Fundamentos y Características de Motores Asíncronos y Transformadores Eléctricos
Conceptos Fundamentales en Máquinas Eléctricas
Relé Térmico Bimetálico
Definición: Constituye el elemento más simple de la protección térmica por control indirecto. Es decir, protege contra el calentamiento del motor a través de la medición de su consumo de corriente. Al pasar la corriente eléctrica, el bimetal se calienta y se curva con un grado de curvatura que depende del valor de la corriente y del tiempo.
El Transformador Eléctrico
Definición: Es un dispositivo eléctrico que, utilizando las propiedades de la inducción electromagnética, es capaz de elevar o disminuir la tensión eléctrica, equilibrar o desequilibrar circuitos eléctricos según la necesidad. También es capaz de aislar circuitos de Corriente Alterna (CA) de circuitos de Corriente Continua (CC).
Componentes Básicos de un Transformador
- Núcleo
- Devanados (primario y secundario)
Máquinas de Inducción
¿Por qué se denomina máquina de inducción al motor asincrónico y al transformador? Porque no existe corriente conducida directamente a uno de los arrollamientos. La corriente que circula por uno de los devanados se debe a la Fuerza Electromotriz (F.E.M.) inducida por la acción del flujo del otro.
Motores Asíncronos: Tipos de Rotor y Características
Rotor en Cortocircuito (Jaula de Ardilla)
Características: Es un conjunto de barras (de cobre o aluminio) cortocircuitadas en sus extremos mediante anillos. Posee un eje de acero y ranuras en su exterior. Este conjunto de barras y anillos forma el motor conocido como jaula de ardilla.
Ventajas y Desventajas del Rotor Jaula de Ardilla
Ventajas:
- Es el motor más empleado debido a su fácil construcción.
- Bajo costo de mantenimiento.
- Es más seguro en su funcionamiento.
- Es más robusto.
- Soporta grandes sobrecargas.
Desventajas:
- No tiene resistencia limitadora en los devanados del motor.
- Corriente de arranque relativamente alta.
- El par de arranque es bajo.
- Factor de potencia (Cos φ) bajo cuando la carga es poca.
Rotor de Anillos Rozantes (Bobinado)
Características: El rotor está formado por un devanado alimentado desde el exterior a través de escobillas y anillos rozantes mediante corriente continua. La sección de sus conductores es pequeña, por lo que la resistencia óhmica será mucho mayor que la del rotor jaula de ardilla.
Ventajas y Desventajas del Rotor Bobinado
Ventajas:
- Gran par de arranque inicial.
- Posibilidad de grandes sobrecargas.
- Menor corriente de arranque que la jaula de ardilla.
- Tiene una resistencia limitadora en el devanado del rotor.
- Tienen un mejor arranque.
Desventajas:
- Sensibilidad a oscilaciones de tensión.
- Factor de potencia (Cos φ) menor que en la jaula de ardilla.
- Factor de potencia (Cos φ) bajo en caso de cargas pequeñas.
- Mantenimiento costoso (usa escobillas recolectoras).
Clasificación de Motores Asíncronos (Según el Tipo de Motor)
Los motores se clasifican según sus características de par y corriente de arranque:
Clase A
- Par de arranque bajo.
- Par nominal con deslizamiento (S) bajo.
- Rendimiento alto.
- Uso en bombas, ventiladores, máquina herramienta, etc., hasta 5,5 Kw.
- Para potencias mayores a 5,5 Kw se usan sistemas de arranque para limitar la corriente.
Clase B
- Par de arranque similar a la Clase A.
- Corriente de arranque 25% menor que la Clase A.
- Rendimiento Alto.
- Aplicaciones similares a la Clase A.
- Son los más utilizados.
Clase C
- Par de arranque elevado (aproximadamente 2 veces el Par Nominal).
- Corriente de arranque baja.
- Par nominal con deslizamiento (S) bajo.
- Aplicaciones que requieren alto par de arranque.
Clase D
- Par de arranque muy elevado (> 3 veces el Par Nominal).
- Corriente de arranque baja.
- Par nominal con deslizamiento (S) elevado (7 – 17%).
- Rendimiento bajo.
- Aplicación en accionamientos intermitentes que requieren acelerar muy rápido.
Ventajas y Desventajas Generales de los Motores de Inducción
Ventajas:
- Diseño simple.
- Bajo costo.
- Funcionamiento fiable.
- Fácil de encontrar repuestos.
- Variedad de estilos de montaje.
- Aptos para diferentes entornos ambientales.
- Tienen un buen par de arranque.
Desventajas:
- Control de velocidad caro.
- Incapacidad para funcionar a velocidades muy bajas.
- Mal control de posicionamiento.
- La corriente de arranque es mucho mayor que la corriente de funcionamiento (nominalmente entre 3 y 6 veces mayor).
