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Tipos de motores eléctricos. Motores de corriente alterna. Motor de inducción. Motor sincrónico. Motores de corriente continua. Motores derivación. Motores arrollados en serie. Bobinados. Motor de devanado compuesto. Motor por pasos. Motor de corriente continua de imán permanente.
TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS
El motor de corriente continua (DC) es una de las primeras máquinas ideadas para convertir energía eléctrica en energía mecánica. Su origen se puede remontar a las máquinas concebidas y probadas por Michael Faraday, el experimentador que formuló los conceptos fundamentales del electromagnetismo. Estos conceptos dicen básicamente que si un conductor, o un cable, que lleve corriente eléctrica se coloca en un campo magnético, una fuerza actuará sobre ella. La magnitud de esta fuerza es una función de la fuerza del campo magnético, la cantidad de corriente eléctrica que pasa a través del conductor y la orientación del imán y conductor. La dirección en la cual esta fuerza actuará es dependiente de la dirección de la corriente y de la dirección del campo magnético.
Fig. 1 - Concepto de electromagnetismo
El diseño del motor eléctrico se basa en la colocación de los conductores (alambres) en un campo magnético. Una bobina tiene muchos conductores, o vueltas de alambre, y la contribución de cada vuelta individual suma a la intensidad de la interacción. La fuerza se desarrollada por una bobina es dependiente de la corriente que pasa por la bobina y la fuerza del campo magnético. Si más corriente pasa por la bobina, entonces más fuerza (esfuerzo de torsión) se obtiene. En efecto, dos campos magnéticos interactuando producen movimiento: el campo magnético del rotor y el campo magnético del estator se atraen mutuamente. Ésto se convierte en la base del diseño del motor de corriente alterna (CA) y el de corriente continua (CC).
MOTORES DE CORIENTE ALTERNA (CA)
La mayor parte de las aplicaciones a motor del mundo son impulsados por los motores de CA. Los motores de CA son dispositivos de velocidad relativamente constantes. La velocidad de un motor de CA está determinada por la frecuencia del voltaje aplicado (y el número de polos magnéticos). Hay básicamente dos tipos de motores de CA: de inducción y sincrónicos.
MOTOR DE INDUCCIÓN.
Si el motor de inducción se ve como tipo de transformador, se vuelve mas fácil de entender. Aplicando un voltaje sobre el primario de la bobina del transformador, una circulación de corriente resulta e induce corriente en la bobina secundaria. El primario es el montaje de estator y el secundario es el montaje del rotor. Un campo magnético se establece en el estator y un segundo campo magnético se induce en el rotor. La interacción de estos dos campos magnéticos produce el movimiento. La velocidad del campo magnético que circunda el estator determinará la velocidad del rotor. El rotor intentará seguir el campo magnético del estator, pero sufrirá un “deslizamiento” cuando se coloque una carga. Por lo tanto los motores de inducción giran siempre más lentos que el campo de rotación del estator.
Fig. 2 - Motor de inducción
La construcción típica de un motor de inducción consiste en 1) un estator con laminaciones y espiras de alambre de cobre y 2) un rotor, construido de laminaciones de acero con grandes ranuras en la periferia, apiladas juntas para formar un rotor “jaula de ardilla”. Las ranuras del rotor están llenas de material conductor (cobre o aluminio) y están cortocircuitadas sobre sí mismas por las partes extremas conductoras. Esta “pieza única” moldeada incluye generalmente aspas de ventilador integrales para hacer circular el aire con fines de enfriamiento.
Fig. 3 - Vista en corte de un motor de inducción
El motor de inducción estándar se hace funcionar a velocidad “constante” a partir de las frecuencias de línea de alimentación estándar. Recientemente, con la demanda cada vez mayor por productos de velocidad ajustable, se han desarrollado controles que regulan la velocidad de funcionamiento de los motores de inducción. La tecnología de control a microprocesador, usando métodos de regulación, por ejemplo a vector o ángulo de fase (es decir voltaje variable, frecuencia variable), manipula la magnitud del flujo magnético de los campos y controla así la velocidad del motor. Mediante la adición de un sensor apropiado de realimentación, éste se convierte en una opción viable para algunos usos de posicionamiento.
