Conceptos Básicos Sobre Los Motores

Motor Eléctrico: Es una máquina capaz de convertir energía eléctrica en energía mecánica. Es el tipo de motor más comúnmente utilizado, ya que combina todas las ventajas que ofrece la energía eléctrica a un bajo costo, fácil abastecimiento y distribución, manejo simple y limpio, junto a una construcción simple, precio razonable, su gran versatilidad y rangos.

Los motores de corriente alterna son los más comunes, y reciben su nombre debido a que son alimentados por corriente alterna. Los principales tipos son:

Motores sincrónicos: Estos operan a una velocidad fija y son utilizados para altas potencias (tienen costos relativamente _ . . altos . . en los tamaños pequeños), o cuando se requiere que la

. velocidad no varíe.

Motores de inducción: Generalmente operan a una velocidad constante que puede cambiar ligeramente cuando se aplican cargas mecánicas al eje. Este tipo de motor es simple y resistente, mientras que su costo es relativamente bajo. Por lo tanto, en términos prácticos, es muy adecuado para casi todos los tipos de máquinas.

Motores de corriente directa: En términos relativos, estos motores son bastante caros, necesitando una fuente de corriente directa o un mecanismo que transfonne la corriente alterna normal en corriente continua o directa. Son capaces de operar con reguladores de velocidad en un amplio rango, y funcionan perfectamente con controladores de velocidad.

Sistemas De Corriente Alterna Monofásica: La comente alterna se distingue por su voltaje, que varía en el tiempo (como por ejemplo, cuando se cambian los polos de una batería) altemadamente invirtiendo su dirección.

La cantidad de veces por segundo que el voltaje cambia su dirección, volviendo a su condición inicial, es llamada "frecuencia" del sistema, que se expresa en ciclos por segundo, conocidos como "Hertz" (Hz).

Con el sistema de comente monofásica alterna, el voltaje (V) se genera y utiliza a través de dos conductores cuya carga de corriente absorbida (1, en amperios) está conectada. (fig la).

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Representando los valores V e 1, en sucesivas ocasiones, obtenemos lo que se observa en la fig. lb. Vemos que las olas del voltaje y de la corriente no están "en fase". No pasan simultáneamente el punto cero, sin embargo, tienen la misma frecuencia. Esto ocurre con muchos tipos de cargas eléctricas, como por ejemplo, los motores.

Voltaje máximo: Es el valor más alto de voltaje, medido instantáneamente en la cúspide de la ola del ciclo (la primera mitad será positivo y la segunda negativo, alcanzando dicho valor dos veces por ciclo).

Corriente máxima: Es el valor más alto de corriente.

Valor efectivo: El valor efectivo de un voltaje o amperaje en AC (corriente alterna), es el valor del voltaje o amperaje en DC, que desarrolla la misma potencia eléctrica. el valor efectivo es V= ~ m a x l d 2 = 0.707 Vmax.

Por ejemplo, si una resistencia es conectada a un circuito eléctrico de corriente alterna con un Vmax = 311 voltios, y la corriente máxima Imax = 14.14 amperios, la potencia desarrollada (calor en la resistencia) será de 2200 watts, la que sería la misma st la resistencia fuese conectada a un circuito de corriente directa de:

V = ~ m a x i d 2 = 0.707~3 1 1=220 voltios. 1 = 0.707 x 14.14 = 10 amperios.

Se debe tener siempre en consideración que mientras hablemos de voltaje y corriente AC, en 220 voltios con 10 amperios, y mientras no se indique otra cosa, nos estamos refiriendo a valores efectivos de voltaje y corriente, que son los normalmente utilizados en la práctica. Los amperímetros y voltímetros tienen su escala marcada en dichos valores efectivos.

Desplazamiento de fase (9): Desplazamiento de fase es el retraso de la ola de la corriente con respecto a la ola del voltaje (fig. lb). En lugar de medirlo en tiempo, este retraso se mide en grados, correspondientes a la fracción de un circulo completo, considerando que 1 ciclo mide 360". Sin embargo, el desplazamiento de fase generalmente es expresado por el coseno del ángulo (véase "Factor de potencia" próximamente).

)

Conexión en paralelo y en serie: Dos resistencias iguales pueden ser conectadas en un sistema monofásico de dos maneras diferentes:

Haciendo una conexión en serie, donde la corriente fluye a través de dos resistencias. En éste caso, el voltaje a través de cada resistencia es la mitad de la del circuito de voltaje (fig. 2a).

