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Motores eléctricos

El motor es un elemento indispensable en un gran número de equipos electrónicos. El conocimiento de su forma de trabajo y sus propiedades es imprescindible para cualquier técnico o aficionado que emplee estos componentes para el montaje o mantenimiento de dichos equipos, con el objeto de poder efectuar la elección del modelo mas adecuado y así poder obtener el mejor rendimiento de los mismos. La misión fundamental del motor electrico es la de transformar la energía electrica, que se le suministra, en una energía mecanica que será la que se emplea para poner en movimiento el mecanismo del equipo en el que se instale.

El funcionamiento de un motor, en general, se basa en las propieadades eletromagnéticas de la corriente eléctrica y la posibilidad de crear,a partir de ellas, unas determinadas fuerzas de atracción y repulsión encargadas de actuar sobre un eje y generar un movimiento de rotación.

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento del motor se basa en la ley de Faraday que indica que cualquier conductor que se mueve en el seno del campo magnético de un imán se generara una D.D.P entre sus extremos proporcional a la velocidad de desplazamiento. Si en lugar de un conductor rectilineo con terminales en circuito abierto se introduce un anillo conductor con los extremos conectados a una determinada resistencia y se hace girar en el interior del campo, de forma que varíe el flujo magnético abrazado por la misma se detectará la aparición de una corriente electrica que circula por la resistencia y que cesara en el momento en que se detenga el movimiento.

Normalmente en un motor se emplea un cierto numero de espiras devanadas sobre un nucleo magnético de forma apropiada y también en algunas ocasiones se sustituye el imán permanente creador del campo por un electroimán, el cual produce el mismo efecto cuando se le aplica la corriente excitadora. A este último elemento (Imán o electroimán) se le denomina inductor, el conjunto espiras y nucleo móviles contituyen el inducido.

El sentido de la corriente eléctrica que circula por el inducido está definido mediante la Ley de Lenz que indica que toda variación que se produzca en el campo magnético tiende a crear un efecto en sentido opuesto que compense y anule la causa que la produjo. Si esta ley se aplica a nuestro caso nos indicará que la corriente inducida creará un campo magnético para que se oponga al movimiento de la misma lo que obligará a aplicar un determinada energía para mantener el movimiento la cual depederá lógicamente de la intensidad de la corriente generada y del valor de la resistencia de carga (Rc), podiendo calcularse como el producto de la energía consumida en la carga por un número que expresará el rendimiento de la conversión.

Ahora bien, todos los fenómenos expresados coresponden al efecto opuesto al de un motor, es decir, que mediante el sistema descrito se  genera un corriente eléctrica a partir de un movimiento mecánico, lo que corresponde al principio de funcionamiento de un dinamo, sin embargo, al ser dicho efecto reversible, bastará con invertir los papeles y si en lugar de extraer corriente del inducido se le aplica un determinada tensión exterior,  se producirá la circulación de una cierta intensidad de corriente por las espiras y éstas comenzarán a girar, completándose así el motor.Es importante considerar que teniendo en cuenta la ley de Lenz mencionada anteriormente, al girar el se creará en el mismo una determinada tensión eléctrica, de sentido contrario al exterior que tenderá a oponerse al paso de la corriente par compensar así las variaciones de flujo magnético producidas, denominada  fuerza contraelectromotriz (FCEM)

Características

Normalmente los motores se caracterizan por dos parámetros que expresan directamente sus propiedades. Son los siguientes:

Velocidad de rotación
Par motor

La primera indica el número de vueltas por unidad de tiempo que produce el motor  y depende por completo de la forma de construcción del mismo, de la tensión de alimentación, así como de  la carga mecánica que se acople a su eje, aunque esto último no es aplicable a un tipo especial de motores denominados síncronos o sincrónicos. Las unidades empleadas son las revoluciones por minuto (r.p.m.) y las revoluciones por segundo (r.p.s.) .

 El par motor expresa la fureza de actuación de éste y depende lógicamente de la potencia que sea capaz de desarrollar dicho motor, así como de la velocidad de rotación del mismo. El concepto de par motor es importante a la hora de elegir un modelo para una aplicación determinada; se define como la fuerza que es capaz de vencer el motor multiplicada por el radio de giro. Esto significa que no supone lo mismo mover, por ejemplo, una polea que transmita una fuerza de 10kg., con un radio de 5cm. que con otro radio de 10cm., ya que el par motor será en el segundo caso el doble que el del primero. Las unidades de medida suelen ser el kg x cm  o bien, el g x cm.

