MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA 1.- La

Departamento de Tecnología.
IES Nuestra Señora de la Almudena
Mª Jesús Saiz
TEMA 11: MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA
1.- La corriente alterna (C.A.)
La corriente alterna es una corriente eléctrica en la que el sentido de circulación de los electrones y la
cantidad de electrones varían cíclicamente.
La característica principal de una corriente alterna es que durante un instante de tiempo un polo es
negativo y el otro positivo, mientras que en el instante siguiente las polaridades se invierten tantas veces
como ciclos por segundo (hertzios) posea esa corriente. No obstante, aunque se produzca un constante
cambio de polaridad, la corriente siempre fluirá del polo negativo al positivo, tal como ocurre en las
fuentes de FEM que suministran corriente continua.
Como la tensión varia constantemente se coge una tensión de referencia llamada valor eficaz. Este
valor es el valor que debería tener en corriente continua para que produjera el mismo efecto sobre un
receptor en corriente alterna.
En Europa la corriente alterna que llega a los hogares es de 230 V y tiene una frecuencia de 50 Hz.
La forma más común de generar corriente alterna es empleando grandes generadores o alternadores
ubicados en plantas termoeléctricas, hidroeléctricas o centrales atómicas.
La corriente alterna se representa con una onda senoidal.
Vmáximo
Veficaz
230 V
f = frecuencia (ciclos/s = Hertzio Hz)
W = pulsación = 2πf
U = Umáx sen 2πft = Umáx sen wt
I = Imáx sen 2πft = Imáx sen wt
Ventajas de la corriente alterna
Entre algunas de las ventajas de la corriente alterna, comparada con la corriente continua,
tenemos las siguientes:



Se transporta a grandes distancias con poca pérdida de energía.
Al incrementar su frecuencia por medios electrónicos en miles o millones de ciclos por
segundo (frecuencias de radio) es posible transmitir voz, imagen, sonido y órdenes de
control a grandes distancias, de forma inalámbrica.
Los motores y generadores de corriente alterna son estructuralmente más sencillos y
fáciles de mantener que los de corriente continua.
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Sistemas más empleados de CA:
Los sistemas más empleados para transporte y uso de la CA son:

Sistema monofásico.
En ese sistema se emplea una sola fase de corriente alterna y un neutro, obteniéndose
tensiones de 230 V de valor eficaz y 50 Hz de frecuencia..

