Unidade 4 - Motores eléctricos 1º parte PDF

CURSO 2024/25 CICLO DE GRADO MEDIO: INSTALACIÓNS ELÉCTRICAS E AUTOMÁTICAS 1º UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS (1) 1. MÁQUINAS ELÉCTRICAS Unha máquina eléctrica é un dispositivo que transforma enerxía eléctrica noutro tipo de enerxía ou viceversa, utilizando p...

CURSO 2024/25 CICLO DE GRADO MEDIO: INSTALACIÓNS ELÉCTRICAS E AUTOMÁTICAS 1º UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS (1) 1. MÁQUINAS ELÉCTRICAS Unha máquina eléctrica é un dispositivo que transforma enerxía eléctrica noutro tipo de enerxía ou viceversa, utilizando principios electromagnéticos. Dentro do campo das máquinas eléctricas poden distinguirse basicamente dous grandes tipos: as estáticas e as rotativas. As máquinas eléctricas estáticas son todas aquelas nas que non existe movemento mecánico (parte móbiles), ao non dispoñer de partes móbiles. Por exemplo, os trasformadores, convertidores, reguladores, inversores, etc. A máquina estática por excelencia é o transformador. As máquinas eléctricas rotativas, ou dinámicas, son as están provistas de partes mecánicas giratorias, como é o caso das dinamos, os alternadores e os motores. Dentro deste grupo existe unha dobre clasificación, xa que os motores consomen enerxía eléctrica e convértena en enerxía mecánica de rotación, mentres que as dinamos e os alternadores (xeradores) aproveitan a enerxía mecánica de rotación para producir enerxía eléctrica. Clasificacións das máquinas eléctricas Nesta clasificación é importante observar como as máquinas eléctricas poden absorber enerxía cando funcionan como motores ou xerala se funcionan como xeradores. 1 de 21  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS O funcionamento dunha máquina eléctrica baséase nos principios do electromagnetismo, é dicir, en como interactúan a electricidade e os campos magnéticos. Estes principios básicos son principalmente: Campo magnético: Cando unha corrente eléctrica pasa por un condutor (como un cable), xérase un campo magnético ao redor del. Este campo magnético é a base para que as máquinas eléctricas funcionen. Lei de Faraday (indución electromagnética): Se un condutor móvese dentro dun campo magnético, xérase unha corrente eléctrica no condutor. Este principio utilízase en xeradores. Lei de Lorentz (Forza electromagnética): Se un condutor con corrente eléctrica está dentro dun campo magnético, xérase unha forza que pode mover o condutor. Este principio utilízase en motores eléctricos. Transformación de enerxía: Segundo como se aplique o electromagnetismo, unha máquina eléctrica pode: Transformar enerxía eléctrica en mecánica: (Motor) Transformar enerxía mecánica en eléctrica: (Xerador) Modificar as características da electricidade: (Transformador) 1.1. Máquinas eléctricas estática As máquinas eléctricas estáticas son principalmente: - Transformadores - Convertidores e inversores - Autotransformador - Rectificadores O transformador: 2 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS Sendo m a relación de transformación do transformador. Convertedores: Converten AC a DC 3 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS Inversores: Converten AC a DC 1.2. Máquinas eléctricas rotativas Un motor eléctrico é un receptor que ao ser alimentado mediante unha corrente eléctrica produce un movemento xiratorio no seu eixo que, ao través de acoplamentos mecánicos adecuados, é aproveitado para efectuar diferentes traballos no sector industrial e doméstico. Motor con acoplamento neumático. Motor eléctrico e o seu acoplamento. Exemplos de acoplamentos das máquinas rotativas 4 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS Acoplamento ríxido Acoplamento flexible Acoplamento líquido 1.3. Clases de servizos das máquinas eléctricas Clases de servizos ao que pode estar sometido unha máquina eléctrica: Servizo continuo: a carga é constante durante un tempo suficientemente longo como para que a temperatura chegue a estabilizarse. Servizo continuo variable: a máquina traballa constantemente pero a carga é variable. Servizo intermitente: os tempos de traballo están separados por tempos de repouso. Servizo unihorario: a máquina está unha hora en marcha a un réxime constante superior ao continuo, pero non se chega a alcanzar unha temperatura que poña en perigo os materiais illantes. Se unha máquina eléctrica funciona á potencia nominal, é dicir, á súa potencia normal de funcionamento, dise que funciona a plena carga. Os motores e xeradores eléctricos poden traballar a media carga, a 3/4 da carga ou mesmo por encima da potencia nominal, en sobrecarga. 