Los
motores eléctricos convierten la energía eléctrica
en energía mecánica y se encuentran en todas partes:
en las locomotoras del ferrocarril, el compresor del frigorífico
o el mecanismo de arrastre del reproductor de vídeo. Se pueden
construir en todos los tamaños imaginables, y son mucho más
adaptables, silenciosos y menos contaminantes que los motores de
vapor o de explosión, gasolina o diesel.
Comenzamos
mirando el diseño global de un motor eléctrico DC
simple de 2 polos. Un motor simple tiene 6 partes:
•
Una armadura o rotor.
• Un conmutador.
• Cepillos.
• Un eje.
• Un imán de campo.
• Una fuente de poder DC de algún tipo.
Un
motor eléctrico está compuesto de imanes: estos los
usan para crear movimiento. Si conoces un imán, conoce acerca
de la ley fundamental de todos los imanes: Cargas opuestas se atraen
e iguales se repelen. Así que si tiene dos imanes con sus
extremos como norte y sur, entonces el extremo norte se atraerá
con el sur. De otro lado, el extremo norte del imán repelerá
el extremo norte del otro (y similarmente el sur repelerá
el sur). Dentro de un motor eléctrico esas fuerzas atractoras
y repulsoras crean movimiento rotacional.
En el diagrama se puede observar 2 imanes en el motor: la armadura
(o rotor) es un electroimán, mientras el imán de campo
es un imán permanente (el imán de campo puede ser
un electroimán también, pero en los motores más
pequeños no ahorra energía).
IMANES
Y MOTORES
Para
entender cómo funciona un motor eléctrico, la clave
es entender cómo funciona un electroimán.
Un
electroimán es la base de un motor eléctrico. Puede
entender cómo funciona un motor si se imagina el siguiente
escenario. Digamos que usted creó un electroimán simple
envolviendo 100 veces un alambre alrededor de un tornillo y conectándolo
a una batería. En tornillo se convertirá en un imán
accionado por correinte eléctrica y tendrá un polo
norte y un polo sur mientras la batería esté conectada.
Ahora digamos que usted toma el tornillo electroimán, coloca
un eje en la mitad, y lo suspende en la mitad de la herradura del
electroimán como se muestra en la figura siguiente. Si usted
fuera a atar una batería al imán de tal forma que
el extremo norte del tornillo que se muestra, la ley básica
del magnetismo le dirá que pasará; el polo norte del
electroimán será repelido del extremo norte de la
herradura del electroimán y atraída al extremo sur
de la herradura del electroimán. El extremo sur del electroimán
será repelido de forma similar. El tornillo se movería
una media vuelta y se colocaría en la posición mostrada.
Puede
ver que este movimiento de media-vuelta es simple y obvio porque
naturalmente los imanes se atraen y repelen uno al otro. La clave
para un motor eléctrico es entonces ir al paso uno, así
que, al momento en que ese movimiento de media vuelta se complete,
el campo del electroimán cambie. El cambio hace que el electroimán
haga otra media vuelta. Usted cambia el campo magnético simplemente
cambiando la dirección del flujo de electrones en el alambre
(se logra esto moviendo la batería). Si el campo del electroimán
cambia justo en el momento de cada media vuelta, el motor eléctrico
girará libremente.
La
armadura toma el lugar del tornillo en un motor eléctrico.
La armadura es un electroimán que se hace enrollando alambre
delgado alrededor de 2 o más polos de un centro de metal.
La armadura tiene un eje, y el conmutador está atado al eje.
En el diagrama inmediato superior se pueden ver tres diferentes
vistas de la misma armadura: frente, lado y extremo. En la vista
de extremo el enrollado de alambre es eliminado para hacer el conmutador
más obvio. Puede ver que el conmutador es un simple par de
platos atados al eje. Esos platos dan las dos conexiones para el
rollo del electroimán.
La
parte del "cambio del campo eléctrico" de un motor
es complementada por dos cosas: el conmutador y los cepillos. El
diagrama inmediato superior muestra cómo el conmutador y
los cepillos trabajan juntos para dejar que el actual flujo de electrones
vaya al electroimán, y también cambien la dirección
de los electrones que corren en ese momento. Los contactos del conmutador
están atados al eje del electroimán, así que
cambian con el imán. Los cepillos son sólo dos pedazos
de metal elástico o carbón que hace contacto con el
conmutador.
Cuando
se juntan todas esas partes, lo que se obtiene es un motor eléctrico
completo:
En
esta figura, el bobinado de la armadura no se ha tenido en cuenta
así que es fácil ver al conmutador en acción.
De lo que hay que darse cuenta es que la armadura pasa a través
de la posición horizontal, los polos del cambio del electroimán.
Debido al cambio, el polo norte del electroimán está
siempre sobre el eje para que pueda repeler el polo norte del imán
del campo y atraer el imán del campo del polo sur.
Si
alguna vez tiene la oportunidad de desmontar un pequeño motor
eléctrico encontrará que contiene las mismas partes
descritas arriba: dos pequeños imanes permanentes, un conmutador,
dos cepillos y un electroimán hecho por un enrolle de cable
alrededor del metal. Casi siempre, el rotor tendrá tres polos
en lugar de dos tal como se muestra en este artículo. Hay
dos buenas razones para que un motor tenga tres polos:
1.
