, 600, 514, y 450 rpm.

Para calcular la velocidad de sincronismo de un motor de inducción:

Srpm = (120 x f) / Np

Srpm = revoluciones síncrono por minuto. f = frecuencia de suministro en (Hertz) NP = número de polos del motor

Ejemplo: ¿Cuál es la velocidad de sincronismo de funcionamiento de un motores de cuatro polos a 50 hz.?

Srpm = (120 x f) / Np Srpm = (120 x 50) / 4 Srpm = 6000 / 4 Srpm = 1500 rpm

Preguntas generales:

1. Si 20 libras de fuerza se aplican en una dirección y 5 libras de fuerza se aplica en la dirección opuesta, la fuerza neta es ___ libras.

2. Si 40 libras de fuerza se aplica en el extremo de una palanca de 2 pies de largo, el torque es ___ lbft.

3. La ley de la ________ que indica, que un objeto tenderá a permanecer en su estado actual de reposo o de movimiento a menos que actúe sobre él una fuerza externa.

4. ________ Es igual a la distancia recorrida dividida por el tiempo transcurrido.

5. La velocidad de un objeto giratorio se expresa a menudo en ________.

6. Un aumento de la velocidad de un objeto se llama ________.

Construcción de Motores AC Los motores trifásicos de inducción de CA se utilizan comúnmente en aplicaciones industriales mineras. Este tipo de motor consta principalmente de tres partes, el rotor, estator, y carcasa. El estator y el rotor hacen el trabajo para la cuál es concebido el motor, y la carcasa protege el estator y el rotor.

El Estator: El estator es la parte fija del circuito electromagnético del motor. El núcleo del estator está formado por muchas hojas de metal fino, llamadas láminas de aluminio o hierro fundido. Éstas se utilizan para reducir la energía que se pierde como resultado si se utilizara un núcleo sólido.

Devanado del Estator: Las láminas que componen el estator son apiladas entre sí formando un cilindro hueco, denominado núcleo del estator. Luego un alambre de cobre aislado se inserta entre las ranuras del núcleo del estator formando una bobina.

Cuando el motor esta ensamblado y preparado para su funcionamiento, los devanados del estator están conectados directamente a la fuente de alimentación. Cada grupo de bobinas, junto con el núcleo de acero que rodea, se convierte en un electroimán cuando se aplica corriente. El electromagnetismo es el principio básico de funcionamiento del motor.

Construcción del Rotor: El rotor es la parte giratoria del circuito electromagnético del motor. El tipo más común de rotor utilizado en un motor de inducción trifásico es un rotor de jaula de ardilla. Otros tipos de construcción del rotor se discute más adelante en el curso. El rotor de jaula de ardilla se llama así porque su construcción es una reminiscencia de las ruedas de ejercicio de rotación se encuentran en algunas jaulas para mascotas.

En un motor de jaula de ardilla, el núcleo del rotor se confecciona por el apilamiento de láminas delgadas de acero para formar un cilindro ranurado.

En lugar de utilizar bobinas de alambre como conductores, son utilizadas barras conductoras con ranuras espaciadas uniformemente alrededor del cilindro cortocircuitadas entre sí. La mayoría de los rotores de jaula de ardilla están hechos con aluminio de fundición a presión para formar las barras conductoras. También existen empresas, como siemens, que fabrican los motores con los rotores en base a barras de cobre fundido a presión. Estos motores exceden los estándares de eficiencia NEMA Premium.

Después de la fundición a presión, las barras del rotor de conductor están mecánica y eléctricamente conectados con anillos en los extremos. El rotor se presiona sobre un eje de acero para formar un conjunto de rotor.

La Carcasa: Esta construida por un bastidor (o yugo) y dos soportes de extremo (o carcasas de los cojinetes). El estator está montado en el interior del marco. El rotor se ajusta el interior del estator con un espacio de aire que lo separa del estator. No hay ninguna conexión física directa entre el rotor y el estator.

La carcasa protege las partes internas del motor del agua y de otros elementos ambientales. El grado de protección depende del tipo de carcasa. Más adelante presentaremos algunos grupos.