5 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS 1.4. Clasificación dos motores eléctricos: Motores de corrente alterna (ca) 1. De indución (asíncronos) 1.a Trifásicos De rotor bobinado De caixa de esquío 1.b Monofásicos De condensador De fase partida De expira de sombra 2. Universais 3. Síncronos 3.a Monofásicos De histéresis De relutancia 3.b Trifásicos Motores de corrente contínua (cc) 1. De excitación shunt 2. De excitación serie 3. De excitación compound 4. De excitación independente ¿Cómo se arranca un motor eléctrico? O esquema de arranque dun motor eléctrico segue este esquema de bloques: Trátase, polo tanto, de definir o tipo de Circuíto de potencia e mando en función do tipo de motor e da acción que queremos realizar e isto de acordo á rede eléctrica de que dispoñemos. Isto será o contido de esta unidade.... 6 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS 2. MOTORES DE CORRENTE ALTERNA Debido ao seu baixo custe de fabricación e facilidade de conexionado o motores cos que imos a traballa e os que imos a estudar serán os MOTORES DE CORRENTE ALTERNA. 2.1. Principio de funcionamento de un motor de corrente alterna: O funcionamento do motor eléctrico se basea no feito de que en un cable polo que circula unha corrente eléctrica se xera un campo magnético ao seu arredor. Para aumentar este campo magnético xerado pola corrente se pode “retorcer” o cable sobre si mesmo para forma unha bobina (ou múelle) denominada selenoide. Esta selenoide concentra o campo magnético xerado de tal forma que se comporta como si fora un imán. Si situamos esta selenoide sobre un soporte móbil (eixo) e a introducimos nun campo magnético formado por dous imáns os efectos de repulsión e atracción do selenoide e os imáns fixos provocarán un movemento do selenoide sobre o seu eixo. ¡Este e o principio físico que permite construír motores eléctricos! A partir de aquí podemos obter diversas características específicas do motores eléctricos: - Cambiando a magnitude de cada un dos campos magnéticos podemos facer que o selenoide xire máis o menos rápido ou con máis forza (par motor e revolucións) - Cambiado o tipo de corrente que circula polo selenoide definirase un tipo de motor. - Si a corrente é alterna: MOTORES DE CORRENTE ALTERNA - Si a corrente é continua: MOTORES DE CORRENTE CONTINUA - Si substituímos o dous imáns por outros selenoides que tamén xeren un campo magnético dispoñemos dun MOTOR CON ESTATOR BOBINADO (típicos en motores de corrente alterna) 7 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS Os motores de corrente alterna funcionan con corrente de tipo alterna monofásica ou trifásica. A continuación dispoñedes dun debuxo de estes tipos de sinais: Sinal utilizada nos motores de Esquema do motor monofásico corrente alterna monofásicas Sinal trifásicas Motores trifásicos Como é evidente, os motores realizados con un simple cable non son eficaces a hora de realizar algún tipo de tracción (par motor moi baixo). 8 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS 2.2. Partes do motor eléctrico 2.2.1. Partes internas O rotor: parte xiratorio da máquina eléctrica e se aloxan dentro do circuito magnético. Dende o exterior do motor unicamente vese en do rotor o eixo. (no noso exemplo da explicación do funcionamento do motor eléctrico, o rotor é o selenoide que se introducen no campo magnético formado polos dous imáns). Dependendo do tipo de máquina este rotor pode ser bobinado ou non. Si é bobinado se leva a corrente a él ao través das escobillas. Si non o é, entón o rotor é formado por un imán. 9 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS Tipos de rotores Rotor bobinado: é accesible desde conexións exteriores. Os extremos dos devanados atópanse conectados a aneis colectores montados sobre o propio eixo do motor. A conexión eléctrica a través da ensamblaxe rotativa realízase mediante un colector de aneis e escobillas. Rotor curtocircuítado: os condutores que forman o rotor sitúanse no interior dunha gaiola composta por barras lonxitudinais de aluminio ou cobre, denominada gaiola de esquío, e os seus extremos atópanse cortocircuitados de maneira que non resulta posible realizar conexións eléctricas exteriores sobre o rotor. O estator: é a parte fixa da máquina e nel está aloxado o devanado. Este devanado está alimentado con corrente eléctrica para que poida forma o campo magnético que permita desplazar o rotor. 