Ademas de estos factores tambien se tienen en cuenta otros como son las condiciones de arranque, la potencia absorvida y el factor de potencia.

Exite una relación matemática que liga ambos parametros, ya que como se ha  exlicado no son independientes entre sí; dicha relación se expresa por la siguiente fórmula.

M= 0,95 x P/N

donde M es el par motor expresado en kg. por cm., P es la potencia absorvida en Watts y N es la velocidad en revoluciones por minuto.

Clasificación

En función de la corriente empleada para la alimentación del motor, que define por completo a las características constructivas del mismo, se pueden clasificar los motores en tres grandes grupos:

  1. Motores de corriente continua
  2. Motores de corriente alterna
  3. Motores universales

En los motores de CC es necesario aplicar al inducido una CC para obtener movimiento, así como al inductor en el caso de que éste sea del tipo de electroimán, conociendose a esta última con la denominación de corriente de excitación. Su construcción suele estar realizada mediante un inductor cilíndrico hueco (imán o electroimán) que contiene un cierto número de pares de polos magnéticos (Norte-Sur), que se conoce con el nombre de Estátor. En su interior se encuentra el inducido o rotor también cilíndrico sobre el cual se encuentar el arrollamiento. El eje está acoplado mediante rodamineto o cojinetes para permitir el giro y dispone de una superficie de contacto montada sobre un dispositivo llamado colector sobre el que se deslizan los contactos externos o escobillas.

 Los motores de corriente alterna son los que se alimentan de este tipo de excitación y comprende dos tipos con propiedades bastantes diferenciadas:

  1. Motores asíncronos
  2. Motores síncronos

Los motores asíncronos también conocidos con el nombre de motores de inducción, basan su funcionamiento en el efecto que produce un campo magnético alterno aplicado a un inductor o estátor sobre un rotor con una serie de espiras sin ninguna conexión externa sobre el que se inducen unas corrientes por el mismo efecto de un transformador.

Por lo tanto, en este sistema solo se necesita una conexión a la alimentación, que corresponde al estator, eliminandose, por lo tanto, el sistema de escobillas que se precisa en otros tipos de motores.

Los motores síncronos están constituidos por un inducido que suele ser fijo, formando por lo tanto el estator sobre el que se aplica una corriente alterna y por un inductor o rotor formado por un imán o electroimán que contiene un cierto número de pares de polos magnéticos. El campo variable del estator hace girar al rotor a una velocidad fija y constante de sincronismo que depende de la frecuncia alterna aplicada. De ello deriva su denominacion de síncronos. Los motores universales son aquellos que pueden recibir alimentación tanto continua como alterna, sin que por ello se alteren sus propiedades. Basicamente responden al mismo principio de construcción que los de CC pero excitando tanto a inductor como a inducido con la misma corriente, disponiendo a ambos en serie sobre el circuito de alimentación.

Motores de CC

Segun se ha mencionado, un motor de CC esta compuesto por un imán fijo que constituye el inductor y un bobinado denominado inducido que es capaz de girar en el interior del primero, cuando recibe una CC.

Suponiendo un motor elemental segun se representa en la figura, si sobre la bobina se hace pasar una corriente se creara en la misma en un campo magnético que la hara girar al crearse una fuerza de atracción y repulsion con respecto al imán del estator. Durante este giro se produce una serie de efectos que condicionan la construcción del motor, el primero de ellos se produce cuando se enfrentan dos polos de distinto signo, momento en que la atracción sera maxima y la bobina tiende a detenerse, sin embargo, por inercia pasará de largo pero el sentido de giro se invertirá y se volverá hacia atras deteniendose al cabo de unas cuantas oscilaciones. Ahora bien, si en el momento en que los polos opuestos se enfrentan, se invierte el sentido de la circulación de la corriente de la bobina, automaticamente se producira un  cambio de signo en los polos magnéticos creados por la misma, dando origen a que aparezcan unas fuerzas de repulsión entre ellos que obligará a aquella a seguir girando otra media vuelta, debiendose invertir la corriente nuevamente y así sucesivamente.

