Motores Eléctricos: Tipos, Funcionamiento y Control

Clasificación de los Motores Eléctricos

Los motores eléctricos se clasifican principalmente en tres categorías: de corriente continua, de corriente alterna y universales.

Motores de Corriente Continua

Los motores de corriente continua se pueden clasificar según el tipo de excitación en:

• Independiente
• Serie
• Derivación
• Compuesta
• De imanes permanentes

Estos motores se basan en los principios de fuerza electromagnética y de fuerza electromotriz inducida.

Partes de un Motor de Corriente Continua

• Inductor: Crea el campo magnético y se encuentra en la parte fija del motor o estator. Está formado por bobinas de hilo de cobre colocadas alrededor de una expansión polar de material ferromagnético.
• Inducido: Genera campos magnéticos que se oponen a los del inductor. Está formado por conductores de corriente dispuestos en forma de bobinas.

Frenado de los Motores de Corriente Continua

Al frenar el motor, este pasa a funcionar como generador, invirtiendo el sentido del par motor. Existen dos tipos principales de frenado:

• Frenado reostático: Disipa la energía generada al actuar como generador sobre una resistencia de frenado.
• Frenado regenerativo: Devuelve la energía generada a la línea de alimentación.

Tipos de Motores de Corriente Continua

• De excitación independiente: El inducido y el inductor están alimentados con fuentes de tensión distintas e independientes.
• De derivación: Similar al independiente, pero el devanado de excitación está conectado a la misma fuente de tensión que el inductor.
• Motor serie: El inductor está en serie con el inducido, y el flujo magnético depende de la carga.

Motores de Corriente Alterna

Los motores de corriente alterna se clasifican según:

• Su velocidad de giro
• Tipo de rotor
• Número de fases

Constitución del Motor de Corriente Alterna

Los motores de corriente alterna están constituidos por:

• Estator: Parte fija, formada por chapas magnéticas aisladas y ranuradas interiormente. Contiene un devanado trifásico (formado por tres devanados monofásicos iguales).
• Rotor: Parte móvil, formada por chapas magnéticas aisladas y ranuradas exteriormente.

En el devanado del rotor existen dos posibilidades:

• Barras de cobre o aluminio: Se inyectan en las ranuras, dando lugar a los motores trifásicos asíncronos de rotor en cortocircuito.
• Devanado trifásico: Similar al del estator, dando lugar a los motores asíncronos de rotor bobinado.

La separación de aire entre el estator y el rotor se denomina entrehierro. El principio de funcionamiento se basa en el campo magnético giratorio creado por una corriente alterna trifásica. Un motor trifásico está formado por un par de polos por fase con sus correspondientes devanados, cuyos inicios están equilibrados.

Velocidad Síncrona

La velocidad síncrona divide las máquinas de corriente alterna en síncronas y asíncronas. El campo magnético giratorio corta los conductores del rotor e induce en ellos una fuerza electromotriz. Al estar dichos conductores cortocircuitados, se originan corrientes elevadas y, en consecuencia, un campo magnético que reacciona con el del estator, dando lugar a un flujo común giratorio.

Conexión de un Motor Trifásico - Curvas Características

El comportamiento de los motores de corriente alterna se estudia a través de sus curvas características, entre las que destacan:

• Característica de velocidad: n=f(P); U=cte; f=cte. Representa la velocidad del motor en función de la potencia suministrada, manteniendo la tensión y la frecuencia constantes.
• Curva característica de consumo: Simboliza la corriente que el motor absorbe de la red en función de la potencia suministrada, manteniendo la tensión y la frecuencia constantes.
• Curva característica de factor de potencia: Informa sobre cómo varía el factor de potencia en función de la potencia que suministra el motor, manteniendo la tensión y la frecuencia constantes. Es útil para conocer el consumo de energía reactiva.
• Curva de rendimiento: Indica cómo varía el rendimiento de la máquina en función de la potencia que suministra.
• Característica mecánica: Indica cómo varía el par en función de la velocidad del motor. A medida que la velocidad aumenta, el par suele aumentar hasta alcanzar un máximo.

Arranque

En el momento del arranque, la velocidad es cero y el par de arranque del motor debe ser mayor que el par resistente de la carga.

Funcionamiento en Vacío

Si el motor trabaja en vacío, la velocidad está próxima a la de sincronismo, ya que el motor no suministra potencia útil. El único par que desarrolla el motor es el que compensa las pérdidas.

