06-Motores de CA

En este caso, los motores basan su funcionamiento en la obtención de un campo magnético giratorio. Dentro de este campo giratorio puede haber un electroimán, que gira a la misma velocidad que el campo. En este caso tendremos un motor síncrono.

Una segunda posibilidad es que dentro del campo haya un bobinado sometido a inducción, por lo que aparece una corriente eléctrica y, por tanto, la fuerza de Lorentz. El giro será más lento que el del campo giratorio, razón por la cual el motor se denomina asíncrono o de inducción.

Respecto a la corriente de alimentación, tendremos motores monofásicos y motores trifásicos.

De foma similar a los motores de corriente continua, los de alterna están constituídos por una parte fija denominada estátor, inductor o excitación, dotado de las bobinas generadoras del campo magnético, y por un rótor o inducido, también llamado armadura.

La carcasa, las tapas y la caja de conexiones (o de bornes) completan el motor:

Motor completo

MOTOR MONOFÁSICO SÍNCRONO

Es un motor idéntico al motor de corriente continua con excitación en serie. Pero en corriente alterna, el funcionamiento del motor se basa en el acoplamiento de campos magnéticos que se repelen y atraen al unísono (para su estudio teórico se idealiza como un campo giratorio, pero eso no es tema de este curso).

Para que se produzca este acoplamiento, el rótor inducido tiene unas bobinas unidas a un colector formado por delgas, en serie con las bobinas de la excitación. Un par de escobillas aplican la corriente al rótor.

Por lo tanto, el mismo motor puede funcionar tanto con corriente continua como con alterna. Pero, además, puede funcionar como dínamo. Por ello se le denomina motor universal, y es ampliamente utilizado en pequeños electrodomésticos.

También son motores típicos de los ferrocarriles eléctricos, especialmente suburbanos, por la posibilidad de funcionar tanto con corriente continua como con alterna, y también debido a su elevado par de arranque.

MOTOR MONOFÁSICO ASÍNCRONO

En este tipo de motores, el estátor genera un campo magnético giratorio. Para ello, se dispone de dos pares de bobinas de excitación perpendiculares. Una de ellas se conecta directamente a la corriente alterna, generando un campo magnético oscilante. En la otra bobina se intercala un condensador cuya misión es desfasar la corriente que llega a la bobina 90° (eléctricos) respecto a la corriente de la bobina anterior, con lo cual, el campo magnético que genera esta segunda bobina estará también desfasado respecto al anterior. La composición de ambos campos es una suma de vectores y la resultante gira en el espacio, como se puede comprobar en la animación:

El campo magnético giratorio induce una corriente en los conductores del rótor (razón por la que al rótor se le llama también inducido) siempre que exista una variación de flujo magnético. Ésto ocurre siempre, ya que el rótor gira a menor velocidad que la velocidad de sincronismo a la que gira el campo. Y esta corriente inducida tiene los siguientes efectos:

• En primer lugar, se produce una fuerza de Lorentz sobre los conductores del rótor.

• Además, la propia corriente genera un campo magnético concéntrico respecto al cable que se suma al campo inductor, y entre los dos resulta una atracción magnética sobre la estructura de acero del rótor.

Las corrientes y fuerzas que aparecen en el inducido son tanto mayores cuanto mayor sea la velocidad relativa entre el rótor y el campo magnético. Ésto significa que los motores de inducción tendrán un elevado par de arranque y, además, cuando se sometan a alguna acción que les frene, esta disminución de velocidad de giro significa que la diferencia de velocidades aumenta, con lo cual aumenta la inducción, la fuerza de Lorentz, etc. y todo ello da como resultado que el par también aumenta, venciendo el frenado.

Para que se produzca corriente que circule libremente por el rotor, los conductores deben formar un cortocircuito, que se consigue con llamados rotores de jaula de ardilla:

MOTOR TRIFÁSICO ASÍNCRONO

El funcionamiento de estos motores es totalmente análogo al de los motores monofásicos de inducción:

• Un campo magnético giratorio

• Inducción de corriente en el rótor por causa del campo que gira a mayor velocidad que el propio rótor

• Fuerza de Lorentz y fuerza de atracción magnética

Y el campo magnético giratorio se consigue conectando cada una de las bobinas a una línea de corriente trifásica:

El rótor o inducido suele ser de jaula de ardilla, pero también puede ser de tipo bobinado, con la ventaja de poder regular la corriente de cortocircuito mediante potenciómetros, con lo cual se regula la velocidad de giro y el par desarrollado por el motor.

Los motores trifásicos presentan unas características especiales de utilización, ya que con los mismos tres cables de corriente se pueden realizar dos tipos de conexiones en la excitación:

• Conexión en estrella:

Un extremo de las tres bobinas de excitación se junta y cada uno de los extremos libres se conecta a cada uno de los cables (si las tres bobinas son idénticas, las corrientes se compensan y no es necesario el conductor neutro). En este caso cada bobina del motor está sometida a la tensión U_R, U_S y U_T, que suele ser de 220 V, y por cada una circula una intensidad igual a la que circula por cada conductor:

• Conexión en triángulo:

Cada extremo de las tres bobinas se une al extremo de la bobina siguiente no siéndo necesario el conductor neutro. En este caso cada bobina está sometida a tensión de línea, U_RS, U_ST y U_TR, en otras palabras, la tensión de cada fase del motor es la tensión de línea (que suele ser de 380 V):

Con estas posibilidades, se puede arrancar el giro de un motor a baja tensión de 220 V mediante una conexión en estrella, y cuando se haya establecido la f.c.e.m. propia del giro, conectar el motor en triángulo a 380 V para desarrollar toda su potencia, sin alcanzar nunca intensidades elevadas. Esto se realiza de forma automática mediante un arrancador estrella-triángulo, que son dos relés accionados por un temporizador:

Otra de las ventajas de los motores trifásicos de inducción es que se puede invertir su giro sin más que conmutar dos cualesquiera de sus fases, tanto en estrella como en triángulo:

CÁLCULOS CON MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

El primer cálculo es la velocidad de giro del campo magnético o velocidad síncrona, n_S, que viene dada por la expresión:

donde f es la frecuencia de la corriente y p el número de polos que tiene el motor.

Otro parámetro, básico en los motores asíncronos, es el deslizamiento absoluto, S, que es la diferencia entre la velocidad síncrona y la de giro del rótor, o el deslizamiento relativo, S%, cociente entre el absoluto y la velocidad síncrona. Al deslizamiento relativo se le suele llamar simplemente deslizamiento.

Para los cálculos con potencias eléctricas, éstas vienen dadas por el producto del voltaje aplicado y la intensidad consumida, pero hay varias diferencias:

(*) El voltaje es el de línea, entre cada par de dos conductores (U_RS, U_ST y U_TR), al igual que la intensidad, que es la que circula por cada conductor.

(**) Para el rendimiento de los motores de alterna sólo se considera la potencia activa, pues la potencia reactiva perdida en generación de campos magnéticos se intenta compensar con la instalación de condensadores en paralelo con las bobinas del motor, so pena de penalización por parte de las compañías eléctricas para factores de potencia elevados.

(***) La velocidad de giro, como siempre, puede venir dada en rad/s (ω) o en r.p.m. (n_ROTOR), de ahí las dos expresiones.

Para saber más:

tuveras.com

Animations of electrical machines (University of Minnesota)