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 :

1. por medio de dos devanados diferentes, o sea, independiente.
2. 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

Todas las maquinas trifasicas tienen además en común el arrollamiento trifásico estatórico. Esté está repartido simétricamente en tres ramas ( fases ), cada una de las cuales va dispuesta en las ranuras que ha dicho efecto existen en el paquete de chapas estatórico. Adoptando otra distribución para el arrollamiento estatórico pueden obtenerse arrollamientos adecuados para corriente alterna monofásica o bifásica.

5.2.- Forma constructiva y funcionamiento de una maquina síncrona

La maquina asíncrona es generalmente de polos interiores contrariamente a la de corriente continua, el arrollamiento de excitación necesario para crear el campo magnético situado en el rotor ( rueda polar ). En la figura 127 se ha representado en corte una maquina síncrona tetrapolar con la disposición de las líneas de fuerza del campo inductor. La máquina es excitada independientemente por medio de una batería o de un generador de corriente continua ( excitatriz ) acoplado al mismo eje. La tensión de excitación puede escogerse libremente de modo que resulte un arrollamiento de fácil ejecución.

Al montar este arrollamiento sobre la rueda polar deben preverse soportes especiales para cada bobina con objeto de contrarrestar de forma segura las fuerzas centrifugas que aparecen en servicio.

Excitando una maquina síncrona con corriente continua y haciéndola girar luego su rueda polar, se crea un campo rotatorio que induce en cada uno de los tres arrollamientos estatóricos una tensión alterna. Estas tres tensiones están desfasadas 120º entre si ; la maquina funciona como generador trifasico. Si el estator está conectado a una red trifasica con carga, los arrollamientos del mismo suministraran corriente a dicha red en cuanto actúe sobre la rueda polar la fuerza de accionamiento necesario. El arrollamiento estatórico de la mayoría de generadores existentes en las centrales eléctricas suele trabajar a tensiones elevadas de hasta 10000 V.

Si la maquina síncrona recibe energía eléctrica de un red trifasica en vez de energía mecánica en su rueda polar, aparece en esta ultima un efecto motor. El motor síncrono puede accionar entonces cualquier máquina de trabajo acoplada al eje de su rueda polar, conservando siempre un mismo numero de revoluciones constante ( velocidad síncrona ). Esta condición es exigida en muchos casos.

Fig. 127.- Campo inductor un generador Fig. 128.- Líneas de fuerza en una maquina

síncrono tetrapolar trifásica con arrollamiento bipolar.

6.- Máquinas asíncronas.

Contrariamente a las máquinas síncronas empleadas normalmente como generadores, las máquinas asíncronas han encontrado su principal aplicación como motores, debido a la sencillez de su construcción . El motor asíncrono trifásico es hoy el motor usual de accionamiento en todas las redes de distribución.

6.1.- Generación del campo giratorio.

El campo magnético del motor asíncrono es también un campo giratorio. En el caso de un motor trifásico está generado por las tres corrientes desfasadas que circulan por el arrollamiento estatórico. La figura 128 representa la disposición que adoptan las líneas de fuerza en un instante determinado para un arrollamiento bipolar.

Para que se genere el campo giratorio es preciso que los arrollamientos estén uniformemente repartidos en la periferia del estator, como lo están en el tiempo ( es decir, en el orden de sucesión ) las 3 corrientes de fase. En maquinas bipolares el ángulo entre bobinas correspondientes de cada fase deberá ser, por consiguiente, de 120º. Las 3 corrientes estatóricos del lugar entonces a 3 campos alternos, también desfasados 120º entre si, cuya resultante es un campo magnético giratorio. La dirección que posee este campo en un momento dado puede representarse por medio de una flecha. En la figura 129 se ha indicado para diferentes instantes de tiempo.

Fig 129.- Posiciones del campo giratorio de una maquina trifásica bipolar durante una revolución completa.

El sentido de las corrientes y la dirección del campo giratorio en una máquina bipolar, que por razones de sencillez se ha supuesto provista únicamente de 6 ranuras. El tiempo correspondiente a cada posición puede deducirse a partir del ángulo girado por el campo ( de 0 a 360º ), que figura en la cabecera de cada esquema. Esta representación gráfica permite ver que el campo resultante gira en el espacio en este caso en el sentido de las agujas de un reloj ; así girará también el rotor de la maquina .