Sistema trifásico.
Sistema formado por un neutro y tres fases de corrientes alterna , de igual frecuencia y valor
eficaz, desfasadas entre si 120 grados.
Esto permite tensiones de 230 V (entre fase y neutro) y de 400 V (entre fases). Y 50 Hz de
frecuencia
La utilización de electricidad en forma trifásica es común en industrias donde muchas de las
máquinas funcionan con motores para esta tensión.
Las corrientes trifásicas se generan mediante alternadores dotados de tres bobinas o
grupos de bobinas, enrolladas sobre tres sistemas de piezas polares equidistantes entre sí.
U (V)
Los colores que según la normativa se emplean en los cables son:
R
Fases
S
Negro, gris o marrón
T
Neutro
Toma tierra
N
TT
azul claro
rayas verde/amarilla
POTENCIA EN CA:
La potencia total suministrada por el generador no siempre es la consumida por el circuito. Una parte
de la potencia se utiliza para crear campos eléctricos y magnéticos en las máquinas, pero no se
consume. Sin embargo la fuente debe proveerla para el funcionamiento del circuito.
MONOFÁSICA
P
=
U.I.cos
φ = S cos φ
Potencia activa:
Q =U.I.sen φ =S sen φ
Potencia reactiva:
Potencia aparente: S = U.I
Factor de potencia = cos φ
(W)
VAr)
(VA)
TRIFÁSICA
P = 3 Uf.If.cos φ = S cos φ (W)
Q = 3 Uf.If..sen φ =S sen φ (VAr)
S = 3 Uf.If.
(VA)
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Potencia activa
Es la potencia que representa la cantidad de energía eléctrica que se va a transformar en trabajo
(calor, energía mecánica, etc). Es la potencia que se utiliza.
Aplicando un rendimiento dará la potencia útil.
Se designa con la letra P y se mide en vatios (W).
La potencia activa (absorbida) es debida a los elementos resistivos.
Potencia reactiva
Es la encargada de generar el campo eléctrico y magnético que requieren para su funcionamiento
los motores y transformadores: Esta potencia sólo aparecerá cuando existan bobinas o
condensadores en los circuitos. Es una potencia devuelta al circuito, por lo que la potencia reactiva
tiene un valor medio nuloy no produce trabajo útil.
Se mide en voltamperios reactivos (VAR) y se designa con la letra Q.
Esta potencia es debida únicamente a los elementos reactivos.
Potencia aparente
La potencia aparente de un circuito eléctrico de corriente alterna es la suma vectorial de la energía
que consume dicho circuito en forma de calor o trabajo y la energía utilizada para la formación de
los campos eléctricos y magnéticos de sus componentes.
Esta potencia ha de satisfacer la energía consumida por los elementos resistivos y también la que
van a "almacenar" bobinas y condensadores. Se la designa con la letra S y se mide en voltiamperios
(VA).
Relación entre potencias activas, aparentes y reactivas
S2 = P2 + Q2
Factor de potencia
El factor de potencia se define como el cociente de la potencia activa entre la potencia aparente;
esto es:
Cos φ = P / S
El factor de potencia es un término utilizado para describir la cantidad de energía eléctrica que se ha
convertido en trabajo.
El valor ideal del factor de potencia es 1, esto indica que toda la energía consumida por los
aparatos ha sido transformada en trabajo.
Por el contrario, un factor de potencia menor a la unidad significa un mayor consumo de energía
necesaria para producir un trabajo útil.
2.- Motores de CA trifásicos
Se utilizan en la mayor parte de máquinas industriales.
Están constituidas por el estator, el rotor y el entrehierro.
La separación de aire entre el estator y el rotor se llama entrehierro
Estator: parte fija formada por una corona de chapas ferromagnéticas
aisladas provistas de ranuras, donde se introducen 3 bobinas inductoras,
cuyos extremos van conectados a la red. Es la parte encargada de crear
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el campo magnético.
Rotor: parte móvil situada en el interior del estator, formado por chapas ferromagnéticas
aisladas y ranuradas exteriormente. El bobinado del rotor puede estar de
dos formas:
Rotor de jaula de ardilla: en las ranuras se encuentran los
bobinados del inducido cuyos extremos se unen entre sí en
cortocircuito. Por tanto no hay posibilidad de conectar el
devanado del rotor con el exterior.
El rotor va montado sobre un eje
Estator
Bobina del estator
Ranura del estator
Entrehierro
Rotor
Bobina del rotor
Rotor bobinado: los devanados del rotor van
distribuidos en la periferia y sus extremos están
conectados a anillos colectores montados sobre el
mismo eje, sobre los que se deslizan unas escobillas
que permiten conectar la bobina a un circuito exterior..
Estator y rotor, tienen el mismo número de pares de polos.
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Ventajas del motor con rotor en bobinado respecto al motor con rotor en cortocircuito.
1. La corriente de arranque es menor, solamente, de 1,5 a 2.5 veces la corriente nominal, debido
al empleo de las resistencias de arranque.
2. El par de arranque es siempre mayor en motores de las mismas características.
3. Durante el periodo de arranque también es mayor el factor de potencia debido a la presencia
de las resistencias rotóricas.
4. En los motores de rotor bobinado es posible una mejor regulación de la velocidad
Los principales inconvenientes son los siguientes:
1. El devanado del rotor encarece el precio del motor y lo hace más voluminoso.
2. Los equipos para el arranque, frenado, regulación de la velocidad, etc... son más complejos.
Esto significa más caros, más voluminosos y personal más entrenado para su manejo.
FUNCIONAMIENTO:
El motor se conecta a CA trifásica. Pero la corriente circula exclusivamente por las bobinas
inductoras del estator. Esto genera un campo magnético giratorio (en CC es lineal).
Como consecuencia del campo magnético giratorio en los conductores del rotor se inducen
corrientes eléctricas. Estas corrientes interactúan con el
campo magnético del estator, provocando
fuerzas
electromagnéticas que dan lugar al par motor que obliga a
girar al rotor.
El Campo magnético giratorio se obtiene con tres devanados
desfasados 120º (acoplados en estrella o triángulo) y
conectados a un sistema trifásico de C. A.
R
R
S
S
T
T
N
Motor con 1 par de polos /fase
N
Motor con 2 pares de polos /fase
CLASIFICACIÓN DE MOTORES DE C.A.:

Síncronos: son aquellas en las que la velocidad de giro del rotor es la misma que la
velocidad de giro del campo magnético. Son poco utilizadas, empleándose solo en
aplicaciones muy especificas.

