UNIDAD

UNIDAD
7
Máquinas eléctricas de
corriente alterna
n la unidad anterior hemos estudiado las
máquinas eléctricas rotativas de corriente
continua, motores y generadores. Ahora
nos ocuparemos de las máquinas eléctricas
rotativas de corriente alterna, que son mucho
más utilizadas que las de corriente continua.
E
Para la producción de energía eléctrica se
emplean mayoritariamente los generadores
síncronos de corriente alterna o alternadores
síncronos. Los motores de corriente alterna y,
concretamente, los motores de inducción, son los
más utilizados en la industria, tanto en sistemas
monofásicos como en sistemas trifásicos.
Rotor bobinado con anillos de un motor de inducción. (M.C. M.)
Empezaremos estudiando cómo crear un sistema trifásico de tensiones sinusoidal a partir
de un campo magnético giratorio. También estudiaremos cómo generar un campo magnético
giratorio a partir de un sistema de corrientes trifásico sinusoidal. Describiremos cómo son y
cómo funcionan los generadores síncronos y los motores asíncronos. También veremos las
distintas pérdidas de energía que se producen en el interior de una máquina de corriente alterna.
Una máquina eléctrica rotativa de corriente alterna puede funcionar como motor o como generador,
es decir, tiene un funcionamiento reversible. Estudiaremos así cómo conectar un generador síncrono
a la red eléctrica y cómo convertir un motor asíncrono en un generador. Nos ocuparemos de cómo
conectar un motor eléctrico a la red sin perturbar a las instalaciones vecinas. Estudiaremos las
curvas características de los generadores y los motores para comprender mejor su funcionamiento.
Y cerraremos la unidad con el estudio de los motores de inducción monofásicos.
Los objetivos que nos proponemos alcanzar con el estudio de esta unidad son los siguientes:
1. Conocer cómo obtener un sistema de tensiones trifásico a partir de un campo giratorio, y
viceversa.
2. Conocer los elementos principales de un generador síncrono.
3. Describir el funcionamiento de un generador síncrono.
4. Conocer los elementos principales de un motor de inducción.
5. Describir el funcionamiento de un motor de inducción.
6. Interpretar la placa de características de las máquinas eléctricas rotativas de corriente
alterna.
7. Interpretar las curvas características de una máquina eléctrica rotativa de corriente alterna.
8. Conocer las distintas formas de arrancar un motor de inducción.
9. Conocer las especificidades de los motores de inducción monofásicos.
194
ÍNDICE DE CONTENIDOS
1. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS ROTATIVAS DE CORRIENTE ALTERNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1. Campo giratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Velocidad síncrona . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Deslizamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. CONSTITUCIÓN DE UNA MÁQUINA ROTATIVA DE CORRIENTE ALTERNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1. Generador síncrono de corriente alterna o alternador síncrono . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Motor asíncrono de corriente alterna o motor de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3. POTENCIA Y RENDIMIENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1. Tipos de generadores de corriente alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Curvas características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1. Tipos de motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2. Placa de características y bornes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3. Curvas características . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4. Esquemas de conexionado y arranque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6. MOTOR DE INDUCCIÓN MONOFÁSICO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
195
196
196
199
199
201
201
203
205
208
208
210
212
212
214
216
216
220
UNIDAD
7
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA
1. Principios de funcionamiento de las máquinas
rotativas de corriente alterna
En la Unidad 2 estudiamos los principios del magnetismo; dos de ellos son especialmente útiles: la inducción
electromagnética y la fuerza electromagnética. Por el principio de inducción podemos obtener una f.e.m. a
partir del movimiento relativo entre una espira y un campo magnético, ya sea este producido por un imán permanente
o por una bobina recorrida por una corriente eléctrica, es decir, un electroimán. Este es el principio que utilizan
los generadores de corriente alterna o alternadores para su funcionamiento.
También sabemos que en una espira conductora inmersa en un campo magnético por la que circula una
corriente eléctrica aparece un par de fuerzas que tiende a provocar su giro. Este es el principio de funcionamiento
de los motores.
1.1. Campo giratorio
En una espira (ver figura de abajo) que gira entre los polos de un imán a una velocidad angular de ω rad/s se
induce una f.e.m. sinusoidal de frecuencia:
f =
ω
2π
Espira bajo dos pares de polos. (C.A.L.)
Espira bajo un par de polos. (C.A.L.)
Ahora bien, si aumentamos el número de polos de dos a cuatro, como sucede en la figura de la derecha, la
frecuencia de la f.e.m. inducida se duplica con respecto a la situación inicial. En general si se utilizan p pares de
polos la frecuencia en hercios de la señal generada es:
p ⋅ω
f =
2π
Esta fórmula se acostumbra a expresar en función de la velocidad de giro, n dada en r.p.m. (revoluciones por minuto):
p⋅n
f =
60
De las expresiones anteriores se deduce que la frecuencia de una corriente alterna depende directamente
del número de pares de polos del alternador y de su velocidad de rotación. Una consecuencia inmediata es la
posibilidad de generar frecuencias más elevadas con la misma velocidad de rotación solo con aumentar el número
de polos o generar la misma frecuencia a velocidades de rotación inferiores. Debemos recordar que los polos
magnéticos siempre son pares por lo que las relaciones entre frecuencia y número de polos, para una misma
velocidad de rotación, siempre seguirán una relación de 2, como puedes observar en las figuras anteriores.
196
La generación de un ciclo de corriente alterna completo se produce cuando una espira realiza una rotación
magnética completa. En el caso de una máquina con 2 polos, como en la anterior figura de la izquierda, eso
equivale a un giro de 360º (o 2� radianes), sin embargo, si la máquina tiene más de 2 polos el ciclo de corriente
se generará cada vez que la espira pasa sucesivamente ante 2 polos (un ciclo N−S). En el caso de la máquina
de la figura de la derecha, con 4 polos (p = 2) cada revolución mecánica (360º o 2� radianes) se generan 2
ciclos de corriente, es decir, que la onda eléctrica, su fasor asociado, ha rotado 720º o 4� radianes. Aparecen así
dos formas de medir la rotación de una espira en un generador, los grados mecánicos (rotación real) y los
grados eléctricos (rotación del fasor asociado a la f.e.m. generada). La relación entre ambos giros es la siguiente:
grados eléctricos = p· grados mecánicos
En la figura siguiente utilizamos tres bobinas que forman 120º entre sí, (U1−U2, V1−V2 y W1−W2), obtenemos
un sistema de bobinas trifásico capaz de generar tres f.e.m. desfasadas entre si 120º.
Generador síncrono. (C.A.L.)
Tensiones trifásicas. (C.A.L.)
Por el principio de inducción electromagnética de Faraday sabemos que la f.e.m. se puede generar moviendo
la espira o moviendo el campo magnético. Esta segunda opción es la más utilizada en la generación de corriente
alterna y es la mostrada en la figura, que corresponde a un generador síncrono trifásico de 2 polos (p = 1).
En el centro de la máquina tenemos una bobina alimentada con corriente continua que crea un campo magnético
constante. Esta bobina está situada en el rotor y se la llama devanado inductor.
Al girar el rotor a una velocidad fija se induce en los extremos de cada bobina una tensión sinusoidal. Las
tensiones inducidas están desfasas entre sí 120º eléctricos, por lo que hemos obtenido así un sistema trifásico
de f.e.m.
La frecuencia de las tensiones inducidas en las bobinas es, como se ha dicho antes:
f =
p⋅n
60
En la siguiente tabla tenemos, para una frecuencia fija de 50 Hz, la velocidad de giro en r.p.m. según el
número de pares de polos de la máquina.
