Motor trifásico

El Motor Asíncrono.

Los motores asíncronos o de inducción son un tipo de motores eléctricos de corriente alterna. El primer prototipo de motor eléctrico capaz de funcionar con corriente alterna fue desarrollado y construido por el ingeniero Nikola Tesla y presentado en el American Institute of Electrical Engineers (en español, Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos, actualmente IEEE) en 1888.

El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estátor, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º. Según el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de inducción de Faraday.


Entonces se da el efecto Laplace (ó efecto motor): todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (ó efecto generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión.

El campo magnético giratoria, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estator, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción.

La acción mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor.

La diferencia entre las velocidades del rotor y el campo magnetico se denomina deslizamiento.

Constitución del motor asíncrono
Circuito magnetico
La parte fija del circuito magnetico (estator) es un anillo cilindrico de chapa magnetica ajustado a la carcasa que lo envuelve. La carcasa tiene una funcion puramente protectora. En la parte interior del estator van dispuestos unas ranuras donde se coloca el bobinado correspondiente.

En el interior del estator va colocado el rotor, que es un cilindro de chapa magnetica fijado al eje. En su periferia van dispuestas unas ranuras en las que se coloca el bobinado correspondiente.

El entrehierro de estos motores es constante en toda su circunferencia y su valor debe ser el minimo posible

Circuitos electricos

Los dos circuitos eléctricos van situados uno en las ranuras del estator (primario) y otro en las del rotor (secundario), que esta cortocircuitado.

El rotor en cortocircuito puede estar formado por bobinas que se cortocircuitan en el exterior de la maquina directamente o mediante reostatos; o bien, puede estar formado por barras de cobre colocadas en las ranuras, que han de ser cuidadosamente soldadas a dos anillos del mismo material, llamados anillos de cortocircuito. Este conjunto de barras y anillos forma el motor jaula de ardilla

También existen motores asíncronos monofásicos, en los cuales el estator tiene un devanado monofásico y el rotor es de jaula de ardilla. Son motores de pequeña potencia y en ellos, en virtud del Teorema de Leblanc, el campo magnético es igual a la suma de dos campos giratorios iguales que rotan en sentidos opuestos.

Tipos Constructivos
El motor de jaula de ardilla consta de un rotor constituido por una serie de conductores metálicos (normalmente de aluminio) dispuestos paralelamente unos a otros, y cortocircuitados en sus extremos por unos anillos metálicos, esto es lo que forma la llamada jaula de ardilla por su similitud gráfica con una jaula de ardilla. Esta 'jaula' se rellena de material, normalmente chapa apilada. De esta manera, se consigue un sistema n-fásico de conductores (siendo n el número de conductores) situado en el interior del campo magnético giratorio creado por el estator, con lo cual se tiene un sistema físico muy eficaz, simple, y muy robusto (básicamente, no requiere mantenimiento).

El motor de rotor bobinado tiene un rotor constituido, en vez de por una jaula, por una serie de conductores bobinados sobre él en una serie de ranuras situadas sobre su superficie. De esta forma se tiene un bobinado en el interior del campo magnético del estátor, del mismo número de polos (ha de ser construido con mucho cuidado), y en movimiento. Este rotor es mucho más complicado de fabricar y mantener que el de jaula de ardilla, pero permite el acceso al mismo desde el exterior a través de unos anillos que son los que cortocircuitan los bobinados. Esto tiene ventajas, como la posibilidad de utilizar un reostato de arranque que permite modificar la velocidad y el par de arranque, así como el reducir la corriente de arranque.

En cualquiera de los dos casos, el campo magnético giratorio producido por las bobinas inductoras del estator genera unas corrientes inducidas en el rotor, que son las que producen el movimiento.

Fuente: Wikipedia,

ver enlace
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_as%C3%ADncrono








Motor de inducción tipo jaula de ardilla




Partes de un motor trifásico de torod bobinado




Partes de un motor jaula de ardilla




Lista de partes de un motor trifásico jaula de ardilla




Placa de datos de un motor trifásico de 5 HP




Montaje de bomba de agua con motor trifásico de 5 HP, 480 voltios




datos de motor de una bomba sumergible de 25 HP, 480 V




Principio de funcionamiento del motor jaula de ardilla




Tipos de rotores en motores de inducción




Conexión de devanados




Cambio de rotación (inversión de giro)
Para realizar el cambio de giro hay que intercambiar dos fases cualquiera.

Contactores

Contactor, al lado se ve un contacto auxiliar.



