El Motor de Corriente Alterna
- Motores de corriente
alterna - Motores
universales - Motores
síncronos - Motores de Jaula de
Ardilla - Relación de Velocidad de
Rotación con la frecuencia
eléctrica - Conclusión
- Bibliografía
Un motor es una máquina motriz, esto es un
aparato que convierte una forma cualquiera de energía, en
energía mecánica de rotación o
par.
Ejemplos de motores son, los
de gasolina y los diesel, que convierten la expansión del
gas al
calentarlo en par de rotación; la máquina de vapor,
que transforma la expansión del vapor caliente en par de
rotación; el motor eléctrico, que convierte la
electricidad
en fuerzas de giro por medio de la acción
mutua de los campos magnéticos.
Un generador, por otra parte, transforma energía
mecánica de rotación en energía
eléctrica y se le puede llamar una máquina
generatriz de fem. Las dos formas básicas son, el
generador de corriente continua y el generador de corriente
alterna, este último más correctamente llamado
alternador.
Todos los generadores necesitan una máquina
motriz (motor) de algún tipo para producir la fuerza de
rotación, por medio de la cual un conductor puede cortar
las líneas de fuerza magnéticas y producir una fem.
La máquina más simple de los motores y generadores,
es el alternador.
En algunos casos, tales como barcos, donde la fuente
principal de energía es de c-c o donde se desea un gran
margen de variación de velocidad,
pueden emplearse motores de c-c. Sin embargo, 1a mayoría
de los motores modernos trabajan con fuentes de
c-a.
A pesar de que hay una gran variedad de motores de c-a,
solamente se discutirán aquí tres tipos
básicos: el universal, el síncrono y el de jaula de
ardilla.
El motor de c.c. serie, tal como se ha explicado, gira
cuando se aplica c-c o c-a de baja frecuencia. Tal motor, llamado
universal, se utiliza en ventiladores, sopladores, batidoras,
taladradoras eléctricas transportables y otras
aplicaciones donde se requiere gran velocidad con cargas
débiles o pequeña velocidad con un par muy
potente.
Una dificultad de los motores universales, en lo que a
radio se
refiere, son las chispas del colector y las interferencias de
radio que ello lleva consigo o ruido. Esto se
puede reducir por medio de los condensadores
de paso, de 0,001 μF a 0,01 μF, conectados de las
escobillas a la carcasa del motor y conectando
ιsta a masa.
Se puede utilizar un alternador como motor en
determinadas circunstancias. Si se excita el campo con c-c y se
alimenta por los anillos colectores a la bobina del rotor con
c-a, la máquina no arrancará. El campo alrededor de
la bobina del rotor es alterno en polaridad magnética pero
durante un semiperiodo del ciclo completo, intentará
moverse en una dirección y durante el siguiente
semiperiodo en la dirección opuesta.
El resultado es que la máquina permanece parada.
La máquina solamente se calentará y posiblemente se
quemará.
El rotor de un alternador de dos polos debe hacer una
vuelta completa para producir un ciclo de c-a. Debe girar 60
veces por segundo, ó 3.600 revoluciones por minuto (rpm),
para producir una c-a de 60 Hz. Si se puede girar a 3.600 rpm tal
alternador por medio de algún aparato mecánico,
como por ejemplo, un motor de c-c, y luego se excita el inducido
con una c-a de 60 Hz, continuará girando como un motor
síncrono.
Su velocidad de sincronismo es 3.600 rpm. Si funciona
con una c-a de 50 Hz, su velocidad de sincronismo será de
3.000 rpm. Mientras la carga no sea demasiado pesada, un motor
síncrono gira a su velocidad de sincronismo y solo a esta
velocidad.
Si la carga llega a ser demasiado grande, el motor va
disminuyendo velocidad, pierde su sincronismo y se para. Los
motores síncronos de este tipo requieren todos una
excitación de c-c para el campo (o rotor), así como
una excitación de c-a para el rotor (o campo).
Se puede fabricar un motor síncrono construyendo
el rotor cilíndrico normal de un motor tor tipo jaula de
ardilla con dos lados planos. Un ejemplo de motor síncrono
es el reloj eléctrico, que debe arrancarse a mano cuando
se para. En cuanto se mantiene la c-a en su frecuencia correcta,
el reloj marca el tiempo exacto.
