Automatismos Industriales - 2

EL MOTOR

I.E.S.María Ibars

3 EL MOTOR El motor eléctrico es una máquina capaz de convertir energía eléctrica en energía mecánica (fig. 3.1).

E. ELÉCTRICA

MOTOR

E. MECÁNICA

Figura 3.1. Transformación de la energía en un motor

3.1 PARTES DE UN MOTOR ASÍNCRONO El motor asíncrono consta básicamente de dos partes distintas: el estator y el rotor. En los apartados que siguen describiremos las dos partes.

Figura 3.2 Partes del motor asíncrono

3.1.1 EL ESTATOR El estator (fig. 3.3) es la parte fija del motor. Está constituida por una carcasa en la que está fijada una corona de chapas de acero de calidad especial y provista de ranuras. Los bobinados están distribuidos en estas últimas, y forman un conjunto de devanados que contienen tantos circuitos como fases de la red de alimentación.

Figura 3.3 Estator de un motor asíncrono

José J. Miralles Pérez

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3.1.2 EL ROTOR El rotor (fig. 3.4) es la parte móvil del motor. Está situado en el interior del estator y constituido por un apilamiento de chapas de acero formando un cilindro solidario con el árbol del motor.

Figura 3.4 Rotor en cortocircuito

Uno de los motores asíncronos más utilizados es el motor de jaula de ardilla o rotor en cortocircuito. Según el tipo de jaula podemos dividir el rotor en: − −

Rotor de jaula simple. Rotor de jaula doble.

En los agujeros o ranuras, dispuestas hacia el exterior del cilindro y paralelamente a su eje, se colocan los conductores.

Rotor de jaula de ardilla

Rotor de doble jaula

Rotor de ranura profunda

Figura 3.5 Conductores y ranuras del rotor de un motor asíncrono

Cada extremo de estos conductores se conecta a una corona metálica (fig. 3.5). El conjunto tiene el aspecto de una jaula de ardilla, de donde proviene el nombre de este tipo de rotor. En determinados motores, la jaula de ardilla está enteramente moldeada. Tanto para los conductores como para las aletas de refrigeración, se suele utilizar el aluminio inyectado a presión. Las aletas de refrigeración, hechas en la misma operación, hacen masa con el rotor. Estos motores tienen un par de arranque relativamente pequeño, y la intensidad absorbida en la puesta en tensión es muy superior a la intensidad nominal. El rotor de jaula doble contiene dos jaulas concéntricas, una exterior bastante resistente y otra interior de menor resistencia. 3.1.3 CAJA DE BORNES El bobinado del estator termina en la caja de bornes. Como es un motor trifásico, tenemos tres bobinas, con lo que hay seis extremos de bobina. Las denominaciones oficiales de los bornes son: U, V y W. A continuación de las letras llevan un número (1 ó 2) que nos indica si es la entrada o la salida. José J. Miralles Pérez

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Así pues, los bornes de un motor tienen la siguiente denominación: − −

Entradas: U1, V1 y W1 Salidas: U2, V2 y W2

En motores y esquemas antiguos, podemos encontrar una denominación distinta a la anterior, y es la siguiente: − −

Entradas U, V y W Salidas; x, y, z

La caja de bornas (fig. 3.6) se representa con un cuadrado y 6 círculos, que referencian los principios y finales de las bobinas. U1

V1

W1

W2

U2

V2

Representación de la caja de bornes

Dibujo de una caja de bornes

Caja de bornes de un motor

Figura 3.6. Caja de bornes de un motor asíncrono trifásico

3.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASÍNCRONO TRIFÁSICO El principio de funcionamiento de los motores asíncronos está basado en la producción de un campo magnético giratorio en el estator, el cual induce una f.e.m. y una Intensidad en el rotor. Como la Intensidad del rotor es elevada, se crea un campo magnético en los conductores del mismo sentido, lo cual hace que los dos campos se repelan y el rotor gire. El rotor sigue el campo magnético giratorio creado por el estator. 3.2.1 VELOCIDAD DEL CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO La velocidad del campo giratorio viene dado por la formula: n=

60f p

Donde: n= revoluciones por minuto (rpm). f= frecuencia (Hz) p= pares de polos La velocidad del rotor es inferior a la del campo giratorio, y por eso este tipo de motor se llama "asíncrono". En los motores trifásicos, el campo giratorio es producido por tres bobinados fijos geométricamente decalados 120º y recorridos por corrientes alternas con el mismo desfase eléctrico. La composición de los tres campos alternos producidos forma un campo giratorio de amplitud constante. En la figura 3.7 se han representado los vectores correspondientes a las tres fases L1, L2 y L3, alimentando a las bobinas del motor U1, V1 y W1 respectivamente. Las bobinas del motor se han bobinado de forma que cuando la corriente es positiva, en la entrada de la bobina se crea un polo Norte (N) y en la salida un polo Sur (S) y cuando la corriente es negativa, al contrario. José J. Miralles Pérez

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En el primer diagrama vectorial se ha supuesto que la fase L1 esta en un ángulo de 0º, y por tanto la bobina U1 - U2 no crea ningún campo magnético. La fase L2 está en un ángulo de 120º, por tanto es positiva y crea en V1 un polo N mientras que en V2 se crea un S. La fase L3 está en un ángulo de 240º, por tanto es negativa y crea en W1 un polo S, mientras que en W2 se crea un N.

L1-U

L2-V L1-U

L3-W

L3-W

L3-W

U1 V2

W1

S

N

S

W2

V2

V1

W1

Como el campo magnético va de Norte a Sur, la resultante del campo magnético es una línea horizontal con dirección derecha izquierda.

N

S S

W2

V2

V1

W1

U1

N N

W2

V2

V1

W1

S S

U2

U1

W1

L1-U

L2-V

U1

N N

V1

L3-W

L1-U

S

S

U2

L3-W

S

N

W2

L1-U

L1-U

V2

S

L2-V

L2-V

En los demás diagramas vectoriales se ha ido girando el diagrama 60º hasta completar los 360º. Siguiendo la misma metodología utilizada para el primer diagrama vectorial para el resto de diagramas, vemos que la componente del campo magnético va girando también 60º grados en el sentido contrario a las agujas del reloj.

N

U2

L2-V

L3-W

L2-V

U1

N

U2

L1-U

L2-V

U1

N

L3-W

L1-U

L2-V

W2

V2

V1

W1

U1

S S

W2

V2

V1

W1

N N

U2

L3-W

U1

S

N

S

N

U2

U2

W2

V2

V1

W1

N

S

N

S

W2

V1 U2

Figura 3.7. Campo magnético giratorio

3.2.2 CONEXIONES DE UN MOTOR ASÍNCRONO TRIFÁSICO La conexión de los tres grupos de bobinas en el estator puede hacerse en "estrella" o en "triángulo", según sea la unión de los extremos de las bobinas. En la figura 3.28 vemos cómo se realiza la conexión triángulo, la figura que da origen a su nombre así como la relación que existe entre las tensiones de fase y línea y las relaciones entre las intensidades de fase (intensidad que atraviesa una bobina) y línea (intensidad que circula por la línea de alimentación). Se puede observar que la tensión de fase y la de línea son iguales, mientras que la intensidad de fase es raíz de 3 veces menor que la que circula por la línea.