10 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS 2.2.2. Partes externas Caixa de bornes: Permite a conexión do motor ao sistema de alimentación. Placa de características: é unha placa de aluminio na que se atopan escrito (por serigrafía ou troquel) as características máis significativas do motor. Eixo: é o elemento polo que se transmite o movemento xiratorio do motor. Dispón dunha chaveta para o acoplamento á maquinaria que vai a ser instalada. Carcasa: parte que cubre todo o interior do motor. Tapa de ventilación: cubre os sistemas de ventilación do motor. Dispón dunha reixa de ventilación para facilitar a saída do aire. Base de fixación: é a parte da carcasa que permite a fixación do motor á bancada na que se vai a instalar. A súa fixación é normalemente mediante tornillos. 11 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS 3. DIFERENCIAS ENTRE O MOTOR DE CORRENTE ALTERNA MONOFÁSICOS E TRAFÁSICOS Ademais da alimentación e das súas conexións eléctricas os motores de corrente alterna monofásicos e trifásicos pódense diferenciar pola súa constitución externa. 3.1. Motores de corrente alterna monofásicos Motores de corrente alterna monofásica co seu condensador de arranque 3.2. Motores de corrente alterna trifásicos Motores de corrente alterna trifásica coa súa caixa de bornes a non confundir coa caixa dos condensadores de arranque presente nos motores monofásicos. 12 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS 4. Simboloxía Motor monofásico Motor trifásico (con rotor en cortocircuito) Motor trifásico con 6 bornes Motor trifásico con rotor bobinado 13 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS 5. Motor monofásico Os motores monofásico dispoñen no seu interior de dous devanados. Un de arranque e outro de traballo. Estes motores dispoñen tamén de un condensador de arranque que só sirve para a posta en marcha do motor, unha vez esta acontecida o condensador queda desconectado por un interruptor centrífugo. (Interruptor centrífugo: este interruptor é sensible ao xiro dun eixo, xeralmente dun motor. No inicio (co motor parado) o interruptor está pechado e, unha vez iniciado o xiro, se abre polo efecto da forma centrípeda do xiro) Existen dous tipo de conexionado deste tipo de motor monofásico pero os dous métodos teñen como obxectivo o de desconectar o devanado de arranque despois de uns segundos de funcionamento). A continuación tendes un exemplo de estes tipo de conexionados. Nos dous conexionado, no arranque o condensador se carga e fai funcionar o devanado de arranque que axudará a realizar os primeiros xiros. Despois duns segundos o condensador xa cargado non permite subministrar corrente ao devanado de arranque pero para maior seguridade se desconecta do circuíto mediante o interruptor centrífugo. O esquema de conexionado dun arranque directo dun motor monofásico é o seguinte: 14 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS 6. Motor trifásico Os motores trifásicos dispoñen tres devanados (como mínimo, pódense atopar con 6 devanados. 3 para o rotor e 3 para o estator). Estes tres devanados se poden conectar da seguinte forma: 6.1.1. O borneiro do motor trifásico Estas configuracións se establecen nos puntos de conexión dos cables externos ao motor. É dicir, no borneiro. Os borneiros teñen este aspecto. Neste debuxo se mostran a forma nas que están conectadas as bobinas a eles. 15 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS Estes borneiros se conectarán, para cada unha das configuracións, da seguinte forma: Conexións na Caixa de borneiro: Conexión en Triángulo (imaxe da esquerda) e Conexión en Estrela (Imaxe da dereita) Tendo en conta os conexionados das bobinas en estrela ou triángulos, podemos observar os distintos valores que se lles aplica. De acordo a isto podemos dicir que: A conexión en triángulo: ten unha tensión menor de funcionamento. A conexión en estrela: ten unha tensión maior de funcionamento. 16 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS 6.1.2. O borneiro do motor trifásico O esquema de conexionado dun arranque directo dun motor trifásico é o seguinte: Arranque directo dun motor trifásico con protección por magnetotérmico Esquemas de arranque directo dun motor trifásico con protección por fusibles (esquema da esquerda) e arranque directo dun motor trifásico con protección por magnetotérmico (esquema da dereita) 7. Cambio de xiro dun motor trifásico Para conseguir que un motor trifásico cambie de xiro só temos que cambiar de posición dúas das fases que alimentan o motor. 