Nº pares de polos (p)
1
Velocidad de giro en r.p.m. (n)
3 000
2
1 500
3
1 000
4
750
197
UNIDAD
7
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA
Generación de un campo magnético giratorio en un motor trifásico
En la figura siguiente, parte superior, tenemos un sistema de devanados trifásico formado por las bobinas de
extremos U1−U2, V1−V2 y W1−W2, las bobinas forman entre sí 120º. Cada una de estas bobinas es alimentada
por una corriente alterna, así la bobina U1−U2 es alimentada por la corriente señalada con U en la parte inferior
de la imagen, la bobina V1−V2 es alimentada por la corriente señalada con V y la bobina W1−W2 es alimentada
por la corriente señalada con W. Las corrientes que alimentan a las bobinas también están desfasadas entre sí
120º, forman un sistema trifásico equilibrado de intensidades.
Espira bajo un par de polos. (C.A.L.)
Si en la figura escogemos un punto característico en las intensidades que recorren las bobinas como el punto
“Inicio”, obtenemos que la intensidad en la fase U es nula (U = 0), la intensidad en la fase W es positiva (W > 0) y
la intensidad en la fase V es negativa (V< 0) y además se cumple que las amplitudes de las fases V y W son
opuestas (W = −V).
La intensidad de la fase U es nula y no crea ningún campo magnético, por lo que no aparece señalado en la
parte superior de la figura. La intensidad de la fase V crea un campo magnético con el norte en el extremo W1 y
el sur en el extremo W2, tal como aparece señalado en la parte superior de la figura. La intensidad de la fase V,
que es negativa crea un campo magnético con un norte en el extremo V2 y un sur en el extremo V1. Si ahora
sumamos vectorialmente la contribución de ambos campos magnéticos obtenemos el campo resultante marcado
en grueso y señalando hacia la derecha en la figura.
198
Estudiamos ahora lo que ocurre en el punto señalado con “1”, obtenemos que la intensidad en la fase W es
nula (W = 0), la intensidad en la fase U es positiva (U > 0) y la intensidad en la fase V es negativa (V < 0) y
además se cumple que las amplitudes de las fases U y V son opuestas (U = −V).
La intensidad de la fase W es nula y no crea ningún campo magnético, por lo que no aparece señalado en la
parte superior de la figura, correspondiente a la posición “1”. La intensidad de la fase U crea un campo magnético
con el norte en el extremo U1 y el sur en el extremo U2. La intensidad de la fase V, que es negativa, crea un
campo magnético con un norte en el extremo V2 y un sur en el extremo V1. Si ahora sumamos vectorialmente la
contribución de ambos campos, obtenemos el campo resultante marcado en grueso en la figura, el campo ha
girado su posición 60º con respecto a la posición anterior.
Si repetimos el análisis con el resto de posiciones observamos cómo la combinación de los campos magnéticos
de cada una de las espiras crea un campo magnético neto que es giratorio.
1.2. Velocidad síncrona
En el apartado anterior obtuvimos un campo magnético giratorio de intensidad constante que gira a una
determinada velocidad; a la velocidad a la que gira se le llama velocidad síncrona o velocidad de sincronismo
y su valor expresado en r.p.m. se obtiene despejando n de la fórmula de la frecuencia:
ns =
f ⋅ 60
p
Donde tenemos:
f : es la frecuencia de la corriente alterna que alimenta a la máquina en Hz.
p: es el número de pares de polos que tiene el sistema inductor de la máquina.
En la gráfica del apartado anterior, en la posición “Inicio” el polo norte del campo magnético está sobre los extremos
de las bobinas W1−V2. En la siguiente posición, la indicada por 1, el polo norte del campo magnético está ahora
sobre los extremos de las bobinas U1−W2; si vas analizando el resto de posiciones podemos darnos cuenta de que
los polos de la máquina no permanecen fijos como en las máquinas de corriente continua, sino que van girando, pero
sin necesidad de moverlos mecánicamente. La velocidad a la que giran es la velocidad de sincronismo.
A las máquinas cuyo rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético giratorio se les llaman máquinas
síncronas. A las que giran a una velocidad distinta se les llaman máquinas asíncronas.
1.3. Deslizamiento
En las máquinas asíncronas el rotor no gira a la velocidad de sincronismo, a esa diferencia de velocidades se
le llama deslizamiento absoluto, D. Si n es la velocidad a la que gira el rotor y ns es la velocidad de sincronismo,
el deslizamiento absoluto es:
D = ns − n
Se acostumbra a utilizar el deslizamiento relativo, s y expresarlo en %:
s (%) =
ns − n
100
ns
199
UNIDAD
7
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA
Ejemplo
1. ¿A qué velocidad, medida en r.p.m., debe girar un alternador síncrono de 8 polos si se desea que la f.e.m. generada
tenga una frecuencia de 60 Hz?
Solución:
El número de pares de polos es: p = 8/2 = 4.
Aplicando la expresión de la velocidad síncrona obtenemos la velocidad de giro, que es:
ns =
f ⋅ 60 60 ⋅ 60
=
= 900 r.p.m.
p
4
Actividades
1. Disponemos de un motor asíncrono de corriente alterna cuya velocidad síncrona cuando se conecta a una red de
50 Hz es de 1000 r.p.m. En estas condiciones, su deslizamiento es del 5%. Calcula:
a) La velocidad a la que gira el motor.
b) El número de polos del bobinado.
2. ¿Cuál es la velocidad de sincronismo de un motor eléctrico de 4 polos si se conecta a una fuente de tensión de
400 Hz?
Recuerda
ü Mediante un sistema trifásico de tensiones y tres bobinados convenientemente situados es posible obtener un
campo magnético giratorio, base de los motores trifásicos de corriente alterna.
ü A partir de un campo magnético giratorio y tres bobinados convenientemente situados, es posible obtener un
sistema trifásico de tensiones, principio de funcionamiento de los alternadores trifásicos.
ü Las máquinas rotativas de corriente alterna que funcionan a la velocidad de sincronismo (velocidad a la que giran
los polos) son las máquinas síncronas y las que no funcionan a la velocidad de sincronismo son las máquinas
asíncronas.
f ⋅ 60
ü La velocidad de sincronismo viene dada por la siguiente expresión: ns =
p
ü El deslizamiento, s, de una máquina rotativa de corriente alterna, se mide en porcentaje e indica cuánto se aleja
su velocidad de rotación de la velocidad de sincronismo.
200
2. Constitución de una máquina rotativa de
corriente alterna
Vamos a centrarnos en los dos tipos de máquinas de corriente alterna más utilizadas, el generador síncrono
o alternador y el motor asíncrono o motor de inducción.
2.1. Generador síncrono de corriente alterna o
alternador síncrono
Este tipo de generador es el más utilizado en las centrales eléctricas para producir energía. Como todas las
máquinas rotativas, consta de una parte fija o estátor y una parte móvil o rotor.
● En el rotor, normalmente está situado el devanado inductor, alimentado por corriente continua para
generar un flujo magnético constante. En algunos casos, la corriente continua que alimenta al inductor,
corriente de excitación, está generada por una dinamo acoplada al mismo eje del alternador y denominada
dinamo excitatriz. Actualmente, la corriente de excitación suele obtenerse de un equipo rectificador de
corriente alterna. El devanado inductor crea un campo magnético de valor constante que gira a la velocidad
del rotor.
El rotor está acoplado a un dispositivo motriz, turbina hidráulica o de vapor, que lo hace girar suministrando
la energía mecánica necesaria para su transformación en energía eléctrica en forma de corriente alterna.
Dependiendo de su velocidad de giro, el rotor puede ser de polos salientes (para velocidades de rotación
bajas) o de polos lisos también llamado rotor cilíndrico (para velocidades de rotación elevadas), que
podemos ver en las imágenes.
Máquina de polos salientes. (C.A.L.)
Máquina de polos lisos y rotor cilíndrico. (C.A.L.)
● En el estátor, normalmente se sitúa el devanado inducido. El estátor tiene forma aproximadamente
cilíndrica, de interior hueco, y está formado por acumulación de chapas magnéticas de pequeño espesor
con el fin de disminuir las corrientes parásitas de Foucault. La superficie interior tiene una serie de ranuras
destinadas a alojar el bobinado inducido.
