TIPOS
DE MOTORES
1.1 EL MOTOR ELEMENTAL
El motor eléctrico es un dispositivo electromotriz, esto quiere decir que
convierte la energía eléctrica en energía motriz. Todos los motores disponen de
un eje de salida para acoplar un engranaje, polea o mecanismo capaz de
transmitir el movimiento creado por el motor.
Un motor eléctrico elemental dc de 2 polos tiene las siguientes partes : ï‚·
ï‚· ï‚· ï‚· ï‚· ï‚· Una armadura o rotor. Un conmutador. Escobillas. Un eje. Un
Imán de campo. Una fuente de poder DC de algún tipo.
El funcionamiento de un motor se basa en la acción de campos magnéticos
opuestos que hacen girar el rotor (eje interno) en dirección opuesta al estator
(imán externo o bobina), con lo que si sujetamos por medio de soportes o bridas
la carcasa del
motor el rotor con el eje de salida será lo único que gire. 4
1.2 EL MOTOR DC
Para cambiar la dirección de giro en un motor de Corriente Continua tan solo
tenemos que invertir la polaridad de la alimentación del motor. Para modificar
su velocidad podemos variar su tensión de alimentación con lo que el motor
perderá velocidad, pero también perderá par de giro (fuerza) o para no perder
par en el eje de salida podemos hacer un circuito modulador de anchura de
pulsos (pwm) con una salida a transistor de mas o menos potencia según el motor
utilizado.Si se aplica un voltaje en los bornes de un motor de c.c. circula por
los conductores del inducido una corriente que al estar en un campo magnético
se produce una fuerza que hace girar los conductores y por lo tanto al
inducido, la fuerza ejercida sobre un conductor es proporcional al campo
magnético y a la corriente, por lo tanto, el momento del par, llamado 'par
motor' se puede expresar como sigue: Par motor = Kφ Ia Donde Ia es la
corriente del inducido. Al girar los conductores con el inducido, cortan líneas
de fuerza y en el arrollamiento se induce una fem que se opone al voltaje
aplicado en los 5
bornes. Por esta razón, la fem inducida en un motor se llama 'fuerza
contra electromotriz' f.c.e.m. la corriente en el inducido es igual a: Ia
=(Ea - Eb)/Ra Donde: Eb = f.c.e.m. Ea = voltaje aplicado Ia = corriente en el
inducido Ra = Resistencia del inducido y escobillas. El colector desempeña un
papel muy importante en el funcionamiento de un motor de c.c. y consiste en
invertir el sentido de la corriente en la espira en el instante en que están
enfrentados los polos de nombre contrario. Esto hace que se invierta la
polaridad del
campo, con lo que hay repulsión en lugar de atracción, y la espira continúa
girando. En la figura A, se observa que el polo N del campo principal repele al
polo N del campo del
inducido. Al completar media revolución, figura B, el colector invierte la
corriente en el inducido, por lo tanto el sentido del
campo del
inducido se invierte. Estainversión hace que el polo S del campo principal y del inducido se repelen
de nuevo y continúe así la rotación. entonces Ea = Eb + IaRa
FIGURA A
FIGURA B
En un inducido de varias espiras, se mantiene sobre él un par motor uniforme y
continuo. Como
las espiras están próximas entre sí, el campo resultante producido por le inducido
permanece en la misma posición, resultando por tanto en 'campo magnético
estacionario'. Teoría de funcionamiento. La potencia absorbida de la red
por un motor varía automáticamente, para acomodarse a la carga mecánica.
Inicialmente cuando el motor parte del
reposo, el inducido tendrá una corriente de Ia = Ea / Ra, debido a que la fcem
Eb = 0. Cuando el motor aumenta la velocidad, 6
la fcem = Eb aumentará también, por lo tanto, Ia = ( Ea - Eb) / Ra disminuye.
El motor dejará de acelerar cuando la corriente haya descendido hasta un valor
tal, que el par motor sea igual a la suma del
par de rozamiento y del
par de frenado ocasionado por la carga mecánica. Si la carga mecánica aumenta.
La velocidad disminuye, la fcem también disminuye y la Ia aumenta. Al aumentar
la corriente, aumenta el par motor . La velocidad del motor dejará de disminuir cuando el par
motor se haga igual al par resistente. Si disminuye la carga, la velocidad
aumenta, la fcem aumenta, la corriente Ia disminuye y el par motor disminuye. El
motor dejará de acelerar cuando el par motor y resistente se igualen.
ECUACIONES DEL MOTOR DE CC. Par motor = Kφ Ia Fem = Kφ rpm. hp =
2ïs½ïs½x par motor x rpm/33000 1 hp = 746w
K y φ son constantes que dependen de la construcción y del sistema de unidad adoptado.
1.3 TIPOS DE MOTORES DC
1.3.1 MOTOR SHUNT O PARALELO Para el motor shunt de la figura, tenemos:
If = Ea/Rf
Ia = (Ea - Eb)/Ra.
