Fundamentos y Aplicaciones de Máquinas Eléctricas: Motores, Arranque y Protección

Fundamentos de Máquinas Eléctricas

Cálculo de Par de Polos y RPM

Ejercicio: Pares de Polos

Para calcular la velocidad de pares de polos (conexión en triángulo) y la velocidad de giro (conexión en estrella), se considera que las RPM síncronas deben ser ligeramente mayores que las RPM nominales. El primer paso es calcular el par de polos hasta que las RPM síncronas cumplan esta condición, utilizando la fórmula:

RPM síncronas = (60 * Frecuencia) / Par de Polos (ir probando valores)

Si se solicitan las RPM nominales y se proporciona el deslizamiento, se calcula mediante:

RPM nominales = Ns * (1 - deslizamiento) (donde el deslizamiento no se expresa en porcentaje).

Definición de Máquinas Eléctricas

Las Máquinas Eléctricas son mecanismos capaces de generar, transformar o aprovechar la energía eléctrica.

• Máquinas Estáticas: No tienen partes móviles (ejemplo: transformadores). Modifican la tensión (V) y la intensidad (I), pero no transforman la energía en otro tipo diferente.
• Máquinas Rotativas: Transforman la energía mecánica en eléctrica o viceversa (de mecánica a eléctrica: generador; de eléctrica a mecánica: motor).

Tipos de Máquinas Eléctricas

Máquinas de Corriente Continua (CC)

Incluyen las dinamos (generadores) y los motores de CC.

Máquinas de Corriente Alterna (CA)

• Máquinas Síncronas (Excitadas por CC)

  El rotor gira a la misma velocidad que el campo magnético rotatorio producido en el estator. Son muy usadas en generadores (alternadores).

• Máquinas Asíncronas (Excitadas por CA)

  Comprenden los motores monofásicos o trifásicos de inducción (asíncronos). En corriente alterna, el campo magnético varía; si es trifásico, el campo es giratorio.

  Funcionamiento del Motor Asíncrono

  Su funcionamiento se basa en la acción del flujo giratorio producido en el estator. Este flujo corta los conductores del bobinado del rotor e induce una fuerza electromotriz (f.e.m.), dando origen a corrientes en el rotor. Estas corrientes, a su vez, producen el par motor y hacen girar el rotor en el sentido del campo. La diferencia entre la velocidad del rotor y la del flujo del estator es conocida como deslizamiento.

  La velocidad del campo y la del rotor no pueden alcanzarse simultáneamente, ya que, de ser así, no habría un campo variable y desaparecería la f.e.m. generada. La relación es la siguiente:

  + Carga → - Velocidad → + Deslizamiento → + Intensidad → + Par

  Tipos de Rotor en Motores Asíncronos

  • Motores de Jaula de Ardilla: En estos motores, no es posible la conexión del bobinado del rotor con el exterior. La posición inclinada de las barras mejora las propiedades de arranque y disminuye los ruidos (el bobinado está en cortocircuito).
  • Motores de Rotor Bobinado: Poseen devanados similares a los del estator. El número de fases no tiene por qué ser igual, pero sí el número de polos. Los devanados están conectados a anillos colectores. Estos devanados accesibles permiten realizar varios tipos de arranque. Normalmente, van en cortocircuito, como los de jaula de ardilla.

  Conexiones de Bobinado

  En conexión estrella, la intensidad de línea es igual a la intensidad de fase.

  En conexión triángulo, la intensidad de línea es igual a √3 veces la intensidad de fase.

Sistemas de Arranque y Protección de Motores

Arranque de Motores

• Arranque Directo

  Utilizado en motores de pequeña potencia. La corriente de arranque puede ser de 2.5 a 6.5 veces la nominal. Para este tipo de arranque, el sistema debe estar protegido contra cortocircuitos y sobrecargas mediante un magnetotérmico y un relé térmico o disyuntor.

• Arrancadores Suaves (Soft Starters)

  Se usan para un arranque controlado. Son equipos que se encargan de regular la tensión (V) y la intensidad (I) en la puesta en marcha y el paro, para evitar picos de intensidad. Permiten acelerar la carga de forma progresiva hasta la rotación nominal o una detención controlada. Para evitar sobrecargas, utilizan sensores de tensión e intensidad, los cuales envían valores al microcontrolador para ajustar la tensión y la intensidad en función de la demanda.

