FUNDAMENTOS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS.

En magnetismo se conoce la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un motor para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. De acuerdo con esto, todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los polos magnéticos iguales se repelen, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así el movimiento de rotación.

Un motor eléctrico opera primordialmente en base a dos principios: El de inducción, descubierto por Michael Faraday en 1831; que señala, que si un conductor se mueve a través de un campo magnético o está situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. Y el principio que André Ampére observo en 1820, en el que establece: que si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica o f.e.m. (fuerza electromotriz), sobre el conductor.

El movimiento giratorio de los motores de C.C. se basa en el empuje derivado de la repulsión y atracción entre polos magnéticos. Creando campos constantes convenientemente orientados en estator y rotor, se origina un par de fuerzas que obliga a que la armadura (también le llamamos así al rotor) gire buscando "como loca" la posición de equilibrio.

Gracias a un juego de conexiones entre unos conductores estáticos, llamados escobillas, y las bobinas que lleva el rotor, los campos magnéticos que produce la armadura cambian a medida que ésta gira, para que el par de fuerzas que la mueve se mantenga siempre vivo.

MOTOR DECORRIENTE CONTINUA

Un motor eléctrico de Corriente Continua es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos.

LAS PARTES FUNDAMENTALES DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA SON:

•ESTATOR: Es el que crea el campo magnético fijo, al que le llamamos Excitación. En los motores pequeños se consigue con imanes permanentes. Cada vez se construyen imanes más potentes, y como consecuencia aparecen en el mercado motores de excitación permanente, mayores.

•ROTOR: También llamado armadura. Lleva las bobinas cuyo campo crea, junto al del estator, el par de fuerzas que le hace gira. Núcleo del rotor: Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de acero, su función es proporcionar un trayecto magnético entre los polos para que el flujo magnético del devanado circule.

•ESCOBILLAS: Normalmente son dos tacos de grafito que hacen contacto con las bobinas del rotor. A medida que éste gira, la conexión se conmuta entre unas y otras bobinas, y debido a ello se producen chispas que generan calor. Las escobillas se fabrican normalmente de grafito, y su nombre se debe a que los primeros motores llevaban en su lugar unos paquetes hechos con alambres de cobre dispuestos de manera que al girar el rotor "barrían", como pequeñas escobas, la superficie sobre la que tenían que hacer contacto.

•COLECTOR: Los contactos entre escobillas y bobinas del rotor se llevan a cabo intercalando una corona de cobre partida en sectores. El colector consta a su vez de dos partes básicas:

•DELGAS: Son los sectores circulares, aislados entre sí, que tocan con las escobillas y a su vez están soldados a los extremos de los conductores que conforman las bobinas del rotor.

•MICAS: Son láminas delgadas del mismo material, intercaladas entre las delgas de manera que el conjunto forma una masa compacta y mecánicamente robusta.

EXCITACIÓN.

La forma de conectar las bobinas del estator es lo que se define como tipo de excitación. Podemos distinguir entre:

•INDEPENDIENTE : Los devanados del estator se conectan totalmente por separado a una fuente de corriente continua, y el motor se comporta exactamente igual que el de imanes permanentes. En las aplicaciones industriales de los motores de C.C. es la configuración más extendida.

•SERIE: Consiste en conectar el devanado del estator en serie con el de la armadura. Se emplea cuando se precisa un gran par de arranque, y precisamente se utiliza en los automóviles. Los motores con este tipo de excitación se embalan en ausencia de carga mecánica. Los motores con esta configuración funcionan también con corriente alterna.

•PARALELO: Estator y rotor están conectados a la misma tensión, lo que permite un perfecto control sobre la velocidad y el par.

•COMPOUND: Del inglés, compuesto, significa que parte del devanado de excitación se conecta en serie, y parte en paralelo. Las corrientes de cada sección pueden ser aditivas o sustractivas respecto a la del rotor, lo que da bastante juego, pero no es este el lugar para entrar en detalles al respecto.

VELOCIDAD DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA.

Como ya hemos dicho, la configuración más popular es la de excitación independiente, y a ella se refieren las dos expresiones que vienen a continuación:

1. La velocidad es proporcional al valor de la tensión media de C.C. esto es válido siempre que se mantengan constantes, las condiciones de excitación y el par mecánico resistente.

