1. Motores asíncronos monofásicos
En el ámbito doméstico tienen gran aplicación los motores eléctricos, por lo que es necesario que estos puedan funcionar en redes monofásicas. Los motores monofásicos son muy parecidos a los trifásicos, con el inconveniente de que su rendimiento y factor de potencia son inferiores. A igual potencia, el monofásico es más voluminoso que el trifásico y, siempre que las condiciones lo permitan, se utilizarán trifásicos. Los más utilizados son:
- Motor monofásico con bobinado auxiliar de arranque.
- Motor de espira en cortocircuito.
- Motor universal.
A. Motor monofásico con bobinado auxiliar de arranque, constitución y principio de funcionamiento
Como todos los motores eléctricos, está formado por un circuito magnético y dos eléctricos. El circuito magnético está formado por el estátor, donde se coloca el bobinado inductor y el rotor que incorpora el bobinado inducido, que en la mayoría de los casos suele ser de jaula de ardilla.
De su nombre se desprende que utiliza un solo bobinado inductor, recorrido por una corriente alterna que crea un flujo también alterno, pero de dirección constante que, por sí solo, no es capaz de hacer girar al rotor.
Si el rotor se encuentra ya girando, en los conductores del bobinado rotórico se generan fuerzas electromotrices que hacen que por el bobinado rotórico circulen corrientes, que a su vez generan un flujo de reacción desfasado 90º eléctricos respecto del principal.
La interacción entre estos dos flujos hace que el motor se comporte como un motor bifásico y el rotor continúe girando.
De lo expresado anteriormente se desprende que el motor monofásico es incapaz de arrancar por sí solo pero, si se pone en marcha, se mantiene funcionando de forma normal hasta su desconexión.
Por ello, hay que dotar a dicho motor de un dispositivo adecuado para iniciar el arranque. El más utilizado es incorporar al estátor un bobinado auxiliar que funciona durante el periodo de arranque y que se desconecta una vez que el motor está en funcionamiento.
En estas condiciones, el motor en el arranque es un motor bifásico, con sus bobinados desfasados 90º eléctricos, que hace que elmotor se ponga en marcha. Una vez alcanzado el régimen de vueltas, se desconecta el bobinado auxiliar de forma que queda funcionando como motor monofásico.
Para realizar la desconexión del bobinado auxiliar, se utilizan los interruptores centrífugos acoplados en el eje del motor. Los bobinados se conectan en paralelo a la placa de bornes (véase la Figura 11.22). Como se ha explicado, el motor monofásico tiene un rendimiento, par de arranque y factor de potencia algo bajos. Para compensar dichos valores, se recurre a conectar en serie con el bobinado auxiliar un condensador electrolítico, con lo que se consiguen valores de rendimiento y par de arranque mucho mejores. Esto se puede apreciar esquemáticamente en la Figura 11.23 y externamente en la Figura 11.21.
Para invertir el sentido de giro de un motor monofásico con bobinado auxiliar, hay que invertir las conexiones de los extremos de uno de los bobinados en la placa de bornes. No confundir con la inversión de los hilos de alimentación.
La puesta en marcha se realiza mediante un interruptor bipolar manual adecuado a la intensidad del motor, como vemos en la Figura 11.24.
Para invertir el sentido de giro, es necesario invertir las conexiones de uno de los bobinados del motor en la placa de bornes del motor (véase la Figura 11.25). No confundir con invertir las conexiones de la alimentación ya que, en ese caso, el motor sigue girando en el mismo sentido.
En los motores actuales, las bobinas de arranque se conectan con la red a través de un condensador en serie que, a la frecuencia de la red y la velocidad nominal del motor, produce un desfase tal entre las corrientes de los devanados de arranque y servicio que se hace innecesario desconectarlas, por lo que estos motores ya no necesitan incorporar el interruptor centrífugo simplificando su constitución y funcionamiento. Existe una forma
más sencilla de invertir el giro, como se muestra en el esquema de la Figura 11.26, para estos motores.
