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Tema 3

MOTORES Y MANIOBRAS

NDICE

1. Tipos de motores y caractersticas tcnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12. Motor asncrono trifsico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23. Principio de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34. Campo giratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35. Motor asncrono de rotor en cortocircuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66. Conexin de un motor asncrono trifsico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77. Funcionamiento en servicio del motor de rotor en cortocircuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

8. Motor asncrono de rotor bobinado o de anillos deslizantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109. Motor monofsico de induccin de rotor en cortocircuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

10. Motor de fase partida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1211. Motor con condensador de arranque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1312. Inversin de giro en el motor monofsico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1513. Motores de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1714. Conexiones de los motores de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2215. Motores universales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2516. Motores especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2517. Servomotores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2518. Motores paso a paso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2719. Motores Brushless . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3220. Sistemas para arranque de motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3421. Regulacin de la velocidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3522. Inversor de giro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4123. Frenado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42


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Curso Virtual: Electricidad Industrial

Mdulo 3 Tema 3 Motores y maniobras Pgina 1 de 42

TEMA 3

MOTORES Y MANIOBRAS

1. TIPOS DE MOTORES Y CARACTERSTICAS TCNICAS

Dependiendo del tipo de corriente a utilizar y de las caractersticas de construccin losmotores se clasifican como se resume en la tabla 1.

CLASIFICACIN DE LOS MOTORES

CORRIENTE ALTERNA

AsncronosSncronos

De colectorMonofsicos

CORRIENTE CONTINUA

SerieShunt

CompoundIndependiente

UNIVERSALES Con inducido

ESPECIALESServomotorPaso a paso

Brushless

Tabla 1


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2. MOTOR ASNCRONO TRIFSICO

Son los ms utilizados en la industria por su sencillez, y fcil o casi nulomantenimiento. El motor asncrono trifsico es una mquina elctrica que funciona encualquier posicin, lo que le hace adaptable a todo uso. El principio de funcionamientose basa en los fenmenos de induccin electromagntica. Poseen un buen par dearranque y consiguen mantener su velocidad bastante estable para diferentesregmenes de carga. Su velocidad depende de la frecuencia que se le aplica y delnmero de polos que forma su bobinado. Por lo tanto, la forma de regular lavelocidad de giro consiste en alimentarlos a travs de variadores electrnicos defrecuencia o conmutadores de polos.

Dependiendo del tipo de rotor que utilicen, existen dos tipos fundamentales:

Motores de rotor en cortocircuito o jaula de ardilla y

Motores de rotor bobinado.

Figura 1 MOTOR DE ROTOR EN CORTOCIRCUITO

Figura 2 MOTOR DE ROTOR BOBINADO


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3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Si se dispone de un imnen forma de U, de tal forma que pueda girar por su ejecentral mediante una manivela (figura 3). Muy prximo a los polos se sita un disco dematerial conductor (cobre o aluminio), de tal forma que tambin pueda girar.

Cuando s hacer girar el imn permanente se puede observar que el disco tambin gira,pero a un poco menos velocidad que el imn.

Figura 3 GIRO POR INDUCCIN

El imn, en su giro, hace que las lneas de campo magntico que atraviesan el discosean variables (movimiento relativo del campo magntico frente a un conductor elctricofijo), por lo que segn el principio de induccin electromagntica (ley de Faraday) en eldisco se induce una f.e.m. que, al estar en cortocircuito, hace que aparezcan unascorrientes elctricas por el mismo. Al estar estas corrientes elctricas inmersas en elcampo magntico del imn, se originan en el disco un par de fuerzas que ponen el discoen movimiento, siguiendo al campo magntico. El disco puede ser lo mismo de cobrecomo de alumino pero nunca puede alcanzar la misma velocidad de giro que el imn,ya que si ocurriese esto, el movimiento relativo de ambos se anulara y el campomagntico dejara de ser variable, por lo que desaparecera la f.e.m. inducida y con ellael par de fuerzas.

4. CAMPO GIRATORIO

Si se consigue crear un campo giratorio aprovechando las variaciones de corriente deun sistema de corriente alterna trifsica, como el desarrollado por el imn de laexperiencia anterior, se podr hacer girar el roto de un motor asncrono.


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En el estator se alojan tres bobinas desfasadas entre s 120. Cada una de estasbobinas se conecta a cada una de las fases de un sistema trifsico, por lo que por cadauna de ellas circularn las corrientes instantneas i1 i2 e i3 (figura 4). Analizando losvalores que alcanza el flujo magntico creado por cada una de estas corrientes en cadainstante del tiempo, se comprueba que se genera un campo magntico de carctergiratorio.

Figura 4 ALOJAMIENTO DE BOBINAS EN EL MOTOR

Figura 5 CAMPO MAGNTICO GIRATORIO


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Para el instante (0) la corriente de una fase es cero la segunda fase posee un valorpositivo y la tercera negativo, Io que provoca un campo magntico instantneo delsentido marcado por la flecha de la figura 5 (0). En el punto (1), la segunda fase es ceromientras que la fase una es positiva y creciendo de valor la tercera fase sigue siendonegativa pero decreciente en valor, en la postura 2 la tercera fase ha llegado a cero,mientras que la fase uno es positiva pero comienza a disminuir de valor la segunda faseahora es negativas y aumentando de valor, el valor predominante de los polos hahechos que el campo magntico haya pasado del punto (0) al (2) girando cada vez unsexto del total positiva, por lo que, tal como se puede observar en la figura 5, el campomagntico ha avanzado 1/6 de ciclo. Si se sigue estudiando punto por punto, se llagaal punto (6) donde comienza de nuevo el ciclo del campo giratorio, que en este caso

avanza a la misma velocidad angular que el de la pulsacin de la corriente.

