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MOTORES TRIFÁSICOS

Principio Y Funcionamiento De Un Motor Trifásico Jaula de Ardilla

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DEDICATORIA

Dedico el presente primeramente a dios y entre varias a dos personas que me apoyaron y respaldaron siempre. Con todo cariño:

Mi padre y mi Madre.

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AGRADECIMIENTOS

A todos mis docentes ya que ellos me enseñaron valorar los estudios y a superarme cada día, también agradezco a mis padres porque ellos estuvieron y están en los días más difíciles de mi vida como estudiante. Y agradezco a Dios por darme la salud que tengo, por tener una cabeza con la que puedo pensar muy bien y además un cuerpo sano y una mente de bien Estoy seguro que mis metas planteadas darán fruto en el futuro y por ende me debo esforzar para adquirir nuevos conocimientos cada día.

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INTRODUCCIÓN

En este informe se quiere llevar a las personas y estudiantes por las sendas de los conceptos acerca de los diferentes tipos de motores, sus diferencias y sus usos originales. Nos recuerda las propiedades de cada uno y precisa la clase de servicio que pueden ofrecernos.

En ocasiones, la rutina no aleja del rigor técnico. Por eso, es necesario volver, de vez en cuando, al concepto teórico; fuente segura de conocimientos básicos para la manipulación de los equipos, cuyo mejor aprovechamiento debemos garantizar.

Hablaremos de motores, desde el ABC. El motor mismo es el fundamento de toda industria y sus principios básicos nos acercan al origen de todo movimiento, fuerza y velocidad.

Es sorprendente, a veces encontramos en los textos más sencillos, las respuestas a nuestros más complicados problemas. A continuación detallamos nuestros conceptos básicos:

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1.- MOTOR ELÉCTRICO

El motor eléctrico es aquel motor que transforma la energía eléctrica en energía mecánica, por medio de la repulsión que presenta un objeto metálico cargado eléctricamente ante un imán permanente. Son máquinas eléctricas rotatorias.

Algunos de los motores eléctricos son reversibles, ya que pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras o en automóviles híbridos realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos.

Son muy utilizados en instalaciones industriales, comerciales y particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministro eléctrico o a baterías. Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de ambos.

VENTAJAS

A igual potencia, su tamaño y peso son más reducidos. Se pueden construir de cualquier tamaño y forma, siempre que el voltaje lo permita. Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente constante. Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 75%, aumentando a medida que se

incrementa la potencia de la máquina). Este tipo de motores no emite contaminantes, aunque en la generación de energía

eléctrica de la mayoría de las redes de suministro sí emiten contaminantes. No necesita de refrigeración ni ventilación forzada, están autoventilados. No necesita de transmisión/marchas.

TIPOS DE MOTORES

Motores De Corriente Continua

Los motores de corriente continua se clasifican según la forma como estén conectados, en:

Motor serie Motor compound Motor shunt Motor eléctrico sin escobillas

Además de los anteriores, existen otros tipos que son utilizados en electrónica:

Motor paso a paso Servomotor Motor sin núcleo

Motores De Corriente Alterna

Existen 4 tipos, siendo el primero y el último los más utilizados:

Motor universal, puede trabajar tanto en CA como en CC. Motor asíncrono

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Motor síncrono Motor de jaula de ardilla

UTILIZACIÓN

Los motores eléctricos se utilizan en la gran mayoría de las máquinas modernas. Su reducido tamaño permite introducir motores potentes en máquinas de pequeño tamaño, por ejemplo taladros o batidoras. Su elevado par motor y alta eficiencia lo convierte en el motor ideal para la tracción de transportes pesados como trenes; así como la propulsión de barcos, submarinos y dúmperes de minería, a través del sistema Diésel-eléctrico.

CAMBIO DEL SENTIDO DE GIRO

Para efectuar el cambio de sentido de giro de los motores eléctricos de corriente alterna se siguen unos simples pasos tales como:

Para motores monofásicos únicamente es necesario invertir las terminales del devanado de arranque, esto se puede realizar manualmente o con relés conmutadores

Para motores trifásicos únicamente es necesario invertir dos de las conexiones de alimentación correspondientes a dos fases de acuerdo a la secuencia de trifases.

Para motores de a.c. es necesario invertir los contactos del par de arranque.

REGULACIÓN DE VELOCIDAD

En los motores asíncronos trifásicos existen dos formas de poder variar la velocidad, una es variando la frecuencia mediante un equipo electrónico especial y la otra es variando la polaridad gracias al diseño del motor. Esto último es posible en los motores de devanado separado, o los motores de conexión Dahlander pero solo es posible tener un cambio de polaridad limitado ejem: 2 polos y 4.

