Máquinas Eléctricas

Las máquinas eléctricas se dividen en estáticas y rotativas (realizan un movimiento de rotación).

Máquinas Eléctricas Estáticas

Las máquinas eléctricas estáticas, como los transformadores, ajustan características eléctricas sin cambiar el tipo de energía.

Máquinas Eléctricas Rotativas

Las máquinas eléctricas rotativas se subdividen según el tipo de corriente que utilizan:

1. Máquinas de Corriente Continua:

• Dinamos: Generadores de corriente continua.
• Motores de corriente continua.

2. Máquinas de Corriente Alterna:

• Excitadas por corriente continua (síncronas): Funcionan como generadores, especialmente alternadores.
  • Rotor sincronizado con el campo magnético rotatorio del estator.
• Excitadas por corriente alterna:
  • Pueden operar como generadores o motores, destacando los motores monofásicos de inducción y el motor trifásico de inducción (asíncrono), usado principalmente como motor.

Componentes de una Máquina Rotativa

Las máquinas rotativas constan de un estator fijo y un rotor móvil.

Estator

El estator incluye un núcleo, polos divididos en núcleo y zapatas, y bobinados en motores asíncronos.

Rotor

El rotor, generalmente sin polos salientes, se compone de chapas aisladas de acero laminado al silicio.

Entrehierro

El entrehierro, espacio entre el estator y el rotor, debe tener el ancho adecuado para evitar rozamientos.

Cojinetes

Los cojinetes sostienen el eje del rotor.

Circuitos Eléctricos

• Inductor: Imanes o bobinas generadoras del campo magnético.
• Inducido: Bobinas situadas en el campo magnético. En motores asíncronos, el estator tiene bobinas, mientras que en motores de jaula de ardilla, el inducido es la propia estructura metálica.

Principios Electromagnéticos de Motores y Generadores

Los motores y generadores eléctricos convierten la energía mecánica en eléctrica y viceversa mediante principios electromagnéticos:

1. Ley de Faraday y Ley de Lenz:

• Ley de Faraday: Cuando el flujo del campo magnético cambia en un circuito cerrado, se induce una fuerza electromotriz (fem) en el circuito.
• Ley de Lenz: La fem inducida se opone siempre al cambio en el flujo magnético que la originó.

2. Ley de Laplace:

Un conductor recorrido por corriente eléctrica y expuesto a un campo magnético experimenta una fuerza.

3. Generación de Campo Magnético:

• Mediante corrientes eléctricas o imanes, se genera un campo magnético.
• Con corriente alterna, el campo magnético generado es variable, y si la corriente es trifásica, el campo magnético resultante será giratorio.

Motores Asíncronos Trifásicos

Los motores asíncronos trifásicos, conocidos como motores de inducción, son comúnmente utilizados con excitación de corriente alterna. Los tipos más populares son los de rotor en cortocircuito (jaula de ardilla) y los de rotor bobinado (anillos rozantes). Estos motores tienen una construcción sencilla, robustez, bajo costo y mantenimiento reducido. El funcionamiento del motor de inducción se basa en la generación de un flujo giratorio en el estator (bobinado primario). Este flujo corta los conductores del rotor (bobinado secundario), induciendo fuerzas electromotrices según la Ley de Faraday-Lenz. Como resultado, se generan corrientes en el rotor, creando fuerzas electrodinámicas perpendiculares al campo magnético y aproximadamente en la circunferencia de rotación. Estas fuerzas producen un par motor M, provocando así la rotación del rotor en la dirección del campo magnético.

Relación Par-Velocidad

En los motores eléctricos asíncronos, la relación entre el par M y la velocidad de giro n muestra que cuando la velocidad disminuye, el par aumenta. La velocidad de estabilización del motor depende de la carga, generalmente entre el 1% y el 5% por debajo de la velocidad de sincronismo. Durante el arranque, la intensidad puede ser hasta 8 veces la nominal y disminuye a medida que la velocidad aumenta. El uso de un variador permite controlar la velocidad y mejorar la eficiencia. En motores asíncronos, el rotor gira a una velocidad siempre inferior a la velocidad síncrona debido al deslizamiento, que es la diferencia relativa entre las velocidades del rotor y el flujo del estator. Cuanto mayor sea la carga, mayor será el deslizamiento necesario para obtener un mayor par. En plena carga, el deslizamiento permite el equilibrio entre el par motor y el par resistente de la carga, determinando la velocidad del motor. En resumen, el motor alcanza un equilibrio entre el par motor y el par resistente, lo que determina una velocidad constante dependiente del punto de equilibrio y, a medida que la carga aumenta, la velocidad disminuye y la corriente aumenta. En condiciones de carga cero, el rotor gira casi a la velocidad síncrona.

Placa de Características del Motor

La placa de características de un motor proporciona información crucial para su identificación y operación. Los datos más importantes que generalmente se encuentran en la placa de características de un motor incluyen:

1. Potencia Nominal (o Potencia Aparente)
2. Tensión Nominal
3. Corriente Nominal
4. Frecuencia Nominal
5. Velocidad Nominal
6. Factor de Potencia
7. Eficiencia
8. Coseno fi

Motores de Rotor Bobinado

En un motor de rotor bobinado, los bornes del devanado estatórico se representan en mayúsculas, mientras que los del devanado del rotor se representan en minúsculas. La conexión del devanado estatórico sigue el mismo criterio que los motores de jaula de ardilla (estrella para la máxima tensión y triángulo para la mínima). En cuanto a los bornes del rotor, su accesibilidad externa permite realizar diferentes tipos de arranques. Sin embargo, en configuraciones más comunes, estos bornes están cortocircuitados, funcionando de manera similar a los motores de jaula de ardilla.