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Inicialmente la fcem es cero, debido a que el inducido está en reposo, por lo
tanto, la Ia = Ea / Ra que es de un valor elevado. Como la corriente es elevada, entonces el par
motor también lo es, ya que par = Kφ Ia. Esto hace que aumente la
velocidad, por consiguiente Eb aumenta. Al aumentar Eb disminuye el par motor
que se hace constante cuando el motor adquiere finalmente una velocidad
constante. Si se impidiese el giro del
inducido, la corriente de arranque sería muy intensa, continuaría circulando y
quemaría el inducido en poco tiempo. En la práctica los motores se protegen
generalmente con fusibles que, al fundirse, abren el circuito antes de que se
queme el inducido. Como la corriente de arranque
es elevada (varias veces el valor de la corriente nominal de carga) es
necesario intercalar una resistencia
Rs en serie para disminuir la corriente de arranque. Esta resistencia se suprime paulatinamente cuando
el motor adquiere velocidad. La fig 4.2. representa la corriente con y sin el
reóstato de arranque.
CURVAS CARACTERÍSTICAS Las curvas características de un motor indican como varían el par motor
y la velocidad con la corriente en el inducido, siendo constante el voltaje
aplicado. Par motor = KφIaComo Ea = constante, entonces, If es también
constante, por lo tanto, el flujo par polo también lo es.
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Par motor = Kφ Ia = K x constante x Ia = K Ia, que
representa la ecuación de una recta que pasa por el origen. Fem = Eb = K φ
rpm Rpm = constante x (Ea - Ia Ra) Como la resistencia Ra es pequeña
el valor Ia Ra es pequeño comparado con Ea, por lo tanto, al aumentar la
corriente, disminuye muy poco la velocidad. Por lo tanto el motor shunt es un
motor de velocidad constante. rpm = (Ea - IaRa) / K
CONTROL DE VELOCIDAD Aunque el motor shunt es de velocidad constante, su
característica más importante, es la de ser un motor de velocidad regulable.
Utilizando la ecuación de la velocidad, tenemos: Rpm = (Ea - Ia Ra) / Kφ
La velocidad se puede aumentar, disminuyendo el flujo por polo (φ) . Para
esto, es necesario colocar un reóstato en el circuito de campo, tal como se indica en la
figura.
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Intercalando un reóstato en el circuito del
inducido podemos disminuir la velocidad nominal. Esto es debido a que al
aumentar la resistencia
en el circuito en el inducido el voltaje Ea disminuye.
INVERSIÓN DE GIRO El sentido de rotación de un motor shunt se puede invertir,
cambiando la dirección de la corriente, ya sea en el circuito de campo o en el
circuito del
inducido. Parada del motor. Para parar el motor se introducen todas las
resistencias del
reóstato de arranque antes de cortar la corriente. Propiedades Par de arranque
débil No soportan grandes sobrecargas. Velocidadconstante cualquiera sea la
carga . No se disparan en vacío.
Utilización La velocidad constante de estos motores los hace adecuados para el
accionamiento de máquinas - herramientas (tornos, taladros) y aparatos de elevación.
10
1.3.2 MOTOR SERIE El motor serie se conecta a la red como se indica en la figura. El voltaje
aplicado Ea es constante, mientras que el campo de excitación aumenta con la
carga, puesto que la corriente Ia es la misma corriente de excitación.
El par producido Kφ Ia es directamente proporcional al flujo y a
la corriente en el inducido. Como
el también aumenta con Ia, entonces, el par motor es directamente proporcional
al cuadrado de Ia, por lo tanto, su curva será parabólica.
Arranque del motor: Como en el caso del motor shunt se debe
intercalar un reóstato de arranque en serie con el inducido. Esta resistencia se reduce
gradualmente cuando el motor adquiere velocidad. Características de carga 11
Las curvas características se pueden obtener a partir de las fórmulas
fundamentales: debido a que φ = K Ia
Par motor = Kφ Ia = K Ia^2,
Rpm = (Ea - Ia Ra)/ Kφ = K (Ea - Ia Ra) / Ia, o sea, que al aumentar la
corriente, disminuye la velocidad, y su curva de velocidad, se observa que para
cargas ligeras, la velocidad se hace peligrosamente elevada, y por esta razón
un motor serie ha de estar siempre engranado o acoplado directamente a la
carga. Si un motor serie estuviera unido a la carga mediante una correa y ésta
se rompiese o soltase,el motor se embalaría y probablemente se dañaría.
Inversión del sentido de rotación: La rotación se puede invertir cambiando la
dirección de la corriente, ya sea del campo en
serie o del
inducido. Parada del motor: Para parar un motor serie, es preciso introducir
progresivamente las resistencias del
reóstato de arranque y cortar luego la alimentación, para evitar una fuerte
corriente de ruptura que sería peligrosa para los arrollamientos. Control de
velocidad: La velocidad se puede variar, cambiando el voltaje aplicado Ea,
colocando un reóstato en serie con la bobina de campo. De esta manera se
disminuye la velocidad. Se puede aumentar la velocidad, disminuyendo el flujo
por polo. Esto se puede realizar, colocando un reóstato en paralelo con la
bobina de campo, de modo que la corriente total Ia solo se permita circular una
parte por la bobina de excitación.
12
Propiedades: - Gran par de arranque. - Velocidad variable con la carga. -
Tendencia al aceleramiento excesivo. - Soporta bien las sobrecargas. - Se
dispara fácilmente en vacío o cuando la carga decrece. Utilización Se usa en los
aparatos de elevación: Montacargas, ascensores, grúas, frenos eléctricos. 1.3.3
MOTOR COMPOUND Comparando las ventajas de los motores serie y shunt se
encuentra que: 1) El motor shunt tiene una velocidad más constante, pero 2) Un
motor serie del
mismo régimen de capacidad puede ejercer un par mucho mayor, cuando sea
necesario, sin aumentar terriblemente la corriente. Estas doscaracterísticas
pueden obtenerse en un mismo motor colocando dos bobinados de campo: Uno en
serie y otro shunt, en los polos del
motor, y que se llamará motor compound. Las características de velocidad y par
motor para un motor compound se dan en la siguiente figura.