  Tienen 3 parámetros ajustables:

  • Tiempo de Arranque (Tarranque)
  • Tiempo de Paro (Tparo)
  • Tensión inicial de arranque (V inic de arranque)

  Ventajas de los Arrancadores Suaves

  • Limitan picos de intensidad y caídas de tensión.
  • Controlan la instalación.
  • Ofrecen protección.
  • Aumentan la vida útil del motor.
  • Eliminan choques mecánicos.

  Usos Comunes

  • Ventiladores industriales
  • Compresores
  • Cintas transportadoras

• Variadores de Frecuencia (VFD)

  Controlando la frecuencia (Frec) y la tensión (V), los VFD permiten controlar la velocidad y el par del motor. Permiten secuencias de funcionamiento complejas y pueden trabajar con PLC (Controladores Lógicos Programables).

  Cambian la frecuencia a través de IGBTs (Transistores Bipolares de Puerta Aislada).

  Usos Comunes

  • Ventiladores
  • Equipos de bombeo
  • Bandas transportadoras
  • Ascensores
  • Tornos
  • Fresadoras

  Ventajas de los Variadores de Frecuencia

  • Mayor rendimiento del motor.
  • Gran precisión en el control de velocidad y par.
  • La mayoría se pueden controlar con PLC para aplicaciones más complejas.

Relés de Protección

• Relés de Máxima Intensidad: Se regula la intensidad máxima con una ruleta. Luego, con la ruleta TR, se establece el tiempo inicial durante el cual no se monitorea la intensidad. Con la ruleta TT, se indica el tiempo que la intensidad debe superar el umbral para que se activen los contactos auxiliares.
• Relé Térmico: Debe permitir sobrecargas del 20% durante 1 hora o del 50% durante 2 minutos. Se escoge asegurándose de que la intensidad que lo va a atravesar esté entre el mínimo y el máximo del dial.
• Relé de Disparo Instantáneo ante Falta de Fase: Desconecta rápidamente el circuito de mando cuando una fase cae.
• Relé de Control Térmico de Motor: Mediante sensores NTC o PTC adosados a la carcasa del motor, detecta cuando se sobrepasa una temperatura determinada.

Capacidad de Contactores

• Poder de Cierre (Pci): Es el máximo valor de intensidad inicial de conexión que soporta un contacto.
• Poder de Corte (Pco): Es el máximo valor de intensidad que puede cortar un contacto sin generar un gran arco.

Motores Especiales

Motor Universal

Funciona tanto en corriente alterna (AC) como en corriente continua (DC). Su estator está compuesto por chapas aisladas entre sí y polos salientes sobre los cuales están los bobinados inductores. El rotor es un tambor de chapas magnéticas aisladas entre sí con ranuras en las que se aloja un devanado que se conecta a un colector de delgas y a las escobillas. El devanado del rotor está en serie con el del estator.

Cuando el devanado del estator es recorrido por una intensidad, el estator produce un campo electromagnético que atraviesa las espiras del rotor. Como circula intensidad por el devanado del rotor (al estar en serie con el del estator), se produce el giro del rotor. En corriente alterna, el cambio de polaridad simultáneo asegura que el giro permanezca en el mismo sentido. Variando la intensidad, podemos regular la velocidad y el par del motor.

Aplicaciones del Motor Universal

• Herramientas portátiles
• Aspiradoras
• Máquinas de coser
• Secadores de pelo
• Lavadoras

Ventajas del Motor Universal

• Funciona en AC y DC.
• Alto par de arranque.
• Regulación de velocidad (por resistencia o potencia).
• Velocidad adaptable respecto a la carga.

Desventajas del Motor Universal

• Al llevar escobillas, requiere mantenimiento periódico.
• Ruidosos por el rozamiento de las escobillas con el colector.
• Generan chispas que pueden causar interferencia con aparatos de radiofrecuencia.

Motor Brushless (Sin Escobillas)

No se ve afectado por la fricción, no generan tanto calor ni ruido. En la mayoría de los motores brushless, el rotor es la parte exterior y el estator la interior. El rotor va unido al eje, sujetado por unos rodamientos. Para el giro se emplean bobinas en el estator e imanes permanentes en el rotor. La intensidad pasa por los bobinados del estator, generando campos que interactúan con los del rotor. Para generar el giro, los bobinados del estator deben activarse y desactivarse de forma controlada y secuencial.

Aplicaciones del Motor Brushless

• Robots
• Ventiladores de equipos electrónicos
• Bicicletas eléctricas
• Patinetes eléctricos
• Lavadoras

Ventajas del Motor Brushless

• Robustos.
• Disipación de calor eficiente.
• Menor consumo.
• Menor mantenimiento.
• Menor peso para la misma potencia.

Desventajas del Motor Brushless

• Más complejos y caros.