201
UNIDAD
7
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA
En la figura siguiente podemos ver el devanado
inducido para un generador síncrono monofásico;
está constituido por la bobina de extremos U1−U2.
En el caso de un generador síncrono trifásico hay
tres bobinas desfasadas entre sí 120º. Las bobinas
que forman el devanado inducido son las bobinas
de extremos U1−U2, V1−V2 y W1−W2.
El espacio que separa el rotor del estátor es el
entrehierro que debe ser lo más pequeño posible
para reducir las pérdidas por dispersión del flujo
magnético.
Generadores síncronos. (C.A.L.)
Además de los elementos anteriores, en los alternadores, como en el resto de máquinas rotativas, nos encontramos
con:
● Una carcasa que rodea y protege al estátor. Su forma está diseñada para permitir una eficiente evacuación
del calor generado en su interior.
● Sobre la carcasa se coloca la caja de bornes, que permite la conexión de la máquina a la red eléctrica.
● Los rodamientos o cojinetes, sobre los que descansa y gira el eje.
● Las tapas laterales, que mantienen el rotor centrado en el interior del estátor e impiden la entrada de
cuerpos extraños.
● Y un ventilador, que fuerza la circulación del aire para facilitar la refrigeración de los devanados.
Las partes básicas se muestran en la siguiente imagen:
Partes de un alternador trifásico. (C.A.L.)
202
2.2. Motor asíncrono de corriente alterna o motor de
inducción
Este tipo de motor es el más utilizado tanto en el sector industrial (motor
trifásico) como en el doméstico (motor monofásico). Como toda máquina
rotativa, consta de:
● Un devanado inductor situado en el estátor. El estátor está formado
por un conjunto de chapas magnéticas con forma de corona y con
ranuras en su parte interior. En las ranuras se sitúan una serie de
bobinados (tres bobinados en trifásico y dos en monofásico)
alimentados por corriente alterna. El devanado inductor es el encargado
de generar el campo magnético giratorio.
● Un devanado inducido que se coloca en el rotor. El rotor está formado
por un conjunto de chapas magnéticas apiladas con forma de corona
con ranuras en su parte externa que son atravesadas por el eje de
la máquina. En las ranuras se sitúa el devanado inducido que puede
ser en cortocircuito o bobinado:
Devanado inductor. (M.C.M.)
○ Rotor de jaula de ardilla o rotor en cortocircuito. Sobre las
ranuras del rotor se colocan barras de cobre o aluminio unidas por los extremos mediante anillos de
cortocircuito. Lo podemos ver en la siguiente figura de la izquierda.
○ Rotor bobinado o rotor con anillos rozantes. Sobre las ranuras del rotor se coloca un devanado
trifásico similar al del estátor con conexión en estrella. El extremo libre de cada bobina está conectado
a un anillo rozante que está aislado eléctricamente del eje y de los otros anillos. En este tipo de rotores
es necesario que el número de polos del rotor y del estátor sea el mismo, lo que no es necesario en
un rotor de cortocircuito. Véase la siguiente figura, a la derecha.
En el devanado rotórico, debido a las corrientes inducidas que lo recorren, aparecen pares de fuerzas que
provocan su rotación.
Rotor jaula de ardilla. (C.A.L.)
Rotor de anillos rozantes. (C.A.L.)
Además de los elementos anteriores, y de forma similar a lo que hemos visto para los alternadores, en los
motores de inducción nos encontramos con los siguientes elementos:
203
UNIDAD
7
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA
● Una carcasa que rodea y protege al estátor. La forma de la carcasa está diseñada para permitir una
eficiente evacuación del calor generado en el interior del motor.
● Sobre la carcasa se coloca la caja de bornes que permite la conexión de la máquina con la red eléctrica.
● Unos rodamientos sobre los que descansa y gira el eje.
● Dos tapas laterales para mantener el rotor centrado dentro del estátor e impedir la entrada de cuerpos
extraños al interior del motor.
● Un ventilador para forzar la circulación del aire y facilitar la refrigeración de los devanados.
En la imagen siguiente se muestra la disposición de estos elementos.
′
Partes de un motor trifásico de inducción con rotor de jaula de ardilla. (C.A.L.)
Actividades
3. ¿Cómo se consigue un campo magnético giratorio en los generadores síncronos?
4. ¿Cuál es la razón de utilizar máquinas de más de dos polos en los generadores síncronos?
5. Dibuja esquemáticamente un generador síncrono y explica brevemente su funcionamiento.
6. Explica cuál es la función del estátor en un motor de inducción trifásico y explica también cuál es la función del
estátor en un generador síncrono trifásico.
Recuerda
ü Las máquinas asíncronas se usan fundamentalmente como motores.
ü Las máquinas síncronas se usan fundamentalmente como generadores.
ü En el rotor de una máquina síncrona se coloca el devanado inductor que es alimentado por corriente continua.
ü En el devanado inducido, colocado en el estátor, de una máquina síncrona trifásica, se induce un sistema
trifásico de tensiones.
ü En el estátor de una máquina asíncrona se coloca el devanado inductor que crea un campo magnético giratorio.
ü Sobre el rotor de una máquina asíncrona aparecen pares de fuerzas que lo hacen girar.
204
3. Potencia y rendimiento
Las máquinas síncronas se utilizan normalmente como generadores. Son convertidores electromecánicos de
energía cinética de rotación en energía eléctrica.
Las máquinas asíncronas se utilizan principalmente como motores. Realizan la conversión de energía eléctrica
en energía mecánica de rotación.
En cualquier caso, la conversión de energía no es ideal por lo que existen pérdidas. Para tener en cuenta
esas pérdidas, se define el rendimiento de una máquina como el cociente entre la energía que proporciona, la
energía útil (Eu), y la energía que consume o absorbe (Eab):
η=
Eu
Eab
La fórmula anterior también se puede expresar en función de la potencia útil (Pu) y la potencia absorbida (Pab):
η=
Eu
P ⋅t
P
P
= u = u ⇒η = u
Eab Pab ⋅ t Pab
Pab
Las pérdidas en las máquinas rotativas de corriente alterna son:
Pérdidas mecánicas (Pm). Son debidas al rozamiento y la energía consumida por el ventilador. Están presentes
en los cojinetes que sirven de apoyo del eje, en los anillos rozantes o en el rozamiento del aire con el interior del motor.
Pérdidas en el cobre (PCu). Se deben a la resistencia que tienen los devanados, son pérdidas por efecto
Joule. Su valor depende de la intensidad que circula por los devanados. Para una máquina trifásica, las pérdidas
en el cobre para el estátor y el rotor son:
2
2
P est = 3 ⋅ Rest ·I est
∴
P rot = 3 ⋅ Rrot ·I rot
Pérdidas en el hierro (PFe). Son las pérdidas causadas por las corrientes parásitas y por la histéresis. Ocurren
en las partes magnéticas de la máquina, en el rotor y en el estátor. Para reducir las pérdidas por corrientes
parásitas, las partes de las máquinas sometidas a flujos magnéticos variables, se fabrican de chapas magnéticas
apiladas y aisladas entre sí.
En la figura se muestra el diagrama de pérdidas de un generador de corriente alterna.
Diagrama de pérdidas de un generador de corriente alterna. (C.A.L.)
En la figura siguiente se muestra el diagrama de pérdidas de un motor de corriente alterna.
Diagrama de pérdidas de un motor de corriente alterna. (C.A.L.)
205
UNIDAD
7
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA
Las pérdidas mecánicas y las pérdidas en el hierro se toman como pérdidas fijas porque su valor no depende
del régimen de carga de la máquina.
Las pérdidas en el cobre se toman como pérdidas variables porque su valor cambia según el régimen de
carga de la máquina.