13
La velocidad de un motor compound se puede disminuir por debajo de la normal
por medio de un reóstato colocado en el circuito del inducido y aumentarse por encima de la
normal mediante un reóstato en el circuito de campo. A diferencia de los
motores en serie, el motor compound tiene una velocidad definida sin carga y no
alcanzará velocidades destructivas si ésta se suprime. La regulación de la
velocidad es inferior a la de un motor shunt y mayor a la de uno serie. La
rotación se invierte cambiando la dirección de la corriente del
circuito de campo o del circuito del inducido. Puesto que
si se invierte el campo shunt se debe invertir el serie, el procedimiento más
sencillo es invertir la corriente en el inducido. Si las conexiones del arrollamiento serie
de un motor compound se permutan para invertir el sentido de circulación de
corriente en el mismo, las bobinas serie se opondrán al flujo y este decrecerá,
en lugar de crecer cuando aumente la carga. Esto obligará al motor a acelerar,
en lugar de decrecer cuando aumenta la carga. Este motor se conoce con el nombre
de 'motor compound diferencial'.
1.4 MOTOR PASO A PASO
Los motores paso a paso (PAP), son un tipo especial de motores que permiten el
avance desu eje en ángulos muy precisos y por pasos en las dos posibles
direcciones de movimiento, izquierda o derecha. Aplicando a 14
ellos una determinada secuencia de señales digitales, avanzan por pasos hacia
un lado u otro y se detienen exactamente en una determinada posición. Cada paso
tiene un ángulo muy preciso determinado por la construcción del motor, lo que permite realizar
movimientos exactos sin necesidad de un sistema de control por lazo cerrado. A
un motor paso a paso se le puede ordenar por medio del control, que avance
cinco o diez pasos hacia la derecha, luego un determinado número de pasos hacia
atrás o simplemente que no gire, lo cual permite el control de posición,
velocidad, y sentido (dirección). Este sistema a simplificado enormemente
automatismos y las aplicaciones de la robótica. la implementación de
Los motores paso a paso presentan grandes ventajas con respecto a la
utilización de servomotores debido a que se pueden manejar digitalmente sin
realimentación, su velocidad se puede controlar fácilmente, tiene una larga
vida, son de bajo costo, la interfase es sencilla y su mantenimiento es mínimo
debido a que no tienen escobillas. 1.4.1 FUNCIONAMIENTO El funcionamiento de
los motores paso a paso se basa en el simple principio de atracción y repulsión
que ocurre entre los polos magnéticos. Como ya sabemos un imán tiene dos polos
llamados Norte y Sur. El principio básico del magnetismo establece que polos
iguales se repelen y polos diferentes se atraen.Para lograr un movimiento mucho
más suave, los motores paso a paso se fabrican aumentando el número de polos
del estator y se les practican una serie de ranuras tanto en el rotor como en
el estator. Así se logran movimientos que van hasta 1.8° por paso. Los grados
de avance por paso son una de las características más importantes en este tipo
de motores y generalmente está indicada en su carcaza o cuerpo. Existen
diferentes tipos de motores de pasos, de los cuales se utilizara y veremos el
funcionamiento de uno ellos, el Motor de Magneto Permanente. En la figura, se
muestra un diagrama del
Motor paso a paso de Magneto Permanente, el cual está construido de un rotor
que incluye polos magnéticos de polaridad contraria colocados uno junto al
otro. El estator contiene bobinas alineadas de tal forma que sus energización
secuencial 15
provoca que el rotor se desplace a las posiciones de mínima reluctancia magnética.
El número de pasos varía según sea la aplicación. Existen en el mercado desde
0.1 a 120 grados. Los ángulos más comunes son de 1.8, 2.0, 2.5, 5.0, 15 y 30
grados, que respectivamente dan 200, 180, 144, 72, 24 y 12 pasos/revolución.
Estos motores son alimentados con fuentes de corriente directa y manejados con
circuitos digitales.
16
En la figura anterior se presenta el principio de funcionamiento. La bobina AA’
se energiza haciendo circular la corriente de A hacia A’ por lo cual el polo
inferior se polariza positivamente, atrayendo al polo sur del
rotor(parte inferior del rotor), y el superior
negativamente el cual atrae, al polo norte del
rotor, (parte superior del
rotor), de tal manera que se realiza el primer paso .
Para que realice un segundo paso en el mismo sentido consideremos, ahora, la
desactivación de la bobina A-A’ y la activación de las bobinas B-B’, al
circular la corriente la bobina B polariza negativamente lo que atrae al polo
positivo del rotor (N) y la bobina B’ se polariza positivamente atrayendo al
polo negativo (S) del rotor. Esto hace que gire un otro paso. Para que gire un
tercer paso, se desenergizan las bobinas B-B’ y ahora volvemos a activar las
bobinas A-A’, pero ahora haciendo circular la corriente de A’ hacia A por lo cual
el polo superior se polariza positivamente, atrayendo al polo sur del rotor
(parte inferior del rotor), y el inferior negativamente, el cual atrae, al polo
norte del rotor (parte superior del rotor). Siguiendo con un cuarto paso en el
mismo sentido, sea la bobina B-B’, ahora alimentada en sentido contrario, es
decir haciendo circular la corriente de B’ hacia B, con la bobina A-A’
desactivada. El polo de la derecha se polariza positivamente atrayendo al polo
sur del rotor (parte inferior del rotor), y el de la izquierda negativamente, el cual
atrae, al polo norte del rotor, (parte
superior del
rotor).
