Rotor Bobinado

Rotor bobinado En los motores de rotor bobinado, el arrollamiento rotórico está constituido por unas bobinas de hilo de cobre por lo general. Y cuyos extremos están conexionados a unos anillos (anillos rozantes) por los que se alimentaran las bobinas. Para el arrollamiento del rotor se utilizan, conductores de sección circular o rectangular, aislados generalmente con doble capa de algodón o barnices apropiados e introducidos en las ranuras y aislados de ellas y entre sí, por medio de presspan, tela aceitada, etc... Antes de describir los procedimientos de fijación de los arrollamientos del rotor, será conveniente revisar las formas de ranuras existentes y los métodos para aislar los conductores en las ranuras. En los motores de rotor bobinado se emplean ranuras abiertas y sobre todo semicerradas de forma rectangular con una profundidad de aproximadamente 3 a 4 veces el ancho. Las ranuras abiertas tienen la ventaja de que las bobinas que se han construidopreviamente, pueden colocarse en su posición a través de la parte superior de la ranura y de esta manera el arrollamiento queda montado en poco tiempo; además las bobinas pueden sacarse fácilmente en caso de reparación o de sustitución. Pero las ranuras abiertas aumentan la reluctancia del circuito magnético por lo que en muchas ocasiones, resultan más adecuadas las ranuras semicerradas ; estas ranuras permiten que se inserten en ellas bobinas previamente construidas, pero éstas han de tener un ancho no superior a la mitad del ancho de ranura, por lo que el montaje del arrollamiento será algo más costoso. De todas formas y debido a las mejores condiciones magnéticas obtenidas con las ranuras semicerradas, éstas son las más utilizadas en los motores de rotor bobinado para medianas y grandes potencias. Si observamos la apariecia de las ranuras en forma

rectangular, se ve inevitablemente dientes de forma trapezoidal, estrechos en la base y más anchos en la cabeza: esta forma no es la mejor desde el punto de vista magnético, ya que en la base del diente existirá mayor densidad de flujo magnético y si se quiere evitar la saturación magnética indebida en la base del diente, el resto de éste no se utilizará a pleno rendimiento; por otro lado, existe el peligro de que si la base del diente es demasiado estrecha puede quedar sometida a un excesivo esfuerzo mecánico cuando gira la máquina. Cuanto menor es el diámetro del rotor, mayor será el estrechamiento del diente debido a la forma rectangular de las ranuras; por esta razón, los rotores para motores de pequeña potencia se construyen con dientes paralelos y ranuras trapezoidales . Esta forma de ranuras no puede contener adecuadamente los conductores de sección rectangular pero resulta muy apropiada para alojar conductores de sección circular que son, precisamente, los que se emplean para máquinas de pequeña potencia. Se elige la forma rectangular porque resulta la más adecuada para contener las barras rectangulares de cobre que se emplean para constituir las bobinas y además esta forma puede adaptarse fácilmente para contener los conductores de sección circular. En cuanto a la forma constructiva del arrollamiento del rotor, se utiliza muchas veces el arrollamiento de barril o de cesta empleando también en los arrollamientos de inducido de corriente continua y, en otras ocasiones, el arrollamiento en varios planos , exclusivo de corriente alterna. Existen diferentes sistemas de fijación de las cabezas de bobina del arrollamiento rotórico mediante zunchos y soportes de fijación: a-Soporte de arrollamiento cilíndrico. b-Soporte de arrollamiento cónico. e-Soporte de arrollamiento abovedado.