Funcionamiento Estable en Carga

El punto de funcionamiento es aquel en el cual se cruzan las características del motor y de la carga.

Balance de Potencias

Al conectar el motor a la red, este absorbe una potencia activa y reactiva. En términos de potencia activa, el motor absorbe una potencia P (W).

Procedimientos de Arranque

Al conectar los motores a la red, estos absorben una intensidad de corriente muy elevada, lo que puede producir anomalías en las redes de distribución de energía eléctrica, tanto privadas como públicas.

Arranque de Motores de Rotor en Cortocircuito - Arranque Directo

Consiste en cerrar el contactor K1: el motor se conecta a la tensión nominal de la red en un solo tiempo. Mientras el motor está funcionando, queda protegido contra sobrecargas por el relé térmico y contra cortocircuitos por los fusibles. La intensidad en el arranque es del orden de 3 a 8 veces la intensidad nominal, mientras que el par de arranque es de 1 a 1,5 veces el par nominal.

Arranques Basados en Disminuir la Tensión de Alimentación

Cualquier método de arranque que se base en reducir la tensión aplicada al estator reducirá la corriente absorbida de la línea y el par. La corriente se reduce en la misma relación en que disminuye la tensión, y el par en relación cuadrática.

Arranque de Motores de Rotor Bobinado

Los motores de rotor bobinado se arrancan intercalando varios grupos de resistencias en el circuito del rotor, de forma que el motor arranca con toda la resistencia intercalada. A medida que el motor adquiere revoluciones, se eliminan grupos de resistencias hasta alcanzar la velocidad nominal. En este tipo de arranque, además de reducir la corriente, se puede trabajar siempre a par máximo.

Regulación de la Velocidad

El motor de corriente alterna ofrece mejores características que el de corriente continua en aspectos como la robustez y la fiabilidad. Hasta hace poco tiempo, la regulación de la velocidad de los motores de corriente alterna era un problema, limitándose a los métodos tradicionales.

La velocidad de un motor puede controlarse de dos maneras:

• Variando la velocidad de sincronismo, modificando el número de pares de polos o cambiando la frecuencia.
• Modificando el deslizamiento, variando la característica, es decir, cambiando la tensión aplicada al motor.

Control por Cambio del Número de Polos

Si aumentamos el número de polos, la velocidad del motor será la mitad. Es uno de los métodos utilizados desde hace muchos años y se trata de un control a saltos. Solo se puede hacer en motores de jaula de ardilla, ya que el número de polos del estator y del rotor deben ser iguales.

Control por Modificación de la Frecuencia

Durante muchos años, este método resultó muy problemático de aplicar. Actualmente, gracias al desarrollo de los componentes electrónicos semiconductores, el motor de inducción se puede controlar electrónicamente por variación de la frecuencia de alimentación. Para el correcto funcionamiento de estos motores, se debe trabajar a par constante, por lo que una variación en la frecuencia debe ir acompañada de una disminución de la tensión.

Regulación de la Velocidad Actuando sobre la Tensión Aplicada

Se trata de un método muy limitado. Se utiliza solamente en pequeños motores de inducción.

Frenado de los Motores Asíncronos

El frenado regenerativo suele utilizarse en aplicaciones de montacargas y grúas para limitar la velocidad de descenso. Consiste en que el motor pase a trabajar como generador; para ello, basta con mantener el estator conectado a la red y hacer que la velocidad del rotor supere la velocidad de sincronismo.

El frenado dinámico consiste en desconectar el motor de la red y aplicarle una corriente continua al devanado del estator. Este, al ser recorrido por corriente continua, crea un campo magnético estacionario. Este campo magnético induce corriente en el rotor, mientras este se mantenga girando, que producen un par opuesto al del giro que hace que el motor frene.

Motores Monofásicos

Los motores monofásicos más importantes son los de inducción y los de colector. Estos últimos son muy parecidos a los de excitación serie de corriente continua, por lo que centraremos nuestra explicación en los primeros. Los motores monofásicos de inducción son similares a los trifásicos con rotor en cortocircuito. El estator está ranurado y en sus ranuras suelen existir dos devanados. El primero es el devanado principal o de trabajo, y ocupa dos tercios de las ranuras totales. El segundo es un devanado auxiliar o de arranque, que ocupa el tercio de las ranuras restantes y, como su nombre indica, se utiliza para ayudar a arrancar.