- La variación de la velocidad implica la variación de la frecuencia de la alimentación, para lo cual se necesita un convertidor electrónico.
Operación, Fallas y Protección del Motor
Fallas Comunes en Motores Eléctricos
- Desgaste de rodamientos.
- Cortocircuito entre fase y tierra en el aislamiento.
- Fallas térmicas (sobrecalentamiento).
- Destrucción de devanados por pérdida de aislamiento.
- Falla mecánica, vibración o fatiga electromecánica de conductores.
Características Funcionales de un Motor Asincrónico de 4 Polos
- Velocidad de sincronismo: 1500 RPM.
- Velocidad típica a plena carga: 1440 RPM.
- La temperatura de los devanados sube desde el arranque hasta alcanzar el régimen permanente térmico.
Arranque de Motores
¿Qué tipo de arranque es el más utilizado y barato? ¿Por qué?
El arranque Estrella-Triángulo, debido a su bajo costo. La intensidad de un motor conectado en estrella vale solo un tercio de la intensidad cuando está conectado en triángulo.
Defectos Más Comunes
- Cortocircuito en el estator.
- Chispa de escobilla.
- Falla de condensador.
- Falla de rodamiento.
Impacto de la Temperatura en la Vida Útil
¿En caso de que el motor trabaje 20°C sobre su temperatura máxima, en cuánto se reduce la vida útil del motor?
Estudios empíricos indican que para cada 10 °C de elevación en la temperatura de funcionamiento del motor, sobre la temperatura límite máxima recomendada, la duración de los devanados se reduce a la mitad. Recíprocamente, para cada reducción de 10 °C en la temperatura de funcionamiento del motor por debajo del límite nominal, la duración de los devanados se duplica.
Protección Contra Temperaturas Elevadas
¿Qué se necesita para proteger un motor contra temperaturas elevadas?
Un guardamotor es un disyuntor magneto-térmico, especialmente diseñado para la protección de motores eléctricos. Este diseño especial proporciona al dispositivo una curva de disparo que lo hace más robusto frente a las sobreintensidades transitorias típicas de los arranques de los motores.
¿Los interruptores automáticos de motor están diseñados para proteger contra?
- Sobrecargas.
- Cortocircuitos.
Velocidad y Sentido de Giro
¿A qué velocidad gira el motor asíncrono?
El rotor va a girar siempre con una velocidad algo inferior a la velocidad de rotación del campo magnético. Por esta razón, a este tipo de motor se le llama motor asincrónico (no gira en sincronismo con el campo rotante).
¿Cómo se le puede cambiar el sentido de giro?
El sentido de giro de un motor trifásico se cambia al intercambiar dos fases de la alimentación.
Estructura y Principios del Transformador
Partes de un Transformador Sumergido en Aceite
- Indicador de nivel.
- Depósito de expansión.
- Pasatapas de entrada.
- Pasatapas de salida.
- Mando conmutador.
- Grifo de llenado.
- Radiadores de refrigeración.
- Placa de características.
Boquillas o Bushing
Definición: Son los aisladores de entrada en baja y salida en alta del transformador.
Composición del Núcleo
El núcleo del transformador está compuesto por láminas ferromagnéticas que van unidas con resina natural.
Transformadores Elevadores o Reductores
Razón de su uso: Son empleados por empresas transportadoras eléctricas con el fin de disminuir las pérdidas por efecto Joule. Debido a la resistencia de los conductores, conviene transportar la energía eléctrica a tensiones elevadas, lo que origina la necesidad de reducir nuevamente dichas tensiones para adaptarlas al consumo final.
Ejercicio de la Relación de Transformación
Si un transformador tiene 20000 vueltas en el devanado primario y 5000 vueltas en el devanado secundario y se le aplica un voltaje de CA de 120 volts en el primario, ¿cuál es el voltaje secundario (Vs)?
Vs = 
Vs = 
Vs = 30 volts
Velocidad del Campo Magnético
¿De qué depende la velocidad del campo magnético?
Depende de la frecuencia de la alimentación y del número de polos del motor.
Frecuencia de Deslizamiento
Definición: La diferencia entre las velocidades del rotor y el campo magnético se denomina deslizamiento.
Comportamiento de un Transformador en Vacío
El estudio en vacío de los transformadores trifásicos depende de su tipo de núcleo (de flujos libres o de flujos ligados), de la forma de conexión de los arrollamientos (estrella o triángulo) y de si la alimentación al transformador es a cuatro hilos (tres fases más neutro) o a tres hilos (tres fases del transformador conectadas a la red y el neutro no conectado a la red).
Diferencia entre Motores de Rotor Bobinado y Jaula de Ardilla
- El rotor bobinado tiene anillos hechos de bobinas.
- El rotor jaula de ardilla no tiene anillos hechos de barras.
- El motor bobinado permite regular la velocidad por resistencia externa.