Los rodamientos, montados en el eje, son utilizados para apoyar el rotor y permiten que este gire. Algunos motores, como el que se muestra en la siguiente ilustración, también utilizan un ventilado montado en el eje del rotor, para refrigerar el motor cuando el eje está girando.

Principio de funcionamiento Motor AC:

La operación del motor trifásico de inducción tipo jaula de ardilla se rige bajo el principio de funcionamiento de un transformador, es decir; está basado en la aplicación de la ley de inducción electromagnética de Faraday y la fuerza de Lorentz en un conductor.

Cuando el devanado del estator es conectado a una fuente de voltaje AC trifásica, se produce un campo magnético de una magnitud constante y que gira alrededor de la periferia del rotor a una velocidad sincrónica. Éste campo rotatorio induce una fuerza electromotriz en el devanado del rotor. Como el rotor está constituido por barras cortocircuitadas, la tensión inducida produce también una corriente inducida en ellas, produciendo su vez su propio campo magnético, el mismo que interactúa con el campo magnético principal, experimentándose una fuerza, torque o par que hace girar al rotor. A este par desarrollado se le conoce como par de arranque.

Cuando el motor es energizado con una carga inicial, se requiere que el par de la carga sea menor que el par de arranque para que el rotor comience a girar.

Cuando el motor arranque sin carga, el rotor alcanzará rápidamente una velocidad muy cercana a la velocidad síncrona, sin embargo nunca podrá girar a esta velocidad debido a que sus bobinas parecerían fijas respecto al campo rotatorio y no habría “fem” inducida en ellas. Al no existir una “fem” inducida en el rotor, no circularía ninguna corriente y como consecuencia no se manifestaría ninguna fuerza debida a la no interacción de los campos magnéticos del rotor y estator.

Preguntas Generales:

1.- Describa las partes principales de un motor de Inducción AC.

2.- Describa que es el estator, rotor y carcasa.

3.- Describa el principio de funcionamiento de un motor AC.

Magnetismo

Los principios de magnetismo juegan un papel importante en el funcionamiento de un motor de AC. Por lo tanto, con el fin de entender el funcionamiento de este tipo de motores, hay que entender los principios físicos del magnetismo y los imanes.

Para comenzar, todos los imanes tienen dos características. Ellos atraen a objetos de acero o hierro, e interactúan con otros imanes. Este hecho se ilustra más adelante por la posición de la aguja de una brújula que se alinea con el campo magnético de la Tierra.

Líneas de Flujo de campo magnético: La fuerza que atrae a un objeto de hierro o acero conforman líneas continuas de campo magnético, llamadas líneas de flujo, que se concentran a través del imán, saliendo desde el polo norte, y retornando por el polo sur. Aunque estas líneas de flujo son invisibles, los efectos de los campos magnéticos son observables para el ser humano. Por ejemplo, cuando una hoja de papel se coloca sobre un imán y limaduras de hierro están débilmente esparcidas sobre el papel, las limaduras se disponen a lo largo de las líneas invisibles de flujo, pudiendo estas ser observadas.

Los polos opuestos se atraen: Las polaridades (norte, sur) de los campos magnéticos afectan a la interacción entre los imanes. Por ejemplo, cuando los polos opuestos de dos imanes se encuentran dentro del alcance del otro, las líneas de flujo se combinan y tiran de los imanes tendiendo a unirse uno con el otro.

Los polos iguales se repelen: Sin embargo, cuando los polos iguales de dos imanes se encuentran dentro del alcance uno del otro, sus líneas de flujo empujan los imanes tendiendo a separarlos. En resumen, los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen.

De este modo la acción de atracción y repulsión de los campos magnéticos resulta esencial para el principio físico de funcionamiento de los motores de corriente alterna.

Electromagnetismo (Electroimán)

Cuando la corriente fluye a través de un material conductor de corriente, se produce un campo magnético alrededor del mismo material. En este caso la fuerza del campo magnético alrededor del elemento conductor es proporcional a la cantidad de corriente que por él circula.

Regla de la mano izquierda para los conductores: La regla de la mano izquierda para conductores demuestra la relación existente entre el flujo de electrones o corriente eléctrica y la dirección del campo magnético creado por esta misma corriente. Hipotéticamente si un conductor portador de corriente es tomado con la mano izquierda y con el pulgar apuntando en la dirección del flujo de electrones, los dedos apuntan en la dirección de las líneas de flujo magnético.