El Control de la velocidad/esfuerzo de torsión de motor de inducción llega a ser complejo puesto que el esfuerzo de torsión (torque) del motor es no más una función simple de la corriente del motor. El esfuerzo de torsión del motor afecta a la frecuencia del deslizamiento, y la velocidad es una función tanto de la frecuencia del estator como de la frecuencia del deslizamiento.
Las ventajas del motor de inducción incluyen: coste inicial bajo debido a la simplicidad en diseño del mismo y su construcción; disponibilidad de muchos tamaños estándar; confiabilidad; y operación estable, libre de vibraciones. Para aplicaciones de posicionamiento por marcha-parada muy rápidas, un motor más grande sería aconsejable de ser utilizado, para mantener así las temperaturas dentro de los límites. Una baja relación entre esfuerzo de torsión e inercia limita este tipo de motor a usos menos exigentes de incremento (por marcha-parada).
MOTOR SINCRÓNICO.
El motor sincrónico es básicamente igual al motor de inducción pero con construcción levemente diferente del rotor. La construcción del rotor permite a este tipo de motor rotar a la misma velocidad (en sincronismo) que el campo del estator. Hay básicamente dos tipos de motores sincrónicos: autoexcitado (como el motor de inducción) y directamente excitado (como con imanes permanentes).
El motor autoexcitado (se puede llamar de reluctancia sincrónica) incluye un rotor con muescas, o dientes, en la periferia. El número de muescas corresponde al número de polos en el estator. A menudo a las muescas o los dientes se identifica como polos salientes. Estos polos salientes crean una trayectoria fácil para el flujo del campo magnético, permitiendo así al rotor “engancharse" y funcionar a la misma velocidad que el campo de rotación.
Un motor directamente excitado (que puede ser llamado de histéresis sincrónica, o sincrónico de imán permanente de CA) incluye un rotor con un cilindro de una aleación magnética permanente que forma el imán. Los polos norte y sur del imán permanente, en efecto, son los dientes salientes de este diseño, y por lo tanto previenen el deslizamiento.
Fig. 4 - Vista en corte del motor sincrónico de coriente alterna.
Tanto en los tipos autoexcitados y directamente excitados hay un " ángulo de “acople”, es decir, el rotor se retrasa una pequeña distancia detrás del campo del estator. Este ángulo aumentará con la carga, y si la carga es aumentada más allá de la capacidad del motor, el rotor saldrá de sincronismo.
El motor sincrónico es generalmente operado en una configuración de “lazo abierto” y dentro de las limitaciones del ángulo de acople (o par motor crítico) proporcionará una velocidad constante absoluta para una carga dada. También, observe que esta categoría de motor no es de autoarranque y emplea bobinas de arranque (división de fase, arranque por capacitor), o controles con rampa lenta de subida de frecuencia/voltaje para comenzar la rotación.
Un motor síncrono se puede utilizar en un sistema de control de velocidad, aunque un dispositivo de realimentación debe agregarse. Los controles vectoriales trabajarán adecuadamente con este diseño de motor. Sin embargo, en general, el rotor es más grande que el de un servomotor equivalente y, por lo tanto, generalmente puede no proporcionar la respuesta adecuada para aplicaciones de incrementos. Otras desventajas son: Mientras que el motor sincrónico puede arrancar con una alta carga de inercia, puede no poder acelerar la carga lo suficiente para entrar en sincronismo. Si ocurre esto, el motor síncrono funciona a baja frecuencia y velocidades muy irregulares, dando por resultado ruido audible. También para un caballo de fuerza dado, los motores sincrónicos son más grandes y más costosos que los motores asíncronos.
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA (CC)
La mayor parte del negocio mundial de la velocidad ajustable está dirigida por los motores de corriente continua. Las velocidades del motor de corriente continua pueden ser variadas fácilmente, por lo tanto se utilizan en aplicaciones donde existen necesidades de control de velocidad, de servocontrol, y/o posicionamiento. El campo del estator es producido tanto por un devanado inductor, como por imanes permanentes. Este es un campo estacionario (en comparación con el campo del estator de CA que está rotando). El segundo campo, el campo del rotor, es establecido pasando corriente a través de un conmutador y luego por el montaje del rotor. El campo del rotor gira en un esfuerzo por alinearse con el campo del estator, pero en el momento apropiado (debido al conmutador) el campo del rotor se cambia. En este método entonces, el campo del rotor nunca alcanza al campo del estator. La velocidad rotatoria (es decir cuán rápidamente gira el rotor) es dependiente en la fuerza del campo del rotor. En resumen, más voltaje en el motor, más rápidamente el rotor dará vuelta.