El metodo empleado para producir estos cambios es el de dividir el anillo colector por el que recibe la bobina la corriente de alimentación, en dos mitades iguales separadas por un material aislante, que giran deslizandose sobre dos contactos electricos fijos o escobillas uno conectado al polo positivo y el otro al negativo.

De esta forma dichos contactos cruzaran dos veces por cada rotación la división entre los semianillos, inviertendose asi el sentido de circulación de la corriente de la bobina.

Motores de CA

Motores de induccion (Asíncronos)

Una vez conocidos los motores de CC, se van a describir seguidamente los principios básicos y formas de operación de uno de los modelos que cuenta con un elevado número de aplicaciones, se trata del tipo asíncrono excitado por una corriente alterna, tambien conocido como motor de inducción.

El principio de funcionamiento de estos motores esta basado en los experimentos de Ferraris en el año 1885, el cual coloco un imán de herradura, con un eje vertical, que le permitia girar libremente en la proximidades de un disco metalico que tambien puede girar alrededor del mismo eje. Al hacer girar el imán, observo que, aunque no habia contacto,  el disco metálico tambien giraba  en el mismo sentido.

Este fenomeno se debe  a que la girar el imán  se crea un campo magnético giratorio y aparecen sobre el discounas corriente electricas inducidas las cuales recordando la ley de Lenz, tenderan a crear a su vez otro campo magnético que se oponga la iniial; el efecto resultanto es el giro del disco, ya que de esta forma, los extremos del imán estaran simpre frente a las mismas zonas de aquel y la situacion volvera a ser similar a la incial,ya que al girar ambos con la misma velocidad el efecto es el mismo que si estuvieran parados.

Sin embargo, en el instante en el que disco alcanza una velocidad exactamente igual que la del imán deasapareceran las corrientes inducidas sobre el mismo, con lo que se retrasará, lo que obligará a que aparezcan de nuevo dichas corrientes.De todo ello se obtiene el resultado de que el disco va siempre algo retrasado con respecto al imán; esto es, su velocidad es algo menor que la de aquel. Debido a ello a este sistema de le denomina asíncrono, que significa que no existe igualdad de velocidad o sincronismo.

El experimento descrito no se puede convertir directamente en un motor ya que no transforma una energía eléctrica y mecánica sino que unicamente efectúa un acoplamiento electromagnético por ser necesario tener que mover el imán para hacer girar el disco.

El método empleado para obtener un campo giratorio sin necesidad de tener que mover un imán consiste en emplear dos electrimanes formando un angulo recto a los que se aplica dos corrintes alternas de la misma frecuencia pero con una frecuencia de fase entre ellas de 90°. Al emplear una CA sinusoidal, se obtendra un campo que varía de la msma forma, que al combinarse con el otro similar a el pero con una magnitud diferente, debida a la diferencia de fase y con otra dferenciación creada por la misma situación, se produce el efecto deseado. Este conjunto de dos bobinados constituye el inductor o estator y provoca sobre el rotor, una velocidad de giro N = F, siendo F la frecuencia de la CA.

Rotor

El rotor de un motor suele contruirse en base a dos sistemas, aunque el principio de operación sea el mismo, que consiste en disponer de un sistema de espiras en cortocircuito devanadas o no sobre un nucleo de material ferromagnético. El objetivo de las espiras es hacer circular a traves de ellas las corrientes inducidas, para crear el campo de sentido contrario al producido por el estator.

El primer tipo de rotor que se va a considerar consiste en un cilindro formado por discos paralelos contiguos y aislados, provisto de ranuras situadas a lo largo de su superficie exterior sobre los que se encuentran las espiras. El segundo tipo de rotor está contituido por dos coronas conductoras unidas por barras también conductoras formando un cilindro hueco muy parecido a una jaula de animales, de donde toma su denominación, Jaula de ardilla, y es uno de los modelos más utilizados en la práctica, sobre todo en las aplicaciones de baja potencia.

