Motores de CA monofásicos y trifásicos
El motor asincrónico trifásico es el caballo de tiro de toda la industria: un estator con tres bobinados, un rotor de aluminio fundido y nada más. Sin escobillas, sin colector, sin electrónica. Entender por qué gira es entender el campo giratorio.
01El campo giratorio
Tres bobinados dispuestos a 120° en el estator, alimentados por las tres tensiones de un sistema trifásico, producen un campo magnético cuya dirección gira a velocidad constante, aunque nada se mueva. Ese es el hallazgo de Tesla y la base de todo el eje.
El campo giratorio corta las barras del rotor e induce en ellas corrientes (ley de Faraday). Esas corrientes, dentro del mismo campo, producen una fuerza (ley de Laplace) que arrastra al rotor.
Pero si el rotor alcanzara la velocidad del campo, dejaría de haber movimiento relativo, no se induciría nada y desaparecería la fuerza. Por eso siempre gira un poco más lento: esa diferencia es el deslizamiento, y es lo que le da nombre al motor asincrónico.
| Polos | Velocidad sincrónica a 50 Hz | Velocidad real típica | Uso habitual |
|---|---|---|---|
| 2 | 3000 rpm | 2850 a 2900 rpm | Bombas, compresores, amoladoras |
| 4 | 1500 rpm | 1420 a 1450 rpm | El más común: máquinas herramienta, ventiladores |
| 6 | 1000 rpm | 940 a 960 rpm | Cintas transportadoras, mezcladoras |
| 8 | 750 rpm | 700 a 720 rpm | Cargas lentas de mucho par |
Un motor de 4 polos a 50 Hz que gira a 1440 rpm con carga nominal:
- ns = 120 × 50/4 = 1500 rpm
- s = (1500 − 1440)/1500 = 0,04 = 4 %
- Si el motor es de 5,5 kW, su par nominal es T = 9550 · P(kW)/n = 9550 × 5,5/1440 = 36,5 N·m
El deslizamiento crece con la carga: en vacío es de menos del 1 % y a plena carga anda entre 3 y 6 %. Medir la velocidad con un tacómetro es, por eso, una manera rápida de estimar cuán cargado está un motor.
02La chapa de características y la conexión
Todo lo que hace falta para conectar y proteger un motor está en su chapa. Leerla bien evita la mayoría de los errores del taller.
| Dato de la chapa | Qué significa |
|---|---|
| 380/660 V — Δ/Y | Que en una red de 380 V se conecta en triángulo, y en una de 660 V, en estrella. Es el caso más común en Argentina. |
| 220/380 V — Δ/Y | En 380 V va en estrella. Si se lo conectara en triángulo, cada bobinado recibiría 380 V en vez de 220 y se quemaría. |
| kW o HP | Potencia mecánica en el eje, no la que consume. 1 HP = 736 W. |
| A | Corriente nominal a plena carga. Es el valor con el que se regula el relé térmico. |
| cos φ | Factor de potencia a plena carga; en vacío es mucho peor (potencia en CA). |
| rpm | Velocidad a plena carga: de ahí se deducen los polos y el deslizamiento. |
| IP 55, clase F | Grado de protección contra polvo y agua, y clase térmica del aislamiento. |
| S1, S3 40 % | Servicio: continuo o intermitente con su ciclo de trabajo. |
Los tres bobinados salen a una bornera con seis bornes: U1-V1-W1 (principios) y U2-V2-W2 (finales), dispuestos de modo que la conexión se hace con tres puentes:
- Estrella: se unen entre sí U2, V2 y W2 con dos puentes horizontales, y la red entra por U1, V1, W1.
- Triángulo: tres puentes verticales u oblicuos unen U1-W2, V1-U2 y W1-V2, y la red entra por los mismos tres bornes.
La disposición física de la bornera está pensada para que las dos conexiones se hagan con las mismas tres planchuelas, cambiándolas de posición. Ese detalle es lo que hace posible el arranque estrella-triángulo con contactores.
