1. MOTORES ELECTRICOS 1.1. Principio de Funcionamiento Los motores eléctricos, en general, basan su funcionamiento en las fuerzas ejercidas por un campo electromagnético y creadas al hacer circular una corriente eléctrica a través de una o varias bobinas. Si dicha bobina, generalmente circular y denominada estator, se mantiene en una posición mecánica fija y en su interior, bajo la influencia del campo electromagnético, se coloca otra bobina, llamada rotor, recorrida por una corriente y capaz de girar sobre su eje. Fig. 1 Campo Electromagnético Al excitar el estator, se crearan los polos N-S, provocando la variación del campo magnético formado. La respuesta del rotor será seguir el movimiento de dicho campo (tenderá a buscas la posición de equilibrio magnético), es decir, orientará sus polos NORTE-SUR hacia los polos SUR- NORTE del estator, respectivamente. Cuando el rotor alcanza esta posición de equilibrio, el estator cambia la orientación de sus polos y se tratará de buscar la nueva posición de equilibrio. Manteniendo dicha situación de manera continuada, se conseguirá un movimiento giratorio y continuo del rotor, produciéndose de este modo el giro del eje del motor, y a la vez la transformación de una energía eléctrica en otra mecánica en forma de movimiento circular.
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1. MOTORES ELECTRICOS
1.1. Principio de Funcionamiento
Los motores eléctricos, en general, basan su funcionamiento en las fuerzas ejercidas por un campo electromagnético y creadas al hacer circular una corriente eléctrica a través de una o varias bobinas. Si dicha bobina, generalmente circular y denominada estator, se mantiene en una posición mecánica fija y en su interior, bajo la influencia del campo electromagnético, se coloca otra bobina, llamada rotor, recorrida por una corriente y capaz de girar sobre su eje.
Fig. 1 Campo Electromagnético
Al excitar el estator, se crearan los polos N-S, provocando la variación del campo magnético formado.
La respuesta del rotor será seguir el movimiento de dicho campo (tenderá a buscas la posición de equilibrio magnético), es decir, orientará sus polos NORTE-SUR hacia los polos SUR-NORTE del estator, respectivamente. Cuando el rotor alcanza esta posición de equilibrio, el estator cambia la orientación de sus polos y se tratará de buscar la nueva posición de equilibrio. Manteniendo dicha situación de manera continuada, se conseguirá un movimiento giratorio y continuo del rotor, produciéndose de este modo el giro del eje del motor, y a la vez la transformación de una energía eléctrica en otra mecánica en forma de movimiento circular.
Fig. 2 Movimiento del Rotor
Al número de grados que gira el rotor, cuando se efectúa un cambio de polaridad en las bobinas del estator, se le denomina "ángulo de paso".
Fig. 3 Angulo de Paso
Existe la posibilidad de conseguir una rotación de medio paso con el control electrónico apropiado, aunque el giro se hará con menor precisión.
Según la Ley de Lorentz, cuando un conductor por el que pasa una corriente eléctrica se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente, siguiendo la regla de la mano derecha, con módulo
F: Fuerza en newtons I: Intensidad que recorre el conductor en amperios l: Longitud del conductor en metros lineales B: Densidad de campo magnético o densidad de flujo teslas
Fig. 4 Regla de la Mano Derecha
El rotor no solo tiene un conductor, sino varios repartidos por la periferia. A medida que gira, la corriente se activa en el conductor apropiado.
Normalmente se aplica una corriente con sentido contrario en el extremo opuesto del rotor, para compensar la fuerza neta y aumentar el momento.
2. TIPOS DE MOTORES
2.1. Motores de Corriente Continua
El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotatorio. En la actualidad existen nuevas aplicaciones con motores eléctricos que no producen movimiento rotatorio, sino que con algunas modificaciones, ejercen tracción sobre un riel. Estos motores se conocen como motores lineales.
Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, paro y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos. Pero con la llegada de la electrónica su uso ha disminuido en gran medida, pues los motores de corriente alterna, del tipo asíncrono, pueden ser controlados de igual forma a precios más accesibles para el consumidor medio de la industria. A pesar de esto los motores de corriente continua se siguen utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, micro motores, etc.
La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga.
Su principal inconveniente, el mantenimiento, muy caro y laborioso.
Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes, un estator que da soporte mecánico al aparato y tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estator además se encuentran los polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, al que llega la corriente mediante dos escobillas.
También se construyen motores de CC con el rotor de imanes permanentes para aplicaciones especiales.