La velocidad del campo giratorio depende del nmero de polos que se consigan alrealizar los devanados en el estator. En la explicacin se ha empleado un devanado deun par de polos. Por lo que la velocidad conseguida por el campo giratorio coincide conla pulsacin angular, es decir:

w = 2f (radianes/segundo) = 60 f (revoluciones por segundo)

Si se dispone un bobinado con dos pares de polos se necesitarn dos ciclos completospara conseguir una revolucin completa del campo giratorio, por lo que la expresin

general de la velocidad del mismo podra quedar as:

nf

p=

60

n = n de revoluciones por minuto (r.p.m.)

f = frecuencia de la red en Hz

p = n de pares de polos

As, por ejemplo, con un par de polos en una frecuencia de 50 Hz se consigue unavelocidad del campo giratorio de:

nx

rpm= =60 50

13000.

Para dos pares de polos se consigue la mitad de revoluciones, es decir 1500 r.p.m.

(En el tema 6, del 2 Mdulo, ya se ha tratado ampliamente este asunto).


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5. MOTOR ASNCRONO DE ROTOR EN CORTOCIRCUITO

En el estatorde estos motores se disponen las bobinas encargadas de producir elcampo magntico giratorio; estas se alojan en ranuras practicadas en un ncleoformado, por lo general, por paquetes de chapa magntica. En la figura 6, puede verseun estator en su carcasa y fuera de la carcasa. Las seis puntas de las bobinas se llevana los bornes de conexin, para que puedan conectarse en estrella o en tringulo.

Figura 6 ESTATOR DE MOTOR ASNCRONO

El rotorest formado por conductores de aluminio alojados en las ranuras del ncleoy cortocircuitados por sus extremos mediante unos anillos (figura 7). A este rotor

tambin se le da el nombre de jaula de ardilla por la semejanza a ese objeto. Enmotores de pequea potencia, el rotor se construye fundiendo en un bloque integralunas varillas de aluminio junto con los anillos.

Figura 7 ROTOR DE JAULA CON UNA TAPA Y VENTILADOR

Su funcionamiento es como sigue: Al ser recorridas las bobinas del estator por unsistema de corrientes trifsicas, se origina un campo magntico giratorio que, al cortarlos conductores del rotor, induce en ellos una f.e.m. y que, al estar estos encortocircuito, provoca la circulacin de una corriente por dichos conductores.

La interaccin de las corrientes rotricas con el campo magntico del estator da lugara un par motor que hace girar el rotor en el mismo sentido que el campo magntico.


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La velocidad del rotor nunca se puede alcanzar a la del campo giratorio, ya que de serestas iguales no se inducira tensin alguna en el rotor, por lo que el rotor siempre giraa una velocidad inferior a la de sincronismo (de ah viene el nombre deasncrono). De esta forma, se define el deslizamiento de un motor asncrono , comola diferencia de estas velocidades expresada en tantos por ciento:

Sn n

n

s

s

=

100

S = deslizamiento en %ns = velocidad terica

n = velocidad real

As, por ejemplo, el deslizamiento de un motor asncrono que posea una velocidad desincronismo de 1500 r.p.m. y que gire a plena carga a una velocidad de 1470, tendrun deslizamiento de:

S x=

=

1500 1470

1500100 2%

Cuando el motor trabaja en vaco, el deslizamiento es mnimo (aproximadamenteel 0,1 %).Al arrastrar la carga nominal, el motor tiende a frenarse y el deslizamientoaumenta un poco (del orden del 4 %). Hay que pensar que el par de fuerzas que sedesarroIIa en el rotor depende de la corriente que por ste circule, y esta fuerzadepende, a su vez, de la f.e.m. inducida en los conductores del mismo. Por esto cuantomayor sea el esfuerzo a realizar por el motor , el rotor tender a frenarse (aumentodel deslizamiento y del movimiento relativo del campo magntico respecto a losconductores del rotor), para conseguir una mayor f.e.m. inducida y, por tanto, una mayorcorriente rotrica y, en definitiva, un mayor par de fuerzas.

6. CONEXIN DE UN MOTOR ASNCRONO TRIFSICO

El devanado trifsico del estator de un motor asncrono se puede conectar en estrellao en tringulo, dependiendo de la tensin de la red y la que se indique en la placa decaractersticas del motor. Todos los motores trifsicos pueden funcionar a dos tensionesdiferentes.

As, por ejemplo, en un motor que en su placa de caractersticas aparezcan lastensiones: 380/220 V, indica que se puede conectar en estrella a la tensin mayor

(380) o en tringulo la tensin menor (220).


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El nuevo reglamento de baja tensin, ha subido estas tensiones a 400/230 V, as queen la actualidad, todos los motores que ya estaban instalados lo hacen ahora a unatensin ms elevada, y seguirn as durante bastante tiempo, mientras que no sequemen seguirn trabajando. Cuando se quemen, la solucin no ser rebobinarlossino susti tui rlos por motores a la nueva tensin nominal de 400/230 V.

Figura 8 BORNES DEL MOTOR CONEXIN EN TRINGULO Y EN ESTRELLA

En la figura 8, se muestra la disposicin en que se adopta para las puntas de bobinasen la caja de bornes del motor. Cambiando las tres chapitas de puentes, el motorqueda conectado en estrella (tensin mayor), o en tringulo (tensin menor). Paraconseguir la conexin en estrella, se unen los finales X-Y-Z. La conexin en tringulose realizar con facilidad al unir los terminales (U-X), (V-Y), (W-Z). En la conexinEstrella, si se prefiere conectar las tres fases por debajo, bastar con colocar el puenteen los tres bornes de arriba, ya que la nomenclatura U V W, X Y Z, es relativa,dependiendo por donde entre la corriente. Por esta razn estas letras no parecen en elbornero del motor.