B. Motor monofásico de espira en cortocircuito, constitución y principio de funcionamiento
El motor de espira en cortocircuito está constituido por un estátor de polos salientes y un rotor de jaula de ardilla. En la masa polar se incorpora una espira en cortocircuito que abarca un tercio aproximadamente del polo. Las bobinas rodean las masas polares, como se muestra en la Figura 11.27.
Al alimentar las bobinas polares con una corriente alterna se produce un campo magnético alterno en el polo que por sí solo no es capaz de poner en marcha el motor. El flujo que atraviesa la espira genera en esta una fuerza electromotriz inducida que hace que circule una corriente de elevado valor por la espira. Esto a su vez crea un flujo propio que se opone al flujo principal. En estas condiciones se obtiene un sistema de dos flujos en el que el flujo propio estará en retraso respecto del flujo principal, haciendo que elmotor gire (véase la Figura 11.28).
El sentido de giro será siempre el que va desde el eje del polo hacia la espira en cortocircuito colocada en el mismo. Si por algún motivo necesitásemos invertir el giro, tendríamos que desmontar el motor e invertir todo el conjunto del rotor manteniendo la posición del estátor.
Dado que estos motores tienen un rendimiento muy bajo, su utilización se limita a pequeñas potencias de hasta 300 W y para trabajos de ventilación, bombas de desagües de electrodomésticos, etc. (véase la Figura 11.29).
C. Motor universal, constitución y principio de funcionamiento
Es un motor monofásico que puede funcionar tanto en corriente continua como alterna.
Su constitución es esencialmente la del motor serie de corriente continua, y sus características de funcionamiento son análogas. En la Figura 11.30 podemos ver representado de forma esquemática este motor.
El motor serie de corriente continua se caracteriza por tener un fuerte par de arranque y su velocidad está en función inversa a la carga, llegando a embalarse cuando funciona en vacío. Funcionando en corriente alterna, este inconveniente se ve reducido porque su aplicación suele ser en motores de pequeña potencia y las pérdidas por rozamientos, cojinetes, etc., son elevadas con respecto a la total, por lo que no presentan el peligro de embalarse, pero sí alcanzan velocidades de hasta 20000 revoluciones por minuto (rpm), que los hace bastante idóneos para pequeños electrodomésticos y máquinas herramientas portátiles. El motoruniversal es, sin duda, el más utilizado en la industria del electrodoméstico. Tienen la ventaja de poder regular la velocidad sin grandes inconvenientes. En la Figura 11.31, podemos ver el detalle del motor universal para un taladro eléctrico.
Para que un motor de este tipo pueda funcionar con corriente alterna, es necesario que el empilado de su inductor (el núcleo de los electroimanes) sea de chapa magnética para evitar las pérdidas en el hierro.
El bobinado inductor de los motores universales suele ser bipolar, con dos bobinas inductoras. El motor universal funciona en corriente continua exactamente igual que un motor serie. Si el motor se alimenta con corriente alterna, arranca por sí solo, ya que la corriente que recorre el bobinado inductor presenta cien alternancias por segundo, lo mismo que le ocurre a la corriente que recorre el bobinado inducido, por lo que el momento de rotación y el sentido de giro permanecen constantes.
2. Motores asíncronos trifásicos.
Tipos y sistemas de arranque
Como se ha mencionado antes, los motores asíncronos de inducción son aquellos en los que la velocidad de giro del rotor es algo inferior a la de sincronismo. Los podemos encontrar tanto monofásicos como trifásicos.
A. Motores trifásicos
La constitución y el principio de funcionamiento se han expuesto en los párrafos anteriores.
Son motores en los que el bobinado inductor colocado en el estátor está formado por tres bobinados independientes desplazados 120º eléctricos entre sí y alimentados por un sistema trifásico de corriente alterna. Los podemos encontrar de dos tipos:
- Rotor en cortocircuito (jaula de ardilla).
- Rotor bobinado.