2.- MOTOR JAULA DE ARDILLA:

2.1.- OBJETIVOS:

Entender el funcionamiento de los motores eléctricos de jaula de ardilla, así como sus propiedades principales.

Relacionar su principio de funcionamiento con los principios fundamentales del magnetismo.

Conocer los distintos tipos de conexiones que puede tener este tipo de motores. Saber en qué modo puede controlarse su velocidad y que peculiaridades presenta en el

arranque.

2.2.- FUNDAMENTO TEÓRICO:

El motor de corriente alterna trifásica de jaula de ardilla es el motor eléctrico industrial por excelencia. Fuerte, robusto y sencillo, se usa en un gran número de máquinas con un mantenimiento mínimo.

Un rotor de jaula de ardilla es la parte que rota usada comúnmente en un motor de inducción de corriente alterna. Un motor eléctrico con un rotor de jaula de ardilla también se llama "motor de jaula de ardilla". En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula.

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El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula de anillos y barras y la rueda de un hámster (ruedas probablemente similares existen para las ardillas domésticas).

La base del rotor se construye con láminas de hierro apiladas. El dibujo muestra solamente tres capas de apilado pero se pueden utilizar muchas más.

Los devanados inductores en el estator de un motor de inducción instan al campo magnético a rotar alrededor del rotor. El movimiento relativo entre este campo y la rotación del rotor induce corriente eléctrica, un flujo en las barras conductoras. Alternadamente estas corrientes que fluyen longitudinalmente en los conductores reaccionan con el campo magnético del motor produciendo una fuerza que actúa tangente al rotor, dando por resultado un esfuerzo de torsión para dar vuelta al eje. En efecto, el rotor se lleva alrededor el campo magnético, pero en un índice levemente más lento de la rotación. La diferencia en velocidad se llama "deslizamiento" y aumenta con la carga.

2.3.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO:

Los motores eléctricos, en general, basan su funcionamiento en las fuerzas ejercidas por un campo electromagnético y creadas al hacer circular una corriente eléctrica a través de una o varias bobinas. Si dicha bobina, generalmente circular y denominada estator, se mantiene en una posición mecánica fija y en su interior, bajo la influencia del campo electromagnético, se coloca otra bobina, llamada rotor, recorrida por una corriente y capaz de girar sobre su eje, esta última tenderá a buscas la posición de equilibrio magnético, es decir, orientará sus polos NORTE-SUR hacia los polos SUR-NORTE del estator, respectivamente. Cuando el rotor alcanza esta posición de equilibrio, el estator cambia la orientación de sus polos, aquel tratará de buscar la nueva posición de equilibrio; manteniendo dicha situación de manera continuada, se conseguirá un movimiento giratorio y continuo del rotor y a la vez la transformación de una energía eléctrica en otra mecánica en forma de movimiento circular.Aun basado en el mismo fenómeno, el principio de funcionamiento de los motores de corriente continua, los motores paso a paso son más sencillos si cabe, que cualquier otro tipo de motor eléctrico.La Figura A intenta ilustrar el modo de funcionamiento de un motor paso a paso, suponemos que las bobinas L1 como L2 poseen un núcleo de hierro dulce capaza de imantarse cuando dichas bobinas sean recorridas por una corriente eléctrica. Por otra para el imán M puede girar libremente sobre el eje de sujeción central.

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Inicialmente, sin aplicar ninguna corriente a las bobinas (que también reciben el nombre de fases) y con M en una posición cualquiera, el imán permanecerá en reposo si no se somete a una fuerza externa. 

Si se hace circula corriente por ambas fases como se muestra en la Figura A(a), se crearán dos polos magnéticos NORTE en la parte interna, bajo cuya influencia M se desplazará hasta la posición indicada en la dicha figura.

Si invertimos la polaridad de la corriente que circula por L1 se obtendrá la situación magnética indicada en la Figura A(b) y M se verá desplazado hasta la nueva posición de equilibrio, es decir, ha girado 90 grados en sentido contrario a las agujas del reloj.Invirtiendo ahora la polaridad de la corriente en L2, se llega a la situación de la Figura A( c) habiendo girado M otros 90 grados. Si, por fin, invertimos de nuevo el sentido de la corriente en L1, M girará otros 90 grados y se habrá obtenido una revolución completa de dicho imán en cuatro pasos de 90 grados.