2. El valor de la tensión media aplicada a las conexiones de la armadura del motor se distribuye fundamentalmente de la forma:

U= (R x I) + E

U: Tensión media aplicada.

RxI: Caída de tensión debida a la corriente que circula por el inducido.

E: Fuerza contra electromotriz inducida (velocidad).

Según el punto (1), la velocidad se puede variar empleando rectificadores controlados para proporcionarle en todo momento la tensión media adecuada. Para medir su velocidad podemos emplear, según el punto (2), un método alternativo a la dinamo tacométrica y que consiste en restar a la ecuación (1) la caída de tensión (RxI) en la resistencia de las bobinas de armadura, (con amplificadores operacionales) quedándonos solo con el valor correspondiente a la fuerza contraelectromotriz (E), muestra directa de la velocidad.

UTILIZACIÓN DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA O CORRIENTE DIRECTA.

Se utilizan en casos en los que es importante el poder regular continuamente la velocidad del motor, además, se utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o baterías. Este tipo de motores debe de tener en el rotor y el estator el mismo número de polos y el mismo número de carbones.

LOS MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA PUEDEN SER DE TRES TIPOS:

•SERIE

•PARALELO

•COMPOUND

MOTOR SERIE: es un tipo de motor eléctrico de corriente continua en el cual el devanado de campo (campo magnético principal) se conecta en serie con la armadura. Este devanado está hecho con un alambre grueso porque tendrá que soportar la corriente total de la armadura.

Debido a esto se produce un flujo magnético proporcional a la corriente de armadura (carga del motor). Cuando el motor tiene mucha carga, el campo de serie produce un campo magnético mucho mayor, lo cual permite un esfuerzo de torsión mucho mayor. Sin embargo, la velocidad de giro varía dependiendo del tipo de carga que se tenga (sin carga o con carga completa). Estos motores desarrollan un par de arranque muy elevado y pueden acelerar cargas pesadas rápidamente.

Las principales características de este motor son:

- Se embala cuando funciona en vacío, debido a que la velocidad de un motor de corriente contínua aumenta al disminuir el flujo inductor y, en el motor serie, este disminuye al aumentar la velocidad, puesto que la intensidad en el inductor es la misma que en el inducido.

- La potencia es casi constante a cualquier velocidad.

- Le afectan poco la variaciones bruscas de la tensión de alimentación, ya que un aumento de esta provoca un aumento de la intensidad y, por lo tanto, del flujo y de la fuerza contraelectromotriz, estabilizandose la intensidad absorbida.

MOTOR SHUNT: El motor shunt o motor de excitación en paralelo es un motor eléctrico de corriente continua cuyo bobinado inductor principal está conectado en derivación o paralelo con el circuito formado por los bobinados inducido e inductor auxiliar.

Al igual que en los dinamos shunt, las bobinas principales están constituidas por muchas espiras y con hilo de poca sección, por lo que la resistencia del bobinado inductor principal es muy grande.

En el instante del arranque, el par motor que se desarrolla es menor que el motor serie, (también uno de los componentes del motor de corriente continua). Al disminuir la intensidad absorbida, el régimen de giro apenas sufre variación.

Es el tipo de motor de corriente continua cuya velocidad no disminuye mas que ligeramente cuando el par aumenta. Los motores de corriente continua en derivación son adecuados para aplicaciones en donde se necesita velocidad constante a cualquier ajuste del control o en los casos en que es necesario un rango apreciable de velocidades (por medio de un reóstato de campo). El motor en derivación se utiliza en aplicaciones de velocidad constante, como en los accionamientos para los generadores de corriente continua en los grupos motogeneradores de corriente continua

MOTOR COMPOUND: Un motor compound (o motor de excitación compuesta) es un Motor eléctrico de corriente continua cuya excitación es originada por dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducido, inductor serie e inductor auxiliar.

Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt. Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de armadura.

El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de armadura varía, y es directamente proporcional a la carga. El campo serie se conecta de manera tal que su flujo se añade al flujo del campo principal shunt. Los motores compound se conectan normalmente de esta manera y se denominan como compound acumulativo.