If =

UL

IL 3

Ul = Uf U1

IL

W1

V1

Uf Tensión de fase, Tensión en bornes de la bobina

W1 V2

W2

U2

V2

UL Tensión de línea, Tensión entre fases

If V1

W2 U2

U1

If Intensidad de fase IL Intensidad de línea

Uf

Figura 3.8 Conexión de un motor en triángulo José J. Miralles Pérez

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En la figura 3.9 vemos como se realiza la conexión estrella, la figura que da origen a su nombre así como la relación que existe entre las tensiones de fase y línea y las relaciones entre las intensidades de fase (intensidad que atraviesa una bobina) y línea (intensidad que circula por la línea de alimentación. Se puede observar que, en este caso, la intensidad de fase y la de línea son iguales, mientras que la tensión de fase es raíz de 3 veces menor que la que circula por la línea. L1 L2 L3

Il = If UL

Uf = U1

W1

V1

IL V2

Uf

U2

If

U2

UL Tensión de línea, Tensión entre fases

V2

W2 W1

3

Uf Tensión de fase, Tensión en bornes de la bobina

U1

W2

Ul

V1

If Intensidad de fase IL Intensidad de línea

Figura 3.9. Conexión de un motor en estrella Los motores trifásicos, por tanto, pueden funcionar con dos tensiones de línea, pero las bobinas del motor están calculadas para funcionar, tanto en la conexión estrella como la conexión triángulo, a la misma tensión de fase, la tensión de triángulo. En los catálogos de los fabricantes lo normal es encontrarnos con motores de 400 V. Es la tensión nominal o de triángulo, y en base a ella se dan todas las características.

3.3 ARRANQUES DE MOTORES 3.3.1 ARRANQUE DIRECTO Es un sistema de arranque obtenido en un solo tiempo: el estator del motor se acopla directamente a la red. El motor arranca con sus características naturales y con una fuerte punta de intensidad (Ia) y un fuerte par de arranque (Ma) (fig. 3.10). Este procedimiento es ideal si es tolerable la punta de intensidad, y el par inicial de arranque del motor (fijado por el tipo de construcción del rotor y cerca de 2 veces el par nominal (Mn)) es el conveniente para la puesta en marcha de la máquina. En la puesta en tensión, la punta de intensidad es muy elevada, del orden de 4 a 8 veces la intensidad nominal. El par durante el Figura 3.10 Características de arranque es siempre superior al nominal, sobre todo para los par e Intensidad de un motor motores modernos de jaulas complejas. Es máximo cuando el motor alcanza el 80% de su velocidad, y a partir de este momento, la punta de intensidad está considerablemente amortiguada. Este sistema permite arrancar las máquinas incluso en plena carga, si la red admite la punta de corriente en el momento del arranque. Es, pues, indicado para las máquinas de pequeña y mediana potencia. José J. Miralles Pérez

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Sin embargo, como el par en el momento de la puesta en tensión es cerca 2 Mn, este procedimiento no está recomendado si el arranque debe hacerse lenta y progresivamente (determinados montacargas, cintas transportadoras, etc.). En el arranque de un motor también hay que tener en cuenta lo que dice el REBT en la ITC 47: Los motores de potencia superior a 0,75 kilovatios deben estar provistos de reóstatos de arranque o dispositivos equivalentes que no permitan que la relación de corriente entre el período de arranque y el de marcha normal que corresponda a su plena carga, según las características del motor que debe indicar su placa, sea superior a la señalada en la tabla 1 MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA Potencia nominal Constante máxima de proporcionalidad del motor entre la intensidad de la corriente de kW arranque y de la de plena carga De 0,75 a 1,5

4,5

De 1,5 a 5,0

3,0

De 5,0 a 15,0

2,0

De más de 15,0

1,5

Tabla 3.1 Relación entre la Intensidad de arranque y la nominal

Así, en motores de gran potencia se deberá utilizar algún método de arranque que permita reducir la relación entre la intensidad de arranque y la nominal. 3.3.1.1 CÓMO DECIDIR SI EL MOTOR SE CONECTA EN TRIÁNGULO O EN ESTRELLA Como el motor se puede conectar en estrella o triángulo, debo decidir cuál es la conexión que debo realizar en el motor. Para ello hemos diseñado este cuadro. Elección de la conexión de un motor asíncrono trifásico de rotor en jaula de ardilla

Identifica la tensión de línea UL

No

Coincide UL con alguna tensión del motor

Si

Cambia el motor

No

Conecta en triángulo

Coincide UL con la tensión mayor de motor

Si

Conecta en estrella

Figura 3.11 Diagrama elección de la conexión de un motor trifásico José J. Miralles Pérez

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3.3.1.2 CONEXIÓN DE UN MOTOR CON ARRANQUE DIRECTO MEDIANTE CONTACTORES Para la conexión de un motor con arranque directo mediante contactores utilizaremos dos esquemas: − −

Esquema de fuerza Esquema de mando

El esquema de fuerza representa los cables que alimentan al motor, incluye las protecciones y los contactos de fuerza del contactor. En la figura 3.12 vemos una representación típica del esquema de fuerza para el arranque directo de un motor mediante contactor. Los elementos de protección representados son: −

Un Interruptor automático de curva magnética (Q1) para la protección contra cortocircuitos y,

−

Un relé térmico (F1) para la protección contra sobrecargas.

El interruptor automático puede ser sustituido por fusibles tipo aM. Otra posibilidad que existe es sustituir tanto Q1 como F1 por un disyuntor. En condiciones de funcionamiento normales, la apertura y cierre del circuito es ejercida por el contactor (KM1)

Figura 3.12 Esquema de fuerza

El esquema de mando representa los cables que conectan los elementos de mando del contactor (pulsadores, señalizaciones, etc.). 3.3.1.3 ELECCIÓN DE LOS ELEMENTOS COMPONEN EL ESQUEMA DE FUERZA

QUE

Para la elección de los elementos que componen el circuito de fuerza, es necesario conocer la intensidad nominal del motor o la carga que se tenga que controlar. Para la conocer la intensidad nominal del motor tenemos varias posibilidades: a- La placa de características del motor (fig. 3.13) b- Conocido el motor, consultar el catálogo del fabricante (fig. 3.14) c- Calcularla.

