El documento proporciona información sobre motores eléctricos de corriente alterna. Explica que estos motores se usan comúnmente en la industria porque pueden funcionar directamente con la corriente alterna de la red eléctrica, a diferencia de los motores de corriente continua. Describe los principales tipos de motores de corriente alterna, incluyendo motores universales monofásicos, motores de inducción trifásicos asíncronos y sus características de funcionamiento.

1. IES PEDRO SIMÓN ABRIL (ALCARAZ) Motores Eléctricos de Corriente Alterna Tecnología Industrial II Bachillerato de Ciencias y Tecnología

2. 9.1. Introducción La red de energía eléctrica nacional distribuye esta energía en forma de corriente alterna a 50 Hz. Esta forma de energía no se puede aplicar directamente a los motores de corriente continua , necesitando un adaptador o fuente de alimentación que transforme la corriente alterna en continua. Esta fuente de alimentación resulta más costosa cuanto mayor sea la potencia del motor a alimentar. Por esta razón para grandes potencias son mucho más usados los motores de corriente alterna, que pueden ser monofásicos y/o trifásicos. Las corrientes industriales en nuestro país se distribuyen como corriente trifásica de 220/380 V a 50 Hz, siendo las tres fases R,S y T, o también L 1 , L 2 y L 3 , y están desfasadas entre sí 2  /3 o lo que es lo mismo 120ºgeométricos. Cuando una máquina utiliza para su funcionamiento una fase y neutro se dice que es una Máquina monofásica , y si utiliza las tres fases Máquina trifásica. Así en España, en un enchufe de corriente trifásica tendremos tres conductores de fase y otro neutro, y el voltaje entre dos conductores cualesquiera será 380V/50Hz, mientras que entre cualquier conductor de fase y neutro el voltaje será 220V/50Hz Unidad 9. Motores eléctricos de corriente alterna L1 L2 L3

3. 9.1.1. Principio de funcionamiento Las máquinas de corriente alterna basan su funcionamiento en la acción que ejerce sobre el rotor el campo magnético giratorio producido en el estátor. Unidad 9. Motores eléctricos de corriente alterna Si alimentamos las bobinas inductoras con corriente alterna, al estar desfasadas 120º las corrientes de las bobinas, producen un campo magnético giratorio que impondrá un movimiento de rotación al disco que se encuentra en su interior. Los valores de cada fase irán variando en cada instante: En el instante t 1 , L 1 tiene un valor determinado, L 2 tiene un valor mayor que L 1 y L 3 un valor máximo y negativo. En instantes sucesivos (t 2 , t 3 ,….), los valores de las corrientes que atraviesan los devanados van cambiando de sentido, lo que generará un campo magnético giratorio con una velocidad n s , denominada velocidad síncrona.

4. 9.2. Motor universal monofásico Unidad 9. Motores eléctricos de corriente alterna Tienen una constitución semejante a los motores de corriente continua con conexión del inductor en serie con el inducido. Se denominan UNIVERSAL porque pueden funcionar con corriente continua o alterna. Sus características principales son: Cuando el motor se conecta a la red se producen en él una serie de fuerzas de carácter magnético que impulsan el movimiento del rotor del mismo modo que ocurría en los motores de corriente continua . Como el sentido de la corriente alterna de red varía con una frecuencia de 50 Hz, se invierte el sentido de la corriente del inducido 100 veces por segundos ( 100 alternancias de sentido positivo a negativo y viceversa). Esto mismo ocurrirá en el inductor, dispuesto en serie con el inducido. Estos cambios de sentido en las corrientes provocan también cambios en el sentido de los campos magnéticos generados, pero como se producen al mismo tiempo en ambos devanados, el momento resultante tendrá siempre el mismo sentido y por tanto estos motores girarán siempre en el mismo sentido. Estas conmutaciones en los devanados hacen que el para motor varíe, pasando 100 veces por segundo de un valor máximo al mínimo. Estas variaciones de par son absorbidas por la inercia del motor. Son utilizados en pequeñas máquinas y electrodomésticos tales como batidoras, taladradoras,…que necesitan un par de arranque grande. En aquellas máquinas que requieren menores pares de arranque, se utiliza el motor de inducción monofásico (en ellos el rotor gira por campos inducidos sobre él, por sus devanados no circula corriente para generar el arranque).