Esto provee una característica de velocidad que no es tan “dura” o plana como la del motor shunt, ni tan “suave” como la de un motor serie. Un motor compound tiene un limitado rango de debilitamiento de campo; la debilitación del campo puede resultar en exceder la máxima

velocidad segura del motor sin carga. Los motores de corriente continua compound son algunas veces utilizados donde se requiera una respuesta estable de par constante para un rango de velocidades amplio.

El motor compound es un motor de excitación o campo independiente con propiedades de motor serie. El motor da un par constante por medio del campo independiente al que se suma el campo serie con un valor de carga igual que el del inducido. Cuantos más amperios pasan por el inducido mas campo serie se origina claro esta siempre sin pasar del consumo nominal.

MOTOR DE INDUCCIÓN:

Los motores asincronos o de inducción son un tipo de motores eléctricos de corriente alterna. El primer prototipo de motor eléctrico capaz de funcionar con corriente alterna fue desarrollado y construido por el ingeniero Nikola Tesla y presentado en el American Institute of Electrical Engineers (en español, Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos, actualmente IEEE) en 1888.

El motor asíncrono trifásico está formado por un rotor, que puede ser de dos tipos: a) de jaula de ardilla; b) bobinado, y un estátor, en el que se encuentran las bobinas inductoras. Estas bobinas son trifásicas y están desfasadas entre sí 120º. Según el Teorema de Ferraris, cuando por estas bobinas circula un sistema de corrientes trifásicas, se induce un campo magnético giratorio que envuelve al rotor. Este campo magnético variable va a inducir una tensión en el rotor según la Ley de inducción de Faraday:

Entonces se da el efecto Laplace (ó efecto motor): todo conductor por el que circula una corriente eléctrica, inmerso en un campo magnético experimenta una fuerza que lo tiende a poner en movimiento. Simultáneamente se da el efecto Faraday (ó efecto generador): en todo conductor que se mueva en el seno de un campo magnético se induce una tensión.

El campo magnético giratoria, a velocidad de sincronismo, creado por el bobinado del estator, corta los conductores del rotor, por lo que se genera una fuerza electromotriz de inducción.

La acción mutua del campo giratorio y las corrientes existentes en los conductores del rotor, originan una fuerza electrodinámica sobre dichos conductores del rotor, las cuales hacen girar el rotor del motor.

La diferencia entre las velocidades del rotor y el campo magnetico se denomina deslizamiento.

Constitución del motor asíncrono:

Circuito magnético

La parte fija del circuito magnético (estator) es un anillo cilíndrico de chapa magnética ajustado a la carcasa que lo envuelve. La carcasa tiene una función puramente protectora. En la parte interior del estator van dispuestos unas ranuras donde se coloca el bobinado correspondiente.

En el interior del estator va colocado el rotor, que es un cilindro de chapa magnética fijado al eje. En su periferia van dispuestas unas ranuras en las que se coloca el bobinado correspondiente.

El entrehierro de estos motores es constante en toda su circunferencia y su valor debe ser el mínimo posible

Circuitos eléctricos:

Los dos circuitos eléctricos van situados uno en las ranuras del estator (primario) y otro en las del rotor (secundario), que esta cortocircuitado.

El rotor en cortocircuito puede estar formado por bobinas que se cortocircuitan en el exterior de la maquina directamente o mediante reóstatos; o bien, puede estar formado por barras de cobre colocadas en las ranuras, que han de ser cuidadosamente soldadas a dos anillos del mismo material, llamados anillos de cortocircuito. Este conjunto de barras y anillos forma el motor jaula de ardilla

También existen motores asíncronos monofásicos, en los cuales el estator tiene un devanado monofásico y el rotor es de jaula de ardilla. Son motores de pequeña potencia y en ellos, en virtud del Teorema de Leblanc, el campo magnético es igual a la suma de dos campos giratorios iguales que rotan en sentidos opuestos.

Conceptos básicos de los motores de inducción

La velocidad de rotación del campo magnético o velocidad de sincronismo está dada por:

donde fe es la frecuencia del sistema, en Hz, y p es el número de pares de polos en la máquina. Estando así la velocidad dada en revoluciones por minuto (rpm).

El voltaje inducido en cierta barra de rotor está dado por:

donde

: velocidad de la barra en relación con el campo magnético

: vector de densidad de flujo magnético

: longitud del conductor en el campo magnético

: representa la operación "producto vectorial"

Lo que produce el voltaje inducido en la barra del rotor es el movimiento relativo del rotor en comparación con el campo magnético del estator.