Asíncronos o de inducción: en las que la velocidad de giro del rotor es inferior a la de
rotación de campo magnético. La amplia mayoría de los motores empleados son asíncronos
trifásicos debido a su sencillez, rendimiento y robustez, además pueden ser empleados en
instalaciones monofásicas mediante la conexión de un condensador.
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VELOCIDAD DE GIRO EN MOTORES ASÍNCRONOS:
Hay dos velocidades de giro, la del campo magnético y la del rotor.

Velocidad de giro del campo magnético o velocidad síncrona:
n1 
60 f
p
f = frecuencia de corriente (Hz)
p = nº de pares de polos del motor

Velocidad de giro del rotor:
n2  n1

Deslizamiento absoluto:
n2  n1 D  n1  n2

Deslizamiento relativo:
d
(sino no hay giro)
n1  n2
100(%)
n1
El deslizamiento es la diferencia relativa expresada en % entre las velocidades de
giro del campo magnético y la del rotor.
CONEXIÓN Y ARRANQUE DEL MOTOR:
Para arrancar el motor hay que conectar entre sí las tres bobinas
inductoras del estator, y efectuar la conexión a la red.
U
V
W
X
Y
Z
La conexión puede ser con arranque directo en estrella o en
triángulo.
Al principio o fin de cada bobina se le llama con las letras U, V, W. Y
al final con X, Y, Z.
Tensión de línea: Es la diferencia de potencial que existe entre dos conductores de línea o entre
fases. (UL)
Tensión de fase: Es la diferencia de potencial que existe en cada uno de los bobinados o de las
ramas monofásicas de un sistema trifásico. (Uf)
Intensidad de línea: Es la que circula por cada uno de los conductores de línea o de fase de la red
eléctrica. (IL)
Intensidad de fase: Es la que circula por cada uno de los bobinados o de las ramas monofásicas
de un sistema trifásico. (If)

Conexión en estrella:
Se consigue uniendo los terminales finales de las tres
bobinas (X-Y-Z) en un punto común, que normalmente
se conecta a neutro. Los terminales iniciales (U-V-W)
se conectan a las fases de la red electrica
IL
R
U
UL
IL
IL
S
UL
UF
IL
S
U
V
Z
X
T
W
IL
Z
V
T
R
X
Y
IL
N
UF
W
UF
Y
Caja de bornas
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UL=
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3 Uf
IL= If
La intensidad de línea coincide con la de fase
La potencia en trifásica se calcula sumando las potencias de las tres fases:
P = 3 Uf.If.cos φ = S cos φ (w)
Q =3 Uf.If..sen φ =S sen φ (VAr)
S = 3 Uf.If. (VA)
La potencia en una conexión en estrella es:
3 UL.IL.cos φ = S cos φ (w)
Q = 3 UL.IL..sen φ =S sen φ (VAr)
S = 3 UL.IL. (VA)
P=
Cos φ = P / S

R
IL
Conexión en triángulo:
Este tipo de conexión se realiza uniendo el final de una bobina con el principio de la
siguiente, hasta cerrar la conexión formando un triángulo. Es una conexión sin neutro.
Después los tres extremos iniciales se conectan a las fases
de la red.
U
Z
UL
IL
S
R
IF
IF
X
W
y
S
U
V
Z
X
T
W
V
UL
IF
Y
Caja de bornas
T
IL
UL= Uf
IL=
La tensión de línea coincide con la de fase
3 If
La potencia trifásica es: P = 3 Uf.If.cos φ = S cos φ (w)
Q =3 Uf.If..sen φ =S sen φ (VAr)
S = 3 Uf.If. (VA)
La potencia en una conexión en triángulo es: : P =
3 UL.IL.cos φ = S cos φ (w)
Q = 3 UL.IL..sen φ =S sen φ (VAr)
S = 3 UL.IL. (VA)
Cos φ = P / S
POTENCIA Y PÉRDIDAS DE POTENCIA:

Potencia absorbida:
La potencia absorbida de la red es : Pab

=
3 U . I. cos φ
Potencia útil:
La potencia útil del eje del motor es : Pu
= Pab – pérdidas
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pérdidas = PCui - PCuex - PFe - Pm

Pérdidas en el cobre: debidas al efecto Joule por calentamiento
2

En los conductores del estator: Pcuex = 3. Rex.(Iex)

En los conductores del rotor: Pcui = 3. Ri.(Ii)
2

Pérdidas en el hierro: PFe debidas a las pérdidas por corrientes de Foucault.