Fig. 6 Clasificación de los Motores de Corriente Continua
Motores de corriente continua de imán permanente:
Existen motores de imán permanente (PM, permanent magnet), en tamaños de fracciones de caballo y de números pequeños enteros de caballos. Tienen varias ventajas respecto a los del tipo de campo devanado. No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado asociado. Se mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del campo que fallen y no hay probabilidad de que se presente una sobrevelocidad debida a pérdida del campo. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la eliminación de pérdida de potencia en un campo excitador. Así mismo, la característica par contra corriente se aproxima más a lo lineal. Un motor de imán permanente (PM) se
puede usar en donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación continua.
Fig. 7 Motor CC de Imán Permanente
Excitación Independiente:
Los motores de excitación independiente tienen como aplicaciones industriales el torneado y taladrado de materiales, extrusión de materiales plásticos y goma, ventilación de horno, retroceso rápido en vacío de ganchos de grúas, desenrollado de bobinas y retroceso de útiles para serrar. El motor de excitación independiente es el más adecuado para cualquier tipo de regulación, por la independencia entre el control por el inductor y el control por el inducido. El sistema de excitación más fácil de entender es el que supone una fuente exterior de alimentación para el arrollamiento inductor. En la siguiente figura, se representa el inducido por un círculo; la flecha recta interior representa el sentido de la corriente principal y la flecha curva, el sentido de giro del inducido; el arrollamiento inductor o de excitación, se representa esquemáticamente, y el sentido de la corriente de excitación, por medio de una flecha similar.
Autoexcitación:
El sistema de excitación independiente, solamente se emplea en la práctica en casos especiales debido, sobre todo, al inconveniente de necesitar una fuente independiente de energía eléctrica. Este inconveniente puede eliminarse con el denominado principio dinamoeléctrico o principio de autoexcitación, que ha hecho posible el gran desarrollo alcanzado por las máquinas eléctricas de corriente continua en el presente siglo.
Motor Serie
Es el motor cuya velocidad disminuye sensiblemente cuando el par aumenta y cuya velocidad en vacío no tiene límite teóricamente.
Los motores con excitación en serie son aquellos en los que el inductor está conectado en serie con el inducido. El inductor tiene un número relativamente pequeño de espiras de hilo, que debe ser de sección suficiente para que se pase por él la corriente de régimen que requiere el inducido. En los motores serie, el flujo depende totalmente de la intensidad de la corriente del inducido. Si el hierro del motor se mantiene a saturación moderada, el flujo será casi directamente proporcional a dicha intensidad.
Fig. 8 Conexión Motor Serie
Motor Paralelo o Shunt
El motor con excitación shunt suministra energía eléctrica a una tensión aproximadamente constante, cualquiera que sea la carga, aunque no tan constante como en el caso del generador con excitación independiente. Cuando el circuito exterior está abierto, la máquina tiene excitación máxima porque toda la corriente producida se destina a la alimentación del circuito de excitación; por lo tanto, la tensión en bornes es máxima. Cuando el circuito exterior está cortocircuitado, casi toda la corriente producida pasa por el circuito del inducido y la excitación es mínima, la tensión disminuye rápidamente y la carga se anula. Por lo tanto, un cortocircuito en la línea no compromete la máquina, que se desexcita automáticamente, dejando de producir corriente. Esto es una ventaja sobre el generador de excitación independiente en donde un cortocircuito en línea puede producir graves averías en la máquina al no existir éste efecto de desexcitación automática.
Las bobinas inductoras van conectadas en paralelo (derivación) con las inducidas.
Es el motor cuya velocidad disminuye cuando el par aumenta y cuya velocidad en vacío es limitada. Las características del motor compuesto están comprendidas entre las del motor de derivación y las del motor en serie. Los tipos de motor compuesto son los mismos que para los generadores, resumiéndose el aditivo y el diferencial. El motor en compuesto es un término medio entre los motores devanados en serie y los de en derivación. En virtud de la existencia del devanado en serie, que ayuda al devanado en derivación, el flujo magnético por polo aumenta con la carga, de modo que el par se incrementa con mayor rapidez y la velocidad disminuye más rápidamente que si no estuviera conectado el devanado en serie; pero el motor no se puede desbocar con cargas ligeras, por la presencia de la excitación en derivación.
Fig. 10 Conexión Motor Mixto
2.2. Motores de Corriente Alterna
Se denomina motor de corriente alterna a aquellos motores eléctricos que funcionan con corriente alterna. Un motor es una máquina motriz, esto es, un aparato que convierte una forma determinada de energía en energía mecánica de rotación o par. Un motor eléctrico convierte la energía eléctrica en fuerzas de giro por medio de la acción mutua de los campos magnéticos.