Figura 3.13 Placa de características de un motor

Si tenemos que calcular la Intensidad nominal del motor, necesitaremos los siguientes datos: −

Potencia

−

Rendimiento

−

Factor de potencia (cos ϕ)

−

Tensión

Como se ha dicho al principio de este trabajo, el motor convierte la energía eléctrica en energía mecánica. Como en todas las transformaciones, hay unas pérdidas. Las pérdidas son debidas a la resistencia del cable del bobinado del motor, la dispersión del flujo magnético (no se aprovecha todo), el rozamiento del rotor, etc. José J. Miralles Pérez

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Figura 3.14 Datos de un catálogo de motores ABB

La potencia que figura en la placa de características y el catálogo del fabricante es la potencia mecánica o útil, por tanto habrá que calcular primero la potencia eléctrica absorbida de la red. Para el cálculo de la potencia absorbida utilizaremos la siguiente fórmula: Pab =

Pu η

Donde: Pab Potencia eléctrica absorbida de la red Pu Potencia mecánica o útil η rendimiento en tanto por uno Ejemplo 1 Un motor de 5,5 kW tiene un rendimiento del 86%. Calcula la potencia eléctrica. Solución: Aplicando la fórmula de la potencia absorbida tenemos: Pab =

Pu 5,5 ⋅ 1000 = = 6.395W η 0,86

Una vez conocida la Potencia eléctrica, calculamos la Intensidad nominal del motor con las siguientes fórmulas: In = José J. Miralles Pérez

Pab 3U cos ϕ

Motor trifásico

[1] 52

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I.E.S.María Ibars In =

Pab U cos ϕ

Motor monofásico

[2]

Una vez conocida la Intensidad nominal, elegimos las características de los elementos de protección y del contactor del circuito. Ejemplo 2 Tenemos un motor monofásico con una potencia de 0,75 kW; η = 85%; cos ϕ = 0,8 y tensión U = 230 V. Calcula la Intensidad nominal. Solución: Primero calculamos la potencia eléctrica absorbida: Pab =

Pu 0,75 ⋅ 1000 = = 822,4W η 0,85

Ahora calculamos la Intensidad nominal con la fórmula [2]: In =

Pab 822,4 = = 4,46A U cos ϕ 230 ⋅ 0,8

Ejemplo 3 Una máquina es movida por un motor trifásico con las siguientes características: Potencia 7,5kW; η = 87%; cos ϕ = 0,9 y tensión U = 400 V. Calcula la Intensidad nominal. Solución Primero calculamos la potencia eléctrica absorbida: Pab =

Pu 7,5 ⋅ 1000 = = 8620,7W η 0,87

Ahora calculamos la Intensidad nominal con la fórmula [1]: In =

Pab 3U cos ϕ

=

8620,7 3 ⋅ 400 ⋅ 0,9

= 13,8A

3.3.1.4 ESQUEMA DE MANDO En el esquema de mando se representan las conexiones de los elementos utilizados para el gobierno del contactor (pulsadores, bobina, etc.) En la figura 3.15 vemos un esquema de mando típico para el arranque directo de un motor mediante contactor. Por el circuito de mando, la intensidad que circula es muy baja, puesto que la impedancia de los elementos de consumo (bobinas, pilotos, etc.) es muy elevada.

Figura 3.15 Circuito de mando José J. Miralles Pérez

Para el cálculo de la intensidad del elemento de protección, en este caso un magnetotérmico, bastará con sumar las intensidades de todas las ramas en paralelo. Las características de consumo las podemos encontrar en los catálogos de los fabricantes. 53

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Ejemplo 4 En el circuito de mando de la figura 3.15, según los datos del fabricante sabemos que la bobina del contactor tiene una impedancia de 756 Ω y que los pilotos luminosos tienen un consumo de 2 mA. Calcula la intensidad total del circuito. Solución: Calculamos la intensidad que consume la bobina del contactor: I=

U 230 = = 0,30A Z 756

Como tenemos dos pilotos, la intensidad de los pilotos será: Ip = 2 · 25 mA = 50 mA = 0,050 A La intensidad total será: IT = 0,30 + 0,050 = 0,35 A

3.3.1.5 INVERSIÓN DE GIRO DE UN MOTOR ASÍNCRONO TRIFÁSICO Como ya se indicó en anteriormente, el rotor del motor asíncrono tiende siempre a girar en el mismo sentido que gira su campo magnético. El sentido de éste depende de la sucesión en que se hayan aplicado las fases de la línea de alimentación al devanado del estator. 3.3.1.5.1 CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO Un bobinado trifásico de corriente alterna, alimentado por un sistema trifásico de corrientes, produce un campo magnético de valor constante, pero giratorio, con velocidad igual a la de sincronismo. L1-U

L2-V L1-U

L2-V

L3-W

L3-W

L3-W

W1

N

S

N

S

W2

V1

W1

N

S

W2

V1

S

W2

N S

W1

V1

S

L2-V

U1

W1

U1

N N

V1

V2

W1

U2

L1 – U1

−

L2 – V1

−

L3 – W1

Ahora vamos a ver que ocurre con el campo magnético giratorio cuando cambiamos dos fases.

U1

S

W2

S

N N U2

L3-W

V1

V2

W1

S

N

S

N

W2

V1 U2

En la figura 3.17, las fases se conectan de la siguiente forma:

U1 V2

W1

N

S

N

S

W2

−

L1 – U1

V1

−

L2 – W1

−

L3 – V1

U2

Figura 3.16. Campo magnético giratorio a derechas

José J. Miralles Pérez

−

L2-V L3-W

L1-U

W2

V1

L1-U

L1-U

S

S S

Anteriormente se ha visto como se producía el campo magnético giratorio. En ese caso, las fases se conectaban de la siguiente forma (fig. 3.16):

U2

L3-W

S

W1

N N

W2

L1-U

L2-V

V2

V2

U2

L2-V

L3-W

U1

N

V2

U2

U2

L2-V

U1

N

V2

L1-U

L2-V

U1

U1 V2

L3-W

L1-U

Recordemos que es el mismo motor.

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Como se puede ver en la figura 3.17, el campo magnético gira en el sentido de las agujas del reloj. Por tanto, se ha invertido el sentido de giro. La inversión de giro es posible manual o automáticamente contactores. En este último caso, de control está compuesto contactores.

realizarla mediante el equipo de dos

Se debe tener en cuenta que durante la conmutación tiene que intercalarse una pausa suficientemente extensa para que se extinga el arco en el aparato que desconecta antes de conectar el segundo aparato de maniobra. Para esto, los contactores deben estar enclavados eléctrica y/o mecánicamente.