03El problema del arranque
En el instante de arrancar, el rotor está quieto: el deslizamiento es del 100 %, el motor se comporta casi como un transformador en cortocircuito y toma de 6 a 8 veces su corriente nominal durante algunos segundos. Eso provoca caídas de tensión en toda la instalación —las luces parpadean— y esfuerzos mecánicos bruscos.
| Método | Corriente de arranque | Par de arranque | Cuándo se usa |
|---|---|---|---|
| Directo | 6 a 8 · In | 100 % | Motores chicos (hasta unos 5,5 kW) o cargas que exigen todo el par desde el arranque. |
| Estrella-triángulo | 2 a 2,7 · In | 33 % | Motores medianos que arrancan en vacío o con poca carga: bombas centrífugas, ventiladores, compresores con descarga. |
| Arrancador suave | Ajustable, 2 a 4 · In | Ajustable | Cintas y bombas donde importa evitar el golpe mecánico y el golpe de ariete. |
| Variador de frecuencia | ≈ 1,5 · In | Hasta 150 % | Cuando además hace falta regular la velocidad. Es hoy la solución más difundida. |
| Autotransformador | Según la derivación | Proporcional | Motores grandes; poco usado desde que existen los electrónicos. |
Es el límite del arranque estrella-triángulo y la causa de la mayoría de los problemas: si la carga exige más del 33 % del par nominal, el motor no acelera en estrella, se queda a media velocidad, y al conmutar a triángulo la corriente vuelve a subir como en un arranque directo. Por eso este método sirve para cargas que arrancan livianas, y por eso la conmutación se hace cuando el motor ya llegó a un 80 o 90 % de su velocidad.
- Potencia: guardamotor o fusibles + relé térmico, y los tres contactores KM1 (red), KM2 (triángulo) y KM3 (estrella). KM3 une los tres finales de bobinado entre sí.
- Mando: pulsadores de marcha y paro con retención, un temporizador que decide cuándo conmutar, y el enclavamiento entre KM2 y KM3, que nunca pueden cerrar juntos: sería un cortocircuito franco entre fases.
- El temporizador incluye una pausa de algunas decenas de milisegundos entre abrir KM3 y cerrar KM2, para dar tiempo a que se extinga el arco.
Los componentes de estos circuitos se desarrollan en instalaciones eléctricas.
Motor de 7,5 kW, 380 V, cos φ 0,85, rendimiento 0,88 → corriente nominal 15,2 A.
- Arranque directo: 6,5 × 15,2 ≈ 99 A durante 2 a 5 segundos.
- Arranque estrella-triángulo: un tercio, unos 33 A.
- La protección se elige en consecuencia: con arranque directo, curva D; con estrella-triángulo alcanza una curva C.
04Inversión de marcha
Basta con intercambiar dos fases cualesquiera para invertir la secuencia y con ella el sentido del campo giratorio. En un tablero eso se hace con dos contactores cuyas salidas están cruzadas.
Si los dos contactores llegaran a cerrar a la vez, dos fases quedarían unidas: cortocircuito franco. Por eso se usan dos enclavamientos superpuestos:
- Eléctrico: el contacto NC de cada contactor va en serie con la bobina del otro.
- Mecánico: una pieza física entre los dos contactores impide que ambos cierren, aunque alguien se equivoque en el cableado.
Además, la inversión nunca debe hacerse con el motor girando a plena velocidad sin pasar por el paro: el frenado por contracorriente produce corrientes mayores que las de arranque.