Pérdidas mecánicas: Pm
RENDIMIENTO:
Parte de la energía que se aporta al motor se pierde.
ᶯ = Pu/Pab
APLICACIONES:
-
Son sencillos y robustos
Pueden arrancar a plena carga (elevado par motor)
Buen rendimiento
Se usan en instalaciones industriales de gran potencia. Se utilizan en sistemas de elevación,
como ascensores o montacargas; de transporte, como las cintas transportadoras; en sistemas de
ventilación y climatización, como las unidades de tratamiento del aire;: en las bombas y los
compresores; en trenes de alta velocidad.
CAMBIO DE SENTIDO DE GIRO:
Se consigue variando la rotación del campo magnético. Para ello se necesita cambiar la polaridad
de dos de sus fases.
EJEMPLO DE PLACAS DE MOTORES TRIFÁSICOS
Caja de bornas
Placa de
características
Análisis de la placa de características
Se trata de un motor trifásico ( 3
) de la marca SIEMENS. Mirando su catálogo podriamos saber
que este modelo corresponde a un motor de jaula de ardilla.
El motor puede tener dos tipos de frecuencia, 50 Hz y 60 Hz. Esto indica que el motor ha sido
diseñado para diferentes países, pues utiliza dos frecuencias.
Para cada frecuencia, el motor necesita unos valores de tensión diferentes, una intensidad
absorbida diferente, tiene un cosφ distinto, y da una potencia distinta.
Para la frecuencia de 50 Hz. Observamos que puede tener una conexión tanto de estrella como de
triángulo.
Las primeras tensiones, 220-240 V, corresponden a la conexión en triángulo; mientras que las
segundas
tensiones, 380-420
V,
corresponden
a
la
conexión
en
estrella.
Con la intensidad sucede exactamente lo mismo, es decir, las primeras intensidades
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corresponderán a la conexión en triángulo; y las segundas intensidades, corresponderán a la
conexión en estrella.
El factor de potencia es el mismo a diferentes conexiones y tensiones Cosφ 0.81
Para la frecuencia de 60 Hz. Solo admite un tipo de conexión, en estrella.
Pero nos indica que puede llevar dos tensiones440-480 V.
Las intensidades absorbidas, también son dos la primera corresponde a la primera tensión; y la
segunda, corresponde a la segunda tensión.
Las dos tensiones tienen el mismo factor de potencia y la misma potencia útil del motor.
PROCEDIMIENTOS DE ARRANQUE DEL MOTOR:
El reglamento REBT regula según la potencia del motor, qué motores deben estar provistos de
dispositivos de arranque que impidan intensidades de arranque muy elevadas. Limita además que la
máxima caída de tensión en la red no debe superar el 15% durante el arranque.
Se exige también contar con mecanismos que protejan de sobrecargas y sobreintensidades.
Arranque de motores trifásicos:

Arranque directo: para P< 5,5 kw
Se dice que un motor arranca en forma directa cuando a sus bornes se aplica directamente
la tensión nominal a la que debe trabajar.
La intensidad de arranque será entre 3 y 8 veces la intensidad nominal. Su principal ventaja
es el elevado par de arranque, que será entre 1 y 1,5
R
veces el par nominal.
S
El arranque directo puede ser en estrella o en triángulo.
Consiste en cerrar un contactor (generalmente asociado
a un relé).
T
F
Mientras el motor está funcionando queda protegido
contra sobrecargas por un relé térmico RT y contra
cortocircuitos por fusibles F.
KM1
RT
M
R
S
R
S
UL
UL
T
UL
UL
T
F
F
KM1
KM1
RT
RT
IL
IL
IL
IL
IL
U
U
UF
Y
UF
Z
IF
X
U
IF
W
Z
V
IL
UF
Arranque directo en estrella
W
Y
X
V
IF
Arranque directo en triángulo
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 Arranque estrella / triángulo: para P> 5,5 kw
Para motores de alta potencia y preparados para conexión en triángulo, se utiliza un
arranque transitorio en estrella.
Este método se basa en disminuir la tensión aplicada al estator y así se consigue disminuir
la corriente absorbida de la línea y el par.
En este arranque se conecta el motor en estrella sobre una red donde debe de conectare en
triángulo. De esta forma durante el arranque los devanados del estator están a una
tensión
veces inferior a la nominal.
En el arranque los devanados del estator tendrán una tensión Uf = UL/
R
3
UL
S
UL
T
F
Triángulo
KM1
KM2
Estrella
KM3
RT
U
V
W
X
Y
Z
Se arranca el motor en estrella a tensión reducida Uf = UL/ 3 (220 V) (contactores KM1 y
KM3 cerrados, KM2 abierto). Una vez que el motor alcanza el 80% de su velocidad nominal
se desconecta la conexión en estrella y se conecta en triángulo (380 V) (contactor KM3
abierto y se cierra KM1 y KM2).
La tensión durante el arranque se reduce 1,73 veces (
reduce 3 veces la intensidad nominal.