L1-U

L2-W L1-U

L3-V

W1

S

N

S

W2

V2

V1

W1

N

S S

V1

W1

N

S S

S

V1

W1

N

V1

W1

N

S

N

S

V2

V1

W1

V1

L1-U L2-W

L3-V

U1 W2

W2

U2

L3-V

S

N

S

L2-W

U1 V2

V2

L1-U

U1 W2

W2

U2

L1-U

S

U1

N

L3-V

L1-U

W1

V2

L2-W L2-W

V2

W2

U2

L3-V

L2-W

U1

N

U2

L1-U

L2-W

U1

U1

N

L3-V L3-V

L3-V

V2

L1-U

L2-W

U1

S

N

W2

V2

V1

W1

W2

N S

S

N

N

V1

Normalmente, en los inversores se utiliza un sistema muy simple de enclavamiento, el cual consiste en conectar en serie con la bobina de un contactor un contacto auxiliar Figura 3.17 Campo magnético giratorio a izquierdas normalmente cerrado del segundo contactor, y viceversa. Al propio tiempo, y con objeto de proporcionar una mayor seguridad al conjunto, el inversor puede disponer de un enclavamiento mecánico. N

U2

N

U2

U2

S

U2

A continuación se desarrollará un estudio sobre inversores de giro automáticos para el accionamiento de motores asíncronos trifásicos, exponiéndose, en primer lugar, la parte que hace referencia al circuito de fuerza y, a continuación, la del circuito de mando. 3.3.1.6 CIRCUITO DE FUERZA DE INVERSORES TRIFÁSICOS La inversión de las dos fases, necesaria para efectuar la inversión de giro de un motor asíncrono trifásico, es posible realizarla sobre dos contactos cualquiera de los contactores, lo mismo a la entrada que a la salida de aquellos. En la figura 3.18, se indican las conexiones del circuito principal perteneciente a un inversor de giro para motor trifásico mediante contactores, pudiéndose comprobar sobre el mismo que la inversión de las fases (L1 y L3) de la línea tiene lugar a la salida de los contactos (1 -2 y 5 - 6 ) de ambos contactores, permaneciendo inalterable la fase (L2) de la línea, que se encuentra conectada a los bornes (3-4) de los mismos. La conexión del contactor KM1 une las fases (L1 - L2 - L3) con los extremos (U1 – V1 – W1) del motor, respectivamente, dando lugar al funcionamiento del motor con sentido de giro izquierda, mientras que la conexión del contactor KM2 comunica las fases (L1 - L2 - L3) con (W1 – V1 – U1), respectivamente, invirtiéndose con ello el sentido de giro del motor.

José J. Miralles Pérez

Figura 3.18 Esquema de fuerza para la inversión de giro de un motor asíncrono trifásico

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3.3.1.7 CIRCUITOS DE MANDO DE INVERSORES DE GIRO AUTOMÁTICOS Además del accionamiento manual por interruptor, podemos realizar diferentes tipos de accionamientos automáticos. A continuación vamos a enumerar algunos de los tipos que podemos encontrarnos en la práctica: −

Inversión de giro pasando por paro: figura 3.19.

−

Inversión de giro sin pasar por paro: figura 3.20.

−

Inversión de giro con un pulsador de marcha y uno de paro e interruptores de posición

−

Inversión de giro con un pulsador de paro y uno de marcha y temporizando la inversión.

Figura 3.19. Circuito de mando para una inversión de giro de un motor asíncrono trifásico pasando por paro

El resto de esquemas se dejarán para más adelante, una vez se hayan estudiado los detectores y los temporizadores. José J. Miralles Pérez

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Figura 3.20. Circuito de mando para una inversión de giro de un motor asíncrono trifásico sin pasar por paro

3.3.2 ARRANQUE DE MOTORES ASÍNCRONOS TRIFÁSICOS DE ROTOR EN CORTOCIRCUITO A TENSIÓN REDUCIDA Cuando tenemos motores de gran potencia, para poder cumplir con la tabla 3.1 se tiene que limitar la intensidad de arranque. En los motores de rotor en cortocircuito, esto se efectúa por el arranque a tensión reducida. Los métodos de arranque a tensión reducida son los siguientes: −

Arranque por conmutación estrella triángulo.

−

Arranque por resistencias estatóricas.

−

Arranque por autotransformador.

El principio del arrancador a tensión reducida consiste en alimentar el motor, durante un cierto período del arranque, con una tensión inferior a la de la línea, con lo que la intensidad de arranque se reduce a los José J. Miralles Pérez

Figura 3.21 Esquema de fuerza para un arranque estrella/triángulo

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valores deseados, y con ella también el par. No obstante, hay que tener en cuenta que si bien la intensidad varía casi en proporción directa con la tensión aplicada, el par lo hace con el cuadrado de dicha tensión. 3.3.2.1 ARRANQUE POR CONMUTACIÓN ESTRELLA / TRIÁNGULO Es el procedimiento de arranque a tensión reducida más difundido por Europa. Es aplicable a motores de rotor en cortocircuito (no a todos, depende de la tensión de la línea y la tensión del motor). El arranque tiene lugar en tres tiempos. 3.3.2.2 ETAPAS DE ARRANQUE 3.3.2.2.1 PRIMER TIEMPO: ACOPLAMIENTO DE LOS ARROLLAMIENTOS EN ESTRELLA

Figura 3.22 Curvas de par e intensidad en un arranque estrella /triángulo

Al estar los bobinados del motor conectados en estrella (fig. 3.23), los bobinados del motor recibirán una tensión UZ = UL/1,73. El par de arranque en estrella, que llamaremos M, estará en la siguiente proporción con respecto al par nominal Mn:

M U2 = 2 = Mn Un M=

(

UL

)2 1 3 = 2 3 Un

Mn 3

La corriente de arranque en estrella estará, con respecto a la corriente de arranque en triángulo, en la siguiente relación: ILE = IFE = ILT = 3IFT =

UL 3ZF 3UL ZF

UL ILE = ILT

3ZF 3UL ZF

ILE =

=

1 3

Figura 3.23. Primer tiempo, conexión estrella

ILT 3

Según esto, se deduce que el motor arrancará a tensión reducida, con una punta de corriente y un par reducidos a 1/3 del valor que tomarían en arranque a plena tensión. 3.3.2.2.2 SEGUNDO TIEMPO: TRANSICIÓN DEL PRIMER AL SEGUNDO TIEMPO El paso del primer al segundo tiempo no puede ser inmediato, ya que la desconexión del motor en estrella tampoco es instantánea, sino que es un proceso acompañado de arco José J. Miralles Pérez

Figura 3.24 Cronograma del arranque estrella triángulo

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I.E.S.María Ibars eléctrico entre contactos, y hasta que la desconexión estrella no se ha completado no puede iniciarse la conexión del motor en triángulo. De ser así, se produciría un cortocircuito entre las tres fases de la línea de alimentación a través del punto de unión en estrella en los puntos U2, V2 y W2. De aquí viene la necesidad de la etapa de transición, en la que el motor debe estar desconectado o, como máximo, con las tres fases de la línea conectados a los extremos U1, V1 y W1, pero sin ninguna conexión más. En un conmutador estrella triángulo a base de contactores, es obvio, pues, que de coincidir los contactores estrella y triángulo se produce un cortocircuito directo. Un sistema para evitarlo es el empleo de un enclavamiento eléctrico, lo que es satisfactorio en la mayoría de casos, si bien introduce una prolongación de la pausa en la etapa de transición.