Permutando dos bornes de la red ( como se ha efectuado en la figura nº 130 ) se invierte el sentido de giro del campo. El rotor se movería entonces en sentido contrario al de las agujas de un reloj.

Fig nº 130.- Inversión del sentido de giro del campo debida a la permutación de dos fases.

6.2.- Funcionamiento del rotor.

El rotor del motor trifasico es atravesado por el campo giratorio engendrado en el estator. El arrollamiento rotorico puede ejecutarse como el estatorico en forma repartida, con las bobinas unidas en serie ( rotor bobinado o con anillos rozantes) ; o también a base de barras ( rotor de jaula o en cortocircuito ). Estas barras, de aluminio, están conectadas en paralelo y al mismo tiempo puestas en cortocircuito por medio de dos aros estremos. Dichos aros suelen fundirse conjuntamente con la aleación de aluminio que rellena lasa ranuras del rotor.

En uno y otro caso queda el arrollamiento rotórico en cortocircuito una vez el motor está en servicio. Igual que en el secundario de un transformador, en el arrollamiento rotórico se induce también una f.e.m., la cual, por estar éste cerrado sobre sí mismo, da lugar a la circulación de una corriente rotórica. La acción conjunta del campo giratorio y del campo debido a la corriente rotorica determina, como en todos los motores, un par de giro. Éste par arrastra al rotor en el sentido de rotación del campo giratorio y le comunica una velocidad muy próxima a la de sincronismo. Tanto en reposo como en el instante inicial del arranque, el motor trifásico funciona igual que un transformador normal y genera en el rotor la tensión rotórica de reposo, cuya magnitud depende asimismo de la relación entre los números de espiras. En motores con rotor bobinado puede medirse esta tensión en los anillos rozantes (con el arrollamiento abierto). El valor de misma suele estar indicado en la placa de características.

Una vez el motor puesto en marcha se induce en el rotor, además de la tensión de reposo, una contratension producida por el movimiento de los conductores rotoricos en el campo giratorio. Con el motor en servicio, la tensión rotorica efectiva equivale pues solamente a la diferencia entre las dos anteriores.

Si el rotor llegase a girar a la velocidad de sincronismo es evidente que ambas tensiones serían iguales (en magnitud), con lo cual la tensión rotórica efectiva resultaría nula. En tal caso no circularía tampoco corriente alguna por el rotor y desaparecería el par de giro. El motor trifásico funciona, pues, siempre algo rezagado con respecto a la velocidad de sincronismo: se dice que desliza. La diferencia entre esta última y la velocidad real del motor constituye la velocidad relativa de éste con respecto al campo. Recibe el nombre de deslizamiento el cociente de dividir la velocidad relativa por la de sincronismo; suele venir expresado en tanto por ciento. El motor trifasico es, por consiguiente, esencialmente asincrono. A medida que la carga aumenta y con ella la corriente rotórica, va disminuyendo el numero de revoluciones. El deslizamiento a plena carga de los motores trifásicos normales es del orden de 5 % para potencias pequeñas y de 2-3 % para las mayores. La característica de servicio del motor trifásico (fig. 131) es parecida a la del motor derivación de corriente continua. Intercalando resistencias en el circuito rotórico es posible conseguir.

Fig. 131.- Característica de servicio del motor trifasico, con y sin resistencias en el rotor.

una característica de más pronunciado descenso a efectos de regulación de la velocidad, pero entonces se originan pérdidas más elevadas y el rendimiento del motor baja.

6.3.- Arranque del motor trifásico. Corriente y par de arranque. Conexión Estrella - Triángulo

Si el motor trifásico se conecta directamente a la red, sin intercalar resistencia alguna en el circuito rotórico, circula por éste una corriente de arranque que es prácticamente de cortocircuito.