No es importante la precisión en la amplitud de la
tensión.
La mayor parte de los motores, que funcionan con c-a de
una sola fase, tienen el rotor de tipo jaula de ardilla. Un
esquema simplificado del mismo se ve a
continuación.
Los rotores de jaula de ardilla reales son mucho
más compactos que el de la figura y tienen un
núcleo de hierro
laminado.
Los conductores longitudinales de la jaula de ardilla
son de cobre y van
soldados a las piezas terminales de metal. Cada conductor forma
una espira con el conductor opuesto conectado por las dos piezas
circulares de los extremos.
Cuando este rotor está entre dos polos de campo
electromagnéticos que han sido magnetizados por una
corriente alterna, se induce una fem en las espiras de la jaula
de ardilla, una corriente muy grande las recorre y se produce un
fuerte campo que contrarresta al que ha producido la corriente
(ley de Lenz).
Aunque el rotor pueda contrarrestar el campo de los polos
estacionarios, no hay razón para que se mueva en una
dirección u otra y así permanece parado. Es similar
al motor síncrono el cual tampoco se arranca solo. Lo que
se necesita es un campo rotatorio en lugar de un campo
alterno.
Cuando el campo se produce para que tenga un efecto
rotatorio, el motor se llama de tipo de jaula de ardilla. Un
motor de fase partida utiliza polos de campo adicionales que
están alimentados por corrientes en distinta fase, lo que
permite a los dos juegos de
polos tener máximos de corriente y de campos
magnéticos con muy poca diferencia de tiempo. Los
arrollamientos de los polos de campo de fases distintas, se
deberían alimentar por c-a bifásicas y producir un
campo
magnético rotatorio, pero cuando se trabaja con una
sola fase, la segunda se consigue normalmente conectando un
condensador (o resistencia) en
serie con los arrollamientos de fases distintas.
Con ello se puede desplazar la fase en más de
20° y producir un campo magnético máximo en el
devanado desfasado que se adelanta sobre el campo
magnético del devanado
principal.
Desplazamiento real del máximo de intensidad del
campo magnético desde un polo al siguiente, atrae al rotor
de jaula de ardilla con sus corrientes y campos inducidos,
haciéndole girar. Esto hace que el motor se arranque por
sí mismo.
El devanado de fase partida puede quedar en el circuito
o puede ser desconectado por medio de un conmutador
centrífugo que le desconecta cuando el motor alcanza una
velocidad predeterminada. Una vez que el motor arranca, funciona
mejor sin el devanado de fase partida. De hecho, el rotor de un
motor de inducción de fase partida siempre se
desliza produciendo un pequeño porcentaje de
reducción de la que sería la velocidad de
sincronismo.
Si la velocidad de sincronismo fuera 1.800 rpm, el rotor
de jaula de ardilla, con una cierta carga, podría girar a
1.750 rpm. Cuanto más grande sea la carga en el motor,
más se desliza el rotor.
En condiciones óptimas de funcionamiento un motor
de fase partida con los polos en fase desconectados, puede
funcionar con un rendimiento aproximado del 75 por
100.
Otro modo de producir un campo rotatorio en un motor,
consiste en sombrear el campo magnético de los polos de
campo. Esto se consigue haciendo una ranura en los polos de campo
y colocando un anillo de cobre alrededor de una de las partes del
polo, como se ve en la figura siguiente.
Para ver el gráfico seleccione la
opción "Descargar" del menú superior
Mientras la corriente en la bobina de campo está
en la parte creciente de la alternancia, el campo
magnético aumenta e induce una fem y una corriente en el
anillo de cobre. Esto produce un campo magnético alrededor
del anillo que contrarresta el magnetismo en la
parte del polo donde se halla él.
En este momento se tiene un campo magnético
máximo en la parte de polo no sombreada y un mínimo
en la parte sombreada. En cuanto la corriente de campo alcanza un
máximo, el campo magnético ya no varía y no
se induce corriente en el anillo de cobre. Entonces se desarrolla
un campo magnético máximo en todo el
polo.