17
Por último para completar el ciclo, volvamos a conectar las cuatro bobinas como al inicio por lo
cual el rotor girará un cuarto de paso. Si el ciclo se vuelverepetitivo
podremos observar el movimiento del rotor en
sentido de las manecillas del
reloj. La velocidad dependerá de la activación y desactivación de las bobinas.
Como podemos observar 4 pasos fueron necesarios para que el motor girara 90
grados de su posición original, si quisiéramos que el motor girara una vuelta
completa tendríamos que darle 12 pasos, es decir repetir el ciclo 4 veces. De
aquí se observa que, el número de pasos de un motor está condicionado al número
de polos del
imán permanente (rotor), o bien al número de bobinas, (estator). Por ejemplo,
para un motor de 2 bobinas y 200 pasos se requiere que el rotor tenga 50 polos.
1.4.2. MODOS DE OPERACIÓN Los motores PAP tanto unipolares como bipolares pueden trabajar en dos modos
de operación : de paso completo y de medio paso. En el primer caso, con cada
secuencia el rotor gira un determinado ángulo dado por la fabricación del motor. En el modo de
medio paso, cada secuencia produce un giro en grados correspondiente a la mitad
de su paso normal. En las siguientes tablas podemos observar la secuencia de
señales que se deben aplicar al motor en cada caso.
PASO COMPLETO Un motor de 200 pasos tiene esta secuencia :
T3 0 0 0 1 0 0 0 1
T2 0 0 1 0 0 0 1 0
T1 0 1 0 0 0 1 0 0
T0 1 0 0 0 1 0 0 0
18
MEDIO PASO
El motor recorre 400 pasos con esta secuencia :
T3 0 0 0 0 0 1 1 1
T2 0 0 0 1 1 1 0 0
T1 0 1 1 1 0 0 0 0
T0 1 1 0 0 0 0 0 1
1.5 EL MOTOR DE IMÁN PERMANENTE
En general el campomagnético de un motor de cd se puede producir por bobinas o
imanes permanentes. Los motores de cd de imán permanente se pueden clasificar
de acuerdo con el esquema de conmutación y al diseño de la armadura. Los
motores de cd convencionales tienen escobillas mecánicas y conmutadores. Sin
embargo, en una clase importante de motores de cd la conmutación se hace en
forma electrónica; este tipo de motor se llama motor de cd sin escobillas. De
acuerdo con la construcción de la armadura, el motor de cd de imán permanente
tiene tres tipos de diseño de armadura : 1. de núcleo de hierro 2. de devanado
superficial 3. de bobina móvil.
1.5.1
DE NÚCLEO DE HIERRO
La configuración del
rotor y estator de un motor de cd de imán permanente de núcleo de hierro se
muestra en la Fig. (5). El material del
imán permanente puede ser bario-ferrita, Alnico, o un compuesto de ¨ tierras
raras ¨. El flujo 19
magnético producido por el imán pasa a través de la estructura del rotor laminado que
tiene ranuras. Los conductores de la armadura están localizados en las ranuras del rotor. Este tipo de
motor está caracterizado por una inercia del
motor relativamente alta (ya que la parte giratoria está formada por las
bobinas de la armadura), una inductancia alta, bajo costo y alta confiabilidad.
1.5.2
DE DEVANADO SUPERFICIAL
La Figura muestra la construcción del
rotor de un motor de cd de imán permanente de devanado superficial. Los
conductores de la armadura están pegados a la superficie de laestructura
cilíndrica del rotor, la cual está hecha de
discos laminados sujetados al eje del
motor. Ya que en este diseño no se emplean ranuras sobre el rotor, no presenta
el efecto de ¨ rueda dentada ¨. Puesto que los conductores están proyectados en
el entrehierro de aire que está entre el rotor y el campo de imán permanente,
este campo tiene menor inductancia que el de estructura de núcleo de hierro.
20
1.5.3
DE BOBINA MÓVIL
Los motores de bobina móvil están diseñados para tener momentos de inercia muy
bajos e inductancia de armadura también muy baja. Esto se logra al colocar los
conductores de la armadura en el entrehierro entre la trayectoria de regreso del flujo estacionario y
la estructura de imán permanente. En este caso la estructura del conductor está soportada por un material
no magnético normalmente resinas epóxicas o fibra de vidrio para formar un
cilindro hueco. Uno de los extremos del
cilindro forma un eje, el cual está conectado al eje del motor. Una vista de la sección
transversal de este tipo de motor se muestra en la figura abajo. Ya que se han
eliminado todos los elementos no necesarios de la armadura del motor de bobina móvil, su momento de
inercia es muy bajo. Como los conductores del motor de bobina móvil no están en contacto directo
con el hierro, la inductancia del
motor es muy baja; valores menores a 100 mH son comunes en este tipo de motor.
Las propiedades de inercia e inductancia bajas hacen que el motor de bobina
móvil sea una de lasmejores elecciones de actuadores para sistemas de control
de alto desempeño.