La figura a continuación muestra que, cuando el flujo de electrones se aleja de ti hacia el fondo del documento (como se indica por el signo más), las líneas de flujo del campo magnético, inducido en el conductor, se desplazan en sentido contrario a las manecillas del reloj alrededor del conductor. Ahora, cuando el flujo de electrones se invierte y el flujo de corriente es hacia el frente al documente (como se indica por el punto), las líneas de flujo del campo magnético se desplazan en el sentido de las manecillas del reloj.

Electroimán: Un electroimán puede ser hecho por un conductor devanado conformando una bobina y aplicando un voltaje de continuo (DC) en sus terminales. En este caso las líneas de campo o flujo magnético, formadas por el flujo de corriente a través del conductor, se combinan para producir un campo magnético más fuerte y más grande en el centro de la bobina que se conoce como el núcleo. Este electroimán simple tiene un núcleo de aire.

Agregando un núcleo de Hierro: En este caso  el  hierro conduce el flujo magnético más fácilmente que el aire. Y por lo tanto cuando un conductor aislado se enrolla alrededor de un núcleo de hierro, un campo magnético más fuerte se produce para el mismo nivel de corriente.

Número de Vueltas del conductor alrededor del núcleo de hierro: En este caso   la fuerza del campo magnético creado por el electroimán se puede aumentar aún más mediante el aumento del número de vueltas en la bobina. Cuanto mayor es el número de vueltas mayor será la intensidad del campo magnético inducido para el mismo nivel de corriente.

Cambio de polaridad en los terminales del mismo elemento: Podemos decir que el campo magnético de un electroimán tiene las mismas características que un imán natural, incluyendo un polo norte y sur. Sin embargo, cuando la dirección del flujo de corriente a través de sus terminales eléctricos, cambia en su sentido de circulación producto de cambios en la polaridad del voltaje aplicado al electroimán, obtendremos también cambios de polaridad en los flujos de campos magnéticos inducidos.

Entonces, un electroimán conectado a una fuente de CA estará sometido a cambios en su polaridad de acuerdo a la frecuencia de la fuente de CA. Esto se muestra en la siguiente figura.

En el momento 1, no hay flujo de corriente, y por tanto el campo magnético no es producido. En el tiempo 2, la corriente está fluyendo en una dirección positiva, y por tanto tenemos un campo magnético que se acumula alrededor del electroimán. Considera que el polo sur está en la parte superior, el polo norte está en la parte inferior y la corriente circula en sentido contrario a las manecillas del reloj. En el momento 3, el flujo de corriente está en su valor pick positivo, y la fuerza del campo electromagnético también ha alcanzado su valor máximo. En el momento 4, el flujo de corriente disminuye, y el campo magnético comienza también a disminuir. En el momento 5, no hay corriente, y por tanto no es producido el campo magnético. En tiempo de 6, la corriente aumenta en la dirección negativa. Tenga en cuenta que la polaridad del campo electromagnético ha cambiado. El polo norte se encuentra ahora en la parte superior, y el polo sur se encuentra en la parte inferior. La mitad negativa del ciclo continúa a través de tiempos 7 y 8, volviendo a cero en

el tiempo 9. Para un suministro de 50 Hz de corriente alterna, este proceso se repite 50 veces por segundo en forma consecutiva.

Voltaje Inducido: En los ejemplos anteriores, la bobina se conecta directamente a una fuente de alimentación. Sin embargo, una tensión puede ser inducida a través de un conductor simplemente si se mueve a través de un campo magnético. Este mismo efecto se produce cuando un conductor estacionario se encuentra con un campo magnético cambiante. Este principio eléctrico es relevante para entender el funcionamiento de motores de inducción de CA. En la siguiente figura, un electroimán está conectado a una fuente de alimentación de CA. Otro electroimán se coloca por encima de ella y los más próximo posible a las líneas del campo magnético inducido. El segundo electroimán está en un circuito separado y no hay ninguna conexión física eléctrica entre los dos circuitos, es decir existe aislación galvánica.