Tipos Constructivos

El motor de jaula de ardilla consta de un rotor constituido por una serie de conductores metálicos (normalmente de aluminio) dispuestos paralelamente unos a otros, y cortocircuitados en sus extremos por unos anillos metálicos, esto es lo que forma la llamada jaula de ardilla por su similitud gráfica con una jaula de ardilla. Esta 'jaula' se rellena de material, normalmente chapa apilada. De esta manera, se consigue un sistema n-fásico de conductores (siendo n el número de conductores) situado en el interior del campo magnético giratorio creado por el estator, con lo cual se tiene un sistema físico muy eficaz, simple, y muy robusto (básicamente, no requiere mantenimiento).

El motor de rotor bobinado tiene un rotor constituido, en vez de por una jaula, por una serie de conductores bobinados sobre él en una serie de ranuras situadas sobre su superficie. De esta forma se tiene un bobinado en el interior del campo magnético del estator, del mismo número de polos (ha de ser construido con mucho cuidado), y en movimiento. Este rotor es mucho más complicado de fabricar y mantener que el de jaula de ardilla, pero permite el acceso al mismo desde el exterior a través de unos anillos que son los que cortocircuitan los bobinados. Esto tiene ventajas, como la posibilidad de utilizar un reóstato de arranque que permite modificar la velocidad y el par de arranque, así como el reducir la corriente de arranque.

En cualquiera de los dos casos, el campo magnético giratorio producido por las bobinas inductoras del estator genera unas corrientes inducidas en el rotor, que son las que producen el movimiento.

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.

Los devanados inductores en el estátor 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.

Uso en motores sincrónicos:

Los motores síncronos de CA trifásicos deben utilizar otros tipos de rotores aunque pueden emplear una bobina de jaula de ardilla para permitir que alcancen la velocidad de sincronismo en el arranque. Una vez funcionando a la velocidad síncrona, el campo magnético está rotando a la misma velocidad que el rotor, así que no se inducirá ninguna corriente en las bobinas de la jaula de la ardilla y no tendrán ningún otro efecto en la operación del motor síncrono.

CLASIFICACION DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN:

Según el diseño de la jaula (NEMA):

Motor de diseño NEMA A:

Torque alto, deslizamiento nominal bajo y corriente de arranque alta.

Es un motor de inducción con rotor tipo jaula de ardilla, diseñado con características de torque y corriente de arranque que exceden los valores correspondientes al diseño NEMA B, son usados para aplicaciones especiales donde se requiere un torque máximo mayor que el normal, para satisfacer los requerimientos de sobrecargas de corta duración.

Estos motores también son aplicados a cargas que requieren deslizamientos nominales muy bajos y del orden del 1% o menos (velocidades casi constantes).

Motor de diseño NEMA B:

Torque normal, corriente de arranque normal y deslizamiento nominal normal.

Son motores con rotor tipo jaula de ardilla diseñados con características de torque y corriente de arranque normales, así como un bajo deslizamiento de carga de aproximadamente 4% como máximo. En general es el motor típico dentro del rango de 1 a 125 HP. El deslizamiento a plena carga es de aproximadamente 3%.

Este tipo de motor proporcionará un arranque y una aceleración suave para la mayoría de las cargas y también puede resistir temporalmente picos elevados de carga sin detenerse.

Motor de diseño NEMA C:

Torque alto, deslizamiento nominal normal, corriente de arranque normal.

Son motores de inducción con rotor de doble jaula de ardilla, que desarrollan un alto torque de arranque y por ello son utilizados para cargas de arranque pesado. Estos motores tienen un deslizamiento nominal menor que el 5%.

Motor de diseño NEMA D:

Torque alto, alto deslizamiento nominal, baja corriente de arranque.

Este motor combina un alto torque de arranque con un alto deslizamiento nominal. Generalmente se presentan dos tipos de diseño, uno con deslizamiento nominal de 5 a 8% y otro con deslizamiento nominal de 8 a 13%. Cuando el deslizamiento nominal puede ser mayor del 13%, se les denomina motores de alto deslizamiento o muy alto deslizamiento (ULTRA HIGH SLIP). El torque de arranque es generalmente de 2 a 3 veces el par nominal aunque para aplicaciones especiales puede ser más alto. Estos motores son recomendados para cargas cíclicas y para cargas de corta duración con frecuentes arranques y paradas.

