Tipos de Motores AC y DC

ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA EFICIENCIA ENERGÉTICA. TREJO MANOSALVAS ALEJANDRO XAVIER.

GR1. 2017-07-04.

DEBER N.-2 1. TIPOS DE MOTORES AC Y DC 1.1. AC Se usan mucho en la industria, sobretodo, el motor trifásico asíncrono de jaula de ardilla. 1.1.1. Polifásicos. No hay que olvidar que los motores bifásicos y monofásicos, también son de corriente alterna. Los motores trifásicos tienen ciertas características c aracterísticas comunes: En relación con su tensión, éstos motores cuando c uando su utilidad es industrial suelen ser de 230 V y 400 V, para máquinas de pequeña y mediana potencia, siendo considerados de baja tensión. No sobrepasan los 600 KW a 1500 r.p.m. Los motores de mayor tensión, de 500, 3000, 5000, 10000 y 15000 V son dedicados para grandes potencias y los consideramos como motores de alta tensión. Los motores que admiten las conexiones estrella y triángulo, son alimentados por dos tensiones diferentes, 230 V y 400 V, siendo especificado en su placa de características. Respecto a su frecuencia tenemos que decir que en Europa se utilizan los 50 Hz, mientras que en américa se utilizan los 60 Hz. Aunque la frecuencia de red tenga fluctuaciones, siempre que no superen el 1%, el motor rendirá perfectamente. Mayores fluctuaciones afectarán directamente sobre el rendimiento de su potencia. De hecho, para variar la velocidad de esta clase de motores se manipula la frecuencia. Con respecto a la velocidad los motores trifásicos son construidos para velocidades determinadas que corresponden directamente con las polaridades del bobinado y la frecuencia de la red. Respecto a la intensidad, el motor trifásico absorbe de la red la intensidad que necesita, dependiendo siempre de la fase en que se encuentre. Por ésta razón existen diferentes modos de arranques, para ahorrar energía y preservar el motor. En sobrecarga pueden asumir un incremento de la intensidad de hasta 1.5 la intensidad nominal sin sufrir ningún daño durante dos minutos. 1.1.1.1. Inducción o asíncrono. Un motor se considera asíncrono cuando la velocidad del campo magnético generado por el estator supera a la velocidad de giro del rotor. En el momento del arranque estos motores poseen un par relativamente pequeño, mientras que la intensidad absorbida de la red el elevada. Son aquellos motores eléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de frecuencias.

1.1.1.1.1.

 Jaula de Ardilla.

El motor de corriente alterna trifásico de jaula de ardilla es el motor eléctrico industrial por excelencia. Fuerte, robusto y sencillo, se usa en un gran número de máquinas con un mantenimiento mínimo. Los motores de jaula de ardilla constan de dos partes fundamentales: El estator, parte fija de la máquina, compuesta de una serie de chapas magnéticas aisladas entre sí para evitar las corrientes de Foucault, con una serie de ranuras interiores en las que se alojan los devanados de excitación, con un número de fases igual a las de la corriente eléctrica a la que esté conectado el motor. El rotor, parte móvil de la máquina, constituida por unas barras de cobre o aluminio unidas en sus extremos por un disco de idéntico material. Es importante hacer notar que en este tipo de rotor no existen escobillas de conexión que permitan la conexión del rotor con el exterior, tal y como ocurre en el motor trifásico asíncrono de rotor bobinado. En el momento del arranque estos motores poseen un par relativamente pequeño, mientras que la intensidad absorbida de la red el elevada. 1.1.1.1.2.

Rotor cilíndrico o rotor bobinado.

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, normalmente es 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. 1.1.1.2. Sincrónico. Un motor se considera síncrono cuando la velocidad del campo magnético del estator es igual a la velocidad de giro del rotor. Recordar que el rotor es la parte móvil del motor. Son aquellos motores eléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de frecuencias. Este motor tiene la característica de que su velocidad de giro es directamente proporcional a la frecuencia de la red de corriente alterna que lo alimenta. Es utilizado en aquellos casos en donde se desea una velocidad constante. 1.1.1.2.1.

Polo Sombreado.

Este tipo de motores es usado en casos específicos, que tienen requerimientos de potencia muy bajos. Su rango de potencia está comprendido en valores desde 0.0007 HP hasta 1/4HP, y la mayoría se fabrica en el rango de 1/100 a 1/20 de HP. La principal ventaja de estos motores es su simplicidad de construcción, su confiabilidad y su robustez, además, tienen un bajo costo. A diferencia de otros motores monofásicos de C.A., los motores de fase partida no requieren de partes

auxiliares (capacitores, escobillas, conmutadores, etc.) o partes móviles (switches centrífugos). Esto hace que su mantenimiento sea mínimo y relativamente sencillo.

1.1.1.2.2.

Histéresis.