Dispositivos de toma de corriente para el rotor Estos dispositivos solamente son aplicables a los motores con rotor bobinado ya que, como sabemos los motores con rotor de jaula de ardilla, no necesitan ningún elemento de conducción de corriente para el rotor, porque los conductores que constituyen el arrollamiento rotórico van cerrados en cortocircuitos. Como órgano de conducción para el rotor, las máquinas asíncronas de rotor bobinado llevan tres anillos rozantes, conectados cada uno de ellos a uno de los tres finales del arrollamiento rotórico; sobre estos anillos frotan tres escobillas, mediante las cuales, la corriente rotórica es conducida al exterior de la máquina. Los anillos rozantes se asientan conjuntamente en un cuerpo sustentador montado a su vez en el eje del motor; cada anillo recibe una pieza de conexión que lo une al correspondiente final del arrollamiento. Los anillos rozantes se construyen de cobre o de bronce fundidos aunque, como es natural, el material debe de ser de mejor calidad en el caso de escobillas permanentemente conectadas, ya que está sometido a mayor desgaste. Veamos primero como están constituidos los anillos rozantes en las máquinas cuyas escobillas permanecen permanentemente conectadas. En las máquinas de pequeña potencia, el cuerpo sustentador de los anillos es de material aislante , en el que se embuten los anillos rozantes; a cada anillo se suelda una tira de latón o de cobre, que se utiliza para la conducción de la corriente y, al propio tiempo, para evitar que gire el anillo embutido en el material prensado.

Introducción Contrariamente a las máquinas síncronas empleadas normalmente como generadores, las máquinas asíncronas han encontrado su principal aplicación como motores, debido a la sencillez de su construcción. El motor asíncrono trifásico es hoy el motor usual de accionamiento en todas las redes de distribución. Se llama máquina de inducción o asincrónica a una máquina de corriente alterna, en la cual la velocidad de rotación del rotor es menor que la del campo magnético del estator y depende de la carga. La máquina asincrónica tiene la propiedad de ser reversible, es decir, puede funcionar como motor y como generador. El motor asincrónico tiene dos partes principales: Estator y rotor. El estator es la parte fija de la máquina en cuyo interior hay ranuras donde se coloca el devanado trifásico que se alimenta con corriente alterna trifásica. La parte giratoria de la máquina se llama rotor y en sus ranuras también se coloca un devanado. El estator y el rotor se arman de chapas estampadas de acero electrotécnico de 0,35 a 0,5 [mm] de espesor. Según la construcción, los motores asincrónicos pueden ser de rotor de jaula de ardilla o de rotor bobinado. Los motores asincrónicos se dividen en: sin colector y con colector. Los motores sin colector se utilizan donde se necesita una velocidad de rotación aproximadamente constante y no se requiere su regulación. Los motores sin colector son simples en construcción, funcionan sin fallas y son de alto rendimiento. Para alcanzar amplia gama de velocidades, se utilizan motores asincrónicos con colector monofásico y trifásico; sin embargo, debido al alto costo, a una construcción complicada y condiciones difíciles de trabajo, las máquinas asincrónicas con colector son poco empleadas.

Consideraciones generales de las máquinas asincrónicas Contrariamente a las máquinas síncronas, empleadas normalmente como generadores, las máquinas asíncronas han encontrado su principal aplicación como motores, debido a la sencillez de su construcción. Las máquinas asíncronas tienen un circuito magnético sin polos salientes estando ranurados tanto el estator como el rotor, los cuáles van a estar sometidos a la acción de campos magnéticos giratorios que darán lugar a pérdidas magnéticas. En consecuencia, ambos órganos de la máquina se fabrican a base de apilar chapas delgadas de acero al silicio para reducir estas pérdidas. El devanado del estator normalmente es trifásico, aunque en máquinas de pequeña potencia también puede ser monofásico o bifásico. El devanado del rotor siempre es polifásico. Ambos devanados tienen el mismo número de polos (2p). El devanado del rotor forma un circuito cerrado por el que circulan corrientes inducidas por el campo magnético. El rotor puede ser de dos tipos: de jaula de ardilla o en cortocircuito y de rotor bobinado o con anillos. Una jaula de ardilla es un devanado formado por unas barras alojadas en las ranuras del rotor que quedan unidas entre sí por sus dos extremos mediante sendos aros o anillos de cortocircuito. El número de fases de este devanado depende de su número de barras. Muchas veces estos anillos poseen unas aletas que facilitan la evacuación del calor que se genera en la jaula durante el funcionamiento de la máquina. El rotor bobinado tiene un devanado trifásico normal cuyas fases se conectan al exterior a través de un colector de tres anillos y sus correspondientes escobillas. En funcionamiento normal estos tres anillos están cortocircuitados (unidos entre sí). En ambos tipos de rotor se suelen emplear ranuras ligeramente inclinadas con respecto al eje de la máquina. El bloque de chapas que forma el circuito magnético del rotor tiene un agujero central donde se coloca el eje o árbol de la máquina. En muchas ocasiones se coloca un ventilador en este eje para facilitar la refrigeración de la máquina. La carcasa es la envoltura de la máquina y tiene dos tapas laterales donde se colocan los cojinetes en los que se apoya el árbol. Esta carcasa suele disponer de aletas para mejorar la refrigeración de la máquina. Sujeta a la carcasa está la placa de características donde figuran las magnitudes más importantes de la máquina. En la carcasa se encuentra también la caja de bornes adonde van a parar los extremos de los bobinados. En una máquina asíncrona trifásica de jaula de ardilla la caja de bornes tiene seis terminales, correspondientes a los extremos de las tres fases del estator (dos extremos, principio y final, por cada fase), formando dos hileras de tres. De esta forma resulta fácil el conectar el devanado del estator en estrella o en triángulo. Las ideas fundamentales sobre los motores de inducción las desarrolló a finales de la década de 1880 Nicola Tesla, quien recibió la patente por sus ideas en 1888. En esa época presentó un artículo ante el American Institute of Electrical Engineers [ATEE, predecesor del Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)]