Esta figura anterior muestra la acumulación de flujo magnético en la primera mitad del primer ciclo de la forma de onda de CA. En el momento 1, el voltaje y la corriente son cero en ambos circuitos. En el momento 2, el voltaje y la corriente están aumentando en el circuito inferior. Como el campo magnético se acumula en el electroimán inferior, las líneas de flujo del campo magnético son cortadas a través del electroimán superior por lo que se induce un voltaje a través del segundo electroimán superior. Esto hace que una corriente fluya a través del amperímetro en la bobina superior. En el tiempo 3, el flujo de corriente ha alcanzado su pick máximo en ambos circuitos. Como en el ejemplo anterior, el campo magnético alrededor de cada bobina se expande y se contrae en cada medio ciclo de onda de CA, invirtiéndose la polaridad de medio ciclo de onda.

Atracción electromagnética: También considera que la polaridad del campo magnético inducido en el electroimán superior es opuesta a la polaridad del campo magnético en el electroimán inferior. Debido a que los polos opuestos se atraen, los dos electroimanes se atraen entre sí cuando el flujo se ha acumulado. Bajo estas circunstancias si fuera posible mover el electroimán inferior, y si el campo magnético es lo suficientemente fuerte, el electroimán superior también se moverá junto con él.

1.- Las líneas del flujo del campo magnético asociado a un electroimán, dejan el polo _________ y se introducen en el polo __________.

2.- En la siguiente figura, señale que imanes se atraen entre sí y cuales se repelen entre sí?

3.- Un ____________________________ se produce alrededor de un conductor cuando una corriente circula a través de él.

4.- Cuál de las siguientes alternativas aumenta la fuerza de un campo magnético.

A. Aumentar el flujo de corriente. B. Aumento del número de vueltas en la bobina. C. Añadir un núcleo de hierro de una bobina D. Todas las anteriores.

La generación de un campo magnético rotativo Los principios del electromagnetismo explican cómo es posible la rotación del eje de un motor de CA. Para ello se debe recordar que el estator de un motor de CA es un cilindro hueco, en el que las bobinas de alambre se encuentran aisladas y son insertadas en su interior, como muestra la siguiente figura.

Disposición de la Bobinas en el Estator: En la figura a continuación se muestra la configuración eléctrica de las bobinados del estator. En este ejemplo, se utilizan seis devanados, dos para cada una de las tres fases. Las bobinas se enrollan alrededor del material de núcleo de hierro blando del estator. Cuando se aplica corriente, cada devanado se convierte en un electroimán, son utilizadas dos bobinas para cada fase como los extremos opuestos de un imán. En otras palabras, las bobinas de cada fase se enrrollan de tal manera que, cuando la corriente está fluyendo, un devanado es un polo norte y el otro es un polo sur. Por ejemplo, cuando A1 es un polo norte, A2 es un polo sur y, cuando la corriente cambia de dirección, las polaridades de los enrrollamientos también se invierten.

Fuente de alimentación del Estator: El estator del motor está conectado a una fuente de alimentación de AC trifásica. La figura siguiente muestra los devanados A1 y A2

conectado a la fase A de la fuente de alimentación. Además de las conexiones, B1 y B2 que se conecta a la fase B, y C1 y C2 conectadas a la fase C.

La figura siguiente muestra las bobinas A1, B1 y C1 desfasadas entre sí en 120 °. Esto corresponde a la separación de 120 º entre cada fase eléctrica. Debido a que cada devanado tiene dos polos, esto se llama un estator de dos polos.

Cuando el voltaje AC se aplica al estator, el campo magnético generado en el conjunto de bobinas de fase depende de la dirección del flujo de corriente. Consultar la tabla siguiente al leer la explicación de cómo un campo magnético giratorio se desarrolla. Esta tabla asume que un flujo de corriente positiva ingresa por los devanados de A1, B1 o C1 lo cual genera el polo norte en del electroimán.

Ciclo de funcionamiento: En la siguiente figura, una condición de partida ha sido seleccionada durante la cual la fase A no tiene flujo de corriente y sus bobinas asociadas no tienen campo magnético. La fase B tiene el flujo de corriente en la dirección negativa y la fase C tiene flujo de corriente en la dirección positiva. En el gráfico se observa que B1 y C2 son polos sur. Y que B2 y C1 son polos norte. Las líneas de flujo magnético de B2 dejan el polo norte e ingresas en el polo sur más cercano. Las líneas magnéticas de flujo también dejan el polo norte C1 y también ingresas al polo sur más cercano al sur, en este caso B1. La suma vectorial de los campos magnéticos se indica mediante la flecha simbólicamente en el centro del estator, también se grafican las líneas de flujo de los campos magnéticos.