En motores normales con rotor de jaula es del orden de 5 a 8 veces la intensidad de corriente nominal. Intercalando resistencias en el arrollamiento rotórico puede reducirse la corriente de arranque al valor que se desee. Esto se logra, en motores con rotor bobinado, poniendo los anillos rozantes en contacto con el arrancador (fig. 132). A pesar de la elevada corriente de arranque absorbida por el rotor normal de jaula (que puede provocar grandes caídas de tensión en las redes de distribución), el par de arranque desarrollado por el mismo resulta muy bajo, ya que en dicho instante el factor de potencia rotórico es también muy pequeño. En rotores bobinados puede mejorarse notablemente el factor de potencia inicial gracias al arrancador, con lo cual se consigue un par de arranque más elevado. Cuando la corriente de arranque no debe exceder de un valor moderado (como se exige en las redes públicas), los motores con rotor de jaula se arrancan mediante la conexión estrella - triángulo (fig. 133). Para ello es preciso que el arrollamiento estatórico esté dimensionado de forma que la conexión normal de servicio sea la conexión en triángulo. Alimentando el motor con una red trifásica a 220/380 V, en cada fase estatórica queda entonces aplicada una tensión de 380 V. En cambio, si mediante el arrancador

Fig. 132 .- Esquema de un motor trifasico fig. 133 .- Conexión Estrella - Triángulo mediante

con rotor de anillos rozantes y arrancador de carrera cilíndrica ( tambor)

resistencias de arranque.

se conectan primero las tres fases del estator en estrella, es evidente que el motor queda capacitado para trabajar en una red cuya tensión compuesta fuera de 660 V. Como de hecho sólo se le aplican 380 V, la corriente de arranque absorbida viene a ser (en virtud de la reacción rotórica) solamente 1/3 de la que tomaría conectado directamente a la red y con sus fases en triángulo.

Si suponemos, por ejemplo, que en este último caso la corriente de arranque es 6 veces superior a la nominal, con la conexión en estrella se logra reducir este factor a 2. Hay que tener presente, sin embargo, que el par de arranque también disminuye en la misma proporción. Por consiguiente, sólo es posible efectuar el arranque en vacío o a media carga, condición suficiente en la mayoría de casos. Como el arrancador estrella - triángulo, a causa de sus numerosos contactos, exige un entretenimiento periódico, se procurará prescindir del mismo en aquellas instalaciones donde no existan tales cuidados. Para subsanar este inconveniente se han ideado rotores de jaula provistos de ranuras especiales, con los cuales se consigue un par de arranque elevado

y una corriente de arranque relativamente pequeña aun en el caso de conectar el motor directamente a la red.

6.4.- Rotor con anillos rozantes, rotor de jaula y rotor de efecto skin.

Características del par

Las características de arranque del motor con rotor bobinado o con rotor de jaula sencilla se deducen de las curvas que dan la variación del par en función de la velocidad (como las representadas en la figura 134 para un motor del primer tipo). Cada una de estas curvas corresponde a una determinada resistencia del circuito rotórico. Si no hay ninguna resistencia adicional (curva R₂ ), el par, relativamente pequeño en el instante del arranque, crece basta alcanzar un valor máximo (par critico) y desciende luego casi en línea recta hasta anularse. El par crítico, que se produce cuando el rotor gira aproximadamente al 90 % de la velocidad síncrona, suele ser en motores normales de 2 a 3 veces superior al par nominal. íntercalando resistencias adicionales en el circuito rotórico por medio del arrancador, se obtienen las curvas características designadas por 2 R₂-5 R₂. Con ello se consigue desplazar progresivamente el valor critico del par en el

fig. 134.- Curvas del par en función del nº de revoluciones para distintas resistencias rotóricas, en un motor

trifasico con rotor de anillos rozantes

sentido de las velocidades decrecientes, hasta alcanzar el eje de ordenadas (instante del arranque). El motor puede entonces arrancar con un par ele vado. La resistencia adicional intercalada se va desconectando luego escalonadamente por medio del arrancador. Estas resistencias escalonadas se dimensionan de manera que el motor, conservando su elevado par inicial, se vaya acelerando gradualmente. En motores con rotor de jaula sencilla no es posible obtener un par de arranque elevado (curva R₂ de la figura 134). El elevado precio de los motores con rotor bobinado y el entretenimiento que exigen los contactos de los anillos rozantes limitan el empleo de aquéllos a casos especiales (por ejemplo, en dispositivos de elevación, que requieren un arranque bajo carga).