Si el motor va sobrecargado o no puede acelerar lo suficiente en estrella (del orden de 80 al 90% de la Figura 3.25 Segundo tiempo: apertura de los velocidad síncrona), el contactor estrella deberá puentes cortar una intensidad mucho más alta, lo que puede dar lugar a que aún no se haya extinguido el arco eléctrico cuando entre el contactor triángulo, con el consiguiente cortocircuito. Como sea que los contactores actuales suelen ser muy rápidos (tiempo de actuación ≤ 20 ms) pude ser necesario un tiempo adicional de pausa entre la desconexión del contactor estrella y la conexión del contactor triángulo. 3.3.2.2.3 TERCER TIEMPO: ACOPLAMIENTO DE LOS ARROLLAMIENTOS DEL MOTOR EN CONEXIÓN TRIÁNGULO El motor adquiere sus características naturales con una punta elevada de corriente y par (fig. 3.26). Este procedimiento requiere que el par resistente originado por la máquina durante el comienzo del arranque sea muy débil, y que el acoplamiento en triángulo se efectúe, como mínimo, al 80% de la velocidad nominal. El arrancador de este tipo obliga a separar el motor de la red en el momento de la conmutación, cuando se encuentra en pleno período de aceleración. 3.3.2.3 ELECCIÓN DEL RELÉ TÉRMICO El relé térmico es el elemento más empleado, asociado a contactores, para la protección del motor contra las sobrecargas moderadas y prolongadas. El relé se suele conectar a la salida del contactor de línea, con lo que el motor queda protegido tanto en conexión estrella como en conexión triángulo.

Figura 3.26 Tercer tiempo, conexión triángulo

Otra disposición muy usual para la conexión del relé térmico es colocarlo después de los contactores José J. Miralles Pérez

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triángulo y estrella. Con ésta conexión, el motor queda protegido tanto en la conexión estrella como en triángulo. En arranques normales, las posiciones del relé térmico antes descritas son independientes, y en ambos casos debe ser ajustado a 1 / 3 veces la intensidad nominal del motor en triángulo. Si el arranque del motor es pesado o lento, la disposición del relé térmico antes descrita no es adecuada, puesto que durante la etapa de arranque en estrella es posible que se produzca el disparo del mismo, desconectando al arrancador. No es correcto ajustar el relé térmico a un valor superior a 0,58 In, ya que entonces queda anulada su condición protectora en marcha normal. Para estos casos, se puede seguir uno de los dos sistemas siguientes: a- Conectar el relé térmico a la salida del contactor triángulo y antes de la conexión del contactor estrella. Con esta conexión el motor no queda protegido en la etapa de arranque. b- Conectar un relé térmico a la salida del contactor de línea y otro a la salida del contactor de triángulo y antes del contactor estrella. El relé térmico conectado en la salida del contactor triángulo debe estar dimensionado para una intensidad de 0,58 In, mientras que el conectado a la salida del contactor de línea debe regularse en función del tiempo necesario para la conmutación y la punta de intensidad que tenga en el momento de arranque. Ejemplo 5 Un motor de 4 kW de potencia útil a 400 V tiene un rendimiento del 85,7% a plena carga y su factor de potencia es de 0,91. El fabricante nos dice que la relación entre la intensidad de arranque y la nominal es de 7,5. Se pide: 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Intensidad nominal. Intensidad de arranque. Intensidad máxima permitida en el arranque. Los componentes del circuito de fuerza. Intensidad del circuito de mando. Indica si el arranque estrella/triángulo cumple con la Tabla 1 de la ITC 47

Solución: 1.- Intensidad nominal Primero calculamos la potencia absorbida: Pab =

Pu 4 ⋅ 1000 = = 4667,4W η 0,857

Ahora calculamos la Intensidad nominal

In =

Pab 3U cos ϕ

=

4667,4 3 ⋅ 400 ⋅ 0,91

= 7,4A

2.- Intensidad de arranque La intensidad de arranque será: Ia = 7,5 ⇒ Ia = 7,5 ⋅ In = 7,5 ⋅ 7,4 = 55,5A In

Pero al arrancar en estrella, la Intensidad se reduce a la tercera parte. Por tanto: IaE =

Ia 55,5 = = 18,5A 3 3

3.- Intensidad máxima permitida en el arranque José J. Miralles Pérez

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Según la tabla 1, para una potencia de 4 kW la relación Ia/In tiene que ser 3. Por tanto:

Ia = 3 ⇒ Ia = 3 ⋅ In = 3 ⋅ 7,4 = 22,2A In

4.- Los componentes del circuito de fuerza Para la protección contra cortocircuitos se elije un interruptor de corte magnético de 10 A. Para la protección contra sobrecargas, un relé térmico. La intensidad del relé debe ser la de fase:

If =

IL 3

=

7,4 3

= 4,3A

Por tanto, el relé será el LRD – 10. Para la protección también se puede elegir un disyuntor tipo GV2 – P10. El disparo magnético se produce a 13 veces la intensidad de reglaje máxima (13 x 6,3 = 81,9 A). El contactor de línea y de triángulo se elegirán para la Intensidad de fase (4,3 A). El modelo es el LC1 – D09. El contactor estrella puede ser para una intensidad inferior, puesto que su misión es hacer el puente y la intensidad puede ser la mitad. 5.- Intensidad del circuito de mando Según el esquema de funcionamiento, sólo estarán dos bobinas de contactor y un pilo de señalización funcionando al mismo tiempo. Las bobinas de los contactores tienen una impedancia de 750 Ω a 230 V, y el consumo de los pilotos de señalización es de 25 mA. Por tanto: I=

U 230 = = 0,30A Z 756

Las dos bobinas: 0,30 · 2 = 0,60 A La intensidad total es de: 0,60 + 0,025 = 0,625 A 7.- Indica si el arranque estrella/triángulo cumple con la Tabla 1 de la ITC 47 Como al arrancar en estrella la Intensidad de arranque se reduce a la tercera parte, podemos decir que la relación Ia/In del catálogo se convierte en lo siguiente: Ia 7,5In Ia = 7,5 ⇒ Ia = 7,5In ⇒ Ia = = 2,5In ⇒ = 2,5 In 3 In

Esta relación es inferior a 3, que es la máxima permitida. También se pueden comparar las intensidades calculadas en los puntos 2 (Intensidad de arranque) y 3 (Intensidad máxima permitida en el arranque) 18,5 < 22,2

3.3.3 ARRANQUE POR RESISTENCIAS ESTATÓRICAS El principio de este sistema de arranque consiste en intercalar un grupo de resistencias entre la red de alimentación y el motor durante el período de aceleración. Mediante la caída de tensión en las resistencias de arranque, se reduce la tensión en bornes del José J. Miralles Pérez

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motor, limitando la intensidad y el par a unos valores previamente fijados. Una vez ha transcurrido el periodo de aceleración, las resistencias se eliminan y se aplica la plena tensión de la línea al motor. El arranque por resistencias estatóricas, a par inicial equivalente, proporciona una punta de intensidad superior a la que se obtendría en el arranque con un sistema estrella/triángulo o con autotransformador. La intensidad absorbida por el motor es la misma que recorre las resistencias, siendo máxima en el momento de la conexión y descendiendo a medida que el motor acelera. Es por ello que la tensión en bornes del motor no es constante durante el período de aceleración, sino que aumenta progresivamente con el incremento de la velocidad, alcanzando al final del arranque un valor próximo al nominal.