1.6 EL MOTOR MONOFÁSICO
Como la mayor parte de la energía generada, lo es bajo la forma de c.a. muchos
motores están proyectados para funcionar con c.a. Los motores de c.a. pueden
suplir a los de c.c., en la mayoría de los casos están menos sometidos a
perturbaciones o averías. Esto es debido a que las máquinas de c.c. trabajan en
condiciones más difíciles por la acción de conmutación que requiere el uso de
escobillas, porta escobillas, colector, etc. Por el contrario, algunos motores
de c.a., no utilizan ni siquiera anillos deslizantes, lo que 21
hace que el funcionamiento esté exento de averías durante largos periodos de
tiempo. Los motores de c.a. son particularmente adecuados para aplicaciones de
velocidad constante, ya que la velocidad está determinada por la frecuencia de
c.a. aplicada a los bornes del
motor. No obstante también se construyen motores de c.a. que tienen
características de velocidad variable dentro de ciertos límites. Los motes de
c.a. se proyectan para un suministro de c.a. monofásica o trifásica. Tanto el
motor monofásico como
el trifásico funcionan basados en el mismo principio. Este principio es que la
c.a. aplicada al motor genera un campo magnético giratorio y a su vez este
campo magnético giratorio hace girar al rotor del motor. Los motores de c.a. se clasifican
generalmente en dos tipos: a) Sincrónicos b) Asincrónicos. El motor sincrónico
es un alternador al quese le hace funcionar como motor y en el cual al estator se le
aplica corriente alterna y al rotor corriente continua. En el motor asincrónico
el rotor no está conectado a fuente alguna de energía. De los dos tipos de
motores de c.a. el asincrónico es el más empleado. Los motores monofásicos
asincrónicos se clasifican en : a) Motores monofásicos de inducción, b) Motores
monofásicos de repulsión.
1.6.1
MOTOR MONOFÁSICO DE INDUCCION
22
Los motores monofásicos de inducción poseen un bobinado único en el estator.
Este bobinado está devanado generalmente en varias bobinas que se distribuyen
en la periferia del estator, y genera un campo
magnético único alternado a lo largo del
eje de los campos. Estando inmóvil el rotor, las alternancias del
campo del
estator induce corriente en el rotor. Estas corrientes
producen a su vez, campos del
mismo signo que el estator, que tienden a hacerlo girar 180s hasta enfrentarlo
con los polos opuestos. Pero esta fuerza se ejerce a lo largo del
eje del rotor
y por lo tanto la fuerza de giro es igual en ambos sentidos y el rotor no se
mueve. Si en estas condiciones, se da al rotor un impulso con la mano, éste se
pondrá en marcha y girará en la dirección en que se le dio el impulso. Al ir
aumentando la velocidad del rotor, llega a un punto en que aproximadamente
cumple medio giro, es decir, 180s de rotación, por cada alternancia completa de
la corriente que circula por el estator.
Si las velocidades del campo magnético
giratorio y ladel rotor son iguales, no se inducirá f.e.m., debido a que no
habría movimiento relativo entre los campos del estator y rotor. Al no haber f.e.m., no
existirá corriente inducida y por lo tanto no se inducirá el par motor,
entonces se hace necesario que el rotor gire a una velocidad menor que el campo
magnético giratorio del
estator. Esta diferencia de velocidad se llama 'resbalamiento'.
Deslizamiento del rotor Se refiere al movimiento relativo del motor con
respecto a la velocidad de deslizamiento n des = nsinc - nm Donde: n des es la
velocidad de deslizamiento en la maquina nsinc es la velocidad de los campos
magnéticos nm es la velocidad mecánica Por tanto el deslizamiento del motor se
define como :
Frecuencia eléctrica en el motor 23
En el motor se induce tensiones y corrientes eléctricas que conllevan a
compararlo con un transformador rotante, en el que el estator es el primario
que induce un voltaje en el rotor tomado como el secundario. A diferencia de un
transformador normal, la frecuencia del
secundario (fr) no es necesariamente la misma del primario (fe) para el motor. Si : nm = 0
RPM nm = nsinc
fr = fe fr = 0
S=1 S=0
Para : 0 Hz < f < fe
fr es proporcional a (nsinc - nm)
fr = S* fe entonces,
Como hacer arrancar a mano un motor eléctrico no es muy cómodo, se han ideado
medios que permitan el arranque automático. Según el modo de arranque se
distinguen principalmente los motores de inducción de fase partida y los
motores dearranque por condensador. El rotor de un motor de inducción consta de
un cilindro de chapas de acero o hierro al silicio, prensadas para formar un
solo cuerpo. La superficie de este rotor está ranurada y por ellas se pasan
barras de cobre cuyos extremos se sueldan a las coronas que son también de cobre.
Este tipo de rotor se llama también rotor en Jaula de ardilla o rotor en corto
circuito. Actualmente, las jaulas de ardilla se construyen de aluminio fundido.