Motores de diseño NEMA F:

Torque de arranque bajo, corriente de arranque baja, bajo deslizamiento nominal.

Son motores poco usados, destinándose a cargas con frecuentes arranques. Pueden ser de altos torques y se utiliza en casos en los que es importante limitar la corriente de arranque.

PLACA DE DATOS DE UN MOTOR ELECTRICO

Placa de datos.

a) Para motores trifásicos. Cada motor debe contar con una placa de datos, fácilmente visible y firmemente sujeta al motor con remaches del mismo material que las placas. Las placas de datos deben ser de acero inoxidable, la pintura del motor no debe cubrir las placas de datos, la información debe ser grabada en el metal de las placas de tal manera que pueda ser leída aunque desaparezcan la coloración e impresiones de superficie.

b) Para motores monofásicos. Cada motor debe contar con una placa de datos, en idioma español, esta debe ser de poliéster y la pintura no debe cubrir la placa de datos. La siguiente información o datos son los mínimos que debe llevar la placa de datos y placas auxiliares, de cualquier motor de corriente alterna monofásico o trifásico, en forma indeleble y en lugar visible.

_ Nombre o marca registrada del fabricante _ Modelo _ Designación de armazón. _ Potencia nominal en kW (cp). _ Tensión nominal en volts. _ Corriente nominal a carga plena en amperes. _ Corriente a factor de servicio. _ Frecuencia eléctrica en Hz. _ Monofásico o trifásico. _ Frecuencia de rotación a carga plena en r/min o min-1 _ Diagrama de conexiones. _ Factor de servicio. _ Tipo servicio (continuo o intermitente). _ Posición del Motor. _ Clase de aislamiento. _ Máxima temperatura ambiente. _ Indicar temperatura ambiente a 1000 m.s.n.m. _ Letra de clave para kVA de rotor bloqueado por kW (cp). _ Letra de diseño. _ Marcar en la placa: Eficiencia Premium _ La eficiencia nominal a carga plena en por ciento (2 dígitos enteros y 1 decimal) _ Designación de cojinetes. _ Sistema de lubricación y característica del lubricante. _ Potencia de calefactores en watts. _ Tensión de alimentación de calefactores en volts. _ Características de rodamientos o cojinetes. _ Símbolo NOM-ANCE de autorización para la comercialización en México. _ La leyenda “Hecho en México” o indicación del país de origen. _ Número de serie. _ Peso del motor en Kg. _ Sentido de rotación del eje o flecha. En los motores a prueba de explosión, se debe incluir una placa adicional donde se indique, clase, grupo y división para la cual fue construido avalada por UL o equivalente.

CONCLUSIÓN:

Un motor eléctrico funciona gracias a la repulsión magnética, el estator y el rotor tienen que tener polos alternados entre sí, ya que los polos iguales se repelen y los contrarios se atraen, así se genera el movimiento rotatorio del rotor.

Los motores de corriente continua están formados por un rotor, un estator, escobillas y colector. Estos motores se dividen en motor serie, motor shunt o paralelo y motor compound.

Los motores serie tienen sus bobinas inductoras conectadas en serie con el inducido y la línea, y sus devandos se hacen con alambres gruesos.

En los motores shunt, el arrollamiento del inductor está conectado directamente a la línea o a la fuente que suministra la corriente en paralelo con su inducido.

Los motores compound tienen algunas de las características d elos motores shunt y seria ya que tienen en cada polo un arrollamiento shunt y otro serie.

Los motores de inducción son un tipo de motores de corriente alterna. Estos motores tienen un devanado de estator y un inducido bobinado con alambre aislado con un conmutador y escobillas sobre el conmutador.

Los motores con rotor de jaula de ardilla suelen llamarse motores de velocidad constante, cuando no está cargado suele funcionar cerca de la velocidad síncrona, pero al cargarlo tiene del 3 al 5% de deslizamiento.

Los motores de inducción se clasifican según NEMA en: A: Torque alto, deslizamiento nominal bajo y corriente de arranque alta. B: Torque normal, corriente de arranque normal y deslizamiento nominal normal. C: Torque alto, deslizamiento nominal normal, corriente de arranque normal. D: Torque alto, alto deslizamiento nominal, baja corriente de arranque. F: Torque de arranque bajo, corriente de arranque baja, bajo deslizamiento nominal.