En algunos casos, tales como barcos, donde la fuente principal de energía es de corriente continua o donde se desea un gran margen de variación de velocidad, pueden emplearse motores de corriente continua. Sin embargo, 1a mayoría de los motores modernos trabajan con fuentes de corriente alterna.
A pesar de que hay una gran variedad de motores de corriente alterna, solamente se discutirán aquí tres tipos básicos: el universal, el síncrono y el de jaula de ardilla.
Motores Universales
Los motores universales trabajan con voltajes de corriente continua o corriente alterna. Tal motor, llamado universal, se utiliza en sierra eléctrica, taladro, utensilios de cocina, ventiladores, sopladores, batidoras y otras aplicaciones donde se requiere gran velocidad con cargas débiles o pequeñas fuerzas. Estos motores para corriente alterna y directa, incluyendo los universales se distinguen por su conmutador devanado y las escobillas. Los componentes de este motor son: Los campos (estator), la masa (rotor), las escobillas (los excitadores) y las tapas (las cubiertas laterales del motor). El circuito eléctrico es muy simple, tiene solamente una vía para el paso de la corriente, porque el circuito está conectado en serie. Su potencial es mayor por tener mayor flexibilidad en vencer la inercia cuando está en reposo, o sea, tiene un par de arranque excelente, pero tiene una dificultad, y es que no está construido para uso continuo o permanente.
Otra dificultad de los motores universales son las emisiones electromagnéticas. Las chispas del colector (chisporroteos) junto con su propio campo magnético generan interferencias o ruido en el espacio radioeléctrico. Esto se puede reducir por medio de los condensadores de paso, de 0,001 μF a 0,01 μF, conectados de las escobillas a la carcasa del motor y conectando a ésta masa. Estos motores tienen la ventaja de que alcanzan grandes velocidades pero con poca fuerza. Existen también motores de corriente alterna trifásica que funcionan a 380 V y a otras tensiones.
Los motores síncronos son un tipo de motor de corriente alterna. Su velocidad de giro es constante y depende de la frecuencia de la tensión de la red eléctrica a la que esté conectado y por el número de pares de polos del motor, siendo conocida esa velocidad como "velocidad de sincronismo".
Implicando, se puede utilizar un alternador como motor en determinadas circunstancias. Si se excita el campo con corriente continua y se alimenta por los anillos colectores a la bobina del rotor con corriente alterna, la máquina no arrancará. El campo alrededor de la bobina del rotor es alterno en polaridad magnética pero durante un semiperiodo del ciclo completo, intentará moverse en una dirección y durante el siguiente semiperiodo en la dirección opuesta. El resultado es que la máquina permanece parada. La máquina solamente se calentará y posiblemente se quemará.
Para generar el campo magnético del rotor, se suministra una CC al devanado del campo; esto se realiza frecuentemente por medio de una excitatriz, la cual consta de un pequeño generador de CC impulsado por el motor, conectado mecánicamente a él. Se mencionó anteriormente que para obtener un par constante en un motor eléctrico, es necesario mantener los campos magnéticos del rotor y del estator constantes el uno con relación al otro. Esto significa que el campo que rota electromagnéticamente en el estator y el campo que rota mecánicamente en el rotor se deben alinear todo el tiempo.
Funcionan de forma muy similar a un alternador. Dentro de la familia de los motores síncronos debemos distinguir:
Los motores síncronos son llamados así, porque la velocidad del rotor y la velocidad del campo magnético del estator son iguales. Los motores síncronos se usan en máquinas grandes que tienen una carga variable y necesitan una velocidad constante. Arranque de un motor trifásico síncrono.
Existen cuatro tipos de arranques diferentes para este tipo de motor:
Como un motor asíncrono.
Como un motor asíncrono, pero sincronizado.
Utilizando un motor secundario o auxiliar para el arranque.
Como un motor asíncrono, usando un tipo de arrollamiento diferente: llevará unos anillos rozantes que conectarán la rueda polar del motor con el arrancador.
Fig. 12 Motor Síncrono
Motor Jaula de Ardilla
Un rotor de jaula de ardilla es la parte que rota usada comúnmente en un motor de inducción de corriente alterna. Un motor eléctrico con un rotor de jaula de ardilla también se llama "motor de jaula de ardilla". En su forma instalada, es un cilindro montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula. El nombre se deriva de la semejanza entre esta jaula de anillos y barras y la rueda de un hámster (ruedas probablemente similares existen para las ardillas domésticas).