Mientras la corriente está decreciendo en
amplitud el campo disminuye y produce un campo máximo en
la parte sombreada del polo.
De esta forma el campo magnético máximo se
desplaza de la parte no sombreada a la sombreada de los polos de
campo mientras avanza el ciclo de corriente. Este movimiento del
máximo de campo produce en el motor el campo rotatorio
necesario para que el rotor de jaula de ardilla se arranque solo.
El rendimiento de los motores de polos de inducción
sombreados no es alto, varía del 30 al 50 por
100.
Una de las principales ventajas de todos los motores de
jaula de ardilla, particularmente en aplicaciones de radio, es la
falta de colector o de anillos colectores y escobillas. Esto
asegura el funcionamiento libre de interferencias cuando se
utilizan tales motores.
RELACION DE LA VELOCIDAD DE ROTACIÓN CON LA
FRECUENCIA
ELÉCTRICA.
La velocidad del campo rotatorio, o sea, la velocidad
sincrónica, es
En donde f= frecuencia y P= número
de polos.
Hay dos tipos generales de rotores. El de jaula de
ardilla consiste en barras gruesas de cobre, puestas en corto
circuito por anillos de extremo o, las barras y los anillos de
extremo pueden ser una sola pieza fundida de aluminio.
El de rotor devanado tiene devadano polifásico
del mismo número de polos que el estator y las terminales
se sacan hasta anillos deslizantes (rozantes), de modo que pueda
introducirse resistencia externa. Los conductores del rotor
tienen que cortar el campo rotatorio y, por tanto, el rotor no
puede girar con velocidad sincrónica, porque debe existir
deslizamiento. El deslizamiento es,
En donde N2= velocidad del rotor,
rpm.
La frecuencia del rotor es
La torsión (par) es proporcional al flujo en el
entrehierro y a los componentes de la corriente del rotor que
están, en el espacio, en fase con él. La corriente
del rotor tiende a retrasar las fem que las producen, debido a la
reactancia de dispersión del rotor.
Como se ve en la formula anterior, la frecuencia del
rotor y, por ende, su reactancia
(x2=2πf2L2)
son bajas cuando el motor funciona cerca de su velocidad
sincrónica, por lo cual hay un gran componente de
corriente del rotor que, en el espacio, está en fase con
el flujo.
Cuando hay grandes valores de
deslizamiento, la frecuencia aumentada del rotor acrecienta la
resistencia del rotor y, con ello, el retraso de las corrientes
del rotor en relacion con sus fem; por tanto, se desarolla una
considerable diferencia de fase, en el espacio, entre estas
corrientes y el flujo.
En consecuencia, incluso grandes valores de corriente,
la torsión puede ser pequeña. La torsión
(par) del motor de inducción aumenta con el deslizamiento
hasta que llega a un máximo llamado momento máximo
de torsión.
En aplicaciones especiales se emplean algunos tipos de
máquinas dinamoeléctricas
combinadas. Por lo general, es deseable cambiar de corriente
continua a alterna o a la inversa, o cambiar de voltaje de
alimentación de corriente continua, o la
frecuencia o fase con alimentación de corriente
alterna.
Una forma de realizar dichos cambios, es usar un motor
que funcione con el tipo disponible de alimentación
eléctrica para que haga funcionar un generador que
proporcione a su vez la corriente y el voltaje
deseados.
- Shrader. "Comunicación eléctrica"
Mac-Graw-Hill. - Baumeister, Theodore; Avallone, Eugene A; Baumeister
III, Theodore (1984). "Marks Manual del
Ingeniero Mecánico tomo III" Mac-Graw-Hill de
México, S.A. de C.V.
FRANCO IRENE
UNIVERSIDAD GRAN MARISCAL DE AYACUCHO.
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE MANTENIMIENTO
INDUSTRIAL.
NUCLEO CIUDAD GUAYANA.
Venezuela
UNIVERSIDAD GRAN MARISCAL DE AYACUCHO.
FACULTAD DE INGENIERÍA.
ESCUELA DE MANTENIMIENTO
INDUSTRIAL.
NUCLEO CIUDAD GUAYANA.
CIUDAD GUAYANA, FEBRERO 2005.