Tensiones e intensidades en el estátor de los motores trifásicos
Todo bobinado trifásico se puede conectar en estrella (todos los finales conectados en un punto común, alimentando el sistema por los otros extremos libres) o bien en triángulo (conectando el final de cada fase al principio de la fase siguiente, alimentando el sistema por los puntos de unión), como se puede apreciar en la Figura 11.5.
En la conexión estrella, la intensidad que recorre cada fase coincide con la intensidad de línea, mientras que la tensión que se aplica a cada fase es 3 menor que la tensión de línea.
En la conexión triángulo la intensidad que recorre cada fase es 3 menor que la intensidad de línea, mientras que la tensión a la que queda sometida cada fase coincide con la tensión de línea.
En estas condiciones, el motor se puede considerar como bitensión, ya que las tensiones normalizadas son de 230 o 400 V. Si un motor está diseñado para aplicarle 230 V a cada fase, lo podremos conectar a la red de 230 V en triángulo y a la red de 400V en estrella. En ambos casos, la tensión que se le aplica a cada fase es 230 V. En una y otra conexión, permanecen invariables los parámetros de potencia, par motor y velocidad. La conexión estrella o triángulo se realiza sobre la placa de bornes mediante puentes como se puede apreciar en la Figura 11.6.
B. Motor de rotor en cortocircuito
El motor de rotor en cortocircuito es el de construcción más sencilla, de funcionamiento más seguro y de fabricación más económica. Su único inconveniente es el de absorber una elevada intensidad en el arranque a la tensión de funcionamiento. Su constitución se vio en la Figura 11.3.
En el momento del arranque este motor acoplado directamente a la red presenta un momento de rotación de 1,8 a 2 veces el de régimen, pero la intensidad absorbida en el arranque toma valores de 5 a 7 veces la nominal.
Para facilitar el conexionado en la placa de bornes del motor (véase la Figura 11.7), los extremos del bobinado inductor se disponen como muestra la Figura 11.8.
Su puesta en marcha se realiza de una forma simple y sencilla mediante un interruptor manual tripolar (véase la Figura 11.9). Estos interruptores han de estar diseñados para la intensidad del motor (véase la Figura 11.10)
El Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión (REBT) en su instrucción ITC-BT-47 regula la relación que debe existir entre las intensidades de arranque y plena carga de los motores alimentados desde una red pública de alimentación en función de su potencia. De dicha relación de proporcionalidad (véase la Tabla 11.1) se desprende que los motores de potencias superiores a 0,75 kW que no cumplan la relación de intensidades expuesta en la tabla, han de disponer de un sistema de arranque que disminuya esa relación.
La intensidad en el momento del arranque de motores que no cumpla esta relación puede hacer que salten las protecciones o bien perjudicar las líneas que los alimentan.
Para evitar estos inconvenientes se disminuye la tensión en el periodo de arranque y con ello la intensidad, y una vez alcanzada la velocidad de régimen se conecta el motor a su tensión nominal, con lo que se lobra amortiguar la intensidad de arranque. Para conseguir esto se utilizan los siguientes procedimientos:
Habrá que comprobar la resistencia de aislamiento entre las tres fases del motor, así como entre cada fase y la carcasa metálica (conductor de protección). Los resultados han de estar de acuerdo a los recogidos en la Tabla 5.5 de la Unidad 5. La conexión se realiza como se aprecia en el esquema de la Figura 11.42.
- Arranque estrella triángulo.
- Arranque mediante autotransformador.
- Arranque mediante resistencias en serie con el bobinado estatórico.
3. Medidas eléctricas en las instalaciones de motores eléctricos
En las instalaciones encargadas de alimentar motores eléctricos, es necesario el control y la medida de algunas magnitudes eléctricas para garantizar el buen funcionamiento de estas, y en caso de avería, poder localizarlas.
Las más frecuentes durante el funcionamiento suelen ser las medidas de intensidad, tensión, frecuencia y potencia, mientras que para localizar averías, suelen ser las de continuidad de los bobinados y la de resistencia de aislamientos.