La base del rotor se construye de un apilado hierro de laminación. El dibujo muestra solamente tres capas de apilado pero se pueden utilizar muchas más.
Los devanados inductores en el estator de un motor de inducción instan al campo magnético a rotar alrededor del rotor. El movimiento relativo entre este campo y la
rotación del rotor induce corriente eléctrica, un flujo en las barras conductoras. Alternadamente estas corrientes que fluyen longitudinalmente en los conductores reaccionan con el campo magnético del motor produciendo una fuerza que actúa tangente al rotor, dando por resultado un esfuerzo de torsión para dar vuelta al eje. En efecto el rotor se lleva alrededor el campo magnético pero en un índice levemente más lento de la rotación. La diferencia en velocidad se llama "deslizamiento" y aumenta con la carga.
A menudo, los conductores se inclinan levemente a lo largo de la longitud del rotor para reducir ruido y para reducir las fluctuaciones del esfuerzo de torsión que pudieron resultar, a algunas velocidades, y debido a las interacciones con las barras del estator. El número de barras en la jaula de la ardilla se determina según las corrientes inducidas en las bobinas del estator y por lo tanto según la corriente a través de ellas. Las construcciones que ofrecen menos problemas de regeneración emplean números primos de barras.
El núcleo de hierro sirve para llevar el campo magnético a través del motor. En estructura y material se diseña para reducir al mínimo las pérdidas. Las laminas finas, separadas por el aislamiento de barniz, reducen las corrientes parásitas que circulan resultantes de las corrientes de Foucault (en inglés, 'eddy current'). El material, un acero bajo en carbono pero alto en silicio, con varias veces la resistencia del hierro puro, en la reductora adicional. El contenido bajo de carbono le hace un material magnético suave con pérdida bajas por histéresis.
El mismo diseño básico se utiliza para los motores monofásicos y trifásicos sobre una amplia gama de tamaños. Los rotores para trifásica tienen variaciones en la profundidad y la forma de barras para satisfacer los requerimientos del diseño. Este motor es de gran utilidad en variadores de velocidad.
Fig. 13 Motor Jaula de Ardilla
3. CONSTRUCCIÓN
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 atractivas 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).
Fig. 14 Esquema de un Motor Eléctrico de CC con 2 Polos
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 corriente 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.
Fig. 15 Electroimán
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.
Fig. 16 Armadura de un Motor
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.
Fig. 17 Conmutador
Los cepillos o escobillas son sólo dos pedazos de metal elástico o carbón que hace contacto con el conmutador.
Fig. 18 Escobillas
Cuando se juntan todas esas partes, lo que se obtiene es un motor eléctrico completo:
Fig. 19 Partes de un Motor Eléctrico
Fig. 20 Motor Eléctrico
2.9) ARRANCADORES REVERSIBLES A TENSIÓN REDUCIDA
Por la posibilidad de invertir la marcha, los arrancadores a tensión reducida también pueden dividirse en “reversibles” y “no reversibles”.
Los arrancadores reversibles están construidos para satisfacer aquellas aplicaciones industriales donde se hace necesario controlar el motor aplicando siempre el mismo artificio reductor de tensión o sistemas para iniciar la marcha en ambas direcciones, pero de modo que pueda ser arrancado y detenido en forma alternada e indistinta, es decir, en cualquier sentido de rotación.
14 Simulaciones de arrancadores a tensión reducida con el programa CADe-SIMU
Fig. 21 Arrancador Reversible a Tensión Reducida con Resistencias
En este esquema podemos observar la conexión de un circuito para arrancar un motor a tensión reducida utilizando resistencias.
Fig.22 Arranque del Motor
En la figura anterior se puede observar que al arranque del motor se activan los contactores de tal forma que hay un solo sentido de giro en él, dicho sentido de giro es hacia la derecha.
NOTA: En el circuito mostrado para poder meter la reversa del motor es necesario hacer el paro, ya que si no se hace se puede hacer un corto circuito, aunque el motor este protegido con la sobrecarga es recomendable primero hacer el paro.
Fig. 23 Reversa del Motor con Resistencias
Como se puede observar en la figura al dar la marcha hacia atrás o reversa a nuestro motor se activan los contactores –KM2 los cuales nos invierten el sentido de giro, al hacer este cambio de giro se puede observar que la corriente pasa a través de unas resistencias las cuales, como ya se mencionó son las que nos reducirán la tensión para que el motor no funcione a su arranque pleno y de esta forma trabaje de manera correcta.