P i t - f & ~ @ Haciendo una conexión en , donde el voltaje se aplica sobre cada resistencia. En este caso, la corriente en cada resistencia es la mitad de la del circuito de corriente (fig. 2b).

Sistema De Corriente Alterna Tnfásica: Este sistema se forma al asociar tres sistemas de voltaje monofásico, VI, V2 y V3, en los que el desplazamiento entre cada fase '& de 120" (fig. 3), lo que significa que el retardo entre VI respecto de V2, V3 respecto V2 y VI respecto de V3 es igual a 120" (considerando un ciclo completo de 360"). Es un sistema balanceado, debido a que los tres voltajes tienen el mismo valor efectivo, Vl=V2=V3.

Interconectando los tres sistemas monofásicos, y eliminando los cables innecesarios, obtenemos el sistema trifásico, en el que tenemos los tres voltajes balanceados, recíprocamente desplazados por 120" y conectados por los tres cables del sistema. Existen dos maneras de hacer una conexión, como se muestra a continuación.

Fig. 3 r ---- Conexión Delta o Directa: Como se ilustra en la fig. 4a, al conectar 3 líneas monofásicas, podemos eliminar 3 cables, dejando uno para cada punto de conexión. De este modo el sisteina trifásico queda reducido a tres cables; U, V y W.

El voltaje medido entre dos de las tres fases se llama "voltaje de línea", que corresponde al voltaje nominal del sistema trifásico. La corriente medida en cualquiera de las líneas se llama "corriente de línea".

l . El voltaje de línea se aplica a cada resistencia. Este es el voltaje original del sistema monofásico. V = Vf.

2. La corriente en cada línea o corriente de línea (l), es la suma de las corrientes de las dos fases conectadas a dicho cable, esto es, 1 = Ifl + If2.

Cuando la corriente es alterna, el campo magnético (H), se establece de la misma manera, por lo que su valor se establece a cada instante del modo que indicamos en la fig. lb, invirtiendo su dirección cada medio ciclo. Las bobinas trifásicas están compuestas por tres bobinas monofásicas espaciadas a 120" entre sí, como en la fig. 6b. En los motores trifásicos la corriente I1,12 e 13 producirán cada cuál su propio campo magnético H1, H2 y H3. En cualquier momento, el campo magnético total resultante será igual a la suma gráfica de los campos H1, H2 y H3 (fig. 7).

1 Figure 7 zhic J, ", @ <: ",r 5 9"' "1 H , "1 "3

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... . . .

Velocidad sincrónica: La velocidad de rotación de los campos rotantes, se define como velocidad sincrónica del motor. Como se indica a continuación, consideraremos un bobinado en dos polos. Desde que el campo completa un ciclo completo y "f' es la frecuencia del sistema en ciclos por segundo (Hertz), sus r.p.m. serán:

N = 60 x f (rpm)

Los bobinados pueden tener más de un par de polos, los que deberán distribuirse alternadamente (uno al norte y otro al sur), a lo largo de la circunferencia de los campos magnéticos. Desde que los campos giran a través de los pares de polos en cada ciclo y las bobinas tienen "p" polos o "p12" par de polos, el campo giratorio hará una vuelta completa cada "p/2" ciclos. Así la velocidad será:

Ns = 60 x f 1 (p12) :. Ns = 120 x f 1 p (rpm)

Ejemplo: ¿Cuál es la velocidad sincrónica de un motor de 6 polos con frecuencia de 50 Hz?

Torque Mecánico: Si el motor grra a una velocidad diferente a la sincrónica, la diferencia en la velocidad de rotación del campo, la bobina del rotor corta las líneas magnéticas del campo de fuerza y según las leyes electromagnéticas, la corriente inducida circulará en las bobinas del rotor.

La corriente inducida en las bobinas del rotor producirá su propio campo magnético, de polaridad opuesta a la del campo giratorio. Como los campos magnéticos opuestos se atraen, y el campo del estator (campo giratorio) rota, el rotor tiende a seguir el movimiento del campo giratorio. Consecuentemente el torque del motor se verá fomentado en el rotor, obligándolo de tal modo a mover la carga. La mayor fuerza requerida para mover la carga,

Fig. 5a Connections ld Fig. 5b Connection Diagrarn Fig. 5 c Diagrarn / "

Motores De Inducción Tnfásicos: Están compuestos de dos partes fundamentales: el estator y el rotor.

i]

El estator está compuesto de la carcaza, que soporta la estructura del ensamblaje, las chapas magnéticas y el bobinado trifásico, compuesto de 3 bobinas iguales, una para cada fase.

