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26 de marzo de 2014

MOTORES TRIFASICOS

Alimentación de un motor trifásico

Existen dos posibilidades de conectar el estator de un motor trifásico a una red trifásica:
En conexión triángulo, si disponemos de una red trifásica cuyo valor nominal coincide con la máxima tensión que pueden soportar las bobinas del motor.
En conexión estrella, si la tensión de la red es 1,73 veces superior a la tensión que soportan las bobinas del motor.
Representamos ambas conexiones en la siguiente figura, junto a cada una de ellas colocamos la disposición gráfica que justifica su nombre.
Por este motivo todo motor trifásico tiene siempre dos tensiones de alimentación en su placa de características.  Por ejemplo, 220 V/380 V o 380/ 660 V. Debemos tener muy en cuenta que la tensión nominal del motor es la menor de ellas, pero que existe la posibilidad de conectarlo a una red de tensión 3 veces mayor, conectándolo en estrella.

Para realizar fácilmente uno u oto conexionado, se disponen los seis bornes de los devanados en posición alternada, como mostramos en la caja de bornes de la siguiente figura. Con unas simples platinas metálicas se puede realizar los puentes indicados.



Potencia y arranque 

La potencia de los motores trifásicos es proporcional al valor de la tensión, al de la corriente y al factor de potencia, según la fórmula  . La potencia puede ser muy variada desde un solo fracción de caballo hasta potencias muy elevadas como ocurre en la industria eléctrica, mecánica, etc. El par de arranque puede ser alto o bajo y la velocidad es muy variables, según la función inversa del numero de polos.
Según la potencia del motor su corriente de arranque puede llegar a ser peligrosa para su aislamiento, incluso puede quemarse.
Uno de los momentos más críticos para el motor, la red y la carga, es el arranque. Por sus características propias, el motor jaula de ardilla consume durante el arranque una corriente que puede oscilar entre 5 y 8 veces la corriente nominal. El arranque es el periodo en el que el motor hace la transición desde su estado de reposo hasta su velocidad de régimen.
Para la red, la mejor condición de arranque es aquella en que este tiempo de transición es el mínimo posible y la corriente consumida es la mínima posible. Para el motor, la mejor condición de arranque es la que garantiza el menor calentamiento. Para la carga, la mejor condición es aquella que garantiza los menores desgastes mecánicos. En general, el tipo de arranque de cada aplicación debe ser analizado adecuadamente para lograr el mejor equilibrio entre las tres parte mencionadas previamente. Las características de curva de carga y momento de inercia tanto de motor como de carga, deberían ser consideradas en este análisis. Junto con criterios técnicos se considerarán criterios económicos. 

Dispositivos de arranque 

Se clasifican en: 
  • Arranque directo (a tensión nominal). 
  • Arranque a tensión reducida. 
Para la elección del sistema debe tenerse en cuenta que en el arranque el motor toma una corriente mayor que la normal produciendo perturbaciones en la red de distribución, como caída de tensión (muy notables en los elementos de iluminación) y que pueden afectar el funcionamiento de otros elementos conectados a la misma. Estos inconvenientes no son tan importantes en motores pequeños que pueden arrancar a tensión nominal.

La máxima caída de tensión en la red no debe superar el 15% en el arranque.

Los circuitos con motores deben contar con interruptores que corten todas las fases o polos simultáneamente y con protecciones que corten automáticamente cuando la corriente adquiera valores peligrosos. En los motores trifásicos debe colocarse una protección automática adicional que corte el circuito cuando falte una fase o la tensión baje de un valor determinado.

Dispositivos de arranque directo a tensión nominal 

Un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica directamente la tensión a la que debe trabajar. Suponiendo que el motor arranca a plena carga el bobinado tiende a absorber una cantidad de corriente muy superior a la nominal, lo que hace que las líneas incrementen considerablemente su carga y como consecuencia directa una caída de tensión.

La intensidad de corriente durante la fase de arranque puede estar entre 6 a 8 veces la corriente nominal del motor.

Si se tuvieran muchos motores que paran y arrancan de forma intermitente, se tendrá un gran problema de perturbaciones en la red eléctrica, si los motores son de media y gran potencia. Por lo tanto, el arranque directo sólo se utiliza para motores pequeños que no necesiten de una gran cupla de arranque.

Dispositivos de arranque con Tensión Reducida 

Siempre que sea posible conviene arrancar los motores a plena tensión, pero de existir algún inconveniente para ello se debe recurrir a alguno de los métodos de arranque por tensión reducida. También se los utiliza para motores grandes o con gran "cupla de arranque".

El procedimiento consiste en producir en el momento del arranque en los arrollamientos del motor una tensión menor que la nominal. Al reducirse la tensión se reduce proporcionalmente la corriente, la intensidad del campo magnético y la cupla motriz.