en el que describía los principios básicos del motor de inducción con rotor devanado, junto con ideas sobre otros dos importantes motores de ca: el motor síncrono y el motor de reluctancia. A principios del siglo XX se impuso el sistema trifásico europeo ante el bifásico americano, por lo que las maquinas asincrónicas comenzaron a ser y son trifásicas. En las máquinas asincrónicas la corriente que circula por uno de los devanados se debe a la f.e.m inducida por la acción del flujo del otro, y por esta razón se denominan máquinas de inducción. También reciben el nombre de máquinas asincrónicas debido a que la velocidad de giro del rotor no es la de sincronismo impuesta por la frecuencia de la red. La importancia de los motores asíncronos de debe a su construcción simple y robusta, sobre todo en el caso del rotor en forma de jaula de ardilla, que les hace trabajar en circunstancias más adversas, dando un excelente servicio con pequeño mantenimiento. Hoy en día se puede decir que más del 80% de los motores eléctricos industriales emplean este tipo de maquinas, trabajando con una frecuencia de alimentación constante. Sin embargo, históricamente su inconveniente más grave ha sido la limitación para regular su velocidad, y de ahí cuando esto era necesario, en diversas aplicaciones como la tracción eléctrica, trenes de laminación, etc., eran sustituidos por motores de c.c., que eran más idóneos para este servicio. Desde finales del siglo XX y con el desarrollo tan particular de la electrónica industrial, con accionamientos electrónicos como inversores u onduladores y cicloconvertidores, que permiten obtener frecuencia variable a partir de la frecuencia de la red, y con la introducción del microprocesador en la electrónica de potencia, se han realizado grandes cambios, y los motores asíncronos se están imponiendo poco a poco en los accionamientos eléctricos de velocidad variable.

Máquina asíncrona

Eje (0), Cojinete (1), rotor de jaula de ardilla (2), tapa lateral de la carcasa (3) y ventilador (4)

Rotor bobinado o con anillos

a) Colector de 3 anillos; b) Escobilla; c) Anillo con escobilla Corriente de arranque de los motores asíncronos Se pueden distinguir dos casos extremos: a) Cuando a la red se conecta un motor con el circuito del rotor abierto y b) cuando su rotor está cortocircuitado. En el primer caso el fenómeno tiene cuantitativamente el mismo carácter que al conectar a la red un transformador con devanado secundario abierto. El instante de conexión más peligroso es el instante cuando la tensión pasa por el cero.

En la máquina polifásica las componentes periódicas de los flujos de algunas fases forman un flujo resultante que gira en el espacio con la velocidad n1= f1*p1, y las componentes aperiódicas de los flujos, forman un flujo resultante fijo en el espacio.