La forma de realizarlas se expuso en la Unidad 5, aunque es conveniente que hagamos una particularización para estas instalaciones.
Medida de intensidad
Como se ha expuesto a lo largo de la unidad, el control de la intensidad eléctrica es la mejor forma de conseguir el buen funcionamiento tanto de la instalación como de los motores. La medida se puede realizar mediante aparatos fijos (de cuadros) o mediante portátiles. En este caso nos es de gran ayuda la pinza amperimétrica, pues podemos medir la intensidad sin tener que actuar sobre el conexionado.
Cuando realizamos la medida mediante aparatos fijos, se usan aparatos de cuadros intercalados en la línea de alimentación [véase la Figura 11.37 a)], o bien se hace uso de los conmutadores de medidas para no tener que aumentar el número de aparatos [véase la Figura 11.37 b)]. En muchos casos, los motores son de mediana y gran potencia, con lo que las intensidades toman valores considerables. En estos casos, se recurre a la medida de esta mediante transformadores de intensidad, como se ve en el esquema de la Figura 11.38.
Medida de tensión
También es importante conocer las tensiones aplicadas a los motores, ya que la intensidad absorbida será proporcional a estas, además de indicarnos la falta de fase cuando esta se produce. Es por ello que en los cuadros de alimentación es conveniente incorporar aparatos de medidas de forma similar a como se ha expuesto para las intensidades, como se aprecia en las Figuras 11.39 a) y b).
Medida de frecuencia
La frecuencia es otra de las magnitudes que, en determinadas ocasiones, nos puede servir para determinar el funcionamiento del motor, sobre todo cuando se utilizan convertidores de frecuencia. Su conexión, como se expuso en la Unidad 5, se realiza en paralelo con la línea.
Medida de potencia y factor de potencia
En las instalaciones de motores eléctricos, la medida de potencia nos puede servir para descartar anomalías, aunque no sea una medida que se haga de forma regular. Eso sí, para realizarla es conveniente tener en cuenta que existen vatímetros trifásicos con un solo circuito medidor o con varios circuitos medidores.
Los primeros se pueden aplicar en circuitos equilibrados, mientras que para los circuitos no equilibrados hay que utilizar los segundos.
Podemos apreciar la forma de conexión en el esquema de la Figura 11.40.
En estas instalaciones, sí es conveniente conocer el factor de potencia de la instalación.
Para ello se hace uso de los fasímetros trifásicos que, al igual que la potencia, no se suelen realizar con frecuencia, pero sí para aquellos casos en los que necesitemos detectar anomalías de funcionamiento.
Su conexión se representa en el esquema de la Figura 11.41. 
Continuidad y resistencia de aislamiento
Estas medidas se utilizan para comprobar el buen estado del motor y se realizan con este desconectado de la instalación. Para comprobar la continuidad de los bobinados, se utiliza el polímetro en la escala de óhmetro midiendo el valor de la resistencia de cada fase y se comparan los resultados, ya que estos han de ser idénticos. De no ser así, el motor presenta algún defecto.
Otra comprobación necesaria para descartar posibles averías es la de la resistencia de los aislamientos del motor ya que, como se ha dicho anteriormente, van a sufrir constantes cambios de temperatura, que son la principal causa de su deterioro y puede provocar su mal funcionamiento. Por ello, es conveniente realizar dicha comprobación que, como sabemos, se realiza con el megger.
4. Protección de los motores eléctricos
La protección de motores es una función esencial para asegurar la continuidad del funcionamiento de las máquinas. La elección de los dispositivos de protección debe hacerse con sumo cuidado.
Los fallos en los motores eléctricos pueden ser, como en todas las instalaciones, los derivados de cortocircuitos, sobrecargas y los contactos indirectos. Los más habituales suelen ser las sobrecargas, que se manifiestan a través de un aumento de la intensidad absorbida por el motor, así como por el aumento de la temperatura de este.