Posteriormente en un instante de tiempo “1”: El gráfico siguiente muestra la evolución del vector de campo magnético a medida que cada fase ha avanzado 60°. Se debe considerar que en el momento “1” la fase C no tiene ningún flujo de corriente y el campo magnético no se desarrolla en C1 y C2. Ahora la fase A tiene el flujo de corriente en la dirección positiva y la fase B tiene el flujo de corriente en la dirección negativa.

Como muestra el gráfico, las bobinas A1 y B2 son polos norte y los devanados A2 y B1 son polos sur. El vector resultante del campo magnético se ha girado 60° en la dirección de las agujas del reloj, como lo señala la flecha en el centro del estator.

En la figura siguiente es posible observar la situación en el instante de tiempo “2”, en el que la fase B no tiene flujo de corriente y por tanto el devanado B1 y B2 no tiene campo magnético. La corriente en la fase A está fluyendo en la dirección positiva, pero la corriente de fase C está ahora fluyendo en la dirección negativa. El vector resultante campo magnético ha girado otros 60°.

Al final de los seis intervalos de tiempo, el campo magnético se ha girado una vuelta completa o 360°. Este proceso se repite 50 veces por segundo para una fuente de alimentación de 50 Hz.

Velocidad de Sincronismo: La velocidad de la rotación del campo magnético se denomina la velocidad de sincronismo (NS) del motor. La velocidad síncrona es igual a 120 veces la frecuencia (F), dividido por el número de polos del motor (P).

La velocidad de sincronismo para un motor de dos polos operado a 60 Hz, por ejemplo, es de 3600 RPM.

La velocidad síncrona disminuye a medida que aumenta el número de polos. La siguiente tabla muestra la velocidad síncrona a 60 Hz para varios números de polos diferentes.

La rotación del Rotor Para entender cómo funciona un rotor, podemos considerar un imán permanente montado en un eje, lo que sustituye el rotor de jaula de ardilla. Cuando los devanados del estator están energizados, un campo magnético rotativo se establece. El imán permanente instalado como rotor tiene su propio campo magnético que interactúa con el campo magnético giratorio del estator. El polo norte del campo magnético giratorio atrae el polo sur del imán y el polo sur del campo magnético giratorio atrae el polo norte del imán. Como el campo magnético gira, tira del imán permanente instalado y que sustituye al rotor. Los motores AC que utiliza un imán permanente como rotor se conocen como motores síncronos de imanes. La rotación del rotor se sincroniza con el campo magnético, y la velocidad del rotor es la misma que la velocidad síncrona del motor.

Si consideramos un rotor de electroimán de voltaje inducido, en lugar de un rotor de imán permanente, obtendremos un motor de inducción que por medio de la jaula de ardilla induce una corriente en el rotor, creando un electroimán. Como se muestra en la figura siguiente, cuando la corriente está fluyendo en un devanado del estator, el campo electromagnético creado trasciende los bares más cercanos del rotor.

Cuando un conductor, tal como una barra de hierro (el rotor), pasa a través de un campo magnético, un voltaje (fem) es inducida en el conductor del rotor. La tensión inducida hace

que exista un flujo de corriente en el conductor. En un rotor de jaula de ardilla, la corriente fluye a través de las barras del rotor y alrededor del anillo del extremo y produce un campo magnético alrededor de cada barra de rotor.

Debido a que los bobinados del estator están conectados a una fuente de CA, la corriente inducida en las barras del rotor cambia continuamente y el rotor de jaula de ardilla se convierte en un electroimán con alternancia de polos norte y sur.

La siguiente figura muestra que el enrollado A1 es un polo norte y su intensidad de campo va en aumenta. Además la barra del rotor va cortando el campo magnético inducido, induciendo en él una tensión. El flujo de corriente resultante en la barra de rotor produce un polo sur. Esto hace que el motor gire hacia el bobinado A1.