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7. FUNCIONAMIENTO EN SERVICIO DEL MOTOR DE ROTOR EN CORTOCIRCUITO

Arranque

Al conectar las bobinas del estator de un motor trifsico, permaneciendo el rotor sinmovimiento, en un principio, el campo giratorio corta los conductores del rotorinduciendo en los mismos, como si fuese un transformado, una f.e.m. elevada (de lamisma frecuencia que la del estator), que a su vez, producir una fuerte corriente(puede llegar a ser de cientos de amperios). Estas corrientes, al interactuar con elcampo magntico, producen elevadas fuerzas mecnicas que, al actuar sobre el rotor,le proporcionan un fuerte par de arranque.

Al igual que ocurre con los transformadores (el estator acta como el primario y el rotorcomo el secundario); la fuerte corriente del rotor genera, a su vez, un campo magnticoque intenta modificar el flujo comn. Como ste slo depende de la tensin aplicada alestator, aparece un incremento de corriente en el mismo que intenta compensar laf.e.m. producida por el rotor. De esta forma, cuando aumenta la intensidadrotricatambin lo hace la corriente estatrica, que corresponde a la corriente tomada de la redpor el motor. En el arranque se produce, por tanto, una elevacin de la corrienteabsorbida por el motor de la red, que, como se ver ms adelante, a veces convienesuavizar.

Aceleracin y carga

Tan pronto empieza a circular corriente por el rotor parado, ste empieza a girar con unmovimiento acelerado y en el mismo sentido que el campo giratorio, por lo que elmovimiento relativo entre el campo y el rotor diminuye y con l, la f.e.m. Inducida y lacorriente (segn disminuye el deslizamiento, la frecuencia del rotor f2 va tambindisminuyendo), si el motor est vaco, rpidamente se alcanza una velocidad muyprxima a la de sincronismo. Si se aplica una carga mecnica resistente al eje delmotor, el rotor tender a perder velocidad hastaalcanzar un equilibrio entre el par motorcreado por el mismo y el par resistente ofrecido por la carga.

Si se aplica una carga mecnica resistente que sobrepase el par mximo que puedeproporcionar el motor, ste tiende a pararse. Esto siempre debe de evitarse, ya que alestar el rotor bloqueado, tanto las corrientes rotricas como las estatricas se elevanmuchsimo, pudiendo provocar la destruccin del motor si no se le desconectarpidamente.

Se puede decir que el motor intenta desarrollar un par motriz exactamente igual alpar opuesto por el resisente de la carga.


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8. MOTOR ASNCRONO DE ROTOR BOBINADO O DE ANILLOS ROZANTESEn estos motores, el estator posee las mismas caractersticas que el del motor de rotoren cortocircuito, pero el rotor se construye insertando un devanado tr ifsico en lasranuras de un ncleo cilndr ico de chapas magnticas. Este devanado se conectanormalmente en estrella y los tres terminales restantes se conectan a tres anillosrozantes. Unas escobillas frotan estos anillos y permiten conectar unas resistenciasexternas en serie con el fin de poder limitar la corriente rotrica (figura 9).

Figura 9 MOTOR ASNCRONO DE ROTOR BOBINADO

En la placa de caractersticas de estos motores aparecen tres nuevos terminalescorrespondientes al bobinado del rotor, que para no confundirlos con los del estator seindican con las letras minsculas u, v, w.

El principio de funcionamiento es exactamente igual que el del rotor en

cortocircuito, pero ahora es posible la regulacin directa de la corriente rotrica y conella, la propia corriente del estator.

Este sistema tiene la ventaja de que no es necesario disminuir la tensin en el estatorpara disminuir el flujo y, con l, la corriente rotrica, que siempre trae consigo unareduccin del par motor.

El arranque se hace en sucesivos escalones, obteniendo un arranque concorr iente suave en el estatorcon un buen valor de las resistencias rotricas, con elpar mximo.


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El gran inconveniente que presentan estos motores frente a los de jaula de rotor encortocircuito es que resultan bastante ms caros y necesitan de un mayormantenimiento. En la actualidad el control electrnico de los motores asncronosde rotor en cortocircui to ha desplazado en casi todas las aplicaciones al motorde rotor bobinado, quedando este ltimo para casos especiales donde se requiera unpar de arranque muy elevado (gras, instalaciones de media tensin, etc.).

Figura 10 MOTOR ROTOR BOBINADO CON RESTATO ROTRICO

Los motores de rotor bobinado llevan restato de arranque (figura 10) para ponertodas las resistencias en serie con el devanado del inducido. Conforme adquierevelocidad se quitan resistencias, hasta poner en corto circuito las tres puntas dela estrella del rotor, en este momento se puede levantar las escobil las del rotor,y evitar el desgaste por el roce, al manipular el volante que alzan las escobillas, almismo tiempo entran tres cuchillas que ponen en corto el bobinado en estrella del rotor.Cuando se para el motor, se vuelven a bajar las escobi llas y se coloca el restatode arranque en la posicin de inicio para la prxima arrancada. Si no se hace estaoperacin, cuando se ponga en marcha de nuevo, el motor arranca normalmente, lonico que sucede es que consume igual que un motor de jaula de ardilla durante eltiempo de arranque.


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9. MOTOR MONOFSICO DE INDUCCIN DE ROTOR EN CORTOCIRCUITODebido a la sencillez, robustez, bajo precio y a la ausencia de chispas, los motores decampo giratorio se construyen tambin para corriente alterna monofsica. Se utilizanen aquellas instalaciones donde no se dispone de suministro trifsico, como porejemplo, aplicaciones domsticas (figura 11).

Figura 11 MOTOR MONOFSICO CON CONDENSADOR DE ARRANQUE

Al igual que los trifsicos, estn constituidos por un rotor de jaula de ardilla y un estatordonde se alojarn los devanados inductores. Existiendo distintos tipos demonofsicos: De fase partida, con condensador de arranque, o con espira encortocircuito.