Por tanto, si se mantiene la secuencia de excitación expuesta para L1 y L2 y dichas corrientes son aplicadas en forma de pulsos, el rotor avanzará pasos de 90 grados por cada pulso aplicado.Por lo tanto es podemos decir que un motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte impulsos eléctrico en un movimiento rotacional constantes y finito dependiendo de las características propias del motor.

El modelo de motor paso a paso que hemos analizado, recibe el nombre de bipolar ya que, para obtener la secuencia completa, se requiere disponer de corrientes de dos polaridades, presentando tal circunstancia un inconveniente importante a la hora de diseñar el circuito que controle el motor. Una forma de paliar este inconveniente es la representada en la Figura B, obteniéndose un motor unipolar de cuatro fases, puesto que la corriente circula por las bobinas en un único sentido.Si inicialmente se aplica la corriente a L1 y L2 cerrando los interruptores S1 y S2, se generarán dos polos NORTE que atraerán al polo SUR de M hasta encontrar la posición de equilibrio entre ambos como puede verse en la Figura B(a). Si se abre posteriormente S1 y se cierra S3, por la nueva distribución de polos magnéticos, M evoluciona hasta la situación representada en la Figura B(b).

 

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Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

2.4.- PARTES DEL MOTOR JAULA DE ARDILLA:

Las ranuras del rotor y suelen hacerse oblicuas respecto al eje para evitar así puntos muertos en la inducción electromagnética. Un inconveniente de los motores con rotor de jaula de ardilla es que en el arranque absorbe una corriente muy intensa (de 4 a 7 veces la nominal o asignada), y lo hace además con un bajo factor de potencia, y a pesar de ello, el par de arranque suele ser bajo. La baja resistencia del rotor hace que los motores de jaula de ardilla tengan excelentes características para marchas a velocidad constante.

1.- Estator Carcasa: Es la estructura que sirve como soporte del motor, por lo general se construye de hierro fundido acero o aluminio, es resistente a la corrosión y en la mayoría de los casos presentan aletas que permiten un enfriamiento mucho más rápido del motor.

Núcleo: El núcleo magnético del estator está compuesto de chapas de acero magnético con tratamiento térmico para reducir al mínimo las pérdidas el hierro.

Devanado: El devanado del estator está compuesto por tres bobinas con iguales características, una por fase formando un sistema trifásico para conectarse a la red de suministro. El material utilizado es cobre. 2.- Rotor Eje: El eje del motor también conocido como flecha, es el encargado de transmitir la potencia mecánica desarrollada por motor y recibe un tratamiento térmico para evitar problemas con deformación y fatiga. Núcleo de chapas: Estas tienen las mismas características que las del estator.

Barras y anillos de cortocircuito: estas son fabricadas con aluminio, cobre o bronce y fundidos a presión en una pieza única.

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Para que motor gire con menos ruido1 las ranuras y las barras se colocan ligeramente inclinadas respecto al eje del rotor formando hileras simples. Las aletas de los anillos terminales y el ventilador colocado al final del eje sirven para impulsar a través del motor el aire necesario para extraer el calor debido a las pérdidas. El eje gira sobre rodamientos de bola, ocasionalmente sobre cojinetes fricción de modo que entre el rotor y el estator se obtenga un entre hierro relativamente estrecho, de aproximadamente 0.2 a 1 mm3.- Los escudos: Están hechos con hierro colado (la mayoría de veces). En el centro tienen cavidades donde se incrustan cojinetes de bolas sobre los cuales descansa el eje del rotor. Los escudos deben estar siempre bien ajustados con respecto al estator, porque de ello depende que el rotor gire libremente, o que tenga "arrastres" o "fricciones".

4.- caja de bornes:Generalmente, los fabricantes de motores asíncronos trifásicos, en la caja de bornes de sus motores colocan el principio y el final de cada uno de los devanados del estator con el objeto de que el motor se pueda utilizar para diferentes tensiones de línea, tal y como se puede observar en la figura adjunta.

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5.- Placa De Características De Un Motor Trifásico El dibujo de la siguiente figura representa un ejemplo de una placa de características que corresponde a un motor trifásico. Seguidamente se analiza en detalle los distintos datos y su significado.