Un contactor es un componente electromecánico que tiene por objetivo establecer o interrumpir el paso de corriente, ya sea en el circuito de potencia o en el circuito de mando, tan pronto se energice la bobina (en el caso de ser contactores instantáneos). Un contactor es un dispositivo con capacidad de cortar la corriente eléctrica de un receptor o instalación, con la posibilidad de ser accionado a distancia, que tiene dos posiciones de funcionamiento: una estable o de reposo, cuando no recibe acción alguna por parte del circuito de mando, y otra inestable, cuando actúa dicha acción.En los esquemas eléctricos, su simbología se establece con las letras KM seguidas de un número de orden.

Funcionamiento:
Los contactos principales se conectan al circuito que se quiere gobernar. Asegurando el establecimiento y cortes de las corrientes principales y según el número de vías de paso de corriente podrá ser bipolar, tripolar, tetrapolar, etc. realizándose las maniobras simultáneamente en todas las vías.

Los contactos auxiliares son de dos clases abiertos, NA, y cerrados, NC. Estos forman parte del circuito auxiliar del contactor y aseguran las autoalimentaciones , los mandos, enclavamientos de contactos y señalizaciones en los equipos de automatismo.

Cuando la bobina del contactor queda excitada por la circulación de la corriente, esta mueve el núcleo en su interior y arrastra los contactos principales y auxiliares, estableciendo a través de los polos, el circuito entre la red y el receptor.

Partes de un contactor:


Carcasa. Soporte fabricado en material no conductor que posee rigidez y soporta el calor no extremo, sobre el cual se fijan todos los componentes conductores al contactor.

Electroimán. Elemento compuesto por una serie de dispositivos, los más importantes son el circuito magnético y la bobina; su finalidad es transformar la energía eléctrica en magnetismo, generando así un campo magnético muy intenso, que provocará un movimiento mecánico.

Bobina. Es un arrollamiento de cable de cobre muy delgado con un gran número de espiras, que al aplicársele tensión genera un campo magnético. Éste a su vez produce un campo electromagnético, superior al par resistente de los muelles, que a modo de resortes, se separan la armadura del núcleo, de manera que estas dos partes pueden juntarse estrechamente.
Se genera un campo magnético intenso, de manera que el núcleo puede atraer a la armadura y a la resistencia mecánica del resorte o muelle que los mantiene separados en estado de reposo. Generalmente las terminales de conexión de la bobina se indican con A1 y A2.


Núcleo. Es una parte metálica, de material ferromagnético, generalmente en forma de E, que va fijo en la carcasa.Su función es concentrar y aumentar el flujo magnético que genera la bobina (colocada en la columna central del núcleo), para atraer con mayor eficiencia la armadura.

Armadura. Elemento móvil, cuya construcción es similar a la del núcleo. Su función es cerrar el circuito magnético una vez energizada la bobina, ya que debe estar separado del núcleo, por acción de un muelle.


Núcleo.


Las características del muelle permiten que, tanto el cierre como la apertura del circuito magnético, se realicen de forma muy rápida, alrededor de unos 10 milisegundos. Cuando el par resistente del muelle es mayor que el par electromagnético, el núcleo no logrará atraer a la armadura o lo hará con mucha dificultad. Por el contrario, si el par resistente del muelle es demasiado débil, la separación de la armadura no se producirá con la rapidez necesaria.

Contactos. Son elementos conductores que tienen por objeto establecer o interrumpir el paso de corriente en cuanto la bobina se energice. Todo contacto esta compuesto por tres conjuntos de elementos: Dos partes fijas ubicadas en la coraza y una parte móvil colocada en la armadura para establecer o interrumpir el paso de la corriente entre las partes fijas. El contacto móvil lleva el mencionado resorte que garantiza la presión y por consiguiente la unión de las tres partes.


Contacto principal

Contactos principales: su función es establecer o interrumpir el circuito principal, consiguiendo así que la corriente se transporte desde la red a la carga.
Contactos auxiliares: son contactos cuya función específica es permitir o interrumpir el paso de la corriente a las bobinas de los contactores o los elementos de señalización, por lo cual están dimensionados únicamente para intensidades muy pequeñas. Los contactor pueden estar en estado de reposo (sin energizar la bobina de mando) en posición normalmente cerrados (NC) o normalmente abiertos (NA), cambiando esta condiciona a la otra cuando se energiza la bobina.

