Fundamentos y Tipos de Motores de Corriente Alterna

Introducción a los Motores de Corriente Alterna (CA)

Principios Fundamentales

¿Cuál es la función principal de un motor de corriente alterna (CA)? La función principal de un motor de CA es convertir la energía eléctrica en energía mecánica mediante la interacción de campos magnéticos.

Describe el principio de funcionamiento básico de un motor de CA. ¿Cómo se convierte la energía eléctrica en mecánica? Su funcionamiento se basa en la creación de un campo magnético giratorio que impulsa un rotor, convirtiendo así la energía eléctrica en energía mecánica.

Tipos Principales de Motores CA

Nombra los tres tipos principales de motores de CA mencionados en el documento y describe brevemente la característica principal de cada uno:

• Motor de inducción: Es el tipo más utilizado; funciona mediante inducción electromagnética, donde el rotor gira a una velocidad ligeramente menor que la del campo magnético del estator.
• Motor síncrono: Gira a la misma velocidad que el campo magnético rotatorio y utiliza imanes permanentes o devanados excitados para generar su par.
• Motor universal: Puede funcionar tanto con corriente alterna como con corriente continua y se usa comúnmente en electrodomésticos.

Comparativa y Aplicaciones Generales

¿Cuál es la diferencia fundamental en la velocidad de rotación entre un motor de inducción (asíncrono) y un motor síncrono? El motor de inducción gira a una velocidad ligeramente menor que el campo magnético rotatorio del estator, mientras que el motor síncrono gira a la misma velocidad que dicho campo magnético.

¿Para qué tipo de aplicaciones se suelen usar los motores monofásicos y los trifásicos, respectivamente? Los motores monofásicos son más comunes en aplicaciones domésticas y tienen menor potencia, mientras que los motores trifásicos son más potentes y se utilizan en aplicaciones industriales.

Según el documento, ¿cuáles son las tres ventajas principales de los motores de CA?

• Eficiencia: Generalmente son más eficientes que los de corriente continua.
• Mantenimiento: Requieren menos mantenimiento debido a la ausencia de conmutadores y escobillas en muchos de sus diseños.
• Costo: Suelen ser más económicos de fabricar y operar.

Explica por qué un motor de inducción es llamado “asíncrono” y define el término “deslizamiento”. Se le llama “asíncrono” porque la velocidad del rotor es siempre menor que la velocidad del campo magnético rotatorio generado por el estator. A esta diferencia de velocidad se le denomina “deslizamiento”.

Menciona una ventaja y una desventaja de los motores asíncronos en comparación con los síncronos.

• Ventaja: Son más simples, robustos, económicos y fáciles de mantener.
• Desventaja: Pueden ser menos eficientes y tener menos control sobre la velocidad.

Motores Monofásicos

Características y Limitaciones

¿Cuál es la gran limitación del campo magnético en un motor monofásico en comparación con uno trifásico? La gran limitación es que el campo magnético en estos motores no gira, sino que únicamente oscila, manteniéndose siempre en la misma dirección.

¿Por qué un motor monofásico de inducción no tiene par de arranque propio y qué necesita para poder arrancar? No tiene par de arranque propio debido a que su campo magnético solo oscila. Para poder arrancar, necesita un devanado auxiliar desfasado 90° con respecto al devanado principal.

¿Cuál es el principio de atracción y repulsión en el que se basa el funcionamiento de un motor monofásico? Su funcionamiento se basa en el principio de atracción y repulsión entre un imán y un núcleo magnético al que se le aplica una corriente eléctrica.

Partes Principales

Enumera y describe la función de las partes principales de un motor monofásico (Estator, Rotor, Bobinado de arranque/condensador, Carcasa).

• Estator: Es la parte fija que contiene los bobinados y crea el campo magnético.
• Rotor: Es la parte giratoria que interactúa con el campo magnético del estator para generar movimiento.
• Bobinado de arranque y condensador: Es un conjunto que proporciona el par necesario para iniciar el movimiento del rotor.
• Carcasa: Protege todas las partes internas del motor y soporta los cojinetes.

Tipos de Rotor y Arranque

¿Qué tipo de rotor es el más común en los motores monofásicos? El tipo más común es el rotor de jaula de ardilla.

