Motores Eléctricos CC y CA: Tipos, Arranques y Cálculo de Bobinado Concêntrico

Tipos de Motores de Corriente Continua (CC)

Motor Serie

• Las bobinas inductoras e inducidas están conectadas en serie.
• La intensidad absorbida por el motor es la misma para ambas bobinas (inductora e inducida).
• El par motor inicial es elevado.
• Si su carga disminuye, la corriente absorbida también disminuye.
• Constructivamente, tiene pocas espiras de mucha sección en el devanado inductor.

Motor Shunt (Derivación)

• Las bobinas inductoras e inducidas están conectadas en paralelo (derivación).
• La corriente absorbida por el motor se divide: una parte pasa por las bobinas inducidas y otra por las inductoras.
• El par motor en el arranque es menor que en el motor serie.
• Es más estable que el motor serie cuando funciona en vacío (sin carga).
• La velocidad de giro apenas disminuye cuando el par resistente del motor aumenta.

Motor Compound (Compuesto)

• Es una combinación de las configuraciones serie y shunt.
• Posee dos devanados inductores: uno conectado en serie con el inducido y otro en paralelo.
• La corriente del inducido pasa por el devanado serie, y la corriente total se divide entre la rama del inducido/serie y la rama del devanado shunt.
• Tiene un elevado par de arranque (característica del serie).
• No es inestable cuando trabaja en vacío (característica del shunt).
• Puede llegar a alcanzar un número de revoluciones muy alto si se diseña para ello, aunque generalmente se busca un equilibrio entre par y estabilidad de velocidad.

Tipos de Motores de Corriente Alterna (CA)

Motores Síncronos

• Son aquellos motores en los que la velocidad de giro del rotor es exactamente igual a la velocidad del campo magnético giratorio del estator, la cual depende de la frecuencia de la red eléctrica y del número de polos del motor (velocidad de sincronismo).
• Se utilizan tanto como motores (con velocidad constante) como generadores (alternadores en centrales eléctricas).

Motores Asíncronos (o de Inducción)

• Son aquellos en los que la velocidad de giro del rotor es siempre inferior a la velocidad de sincronismo.
• La diferencia entre la velocidad de sincronismo y la velocidad del rotor se denomina deslizamiento.
• Son los motores más utilizados en la industria. Pueden ser trifásicos o monofásicos.
• También pueden funcionar como generadores en ciertas aplicaciones (por ejemplo, en aerogeneradores).

Métodos de Arranque de Motores Eléctricos

Arranque Directo

• Los devanados del estator se conectan directamente a la red eléctrica de alimentación.
• El motor recibe la tensión nominal completa desde el instante inicial.
• La intensidad de arranque es elevada, típicamente entre 4 y 8 veces la intensidad nominal.
• La alta corriente de arranque puede provocar caídas de tensión en la red, afectando potencialmente a otros equipos conectados.
• Es un método sencillo y económico, adecuado para motores pequeños o cuando la red eléctrica puede soportar la alta corriente de arranque y la carga lo permite. El motor desarrolla su máximo par de arranque.

Arranque Estrella-Triángulo (Y-Δ)

• Este método se utiliza en motores trifásicos diseñados para operar en conexión triángulo (Δ) a la tensión de línea, pero que admiten la conexión estrella (Y).
• El arranque se realiza en dos fases:
• 1. Conexión Estrella (Y): Inicialmente, los devanados se conectan en estrella. Esto hace que cada devanado reciba una tensión reducida (V_línea / √3, por ejemplo, 230V si la línea es de 400V). La intensidad de arranque se reduce aproximadamente a un tercio de la intensidad en arranque directo, y el par de arranque también se reduce a un tercio.
• 2. Conexión Triángulo (Δ): Cuando el motor alcanza aproximadamente un 80-90% de su velocidad nominal, un temporizador conmuta la conexión a triángulo. Ahora cada devanado recibe la tensión nominal de línea (400V en el ejemplo), y el motor funciona en sus condiciones nominales.
• Reduce significativamente la corriente de arranque.

Arranque Suave (Soft Starter)

• Utiliza un dispositivo electrónico (basado en tiristores o SCRs) que controla la tensión aplicada al motor durante el arranque.
• Permite un aumento progresivo de la tensión, desde un valor inicial ajustable hasta la tensión nominal, limitando así la corriente de arranque y proporcionando una aceleración suave.
• También puede controlar la parada (rampa de deceleración).
• Evita daños mecánicos prematuros en acoplamientos y cargas, y reduce los picos de corriente en la red.

Arranque con Variador de Frecuencia (VFD)

• El funcionamiento básico durante el arranque es similar al del arrancador suave, controlando tensión y corriente.
• La principal diferencia y ventaja es que el VFD controla tanto la tensión como la frecuencia aplicadas al motor.
• Al variar la frecuencia, se consigue controlar la velocidad del motor de forma precisa en cualquier momento (no solo durante el arranque y parada), manteniendo un par adecuado.
• Ofrece el mayor control sobre el motor y permite ahorros de energía en aplicaciones de velocidad variable.

Bobinado Concêntrico en Motores de CA: Cálculo y Ejecución

A continuación, se presentan las fórmulas básicas para el cálculo de un bobinado concêntrico por polos consecuentes para un motor de CA trifásico.

Definiciones Previas:

• K: Número total de ranuras en el estator.
• p: Número de pares de polos del motor (Si un motor tiene 4 polos, p=2).
• q: Número de fases (usualmente q=3 para trifásico).

Número de Bobinas por Grupo (U)

Indica cuántas bobinas forman cada grupo de una fase bajo un par de polos.

U = K / (2 * p * q)

Condición: El resultado de K / (2 * p * q) debe ser un número entero para que el bobinado sea simétrico y realizable con esta configuración.

Amplitud de Grupo (m)

Representa el número de ranuras que quedan libres entre las bobinas consecutivas que forman parte del mismo grupo y fase.

m = (q - 1) * U

Paso de Fase (Y₁₂₀)

Indica el desfase en número de ranuras entre el inicio de una fase y el inicio de la siguiente fase consecutiva (para un sistema trifásico con desfase de 120° eléctricos).

Y120 = K / (3 * p)

Nota: Este valor indica en qué ranura comienza la fase siguiente respecto a la anterior.

Ejemplo de Cálculo

Datos de Partida:

• Número de polos = 4 (por lo tanto, p = 2 pares de polos)
• Número de ranuras (K) = 24
• Número de fases (q) = 3 (trifásico)

Cálculos:

1. Verificación de Condición / Número de Bobinas por Grupo (U):
   U = K / (2 * p * q) = 24 / (2 * 2 * 3) = 24 / 12 = 2
   El resultado es 2 (un número entero), por lo que el bobinado es posible. Cada grupo constará de 2 bobinas.
2. Amplitud de Grupo (m):
   m = (q - 1) * U = (3 - 1) * 2 = 2 * 2 = 4
   Habrá 4 ranuras libres entre las bobinas de un mismo grupo.
3. Paso de Fase (Y₁₂₀):
   Y120 = K / (3 * p) = 24 / (3 * 2) = 24 / 6 = 4
   El principio de la fase V estará desfasado 4 ranuras respecto al principio de la fase U, y el principio de la fase W estará desfasado otras 4 ranuras respecto a V.