El principio descrito antes para la generación de un campo giratorio por el estator, unicamente es aplicable en los casos en los que se disponga de las dos corrientes desfasadas 90° mencionadas. esto no sucede en las aplicaciones habituales en las que los motores se han de conectar a la red normal, que es monofásica, con lo que no existe campo magnético giratorio. El efecto sería entonces que el motor no arrancaría, aunque por un sistema mecánico externo se le obliga al rotor a iniciar el giro, se observará como, despues de eliminar la fuerza exterior, se mantendra la rotación, aumentando la velocidad hasta que alcanze la correspondiente a su régimen normal de funcionamiento. Esto se debe al que el campo monofásico aplicado se descompone en dos campos giratorios de la misma intensidad pero de sentido contrario cuyo efecto  resultante se anula; sin embargo, basta con producir un desequilibrio entre ellos para que se acentúe uno y se atenue el otro, dando lugar a un campo giratorio dominante que será capaz de hacer girar al inducido.

Arranque

Con objeto de evitar el sistema mecánico de arranque se suele incluir sobre el estator un segundo devanado llamado devanado de arranque, situado en una posición de angulo recto con el devanado principal. Al hacer pasar por este arrollamiento auxiliar una corriente  con una diferencia de fase proxima a 90° respecto a la que circula por el principal, se comportara el motor como difasico, produciendose un campo magnéticogiratorio poniendose en marcha el rotor, en cuyo momernto se puede suprimir dicha corriente auxiliar.

La forma de obtener la corriente de arranque con la diferencia de base mencionada es utilizando una reactancia (bobina o condensador) en serie con el arrollamiento auxiliar,  produciendose una corriente que aunque no esta desfasada exactamente a los 90° necesarios, resulta suficiente para el objetivo deseado.

Otro sistema empleado para el arranque de los motores asíncronos es el de situar dos grupos de espiras en cortocircuito arrolladas sobre el estator en una zona próxima al rotor. De esta forma, se obiene un desquilibrio de fase del campo magnético que actúa sobre el inducido, que es suficiente para que el motor arranque y se mantenga en rotación.

Par y velocidad

Las características de par y velocidad en un motor asíncrono están bastante relacionadas y normalmente se representan mediante una curva en la que se puede elegir el punto de funcionamiento más adecuado. Esto es lógico ya que cuando arranca el motor en ausencia de carga la velocidad del rotor tiende a ser igual a la del campo giratorio del estator, ya que basta con una pequeña diferencia entre ambas para que se creen en el inducido las corrientes necesarias para mantenerlo en rotación y por lo tanto el par desarrollado será muy debil debido a que unicamente será necesario vencer la resistencia de rozamiento del eje. Sin embargo, en el momento en que se acople una determinada carga mecánica al rotor, será necesario que el par aumente y se iguale al que se precisa para mover dicha carga.

Como consecuencia la velocidad disminuirá porque sobre el rotor aumentan las corrientes inducidas y estas son proporcionales a la diferencia de velocidad entre los campos del inductor y del inducido. A esta diferencia se la denomina dezlizamiento.

Debido a las características que presenta el motor en el momento del arranque, el par obtenido no es elevado y es siempre bastante inferior al par máximo que puede desarrollar el motor, por esto en los dispositivos empleados para la puesta en rotación se tiene en cuenta esta circunstancia con objeto de que el motor supere siempre esta fase inicial.

 Otro de los parametros que también debe ser tenido en cuenta, sobre todo en los motores de potencia medias o elevadas es el denominado "factor de potencia" que expresa la cifra de "potencia reactiva" que el motor emplea durante su funcionamiento. Se expresa como la relación entre la potencia real absorbida por el motor en watts y la potencia aparente que se define mediante el producto de la tensión aplicada por la corriente absorbida. Es decir, que el  factor de potencia es igual a W real / potencia aparente. A este factor tambien se le denomina cos  f

Motores síncronos

Los motores síncronos constituyen otro de los modelos más destacados del grupo de los de CA. Como su nombre indica, su característica más destacada es la del sincronismo, es decir, que su velocidad de rotación será constante y uniforme y estará regulada por la frecuencia de la corriente de alimentación.

Normalmente este tipo de motores está formado por un inductor movil o rotor y un inducido fijo o estator, intercambiandose sus funciones cn respecto al resto de modelos en los que la parte movil corresponde casi siempre al inducido.

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento es bastante simple y consiste en los efectos combinados del campo magnético constante del inductor, creado por el electroimán alimentado por CC o bien por un imán permanente y del inducido que contiene una serie de bobinados a los que se les aplica una CA.