Para los motores de inducción las pérdidas se obtienen realizando dos ensayos:
● Ensayo de vacío: se hace conectando la máquina a la tensión de la red pero sin conectar ninguna carga
a su eje. En estas condiciones, se considera que la potencia absorbida se destina a la creación de los
campos magnéticos y a vencer el rozamiento y mantener la ventilación, es decir, a las pérdidas en el
hierro y a las pérdidas mecánicas.
● Ensayo de cortocircuito: en este ensayo el rotor está bloqueado, no se puede mover. Para evitar que el
motor se queme se le conecta a una fuente de tensión variable que nos proporciona una tensión muy
inferior a la nominal de funcionamiento. Se eleva la tensión progresivamente hasta que por el devanado
inductor circula la intensidad nominal del motor. La potencia así consumida es la pérdida en los bobinados
debido a su resistencia, es decir, las pérdidas en el cobre cuando el motor funciona al régimen nominal.
En un generador, la potencia consumida es una potencia cinética de rotación y la potencia útil es potencia
eléctrica. Recuerda que la potencia eléctrica útil para una máquina trifásica vale:
Pu = 3 ⋅ U L ⋅ I L ⋅ cos ϕ
Pu = 3 ⋅ U F ⋅ I F ⋅ cos ϕ
∴
Para el caso de un motor la potencia que absorbe es una potencia eléctrica. La potencia útil es una potencia
mecánica. La potencia útil de un motor se expresa como:
Pu = τ ⋅ ω
Donde tenemos:
Pu: es la potencia entregada por la máquina expresada en vatios (W).
τ : es el par generado en el eje del motor expresado en newton·metro (N·m).
ω : es la velocidad de giro del rotor en radianes por segundo (rad/s).
Si la velocidad de rotación, como suele ser habitual, está expresada en revoluciones por minuto (r.p.m.), la
expresión anterior se convierte en la siguiente:
Pu = τ ⋅ n ⋅
2π
60
Donde ahora la velocidad de giro viene dada por n en r.p.m.
Cuando una máquina funciona en las condiciones que especifica el fabricante se dice que está trabajando en
las condiciones nominales.
Las máquinas eléctricas de corriente alterna son máquinas de elevado rendimiento; con rendimientos superiores
al 85%.
Ejemplo
2. Un motor trifásico se conecta a una tensión de 400 V y 50 Hz. Trabajando en condiciones nominales consume una
intensidad de 22 A y gira a una velocidad de 2.930 r.p.m. con un factor de potencia de 0,85. El rendimiento del
motor en esas condiciones es del 85 %. Calcula:
a) El deslizamiento del motor.
b) La potencia perdida.
c) El par motor generado.
206
Soluciones:
a) Debemos averiguar cuál es la velocidad síncrona para una frecuencia de 50 Hz, para lo cual partiremos de la
fórmula:
f ⋅ 60
ns =
p
E iremos probando con valores enteros de p hasta obtener una velocidad síncrona próxima a la del motor. En
nuestro caso, para p =1 la velocidad síncrona resulta ser ns=3000 r.p.m., que es la más próxima a la velocidad
del motor. Por tanto, el deslizamiento es:
n − n 3 000 − 2 930
s= s
=
= 0, 0233 ⇒ s = 2, 33%
ns
3 000
b) En primer lugar, calculamos la potencia absorbida de la red:
Pab = 3 ⋅ U L ⋅ I L ⋅ cos ϕ = 3 ⋅ 400 ⋅ 22 ⋅ 0, 85 = 12 955, 74 W
El rendimiento es del 85% así que la potencia de pérdidas es:
Pper = (1 − η ) ⋅ Pab = (1 − 0, 85 ) ⋅ 12 955, 74 = 1 943, 36 W ⇒ Pper = 1 943, 36 W
La expresión anterior se justifica de la siguiente forma:
Pab = Pu + Pper ⇒ Pper = Pab − Pu , de la expresión del rendimiento obbtenemos que Pu = η ⋅ Pab por lo que
Pper = Pab − Pu = Pab − η ⋅ Pab = (1 − η ) ⋅ Pab
Pper = (1 − η ) ⋅ Pab
c) El par útil se calcula a partir de la potencia útil que podemos calcular empleando el rendimiento:
Pu = η ⋅ Pab = 0, 85 ⋅ 12 955, 74 = 11 012, 38 W
El par útil vale:
60 ⋅ Pu 60 ⋅ 11 012, 38
2π
⇒τ =
=
Pu = τ ⋅ n ⋅
= 35,889 N ⋅ m
60
2π ⋅ n
2π ⋅ 2 930
Actividades
7. Un motor de inducción trifásico conectado a una red trifásica de 400 V y 50 Hz entrega una potencia de 85 kW; su
rendimiento es del 85% y su factor de potencia es del 0,9 inductivo. Bajo las condiciones anteriores, calcula la
corriente de línea que absorbe.
8. Un motor asíncrono trifásico de cuatro polos, que gira a 1450 r.p.m. está conectado a una red eléctrica trifásica de
380 V y 50 Hz. Consume 8 A, con un rendimiento del 80% y un factor de potencia de 0,86 inductivo. Determina la
potencia que absorbe de la red y la potencia útil en el eje.
9. Un generador síncrono de 6 polos debe alimentar una red trifásica de 400 V y 50 Hz. Su rendimiento es del 93% y
las cargas que debe alimentar consumen una potencia total de 1 MW. ¿Cuál es el par que debe proporcionar el
dispositivo que mueve el rotor de este generador?
Recuerda
ü Las máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna transforman energía: El motor transforma la energía
eléctrica en energía cinética de rotación y el generador lo contrario.
ü Todas las máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna tienen pérdidas de tipo eléctrico, magnético y mecánico.
ü El grado de eficiencia energético de una máquina eléctrica rotativa se mide por su rendimiento.
207
UNIDAD
7
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA
4. Generadores de corriente alterna
Los generadores son máquinas eléctricas rotativas que transforman la energía mecánica
que les proporciona un dispositivo motriz (turbina, motor de explosión, etc.) en energía eléctrica,
generando una tensión alterna, trifásica o monofásica. Los generadores más utilizados son los
generadores o alternadores síncronos. En algunos casos particulares como los generadores
portátiles para instalaciones temporales (como obras, puestos de feria, etc.) y algunos tipos de
aerogeneradores utilizan generadores asíncronos.
El símbolo genérico del generador síncrono es el mostrado en la figura adjunta.
GS
3∼
Símbolo del generador
síncrono trifásico. (M.C.M)
4.1. Tipos de generadores de corriente alterna
Los tipos de generadores de corriente alterna más utilizados son:
El generador síncrono lo hemos descrito en el apartado 2. Su rotor está alimentado con corriente continua
a través de anillos rozantes acoplados al eje. Los devanados del rotor crean un campo magnético que al girar
induce sobre las bobinas del estátor una f.e.m. sinusoidal. La frecuencia de las tensiones inducidas debe tener
un valor fijo, que en Europa es de 50 Hz, lo que exige una regulación cuidadosa de la velocidad de giro del rotor.
Los generadores síncronos producen la potencia activa que después van a consumir las cargas eléctricas
conectadas en él. También son capaces de compensar la potencia reactiva de la red, comportándose como un
condensador.
Cuando la máquina gira en vacío, sin alimentar a ninguna carga eléctrica,
genera una f.e.m. que obedece a la expresión:
E = K ⋅ n ⋅Φ
Donde tenemos:
K: es una constante que depende de las características constructivas
de la máquina.
n : es la velocidad de giro de la máquina en r.p.m.
Φ: es el flujo magnético creado por el rotor en el entrehierro de la máquina,
flujo que depende de la corriente de excitación que le aplicamos al rotor.
Curva de vacío de un generador síncrono. (M.C.M.)
En la curva de vacío adjunta podemos ver la f.e.m. generada en función de la corriente de excitación.