En cuanto a las placas de datos en los motores, estas deben estar visibles, sin ser cubiertas por la pintura de la carcasa del motor firmemente sujeta a la carcasa, la información debe ser grabada en el metal para que pueda leerse aún cuando se haya despintado esta. Debe llevar el nombre del fabricante, modelo, tensión nominal, etc.

Motores de corriente directa

Introducción

Los motores eléctricos de corriente continua son el tema de base que se amplía en el siguiente trabajo, definiéndose en el mismo los temas de más relevancia para el caso de los motores eléctricos de corriente continua, como lo son: su definición, los tipos que existen, su utilidad, distintas partes que los componen, clasificación por excitación, la velocidad, la caja de bornes y otros más.

Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, par 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.)

Motor de corriente continúa

Un motor eléctrico de Corriente Continua es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos.

FUNDAMENTOS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS

N y el rotor, ya que los polos magnéticos iguales se repelen, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así el movimiento de rotación.

Un motor eléctrico opera primordialmente en base a dos principios: El de inducción, descubierto por Michael Faraday en 1831; que señala, que si un conductor se mueve a través de un campo magnético o está situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. Y el principio que André Ampére observo en 1820, en el que establece: que si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica o f.e.m. (fuerza electromotriz), sobre el conductor.

El movimiento giratorio de los motores de C.C. se basa en el empuje derivado de la repulsión y atracción entre polos magnéticos. Creando campos constantes convenientemente orientados en estator y rotor, se origina un par de fuerzas que obliga a que la armadura (también le llamamos así al rotor) gire buscando "como loca" la posición de equilibrio.

Gracias a un juego de conexiones entre unos conductores estáticos, llamados escobillas, y las bobinas que lleva el rotor, los campos magnéticos que produce la armadura cambian a medida que ésta gira, para que el par de fuerzas que la mueve se mantenga siempre vivo.

Utilización de los motores de corriente directa [C.D.] o corriente continua [C.C.]

Se utilizan en casos en los que es importante el poder regular continuamente la velocidad del motor, además, se utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o baterías. Este tipo de motores debe de tener en el rotor y el estator el mismo número de polos y el mismo número de carbones.

LOS MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA PUEDEN SER DE TRES TIPOS:

* SERIE

* PARALELO

* COMPOUND

MOTOR SERIE: es un tipo de motor eléctrico de corriente continua en el cual el devanado de campo (campo magnético principal) se conecta en serie con la armadura. Este devanado está hecho con un alambre grueso porque tendrá que soportar la corriente total de la armadura.

Debido a esto se produce un flujo magnético proporcional a la corriente de armadura (carga del motor). Cuando el motor tiene mucha carga, el campo de serie produce un campo magnético mucho mayor, lo cual permite un esfuerzo de torsión mucho mayor. Sin embargo, la velocidad de giro varía dependiendo del tipo de carga que se tenga (sin carga o con carga completa). Estos motores desarrollan un par de arranque muy elevado y pueden acelerar cargas pesadas rápidamente.

MOTOR SHUNT O MOTOR PARALELO: es un motor de corriente continua cuyo bobinado inductor principal está conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducidos e inductor auxiliar.

Al igual que en las dinamos shunt, las bobinas principales están constituidas por muchas espiras y con hilo de poca sección, por lo que la resistencia del bobinado inductor principal es muy grande.

MOTOR COMPOUND: es un motor de corriente continua cuya excitación es originada por dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducido, inductor serie e inductor auxiliar.

Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt. Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de armadura.

El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de armadura varía, y es directamente proporcional a la carga. El campo serie se conecta de manera tal que su flujo se añade al flujo del campo principal shunt. Los motores compound se conectan normalmente de esta manera y se denominan como compound acumulativo.

Esto provee una característica de velocidad que no es tan "dura" o plana como la del motor shunt, ni tan "suave" como la de un motor serie. Un motor compound tiene un limitado rango de debilitamiento de campo; la debilitación del campo puede resultar en exceder la máxima velocidad segura del motor sin carga. Los motores de corriente continua compound son algunas veces utilizados donde se requiera una respuesta estable de par constante para un rango de velocidades amplio.