Conexión de un motor asincrónico con rotor abierto El flujo resultante doble satura intensamente el acero de la máquina. Por eso la amplitud de la corriente de conexión de la marcha en vacío I"om del motor asincrónico supera considerablemente la amplitud de la corriente permanente en vacío Iom. En comparación con los transformadores, en los motores asincrónicos la relación I"om / Iom es menor, puesto que al existir espacio la curva de imantación de estos últimos es más chata, y el flujo remanente de magnetización es menor. No obstante, la corriente de conexión en vacío puede superar unas cuantas veces la corriente nominal In. Cuando a la red se conecta un motor con rotor cortocircuitado. Como en el primer instante la velocidad de rotación n = 0, los fenómenos que transcurren en este caso cualitativamente son los mismos que en el caso de cortocircuito instantáneo del transformador. Si con el fin de simplificar se desprecia la corriente magnetizante, entonces la corriente de cortocircuito instantáneo del motor asincrónico se puede determinar por la fórmula

Lo mismo que la corriente de conexión en vacío, esta corriente tiene dos componentes, una de las cuales, la componente periódica Ic.c.p, corresponde a la corriente permanente de cortocircuito, y la otra, la componente aperiódica Ic.c.a, se amortigua por la ley exponencial. La amortiguación sucede muy rápidamente, puesto que la constante del tiempo de amortiguación Xc.c/wRc.c es pequeña. Por esta razón, con frecuencia la segunda componente de la corriente no se tiene en cuenta, comprendiendo por corriente de arranque del motor Iarr la corriente periódica de cortocircuito. Habitualmente Iarr/In = (4--7) diferentes formas de arranque de los motores asincrónicos El arranque es el proceso de puesta en marcha de un motor que lo lleva desde una velocidad nula a la del punto de funcionamiento estable que corresponda al par resistente de la carga que tiene que mover. Para que pueda realizarse esta maniobra debe cumplirse la condición de arranque: durante el arranque el par del motor debe ser superior al par resistente o de frenado. De no cumplirse esta condición, el par motor es insuficiente para mover la carga mecánica que tiene acoplada y no se puede producir el arranque. Los dispositivos de arranque pueden ser de operación manual o por contactores. Estos últimos permiten efectuar el mando a distancia del motor con cables de secciones pequeñas (sólo se requiere la corriente necesaria para la bobina del contactor), lo que facilita el accionamiento y diseño del dispositivo de control por trabajar con intensidades reducidas.

Es necesario limitar la corriente de arranque de los motores asíncronos trifásicos, ya que éstos están conectados a la red de distribución de energía eléctrica en paralelo con otros abonados, que podrían sufrir bajadas momentáneas de tensión de suministro durante el arranque de los mencionados motores debido a la caída de tensión provocada por la impedancia de las líneas de transporte. La máxima caída de tensión en la red no debe superar el 15% durante el arranque.

Durante la puesta en tensión de un motor, la corriente solicitada es considerable y puede provocar una caída de tensión que afecte al funcionamiento de los receptores, especialmente en caso de insuficiencia de la sección de la línea de alimentación. En ocasiones, la caída puede llegar a ser perceptible en los aparatos de alumbrado. Los motores de jaula son los únicos que pueden acoplarse directamente a la red por medio de un equipo simple. Tan sólo las extremidades de los devanados del estator sobresalen de la placa de bornes. Dado que el fabricante determina de manera definitiva las características del rotor, los distintos procesos de arranque consisten principalmente en hacer variar la tensión en los bornes del estator. En este tipo de motores, cuya frecuencia es constante, la reducción de la punta de corriente conlleva de manera automática una fuerte reducción del par de arranque. Para reducir las corrientes en el momento de la puesta en marcha de un motor asíncrono se emplean métodos especiales de arranque, según que la maquina tenga su rotor en forma de jaula de ardilla o bobinado (con anillos). Arranque de motores asincrónicos con rotor en jaula de ardilla Los motores de corriente alterna con rotor en jaula de ardilla se pueden poner en marcha mediante los métodos de arranque directo o a tensión reducida. En ambos casos, la corriente de arranque generalmente resulta mayor que la nominal, produciendo las perturbaciones comentadas en la red de distribución. Estos inconvenientes no son tan importantes en motores pequeños, que habitualmente pueden arrancar a tensión nominal. La máxima caída de tensión en la red no debe superar el 15% durante el arranque. Los circuitos con motores deben contar con interruptores que corten todas las fases o polos simultáneamente y con protecciones que corten automáticamente cuando la corriente adquiera valores peligrosos. En los motores trifásicos debe colocarse una protección automática adicional que corte el circuito cuando falte una fase o la tensión baje de un valor determinado. Arranque directo Este método de arranque es el más sencillo y se emplea en motores de pequeña potencia (o en motores grandes si están conectados a una red eléctrica independiente de tal manera que su corriente de arranque no afecte a otros consumidores). Consiste en arrancar el motor conectándolo a su tensión asignada. Este método se emplea únicamente en maquinas de una potencia inferior a 5Kw. Un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica directamente la tensión nominal a la que debe trabajar. Si el motor arranca a plena carga, el bobinado tiende a absorber una cantidad de corriente muy superior a la nominal, lo que hace que las líneas de alimentación incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa se reduzca la caída de tensión. La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede tomar valores entre 6 a 8 veces mayores que la corriente nominal del motor. Su ventaja principal es el elevado par de arranque, que es 1.5 veces el nominal.