Supongamos una estructura elemental, constituida por dos pares de devanados sobre nucleos magnéticos, representados por 1 y 2 y un imán permanente situado sobre un eje giratorio que se encuentra en el centro geométrico de los elementos citados anteriormente en una dirección perpendicular al plano formado por éstos. Al aplicar una CA a la pareja de bobinas 1 se creará en ellas un campo magnético que variara de intensidad y de sentido según las alternancias de la corriente. En un determinado intante el ampo será máximo entre ambas, creandose un polo norte en la zona superior de la bobina superior un sur en la zona inferior, otro norte en la cara superior de la bobina inferior y otro sur en la cara inferior; en este momento el imán será fuetemente atraido por ellas orientandose en sentido vertical. Si al mismo tiempo se aplica una segunda CA a la pareja de bobinas 2 cuya fase esté retrasada 90° con respecto a la anterior, el campo será nulo en el instante considerado debido a que la corriente pasa por el valor 0 y no ejercerá ninguna influencia. Sin embargo, comenzará a crecer seguidamente y a decrecer el producido por la bobina 1, haciendo que el imán gire hasta situarse  en posición horizontal, alineado con los bobinados 2; el proceso continúa al disminuir este segundo campo y comenzar a crecer el primero pero en sentido contrario al inicial, ya que la alternancia de la corriente ahora es negativa, con lo que se invertiran entre si los polos magnético señalados al comienzo. Ello hace que el imán continúe girando hasta ponerse otra vez vertical, pero con el norte hacia abajo y el sur hacia arriba. El paso siguiente corresponde a las bobinas 2 que tambien han invertido su campo, atrayendo otra vez al imán y manteniendo el giro. Esta secuencia se repetirá sucesivamente y el resultado obtenido será, como puede deducirse la transformación de una energía eléctrica en otra mecánica de rotación, propiedad fundamental de un motor

Velocidad

En nuestro caso el imán permanente o rotor dará una revolución por cada ciclo de la corriente, por lo tanto la velocidad de giro coincidirá con la frecuencia, ya que si esta es de, por ejemplo 50 Hz, producirá 50 giros completos en un segundo y como consecuencia el rotor dara 50 vueltas en el mismo tiempo, o lo que es equivalente a 50 rps.

Si en lugar de emplear un imán para el rotor se emplearan dos en angulo recto y unidos solidariamente al mismo eje y en vez de dos pares de bobinas desfadas empleáramos cuatro, el efecto resultante también sería una rotación, pero la velocidad de giro resultante sería la mitad de a anterior. Por lo tanto, puede definirse la velocidad de rotación de un motor síncrono por la fórmula siguiente:

N = f / P

donde N representa dicha velocidad en rps, f es la frecuencia de la CA y P el número de pares de polos que posee el inductor; así en el caso anterior, como el imán tiene dos pares de polos, la velocidad resultante será de 25 rps

Inductor e inducido

Algunos modelos de motores síncronos contienen el inducido en el interior del inductor, con lo que la parte movil será la exterior, siendo el principio de funcionamiento es similar al descrito anteriormente.

En ocasiones se sustituyen los imanes permanentes del estator por unos electroimanes, en este caso, es necesario aplicar una CC de excitación, con objeto de poder crear todos los pares de polos magnéticos que se precisan. Ademas y dado que estos electroimanes constituyen el rotor, siendo por lo tanto móviles, se requiere contar con un dispositivo capaz de producir los contactos eléctricos para el paso de dicha corriente durante la rotación como en el caso de los motores de CC. Para ello se emplean dos anillos conectores que resbalan sobre sendas escobillas de forma que el polo positivo permanezca simpre aplicado a uno de ellos y el negativo al otro.

Para las dos fases que se necesitan para el arranque y funcionamiento del motor se suele utilizar un condensador situado en serie con uno de los dos grupos de devanados. De esta forma la corriente se retrasara 90° aproximadamente al circular por este y alcanzara a las bobinas en las condiciones requeridas. si en lugar de situar el condensador en los bobinados mencionados y se cambiara a los otros, el efecto sería el de invertirse el sentido de rotación, manteniendose el resto de las carcterísticas sin ninguna variación.

 

 

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Revisado: 14 de Septiembre de 2001 .