LAS PARTES FUNDAMENTALES DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA SON:

* ESTATOR: Es el que crea el campo magnético fijo, al que le llamamos Excitación. En los motores pequeños se consigue con imanes permanentes. Cada vez se construyen imanes más potentes, y como consecuencia aparecen en el mercado motores de excitación permanente, mayores.

* ROTOR: También llamado armadura. Lleva las bobinas cuyo campo crea, junto al del estator, el par de fuerzas que le hace girar.

Inducido de C.C.

* ESCOBILLAS: Normalmente son dos tacos de grafito que hacen contacto con las bobinas del rotor. A medida que éste gira, la conexión se conmuta entre unas y otras bobinas, y debido a ello se producen chispas que generan calor. Las escobillas se fabrican normalmente de grafito, y su nombre se debe a que los primeros motores llevaban en su lugar unos paquetes hechos con alambres de cobre dispuestos de manera que al girar el rotor "barrían", como pequeñas escobas, la superficie sobre la que tenían que hacer contacto.

* COLECTOR: Los contactos entre escobillas y bobinas del rotor se llevan a cabo intercalando una corona de cobre partida en sectores. El colector consta a su vez de dos partes básicas:

* DELGAS: Son los sectores circulares, aislados entre sí, que tocan con las escobillas y a su vez están soldados a los extremos de los conductores que conforman las bobinas del rotor.

* MICAS: Son láminas delgadas del mismo material, intercaladas entre las delgas de manera que el conjunto forma una masa compacta y mecánicamente robusta.

Visto el fundamento por el que se mueven los motores de C.C., es facil intuir que la velocidad que alcanzan éstos dependen en gran medida del equilibrio entre el par motor en el rotor y el par antagonista que presenta la resistencia mecánica en el eje.

EXCITACIÓN.

La forma de conectar las bobinas del estator es lo que se define como tipo de excitación. Podemos distinguir entre:

* INDEPENDIENTE: Los devanados del estator se conectan totalmente por separado a una fuente de corriente continua, y el motor se comporta exactamente igual que el de imanes permanentes. En las aplicaciones industriales de los motores de C.C. es la configuración más extendida.

* SERIE: Consiste en conectar el devanado del estator en serie con el de la armadura. Se emplea cuando se precisa un gran par de arranque, y precisamente se utiliza en los automóviles. Los motores con este tipo de excitación se embalan en ausencia de carga mecánica. Los motores con esta configuración funcionan también con corriente alterna.

* PARALELO: Estator y rotor están conectados a la misma tensión, lo que permite un perfecto control sobre la velocidad y el par.

* COMPOUND: Del inglés, compuesto, significa que parte del devanado de excitación se conecta en serie, y parte en paralelo. Las corrientes de cada sección pueden ser aditivas o sustractivas respecto a la del rotor, lo que da bastante juego, pero no es este el lugar para entrar en detalles al respecto.

Velocidad del motor de corriente continúa

Como ya hemos dicho, la configuración más popular es la de excitación independiente, y a ella se refieren las dos expresiones que vienen a continuación:

1. La velocidad es proporcional al valor de la tensión media de C.C. esto es válido siempre que se mantengan constantes, las condiciones de excitación y el par mecánico resistente.

2. El valor de la tensión media aplicada a las conexiones de la armadura del motor se distribuye fundamentalmente de la forma:

(1)

U: Tensión media aplicada.

RxI: Caída de tensión debida a la corriente que circula por el inducido.

E: Fuerza contra electromotriz inducida (velocidad).

Según el punto (1), la velocidad se puede variar empleando rectificadores controlados para proporcionarle en todo momento la tensión media adecuada. Para medir su velocidad podemos emplear, según el punto (2), un método alternativo a la dinamo tacométrica y que consiste en restar a la ecuación (1) la caída de tensión (RxI) en la resistencia de las bobinas de armadura, (con amplificadores operacionales) quedándonos solo con el valor correspondiente a la fuerza contraelectromotriz (E), muestra directa de la velocidad.

En nuestro entorno, tendemos a pensar que allá donde encontremos motores de corriente continua es muy posible que sea debido a la necesidad de tener que poder variar la velocidad de forma sencilla y con gran flexibilidad.