Esto hace que el motor sea más dinámico. En un motor
de dos polos, si el electroimán está balanceado, perfectamente
horizontal entre los dos polos del imán del campo cuando
el motor arranca, usted puede pensar que la armadura se quede "pegada"
ahí. Esto nunca ocurre en un motor de tres polos.
2. Cada vez que el conmutador toque el punto donde cambia el campo
a un motor de dos polos, el conmutador enchufa la batería
(conecta directamente las terminales positivas y negativas) por
un momento. Este enchufe hace que se gaste la energía de
la batería innecesariamente. Un motor de tres polos arregla
el problema.
Es
posible tener cualquier número de polos, dependiendo del
tamaño del motor y la aplicación específica
en que se esté utilizando.
Fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.) en los motores de corriente continua
Vimos con cierto detalle los principios de los motores de corriente continua, pero no se tuvo en cuenta el efecto de autoinducción que se produce en las bobinas que hay arrolladas en la armadura (por supuesto, la armadura de hierro debe ser laminada, igual que el núcleo de los transformadores, para reducir las corrientes de Foucault). Cuanto más rápidamente gira el motor, más grande es la f.e.m. inducida en las propias bobinas, y más se opone a la f.e.m. que hace girar el motor (de ahí su denominación de fuerza contraelectromotriz). Por ejemplo, un motor diseñado para funcionar con una alimentación de 50 V, puede tener una f.c.e.m. de hasta 47 V cuando funciona a su velocidad nominal. Con una resistencia de 1n en la bobina, la corriente que se produce es de 3 A en el caso anterior, pues la tensión resultante es de 3 V.
Sin embargo, cuando se conecta el motor, arranca partiendo de velocidad nula y no hay f.c.e.m., por lo cual las bobinas soportan una tensión de 50 V, produciéndose una corriente de hasta 50 A. Lo que se necesita para resolver el problema es una resistencia que varíe su valor en función de la velocidad que tenga el motor. En la figura siguiente se muestra una forma para realizar esto.
Figura - Sistema de arranque de un motor de corriente continua por medio de una resistencia variable.
Obsérvese que se utiliza un electroimán para mover el brazo hasta la posición deseada y un muelle para que el brazo vuelva a su posición inicial cuando se desconecta el motor. Este tipo de circuito de control electromecánico sirve para ilustrar la idea de utilizar una resistencia que disminuya su valor progresivamente según va aumentando la velocidad del motor. Este mismo efecto se puede conseguir utilizando sistemas de control electrónicos, que no tienen partes móviles y que no requieren mantenimiento.
ARRANQUE
DE MOTORES.-
Se
denomina arranque de un motor al régimen transitorio en el
que se eleva la velocidad del mismo desde el estado de motor detenido
hasta el de motor girando a la velocidad de régimen permanente.
El
conjunto que se pone en marcha es inercial y disipativo, incluyendo
en este último concepto a las cargas útiles, pues
consumen energía.
El
estudio del arranque de los motores tiene una gran importancia práctica,
ya que la elección correcta de las características
de los motores eléctricos y arrancadores a instalar están
basados en el conocimiento de las particularidades de éste
régimen transitorio.
Recordemos
que el comportamiento dinámico del conjunto motor-maquina
accionada está regido por la siguiente ecuación diferencial:
Donde Tm es el par motor, Tr el par
resistente, J es el momento de inercia del conjunto
motor-maquina accionada y ω es la velocidad
angular de dicho conjunto.
Por lo tanto, para que el conjunto comience a girar se necesita
que el par motor supere al par resistente, de manera de generar
una aceleración angular de arranque. El proceso de arranque
finaliza cuando se equilibra el par motor con el par resistente,
estabilizándose la velocidad de giro del motor.
Como la cupla motora es el producto de la corriente absorbida por
el flujo del campo magnético, además de un factor
que caracteriza al tipo de máquina, este mayor par de arranque
generalmente está asociado a una mayor corriente de arranque,
la que no debe superar determinado límite por el calentamiento
de los conductores involucrados.
Aunque se suele enfocar el diseño de estos sistemas de arranque
en atención a las corrientes y cuplas involucradas, no deben
dejarse de lado otros aspectos que también resultan importantes,
como por ejemplo el consumo de energía disipada en forma
de calor y las perturbaciones sobre la red de baja tensión.
Estas perturbaciones incluyen principalmente las caídas de
tensión (muy notables en los elementos de iluminación),
que pueden afectar el funcionamiento de otros elementos conectados
a la misma, lo que resulta crítico en las instalaciones con
muchos motores que realizan frecuentes arranques.
Por otro lado, los dispositivos de arranque pueden ser de operación
manual o por contactores. Estos últimos permiten efectuar
el mando a distancia del motor con cables de secciones pequeñas
(sólo se requiere la corriente necesaria para la bobina del
contactor), lo que facilita el accionamiento y diseño del
dispositivo de control por trabajar con intensidades reducidas.
De
forma general los motores eléctricos se clasifican en :
