Motores de Corriente Alterna: Funcionamiento, Tipos y Aplicaciones, Apuntes de Diseño de Circuitos Electrónicos

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Maquinas

eléctricas

(motores)

Los motores de corriente alterna son los más empleados, dada la gran ventaja de funcionar con la forma de corriente que suministran las empresas eléctricas, no requieren pasar la corriente alterna a corriente directa, por tanto son de menor costo. Se clasifican en motores asíncronos (o de inducción) y motores síncronos. En los síncronos el eje gira a la misma velocidad que lo hace el campo magnético, en los asíncronos el eje se revoluciona a una velocidad poco menor a la del campo magnético. Los motores asíncronos basan su funcionamiento en la creación de un campo magnético giratorio en el entrehierro, debido a la circulación de corriente alterna por los devanados trifásicos y la influencia de los polos magnéticos del estator. La velocidad de giro de este campo magnético en revoluciones por minuto (r.p.m.), es: donde : f = Frecuencia de alimentación p = Número de polos del devanado del estator. ns = Velocidad de giro, en revoluciones por minuto.

La razón para utilizar motores de menor velocidad es para incrementar el torque o par que puede entregar el motor. Este término se refiere al equivalente de fuerza por distancia que es capaz de ejercer un motor en cada giro. El giro de un motor tiene dos características: el par motor y la velocidad de giro. Motores con diferente cantidad de polos

El par motor se expresa y mide en Newton-metro (Nm); un par de 20 Nm, es igual al esfuerzo de tracción de 20 Newtones, aplicado a un radio de un metro. Un ejemplo práctico para comprender la diferencia entre par y potencia se observa en los pedales de una bicicleta; en donde el motor sería la persona que pedalea, y el par motor, en ese caso, la presión o fuerza que ejerce sobre los pedales. Si la persona conduce su bicicleta a una determinada velocidad fija, por ejemplo, unos 15 km/h, con un engrane grande, dando 30 vueltas por minuto; estaría generando una potencia determinada; ahora sí reduce la velocidad de giro a 15 revoluciones por minuto, para generar la misma potencia tendría que emplear el doble de par; pues deberá hacer el doble de fuerza con cada pedaleada para mantener la velocidad de 15 km/h.

En los motores eléctricos el par aumenta para mantener la velocidad cuando la resistencia al giro es mayor, esto se logra incrementado en número de polos; en operación sí el voltaje se mantiene constante, el aumento de par incrementa la corriente consumida.

Deslizamiento. Ya se menciono que los motores asíncronos no giran a la velocidad del campo magnético, llamada sincronía, sino que lo hacen a una velocidad muy próxima. Se llama deslizamiento “s”, a la diferencia entre la velocidad de sincronismo ns y la del rotor n, expresada como un porcentaje de la velocidad de sincronismo: Por ejemplo, si un motor de 2 polos a 60 Hz tiene una velocidad a plena carga de 3,550 r.p.m., el deslizamiento del mismo es:

Pérdidas de energía En la transformación de energía eléctrica en mecánica, que tiene lugar en los motores eléctricos, una parte de la energía eléctrica tomada de la red se convierte en calor, constituyendo las pérdidas del motor. Las pérdidas de un motor de inducción pueden agruparse en dos bloques: las que dependen del índice de carga del motor, y las que son independientes de la carga. La magnitud de ambos tipos dependen del diseño, construcción del motor, materiales y calidad del proceso de manufactura.

Una distribución de las pérdidas en función de la potencia se muestra en la Tabla.

Eficiencia. La eficiencia de un motor es la relación entre la potencia mecánica de salida y la potencia eléctrica de entrada. Este es el concepto más importante desde el punto de vista del consumo de energía y del costo de operación de un motor eléctrico. La eficiencia se puede expresar de las siguientes maneras:. El valor más alto de eficiencia es la unidad ( 1 uno), en el caso ideal si las pérdidas fueran cero, como lo indica la segunda expresión. Los fabricantes de motores hacen innovaciones tecnológicas tendientes a disminuir las pérdidas al máximo posible empleando materiales de alta calidad y un proceso de mejora continua en la fabricación.

Según la eficiencia, los motores eléctricos se clasifican en tres tipos:

1. Motores de eficiencia estándar: no consideran la eficiencia como la principal cualidad, más bien privilegian la funcionalidad y precio, prácticamente los motores con más de 15 años podrían considerarse de eficiencia estándar. 2. Motor de alta eficiencia: surge en la década de los años noventa, como consecuencia de contrarrestar los altos precios de la energía y por la necesidad evidente de hacer un uso eficiente y racional de la energía. 3. Motor Premium: La innovación de los motores premium se basa en elevar aún más la eficiencia de los motores eléctricos, para ello se ha perfeccionado su proceso de manufactura y se utilizan materiales de alta calidad, lo cual implica que su costo es también más elevado.

Tipos de carcasa La carcasa o armazón es la superficie envolvente del motor eléctrico, de la cual existen tipos diversos, donde los principales son: Abierto : Una carcasa abierta con ventilador, la cual permite el paso del aire frío sobre y alrededor de los embobinados del motor, aunque este tipo se utiliza en pocas ocasiones. Abierto aprueba de goteo : Es un motor abierto en el cual la ventilación impide la entrada de líquidos o sólidos al motor, en un ángulo menor a 15 grados con la vertical, ya sea en forma directa o por choque y flujo por una superficie horizontal o inclinada hacia adentro. Resguardado o protegido : Es un motor abierto donde las aberturas conducen el aire de enfriamiento directamente a partes giratorias, exceptuando los ejes lisos del motor, tienen acceso limitado a sus partes mediante estructuras, parrillas o metal desplegado, etc. protegiendo el contacto accidental con partes giratorias o eléctricas.

Tipos de carcasa Aprueba de chorro y salpicaduras : Este es un motor abierto en el cual la ventilación impide la entrada de líquidos o sólidos en cualquier ángulo menor de 100 grados de la vertical. Abierta a prueba de lluvia : Es abierta con conductos de ventilación diseñados para reducir al mínimo la entrada de lluvia y partículas suspendidas en el aire a las partes eléctricas del motor. A prueba de agua : Es una carcaza totalmente cerrada para impedir que entre agua aplicada en forma de un chorro o manguera al recipiente de aceite y con medios para drenar agua al interior, como una válvula de retención o una abertura en la parte inferior del armazón, para conectar el drenado. Encapsulados : Es un motor abierto en el cual el embobinado está cubierto con un revestimiento de material fuerte para proporcionar protección contra la humedad, suciedad y contra substancias abrasivas.

Aislamiento del motor La temperatura ambiente juega un papel importante en la capacidad y selección del tamaño de un motor, ya que la temperatura ambiente influye en la elevación permisible de temperatura por sobre los 40 º C normales, lo cual depende en gran medida en el tipo de aislamiento. Por ejemplo un motor que trabaje a una temperatura ambiente de 75 º C empleando aislamiento clase B tiene un aumento permisible de temperatura de 55 º C. Si trabajara a su temperatura ambiente normal de 40 º C, se podría permitir un aumento de temperatura de 90 º C, sin dañar su aislamiento.

Los materiales empleados en aislamientos de motores y máquinas eléctricas pueden ser diferentes tipos, según se detallan en la tabla. Materiales aislantes