1. Se trata de un motor trifásico de corriente alterna a 50 Hz 2. Potencia nominal o asignada en el eje del motor 15 kW. La potencia en CV de vapor será:

3. Los bobinados se pueden conectar en estrella hasta una tensión máxima de 380V, circulando en ese caso una corriente por cada línea de alimentación de 29A 4. En conexión triángulo la tensión compuesta entre las fases de alimentación podrá ser máximo de 220 V, en cuyo caso circulará por cada una de las líneas de alimentación 50 A 5. Indica el grado de protección de la carcasa del motor contra agentes externos, atendiendo a la clasificación establecida por la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional), para el caso que nos ocupa: a. IP54: Carcasa protegida a prueba de polvo y proyecciones de agua b. IP55: Carcasa protegida a prueba de polvo y chorros de agua 6. Cl F nos indica la clase del motor en lo que se refiere a la máxima temperatura de funcionamiento y tipo de aislamiento, en este caso – clase F-nos indica que puede funcionar hasta una temperatura máxima de 155ºC.

Por otro lado, el cos∅ =0,9 es el factor de potencia, lo que nos permitirá hacer algunos cálculos básicos:

a. Potencia activa absorbida de la red: Obtendremos los mismos datos operando con los datos de conexión estrella o de triángulo. Supondremos que la tensión compuesta (entre fases) de la línea de alimentación es 380 V, por tanto:

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b. Potencia reactiva de tipo inductivo absorbida:

c. Considerando el triángulo de potencias, podemos averiguar la potencia aparente demandada:

d. El rendimiento del motor lo podremos obtener de la siguiente forma:

7. Velocidad del rotor con tensión, corrientes nominales en carga 2910 r.p.m. 8. Dado que la frecuencia es 50 Hz, el motor será de 2 polos, siendo su velocidad de sincronismo 3000 r.p.m. Con estos datos podemos calcular el deslizamiento s =3000-2910 = 90 r.p.m. (típicamente en la práctica estos datos suelen variar un ± 10% del valor dado por el fabricante). Si deseamos obtener el dato de deslizamiento relativo sería:

9.- factor de servicio; el factor de servicio en un motor de inducción se refiere a la cantidad de uso diario del motor, cuantos arranque tiene diario y cuánto dura el motor encendido continuamente. 

1,5 = aplicaciones severas1 = aplicación pausada 12 hrs

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10.- tipo de servicio; Para los fines del diseño, la información sobre el tipo de servicio debe ser lo más exacta posible, ya que la potencia generada puede variar mucho respecto a la potencia de salida continua. El número de tipos de servicio posibles es por ello teóricamente ilimitado. Para facilitar el entendimiento entre fabricantes y operadores, se han detallado nueve tipos de servicio principales (S1 - S9) en IEC 34.Casi todos los casos que ocurren en la práctica pueden asignarse a uno de estos tipos de servicio:

S1: Servicio continúo S2: Servicio temporal S3: Tipo de servicio periódico intermitente sin arranque S4: Servicio periódico intermitente con arranque S5: Servicio periódico intermitente con arranque y frenado eléctrico S6: Tipo de servicio de funcionamiento continúo S7: Servicio de funcionamiento continuo con arranque y frenado eléctrico S8: Servicio periódico de funcionamiento continuo con cambios de carga/velocidad

relacionados S9: Servicio con variaciones de carga y velocidad no periódicas

11.- grado de protección;

12.- clase de aislamiento:

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2.5.- aplicaciones:

En referencia a las aplicaciones más comunes, puede identificarse un ámbito de aplicaciones definido como de “uso general” cuyos motores están destinados a las aplicaciones de los OEM o fabricantes de equipos originales y que pueden solicitarse directamente a los distribuidores de todo el mundo.

Los motores de esta categoría se caracterizan por una calidad constructiva elevada y tienen como destinatarios preferentes a los fabricantes de ventiladores, bombas, compresores, equipos de elevación, etc.

Para trabajo de velocidad variable, como es grúas, malacates, elevadores y para velocidades ajustables, las características del motor de corriente continua son superiores a las del motor de inducción. Incluso en este caso, puede convenir y ser deseable utilizar motores de inducción ya que sus características menos deseables quedan más que compensadas por su sencillez y por el hecho de que la corriente alterna es más accesible y para obtener corriente continua, suelen ser necesarios los convertidores.

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CONCLUSIÓN

Los motores eléctricos son de suma importancia en la actualidad, debido a las diferentes aplicaciones industriales a los que son sometidos, es por ellos, que se deben tomar en cuenta todas las fallas que se presentan para el correcto funcionamiento.

Un motor cuando comienza a sobre trabajar, es decir, que trabaja por encima de sus valores nominales, va disminuyendo su periodo de vida; esto nos lleva a concluir que si no se realiza un buen plan de mantenimiento el motor no durará mucho. Un plan de mantenimiento debe realizarse tomando en cuentas las fallas que están ocurriendo en los motores.

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BIBLIOGRAFÍA

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