Entre los dispositivos de arranque por tensión reducida más utilizados podemos mencionar: 
  • Arranque estrella - triángulo. 
  • Autotransformador de arranque. 
  • Arrancadores electrónicos. 
Arranque estrella - triangulo


Es el procedimiento más empleado para arranque a tensión reducida, debido a:
  • Su construcción simple. 
  • Su precio reducido. 
  • Su confiabilidad. 
El procedimiento para reducir la tensión en el arranque consiste en permutar las conexiones de los arrollamientos en los motores trifásicos previstos para la red de 3 x 380 V. Primero se conectan en estrella, o sea que reciben la tensión de fase de 220 V. y luego se conecta en triángulo a la tensión de 380 V.; es decir que la tensión durante el arranque se reduce 1,73 veces. Para realizar este arranque, es necesario que el motor esté construido para funcionar en triángulo con la tensión de la línea (380 / 660V.). Si no es así, no se lo puede conectar; además el motor debe tener sus seis bornes accesibles (situación que no se da en las bombas sumergibles). La permutación se hace en forma manual o automática luego que el motor alcanza determinada velocidad. Para ello se abren las bobinas del estator y se las conectan al conmutador.

Algunas indicaciones que se deben tener en cuenta sobre el punto de conmutación son: 

  • El pico de corriente que toma el motor al conectar a plena tensión (etapa de triángulo) debe ser el menor posible; por ello, la conmutación debe efectuarse cuando el motor esté cercano a su velocidad nominal (95% de la misma), es decir cuando la corriente de arranque baje prácticamente a su valor normal en la etapa de estrella. 
  • El relé de tiempo debe ajustarse para conmutar en este momento, no antes ni mucho después. Un arranque normal puede durar hasta 10 seg., si supera los 12 seg. se debe consultar al proveedor del equipo. 
  • Si no se cumple con lo anterior, el pico de corriente que se produce al pasar a la etapa de triángulo es muy alto, perjudicando a los contactores, al motor y a la máquina accionada. El efecto es similar al de un arranque directo. 
En este caso al motor ingresan 6 cables más el de puesta a tierra. El esquema típico de conexionado es:



Autotransformador de arranque 


El dispositivo estrella - triángulo tiene el inconveniente de que la cupla de arranque que se obtiene a veces no es suficiente para hacer arrancar máquinas con mucha inercia. Para ello se emplean los autotransformadores de arranque.

El autotransformador permite conectar motores trifásicos con motor de jaula, los cuales traicionan, por ejemplo, bombas sumergibles.
El Autotransformador de arranque es un dispositivo similar al estrella-triángulo, salvo por el hecho de que la tensión reducida en el arranque se logra mediante bobinas auxiliares que permiten aumentar la tensión en forma gradual, permitiendo un arranque suave.
Su único inconveniente son las conmutaciones de las etapas que se realizan bruscamente, produciendo en algunas ocasiones daños perjudiciales al sistema mecánico o a la máquina traicionada.




Por ejemplo, desgaste prematuro en los acoplamientos (correas, cadenas, engranajes o embragues de acoplamiento) o en casos extremos roturas por fatiga del eje o rodamientos del motor, producidos por los grandes esfuerzos realizados en el momento del arranque.

Arrancador electrónico 

Los arrancadores electrónicos son una mejor solución que los autotransformadores gracias a la posibilidad de su arranque suave, permitiendo un aumento en la vida útil de todas las partes involucradas.

Consisten básicamente en un convertidor estático, alterna - alterna, generalmente de tiristores, que permiten el arranque de motores en c. a. con aplicación progresiva de tensión con la consiguiente limitación de corriente y par de arranque.

Al iniciar el arranque, los tiristores dejan pasar la corriente que alimenta el motor según la programación realizada en el circuito de maniobra, que irá aumentando hasta alcanzar los valores nominales de la tensión de servicio. La posibilidad de arranque progresivo, se puede realizar para detener el motor, de manera que vaya reduciendo la tensión a un valor del 60% del valor nominal y en ese momento hacer el paro.

Ellos ofrecen:

  • Selección de parada suave evitando, por ejemplo, los dañinos golpes de ariete en las cañerías durante la parada de las bombas. 
  •  "Detención" por inyección de corriente continua para la parada más rápida de las masas en movimiento. 
  • Protecciones incorporadas: 
                                        · Por asimetría.
                                        · Contra sobre temperatura y sobrecarga.
                                        · Contra falla de tiristores.
                                        · Vigilancia del tiempo de arranque con limitación de la corriente.
                                        · Control de servicio con inversión de marcha.
                                        · Optimización del cos j a carga parcial, maximizando el ahorro de energía durante el proceso.

· Instalación más simple que un arrancador convencional.

· Menores dimensiones y, por lo tanto, necesidad de un gabinete más pequeño que para un autotransformador.

· Ahorro en el mantenimiento por ausencia de partes en movimiento que sufran desgastes.