5. 9.3. Motor trifásico asíncrono Estátor: parte fija de la máquina, constituido por una corona de chapas magnéticas aisladas entre sí por medio de un barniz, ranuradas interiormente y sujetas a una carcasa fabricada, generalmente, con fundición de hierro. En estas ranuras del estátor se dispone un devanado trifásico inductor formado por tres devanados monofásicos. Rotor: parte móvil de la máquina, constituido por una corona de chapas magnéticas o sobre unos salientes del eje, en el caso de las máquinas de potencias elevadas. La corona rotórica presenta una serie de ranuras interiores en las que se encuentra dispuesto el devanado rotórico. Desde un punto de vista constructivo podemos diferenciar entre: máquinas de rotor bobinado y de rotor de jaula de ardilla. Los motores asíncronos de corriente alterna , se consideran los motores industriales por excelencia , por su sencillez y fortaleza de construcción, así como por su seguridad de funcionamiento. Estos motores constan de dos partes: Unidad 9. Motores eléctricos de corriente alterna a) Rotor bobinado: el rotor lo constituye un devanado trifásico de forma semejante a como se hacía en los motores de corriente continua. El devanado del rotor al igual que el del estátor, está formado por hilo de cobre. En las ranuras de la corona rotórica se alojan, por lo general, tres devandos conectados a un punto común. Los extremos libres suelen estar unidos a tres anillos de cobre ( anillos rozantes ) que giran solidarios con el eje. Estos anillos están en contacto con una escobillas (normalmente de grafito) que conectan los devanados rotóricos con el exterior.

6. 9.3. Motor trifásico asíncrono (continuación) b) Rotor de jaula de ardilla: El devanado del rotor está formado por barras de cobre o aluminio que se disponen en las ranuras de la corona rotórica y uni d as en sus extremos a dos anillos del mismo material. El conjunto presenta el aspecto de jaula de ardilla, de ahí su nombre. Unidad 9. Motores eléctricos de corriente alterna Rotor de jaula de ardilla

7. 9.4. Deslizamiento En los motores trifásicos el campo magnético generado por el inductor tiene la misma velocidad de giro que la corriente que circula por el inductor, y esta corriente es la que genera el campo magnético. El rotor se mueve gracias a la acción de este campo magnético giratorio generado en el inductor, y trata de alcanzar la misma velocidad de este campo, pero nunca llega a alcanzarlo. A este efecto o diferencia de velocidad, se le llama deslizamiento del motor. Así la velocidad del campo magnético del inductor o velocidad de sincronismo ( n s ) será: Donde f 1= frecuencia de la corriente que circula por el inductor p = número de pares de polos La diferencia entre la velocidad de sincronismo y la velocidad real del motor, se denomina velocidad relativa o deslizamiento absoluto ( n r ) y se calcula como: Siendo: n r = deslizamiento absoluto n s = velocidad de sincronismo n= velocidad de giro real del motor Y la relación entre el deslizamiento absoluto y la velocidad de sincronismo, se denomina deslizamiento relativo o simplemente deslizamiento (s): n r = n s -n Unidad 9. Motores eléctricos de corriente alterna n s = 60• f 1 p s= n s -n n s

8. 9.5. Balance de potencias Potencia absorbida de la red eléctrica: Donde m= número de fases (valor 3 en el motor trifásico) U f = voltaje de fase I f = corriente de fase cos φ = factor de potencia del motor (desfase entre Uf y If ) Pérdidas en el cobre del inductor: Potencia electromagnética: Siendo P Fe = pérdidas en el hierro Rendimiento del motor : P ab = m• U f • I f • cos φ P cu = m • I 2 • R P em = P ab - P cu -P Fe 9.6. Conexión de los motores trifásicos 9.5. 1. Conexión en estrella Los devanados se conectan tal y como se muestra en la figura Donde: U L = voltaje de línea I L = corriente de línea U f = voltaje de fase I f = corriente de fase Unidad 9. Motores eléctricos de corriente alterna η= P u P ab

9. 9.5. 1. Conexión en estrella (continuación) Las corrientes de línea coinciden con las de fase (I L = I f ) y los voltajes cumplen la siguiente relación: La potencia absorbida de la red será: El factor 3 aparece porque hay tres fases y la potencia total será la suma de las potencias de cada fase. También podemos expresar la potencia en términos de valores de línea, sustituyendo: Como la potencia absorbida será: La potencia absorbida determinada por al expresión anterior corresponde sólo a la componente real de al potencia, es decir a la potencia activa. P ab = 3• U f • I f • cos φ P ab = √3• U L • I L • cos φ 9.5. 2. Conexión en triángulo Los devanados se conectan tal y como se muestra en la figura Unidad 9. Motores eléctricos de corriente alterna U f = U L √ 3 U f = U L √ 3