Lo que sigue explorará brevemente los diferentes motores de campo bobinado y los motores de imán permanente (PMDC):
MOTORES DERIVACIÓN.
En los motores derivación (también conocidos como con devanado en derivación, de arrollamiento en derivación, etc.) con la derivación devanada, el rotor y el estator (o sea, los bobinados de campo o inductores) están conectados paralelamente. Los devanados inductores se pueden conectar a la misma fuente de alimentación que el rotor, o ser excitados por separado. La excitación separada se utiliza para cambiar la velocidad del motor (es decir, se varía el voltaje del rotor mientras que el del estator o devanado de campo se mantiene constante).
Fig. 5 - Curva típica para velocidad-esfuerzo de torsión (torque) para motores de derivación .
La conexión paralela proporciona una curva plana relativa de velocidad-esfuerzo de torsión y una buena regulación de velocidad sobre amplios rangos de carga. Sin embargo, debido a los efectos de desmagnetización, estos motores proporcionan esfuerzos de torsión (torques) de arranque comparativamente más bajos que otros tipos de bobinados de corriente continua.
MOTORES ARROLLADOS EN SERIE.
En el motor arrollado en serie (motor serie, excitado en serie, devanado o arrollado en serie, etc.), los dos campos del motor están conectados en serie. El resultado son dos fuertes campos que producirán un esfuerzo de torsión de arranque muy elevado. La bobina de campo conduce toda la corriente del rotor. Estos motores se emplean generalmente donde grandes esfuerzos de torsión de arranque son requeridos, por ejemplo en grúas y guinches. Los motores en serie se deben evitar en aplicaciones donde es probable que pierdan carga debido a la tendencia a “dispararse” bajo condiciones de falta de carga.
Fig. 6 - Curva típica para velocidad-esfuerzo de torsión (torque) para motores serie.
MOTOR DE DEVANADO COMPUESTO.
Los motores compuestos utilizan un devanado serie de campo del estator y uno con derivación. Muchas curvas de velocidad-esfuerzo de torsión pueden ser creadas variando la relación de campos serie y de derivación.
En general, los motores compuestos pequeños tienen un campo de derivación fuerte y un campo serie débil para ayudar a arrancar el motor. Esfuerzos de torsión elevados son exhibidos junto con características relativamente planas de velocidad-esfuerzo de torsión. En aplicaciones de inversión, la polaridad de ambas bobinas debe ser cambiada, siendo necesarios así circuitos grandes y complejos.
Fig. 7 - Curva típica para velocidad-esfuerzo de torsión (torque) para motores de devanado compuesto.
MOTOR POR PASOS.
Los motores por pasos son actuadores electromecánicos que convierten entradas de corriente digitales en movimiento analógico. Esto es posible mediante la electrónica del regulador del motor. Hay varios tipos de motores por pasos tales como activados por solenoide, de reluctancia variable, de imán permanente e inductor síncrono.
Independiente del tipo de motor por paso, todos son dispositivos que se posicionan dentro de incrementos angulares fijos cuando son energizados de una manera programada. La operación normal de un motor por pasos consiste en movimientos angulares discretos de magnitud uniforme en vez de un movimiento continuo.
Fig. 8 - Motor por pasos.
Un motor de pasos está particularmente bien adaptado a usos donde las señales del regulador son enviadas como trenes de pulsos. Un pulso hace que la rotación del motor se incremente un ángulo de movimiento. Esto se repite para un pulso.
La mayoría de los motores de pasos se utilizan dentro de una configuración de sistema de lazo abierto, lo cuál puede resultar en oscilaciones. Para superar esto, se emplean tanto circuitos complejos como con realimentación - dando así por resultado un sistema de lazo cerrado.