24
A)
MOTOR DE FASE PARTIDA
El motor de inducción de fase partida consta esencialmente de cinco partes:
Estator, rotor, interruptor centrífugo, escudos y bastidor. - Estator: Consiste
de dos devanados sujetos en su lugar por unas ranuras en el núcleo de acero
laminado, los dos devanados consisten de dos bobinas aisladas dispuestas y
conectadas para que formen dos devanados separados el uno del otro a 90s eléctricos; uno de estos
devanados es el principal y el otro es el de arranque. El devanado principal es
de alambre grueso y colocado en el fondo de las ranuras del estator. El de arranque es de alambre
delgado y situado en lo alto de las ranuras, encima del devanado principal. Rotor: Lo constituye
un núcleo cilíndrico hecho con piezas de acero laminado. Cerca de la superficie
del rotor hay
montadas unas barras de cobre unidas a dos anillos de cobre. En algunos motores
el rotor es una unidad de una sola pieza colada de aluminio. El mantenimiento
de este rotor es relativamente poco, ya que no hay devanadosen los que puedan
crearse fallas. Además tampoco hay escobillas, colectores ni conmutadores que
se tengan que cuidar. Por lo general, cerca del rotor hay montado sobre el mismo eje un
ventilador, que hace que circule el aire por el motor y que la temperatura de
los devanados no llegue a ser excesiva. Interruptor centrífugo: Consta de una
parte estacionaria y una parte giratoria. La parte estacionaria está montada en
uno de los escudos y tiene dos contactos cuya acción es la misma que la de un
interruptor unipolar de una dirección. La parte giratoria va montada en el
rotor. Escudos: Va sujeto a la carcaza o bastidor mediante tornillos y tuercas
y sirven para mantener el rotor en la posición adecuada. Cada escudo lleva un
orificio para el cojinete. Los cojinetes sirven para mantener bien centrado el
rotor a fin de que no haya roce con el estator y además reducir el rozamiento
al mínimo. Bastidor: Es de hierro colado en el que el núcleo del estator está encajado en él a presión.
25
-
-
-
Funcionamiento: La corriente en el devanado principal está retardada 90s
eléctricos con respecto al devanado de arranque. Cuando por estos devanados
pasan dos corrientes
desfasadas 90s se establece en campo magnético giratorio que gira a una
velocidad sincrónica de polos. rpm = 120 x f/p f = frecuencia en ciclos / seg.
(hertz). p = número de polos. Mientras este campo rotatorio gira, se induce un
voltaje en el rotor. Este voltaje inducido crea el campo magnético del rotor. Elcampo del
rotor reacciona con el campo del
estator creando así, el par torsor que hace que el rotor gire. Cuando el rotor
alcanza los ¾ de la velocidad normal el interruptor centrífugo se abre
desconectando el devanado de arranque. El motor sigue funcionando solamente con
el devanado principal.
Si por alguna razón, el interruptor centrífugo falla y los contactos no se
cierran al pasar el motor entonces el devanado de arranque quedará desconectado
y cuando se active de nuevo el motor, éste no arrancará. Si se pone en marcha
el motor con una carga demasiado grande, quizá no alcance una velocidad
suficiente que haga que el interruptor centrífugo se abra, también si el
voltaje de alimentación al motor es bajo, el interruptor puede no funcionar.
26
Si se invierten los conductores del devanado
de arranque, se invierte el sentido del campo
establecido por los devanados del estator y
por lo tanto, se invierte el sentido de rotación del rotor. Los motores monofásicos son por
lo general de 110 y 220 voltios. El devanado principal tiene dos secciones y
cada sección funciona a 110V. Por lo tanto, si se conecta 110V los dos
devanados se conectan en paralelo y si se conecta a 220V los devanados se deben
conectar en serie.
Propiedades: - Buena regulación de velocidad. - Par de arranque pequeño igual a
1 o 2 veces el par en marcha. - Intensidad de arranque de 5 a 6 veces la
nominal. - Resbalamiento del 4% al 6%. - Desfasaje entre devanados de 40 a 50
grados eléctricos. - Sefabrican para potencias menores a 1 ½ hp. Aplicación:
Lavadoras de ropa, bombas de agua pequeñas, bombas neumáticas etc. B) MOTOR DE
ARRANQUE POR CONDENSADOR. La construcción de este tipo de motor es
prácticamente la misma que la de un motor de fase partida, salvo que en él hay
un condensador conectado en serie con los devanados de arranque. El condensador
proporciona un par de arranque mayor y además limita la corriente de arranque a
un valor menor que el de fase partida. El funcionamiento de este motor es
exactamente igual al de fase partida. La causa frecuente de dificultades son
los condensadores defectuosos. Si el motor se arranca y se para muchas veces en
un corto tiempo, es muy posible que entren en corto circuito los condensadores.
Por lo tanto, este 27
motor se utiliza en aplicaciones domésticas e industriales en las que hay pocos
arranques en cortos periodos. El sentido de rotación se invierte,
intercambiando los terminales del
devanado de arranque. También funcionan para dos régimen de voltaje 110V y
220V.
Existe otra clase de motor que es el de arranque y marcho con condensador, el
cual no tiene interruptor centrífugo, por lo tanto, el condensador siempre
estará conectado y así el factor de potencia es del 100%.
Propiedades: Buena regulación de velocidad. Par de arranque muy fuerte igual a
3 0 4 veces al par de marcha. Intensidad de arranque menor que el de fase
partida. Factor de potencia igual a 1,0. No están hechos para arranques y
paradas frecuentes. Sefabrican desde 1/3 hp hasta 5 hp. La ventaja de los de
arranque y marcha por condensador es que casi no requieren mantenimiento. Son
los más populares donde no se usa
la trifásica. 28
Aplicación: Bombas unidades de refrigeración, compresores de aire y sierras.