Figura 3.27 Conexión del motor y las resistencias

Como consecuencia de lo anterior, tendremos un incremento gradual del par con un arranque rápido. Debido a las resistencias intercaladas, se logra una suavidad en la aceleración y un alto factor de potencia durante el arranque. Una ventaja muy importante, con respecto al arranque estrella/triángulo, es el poder tener continuidad en la alimentación del motor sin existir corte de los arrollamientos, con lo que la transición de arranque a marcha normal se efectúa sin perdida de velocidad.

a) Reposo

b) Primer tiempo

c) Segundo tiempo

Figura 3.28 Esquema de fuerza y etapas del arranque

3.3.3.1 ETAPAS DE ARRANQUE La puesta en marcha o arranque se realiza en dos o más etapas:

José J. Miralles Pérez

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3.3.3.1.1 PRIMERA ETAPA: RESISTENCIAS INTERCALADAS ENTRE EL MOTOR Y LA LÍNEA Conexión del motor en estrella o triángulo, según la tensión de línea, y acoplamiento a través de unas resistencias intercaladas entre la línea de alimentación y el motor. En las condiciones de la figura 3.28, la punta de intensidad en el arranque se reduce en la misma proporción en que queda reducida la tensión compuesta del motor con resistencias Un con respecto a la tensión compuesta de línea U, es decir, en la proporción Un/U. En cuanto al par de arranque, su valor queda reducido al cuadrado de la citada relación, es decir, la proporción (Un/U)2. 3.3.3.1.2 SEGUNDA ETAPA: ELIMINACIÓN DE LAS RESISTENCIAS APLICANDO LA TENSIÓN COMPUESTA DE LÍNEA AL MOTOR (MARCHA NORMAL). Finaliza el arranque por la eliminación de las resistencias, una vez el motor haya alcanzado una velocidad cercana a la nominal, con lo que la tensión de línea U queda aplicada a los bornes del motor, funcionando ya con sus características naturales. 3.3.3.2 CONEXIÓN KUSA Para conseguir un arranque suave en la puesta en marcha de motores trifásicos con rotor en jaula de ardilla, se emplea, en algunos casos, la denominada conexión KUSA (fig 3.29). Esta conexión consiste en intercalar, en serie con una sola fase del motor, una única resistencia o reactancia, la cual es eliminada al finalizar el arranque. Con este sistema de arranque, el campo magnético del motor viene desfigurado y el par de giro adquiere una característica especial, denominada "característica Flyer". Con la conexión KUSA no se consiguen reducciones de la intensidad de arranque mencionables. Es más, la intensidad de arranque en las dos fases sin resistencia es ligeramente superior al valor que se obtiene con el arranque a plena tensión. Sí, en cambio, influye este sistema de arranque en el par de giro del motor, de forma que las máquinas accionadas sensibles a los golpes del par de giro pueden entrar perfectamente en funcionamiento, puesto que se consigue reducir el par de arranque al valor que se desee, desde un valor prácticamente nulo con fase cortada, al de la plena tensión sin la resistencia intercalada.

Figura 3.29 arranque KUSA

3.3.3.3 ELECCIÓN DE LOS COMPONENTES DEL ARRANCADOR Los distintos elementos que componen un arrancador estatórico deben ser calculados y elegidos por separado por el propio usuario, siendo necesario para ello disponer de una serie de datos relativos a la línea de alimentación, motor y máquina accionada. Nosotros sólo nos fijaremos en los contactores y el relé térmico. Como tenemos dos esquemas de conexión, los consideraremos por separado. 3.3.3.3.1 CONTACTORES 1er tiempo. Conexión del contactor KM2. −

Este contactor deberá estar dimensionado para la intensidad de arranque

José J. Miralles Pérez

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2º tiempo. Conexión del contactor KM1. −

Este contactor deberá estar dimensionado para una intensidad In o Pn.

3.3.3.3.2 RELÉ TÉRMICO. −

El relé térmico en un arranque normal lo calibraremos para una intensidad In.

Si el arranque es lento (arranque pesado), conectaremos dos relés térmicos, uno a la salida de cada contactor. De este modo, tendremos uno para el periodo de arranque (resistencias intercaladas), calibrado para la intensidad de arranque, y otro para el período de funcionamiento normal, calibrado para In. 3.3.4 ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR

Figura 3.30 Autotransformador Monofásico en vacío

3.3.4.1 AUTOTRANSFORMADOR MONOFÁSICO En la figura 3.30 se representa un autotransformador monofásico conectado a una tensión de alimentación U1 y frecuencia f, que entre sus bornes 1U1 y 1U2 del arrollamiento de alta tensión tiene N1 espiras, mientras que entre sus bornes 1U2 y 1U3 del arrollamiento de baja tensión tiene N2 espiras. Cuando el autotransformador funciona en vacío (fig. 3.30), por el arrollamiento 1U1 - 1U2 circula una intensidad de vacío I0 pequeña con respecto a la de carga, al tomar el autotransformador únicamente el valor necesario para mantener el flujo en el circuito magnético, el cual genera en el arrollamiento primario 1U1 -1U2 una f.e.m. primaria E1. En el arrollamiento secundario 1U2 - 1U3, el mismo flujo magnético genera una f.e.m. secundaria E2.