Siempre que sea posible conviene arrancar los motores a plena tensión por el gran par de arranque que se obtiene, pero si se tuvieran muchos motores de media y gran potencia que paran y arrancan en forma intermitente, se tendrá un gran problema de perturbaciones en la red eléctrica. Por lo tanto, de existir algún inconveniente, se debe recurrir a alguno de los métodos de arranque por tensión reducida. Arranque a tensión reducida Existen varios procedimientos de arranque que consisten en alimentar al motor con una tensión inferior a la asignada en el momento del arranque para después, cuando el rotor ya está girando, irla aumentando hasta alcanzar su valor asignado. De esta manera, al tener en el arranque una tensión inferior a la asignada la corriente de arranque disminuye, pero también el par de arranque. Esto hay que tenerlo en cuenta y comprobar que el par de arranque del motor a tensión reducida es suficientemente grande como para que se cumpla la condición de arranque. Por esta razón, estos procedimientos de arranque sólo se pueden utilizar si el motor se arranca sin carga o con cargas mecánicas que no ejerzan un par resistente elevado a bajas velocidades. Para conseguir reducir la tensión durante el arranque se pueden emplear varios métodos: un autotransformador, un arrancador electrónico, conectar impedancias en serie con el estator. En los motores trifásicos uno de los más empleados es el arranque estrella-triángulo.

Curvas par-velocidad a tensión asignada y a tensión reducida (arranque estrella-triángulo) Curvas par-velocidad a tensión asignada y a tensión reducida (arranque estrella-triángulo) Arranque por autotransformador Consiste en intercalar un autotransformador entre la red y el motor, de tal forma que la tensión aplicada en el arranque sea solo una fracción de la asignada. El proceso puede realizarse en dos o tres escalones y con tensiones no inferiores al 40, 60 y 75% de la tensión de la línea. Se aplica a motores cuya potencia nominal es mayor que 5Kw. El autotransformador de arranque es un dispositivo similar al estrella-triangulo, salvo por el hecho de que la tensión reducida en el arranque se logra mediante bobinas auxiliares que permiten aumentar la tensión en forma escalonada, permitiendo un arranque suave. Su único inconveniente es que las conmutaciones de las etapas se realizan bruscamente, produciendo en algunas ocasiones daños perjudiciales al sistema mecánico o a la maquina accionada. Por ejemplo, desgaste prematuro en los acoplamientos (correas, cadenas, engranajes o embragues de acoplamiento) o en casos extremos roturas por fatiga del eje o rodamientos del motor, producido por los grandes esfuerzos realizados en el momento de arranque. Este método de arranque es posible solo en los casos cuando el par de frenado durante el arranque no es grande. De lo contrario el motor no podrá iniciar la marcha. Una variante menos usada es la conexión Kusa, en la que durante el proceso de arranque se intercala una resistencia en uno de los conductores de línea. Es decir, que la corriente de arranque depende de la tensión de alimentación del motor. Si disminuimos la tensión de alimentación en el momento del arranque, reduciremos la corriente de arranque. Una vez que el motor alcance una determinada velocidad, con s