Arranque Directo

• Utilizado en motores de baja potencia, donde la intensidad de arranque no compromete la integridad de los devanados.
• La intensidad de arranque suele ser de 2,5 a 6,5 veces la corriente nominal.

Protecciones:

• Protección contra cortocircuitos: Fusibles, interruptores magnetotérmicos.
• Protección contra sobrecargas: Relés térmicos con contactos auxiliares en el circuito de mando.
• Otra opción es el uso de un disyuntor o guardamotor, que combina protección contra cortocircuitos y sobrecargas.

Relés de Máxima Intensidad:

• Útiles en circuitos con sobrecargas importantes y frecuentes. Se activan después de un tiempo ajustable, monitoreando la corriente.
• Desconectan el circuito si la corriente excede el valor ajustado durante un tiempo determinado.

Poder de Cierre y Poder de Corte de Contactor:

• Poder de Cierre (Pci): Máxima corriente inicial sin riesgo de soldadura de contactos.
• Poder de Corte (Pco): Máxima corriente que el contactor puede interrumpir sin emisión excesiva de arco eléctrico.

Dispositivos de Protección:

• Interruptor seccionador para cortar la corriente antes de manipular elementos internos.
• Magnetotérmico y diferencial tetrapolares.
• Relés térmicos para protección contra sobrecargas.
• Disyuntor o guardamotor para protección combinada contra cortocircuitos y sobrecargas.

Anexo I – Dispositivos de Protección para el Motor:

• Sección que destaca la importancia de dispositivos como relés de disparo instantáneo ante la falta de una fase y relés de control térmico del motor.
• Explicación sobre poder de cierre y poder de corte de un contactor.

En resumen, el arranque directo es adecuado para motores de baja potencia, pero requiere protecciones para garantizar su funcionamiento seguro. Se emplean dispositivos como relés térmicos, disyuntores y guardamotores para proteger el motor contra sobrecargas y cortocircuitos. Además, se destaca la importancia de dispositivos electrónicos para situaciones anómalas y se explica el poder de cierre y poder de corte de un contactor.

Motor Universal (Motor Monofásico Universal)

El motor universal es un tipo de motor que puede funcionar con corriente alterna (AC) y corriente continua (DC).

Componentes:

• Estator con bobinas inductoras.
• Rotor con devanado conectado al colector de delgas.

Funcionamiento:

El campo magnético generado por el estator induce movimiento en el rotor cuando circula corriente por ambos.

Usos y Aplicaciones:

• Herramientas portátiles (taladros, batidoras).
• Electrodomésticos (aspiradoras, máquinas de coser).
• Secadores de pelo y lavadoras (para mover el tambor central mediante engranajes o poleas).

Ventajas:

• Funciona con corriente alterna y continua.
• Adapta la velocidad al requerimiento de carga.
• Alto par de arranque.
• Control de velocidad mediante potenciómetro, reóstato o resistencias.

Desventajas:

• Necesita mantenimiento periódico debido a las escobillas.
• Ruidoso y puede generar chispas.
• Rotor complicado de reparar.
• El contacto escobillas-colector puede interferir con equipos de radiofrecuencia.

Motores Brushless

Los motores brushless son motores eléctricos que no utilizan escobillas para la conmutación.

Descripción:

• No emplean escobillas.
• Incorporan variador o regulador de tensión.
• Construcción con rotor en la carcasa y estator en el interior.
• Control electrónico mediante ESC (Electronic Speed Controller).

Usos y Aplicaciones:

• Robots industriales.
• Ventiladores electrónicos.
• Bicicletas y patinetes eléctricos.
• Lavadoras.

Ventajas:

• Robustos y menor mantenimiento.
• Menos calor y ruido debido a la falta de escobillas.
• Consumen menos energía.
• Mayor durabilidad y menor peso.

Desventajas:

• Más complejos y costosos de fabricar.
• Requieren controlador externo.

Arrancadores Suaves

Los arrancadores suaves son dispositivos electrónicos utilizados para controlar el arranque de motores eléctricos, principalmente motores trifásicos asíncronos.

Descripción:

• Económicos para arranques controlados.
• Formados mayormente por tiristores.
• Regulan la tensión y corriente durante el arranque para evitar picos indeseados.

Funcionamiento y Tipos:

• Manuales y automáticos.
• Los sensores evitan sobrecargas y ajustan la tensión en función de la demanda del motor.

Ventajas:

• Limita picos de corriente y caídas de tensión.
• Protege el motor electrónicamente.
• Elimina choques mecánicos y reduce esfuerzos en acoplamientos.

Variadores de Frecuencia

Los variadores de frecuencia son reguladores industriales que controlan la frecuencia y tensión al motor para gestionar la velocidad y el par.

Descripción:

• Realizan funciones de arrancador suave.
• Permiten secuencias de funcionamiento complejas.

Funcionamiento y Tipos:

• Transformación de AC a DC, filtrado y conversión de nuevo a AC.
• Monofásicos y trifásicos, con aplicaciones específicas.

Ventajas:

• Precisión en el control de velocidad y par.
• Control mediante PLC.
• Ahorro de energía.
• Mayor rendimiento del motor.