1.6.2. MOTOR MONOFÁSICO DE REPULSIÓN Los motores con colector o de repulsión
pueden dividirse en tres tipos: Motores de repulsión, motores de arranque por
repulsión y marcha por inducción, y motores de inducción-repulsión. A) MOTORES
DE REPULSIÓN Las partes esenciales son: 1. Un núcleo laminado del estator con un devanado similar al de la
fase partida. El estator tiene generalmente, cuatro, seis u ocho polos. 2. Un
rotor con ranuras en la que va colocado un devanado, similar al de un motor de
c.c. El colector es de tipo axial. Fig 7.8. 3. Escobillas de carbón, conectadas
entre sí por medio de alambres de cobre relativamente gruesos. El porta
escobillas es desplazable. 4. Dos escudos en los extremos de hierro colado, que
alojan los cojinetes y sujetos al bastidor del motor. 5. Dos cojinetes que sostienen el
eje del
inducido centrado, pueden ser lisos o de balas.
Funcionamiento: Al conectarse a la corriente monofásica se crea un campo
magnético en el estator y se induce otro campo en el inducido. Si estos dos
campos están descentralizados una 15s eléctricos, entonces, se crea un par de
arranque que hace que el inducido del motor gire, Así pues, la aplicación el
principio de que polos iguales se repelen da almotor su nombre de motor de
repulsión.
29
Para invertir el sentido de rotación se desplazan las escobillas a unos 15s
eléctricos del centro de los polos del estator en el
sentido contrario al original.
Propiedades: - Buen par de arranque. - Mala regulación de velocidad. - La
velocidad se puede controlar, variando el voltaje aplicado al motor. - La
rotación se invierte desplazando las escobillas 15s al otro lado del centro del polo del estator. Aplicación:
Prensas de imprenta en las que se desea una regulación de la velocidad del miembro impulsor. B)
MOTOR DE ARRANQUE POR REPULSIÓN Y MARCHA POR INDUCCIÓN Existen dos tipos: El de
levantamiento de escobillas y el de escobillas rodantes. El estator y el rotor
son iguales al de un motor de repulsión. Se diferencia en que tiene un
mecanismo centrífugo que funciona al 75% de la velocidad de régimen. En el tipo
de levantamiento de escobillas al llegar al 75% de la velocidad de régimen,
levanta las escobillas y el motor sigue funcionando por inducción. En el tipo
de escobillas rodantes, el mecanismo centrífugo corto--circuita las delgas del
colector al llegar el inducido al 75% de la velocidad de régimen y sigue
funcionando por inducción. Propiedades: - Fuerte par de arranque. - Buena
regulación de la velocidad. - La rotación se invierte de la misma forma que
para el motor de repulsión. 30
Aplicación Refrigeradores, compresores, bombas. C) MOTORES DE INDUCCIÓN -
REPULSIÓN El funcionamiento es igual al de un motor dearranque por repulsión y
marcha por inducción, sin embargo, no tiene mecanismo centrífugo. Este motor
tiene un devanado en jaula de ardilla debajo de las ranuras del inducido.
Propiedades Buen par de arranque. Buena regulación de la velocidad. Debido a
que no tiene mecanismo centrífugo tiene poco mantenimiento. Actualmente es el
más utilizado de los motores de repulsión.
Aplicación Aplicación similar al motor de arranque por repulsión y marcha por
inducción.
1.7 EL MOTOR UNIVERSAL
Funcionan con c.a. y c.c. y son de fracción de 1 hp y son usados principalmente
en aparatos electrodomésticos. El inducido es igual al de un motor de c.c.
funciona a la misma velocidad con c.c. o c.a. La velocidad se puede regular por
medio de reóstatos y bobinas de tomas múltiples devanadas en torno del campo. Como es un motor serie,
la carga siempre debe estar conectada al motor. 31
La rotación se puede invertir cambiando la dirección de la corriente ya sea en
el circuito de campo o en el inducido. El motor universal es el mismo motor
serie de c.c. en el cual se ha alterado el diseño básico: Las pérdidas por
histéresis se reducen empleando hierro al silicio laminado de alta
permeabilidad; las pérdidas por corrientes parásitas se reducen al mínimo
construyendo los circuitos magnéticos (estator , núcleo) con láminas de hierro
- silicio especial; la reactancia del bobinado de campo se reduce empleando
núcleos de polos cortos y bobinados de pocas vueltas; la reactancia del
inducido sereduce utilizando bobinas compensadoras que se montan en el núcleo
del estator.
Aplicación: Licuadoras, aspiradoras, batidoras, etc.
1.8 EL MOTOR TRIFÁSICO ASÍNCRONO
Los motores trifásicos son los aplicados en la industria por su gran
eficiencia. Un motor trifásico de igual potencia a uno monofásico tiene mayor
eficiencia y menor tamaño. La diferencia fundamental entre un motor trifásico y
uno monofásico consiste en que en la carcasa o estator se alojan tres (3)
bobinados (en estrella o triángulo) de trabajo (uno por cada fase) y además no
poseen bobinado de arranque, ya que se ponen en marcha por sí solos. Para potencias mayores a 2 hp es recomendable usar los
trifásicos. Con respecto a los motores de gasolina o diesel, tienen las
siguientes ventajas: La puesta en marcha es inmediata. Son más livianos (fácil
transporte) y se acoplan fácilmente a cualquier clase de máquina. 32
-
El arranque, parada y control es rápido y efectivo y es posible controlarlo
remotamente. Tiene gran potencia de arranque. El funcionamiento y servicios de
mantenimiento son seguros. Operan silenciosamente. Mantenimiento es muy poco y
su vida es larga. Son compactos y ocupan un espacio muy limitado. Su costo de
operación es más económico.
Dentro de los motores sincrónicos existe el : a) Motor en jaula de ardilla y b)
Motor con rotor bobinado.