10. MOTOR DE FASE PARTIDA

En este sistema el estator tiene un bobinado monofsico que al ser sometido a unatensin alterna senoidal, crea un campo magntico alternativo y fijo, que no es capazde provocar un par de arranque efectivo en el rotor (figura 12).

Figura 12 FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR MONOFSICO


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Si en estas condiciones se empuja el rotor manualmente en uno de los sentidosposibles, se consigue desplazar el eje del campo magntico del rotor y el motor comen-zar a girar hasta alcanzar la velocidad nominal. El sentido de giro del motor dependede hacia donde se haya iniciado el giro, y su velocidad, del nmero de pares de polosdel devanado.

Para conseguir que el motor arranque automticamente se inserta en las ranuras delestator un segundo bobinado auxiliar que ocupe 1/3 de las mismas. En la figura 13 semuestra un esquema de la disposicin de los dos bobinados con un interruptorcentrfugo, o un pulsador manual.

Figura 13 ESQUEMA DE CONEXIN DE MOTOR MONOFSICO DE FASE PARTIDA CON BOBINADO DETRABAJO Y DE ARRANQUE E INTERRUPTOR CENTRFUGO

Como la impedancia de las dos bobinas es diferente, se producir un pequeongulo de desfase en la corriente absorbida por el bobinado auxiliar respecto a la delprincipal. Este ngulo suele ser de adelanto debido a que el bobinado auxiliar es demenor seccin y, por lo tanto, ms resistivo . El flujo que produce dicha bobinaqueda tambin adelantado al principal, lo que hace que se forme un campo giratoriosuficiente para impulsar a moverse al rotor. Dado que el ngulo de desfase entre ambos

flujos resulta muy pequeo, el par de arranque tambin es muy pequeo, si searranca en carga, puede que no gire y se queme el bobinado de arranque.

11. MOTOR CON CONDENSADOR DE ARRANQUE

Para aumentar el par de arranque de estos motores se aade un condensador enserie con el bobinado auxiliar, de tal forma que el ngulo de desfase entre los flujosproducidos por ambas bobinas se acerque a 90.


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El par de arranque conseguido ser mayor, cuanto mayor sea la capacidad delcondensador. Sin embargo, una capacidad excesivamente elevada delcondensador puede reducir la impedancia total del devanado auxiliar a valoresmuy pequeos, lo que trae consigo un aumento de la corriente absorbida por elbobinado auxiliar. Si este devanado no se desconecta una vez arrancado el motor, elcalor producido por la fuerte corriente puede llegar a destruirlo. Para que esto no ocurra,una vez que el motor haya alcanzado unas ciertas revoluciones, se procede a ladesconexin del conjunto formado por el condensador y el devanado auxiliar.

Dicha desconexin se puede realizar mediante un interruptor centrfugo (figura 13). Inte-rruptor que est acoplado al eje del motor y que abre sus contactos cuando se alcanzan

unas ciertas revoluciones, en otros motores como piedras de amolar el interruptorautomtico se sustituye por un pulsador manual.

Figura 14 ESQUEMA DE CONEXIN DE MOTOR MONOFSICO DE FASE PARTIDA CON BOBINADO DE TRABAJO Y DE

ARRANQUE CON CONDENSADOR E INTERRUPTOR CENTRFUGO

En el caso de que el condensador se desee dejar continuamente conectado, stedeber poseeruna potencia reactiva 1'3 KVAR por cada KW de potencia del motor.Para motores que sea muy importante el par de arranque y que se desconecte elbobinado auxiliar, el condensador deber de ser de unos 4 KVAR por cada KW depotencia del motor(figura 15).

Los motores con condensador poseen un buen factor de potencia y un rendimientoaceptable (es inferior al de los motores trifsicos) y se aplican, por ejemplo, paraelectrodomsticos, mquinas herramientas, bombas, etc.


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En los motores sin condensador el campo de aplicacin se ve limitado por su bajo parde arranque, por lo que se emplean, por ejemplo, para ventiladores, bombascentrfugas, etc.

Figura 15 MOTOR DE FASE PARTIDA ESQUEMA DEL SISTEMA DE ARRANQUE

12. INVERSIN DE GIRO EN EL MOTOR MONOFSICO

Para invertir el giro de los motores monofsicos es suficiente con invertir la conexin deuna de las dos bobinas (figura 16).

Figura 16 INVERSIN DEL GIRO EN MOTOR MONOFSICO


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Motores monofsicos con espira en cortoci rcuitoEste motor es de muy sencilla construccin y se aplica para motores de pequeaspotencias (hasta 100 o 200 W).

El rotor de estos motores es de jaula de ardilla. El estator es de polos salientes, en elcual se arrolla la bobina principal como si fuese el primario de un transformador. En laparte extrema de cada polo se coloca una espira de cobre en cortocircuito (fig. 17). Eldevanado principal produce un campo magntico alternativo que atraviesa el rotor y lasdos espiras en cortocircuito. En estas espiras se induce una pequea corriente y unpequeo flujo que queda retrasado respecto al flujo

Figura 17 MOTOR MONOFSICO CON ESPIRA EN CORTO CIRCUITO

Inversin de giro

El sentido de giro de los motores con espira en cortocircuito depende de la disposicinde las espiras de cortocircuito, por lo que la inversin del giro, solo es posible si se

puede desmontar y cambiar la posicin del rotor dentro del estator (figura 18).

Figura 18 EL SENTIDO DEL GIRO DEPENDE DE LA POSICIN DE LA ESPIRA EN CORTOCIRCUITO


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13. MOTORES DE CORRIENTE CONTINUALos motores de corriente continua presentan el inconveniente de que slo pueden seralimentados a travs de equipos que conviertan la corriente alterna suministrada por lared de corriente alterna en corriente continua. Por otro lado, su constitucin es muchoms compleja que los de C.A. y necesitan de colectores con delgas y escobillaspara su funcionamiento, que aumentan considerablemente los trabajos demantenimiento. En contrapartida,poseen un par de arranque elevado y su velocidadse puede regular con facilidad entre amplios lmites, lo que les hace ideales paraciertas aplicaciones: traccin elctrica (tranvas, trenes, coches elctricos, etc.) y entodas aqullas en que sea muy importante el control y la regulacin de las

caractersticas funcionales del motor.