17 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS Cambio de xiro do motor. Cambio de DOUS FASES Na práctica este cambio de xiro se consigue de moitas formas unha de elas é utilizando un conmutador rotativo de panca ou rotativo. A continuación mostramos o efecto do accionamento destes conmutadores. Conexión do conmutador á caixa de bornes (imaxe da esquerda) e motor en Posición 0: Motor parado (imaxe da dereita) Posición 1: Xiro á esquerda Posición 2: Xiro á dereita Conexión en Posición 1: Xiro a esquerda (imaxe da esquerda) e Conexión en Posición 2: Xiro a dereita (imaxe da dereita) 18 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS A continuación móstranse diversos tipos de conmutadores inversores Non é unha boa práctica invertir instantaneamente un motor sen previa parada ou baixada de revolucións pero, aínda así, certos motores están preparados para esta operación. 8. Arranque estrela triángulo 8.1. Magnitudes que entran en xogo no arranque dun motor trifásico Pero antes definamos uns conceptos propios das máquinas xiratorias. Par-motor: é a forza que é capaz de desenvolver o motor no seu xiro. Dependerá do xiro do eixo pero tamén da distancia ao eixo na que tomamos a medida. Par-resistencia: é a oposición que produce o sistema ao movemento do eixo. É o que custa mover ese eixo. Par-velocidade: É a curva que relaciona o par motor (forza coa que o motor pode xirar) e o par resistencia (oposición á rotación debido fundamentalmente ao rozamento interno do motor). Curva característica do par-velicidade dun motor de inducción: ¿Qué ocorre polo tanto durante o arranque do motor? - No inicio debemos de administrar moita corrente ao motor para conseguir producir o par motor suficiente para vencer o par resistivo do eixo. Esta corrente é unha sobrecorrente. - A continuación o par motor irá diminuíndo xa que este vector está cada vez máis preto de igualar o par resistivo. Isto quere dicir que a corrente absorbida polo motor tamén diminuirá. 19 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS - Chegado un punto óptimo denominado par velocidade, o par motor que debemos de xerar será mínimo e o consumo do motor tamén correspondendo esta á corrente nominal do motor. - A continuación vense as curvas que corresponden a esta explicación: A curva de dereita representa o consumo de corrente durante o arranque dun motor. En todo momento o par motor debe de estar por encima do par resistivo. De non ser así, o motor posiblemente non arrancaría. 8.2. Arranque estrela triángulo Tendo en conta o explicado no apartado anterior, é importante evitar ese sobreconsumo inicial. Para isto existen varios métodos, un dos máis utilizado é o de arranque Estrela- Triángulo. Emprégase principalmente nos motores trifásico en gaiola de esquío (gaiola de esquío). É de fácil implementación e baixo custe. Consiste en por en marcha o motor en dous tempos: primeiro tempo : conéctase a alimentación eléctrica e o motor funciona cos bornes conectados en estrela. Neste tipo de conexión a alimentación atópase con dúas bobinas en serie e por lo tanto con unha impedanza (resistencia das bobinas) maior. Consume tres veces menos corrente que en funcionamento nominal. No segundo tempo : A máquina conseguíu a velocidade nominal e polo tanto xa non necesitamos limitar a corrente senón manter o par motor. Volvemos a configuración de unha bobina por fase. É dicir, configuración en triángulo xa que, nestas condicións, precísase menos tensión para manter o xiro (par motor) do motor. 20 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS A dereita pódense ver as curvas que explican este funcionamento pero mostrando tanto os consumo de cada configuración como o momento de paso de configuración estrela a triángulo. 21 de 22  Automatismos industriáis UNIDADE 4: MOTORES ELÉCTRICOS 8.3. Conmutadores estrela a triángulo Existen conmutadores de estrela a triángulo que permite realizar esta operación manualmente aínda que a maioría das veces, e para usos industriais, se utilizan reguladores de velocidade que ademais de realizar a conmutación de estrela a triángulo tamén permite regular o par motor do motor en función do par resistivo e conseguir velocidades e consumos óptimos que alonga a vida do motor. 22 de 22