05Motores monofásicos
Con una sola fase no hay campo giratorio sino un campo alternativo, que no arranca solo: empuja hacia un lado y hacia el otro por igual. Todos los motores monofásicos son, en el fondo, la misma solución a ese problema: crear artificialmente una segunda fase desplazada.
| Tipo | Cómo consigue el desfasaje | Dónde se lo encuentra |
|---|---|---|
| Fase partida | Un bobinado auxiliar de menos espiras y más resistencia, desconectado por un interruptor centrífugo al 75 % de la velocidad | Bombas chicas, lavarropas antiguos. Par de arranque modesto. |
| Capacitor de arranque | Un capacitor electrolítico grande (100 a 300 µF) en serie con el auxiliar, que sale de servicio al arrancar | Compresores, bombas de pozo. Buen par de arranque. |
| Capacitor permanente | Un capacitor chico (4 a 16 µF) de polipropileno que queda conectado siempre | Ventiladores de techo, extractores. Marcha suave y silenciosa, poco par de arranque. |
| Dos capacitores | Uno de arranque y uno permanente | Lo mejor de los dos: aire acondicionado, compresores. |
| Espira de sombra | Una espira en cortocircuito en parte del polo, que retrasa el flujo en esa zona | Motores muy chicos: ventiladores de microondas, bombas de desagote. Barato y de bajo rendimiento. |
| Universal (con colector) | No es asincrónico: funciona con alterna y continua | Amoladoras, taladros, licuadoras. Mucha velocidad y potencia por tamaño, pero con escobillas que se gastan. |
El de arranque es electrolítico, de gran capacidad y para servicio intermitente: si queda conectado en régimen, explota. El permanente es de polipropileno, de capacidad chica y está diseñado para trabajar en alterna todo el tiempo. Reemplazar uno por otro es una falla frecuente en reparaciones, y siempre termina mal.
También son la causa más común de que un motor monofásico zumbe y no arranque: capacitor abierto o interruptor centrífugo sucio. Se reconoce fácil, porque el motor arranca si se lo ayuda girándolo a mano —y eso, además, es peligroso.
06Protección y fallas típicas
Un motor trifásico al que le falta una fase sigue girando si ya estaba en marcha, pero las dos fases restantes toman una corriente enorme y el motor se quema en minutos. Si estaba detenido, no arranca: sólo zumba. El relé térmico —que es sensible al desequilibrio— y los relés específicos de falta de fase existen para eso.
La corriente se queda en el valor de arranque indefinidamente. La protección tiene que actuar en segundos: de ahí las clases de disparo del relé térmico (clase 10, 20, 30, según cuántos segundos tolera la corriente de arranque).
Rodamientos secos, correa demasiado tensa, carga excesiva. El motor toma más corriente, se calienta y el térmico corta. Antes de rearmar hay que buscar la causa mecánica.
Se mide con megóhmetro entre bobinados y masa: por debajo de 1 MΩ el motor está en camino de fallar. La humedad y el polvo conductor son las causas habituales, y por eso los motores que estuvieron guardados se secan antes de ponerlos en servicio.
07En el laboratorio
Con varios motores del taller, leer las chapas y decidir en cada caso si en 380 V va en estrella o en triángulo. Verificar la continuidad de los tres bobinados con el óhmetro y armar los puentes de la bornera. Antes de energizar, comprobar con el megóhmetro la aislación contra masa.
Medir con tacómetro la velocidad en vacío y con carga (freno de fricción o generador cargando lámparas). Calcular el deslizamiento en cada caso y graficar velocidad contra carga. Medir al mismo tiempo la corriente: se ve cómo suben juntas.
Con una pinza amperométrica con función MAX o inrush, medir el pico de arranque directo y compararlo con la corriente nominal de la chapa. Después repetir con arranque estrella-triángulo y comprobar la reducción a un tercio.
Cablear el circuito completo con tres contactores, temporizador, relé térmico y pulsadores. Probar primero sin el motor, verificando la secuencia y el enclavamiento con lámparas de señalización. Recién con la secuencia comprobada, conectar el motor. Medir el tiempo de conmutación y ajustarlo según la carga.
Sobre un motor de capacitor permanente, medir la capacidad con el capacímetro y compararla con lo que dice el motor. Después desconectar el capacitor y comprobar que el motor zumba sin arrancar. Volver a conectarlo e invertir las conexiones del bobinado auxiliar: el motor gira al revés. Es la forma de invertir el giro de un monofásico.
08Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| El motor zumba pero no arranca (trifásico) | Falta una fase: fusible quemado, contacto flojo o un polo del contactor pegado. |
| El motor zumba pero no arranca (monofásico) | Capacitor de arranque abierto o interruptor centrífugo sucio o trabado. |
| Arranca con dificultad y salta el térmico | Conectado en estrella una carga que exige par: en estrella el par es un tercio. O carga mecánica excesiva. |
| Se quemó al conectarlo | Conexión equivocada: un motor 220/380 conectado en triángulo a 380 V recibe √3 veces la tensión que corresponde. |
| Gira al revés | Secuencia de fases invertida. Se intercambian dos conductores cualesquiera. |
| La velocidad es menor que la de la chapa | Es normal: la chapa indica la velocidad con carga, ya con deslizamiento. Si es mucho menor, está sobrecargado. |
| Al conmutar a triángulo salta la protección | Conmutación prematura: el motor todavía estaba lento. Alargar el tiempo del temporizador. |
| Se calienta aunque la corriente sea normal | Ventilación obstruida, temperatura ambiente alta, o servicio intermitente usado como continuo. |
| El variador dispara por sobrecorriente al arrancar | Rampa de aceleración demasiado corta para la inercia de la carga. |
09Autoevaluación
¿Cuál es la velocidad sincrónica de un motor de 6 polos a 50 Hz?
ns = 120 × 50/6 = 1000 rpm. Su velocidad real con carga estará alrededor de 950 rpm.
Un motor de 4 polos gira a 1455 rpm: ¿cuál es su deslizamiento?
ns = 1500 rpm; s = (1500 − 1455)/1500 = 0,03 = 3 %.
¿Por qué un motor asincrónico nunca alcanza la velocidad del campo?
Porque si la alcanzara no habría movimiento relativo entre el campo y las barras del rotor: no se inducirían corrientes y desaparecería la fuerza. El motor necesita quedarse atrás para producir par.
Un motor dice «380/660 V — Δ/Y». ¿Cómo se conecta en una red argentina?
En triángulo, porque la red es de 380 V entre fases. La conexión estrella de ese motor está prevista para redes de 660 V, y también es la que se usa transitoriamente durante el arranque estrella-triángulo.
¿Por qué el arranque estrella-triángulo reduce la corriente a un tercio?
Porque en estrella cada bobinado recibe la tensión de línea dividida por √3, lo que reduce su corriente en ese factor, y además la corriente de línea es igual a la de fase. El efecto combinado es un factor 3 en la corriente de línea. El par, que va con el cuadrado de la tensión, también cae a un tercio.
¿En qué casos no sirve el arranque estrella-triángulo?
Cuando la carga exige más del 33 % del par nominal para arrancar: el motor no acelera en estrella y al conmutar produce un pico igual al de un arranque directo. Tampoco sirve si el motor no tiene los seis bornes accesibles.
¿Qué corriente de arranque directo cabe esperar de un motor de 10 A nominales?
Entre 60 y 80 A durante unos segundos. Por eso la protección magnética debe ser de curva C o D: una curva B dispararía en cada arranque.
¿Por qué un motor monofásico no arranca solo?
Porque con un solo bobinado el campo es alternativo y no giratorio: empuja por igual en los dos sentidos. Hace falta un segundo bobinado con la corriente desfasada —por resistencia, por capacitor o por espira de sombra— para crear un campo que gire.
¿Qué pasa si a un motor trifásico en marcha se le corta una fase?
Sigue girando con menos par, pero las dos fases restantes toman una corriente muy superior a la nominal y el bobinado se quema en pocos minutos. Detenido, no arranca: sólo zumba. Por eso el relé térmico es sensible al desequilibrio entre fases.
¿Cómo se invierte el giro de un motor monofásico de capacitor?
Invirtiendo las conexiones del bobinado auxiliar respecto del principal (no las de la alimentación, que no cambiaría nada). En un trifásico, en cambio, alcanza con intercambiar dos fases.