Es un motor que usa el fenómeno de la histéresis para la producción de un par mecánico. El rotor del motor es un cilindro de material magnético sin dientes, protuberancias ni devanados. El estator del motor puede ser monofásico o trifásico: pero si es monofásico, se debe usar un condensador permanente con un devanado auxiliar para suministrar un campo tan uniforme como sea posible, puesto que esto reduce la gran pérdida del motor en gran escala. Cuando se le aplica una corriente trifásica o monofásica con el devanado auxiliar al estator del motor, aparece un campo magnético giratorio dentro de la maquina. Este campo magnético giratorio magnetiza el metal del rotor e induce polos dentro de él. 1.1.1.2.3.

Imanes Permanentes.

Utilizan un capacitor conectado en serie con los devanados de arranque y de trabajo. El crea un retraso en el devanado de arranque, el cual es necesario para arrancar el motor y para accionar la carga. La principal diferencia entre un motor con permanente y un motor de arranque con capacitor, es que no se requiere switch centrífugo. Éstos motores no pueden arrancar y accionar cargas que requieren un alto par de arranque.

1.1.2. Monofásicos. 1.1.2.1. Inducción. La necesidad del motor de inducción monofásico se explica de la siguiente forma: existen muchas instalaciones, tanto industriales como residenciales a las que la compañía eléctrica sólo suministra un servicio de ca monofásico. Además, en todo lugar casi siempre hay necesidad de motores pequeños que trabajen con suministro

monofásico para impulsar diversos artefactos electrodomésticos tales como máquinas de coser, taladros, aspiradoras, acondicionadores de aire, etc. 1.1.2.1.1.

Fase partida (arranque por resistencia)

Se basa en colocar un bobinado auxiliar desplazado físicamente 90º del principal. Además, se lo construye de conductor más fino y suele tener diferente cantidad de vueltas. Así se le otorga una impedancia diferente al del devanado principal por lo que la su corriente está desfasada. El devanado de arranque tiene menos vueltas y consiste en alambre de cobre de menor diámetro que el devanado de marcha. Por lo tanto, el devanado de arranque tiene alta resistencia y baja reactancia. A la inversa, el devanado de marcha, con más vueltas de alambre más grueso, tiene baja resistencia y alta reactancia; pero debido a su impedancia total menor, la corriente en el devanado de marcha es en general mayor que la correspondiente en el devanado de arranque. Al sumar los campos principales y auxiliar se tiene un vector giratorio que describe una elipse. No es un campo rotante de magnitud constante, pero alcanza para impulsar por sí sólo al rotor en el arranque. 1.1.2.1.2.

Fase partida (arranque por capacitor)

Como medio de mejorar el par relativamente bajo del motor de fase partida por resistencia se agrega un capacitor al devanado auxiliar para producir una relación casi real de 90° entre las corrientes de los devanados de arranque y de marcha, en lugar de aproximadamente 30°, elevando el par de arranque a los límites normales del par nominal. La figura muestra el diagrama de conexiones del motor de arranque por capacitor, cuya diferencia implica la adición de un capacitor en el devanado auxiliar. Se puede advertir también a partir de la figura, el mejoramiento del torque de partida debido a la inclusión del capacitor. Debido a su mayor par de arranque, que es de 3.5 a 4.5 veces el par nominal, y a su reducida corriente de arranque para la misma potencia al instante del arranque, el motor de arranque por capacitor se fabrica hoy en tamaños de caballaje integral hasta de 7.5 hp. 1.1.2.1.3.

Fase partida (capacitor permanente)

Este tipo de motor tiene dos devanados permanentes que, en general, se arrollan con alambre del mismo diámetro y el mismo número de vueltas; es decir, los devanados son idénticos A este motor también se le conoce como motor de capacitor dividido permanente, es una versión menos cara que la del motor de arranque por capacitor y capacitor de marcha. Ya que trabaja en forma continua como motor de arranque por capacitor no se necesita interruptor centrífugo. Los motores de este tipo arrancan y trabajan en virtud de la descomposición de la fase de cuadratura que producen los dos devanados idénticos desplazados en tiempo y espacio. En consecuencia, no tiene el alto par de marcha normal que producen los motores ya sea de arranque por capacitor o de arranque por resistencia. El capacitor que se usa se diseña para servicio continuo y es del tipo de baño de aceite. El valor del capacitor se basa más en su característica de marcha óptima que en la de arranque. Al instante de arranque, la corriente en la rama capacitiva es muy baja.

El resultado es que estos motores, a diferencia de los de arranque por capacitor, tienen par de arranque muy deficiente, de entre 50 a 100 por ciento del par nominal, dependiendo de la resistencia del rotor. 1.1.3. Universales. Funcionan con c.a. y c.c. y son de fracción de 1 hp y son usados principalmente en aparatos electrodomésticos. El inducido es igual al de un motor de c.c. funciona a la misma velocidad con c.c. o c.a. La velocidad se puede regular por medio de reóstatos y bobinas de tomas múltiples devanadas en torno del campo. Como es un motor serie, la carga siempre debe estar conectada al motor 1.2. DC Suelen utilizarse cuando se necesita precisión en la velocidad, montacargas, locomoción, etc. 1.2.1. Imanes Permanentes.