Los arrancadores electrónicos son de amplio uso en sistemas de bombeo, compresores, transportes horizontales, ventiladores y centrífugas.

Cambio del sentido de rotación


El cambio de sentido de rotación de un motor  trifásico es sencillo se consigue sencillamente permutando dos cualquiera de las fases, lo que se logra con una conmutador o interruptor de dos posiciones.
            También se puede realizar la conmutación de fases utilizando un circuito de comando con pulsadores y contactores. La elección del sistema de conmutación depende de la aplicación que tenga el motor.
            La precaución que hay que tener cuando se realiza la conmutación de un sentido de giro hacia el otro, es de que el motor debe detenerse totalmente antes de iniciar el giro contrario, de este modo se puede mantener en condiciones seguras y operativas el motor y la maquinaria acoplada a este.






Cambio de velocidad

Disponiendo de un motor de cuatro secciones por fase y según sean las conexiones, el motor va girar a una velocidad o al doble de ella. Si las cuatro secciones las unimos final con principio como se muestra en la figura,

 resulta de 8 polos cuatro reales y cuatro consecuentes. La velocidad es igual a: 

 Si se realiza una conexión de cuatro polos alternados
 y la velocidad es de 1.500 r.p.m. como se calcula de la siguiente :
La velocidad real del motor en el eje no se calcula con la anterior formula, ya que es algo menor. Hay una pequeña diferencia entre el campo giratorio y el rotor llamada deslizamiento s, evaluada en %. 
Por ejemplo en un motor de 4 polos con un a frecuencia de 50 Hz. , la velocidad del campo inductor será de 1.500 r.p.m. y la del rotor o verdadera para efectos mecánico n = 1.425 r.p.m. que corresponde a un deslizamiento igual a: 

El deslizamiento no es el mismo en todos los motores ya que varia en función de su potencia, oscilando aproximadamente del 4 al 6 %. También se puede variar la velocidad variando la frecuencia de la línea y manteniendo la tensión y el numero de polos.

Variadores de velocidad

Los variadores de velocidad son dispositivos electrónicos que permiten variar la velocidad y la cupla de los motores asincrónicos trifásicos, convirtiendo las magnitudes fijas de frecuencia y tensión de red en magnitudes variables.
Se utilizan estos equipos cuando las necesidades de la aplicación sean:



  •  Dominio de par y la velocidad
  •  Regulación sin golpes mecánicos
  •  Movimientos complejos
  •  Mecánica delicada.
El motor: Los variadores de velocidad están preparados para trabajar con motores trifásicos asincrónicos de rotor jaula. La tensión de alimentación del motor no podrá ser mayor que la tensión de red. A tensión y frecuencia de placa del motor se comporta de acuerdo al gráfico siguiente:

El dimensionamiento del motor debe ser tal que la cupla resistente de la carga no supere la cupla nominal del motor, y que la diferencia entre una y otra provea la cupla acelerante y desacelerante suficiente para cumplir los tiempos de arranque y parada.
Se denominan así a los variadores de velocidad que rectifican la tensión alterna de red (monofásica o trifásica), y por medio de seis transitores trabajando en modulación de ancho de pulso generan una corriente trifásica de frecuencia y tensión variable. Un transistor más, llamado de frenado, permite direccionar la energía que devuelve el motor  (durante el frenado regenerativo) hacia una resistencia exterior.

Selección de un variador de velocidad

Para definir el equipo más adecuado para resolver una aplicación de variación de velocidad, deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos: 
  • Tipo de carga: Par constante, par variable, potencia constante, cargas por impulsos.
  • Tipo de motor: De inducción rotor jaula de ardilla o bobinado, corriente y potencia nominal,  factor de servicio, rango de voltaje.
  • Rangos de funcionamiento: Velocidades máximas y mínimas. Verificar necesidad de ventilación forzada del motor.
  • Par en el arranque: Verificar que no supere  los permitidos por el variador. Si supera el 170% del par nominal es conveniente sobredimensionar al variador.
  • Frenado regenerativo: Cargas de gran inercia, ciclos rápidos y movimientos verticales requieren de resistencia de frenado exterior.
  • Condiciones ambientales: Temperatura ambiente, humedad, altura, tipo de gabinete y ventilación.
  • Aplicación multimotor: Prever protección térmica individual para cada motor. La suma de las potencias de todos los motores será la nominal del variador.
  • Consideraciones de la red: Microinterrupciones, fluctuaciones de tensión, armónicas, factor de potencia, corriente de línea disponible, transformadores de aislación.
  • Consideraciones de la aplicación: Protección del motor por sobretemperatura y/o sobrecarga, contactor de aislación, bypass, re - arranque automático, control automático de la velocidad.
  • Aplicaciones especiales: Compatibilidad electromagnética, ruido audible del motor, bombeo, ventiladores y sopladores, izaje, motores en paralelo, etc.
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