Explica brevemente cómo funciona un motor de fase partida para iniciar el movimiento. Utiliza dos bobinados en el estator: uno principal y uno auxiliar o de arranque. El bobinado auxiliar se utiliza solamente durante el inicio y luego es desconectado.

¿Qué elemento se añade en un motor de condensador y cuál es su función principal durante el arranque? Se añade un condensador en serie con el bobinado auxiliar. Su función es crear un desfasaje en la corriente, lo que ayuda a generar el par de arranque.

¿Qué componente utiliza un motor de polos sombreados para crear el campo magnético giratorio? Utiliza una bobina de sombreado, que es un anillo de cobre, para crear un campo magnético giratorio y generar el par necesario para el movimiento.

Aplicaciones Específicas

¿Cuál es la característica distintiva de un motor universal? ¿En qué tipo de aparatos se utiliza comúnmente? Su característica distintiva es que están diseñados para funcionar tanto con corriente alterna como con corriente continua. Se utilizan comúnmente en herramientas eléctricas y electrodomésticos como licuadoras y aspiradoras.

¿Para qué tipo de aplicaciones se usan los motores síncronos monofásicos? Se utilizan en aplicaciones que requieren una velocidad de rotación constante, como en relojes y mesas giratorias.

Motores Trifásicos y Características de Funcionamiento

Generación del Campo Magnético

Explica cómo se genera el campo magnético giratorio en el estator de un motor trifásico. Se genera por la acción conjunta de tres corrientes alternas desfasadas 120° entre sí, que circulan por tres devanados del estator que también están distribuidos espacialmente a 120°. La suma vectorial de los tres campos magnéticos individuales da como resultado un campo magnético que rota uniformemente.

Velocidad y Deslizamiento

¿Qué es la velocidad síncrona y cuál es la fórmula para calcularla? Define cada variable de la fórmula. Es la velocidad a la que rota el campo magnético giratorio. La fórmula es:

: velocidad síncrona (RPM)

: frecuencia de la red (Hz)

: número de polos del estator

Define qué es el deslizamiento (s) con la fórmula proporcionada. ¿Cuáles son los valores aproximados del deslizamiento durante el arranque y a plena carga? El deslizamiento representa la diferencia entre la velocidad síncrona del campo magnético y la velocidad real del rotor. Su fórmula es:

En el arranque,

A plena carga,

Par y Corriente

¿Cuál es la diferencia entre el par de arranque y el par máximo (o de ruptura)? El par de arranque es el momento de torsión disponible al iniciar el motor, mientras que el par máximo es el par más alto que el motor puede entregar y se alcanza a un cierto deslizamiento antes de la velocidad nominal.

¿Qué tan grande puede ser la corriente de arranque de un motor de inducción en comparación con su corriente nominal y por qué ocurre esto? La corriente de arranque puede ser de 5 a 8 veces la corriente nominal del motor. Esto se debe a la ausencia de fuerza contraelectromotriz (fem) inicial.

Factor de Potencia y Carga

¿Cómo varía el factor de potencia de un motor de inducción cuando está en vacío y cuando está a plena carga? El factor de potencia mejora con la carga. Es bajo en vacío (0.2-0.4) y alto a plena carga (0.85-0.95).

¿Cómo afecta el aumento de la carga al deslizamiento de un motor de inducción? A mayor carga, el deslizamiento aumenta.

Comportamiento del Rotor

¿En qué condición de operación del motor se induce el mayor voltaje y la mayor frecuencia en el rotor? Cuando el rotor de la máquina es bloqueado (rotor detenido), ya que en esta condición se presenta el mayor movimiento relativo entre los campos magnéticos del rotor y el estator.

¿Por qué la velocidad del rotor en un motor de inducción nunca puede alcanzar la velocidad del campo giratorio del estator? Porque la inducción en el rotor solo se produce si hay una diferencia en las velocidades relativas del campo del estator y el rotor. Si ambas velocidades fueran iguales, no habría inducción y el rotor no produciría par (cupla).

¿Por qué se dice que el devanado del rotor en un motor de inducción no está conectado al circuito de excitación, a diferencia de otros motores? Porque el devanado del rotor está eléctricamente aislado; la energía se transfiere desde el estator por inducción, similar a un transformador, y no por una conexión eléctrica directa.

Circuito Equivalente y Ensayos

¿Qué representa el circuito equivalente de un motor de inducción y por qué es útil? Tiene como objetivo obtener una red que explique el comportamiento de la máquina, de forma análoga al circuito equivalente de un transformador.