1.8.1
MOTOR EN JAULA DE ARDILLA
Es un motor de inducción que tiene el rotor en jaula de ardilla como los monofásicos.
Existen de jaula deardilla sencilla y doble. En la figura se muestra este tipo
de rotor.
A)
PARTES DEL
MOTOR
Las partes del motor, son las siguientes :
Carcasa : se construye de varias formas según el tamaño del motor; la base forma parte integral de
la carcasa para que el motor descanse bien asentado sobre su estructura. - Caja
de bornes : Se emplea para conectar los terminales de las bobinas y concentrar
los conductores de alimentación. - Escudos : Sirven para cerrar el motor y
sostener el eje del
motor por medio de sus cojinetes. Se unen a la carcasa por medio de tornillos
de fijación. 33
-
Eje : Es la parte donde se sostienen los componentes del rotor y además sirve para la fijación de
la polea en uno de sus extremos y el ventilador en el otro. - Ventilador: Viene
colocado en uno de los extremos del
eje y mantiene refrigerado el motor para evitar su recalentamiento. - Rotor: Es
sólido montado sobre el eje y es en forma de jaula de ardilla, puede ser
sencillo o doble. - Estator: Está formado por su núcleo y bobinado. El núcleo
es laminado hecho de chapas laminadas y viene ranurado para alojar las bobinas.
Las bobinas cubren el ranurado del estator y
deben estar bien aisladas para asegurar el perfecto funcionamiento del motor.
B) CONEXIONES Las conexiones básicas del
bobinado del estator de un motor trifásico son
en estrella o en triángulo, según las características del motor y el voltaje de la red. En la
figura se presentan estos dos tipos de conexiones y la conexión arealizar en la
placa de bornes.
C) MOTOR DE DOS VELOCIDADES.
34
El motor de dos velocidades es con frecuencia una solución elegante y económica
de problemas complejos. Según sea la naturaleza de la corriente, la relación de
velocidades y las de potencias, estos motores tienen uno o dos bobinados. Motor
de un solo bobinado : Es el más sencillo y más usado de los motores de dos
velocidades, sus características son las siguientes: Velocidades en la relación
de 1 a 2. Ejemplo: 3000 y 1500 rpm; 1500 y 750 rpm; 1000 y 500 rpm. - Relación
de potencias bien definidas para un tipo de motor y una gama de velocidades
dada. Ejemplo: 4hp y 1500 rpm; 2 hp y 750 rpm. - Una sola tensión de
alimentación. Motor de dos bobinados: Cuando la aplicación prevista requiere
relación diferente de velocidades y potencias se adopta un motor de bobinados,
cada uno de los cuales corresponde a una polaridad y alimentados
alternativamente según la velocidad que se desee. características son : una dos
son Sus
Las potencias y velocidades pueden elegirse según sea su aplicación. Ejemplo: 3
hp a 3000 rpm o ½ hp a 500 rpm; 3hp a 1500 rpm o 2hp a 1000 rpm. - Una o dos
tensiones de alimentación - Corriente de arranque mayor a la de un motor con un
solo bobinado. Existen también motores de doble tensión cuyo bobinado de
estator es doble. Ejemplo: 220V /440. Para
conectar el motor a 220V sus bobinados se conectan en paralelo y para hacerlo a
440 V sus bobinados se conectan en serie.
35
1.8.3.MOTOR CON ROTOR BOBINADO
Es un motor que tiene estator igual al de jaula de ardilla y el rotor viene
bobinado en estrella cuyos terminales van conectados a tres (3) anillos
colectores rozantes fijados en el eje del motor. Los anillos colectores se
conectan a un control de velocidad conformado por resistencias rotatorias y
hace el oficio de arrancador. La puesta en marcha se hace en 2,3,5 tiempos,
según el caso por eliminación de las resistencias intercaladas en el circuito del rotor .
36
1.9 MOTOR TRIFÁSICO SINCRÓNICO
Contrario a los anteriores motores trifásicos, el motor trifásico sincrónico
tiene la velocidad del rotor igual a la
velocidad del campo magnético del estator, esto es, su
deslizamiento es cero. Su estator es igual al de jaula de ardilla, pero su
rotor está compuesto por un bobinado de polos salientes y en su interior otro
en jaula de ardilla.
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Inicialmente se aplica la corriente trifásica al bobinado del estator y con el
rotor en jaula de ardilla arranca funcionando como motor asincrónico, o sea, Vr
menor a Vs. Luego se conecta corriente continua al bobinado del rotor de polos
salientes arrastrando la velocidad del campo del estator al rotor por tener
polos fijos igualando de esta forma las velocidades y volviéndose sincrónico.
La c.c. es aplicada al rotor por medio de los dos anillos rozantes y sus
correspondientes escobillas. Características : - Velocidad rigurosamente
constante y funcionamiento estable si la carga no sobrepasa ciertolímite. De lo
contrario, se inmoviliza rápidamente y el estator puede tomar corrientes peligrosas para su bobinado. - La
velocidad es función de la frecuencia de la red y del
número de polos del
estator. rpm = 120f/p donde f = frecuencia de la red, p = No de polos -
Colocando un reóstato en el circuito del
rotor se puede sobre excitar y con ello mejorar el factor de potencia de la
red. Hace las veces de un condensador y por esos se le llama condensador
sincrónico. - Se usa cuando
se requiere una velocidad rigurosamente constante como en telares, máquinas - herramientas,
etc.