Principio de funcionamiento

Como todos los motores elctricos, su funcionamiento se basa en las fuerzas queaparecen en los conductores cuando son recorridos por corrientes elctricas y. a su vez,estn sometidos a la accin de un campo magntico.

En la figura 19 se ha representado el aspecto de un motor de corriente continuaelemental. Los polos magnticos del imn, situados siempre en el estator, son losencargados de producir el campo magntico inductor. La espira, que se ha situado en

el rotor, es recorrida por una corriente continua que se suministra a travs de un anillode cobre cortado por la mitad (colector de delgas). Las dos mitades se aslanelctricamente y se sita sobre ellas unos contactos deslizantes de carbn (escobillas),de tal forma que la corriente aplicada por la fuente de alimentacin pueda llegar a losconductores del rotor.

Figura 19 MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA

Como las corrientes que circulan por ambos lados de la espira son contrarias, al aplicarla regla de la mano izquierda, se comprueba que aparecen fuerzas tambin contrariasen cada lado activo de la espira, lo que determina un par de giro.


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Para que el sentido de giro sea siempre el mismo, el par de fuerzas siempre deberactuar en el mismo sentido.

Figura 20 REGLA DE LA MANO IZQUIERDA PARA MOTORES

En el caso de que los conductores de la espira girasen hasta enfrentarse con el polocontrario, con el mismo sentido de corriente que en la anterior posicin, la fuerza seinvertira de sentido y la espira no establecera nunca una revolucin. Con el colectorde delgas se resuelve este problema, haciendo que la corriente siempre circule enel mismo sentido respecto al campo magntico, el colector acta como un rectificador.

Para conseguir que el motor gire en uno o en otro sentido, hay que lograr invertir elsentido del par de fuerzas. Esto se consigue invirt iendo el sentido de la corriente delrotory manteniendo el campo magntico inductor fijo.

Constitucin

La constitucin de motor de C.C. es exactamente igual que la de un generador decorriente C.C.(dinamo). Esta mquina es reversible y, por lo tanto, puede funcionarindistintamente corno motor o como generador. Se necesitan de tres partesfundamentales para su funcionamiento; Un circuito que produzca el campo magntico(circuito inductor), un circuito que al ser recorrido por la corriente elctrica desarrollepares de tuerza que pongan en movimiento el rotor (circuito inducido) y un colector dedelgas con escobillas.


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En la figura 21 se muestra, en corte, el aspecto de un motor de corriente continua y enla figura 22 la disposicin del porta escobillas.

Figura 21 MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA

Figura 22 COLECTOR Y PORTA ESCOBILLAS

Estator

En el estator se sita el circuito inductor. Consta de una envolvente de acero laminadoo hierro forjado, llamado culata o yugo, donde se sitan los ncleos correspondientesa los polos principales y en los que se arrolla el bobinado encargado de producir elcampo magntico de excitacin. Alimentando con corriente continua, a estas bobinasse consiguen campos magnticos ms intensos que con imanes permanentes.

Aparte de los polos principales, tambin se suelen incorporar en la culata unaspequeas piezas polares, con sus consiguientes devanados, conocidas por el nombrede polos auxiliares o de conmutacin (figura 26). Estos polos evitan los efectosperjudiciales producidos por la reaccin del inducido.


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En la actualidad, existen motores con imanes permanentes en lugar de electroimanesen la excitacin, lo que simplifica considerablemente a los mismos.

Rotor

Para que los pares de fuerza originados en los conductores del rotor, al ser recorridospor la corriente, sean aplicados de una forma uniforme en el rotor, los conductores sereparten uniformemente por el ncleo rotrico. El ncleo del circuito inducido seconstruye con una pieza cilndrica formada con chapas magnticas apiladas para evitar

las prdidas por histresis y Foucault. A lo largo de este ncleo se practican ranuraspara aislar los conductores aislados del circuito inducido.

Figura 23 INDUCIDO DE CORRIENTE CONTINUA

Colector y escobillasEl colector consta de varias delgas de cobre electroltico con el fin de poder conectara l los diferentes circuitos del inducido. Estas conexiones se llevan a cabo porsoldadura blanda (estao). Las delgas se aslan entre s por separadores de micanita.

Las escobillas transmiten la corriente al inducido a travs de su frotamiento con elcolector. Se suelen fabricar de carbn puro o de grafito. Van montadas sobre unasportaescobillas en los que se puede regular la presin. Para un correcto enclavamiento,las escobillas deben apoyar sobre las delgas del colector con toda su superficie (aveces, es necesario lijarlas para conseguirlo). Dada la friccin a la que se somete a las

escobillas, stas poseen una vida limitada. Una de las tareas de mantenimientofundamentales de un motor de corriente continua es reponer las escobillas desgastadasy limpiar las delgas del colector (En la figura 23, se aprecia el desgaste del colector,producido por unas escobillas demasiado duras).


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Reaccin del inducidoCuando los conductores del inducido son recorridos por una corriente elctrica,producen un campo magntico cuya direccin y sentido se obtiene aplicando la regladel sacacorchos.

Figura 24 REGLA DEL SACACORCHOS

REGLA DEL SACACORCHOS: CUANDO SE HACE AVANZAR UN SACACORCHOS EN EL SENTIDO DE LA CORRIENTE, ELGIRO DEL SACACORCHOS COINCIDE CON SENTIDO DEL CAMPO MAGNTICO.