Para determinar las reactancias de un motor, se usan dos ensayos principales. ¿Qué ensayo se utiliza para obtener la reactancia de magnetización (Xm) y qué ensayo para la reactancia de dispersión (Xd)? Para obtener la reactancia de magnetización (Xm) se utiliza el ensayo en vacío. Para obtener la reactancia de dispersión (Xd) se realiza un ensayo de cortocircuito (rotor bloqueado).

Escribe las fórmulas para calcular la reactancia de magnetización (Xm) y la reactancia de dispersión (Xd) a partir de los datos de los ensayos.

• Reactancia de magnetización (Xm): Se deriva de los datos del ensayo en vacío (Vn, I0, P0). Una aproximación simplificada es Xm ≈ Vn / I0, donde Vn es la tensión nominal e I0 es la corriente en vacío.
• Reactancia de dispersión (Xd): Se deriva de los datos del ensayo de cortocircuito (Vsc, Isc, Psc). La impedancia de cortocircuito es Zsc = Vsc / Isc, de la cual se obtiene Xd.

En el circuito equivalente, ¿qué elementos representan las pérdidas en el hierro y la corriente de magnetización? Se representan mediante una resistencia (Rp) y una reactancia (Xm) en paralelo. Rp representa las pérdidas en el hierro y Xm la reactancia de magnetización.

¿Cómo depende la reactancia del rotor (XR) del deslizamiento (s)? La reactancia del rotor es directamente proporcional al deslizamiento, según la fórmula XR = sXR0, donde XR0 es la reactancia con el rotor bloqueado.

Al analizar el circuito equivalente final por fase, ¿qué se debe hacer para obtener los valores totales de potencia de la máquina? Se deben multiplicar los valores de potencia de fase por tres para obtener los valores totales.

Flujo de Potencia

Describe el flujo de potencia en un motor de inducción, mencionando las principales pérdidas que ocurren desde la entrada de potencia eléctrica hasta la salida de potencia mecánica. La potencia eléctrica de entrada primero sufre pérdidas en el cobre del estator (PCE). Luego, hay pérdidas en el núcleo (hierro) debidas a histéresis y corrientes parásitas. La potencia restante, llamada potencia en el entrehierro, se transfiere al rotor. En el rotor se producen pérdidas en el cobre (PCR) y finalmente pérdidas mecánicas por fricción y rozamiento, para obtener la potencia de salida en el eje.

Conexiones Normalizadas

Menciona tres propósitos fundamentales de las conexiones normalizadas en motores de inducción.

• Facilitar la instalación.
• Garantizar el funcionamiento correcto.
• Facilitar el mantenimiento y cumplir con las normas de seguridad.

Para un motor de 6 terminales, ¿qué conexión se usa para operar a 220V y cuál para operar a 380V? Para 220V se usa la conexión en Triángulo (o delta) y para 380V se usa la conexión en Estrella.

Para un motor de 9 terminales, ¿qué conexión se utiliza para trabajar a 220V y cuál para 440V? Para 220V se usa la conexión en doble estrella (Y-Y) y para 440V se usa la conexión en estrella.

Para un motor de 12 terminales, menciona las tres conexiones posibles y sus respectivos voltajes de operación (220V, 380V y 440V). Para 220V se conectan en doble triángulo, para 380V en doble estrella y para 440V en triángulo.

Control de Velocidad (Rotor Devanado)

¿Cómo se puede controlar la velocidad y reducir la corriente de arranque en un motor de inducción de rotor devanado? Conectando resistencias en serie con los devanados del rotor. Al variar el valor de estas resistencias, se puede controlar la velocidad y reducir la corriente de arranque.

¿Cuáles son los beneficios de añadir resistencia en el circuito del rotor de un motor de rotor devanado? (Menciona al menos 3). Los beneficios son:

• Control de la velocidad.
• Reducción de la corriente de arranque.
• Aumento del par de arranque.
• Mejora del factor de potencia.

Aplicaciones Industriales

Menciona al menos 5 aplicaciones industriales de los motores de inducción polifásicos.

• Bombas
• Compresores
• Ventiladores
• Montacargas
• Grúas
• Ascensores
• Cintas transportadoras
• Máquinas herramienta como tornos y fresadoras.