Por su sencillez en la construcción son muy utilizados en equipos de sonido y video, ejemplo, reproductores de dvd y cd, lectores de cd para computadoras, juguetes por control remoto inalámbrico, aunque su mantenimiento se hace muy costoso y complicado. En general los imanes están situados en el estator o carcaza, también se sitúan los porta escobillas y las escobillas que alimentan el rotor a través del colector y las delgas haciendo llegar la CC al devanado y crear la f.e.m. que hace girar al rotor. Basta con invertir la polaridad de la CC aplicada a las escobillas y el motor invierte su sentido de giro, pero nunca pueden ser enclavados en una posición fija, simplemente giran a una velocidad y sentido de acuerdo a la polaridad y nivel de CC aplicada. Para corregir esta característica se crearon los motores paso a paso y los servomecanismos que si pueden ser posicionados y son los más utilizados en la robótica y sistemas de control automáticos. Existe otro tipo de motor de CC e imán permanente que eliminan las escobillas y utilizan la conmutación electrónica llamados motores sin escobillas y son ampliamente utilizados en los sistemas de enfriamientos de fuentes de poder y computadoras. 1.2.2.  Arrollado en serie.

La conexión del devanado de excitación se realiza en serie con el devanado del inducido, como se puede observar en el dibujo. El devanado de excitación llevará pocas espiras y serán de una gran sección. La corriente de excitación es igual a la corriente del inducido. Los motores de excitación en serie se usan para situaciones en los que se necesita un gran par de arranque como es el caso de tranvías, trenes, etc. La velocidad es regulada con un reóstato regulable en paralelo con el devanado de excitación. La velocidad disminuye cuando aumenta la intensidad.

1.2.3. Devanado en derivación o shunt.

Como podemos observar, el devanado de excitación está conectado en paralelo al devanado del inducido. Se utiliza en máquinas de gran carga, ya sea en la industria del plástico, metal, etc. Las intensidades son constantes y la regulación de velocidad se consigue con un reóstato regulable en serie con el devanado de excitación.

1.2.4. Compuesta o compound

El devanado es dividido en dos partes, una está conectada en serie con el inducido y la otra en paralelo, como se puede ver con el dibujo. Se utilizan en los casos de elevación como pueden ser montacargas y ascensores. Teniendo el devanado de excitación en serie conseguimos evitar el embalamiento del motor al ser disminuido el flujo, el comportamiento sería similar a una conexión en shunt cuando está en vacío. Con carga, el devanado en serie hace que el flujo aumente, de este modo la velocidad disminuye, no de la misma manera que si hubiésemos conectado solamente en serie.

2. CLASIFICACIÓN DE MOTORES SEGÚN IEC-60034 Esta norma establece las normas de los motores eléctricos. Entre sus principales acotaciones se tiene las principales normas de motores, normas relacionadas con la eficiencia energética y las normativas de eficiencia energética en todo el mundo. Esta norma establece métodos para determinar las eficiencias a partir de ensayos y también especifica métodos de obtención de perdidas específicas. Se aplica tanto a las máquinas de CC como a maquinas síncronas y a máquinas de inducción de todos los tamaños existentes en la norma IEC60034. Además, define nuevas clases de eficiencia para motores y armoniza los distintos requisitos en vigor para los niveles de eficiencia de los motores de inducción en todo el mundo. Ofrece criterios técnicos para el uso de motores energéticamente eficientes en aplicaciones con velocidad constante y variable. No tomando en cuenta aspectos netamente comerciales.

Así pues los motores en esta norma se clasifican en 4 clases de eficiencia: 

IE3: Eficiencia Premium (16-20% menos pérdidas que IE2).



IE2: Eficiencia alta (anterior Eff1, EPAct)



IE1: Eficiencia estándar (anterior Eff2)



IE4: La eficiencia Super-Premium se presentó únicamente en forma de un anexo informativo.

3. CLASIFICACIÓN DE MOTORES SEGÚN NEMAS NEMA (Asociación de Fabricantes Eléctricos Nacionales) es el instituto encargado de analizar, revisar, y preparar las normas técnicas en la fabricación de motores eléctricos en Norte América, mientras que el mismo procedimiento, pero a nivel internacional lo hace la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional). De la norma NEMA se destaca que sus cables de conexión son marcados con números desde el 1 al 12 y los fabricados bajo la norma IEC tiene una nomenclatura que combina las letras U, V, W y los números 1 hasta el 6.

Según la norma NEMA, las clasificaciones de los motores se lo hace de acuerdo a varios aspectos a tomar en cuenta como lo son: a) Según el esfuerzo físico que va a realizar el motor. b)

c) Aislamiento térmico.

d) Según los KVA.

e) Según la protección de ingreso.

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