Cuando el generador funciona alimentando una carga, la corriente que circula por los devanados del inducido
crea un campo magnético que interacciona con el campo principal creado por el rotor. A este flujo se le denomina
flujo de reacción o reacción de inducido, como en las máquinas de corriente continua.
El efecto de la reacción de inducido depende del tipo de carga que esté conectada al generador. Así, si la
carga es de carácter resistivo el campo reactivo es de sentido opuesto al creado por el rotor y si es de carácter
inductivo la oposición es más acusada. Si la carga tiene carácter capacitivo, el campo reactivo refuerza al
campo creado por el rotor.
208
Aparte del fenómeno de reacción de inducido aparecen pérdidas en el devanado del estátor por efecto Joule.
También hay pérdidas por dispersión del flujo magnético, lo que quiere decir que no todas las líneas de inducción
creadas por el devanado inductor llegan al devanado inducido. Cuando un generador está en carga, su tensión
en bornes es menor que su f.e.m. salvo que tenga conectada una carga capacitiva.
En la Unidad 3 estudiamos que una fuente de tensión real consta de una fuente de f.e.m. y una resistencia
interna en serie con ella. Este mismo modelo se puede trasladar a un generador síncrono donde el papel de la
resistencia lo va a realizar una impedancia, la impedancia síncrona, Zs. La parte resistiva de esta impedancia tiene en
cuenta la resistencia del devanado inducido. La parte inductiva tiene en cuenta los efectos de reacción de inducido y
la dispersión de flujo, se llama reactancia síncrona, Xs. La impedancia síncrona toma la siguiente expresión:
ZS = R + j ⋅ X s
El circuito equivalente por fase de
un generador síncrono es el mostrado
en la figura de al lado, en ella también
se han dibujado los diagramas fasoriales
asociados al circuito.
La impedancia, Z = Z∠ϕ, representa
la carga conectada al generador y la
parte que queda dentro del rectángulo
a trazos representa el generador.
Circuito equivalente de un generador síncrono. (M.C.M.)
Cuando en un motor asíncrono hacemos que el eje gire a una velocidad superior a la de sincronismo, el
motor pasa a comportarse como un generador, un generador asíncrono, que pasa de absorber energía de la
red a inyectarla en ella. Cuando un motor asíncrono gira a una velocidad superior a la de sincronismo, el deslizamiento
se hace negativo. En la imagen de al lado
se muestran los regímenes de funcionamiento de una máquina asíncrona.
Este tipo de generadores tiene el
inconveniente de que necesita estar
conectado a la red eléctrica para tomar la
corriente necesaria para crear el campo
magnético, por lo que, aparte de generar
potencia activa, consume potencia reactiva
que debe ser compensada.
Su principal ventaja es que no necesita
de ningún proceso de sincronización para
conectarse a la red eléctrica y la frecuencia
de la tensión generada siempre es la de la
red a la que está conectado.
Regímenes de funcionamiento de una máquina asíncrona. (M.C.M.)
209
UNIDAD
7
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA
4.2. Curvas características
Las curvas características son gráficas que ofrecen
información sobre el comportamiento de un generador frente
a diferentes valores y tipos de cargas.
Característica exterior. Es la curva que indica cómo
varía la tensión en bornes del generador frente a distintas
intensidades de carga para una velocidad de giro y corriente
de excitación fijas. Véase la gráfica adjunta.
Podemos observar que cuando la carga es capacitiva,
la tensión en bornes tiende a aumentar, lo que puede ser
peligroso porque puede provocar sobretensiones que
pueden averiar los receptores conectados a él.
Característica de regulación. Es la curva que indica
cómo varía la intensidad de excitación frente
a diferentes intensidades de carga para una
velocidad de giro y una tensión en bornes
determinadas.
Característica exterior de un generador síncrono. (M.C.M.)
Observa que para cargas capacitivas es
necesaria una menor corriente de excitación;
ello se debe a la contribución del campo de
reacción de inducido al campo principal.
En una red eléctrica no hay un único
generador sino muchos funcionando en
paralelo. Para acoplar un generador síncrono
a la red eléctrica es necesario realizar una
serie de pasos, conocidos como proceso
de sincronización, en el que debemos tener
en cuenta estos aspectos:
● Que la tensión del generador tiene
que ser compatible con la de la red.
Característica de regulación de un generador síncrono. (M.C.M.)
● Que la frecuencia de las señales generadas por la máquina tiene que ser la misma que la de la red; en
Europa, según hemos señalado, 50 Hz.
● Que la secuencia de fases de la máquina tiene que ser la misma que la de la red.
● Que los fasores de la red y los de la máquina tienen que coincidir exactamente en el momento de la
conexión.
Con la interconexión de muchos generadores se consigue una red eléctrica muy robusta donde el fallo o
desconexión de un generador no tiene consecuencias sobre el resto de instalaciones conectadas a la red.
210
Actividades
10. Un generador síncrono de 6 polos proporciona en vacío una tensión de 400 V y 50 Hz. Después de realizar los
pertinentes ensayos se determina que el valor de la impedancia sincronía es 0,01+j·0,1 Ω. Se conecta una carga
que consume 1000 A con un factor de potencia de 0,8 inductivo. Calcular:
a) La velocidad a la que debe girar el rotor de esta máquina.
b) La tensión en bornes del generador.
11. Un generador síncrono trifásico que gira a 1500 r.p.m., alimenta a una carga trifásica, conectada en triángulo,
proporcionándole una potencia de 150 kW. Si el rendimiento del generador es del 94%, ¿cuál es el par que debe
entregar la máquina que arrastra al rotor del generador?
Recuerda
ü El rotor de un generador síncrono es alimentado con corriente continua.
ü El comportamiento en carga y en vacío de un generador síncrono es diferente. En carga aparece el fenómeno
de reacción de inducido y su efecto depende del tipo de carga.
ü La conexión de un generador síncrono a la red necesita de un proceso de sincronización.
ü Un motor asíncrono pasa a funcionar como generador si su deslizamiento se hace negativo.
211
UNIDAD
7
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA
5. Motores de corriente alterna
A lo largo de esta unidad hemos señalado que el motor asíncrono es el más utilizado para producir movimiento.
Sin embargo, existen otros motores como el motor síncrono o el motor universal.
5.1. Tipos de motores
Los tipos de motores de corriente alterna más utilizados son:
⎧
⎧
⎧Rotor bobinado
⎪
⎪Trifásicos ⎨Rotoor en cortocircuito
⎩
⎪
⎪
⎪Motor asíncrono ⎪⎨
⎧Rotor bobinado
⎪
⎪
⎪
Monofásicos ⎨
⎪
⎪
Motores de CA ⎨
⎪Rotor en cortocircuito
⎪⎩
⎩
⎪
⎪Motor síncrono
⎪
⎪
⎪Motor universal
⎩
⎧Espira de sombra
⎨
⎩Fase partida
Los símbolos más utilizados para los motores son los siguientes:
M
3∼
Motor asíncrono trifásico de
rotor bobinado. (M.C.M.)
M
3∼
Motor asíncrono trifásico de
rotor en cortocircuito. (M.C.M.)
M
1∼
Motor asíncrono
monofásico. (M.C.M.)
Vamos a describir algunos tipos de motores como el motor síncrono y el motor de inducción o motor asíncrono.
El motor síncrono está construido igual que un alternador síncrono. Los bobinados estatóricos se alimentan
con un sistema de tensiones trifásico y su bobinado rotórico está alimentado por corriente continua que genera
un campo magnético constante que al ser atraído por el campo rotatorio del estátor hace que el motor gire a la
velocidad síncrona.
Este tipo de motores presenta un grave inconveniente, pues no son capaces de arrancar por sí mismos,
necesitan de un motor auxiliar que los lance y lleve a la velocidad de sincronismo. Otra alternativa es utilizar un
devanado amortiguador que permite que el rotor se comporte como un motor de inducción. En este caso, el
motor puede arrancar por sí mismo y al llegar a una velocidad próxima a la de sincronismo se pasa a alimentar el
rotor con corriente continua alcanzando la velocidad de sincronismo por un proceso de autosincronización. Se
utilizan en aplicaciones de baja velocidad (500 r.p.m.), donde el motor asíncrono no es adecuado.