La direccin de este campo transversal de reaccin adquiere la misma direccin que eleje de las escobillas, con lo que resulta ser perpendicular al campo principal producidopor los polos inductores (figura 25-1).

Figura 25 CAMPO MAGNTICO Y EJE DE ESCOBILLAS

El campo transversal T debido a la reaccin del inducido se suma vectorialmente alcampo principal P, dando como fruto un campo magntico resultante R que quedadesviado de la posicin original (figura 25-2).


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Esta desviacin del campo inductor produce una serie de problemas cuando lasescobillas conmutan de una delga a la delga contigua que se manifiesta en forma dechispas que desgasta y perjudica el funcionamiento del motor.

Para evitar los efectos perjudiciales de la reaccin del inducido existen dosposibilidades:

Desviar el calado las escobillas en el mismo sentido de rotacin del inducido

Emplear polos de conmutacin

Figura 26 POLOS DE CONMUTACIN

14. CONEXIONES DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

Conexin serie. En el motor serie, el flujo es proporcional a la corriente que pasa porel inducido, el par de fuerza durante el arranque es muy alto y proporcional alcuadrado de la intensidad de corriente I2.

Los motores serie se emplean como motores de arranque en los que el negativoest unido a masa, por lo que solo tiene un borne, el positivo, adems consta de undispositivo mecnico llamado bendix y un rel como interruptor, este rel recibe la ordende un pulsador en forma de llave de contacto.

Figura 27 MOTOR DE ARRANQUE


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Para cambiar el sentido de rotacin de un motor serie, basta con cambiar el sentido dela corriente en la bobina inductora cambiando la entrada por la salida ver figura 27.

Figura 28 ESQUEMA DE MOTOR SERIE

Motor en derivacin o Shunt. Al ser la corriente de la inductora independiente de laque atraviesa el inducido, el par motor no es como en el motor serie, proporcional al

cuadro de la intensidad, aqu el flujo es contante y menor la corriente absorbida, elmenor poder de fuerza no es inconveniente si lo que se prefiere es una marcha largay constante, pudindose regular la velocidad con el empleo del restato (figura 28).

Figura 29 MOTOR DERIVACIN


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Motor de excitacin Compound. En estos motores el devanado es doble, una parteest en serie con el inducido y la otra en paralelo, de esta forma se conserva un fuertepar de arranque y se puede mantener constante la velocidad de la marcha una vezsuperado el inicio (figura 30).

Figura 30 MOTOR COMPOUND

Motor de excitacin independiente. En estos motores, el devanado de las bobinasinductoras est conectadas a una fuente de corriente separada de la corriente querecorre el inducido. Funciona de forma similar al motor en derivacin, la separacin dela excitacin se utiliza cuando se desea regular la velocidad con precisin sin perderfuerza de arranque (figura 31).

Figura 31 MOTOR DE EXCITACIN INDEPENDIENTE


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15. MOTORES UNIVERSALESPara que un motor funcione con corriente continua, necesita que el inducido tengacolector, por la tanto, la primera condicin es que tiene que tener escobillas, la segundaque sea monofsica, un motor trifsico no puede usarse con corriente continua.

El uso ms comn de los motores universales, es la taladradora de mano (figura 32),y en casi todos los pequeos electrodomsticos, como batidoras, molinos de caf,afeitadora, y alguno ms.

Figura 32 TALADRO DE MANO PERCUTOR

16. MOTORES ESPECIALES

Son motores de corriente continua, pero que, como los de corriente alterna, no tieneescobillas. A este grupo pertenecen los servomotores, los motores paso a paso y elmotor Brushless

17. SERVOMOTORES

Figura 33 SERVOMOTO


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Caractersticas

Motor de corriente continua (C.C.).

Excitacin basada en imanes cermicos permanentes de elevada energaintrnseca y fuerza coercitiva.

Buena regulacin y estabilidad.

Par elevado.

Posibilidad de fuertes aceleraciones y desaceleraciones.

Gran estabil idad de marcha, incluso a bajas velocidades.

Amplio campo de variacin de giro.Elevada inercia trmica.

Admite sobrecargas prolongadas.

Para cargas de pequea y media potencia.

Aplicaciones

Este tipo de motor se utiliza principalmente para el movimiento de mquinasherramientas con avance convencional o numrico.

Figura 34 SERVOMOTOR

Acoplamiento directo al eje individualizando los movimientos, con movimientos precisosy controlados a lo largo del proceso.

Tambin se utilizan en otro tipo mquinas que precisen avances precisos.


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18. MOTORES PASO A PASO

Caractersticas que lo definen

Los motores paso a paso vienen definidos por el nmero de posiciones, o paso porvuelta, que es ms elevada sobre los motores a reluctancia o hbridos. Tambin por elpar mximo disponible en rgimen permanente y su posibilidad de control de velocidady del nmero de revoluciones o parte (fracciones exactas de vuelta).

Partes principales de este tipo de motor

El estator de este motor est constituido por varias bobinas alimentadas por impulsosde c.c.

El rotor est constituido por uno o varios imanes permanentes.

Figura 35 MOTOR PASO A PASO

Por el nmero de posiciones o pasos por vuelta, se consigue una determinadavelocidad.

AplicacionesEste tipo de motores se aplica en mquinas que precisan un control exacto de lasrevoluciones, o partes de vuelta.

Normalmente se trata de motores de pequea potencia aplicados a:

Accionamiento de cintas en impresoras, avance de papel.

Teletipos, telefax, cintas magnticas.

Avance de pelculas en aparatos de televisin, cine, foto, etc.

Equipos mdicos, tales como bombas de rin, analizadores, muestreadores.


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Motor de excitacin unipolar

Figura 38. MOTOR PASO A PASO DE EXCITACIN UNIPOLAR

Motor de dos estatores (4 fases).

En cada paso el rotor se desplaza 90.