Proteccion de motores en el arrancador

El circuito de arranque de un motor debe contener además del medio para permitir el paso de corriente como lo es el contactor y su respectivo circuito de control de mando o auxiliar. Otros elementos adicionales para la protección del motor, siguiendo el orden de alimentación de la fuente de voltaje, se encuentra en primer lugar el interruptor termomagnético (flipón) y/o fusibles adecuados, luego si el sistema de protección contra falla o falta de una fase, si al motor le llega a faltar al menos una fase de alimentación, éste "intentara" seguir trabajando con dos fases, pero se quemara luego de cierto tiempo, no a todos los motores se les instala esta protección y dependerá del tamaño del motor, ya que entre más grande el motor más caro será y entonces se justificará esta protección. Después se encuentra el contactor, a la salida de éste y entre el motor deber de estar el Relé de sobrecorriente, el cual es un elemento importante en la protección de todos los motores de cualquier tamaño, dentro de este relé de sobrecorriente van los "fusibles" que son llamados elementos térmicos o calentadores, que al accionarse por una sobrecorriente permiten que su correspondiente contacto auxiliar en el circuito de mando se abra (de normalmente cerrado pasa a un estado de contacto abierto, obligando así a que se desenergice la bobina del contactor principal y por consiguiente que los contactos principales en el circuito de fuerza se abran y deteniéndose el motor entonces, en algunos relés se puede ajustar la corriente de operación dentro de cierto rango.

Un contactor más un elemento de sobrecorriente y un sistema de mando para el control es un Arrancador.

Arranque de motores a Voltaje Reducido

Curva de corriente de arranque de un motor a pleno voltaje


Curva de corriente de arranque de un motor con arrancador



Tal como se observa en la gráfica de corriente-velocidad del motor, este consume de 5 a 6 veces su corriente nominal en el arranque, dependiendo del tamaño del motor y para que esta corriente de arranque no perjudique al sistema del cual tomamos la alimentación (voltaje) se utiliza algún tipo de arrancador que limite esta corriente de arranque. Los más utilizados en nuestro medio son el Arrancador Tipo Autotransformador y el Arrancador tipo Estrella-Delta.

Arrancador Tipo Autotransformador.
El arrancador tipo autotransformador provee voltaje reducido a las terminales del motor durante el arranque por medio del uso de un autotransformador trifásico son derivaciones (taps). Estas derivaciones brindan la posibilidad de escoger como voltaje de arranque un 50%, 65% o 80% del voltaje de la línea, siendo el par de arranque 25%, 42% 0 64% de sus valores a voltaje de línea. Sin embargo, debido a la acción del autotransformador, la corriente de línea será menor que la corriente del motor, siendo 25%, 42% o 64% de los valorea a pleno voltaje.


Circuito de fuerza de arrancador por autotransformador


Arrancador Tipo Estrella-Delta.
Estos arrancadores solo pueden usarse con motores estrella-delta, es decir que los motores deben de tener accesible en la caja de conexión 6 terminales, para permitir que los embobinados del motor puedan ser conectados en estrella o en delta.
Para el arranque, los embobinados del motor se conectan en estrella, esto reduce el voltaje aplicado a través de cada bobina a un 58% de su valor nominal (por ejemplo si el motor se alimenta con un voltaje de 240 voltios, entonces al tener conectadas las bobinas en estrella ellas "veran" como el voltaje de línea los 240 voltios, pero cada bobina conectada en estrella tendrá una corriente de fase VF=VL/1.73, que equivale a 138.6 voltios o 58% de 240V, si el motor es alimentado con 480 voltios, las bobinas tendrán como voltaje de fase el 58% de 480 V, (calcule usted este voltaje de fase porqué será una pregunta en el examen final), disminuyendo así la corriente y el par durante el arranque. Después del arranque, los embobinados son reconectados en la configuración delta. Con el motor arrancando en estrella, la corriente y el par son el 33% de los valores que tendrían si el motor se arrancara en delta. El arrancador estrella-delta, en realidad no reduce el voltaje en los terminales del motor, pero brinda un efecto de arranque reducido.


Circuito de fuerza de un arrancador estrella-delta


Circuito de mando de un arrancador estrella-delta

Arrancador a Pleno Voltaje

Este tipo de arrancador se describió en clase, recalcándose aquí únicamente que éste arrancador no limita la corriente de arranque. Observese que la simbología para los circuitos ya sea de fuerza o de mando (control) pueden variar, esto es porque en nuestro medio se hace uso de los símbolos de la norma americana y de la europea.

Variadores de frecuencia y arrancadores suaves (soft start)

Variadores de Frecuencia
Un variador de frecuencia es un sistema para el control de la velocidad rotacional de un motor de corriente alterna (AC) por medio del control de la frecuencia de alimentación suministrada al motor. Un variador de frecuencia es un caso especial de un variador de velocidad. Los variadores de frecuencia son también conocidos como drivers de frecuencia ajustable (AFD), drivers, microdrivers o inversores. Dado que el voltaje es variado a la vez que la frecuencia, a veces son llamados drivers VVVF (variador de voltaje variador de frecuencia).