Figura 3.31 Autotransformador Monofásico en carga

Cuando el autotransformador funciona en carga (fig. 3.31), el circuito secundario es recorrido por la intensidad de carga o secundaria I2, con lo que el autotransformador absorbe de la línea una intensidad primaria I1 mayor que la de vacío. Ello motiva que la intensidad que circula por la parte del arrollamiento común, 1U2 - 1U3, sea la diferencia entre las intensidades secundaria I2 y primaria. 3.3.4.2 TRIFÁSICO

AUTOTRANSFORMADOR

En un autotransformador trifásico, cada fase está constituida por un arrollamiento igual al que se ha expuesto en la figura 3.30, y así en la figura 3.32 se representa un autotransformador trifásico en estrella con una toma intermedia.

a) Caja de bornes

b) Conexión estrella

Figura 3.32 Autotrasformador trifásico conectado en estrella José J. Miralles Pérez

El cierre en estrella del autotransformador trifásico de la figura 3.32, y su conexión a la correspondiente línea trifásica viene indicado en la figura 3.33. En un autotransformador, puede elegirse fácilmente, antes de ponerse en servicio la máquina accionada, la tensión compuesta 64

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UT. Para ello puede preverse una serie de tomas en autotransformador trifásico y elegir aquella que permita fijar el momento de arranque necesario para la máquina accionada. Los autotransformadores trifásicos están previstos, generalmente, para tensiones compuestas secundarias comprendidas entre el 50 y el 80 % de la tensión nominal o compuesta de línea, siendo usuales autotransformadores trifásicos con una, dos o tres tomas, que suministran tensiones del orden del 50, 65 y 80 % de la nominal, para permitir la elección de la tensión más adecuada para el arranque. El valor de la tensión o tensiones a emplear y el número de etapas de arranque es establecido en función del valor necesario para el momento de arranque del motor, de su potencia y del par resistente de la máquina que acciona.

a) Bornes autotransformador conectados en estrella

b) Tensiones en los bornes del autotransformador conectado en estrella

A medida que el motor va acelerando, se Figura 3.33 Tensiones en los bornes del pasa la conexión del mismo a las autotransformador sucesivas tomas del autotransformador, para ir aplicando al motor tensiones cada vez más altas durante el periodo de arranque, desde un valor determinado por las condiciones iniciales de arranque, hasta aplicarle la tensión nominal o tensión compuesta de línea, obteniéndose de esta forma una reducción de la intensidad en la línea de alimentación y del par motor. El autotransformador se pone fuera de servicio cuando el arranque ha finalizado y al motor trifásico se le ha aplicado la tensión nominal o compuesta de la línea de alimentación. Una de las ventajas de este sistema de arranque es que el par de arranque puede ser amoldado a al par resistente de la máquina a accionar. Por otra parte, la intensidad que circula por la línea de alimentación o circuito primario del autotransformador se reduce, aproximadamente, con el cuadrado de la relación de tensión del secundario al primario. Las intensidades secundarias, que recorren también el circuito del motor, quedan reducidas en la misma proporción que las tensiones aplicadas al motor. Por lo que respecta a los pares de arranque del motor, éstos quedan en la misma proporción que las intensidades primarias o de línea, ya que varían con el cuadrado de la tensión aplicada al motor. 3.3.4.3 ETAPAS DE ARRANQUE La puesta en marcha o arranque de un motor mediante el arrancador por autotransformador trifásico se realiza en dos o más etapas. 3.3.4.3.1 ARRANQUE EN DOS ETAPAS CON CONMUTACIÓN ABIERTAS Considerando un arranque a tensión reducida en dos etapas mediante el empleo de un autotransformador trifásico con una toma intermedia (fig. 3.34), se tendrán las etapas que a continuación se describen. 3.3.4.3.1.1 PRIMERA ETAPA: AUTOTRANSFORMADOR INTERCALADO ENTRE EL MOTOR Y LA LÍNEA (ARRANQUE) Conexión del motor en estrella o en triángulo, y alimentación del mismo con tensión reducida a través José J. Miralles Pérez

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de la correspondiente toma del autotransformador conectado a la línea de alimentación. La intensidad en el arranque en el lado de la línea o intensidad de arranque primaria IaL, queda reducida al cuadrado de la relación de tensiones, es decir en la proporción (UT/U)2. En cuanto al par de arranque con autotransformador MaT, su valor queda reducido en la misma proporción del punto anterior, es decir, con (UT/U)2. 3.3.4.3.1.2 SEGUNDA ETAPA: DESCONEXIÓN DEL AUTOTRANSFORMADOR APLICANDO LA TENSIÓN COMPUESTA DE LÍNEA AL MOTOR (MARCHA NORMAL) Una vez el motor ha alcanzado una velocidad cercana a la de régimen, se procede a desconectar el autotransformador aplicando la tensión compuesta de línea al motor, el cual queda funcionando con sus características naturales. El paso de la primera etapa de arranque a la segunda se considera que se efectúa con conmutación abierta (llamada transición con circuito abierto, lo que quiere indicar que es una disposición del circuito con el que la intensidad en el motor es interrumpida durante el paso de una etapa a la otra.

a) Esquema de reposo

b) Primera etapa

c) Segunda etapa

Figura 3.34 Esquema de fuerza y etapas de arranque

3.3.5 MOTOR DE DOS VELOCIDADES CON UN ARROLLAMIENTO CONMUTABLE EN CONEXIÓN DAHLANDER Con el empleo de este tipo de conexión en un solo arrollamiento, se obtiene el máximo rendimiento al mejorar el aprovechamiento de los motores trifásicos de polos conmutables. El aprovechamiento es relativamente grande, y referido al arrollamiento con mayor número de polos (velocidad menor), aquél viene a ser de un 80% de la potencia correspondiente del motor trifásico con una sola velocidad. Con este sistema de conexión se puede establecer una relación de velocidades de 2:1; por ejemplo 4 y 8 polos, lo que a una frecuencia de 50 Hz dan una relación de velocidades de 1500 y 750 r.p.m. José J. Miralles Pérez

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respectivamente. La conexión Dahlander se caracteriza por subdividir el arrollamiento de cada fase en dos mitades iguales con una toma central en cada una de ellas, y previsto de forma que origine p o 2p polos, para que con una adecuada conmutación sobre la placa de bornes del motor se obtenga la velocidad

a) Motor desconectado

b) Motor conectado con baja velocidad

c) Motor conectado con alta velocidad

Figura 3.35 Conexionado del motor Dahalander para baja y alta velocidad

deseada (fig. 3.35). De forma elemental, el principio de esta conexión se basa en que si las dos mitades en que se ha subdividido el arrollamiento de cada fase se conecta en serie, el número de polos obtenido es el doble que si conectan en paralelo.