Los motores de pasos, sin embargo, se limitan a cerca de un caballo de fuerza y a 2000 RPM, limitándolos, por lo tanto, en muchas aplicaciones.
MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA DE IMÁN PERMANENTE (PMDC).
¿Qué es un Motor de Corriente Continua con Imán Permanente (Motor PMDC)? En un motor de corriente continua, un inducido rota dentro de un campo magnético. El principio básico de funcionamiento de un motor de corriente continua se basa en el hecho de que siempre que un conductor portador de corriente se coloca dentro de un campo magnético, este experimentará una fuerza mecánica.
Todos los tipos de motores de corriente continua funcionan bajo este principio. Por lo tanto, para construir un motor de corriente continua, es esencial establecer un campo magnético. El campo magnético se establece utilizando un imán. Se pueden usar diferentes tipos de imanes, ya sea un electroimán o un imán permanente.
La configuración predominante de motor utilizada en aplicaciones exigente de incremento (marcha-parada) es el motor de corriente continua de imán permanente (PMDC). Este tipo, con la realimentación apropiada, es un dispositivo absolutamente eficaz en aplicaciones de servo sistema de lazo cerrado.
Un motor de corriente continua con imán permanente (motor PMDC) es un tipo de motor de corriente continua que utiliza un imán permanente para crear el campo magnético requerido para el funcionamiento de un motor de corriente continua. ¿Alguna vez has usado un juguete con baterías? El motor que impulsa estos juguetes no es más que un motor de corriente continua con imán permanente o motor PMDC. Estos tipos de motores son simples en su construcción.
Puesto que el campo del estator se genera por imanes permanentes, ninguna energía es usada para la generación del campo. Los imanes proporcionan el flujo constante de campo a velocidades absolutas. Por lo tanto se obtienen, curvas lineales de velocidad-esfuerzo de torsión.
Este tipo de motor proporciona arranque relativamente alto, o esfuerzo de torsión de la aceleración, es lineal y fiable, y tiene a un tamaño de bastidor más pequeño y peso menor comparado con otros tipos de motores y proporciona posicionamiento rápido.
Comúnmente se utilizan como motores de arranque en automóviles, limpiaparabrisas, lavadoras, sopladores utilizados en calentadores y acondicionadores de aire, para subir y bajar ventanas, y se usan ampliamente en juguetes. Como la fuerza del campo magnético de un imán permanente está fija, no se puede controlar externamente, por lo que no es posible el control de campo en este tipo de motor de corriente continua.
Por lo tanto, el motor de corriente continua con imán permanente se utiliza donde no es necesario controlar la velocidad del motor (lo cual generalmente se hace controlando el campo magnético). Motores pequeños de fracciones y subfracciones de kW se construyen a menudo utilizando un imán permanente.
Construcción del Motor de Corriente Continua con Imán Permanente (PMDC)
Como se indica en el nombre del motor de corriente continua con imán permanente, los polos del campo de este motor están hechos esencialmente de un imán permanente.
Un motor PMDC consta principalmente de dos partes: un estator y un inducido. Aquí, el estator es un cilindro de acero. Los imanes están montados en la periferia interna de este cilindro. Los imanes permanentes se montan de tal manera que el polo norte (N) y el polo sur (S) de cada imán se enfrentan alternativamente hacia el inducido, como se muestra en la figura a continuación. Eso significa que si el polo N de un imán se enfrenta al inducido, entonces el polo S del siguiente imán se enfrenta al inducido.
Fig. 9 - Construcción típica de un motor de corriente continua.
Además de sostener el imán en su periferia interna, el estator cilíndrico de acero también sirve como un camino de retorno de baja reluctancia para el flujo magnético.
Aunque no se requiere bobina de campo en un motor de corriente continua con imán permanente, a veces se encuentra que se utilizan junto con el imán permanente.
Esto se debe a que si los imanes permanentes pierden su fuerza, estas pérdidas de fuerza magnética pueden ser compensadas mediante la excitación del campo a través de estas bobinas de campo. Generalmente, se utilizan materiales magnéticos duros de tierras raras en estos imanes permanentes.