En cualquier punto dado en el tiempo, los campos magnéticos de los bobinados del estator están ejerciendo fuerzas de atracción y repulsión contra las barras del rotor diversos. Esto hace que el rotor gire, pero no exactamente a la velocidad síncrona del motor.

Deslizamiento: Para un motor de inducción de CA trifásica, el campo magnético de rotación debe girar más rápido que el rotor para inducir la corriente en el rotor. Cuando la energía se aplica por primera vez, el motor con el rotor detenido están detenidos, esto provoca que la diferencia de velocidad sea máxima y una gran cantidad de corriente sea inducida en el rotor.

Después de que el motor ha estado funcionando lo suficiente para llegar hasta la velocidad de funcionamiento, la diferencia entre la velocidad síncrona del campo magnético giratorio y la velocidad del rotor es mucho menor. Esta diferencia de velocidad es el llamado deslizamiento.

El deslizamiento es necesario para producir el par o torque. El deslizamiento también depende de la carga, un aumento de la carga hace que el rotor tienda a frenarse, lo cual provoca un aumento del deslizamiento. Por otra parte una disminución de la carga hace que el rotor se acelere, lo cual provoca una disminución del deslizamiento.

Podemos decir que el deslizamiento se expresa como un porcentaje y se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

Por ejemplo, un motor de cuatro polos operando a 60 Hz tiene una velocidad síncrona (NS) de 1.800 RPM. Si la velocidad del rotor (NR) a plena carga es 1.775 RPM, a continuación se calcula su deslizamiento a plena carga, que es de 1,4%

Motor de inducción AC, rotor tipo bobinado: Hasta ahora nuestro estudio se ha centrado en el motor cuyo rotor es de tipo jaula de ardilla dado que éstos son los más comunes en la industria de automatización o equipos móviles en minería. No obstante existen también otro tipo de motores de inducción trifásico, como lo es el motor de rotor bobinado o devanado. Una diferencia importante entre el motor de rotor bobinado y el del motor de rotor tipo jaula de ardilla, es que los conductores del rotor bobinado consisten en bobinas enrolladas en lugar de barras. Estas bobinas están conectados a través de anillos colectores y escobillas de resistencias variables externas. El campo magnético giratorio induce una tensión en los devanados del rotor. El aumento de la resistencia de los devanados del rotor provoca una disminución de la corriente que fluye en los devanados del rotor, lo que provoca la disminución de la velocidad del rotor. La disminución de la resistencia produce más flujo de corriente, aumentando la velocidad del rotor.

Motor AC Sincrónico: Otro tipo de motor trifásico de CA es el motor sincrónico. El motor síncrono no es un motor de inducción. Un tipo de motor síncrono se construye algo así como un rotor de jaula de ardilla bobinado. Además de las barras del rotor, también son utilizados devanados como bobina. Los devanados de la bobina están conectados a una fuente de alimentación externa de CC por medio de anillos colectores y escobillas. Cuando se da partida al motor, la potencia de CA se aplica al estator, y el motor síncrono se inicia como un rotor de jaula de ardilla. La alimentación de CC se aplica a las bobinas del rotor después de que el motor ha acelerado. Esto produce un fuerte campo magnético constante en el rotor que bloquea el rotor en el paso con el campo magnético giratorio. El rotor gira por lo tanto a la velocidad síncrona, por lo que este es un motor síncrono.

Como se mencionó anteriormente, algunos motores síncronos utilizan un rotor de imán permanente. Este tipo de motor no necesita una fuente de alimentación de CC para magnetizar el rotor.

Preguntas de Evaluación de aprendizaje:

1. La siguiente figura se aplica a un ___________ polo motor AC Trifásico. Al enrollar A1 es un polo sur, serpenteando A2 es un polo _______.

2. La velocidad de la rotación del campo magnético se conoce como velocidad de _______ del motor.

3. La velocidad síncrona de un 60 Hz, de cuatro polos del motor es _______ RPM.

4. La diferencia de velocidad entre la velocidad síncrona y la velocidad del rotor se denomina _______.

5. Un motor de 2-polos está operando sobre una fuente de alimentación de 60 Hz. El rotor está girando a 3450 RPM. El deslizamiento es _______%.