El rotor está compuesto por el eje, que transmite la potencia mecánica producida por el motor, las chapas magnéticas y las bobinas trifásicas en la que sus terminales U, V, y W están conectadas en un punto común en corto circuito, a través de una resistencia trifásica externa.

Las bobinas del rotor consisten en una serie de barras no aisladas interconectadas mediante anillos en corto circuito.

La característica típica de los motores de inducción es que sólo el estator se conecta a la alimentación. El rotor no tiene conexiones externas; la corriente que circula en él, ha sido inducida electromagnéticamente, y de ahí su nombre.

Como Se Produce La Rotación: Cuando la corriente eléctrica circula a través de una bobina, se genera un campo magnético, la dirección a lo largo de la bobina del eje y su valor es proporcional a la corriente.

La fig. 6a muestra la bobina de un motor monofásico a través del cual pasa una corriente (1), y se genera un campo magnético (H). El bobinado está compuesto de un par de polos (norte y sur), al generar dicho campo, el flujo magnético pasa a través del rotor, por ambos polos incrementando por si mismo sus campos, por medio del núcleo del estator.

Esto se debe a que la corriente en las f a e s están mutuamente desplazadas como se indica en la fig. 4c.

De este modo, 1 = If x 43 = 1.732 x If.

Ejemplo: En un sistema trifásico balanceado con una tensión nominal de 220 voltios, la corriente medida en la Iínea es de 10 amperios. Al conectar una resistencia tnfásica compuesta de tres resistencias iguales conectadas en triángulo. ¿Cuál es el voltaje y la corriente en cada resistencia?

Tenemos que Vf = V1= en cada resistencia.

Si 1 = 1.732 x If, tenemos que If = 0.577xI, => 0.577 x 10 = 5,77 amperios en cada una.

I Fig. 4a Connections Fig. 4b Connection diagrarn 1

Conexión Estrella: Conectando en un punto común un cable de cada sistema monofásico, los tres cables restantes formarán un sistema trifásico en estrella (Fig. 5a). A veces, el sistema trifásico en estrella se hace con cuatro líneas o con un sistema neutro en estrella. El cuarto cable es conectado al punto común de las tres fases. El voltaje de Iínea o voltaje nominal del sistema trifásico y la corriente de Iínea se definen de la misma manera que la conexión triángulo (fig. 5b).

1. La comente en cada cable o comente de línea (1), es la misma comente de fase a la que el cable está conectado, esto es, 1 = If.

2. El voltaje entre algún par de cables del sistema trifásico, es la suma gráfica (fig. 5c) de los voltajes de las dos fases a la que los tres cables están conectadas: V = Vf x 43 =

1.732 Vf.

Ejemplo: En iguales resistencias trifásica, cada una de ellas está mnectada a una tensión de 220 voltios, absorbiendo 5,77 amperios. ¿Cuál es el voltaje nominal del sistema trifásico que alimentaria esta resistencia en condiciones normales?. ¿Cuál es la corriente de línea?

Vf = 220 voltios (normal para cada resistencia) V = 1.732 x 220 = 380 voltios 1 = If = 5,77 amperios

será el torque. El torque se obtiene por la diferencia de la velocidad, ya que, con el incremento gradual de la carga, la velocidad del motor disminuirá. Cuando la carga llega a cero, el rotor gira prácticamente a velocidad sincrónica.

La diferencia entre la velocidad del motor (N) y la velocidad sincrónica (Ns), se llama slip (S), expresada en r.p.m. o como porcentaje de la velocidad sincrónica.

Conceptos Físicos Básicos:

Torque: Es conocidg como momento de fuerza y se define como la energía necesaria para mover un eje. Para levantar un peso al igual que en un pozo (fig. S), la fuerza (f) que se requiere aplicar en el cilindro, dependerá del largo de la manilla (mientras más larga, menor será la fuerza requerida). Si se duplica el largo de la manilla, la fuerza (0 baja a la mitad.

En la fg . 8, el balde con agua pesa 20 kgf, mientras que el diámetro del cilindro es de 20 cms, de este modo, los 20 kgf se transmiten hacia la superficie del cilindro, a 10 cms del centro del eje. Así el contrapeso requerido en la manilla es de 10 kgf, siesque el largo de la manilla es de 20 cins. De igual manera, si la manilla mide 40 cms, la fuerza (f) tendría que ser de 5 kgf.