Cada vez que se sobrepasa la temperatura normal de funcionamiento, los aislamientos se desgastan prematuramente. Los efectosnegativos no son inmediatos, con lo que el motor sigue funcionando aunque a la larga estos efectos pueden provocar las averías antes expuestas. Por ello, las protecciones utilizadas para motores eléctricos suelen ser, entre otras, las que se expusieron en la Unidad 7:
- Protección contra contactos directos e indirectos.
- Protección contra sobrecargas y cortocircuitos.
- Protección contra contactos directos e indirectos
- La protección contra contactos directos e indirectos
La protección contra contactos directos e indirectos se realiza mediante la colocación de interruptores diferenciales complementados con la toma de tierra y su ubicación, funcionamiento así como su conexión se expusieron en la Unidad 7.
- Protección contra sobrecargas y cortocircuitos
Las sobrecargas en los motores eléctricos pueden aparecer por exceso de trabajo de estos, desgaste de piezas, fallos de aislamiento en los bobinados o bien por falta de una fase. Para proteger las sobrecargas y cortocircuitos se hace uso de los fusibles y los interruptores magnetotérmicos.
Los interruptores magnetotérmicos han de ser del mismo número de polos que la alimentación del motor. Para la protección de motores y transformadores con puntas de corriente elevadas en el arranque estarán dotados de curva de disparo tipo D en la que el disparo térmico es idéntico a los demás y el disparo magnético se sitúa entre diez y veinte veces la intensidad nominal (In).
De esta forma, pueden soportar el momento del arranque sin que actúe el disparo magnético. En caso de producirse una sobrecarga durante el funcionamiento del motor, actuaría el disparo térmico desconectando toda la instalación.
La protección mediante fusibles es algo más complicada, sobre todo en los motores trifásicos, ya que estos proporcionan una protección fase a fase, de manera que en caso de fundir uno solo, dejan el motor funcionando en dos fases y provocan la sobrecarga.
Por eso, no se montan en soportes unipolares, sino que se utilizan los seccionadores portafusibles que, en caso de disparo de uno de ellos, cortan de forma omnipolar desconectando toda la instalación. En la Figura 11.32 podemos ver un seccionador fusible trifásico y su representación esquemática.
Hemos de recordar que los fusibles adecuados para proteger instalaciones que alimentan motores eléctricos son los del tipo gG.
Con objeto de simplificar y mejorar las protecciones en los accionamientos manuales de motores eléctricos, aparecen los disyuntores, que pueden proteger contra cortocircuitos (disyuntores magnéticos) o contra cortocircuitos y sobrecargas (disyuntores magnetotérmicos).
El disyuntor magnético (véase la Figura 11.33) incorpora para su funcionamiento un corte magnético similar al del interruptor magnetotérmico, dotando a la instalación de una protección contra cortocircuitos más eficaz que los fusibles, ya que cortan la instalación en un tiempo menor, si bien hay que dotar a la instalación de otra protección contra las sobrecargas.
El disyuntor magnetotérmico, también llamado disyuntor motor (véase la Figura 11.34), aporta una protección mucho más eficaz a las instalaciones de alimentación de motores eléctricos, ya que proporciona el corte magnético para proteger los posibles cortocircuitos.
Además, incorpora un corte térmico similar al del interruptor magnetotérmico pero, a diferencia de este, el disyuntor motor tiene la posibilidad de ajustar la intensidad de corte por sobrecarga.
Estos aparatos simplifican enormemente los accionamientos de motores y agrupan en un solo aparato las protecciones contra las averías más frecuentes. También aportan la ventaja de poder realizar la reposición del servicio de forma cómoda y rápida una vez solucionada la avería.
En los siguientes esquemas se representa el accionamiento de un motor trifásico de corriente alterna mediante disyuntor magnético (véase la Figura 11.35), y mediante disyuntor magnetotérmico (véase la Figura 11.36). Observa que en el primero hay que dotar a la instalación de un seccionador fusible para la protección de las sobrecargas.
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