Motores eléctricos de corriente alterna

La figura muestra el estator de un motor trifásico con sus tres bobinas dispuestas a $120^\circ$. a) Explica qué tipo de corriente llega a cada bobina (tres corrientes desfasadas $120^\circ$ entre sí). b) Explica qué representa la flecha central y por qué gira (campo magnético giratorio). c) Indica a qué velocidad gira ese campo si la red es de $50\ \text{Hz}$ y el motor tiene dos polos.

Explica qué es un motor monofásico y dónde se usa (lavadora, ventilador, taladro, frigorífico): por qué el campo de una sola bobina alimentada en monofásica es pulsante y no giratorio, por qué el motor no arranca solo y qué elemento (condensador de arranque o espira en cortocircuito) resuelve el problema.

La velocidad de sincronismo del campo giratorio es $n_s = \frac{60 \cdot f}{p}$, donde $f$ es la frecuencia de la red y $p$ el número de pares de polos. Calcula la velocidad de sincronismo a $50\ \text{Hz}$ para motores de $2$, $4$ y $6$ polos, y explica por qué los fabricantes ofrecen esas velocidades «redondas» ($3\,000$, $1\,500$, $1\,000\ \text{rpm}$).

Calcula la velocidad de sincronismo de motores de $2$, $4$ y $6$ polos conectados a una red de $50\ \text{Hz}$, y la de un motor de $4$ polos conectado a una red americana de $60\ \text{Hz}$. Comenta qué implicación tiene para una máquina diseñada para $50\ \text{Hz}$ trabajar en una red de $60\ \text{Hz}$ (velocidad un $20\,\%$ mayor).

Explica paso a paso por qué gira el rotor de un motor asíncrono: qué campo atraviesa la jaula de ardilla, qué corrientes se inducen en ella y qué fuerzas aparecen sobre sus barras. Razona por qué se llama «asíncrono» (el rotor nunca alcanza la velocidad del campo) y qué le ocurriría al par si lo alcanzara.

Define el deslizamiento de un motor asíncrono, $s = \frac{n_s - n}{n_s}$, explicando qué es cada velocidad. Indica cuánto vale el deslizamiento en el instante del arranque ($n = 0$) y razona por qué en ese instante las corrientes inducidas en el rotor son máximas.

Un motor asíncrono de cuatro polos conectado a $50\ \text{Hz}$ gira en carga a $1\,440\ \text{rpm}$. a) Calcula su velocidad de sincronismo. b) Calcula su deslizamiento en valor unitario y en porcentaje. c) Explica qué le ocurre al deslizamiento si se aumenta la carga mecánica del eje y cómo responde el motor (más corriente inducida, más par).

Un motor de cuatro polos a $50\ \text{Hz}$ entrega una potencia útil de $1{,}5\ \text{kW}$ con un deslizamiento del $4\,\%$. a) Calcula su velocidad de giro. b) Calcula su velocidad angular. c) Calcula el par que entrega en el eje, $M = \frac{P}{\omega}$, y exprésalo en $\text{N}\cdot\text{m}$.

Un motor absorbe de la red $2{,}2\ \text{kW}$ y entrega en su eje $1{,}9\ \text{kW}$. a) Calcula su rendimiento. b) Calcula la potencia perdida y repártela cualitativamente entre pérdidas en el cobre del estator y del rotor, pérdidas en el hierro y pérdidas mecánicas (rozamiento y ventilación). c) Razona por qué un motor se calienta más cuanto más cargado trabaja.

Un motor asíncrono de cuatro polos, conectado a $50\ \text{Hz}$, trabaja con un deslizamiento del $5\,\%$ y entrega $3\ \text{kW}$ de potencia útil. a) Calcula la velocidad de sincronismo y la velocidad real del eje. b) Calcula la velocidad angular en $\text{rad/s}$. c) Calcula el par motor disponible. d) Razona cómo variarían el par y la velocidad si la carga exigiera más esfuerzo, manteniéndose el motor en su zona de trabajo estable.

Explica cómo un variador de frecuencia controla la velocidad de un motor asíncrono: de qué depende la velocidad de sincronismo ($n_s = \frac{60 \cdot f}{p}$), qué hace el variador con la tensión y la frecuencia (mantener el cociente $\frac{V}{f}$ para no saturar el hierro) y qué dos ventajas aporta frente al arranque directo (arranque suave sin pico de corriente y ahorro energético en bombas y ventiladores, cuya potencia crece con el cubo de la velocidad).

Un motor monofásico sin condensador de arranque no arranca al conectarlo, pero si se le lanza el eje a mano sigue girando. Analiza este comportamiento: el campo pulsante equivale a dos campos giratorios iguales y opuestos cuyos pares se anulan en reposo, pero no en movimiento. Explica cómo el condensador en serie con una bobina auxiliar desfasa su corriente unos $90^\circ$ creando un campo giratorio imperfecto pero suficiente para arrancar.

Explica cómo se invierte el sentido de giro de un motor asíncrono trifásico (intercambiando dos cualesquiera de sus tres fases) y justifícalo con el campo magnético giratorio: qué cambia en la secuencia con que se alimentan las bobinas. ¿Funcionaría el mismo truco en un motor monofásico? Razona la respuesta.