10. 9.5. 1. Conexión en triángulo (continuación) En este caso los voltajes de línea coinciden con l0s de fase (U L = U f ) y las corrientes cumplen la siguiente relación: La potencia absorbida de la red será: También podemos expresar la potencia en términos de valores de línea, sustituyendo: La potencia absorbida determinada por al expresión anterior corresponde sólo a la componente real de al potencia, es decir a la potencia activa. P ab = 3• U f • I f • cos φ P ab = √3• U L • I L • cos φ 9.6. Triángulo de Potencias Potencia aparente : producto de U L por I L ; obtenemos un valor complejo compuesto por una componente real y otra en el eje imaginario. Su unidad de medida es el Voltio-Amperio. Pa = U L •I L Potencia activa: componente real de la potencia; Se obtiene a partir de la potencia aparente pero se introduce el valor cos φ ( factor de potencia), con lo que obtenemos la potencia en el eje real. Se mide en vatios. Pa = U L •I L • cos φ Potencia reactiva: componente de la potencia en su eje imaginario. Se obtiene a partir de la aparente, pero multiplicando por el sen φ . Pr= U L •I L• sen φ Unidad 9. Motores eléctricos de corriente alterna I f = I L √ 3

11. 9.6. Triángulo de Potencias (continuación) La representación del triángulo de potencias será: Unidad 9. Motores eléctricos de corriente alterna 9.7. Curvas características Característica de velocidad La velocidad del motor a penas se modifica ante variaciones de potencia útil, manteniendo constante el voltaje y la frecuencia.

12. 9.7. Curvas características (continuación) Unidad 9. Motores eléctricos de corriente alterna b) Característica de corriente En la figura observamos la variación de la corriente que el motor consume en relación con la carga, manteniendo constantes el voltaje y la frecuencia. c) Característica de factor de potencia En la figura vemos como varía el factor de potencia ante las variaciones de la potencia útil, manteniendo constante la potencia aparente. Cuando el factor de potencia es 1, toda la potencia absorbida de la red se convierte en útil, y cuanto menor sea el factor de potencia, menor será la parte de potencia útil absorbida de la red. Interesa que el factor de potencia sea los más próximo a 1 que sea posible, para consumir sólo potencia activa y la menor potencia reactiva (porque esta no puede convertirse en trabajo y no aporta nada al giro del motor).

13. 9.7. Curvas características (continuación) Unidad 9. Motores eléctricos de corriente alterna d) Característica mecánica En esta curva se aprecian cuatro zonas de trabajo: Zona de arranque: en ella el par de arranque debe ser muy superior al de la carga. Zona inestable: zona de la curva situada al izquierda del momento máximo. El funcionamiento del motor en ella es irregular. Zona estable: a la derecha del momento máximo. En esta zona debe trabajar el motor. Cuanto mayor sea la pendiente de la curva en esta zona (pendiente negativa) mayor será la estabilidad. Zona de funcionamiento en vacío: no hay carga resistiva acoplada al eje. Se alcanza una velocidad denominada de vacío, cercana a la velocidad del sincronismo (pero inferior a ella).

14. 9.8. Arranque de los motores trifásicos Unidad 9. Motores eléctricos de corriente alterna Por un lado el arranque del motor requiere de un elevado par, superior al de carga, pero por otro lado, es necesario limitar la corriente durante el arranque para proteger los elementos de la red (fusibles, interruptores,…) Así podemos distinguir entre: Arranque directo: también llamado a pleno voltaje. Se conecta el motor directamente a la red, sin ningún dispositivo limitador. Solo es factible en motores de pequeña potencia. B) Arranque estrella-triángulo: se basa en disminuir el voltaje de fase durante el arranque, para disminuir la corriente de arranque. Para ello se conecta el motor en estrella a la línea durante el arranque y tras unos segundos se procede a la conexión en triángulo, que será la forma de conexión normal durante el funcionamiento del motor. C) Arranque con autotransformador: basado en conectar el inductor a un autotransformador, reduciendo el voltaje en el arranque. D) Arranque con resistencias estatóricas: consiste en insertar resistencias en serie con el inductor de cada fase para disminuir la corriente durante el arranque.