Figura 3.36 Datos de catálogo de motores de dos velocidades, conexión Dahlander

3.3.5.1 ELEMENTOS PARA EL FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DAHLANDER POR CONTACTORES EN CONEXIÓN TRIÁNGULO/DOBLE ESTRELLA En la velocidad baja es necesario aplicar la línea de alimentación a los bornes U1, V1 y W1, mientras que en la velocidad alta es necesario aplicarla a los bornes U2, V2 y W2 y unir entre sí los bornes U1, V1 y W1. Consecuentemente, para la velocidad baja se precisa, como mínimo un contactor tripolar, mientras que para la velocidad alta se precisa, como mínimo, un contactor de cinco polos o dos contactores tripolares para efectuar las citadas uniones. Los contactores que deben conectarse durante la velocidad alta y baja deben estar enclavados entre sí para evitar la simultaneidad de las dos conexiones. Lo mismo que el de velocidad alta y estrella lo deben estar para evitar un cortocircuito. José J. Miralles Pérez

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Se dispondrá de dos relés térmicos, uno para cada velocidad.

a) Circuito en reposo

b) Velocidad lenta

c) Velocidad rápida

Figura 3.36 Esquema de fuerza y etapas de arranque

3.3.6 MOTOR DE ANILLOS ROZANTES O ROTOR BOBINADO 3.3.6.1 GENERALIDADES En el motor de anillos rozantes es posible intercalar, en serie con el arrollamiento del rotor, una resistencia adicional regulable que permite ajustar el par y la intensidad de arranque a valores adecuados, existiendo también la posibilidad de regular la velocidad del motor entre ciertos límites. Si este motor arranca en una sola etapa, es decir, con el arrollamiento rotórico cortocircuitado, se tiene una elevada punta de intensidad y un bajo momento de arranque que pueden ser inadmisibles, de forma similar a lo que ocurre con el motor de rotor en cortocircuito. Por ello, en ese tipo de motor no se emplea el arranque directo con el arrollamiento rotórico cortocircuitado.

Figura 3.38 Corte de un motor de rotor bobinado

Lo correcto es, pues, que a la vez que se alimenta el estator a la plena tensión de la línea de alimentación, se intercale la resistencia adicional en serie con el arrollamiento del rotor.

Este sistema de arranque permite adaptar el par de arranque y las puntas de intensidad correspondientes a las características propias de la instalación, y se desarrolla por eliminación progresiva de las resistencias intercaladas en el circuito rotórico. La eliminación de la resistencia intercalada en serie con el arrollamiento rotórico puede efectuarse en dos o más etapas de arranque, adaptando así progresivamente los valores de la intensidad y del momento. 3.3.6.2 ESTATOR DEL MOTOR El estator del motor de anillos rozantes no se diferencia en nada del motor de rotor en cortocircuito. Está formada por una carcasa a la que está fijada una corona de chapas magnéticas con unas ranuras en las que se dispone el bobinado del estator. 3.3.6.3 ROTOR DEL MOTOR. Es la parte móvil del motor, y está constituido por un paquete de chapas magnéticas con unas José J. Miralles Pérez

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ranuras para alojar un arrollamiento similar al del estator (fig. 3.39). El arrollamiento del rotor generalmente es trifásico, aunque en algunos casos el constructor adopta un arrollamiento bifásico (aunque el estator sea trifásico), con objeto de poder simplificar la resistencia adicional de arranque. Figura 3.39 Rotor La conexión del arrollamiento normalmente viene efectuada en estrella, con los extremos libres conectados a tres anillos solidarios con el rotor, sobre los que descansan sendas escobillas. De aquí el nombre de rotor bobinado o rotor de anillos.

Cuando el motor ya está casi o completamente arrancado, las escobillas se unen entre sí, con lo que el arrollamiento del rotor queda cortocircuitado.

3.3.6.4 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO La conexión del estator a una línea trifásica origina una corriente alterna en cada grupo de bobinas con un desfase entre ellas de 120º, que da lugar a otros tantos campos o flujos magnéticos alternos desfasados entre sí tanto en el espacio como en el tiempo. La composición de los tres flujos magnéticos da lugar a un único flujo de amplitud constante que gira en un sentido que está determinado por la sucesión de fases en que hayan sido aplicadas las tres fases de la línea de alimentación, y que corta tanto a los conductores del estator como del rotor. Tanto en el estator como en el rotor se inducen Figura 3.40 Esquema de fuerza para el arranque fuerzas electromotrices (en el estator de un motor de rotor bobinado en 4 etapas contraelectromotrices) que dan lugar a corrientes que recorren el arrollamiento y la resistencia adicional. Estas corrientes reaccionan con el flujo magnético giratorio dando lugar a un par motor suficiente para vencer el par resistente y provocar el giro del rotor, que es desplazado en el mismo sentido que el flujo magnético giratorio. Como características sobresalientes del arrollamiento rotórico se tienen: 1. La tensión rotórica medida entre anillos con el rotor bloqueado y su circuito abierto. 2. La intensidad rotórica a la potencia nominal con el arrollamiento rotórico en cortocircuito. 3.3.6.5 ESTADOS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR Tomando como base la expresión del deslizamiento, pueden considerarse distintos estados de funcionamiento característicos del motor: 3.3.6.5.1 MARCHA EN SINCRONISMO Si el rotor se hace girar a una velocidad N2 igual a la del flujo magnético giratorio N1, no existe velocidad relativa entre ambos, por lo que el deslizamiento es nulo. La f.e.m. inducida en el rotor es nula y también la intensidad retórica, con lo que el par motor es también nulo. Por consiguiente la marcha en sincronismo solo es posible sin par resistente alguno. José J. Miralles Pérez

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3.3.6.5.2 MARCHA EN VACÍO Prácticamente se considera que coincide con el caso anterior, es decir, sin par resistente aplicado al eje. El motor absorbe la intensidad de vacío, que es la necesaria para originar el flujo magnético giratorio y un par motor suficiente para vencer las resistencias propias del motor.

1ª etapa

2ª etapa

3ª etapa

4ª etapa

Figura 3.41. Etapas del arranque de un motor de rotor bobinado en 4 etapas

3.3.6.5.3 MARCHA EN HIPOSINCRONISMO Este es el caso más normal de funcionamiento. Tenemos un deslizamiento mayor que cero. En estas condiciones, se induce una f.e.m. en los conductores del rotor que es proporcional al deslizamiento, y da lugar a que por ellos circule una intensidad. José J. Miralles Pérez

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Tendremos un par motor proporcional a la intensidad del rotor y capaz de vencer un par resistente aplicado al eje. 3.3.6.5.4 MARCHA EN HIPERSINCRONISMO Si hacemos girar el rotor aplicando un par ajeno al originado por el flujo magnético y a una velocidad superior a la de sincronismo, la velocidad relativa del rotor con respecto al flujo magnético, y por consiguiente la f.e.m. e intensidad rotórica, se invierten con respecto al caso anterior. También se invierte el par motor, que actúa en estas condiciones en sentido opuesto a la marcha del motor, es decir, como si se tratase de un par resistente. En este caso, la máquina funciona como generador. Esta situación se aprovecha en las grúas, en el movimiento de descenso, para limitar la velocidad. Velocidad del rotor (N2) Inducción de f.e.m. Intensidad en el rotor Par Funcionamiento

e

SINCRONISMO /VACíO N2 = N1 v rotor = v estator f.e.m. = 0 I=0 M=0 En vacío

HIPOSINCRONISMO N2 > N1 v rotor > v estator f.e.m. > 0 I>0 M>0 Normal

HIPERSINCRONISMO N2 < N1 v rotor < v estator f.e.m. < 0 I