Figura 39 POSICIONES DE ROTACIN DEL MOTOR UNIPOLAR


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Accionando los conmutadores Q1 y Q2 alternativamente se puede hacer que el rotor girecada vez 90, y ocupe las cuatro posiciones posible

Variando la secuencia de conmutacin se logra la inversin del sentido de rotacin.

Este tipo de motor tiene un estator de 4 fases y un rotor de un imn permanente con 24polos (ngulo de paso 7 30 = 360: 48).

Motor de excitacin bipolar

Figura 40. MOTOR PASO A PASO BIPOLAR

Motor de dos estatores (2 fases).

Figura 41. POSICIONES DE ROTACIN DEL MOTOR BIPOLAR


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Se seguir aplicando el mismo criterio del motor de excitacin unipolar.Para motor de 2 estatores (2 fases).

Para 24 polos: ngulo de paso 7 30'

Para 12 polos: ngulo de paso 15.

Para motor de 4 estatores (4 fases).

Para 24 polos: ngulo de fase 3 45'.

Para 12 polos: ngulo de fase 7 30'.

La ventaja de este tipo de motores est en el incremento del par respecto de los

motores precedentes, pero tiene el problema de tener una electrnica ms complicada.

Motor hibrido paso a paso

El motor hbrido tiene la particularidad de ser de menor tamao, con ms posibilidadesde ngulo.

Este motor est formado por 4 discos, con el mismo nmero de dientes que lascavidades del estator.

ngulos de paso

24 pasos por revolucin: 15

28 pasos por revolucin: 7 30



Se puede realizar cualquier movimiento incremental, siempre que sea mltiplo delngulo de paso del motor que se trate.

Figura 42 CIRCUITO DE CONTROL PARA MOTOR PASO A PASO BIPOLAR


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19. MOTORES BRUSHLESSLas ventajas del motor Brushless y su equipo de control asociado, vienen dado por lasposibil idades que t iene en el control de la velocidad y posicionamiento exacto delos mecanismos accionados por el motor, respecto a las necesidades de la mquina aque se aplica, adems de respuestas muy rpidas a las seales de arranque, paro,variaciones en la marcha, etc.

Figura 43. MOTOR BRUSHLESS TRIFSICO

Principio de los motores Brushless

Los motores Brushless, o motores autosncronos, o motores de c.c. sin escobillas, sonuna concepcin moderna del clsico motor de c.c., donde la electrnica juega una parteimportante en su funcionamiento y regulacin.

Los motores Brushless estn constituidos por:

- Imanes de alta energa. Circuito magntico de hierro con su devanado.

- Captor para control de fase, velocidad y posicin.

El control sinusoidal evita frecuencias armnicas, asegurando la continuidad de giro abaja velocidad.

En resumen, el motor Brushless es un motor autopropulsado de corriente continua y sinescobillas.

Figura 44. MOTOR BRUSHLESS


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Prestaciones de este tipo de motores- Elevado par msico. Prestaciones elevadas. Fiabilidad. Menor mantenimiento.

- Exactitud en el control de la velocidad y regulacin.

- Al ta capacidad de velocidad . Baja prdida en el rotor. Baja inercia en el rotor

- Motor de construccin cerrada, adecuado para ambientes de trabajo sucios.

- No tiene los inconvenientes destructivos de los motores de c.c. clsicos.

Entre los inconvenientes se citan tan slo los de tipo econmico, como son:

- Variador ms sofisticado y caro. Motores algo ms caros.

S Tanto variadores como motores se estn poniendo ms competitivos con losmotores clsicos de c.c.


Aplicaciones

a) Mquina herramienta

- Centros de mecanizado

- Tornos, Fresadoras, Rectificadoras, Mandriladoras

b) Robtica

- Robots de soldadura, Robots de montaje

- Manipuladores, Prticos, Ensamblado

c) Maquinaria industr ial- Enrolladoras, Trefiladoras, Alimentadoras, Manutencin, Dosificacin



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20. SISTEMAS PARA ARRANQUE DE MOTORES

Arranque estrel la-tr ingulo

Es uno de los mtodos ms empleado y mejor conocidos con el que se pueden arrancarmotores desde 22 Kw hasta 11 Kw de potencia. Consiste en conectar el motorprimero en estrella para, una vez arrancado, conmutar a la conexin en tringulo .Para que esto se pueda llevar a cabo, se debe utilizar un motor que est preparadopara funcionar a la tensin inferior conectado en tringulo. As, por ejemplo, un motorde 220/380podr ser arrancado en una red de 220 V.

Si a un motor de las caractersticas indicadas se le conecta primero en estrella, cadauna de las bobinas del mismo quedar sometido a una tensin 173 inferior que sihubiese conectado en tringulo. Con ello se consigue que la intensidad en el arranquequede disminuida a la tercera parte respecto al arranque directo en conexin entringulo. El par tambin queda reducido a la tercera parte, lo que conviene tenerlo encuenta si el motor arranca con toda la carga. Por esta razn, conviene que el motorarranque en vaco o con poca carga (Ver esquema de prcticas).

Arranque por resistencias estatricas

Consiste en reducir la tensin que producen unas resistencias conectadas en serie con

el estator. Este sistema tiene el inconveniente de que se consigne disminuir la corrienteen funcin lineal de la cada de tensin producida. Sin embargo, el par quedadisminuido con el cuadrado de la cada de tensin, por lo que su aplicacin se velimitada a motores en los que el momento de arranque resistente sea bajo.

En los esquemas de prcticas se muestra el circuito de fuerza y de maniobra de estetipo de arranque.

Arranque por autotransformador

Consiste en conectar un autotransformador en la alimentacin del motor. De esta forma

se consigue reducir la tensin y con ella la corriente de arranque. El par de arranquequeda reducido en este caso en la misma proporcin que la corriente, es decir, alcuadrado de la tensin reducida. Este sistema proporciona una buena caracterstica dearranque, aunque posee el inconveniente de su alto precio.