Los dispositivos variadores de frecuencia operan bajo el principio de que la velocidad síncrona de un motor de corriente alterna (CA) está determinada por la frecuencia de CA suministrada y el número de polos en el estátor, de acuerdo con la relación: rpm=(120f)/p

Las características del motor CA requieren la variación proporcional del voltaje cada vez que la frecuencia es variada. Por ejemplo, si un motor está diseñado para trabajar a 460 voltios a 60 Hz, el voltaje aplicado debe reducirse a 230 volts cuando la frecuencia es reducida a 30 Hz. Así la relación voltios/hertzios deben ser regulados en un valor constante (460/60 = 7.67 V/Hz en este caso). Para un funcionamiento óptimo, otros ajustes de voltaje son necesarios, pero nominalmente la constante es V/Hz es la regla general. El método más novedoso y extendido en nuevas aplicaciones es el control de voltaje por PWM




El controlador de dispositivo de variación de frecuencia está formado por dispositivos de conversión electrónicos de estado sólido. El diseño habitual primero convierte la energía de entrada CA en CC usando un puente rectificador. La energía intermedia CC es convertida en una señal quasi-senoidal de CA usando un circuito inversor conmutado. El rectificador es usualmente un puente trifásico de diodos, pero también se usan rectificadores controlados. Debido a que la energía es convertida en continua, muchas unidades aceptan entradas tanto monofásicas como trifásicas (actuando como un convertidor de fase, un variador de velocidad).


Aplicación variador de frecuencia para controlar la velocidad del motor.

Los variadores de frecuencia actuales son completamente programables o ajustables a las condiciones que se requieran, ya que no unicamente se puede variar la velocidadad de operación, sino que también se puede ajustar el tiempo (rampa) en que el motor llega a esa velocidad, al igual que el tiempo de parada. Las funciones de programación son bastante extensas como para enumerarlas aquí, generalmente el variador no viene programado y hay que introducirle los datos básicos del motor, entre ellos: potencia (HP o Kw), voltaje del motor, amperaje del motor a plena carga, velociad nominal del motor, frecuencia del motor, número de polos, factor de potencia y eficiecia del motor, etc. y definirle los tiempos de rampa de arranque y de parada, además de la forma en que va a operar el torque.
Además al ser digital, en pantalla podemos ver el voltaje de alimentación, la corriente y potencia que esta demandando en ese instante, la frecuencia y/o velocidad que tiene en ese momento, etc.

Con los variadores de frecuencia se puede gobernar la velocidad de un motor hasta el doble de su frecuencia nominal, recuerdese que al aplicar la frecuencia nominal (60 Hz) el motor girara a su velocidad nominal, según sea la aplicación respecto a esta velocidad hay que tener precauciones si se esta sobrepasando la velocidad nominal al igual que si el motor esta girando con pocas revoluciones, ya que esto tiene implicaciones respecto a la carga que este acoplada al eje del motor o del reductor y si la velocidad es lenta tener precaución con la ventilación, ya que el ventildor que viene incorporado al eje del motor girará tambien a esa velocidad.

No todos los motores pueden operar con un variador de frecuencia, los motores que pueden operar con un variador de frecuencia son los que tiene un aislamiento clase "F" o que tenga una temperatura mayor que éste. Esto es debido al calor que se genera en la bobinas al variarse la frecuencia del motor. Si no se tiene este cuidado facilmente se podria quemar un motor con aislamiento clase "B" por ejemplo. (los motores antiguos se fabricaban con esa clase de asilamiento, generalemente el tipo de aislamiento se encuentra en la placa de datos del motor).








Arrancadores Suaves (Soft Starter)






El Arrancador Suave es un arrancador de estado sólido, es decir que complamente electrónico, por lo que el tiempo de arranque se puede programar, es decir que podemos programar en cuantos segundos se desea que el motor llegue a su velocidad nominal desde su estado de reposo.

El arrancador puede ser análogo o completamente digital respecto a su forma de ajsutes o seting ( si es análogo el ajuste es por medio de potenciómentros y si es digital el ajuste es por medio de teclas y una pantalla.



Arrancador suave Análogo


Arrancador suave Digital

El Arrancador Suave es una alternativa de menor costo frente a un Variador de Velocidad.
El arrancador suave electrónico es una forma más de poner en marcha, mediante reducción de tensión aplicada, un motor de corriente alterna asincrónico trifásico. O sea, es similar a una resistencia o reactancia en serie (por fase). La corriente en el arrancador es igual a la corriente de salida (motor). Esta situación lo ubica en desventajas respecto a los arrancadores mediante transformador, en cuanto a demanda de corriente a la red. Pues el transformador reportará una corriente inferior en el bobinado primario y la corriente del motor en el bobinado secundario.
El arrancador suave emplea elementos de estado sólido para realizar el control de la tensión de salida.


Control de la tensión de salida al motor por medio de elementos semiconductores (tirisotres o rectificadores controlados de sílicio SCR)

------ Hasta aquí entra en el examen final ------