Con esto, se observa que para medir la "energía" necesaria para mover un eje, no es suficiente definir la fuerza aplicada, sino que también es necesario conocer la distancia del eje se aplicará dicha fuerza. Esa "energía" es medida como torque, y resulta de f (fuerza) x a (distancia).

En el ejemplo dado, el torque es:

C = 2 0 kgfx 10cm= 10kgfx20cm=5 kgf x40cm=200cm kgf

Midiendo la distancia en metros, el torque se expresa en mkgf (metros - kilogramo - fuerza), que es su unidad de medida más conocida.

C = 2 0 kgfxO.l m = 10 k g f x 0 . 2 m = 5 kgf x 0 . 4 m = 2 m k g f

Energía Mecánica y Potencia: Potencia es la forma de medir cuán rápido se aplica o consume la energía. En el ejemplo anterior, si el pozo tiene 30 metros de profundidad, el trabajo o energía requerida para levantar el balde desde el fondo, será siempre el mismo: 20 kgf x 30 m = 600kgfm. Aunque la unidad de medida es la misma que se utiliza en el torque, no deben confundirse, debido a que su naturaleza es distinta (por ésta razón sus símbolos se escriben invertidos: mkfg para torque y kfgm para energía).

La potencia expresa que tan rápido la energía es aplicada; ésta se calcula dividiendo la energía o trabajo total en el tiempo que tomó su ejecución. De este modo, si utilizamos un motor eléctrico para levantar el balde con agua en 24 segundos, la potencia requerida será:

Si. utilizamos un inotor más poderoso, el trabajo se puede hacer en 16 segundos; así la potencia será: .. . "; ' '

La unidad más común de medida de potencia es Hp (horse power = caballos de fuerza), que equivale a 75 kgfm/sg. Para los ejemplos anteriores la potencia en Hp sería:

Energía Eléctrica y Potencia: La energía es siempre una y la misma, pero se presenta de distintas maneras. Conectando una resistencia que transporta voltaje a través de una red, la corriente eléctrica fluirá a través de la resistencia generando temperatura. La resistencia absorbe energía convirtiéndola en temperatura, la que también es una forma de energía. El motor eléctrico absorbe energía eléctrica transformándola en energía mecánica que entrega a través del eje.

En caso de tener un valor determinado de resistencia, un sobre-voltaje en la red provocará una mayor corriente, la que se transformará rápidamente en temperatura en la resistencia. La energía eléctrica absorbida se calcula en un sistema monofásico del siguiente modo:

P = V x 1 (voltaje de línea por corriente)

Como un sistema trifásico se compone de tres monofásicos, la potencia total es la suma de cada una de las tres fases:

Si recordamos, en la conexión triángulo o delta V = Vf e 1 = 63 x If, y en la conexión estrella, V = 63 x Vf e 1 = If, en ambos casos: O

Potencia Aparente: Tomando a la vez el voltaje y la corriente (Pap = V x 1 para los sistemas monofásicos y Pap = 43 x V x 1 para los trifásicos), tenemos una potencia aparente del sistema; este corresponde al valor efectivo existente cuando no hay desplazamiento de fase, tal como en las cargas por resistencia.

De este modo, P = Pap x cos cp

Evidentemente, para las cargas por resistencia, cos cp = 1, y la potencia efectiva puede ser interpretada como potencia aparente. La unidad de medida que se utiliza es Volt-Arnperes (VA) o si es múltiplo de mil, Kilo-Volt-Ampere (kVA).

Relación entre Potencia y Torque: Cuando la energía mecánica es aplicada con un movimiento rotatorio, la potencia resultante depende del torque (C) y la velocidad de . . . . . . rotación (n). Esta relación es como se detalla a continuación:

P (kw) = C (mkgf) x n (rpm) = C (mN) x n (rpm) 974 9555

P (Hp) = C (mkgf) x n (mm) = C (mN) x n (mm) 716 7024

Eficiencia (7): El motor eléctrico absorbe energía eléctrica del sistema, transfomándolo en energía mecánica disponible al final del eje. La eficiencia define como se hace dicha transformación.

Si a la potencia mecánica disponible en el eje, la llamamos Pu (out-put power-potencia de salida) y a la energía eléctrica absobida la llamamos Pa (in-put power), la eficiencia es la razón entre ambas. De este modo:

Factor De Potencia (cos q): Donde tp es el desplazamiento de fase. Es la relación existente entre la potencia real (o efectiva) t la potencia aparente:

cos cp = Pa = Pa(kw) x 1000 Pap 4 3 ~ ~ x 1