3 ). La intensidad de arranque se
Arranque con autotransformador:
Se utiliza un transformador de arranque que permite reducir la tensión durante el arranque e
ir aumentando la tensión de forma escalonada. Al acelerar el motor se va aumentando la
tensión.

Arranque con resistencias variables:
Se intercalan reóstatos o resistencias variables con la velocidad, en cada fase del motor. Al
aumentar la velocidad del motor, disminuye el valor de la resistencia hasta desaparecer.

Arranque electrónico:
Se utilizan tiristores que permiten aplicar un aumento progresivo de tensión.

Arranque de motores con rotor en bobinado:
Se arrancan intercalando varios grupos de resistencias en el circuito del rotor. El motor
arranca con todas las resistencias y a medida que el motor adquiere revoluciones se
eliminan grupos de resistencias hasta alcanzar la velocidad nominal.
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3.- Motores de CA monofásicos
Se utilizan para aplicaciones de muy baja potencia (de hasta 1CV),
electrodomésticos y pequeñas máquinas-herramientas.
Este tipo de motor es similar al trifásico con rotor de jaula de
ardilla, con la diferencia que su estator está constituido por una
sola bobina por lo que el campo magnético que se produce no es
giratorio. Esto hace que no sean capaces de ponerse en
funcionamiento sólos, necesitando un bobinado auxiliar para
empezar a girar.
Para invertir el sentido de giro únicamente es necesario invertir
las terminales del devanado auxiliar de arranque, esto se puede realizar manualmente o con relés
conmutadores
POTENCIA EN CA MONOFASICA:

Potencia activa: P = U.I.cos φ (w) = S cos φ

Potencia reactiva: Q =U.I.sen φ (VAr) =S sen φ

Potencia aparente: S = U.I (VA)
4.- Motores universales
Pueden conectarse a CC o CA monofásica. Su constitución es similar a un motor serie de CC.
Tienen elevado par de arranque, por lo que pueden
conectarse a plena carga.
Su velocidad de giro se adapta a la carga.
Se utilizan en pequeñas máquinas-herramientas
(taladros portátiles, etc.) y en electrodomésticos de
tamaño medio.
Una variante de este tipo de motores es el motor
universal con imán permanente. En lugar de
bobinas inductoras lleva un imán permanente que
es el encargado de crear el campo magnético
necesario.
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5.- Ejercicios:
-
Ejercicio 1:
Un motor trifásico con 8 polos por fase tiene un deslizamiento del 5 %. La frecuencia de la linea
eléctrica es de 50 Hz. Calcula:
a) Velocidad de giro del campo magnético o velocidad síncrona
b) Velocidad de giro del rotor
-
Ejercicio 2:
Un motor trifásico de 60 kW de potencia útil tiene una tensión de trabajo de 230 / 400 V, un factor de
potencia de 0,8 y un rendimiento del 90%. Se conecta a una red de 230 V. Calcula:
a) Intensidad de corriente que absorbe de la red
b) Intensidad de corriente que circula por el estator del motor
c) Pérdidas de potencia
-
Ejercicio 3:
Un motor trifásico se conecta en estrella a una tensión de 380 V y consume una corriente de 20 A,
con un factor de potencia de 0,75. Las pérdidas en el hierro son de 150 W; las pérdidas mecánicas
son de 50 W y las pérdidas en el cobre son de 200 W. La resistencia del inductor es de 0,2 Ω.
Calcula:
a) Potencia absorbida
b) Potencia útil
c) Rendimiento
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PAU Junio 2009/2010
Un motor eléctrico trifásico de 120 kW de potencia útil y rendimiento del 81% se conecta a una
tensión de línea de 420 V. Sabiendo que su factor de potencia es 0,91 y el bobinado se encuentra
conectado en estrella, calcule:
a) Potencia activa.
b) Potencia aparente
c) Potencia reactiva.
d) Intensidad de línea.
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PAU Septiembre 2003/2004
Un motor trifásico de 67 kW de potencia útil y rendimiento del 72% se conecta a una tensión de línea
de 380 V. Sabiendo que su factor de potencia es 0,9 y el bobinado se encuentra conectado en
estrella en su placa de bornes, calcule:
a) Potencia activa.
b) Potencia aparente
c) Potencia reactiva.
d) Intensidad de fase.
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