El rotor de un motor PMDC es similar a otros motores de corriente continua. El rotor o inducido de un motor de corriente continua con imán permanente también consta de un núcleo, devanados y un conmutador. El núcleo del inducido está hecho de una serie de laminaciones circulares ranuradas de hojas de acero aisladas con barniz. Al fijar estas láminas circulares de acero una por una, se forma un núcleo de inducido ranurado en forma cilíndrica. Las láminas de acero barnizadas y aisladas se utilizan para reducir las pérdidas por corriente de Foucault en el inducido del motor de corriente continua con imán permanente.
Estas ranuras en la periferia externa del núcleo de inducido se utilizan para alojar los conductores del inducido. Los conductores del inducido se conectan de manera adecuada para formar el devanado del inducido.
Los terminales finales del devanado están conectados a los segmentos del conmutador colocados en el eje del motor. Al igual que en otros motores de corriente continua, se colocan cepillos de carbono o grafito con presión de resorte en los segmentos del conmutador para suministrar corriente al inducido.
Principio de funcionamiento del motor de corriente continua con imán permanente o motor PMDC
Como mencionamos anteriormente, el principio de funcionamiento del motor PMDC es similar al principio de funcionamiento general de un motor de corriente continua. Es decir, cuando un conductor con corriente ingresa a un campo magnético, el conductor experimentará una fuerza mecánica y la dirección de esta fuerza está gobernada por la regla de la mano izquierda de Fleming.
En un motor de corriente continua con imán permanente, el inducido se coloca dentro del campo magnético de un imán permanente; el inducido gira en la dirección de la fuerza generada. Aquí, cada conductor del inducido experimenta una fuerza mecánica F = B·I·L Newton, donde B es la intensidad del campo magnético en teslas (weber/m²), I es la corriente en amperios que fluye a través de ese conductor y L es la longitud del conductor en metros que está bajo el campo magnético. Cada conductor del inducido experimenta una fuerza y la suma de esas fuerzas produce un par, que tiende a girar el inducido.
Circuito Equivalente del Motor de Corriente Continua con Imán Permanente o Motor PMDC
En el motor PMDC, como el campo se produce mediante un imán permanente, no es necesario representar bobinas de campo en el circuito equivalente de un motor de corriente continua con imán permanente. El voltaje suministrado al inducido tendrá una caída de voltaje debido a la resistencia del inducido y el resto del voltaje suministrado es contrarrestado por la fuerza contraelectromotriz (fem) del motor. Por lo tanto, la ecuación de voltaje del motor se expresa mediante la siguiente fórmula:
V = IR + Eb
Donde I es la corriente del inducido y R es la resistencia del inducido del motor. Eb es la fem y V es el voltaje suministrado.
Ventajas del motor de corriente continua con imán permanente o motor PMDC
Las ventajas de un motor PMDC son:
- No se necesita un sistema de excitación de campo.
- No se consume energía de entrada para la excitación, lo que mejora la eficiencia del motor de corriente continua.
- No hay bobina de campo, por lo tanto, se ahorra espacio que se destinaría a la bobina de campo, lo que reduce el tamaño total del motor.
- Más económico y rentable para aplicaciones de potencia fraccional en kW. Desventajas del motor de corriente continua con imán permanente o motor PMDC
Las desventajas de un motor PMDC son:
- La reacción del inducido del motor de corriente continua no se puede compensar, por lo que la fuerza magnética del campo puede debilitarse debido al efecto desmagnetizador de la reacción del inducido.
- Existe la posibilidad de que los polos se desmagnetizen permanentemente (parcialmente) debido a la corriente excesiva del inducido durante el arranque, la inversión de giro y las condiciones de sobrecarga del motor.
- El campo en el entrehierro de aire está fijo y limitado, no se puede controlar externamente. Esto hace que sea difícil lograr un control eficiente de la velocidad en este tipo de motor de corriente continua.
Aplicaciones del motor de corriente continua con imán permanente o motor PMDC
El motor PMDC se utiliza ampliamente en situaciones donde se requieren motores de corriente continua pequeños y donde no se necesita un control muy preciso, como en arrancadores de automóviles, juguetes, limpiaparabrisas, lavadoras, sopladores de aire caliente, acondicionadores de aire, unidades de disco de computadoras y en muchas otras aplicaciones
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