Los motores de inducción o asíncronos son los más utilizados actualmente, y están disponibles en una
amplia gama de potencias y tensiones.
En este apartado nos vamos a centrar en los motores trifásicos. Como ya sabemos, tenemos dos tipos de
motores asíncronos dependiendo del rotor, los de rotor en cortocircuito o jaula de ardilla y los de rotor bobinado
o de anillos rozantes.
212
Las ventajas de utilizar un motor de rotor de jaula de ardilla son:
– Su gran robustez y bajo mantenimiento.
– Es fácil de fabricar y barato.
Su principal inconveniente es la elevada corriente de arranque que exige métodos auxiliares de arranque
como los que estudiaremos más adelante.
Las ventajas de utilizar un motor de rotor bobinado son:
– Permite regular la intensidad y par en el momento del arranque utilizando el sistema de arranque por
resistencia rotóricas como estudiaremos posteriormente.
Sus inconvenientes son:
– Un mantenimiento mucho mayor que el rotor de jaula de ardilla debido al desgaste de los anillos rozantes
y de las escobillas.
– La menor robustez que el rotor de jaula de ardilla.
– El proceso de fabricación es mucho más costoso y complejo.
Cuando un motor asíncrono, tanto de rotor bobinado como de rotor en cortocircuito, se conecta a un sistema
de tensiones trifásico, el devanado inductor crea un campo magnético giratorio que induce una f.e.m. sobre los
conductores del rotor; por estar cerrados circula por ellos una corriente eléctrica. Como sabes, sobre un devanado
recorrido por una corriente eléctrica, situado en el interior de un campo magnético aparece fuerzas que, en el
caso de las formas de espira, tienden a hacerla girar y, en consecuencia, hace girar el rotor. La velocidad de giro
del rotor siempre es menor que la velocidad a la que gira el campo magnético estatórico o velocidad de sincronismo,
que viene impuesta por la frecuencia de la red de alimentación.
Si la velocidad del rotor fuera igual a la de sincronismo sobre el rotor no se induciría ninguna f.e.m. por estar
sometido su bobinado a un flujo constante. Para que haya f.e.m. inducida
el flujo debe ser variable, es decir, que los conductores se muevan a distinta
velocidad que el flujo inductor.
En los motores asíncronos el deslizamiento depende de la carga conectada
al eje del motor y no sobrepasa el 10%.
Durante el arranque de los motores de jaula de ardilla la corriente
que absorbe de la red alcanza valores elevados y puede perturbar el
funcionamiento de otros receptores conectados a su misma red. Para
suavizar el pico de corriente que se produce en el arranque se utilizan
rotores de doble jaula de ardilla que, además mejoran el par entregado
en el eje. Pero si los motores son de elevada potencia hay que recurrir a
procedimientos de arranque, algunos de los cuales se explican más
adelante en esta unidad.
Los motores universales son aquellos que pueden funcionar tanto
con corriente alterna como con corriente continua. Son motores de
construcción y características similares a los motores serie de corriente
continua. Tienen un bobinado inductor en el estátor, un bobinado inducido
en el rotor y un colector de delgas para poder alimentar (a través de las
escobillas) al bobinado del rotor y conmutar el sentido de la corriente en
sus bobinas a medida que gira. Los bobinados inductor (estatórico) e
inducido (rotórico) están conectados en serie. Se emplean en máquinas
de pequeña potencia como en los taladros de mano, tal como muestra
la imagen.
213
Motor universal de un taladro de mano. (M.C.M.)
Curva característica de un motor universal (C.A.L.)
UNIDAD
7
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA
Una característica destacada de estos motores es que la velocidad de giro varía con la carga, de forma que a
mayor carga menor velocidad de giro, tal como podemos apreciar en la curva característica adjunta.
Ventajas los motores universales:
–
–
–
–
–
Pueden construirse para cualquier velocidad de giro alcanzando velocidades elevadas.
Funcionan indistintamente con corriente continua o con corriente alterna.
Poseen un elevado par de arranque.
La velocidad se adapta a la carga, a mayor carga menor velocidad.
Para regular la velocidad de giro basta con conectar un reóstato en serie con el inducido
Desventajas de los motores universales:
– Contienen elementos delicados que requieren un mantenimiento periódico; es necesario comprobar el
desgaste del colector, escobillas, el envejecimiento de los muelles que las oprimen contra las delgas del
colector, etc. Las escobillas se desgastan más rápidamente funcionando en CA que en CC.
– Entre el colector de delgas y las escobillas se producen chispas que pueden perturbar el funcionamiento
de los receptores de radio y de televisión que se encuentran en zona próxima al motor.
– En caso de avería el inducido es de difícil reparación, casi siempre resulta más ventajoso sustituirlo por
otro nuevo.
5.2. Placa de características y bornes
Es una placa colocada sobre la carcasa del motor con información sobre el fabricante y el propio motor. La
información proporcionada es similar a la mostrada en la imagen, en la que aparece la siguiente información de
tipo eléctrico, que vamos a describir.
Tensión asignada de funcionamiento. Los motores trifásicos se pueden conectar en estrella o en triángulo,
lo que significa que es posible conectar un motor a dos tensiones de alimentación, eso sí, vigilando el tipo de
conexión de las bobinas, por eso podemos decir que un motor trifásico es bitensión, porque puede funcionar
con dos tensiones. Para evitar que las bobinas se quemen debemos escoger cómo conectarlas dependiendo de
la tensión de la red. La tensión que es capaz de soportan una bobina está especificada en la placa de características
de cada motor.
Vamos a explicar con un ejemplo cómo seleccionar el
tipo de conexión dependiendo de la tensión de alimentación
de la red; en la imagen se muestra la placa de características
de un motor trifásico que tiene dos tensiones 22/38 V. Las
bobinas de este motor soportan un máximo de 22 V. Así, si
la red de alimentación es de 22 V las bobinas se conectarán
en triángulo; recuerda que UF = UL para las cargas trifásicas
en triángulo. Si ahora conectáramos el motor a una tensión Placa de características. (M.C.M.)
red de 38 V, sin cambiar las bobinas, estas soportarían
una tensión de 38 V y se quemarían. Para solucionar este problema debemos recordar que para una carga
—
trifásica en estrella, UF = UL / √3 ; conectando las bobinas en estrella la tensión que soporta cada bobina es
—
38/ √ 3 = 22 V, por lo que es posible conectar el motor a una tensión de 38 V siempre que las bobinas están
conectadas en estrella.
214
Resumiendo: cuando en un motor aparecen dos tensiones de funcionamiento el motor debe conectarse en
triángulo para la tensión de menor valor y en estrella para la tensión de mayor valor.
En la caja de bornes, situada, como se ha indicado anteriormente, en la parte exterior de la carcasa, están
señalados con letras los extremos de las bobinas del devanado inductor. Los extremos que van conectados a la
línea de alimentación van marcados con las letras U1, V1 y W1. Las conexiones se realizan utilizando unas
plaquitas metálicas, marcadas en negro en las figuras siguientes.
Conexionado de bornes. (C.A.L.y M.C.M.)
Intensidad nominal. Es la intensidad que consume cuando se le conecta la carga nominal. Si hay dos tensiones,
aparece una intensidad para cada tensión a la que funcione.
Frecuencia de funcionamiento. En Europa, 50 Hz.
Potencia nominal. Es la potencia que entrega el motor en el eje cuando está
conectado con la carga nominal.
Velocidad nominal. Es la velocidad de giro cuando está funcionando a la potencia
nominal, se indica en r.p.m.
Factor de potencia. Es el cos φ del motor.