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En la figura 47 se muestra el circuito de fuerza de un arrancador con autotransformador

Figura 47. ARRANQUE POR AUTOTRANSFORMADOR

21. REGULACIN DE VELOCIDAD

Aplicando medios tcnicos diferentes se consigue obtener velocidades diferentes de lanominal de un motor asncrono ya sea trifsico o monofsico, se conocen tres formas

diferentes:Medios mecnicos

Motores con varios bobinados.

Variadores electrnicos de frecuencia


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Variacin de velocidad por medios mecnicosUtilizando poleas de diferentes dimetros.

Figura 48 CAMBIO DE POLEA PARA VARIAR LA VELOCIDAD

Uso de reductores o multiplicadores de velocidad, empleando engranajesdebidamente lubrificados.

Figura 49. MOTOR CON REDUCTOR DE VELOCIDAD

Figura 50. MOTOR CON REDUCTOR DE VELOCIDAD EN NGULO


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Combinacin de juego de poleas con correa deslizante.

Figura 51 TALADRADORA DE MESA CON VARIADOR DE VELOCIDAD POR POLEAS

Variacin del nmero de polos del estator

Es posible obtener, sobre un mismo motor, dos, tres y hasta cuatro, velocidadesdiferentes, mediante la simple variacin del nmero de polos del bobinado del estator.Este procedimiento slo se aplica a los motores de jaula de ardilla. Tambin podra seraplicado a los motores de rotor bobinado, pero ello exigira la simultnea variacin delnmero de polos en los bobinados de estator y rotor, pero por resultar muy complicado,no se usa en estos motores.

El estator del motor puede ser bobinado para funcionar a dos velocidades distintas pordos medios diferentes: con un bobinado nico o con dos bobinados superpuestos.

Figura 52. MOTOR DOS VELOCIDADES DE DOS BOBINADOS


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Mediante un bobinado nico dispuesto en dos mitades especialmente ejecutado segnla conexin Dahlander de forma que, con un simple cambio de conexiones de las dosmitades de cada fase, puedan ser conseguidas dos velocidades que estn en larelacin 2:1, por ejemplo 1.500 y 750 r.p.m.

Figura 53 MOTOR DOS VELOCIDADES CONEXIN DAHLANDER

Otro medio para conseguir dos velocidades distintas en un motor consiste en colocaren el estator dos bobinados superpuestos independientes entre s, cada uno de elloscalculado para formar correctamente uno de los nmeros de polos deseado. Estaejecucin puede ser empleada para cualquier combinacin de velocidades; as, porejemplo, si se deseara un motor de 4 y 6 polos, se colocarn en el estator dosbobinados superpuestos, uno de 4 polos y el otro de 6.

Tambin pueden ser construidos motores de tres y cuatro velocidades, basado enbobinados superpuestos.


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Figura 54. MOTOR DOS VELOCIDADES BOBINADOS SUPERPUESTOS

Regulacin de velocidad con variadores de frecuencia

Mediante un equipo electrnico especial basado en semiconductores de potencia(tiristores transistores y otros) se puede regular la frecuencia de alimentacin del motor.Con ello se consigue modificar entre amplios lmites la velocidad del motor (figura 55).

Figura 55. VARIADOR DE FRECUENCIA


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El esquema bsico de un variador de frecuencia consta de las siguientes partes:1. El conjunto puede estar colocado sobre el mismo motor o ser independiente

(figura 54 y 55) y consta de:

2. Rectificador de corriente trifsica

3. Filtrado por condensador

4. Paso de corriente continua a corriente alterna.

5. Deteccin de la intensidad de corriente absorbida por cada fase del motor.

6. Regulacin de la variacin de frecuencia

7. Control de la velocidad8. Control digital

Figura 56. MOTOR CON VARIADOR DE VELOCIDAD INCORPORADO

Figura 57. VARIADOR DE VELOCIDAD

Nota: En el mdulo 2, tema 6, se ha tratado con ms amplitud los variadores de velocidad


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22. INVERSOR DE GIROPara invertir el sentido de rotacin de un motor asncrono trifsico basta intercambiarlas conexiones de dos cables de alimentacin con las bornes del motor con los queresulta invertido el sentido de rotacin del campo magntico giratorio.

Figura 58. INVERSIN DEL GIRO EN EL MOTOR TRIFSICO

Para invertir el sentido de rotacin de un motor asncrono bifsico, es suficientepermutar las dos salidas de fase del bobinado estatrico y dejar una sin cambiar.

Algunas mquinas exigen frecuentes inversiones del sentido de giro. En tal caso, resultapoco prctico efectuar el intercambio de conexiones, por lo que es preciso disponer unconmutador especial como el que se indica en la figura 57.

Figura 59. INVERSOR

En las hojas de prcticas se encontrar diversos esquemas de montajes con el inversor,por este motivo se omite aqu, para no ser repetitivo con las prcticas.


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23. FRENADO

Frenado del motor asncrono

El frenado del motor asncrono, al contrario de lo que ocurre con los motores decorriente continua, presenta fuertes dificultades tcnicas.

Un procedimiento de frenado consiste en colocar una correa alrededor de la polea delmotor, y efectuar una traccin de esa correa mediante un electro-imn freno, tambinpor medio de unas zapatas que frenan el eje del motor cuando falta la corriente.

Figura 58. ELECTROIMN FRENO PARA MOTOR ELCTRICO

Existen otros procedimientos elctricos basados en diversos principios, de los cualeslos ms usuales son:

1 Hacer funcionar al motor como generador asncrono, y

2 Efectuar el frenado a contracorriente, para lo que se intercambian dos cables dealimentacin mediante conmutador de inversin.

3 Sistema electrnico por contactor esttico

Fi 59 FRENO ELCTRICO

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