Ningún motor trifásico puede sobrepasar el par crítico de su característica de servicio. Si se obliga al motor a suministrar un par superior al critico, el rotor se para; como se dice vulgarmente, el motor " se cala ". Por este motivo las prescripciones VDE fijan para motores normales los valores mínimos del par critico: 1,6 veces el par nominal si el servicio es permanente, y 2 veces dicho

Fig. 135.- Diferentes disposiciones constructivas para ranuras rotóricas.

par si el servicio es intermitente. El par normal de servicio de un motor trifásico oscila por tanto entre el 35 y el 50% de su par critico.

Como ya se ha indicado al final del apartado anterior, han sido ideados rotores en cortocircuito con una ejecución especial de las ranuras que permite alcanzar elevados pares de arranque. En todos ellos se hace aplicación del efecto pelicular (skin), y por tal motivo se designan con el nombre rotores de efecto skin. Éstos pueden ser de varios tipos. El llamado de doble jaula se compone de dos jaulas independientes cuyas barras respectivas, unidas en paralelo, van alojadas en dos ranuras especiales superpuestas y separadas por una angosta rendija. La forma de estas ranuras es muy diversa. En la figura 135 c - g se han reproducido las ejecuciones constructivas más frecuentemente empleadas.

El objeto perseguido en todas es que la corriente se distribuya desigualmente entre las barras de la superior y las de la jaula inferior. Las barras superiores o inferiores pueden unirse eléctricamente una vez montadas, pero generalmente se funde la doble jaula entera de aluminio, con los aros de cortocircuito, en moldes especiales. A causa de su exigua tensión no es necesario aislar las del rotor. El rotor de corrientes parásitas lleva las barras alojadas en ranuras relativamente estrechas y profundas ( fig. 135, a - b ).

El funcionamiento del rotor de doble jaula radica en la diferente reactancia de la jaula superior y de la inferior. En el momento del arranque las frecuencias del rotor y del estator son iguales, exactamente como en el primario y el secundario de un transformador. Debido al tipo y configuración de las ranuras, las barras rotóricas pueden considerarse representadas por una conexión pueden considerarse representada por una conexión en serie de

Fig.136.- Desplazamiento de corriente ( efecto skin ) en el rotor de doble jaula.

resistencias óhmicas y reactancias. La reactancia de las barras inferiores es relativamente mayor que la de las barras superiores, ya que el número de líneas de fuerza abrazado por las primeras es también más grande (fig. 136 a ). Durante el arranque, por consiguiente, la mayor parte de la corriente rotórica circula por la jaula superior, como si fuera empujada hacia arriba. Por ser las barras superiores de sección muy reducida, el efecto es el mismo que si se hubiera intercalado una resistencia de arranque.

Fig. 137.- Curvas del par de la corriente de arranque en un motor con escaso efecto skin

( conexión en estrella triángulo ) .

A medida que el motor se acelera va disminuyendo el deslizamiento, que una vez alcanzado el régimen de servicio es del orden del 5 %. Con ello disminuye también la frecuencia rotórica hasta valores de sólo 1-2 Hz. La reactancia de las barras inferiores desciende entonces a un valor muy bajo ( ya que, como sabemos, es proporcional a la frecuencia ) y la corriente puede circular también por ellas, que son de gran sección (fig. 136 b). La resistencia del circuito rotórico, casi puramente óhmica, es ahora muy pequeña.

Ejecutando las ranuras del rotor de distintas formas se obtienen también diferentes pares de arranque. En las figuras 137 a 139 se han representado las

Fig. 138.- Curvas del par y de la corriente de Fig. 139.- Curvas del par y de la corriente de

arranque en un rotor de corriente parásitas. de arranque en un rotor de doble jaula ( conexión

en estrella y triángulo ).

características del par y de la corriente en función de la velocidad para varios casos, que corresponden respectivamente a ranuras diseñadas según los tipos a, b, e de la figura 135. Se observa que el primero y tercero de estos tipos son también adecuados para el arranque con conexión estrella - triángulo ( par y corriente de arranque reducidos ).

Bibliografía utilizada: www.lafacu.com