Otros datos. Pueden aparecer, otros datos como son la referencia del fabricante,
modelo, tipo de aislamiento, etc.
Para cambiar el sentido de giro del rotor de un motor trifásico basta con intercambiar
la conexión de dos de sus fases, tal como se indica en la figura de al lado.
215
Cambio del sentido de giro. (M.C.M.)
UNIDAD
7
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA
5.3. Curvas características
Hay una serie de curvas que indican el comportamiento del motor asíncrono
o de inducción de corriente alterna:
Característica mecánica. Es la curva que nos da el par mecánico en función
de la velocidad de giro del rotor.
En la primera gráfica podemos ver la curva típica de par−velocidad de un
motor de inducción en color azul, junto a la curva del par de carga en color
rojo.
Característica mecánica. (M.C.M.)
Para que un motor pueda arrancar es necesario que el par de
arranque supere al par resistente que ofrece la carga.
El motor debe funcionar en la parte situada a la derecha del par
máximo, que es la zona estable de funcionamiento.
En la gráfica de al lado, se muestran varias curvas características:
la de rendimiento, la de velocidad de salida, la de factor de potencia
y la de intensidad absorbida en función del índice de carga.
Curvas características de un motor de inducción. (M.C.M.)
5.4. Esquemas de conexionado y arranque
Cuando una máquina está conectada a la red eléctrica consume la corriente indicada en su placa de características,
pero es en el momento del arranque cuando el consumo es máximo y debe limitarse a los valores establecidos
por los correspondientes reglamentos. El REBT (Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión) fija, en España, los
valores máximos en función de la potencia del motor y como cociente entre la intensidad en el arranque y la
intensidad funcionando a plena carga.
Potencia nominal
Intensidad arranque/intensidad a plana carga
De 0,75 a 1,5 kW
4,5
De 1,5 a 5,0 kW
3,0
De 5,0 a 15,0 kW
2,0
De más de 15,0 kW
1,5
En la siguiente representación gráfica de la curva podemos ver cómo varía la
intensidad absorbida en función de la velocidad de giro de la máquina. Vamos a estudiar
ahora las formas de arranque más frecuentes para los motores de inducción trifásicos.
216
Curva intensidad−velocidad. (M.C.M.)
Arranque directo
El arranque directo se utiliza en motores de baja potencia. El esquema general
del arranque de un motor es el mostrado en la figura .
Al presionar el pulsador S2 (marcha), alimentamos la bobina del contactor KM1
que cierra sus contactos principales, KM1, del circuito de potencia, y su contacto
auxiliar, KM1, del circuito de mando. Aunque dejemos de presionar el pulsador S2, el
motor seguirá funcionando. Para parar el motor es necesario presionar el pulsador
S1 (paro), cortamos la alimentación del contactor y el contactor KM1 del circuito de
potencia se abre. El relé de protección térmica señalado con F2 en el circuito de
potencia es una protección contra sobrecargas. En caso de aparecer una intensidad
excesiva abre el contacto F2 del circuito de mando que a su vez provoca la apertura
del contacto KM1 y la parada del motor.
Arranque directo. (M.C.M.)
Los procedimientos de arranque para los motores de rotor de jaula de ardilla, con la excepción del arranque
directo, se basan en reducir la tensión de alimentación del motor para así reducir la intensidad de arranque pero
a costa de reducir también el par de arranque.
Arranque estrella−triángulo
Es uno de los sistemas de arranque más utilizados para motores de mayor potencia.
Sólo puede utilizarse si la tensión de la línea de alimentación es igual a la tensión menor
de las dos indicadas en la placa de características. Este método de arranque necesita
que el motor tenga accesibles los terminales de cada bobina (U1−U2, V1−V2 y W1−W2).
Las bobinas del inductor se conectan inicialmente en estrella, soportando una tensión
—
de UL /√3 y posteriormente, cuando la velocidad es un 80% de la nominal, se realiza el
cambio de conexión a triángulo, permaneciendo en esta configuración hasta la parada.
La ventaja de esta forma de arrancar es que la intensidad de arranque se reduce
3 veces con respecto a la intensidad nominal, cuando está conectado en triángulo.
El inconveniente es que el par de arranque también se reduce 3 veces, lo que significa
que debe arrancarse con cargas bajas. En la gráfica anterior de las curvas se muestra
cómo se modifican las curvas de par e intensidad
absorbida.
El esquema de conexión estrella−triángulo se
muestra en la siguiente figura.
Cuando presionamos el pulsador S2 alimentamos las bobinas de los contactores KM1, que
conecta al motor a la red, y KM2, que conecta las
bobinas del motor en estrella, y lanzamos al relé
temporizador KA1; pasado el tiempo establecido
en el temporizador KA1, se abre su contacto
normalmente cerrado desconectando al contactor
KM2 y se conecta KM3 de forma simultánea,
pasando el motor a estar conectado en triángulo.
Arranque estrella−triángulo. (M.C.M.)
217
Curva Par−velocidad − curva Intensidad−velocidad
en el arranque estrella−triángulo(M.C.M.)
UNIDAD
7
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA
Arranque con autotransformador
Se aplica a motores de mayor potencia que los utilizados en el arranque estrella−triángulo. Se basa en la
aplicación de una tensión de alimentación inicialmente inferior a la nominal que va creciendo hasta el valor
nominal a medida que el motor pasa desde la situación de paro a la velocidad de rotación nominal. Con el
autotransformador conseguimos disminuir la tensión de alimentación y así reducir la intensidad en el arranque.
Arranque con variador de frecuencia
Los variadores de frecuencia son dispositivos electrónicos que permiten modificar
la velocidad y el par de los motores asincrónicos cambiando la frecuencia y tensión
de alimentación del motor a partir de la tensión y frecuencia de red que son fijas.
Con este tipos de dispositivo el par de arranque no se ve reducido. Su mayor
inconveniente es que puede introducir armónicos en la red si no son filtrados
Arranque con resistencias rotóricas
En el caso de los motores de rotor bobinado, además de los métodos anteriores,
se puede utilizar el arranque con resistencias rotóricas, que consiste en la
conexión de resistencias en serie con el bobinado rotórico que van eliminándose
progresivamente a medida que la velocidad del motor se acerca a la nominal. Al
conectar varias resistencias en serie con los devanados del rotor aumentamos
su resistencia, consiguiendo una menor intensidad en el arranque pero sin tener
que renunciar a una pérdida de par. Al colocar las resistencias rotóricas modificamos
la curva de par−velocidad como se muestra en la figura adjunta, desplazándola
hacia la izquierda.
Característica mecánica y curva de intensidad
en el arranque (M.C.M.)
Este tipo de arranque no es eficiente desde el punto de vista energético, pues se produce una disipación de
energía en forma de calor en las resistencias rotóricas.
El esquema del arranque es
el de la figura de al lado. Su
funcionamiento es el siguiente:
Presionando sobre el pulsador
S2 (marcha) conectamos el
contactor KM1 que lanza los relés
temporizadores KA1 y KA2; las
resistencias R1 y R2 están
conectadas al rotor. Después de
un tiempo t1, el relé KA1 conecta
el contactor KM2 desconectando
a R1. Después de un tiempo t2,
entra el contactor KM3 desconectando a R2 y al mismo tiempo
desconecta KA1, KA2 y KM2. En
este momento no hay ninguna
resistencia externa conectada al
rotor. Esta situación se mantiene
hasta que se pare el motor
accionando S1.
Arranque por resistencias rotóricas. (M.C.M.)
218
Actividades
12. Un motor asíncrono trifásico de 5 kW, 230/400 V y 6 polos, tiene a plena carga un factor de potencia 0,8, un rendimiento
del 82 % y un deslizamiento del 4 %. El motor se conecta a una línea trifásica de 400 V y 50 Hz. Se pide:
a) La forma de conexión del motor en condiciones nominales de funcionamiento. Justificar la respuesta.
b) La corriente absorbida de la línea a plena carga.
c) La velocidad de giro a plena carga en r.p.m.
d) El par de plena carga.
13. Una máquina asíncrona que mueve una bomba se conecta, en triángulo, a una red trifásica de 400 V y f = 50 Hz.
La máquina tiene 3 pares de polos y requiere 16 kW para obtener un par de 160 N·m.
a) Esta máquina ¿está funcionando como motor o como generador?
b) Calcula el valor del deslizamiento.
c) Calcula la potencia útil en CV. Comparando esta potencia calculada con la nominal, que es de 20 CV, ¿estará
la máquina sobrecargada?
d) ¿Cómo se podría hacer funcionar esta máquina como generador?
14. Un motor asíncrono trifásico que gira a 1480 r.p.m., está conectado a una red eléctrica trifásica de 380V y 50 Hz,
consume 5 A, con un rendimiento del 0,85 y un factor de potencia del 0,72. Determinar:
a) La potencia con la que se está alimentando a la máquina.
b) El par que proporciona el motor.
15. Un motor trifásico conectado en estrella presenta en su placa de características los siguientes datos: P = 1,25 kW,
U = 400 V, f = 50 Hz, cosφ = 0,75 inductivo, y suministra una potencia útil en el eje de 1,5 CV (1CV = 736 W). Calcular:
a) La tensión de línea y de fase.
b) La corriente de línea y de fase.
c) La potencia reactiva y aparente.
d) El rendimiento
16. En la placa de características de un motor asíncrono trifásico de 3 pares de polos se indican los siguientes datos:
U = 400/230 V, f = 50 Hz, η = 0,85 y cos φ = 0,85. Se conecta a una red trifásica de 230 V de tensión de línea. A
plena carga la corriente de línea del motor es de 20 A. Se pide:
a) Indicar el tipo de conexión (triángulo o estrella) adecuado, justificando la respuesta.
b) Las potencias activa y reactiva absorbidas por el motor.
c) La potencia útil en CV y el par motor cuando el deslizamiento es del 3,5%.
17. Se sabe que la velocidad y la potencia nominal de un motor asíncrono es de n = 975 r.p.m. y Pn = 11 kW
respectivamente. La frecuencia de la red es 50 Hz.
a) ¿Cuántos polos tiene dicho motor?
b) ¿Cuál es el par en régimen nominal?
c) Si el deslizamiento para el par máximo (τmax = 270 N·m) es el 3,8 %. ¿Cuál es la velocidad del rotor cuando
suministra el par máximo?
d) Índice de carga de la máquina en las circunstancias del apartado c).
Recuerda
ü Los motores síncronos giran a la velocidad de sincronismo y necesitan de sistemas auxiliares para arrancar.
ü Los motores de inducción o asíncronos siempre giran a una velocidad inferior a la de sincronismo.
ü Todos los motores tiene una placa de características con información sobre el fabricante junto con información
técnica del propio motor.
ü El cambio de sentido de giro de un motor asíncrono trifásico se realiza intercambiando la conexión entre dos fases.
ü Con la curva de característica mecánica conocemos cómo cambia el par del motor con la velocidad.
ü Hay diferentes sistemas para reducir la intensidad absorbida durante el arranque: estrella−triángulo,
autotransformador, resistencia rotórica o variador de velocidad
219
UNIDAD
7
MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE ALTERNA
6. Motor de inducción monofásico
Cuando en una vivienda o pequeños comercios es necesario utilizar frigoríficos, lavadoras, aparatos de aire
acondicionado o cualquier otro dispositivo que necesite un motor, se recurre a los motores de inducción monofásicos.
Estos motores tienen rendimiento y factor de potencia menor que el motor trifásico de similar potencia.
Mediante una sola bobina, bobinado monofásico, conectada a corriente alterna, no se consigue un flujo
magnético rotatorio. Si los motores monofásicos solo tuviesen el bobinado principal, necesitarían ser lanzados
para poder arrancar. La solución a este problema es la colocación de un segundo bobinado auxiliar de arranque,
que genera un flujo desfasado con el principal y la resultante de los dos (auxiliar y principal) si es un campo
rotatorio que permite al motor arrancar por sí mismo.
Dependiendo de la configuración del bobinado de arranque tenemos:
Devanados de fase partida sin condensador.
El rotor de estos motores es como
el rotor de jaula de ardilla de un motor
trifásico. La diferencia está en el
devanado inductor que consta de un
devanado principal y un devanado
auxiliar, desfasados entre sí 90º
eléctricos y en paralelo, lo que provoca
la aparición de un campo magnético
giratorio, de esta forma conseguimos
que el motor arranque. El devanado
auxiliar se desconecta cuando el motor
ya ha arrancado, utilizando un
interruptor centrífugo.
Este motor se utiliza para potencias
de hasta un caballo (736 W).
Motor monofásico de fase partida sin condensador. (M.C.M.)
Devanados de fase partida con condensador
La idea es similar a la del motor anterior, crear un flujo magnético giratorio. La máquina consta de un devanado
inductor principal y un devanado
inductor auxiliar conectado en serie
con un condensador, con lo que se
consigue un desfase entre la corriente
del devanado principal y la del auxiliar,
tal como se puede observar en la
imagen siguiente, la presencia del
condensador provoca que la corriente
del devanado auxiliar esté adelantada
con respecto a la del devanado
principal, como consecuencia se Motor monofásico de fase partida con condensador (M.C.M.)
genera un campo magnético giratorio
que permite el arranque del motor. Este montaje prescinde del interruptor centrífugo y mejora el factor de potencia
con respecto al montaje sin condensador.
220
Motor con espira de sombra o cortocircuito
Es un motor de polos salientes como el esquema inferior; es un motor de pequeña potencia (300 W) y bajo
rendimiento que apenas necesita mantenimiento.
Para conseguir que el rotor pueda gira se coloca una pequeña espira en cortocircuito, llamada también espira
de sombra, tal como se indica en la figura de abajo.
Cuando alimentamos el devanado inductor del motor con corriente alterna aparece un campo magnético
también alterno; este a su vez atraviesa las espiras de sombra induciendo en ella una corriente que crea un flujo
magnético que se opone al principal en la zona donde está la espira. El efecto que se produce es un retraso del
flujo en esa zona, que debilita al flujo principal cuando está creciendo y lo mantiene cuando está disminuyendo,
produciendo un retraso del campo magnético pulsante en la zona de la espira. El efecto conjunto es la creación
de un débil campo giratorio que posibilita el arranque del motor.
Espira de sombra (C.A.L)
Flujos en el entrehierro (C.A.L.)
En la imagen tenemos una fotografía real de un motor con espira de sombra.
Actividades
Motor de espira de sombra. (A.L.B y M.C.M)
18. Los datos obtenidos de las tablas de un fabricante para un motor monofásico de jaula de ardilla son:
p = 2; ns = 1500 r.p.m.; cosϕ = 0,75; η = 0,85 y τ = 42 N·m
Si funciona con una tensión 230 V y un deslizamiento del 2 %, debemos calcular:
a) La velocidad de giro del motor.
b) La potencia eléctrica absorbida.
c) La intensidad absorbida.
19. De un motor asíncrono monofásico de 1,5 CV conectado a una tensión de 230 V, sabemos que su corriente
nominal absorbida es de 7,5 A, su factor de potencia es de 0,85, su velocidad nominal es de 1460 r.p.m., y su
velocidad de sincronismo es de 1500 r.p.m. Debemos determinar:
a) La potencia que absorbe el motor de la red en régimen nominal.
b) El deslizamiento nominal del motor.
c) El rendimiento nominal del motor.
d) El par nominal del motor.
Recuerda
ü Los motores monofásicos necesitan sistema de arranque.
ü Los motores monofásicos más utilizados son los de fase partida, con o sin condensador.
ü Lo motores monofásicos tienen menor rendimiento y menor factor de potencia que los trifásicos.
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