Caja de bornes

El bornero de un motor de C.C. suele proporcionar dos parejas de conexiones, una para la excitación, y otra para la armadura. Al tratarse de devanados para corriente continua sus bornes estarán coloreados, habitualmente de rojo y negro.

Las tomas de estator y rotor deben ir debidamente diferenciadas, pero aún sin señales puede distinguirse entre unas y otras porque las de la armadura son de sección sensiblemente mayor.

Conclusión

Un motor eléctrico de corriente continua es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos, que para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos.

El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales:

- Rotor

- Estator

Dentro de éstas se ubican los demás componentes como:

- Escobillas y porta escobillas

- Colector

- Eje

- Núcleo y devanado del rotor

- Imán Permanente

- Armazón

-Tapas o campana

Los motores de corriente continua son de menos utilización que los motores de corriente alterna en el área industrial, debido que los motores de corriente alterna se alimentan con los sistemas de distribución de energías "normales".

1. Fundamentos a máquinas de corriente directa

Las máquinas de corriente directa son generadores que convierten la energía mecánica en energía eléctrica continua, la mayoría de las maquinas son similares a las máquinas de corriente alterna en el aspecto de que tienen voltajes y corrientes alternas internamente, y que tienen una salida de corriente directa ya que consta de un conmutador que tiene la función de convertir los voltajes internos de alterna en voltaje continuo en sus terminales. La máquina se puede operar como generador o motor dependiendo el uso que se desea, solo es cuestión de la dirección del flujo de potencia que circule atreves de ella misma.

2. Construcción y tipos de Devanados de generadores de corriente directa

Construcción

El generador de corriente directa consta de dos partes que son el estator (parte estacionaria) y el rotor (parte que gira). El estator está conformada con una estructura que sirve como soporte al rotor, las partes polares que son las que se proyectan hacia adentro y proporcionan un camino para el flujo magnético de la máquina. Los extremos de las piezas polares que están cerca del rotor se extienden sobre la superficie de rotor para distribuir su flujo sobre la superficie del rotor (zapatas polares), la superficie expuesta de una zapata polar se llama cara polar y al rotor se le denomina como entrehierro.

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Figura 1. Diagrama simplificado de una máquina de cd.

Construcción de los polos y dela estructura: Antiguamente los polos de las maquinas estaban formados por una pieza de metal fundido y alrededor de este se acomodaban los devanados. Actualmente estos están fabricados totalmente por un material laminado a causa de que hay un contenido de corriente alterna más grande en la potencia que se suministra a los motores de corriente directa controlados por paquetes de controladores en estado sólido. Lo que da perdidas de corriente pequeñas mayores a la de los estatores de la máquina.

La construcción de las caras de los polos está un poco más lejos de la superficie de la parte giratoria (rotor) que el centro de la cara polar para incrementar la reluctancia en los extremos de la cara polar con el fin de reducir el efecto de agrupamiento de flujo a causa del inducido en la máquina.

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Figura 2. Conjunto de polo de campo principal del motor de dc.

Construcción del rotor: Consta de un eje maquinado a partir de una barra de acero que se le construye un núcleo montado sobre él. El núcleo está conformado de por laminas troqueladas de una placa de acero con ranuras para sostener el devanado del inducido. El conmutador está construido sobre el eje del rotor en un extremo del núcleo.

Construcción del conmutador y las escobillas: El conmutador está compuesto de barras de cobre que están aisladas con mica, las barras de cobre con esa protección resisten el desgaste normal que sufrirán durante el uso del motor.

Las escobillas están fabricadas de carbón, grafito, metal grafitado o una mezcla de carbón y grafito. Tienen una conductividad alta para reducir las pérdidas eléctricas y un bajo coeficiente de fricción para reducir el desgaste excesivo.

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Figura 3. Polos con entrehierro en los extremos, uno achaflanado y el otro excéntrico

Aislamiento de los devanados: Este tipo de protección hacia los devanados es muy importante porque si no se llega a realizar puede causar un cortocircuito en el motor y su reparación es de gran costo.

Una forma de evitar que se derrita la protección en los devanados es reducir la temperatura de los mismos, suministrándole corriente de aire frio sobre ellos, un punto a considerar que el devanado limita la potencia máxima de la máquina para suministrar continuamente.

Existen tres clases de aislamiento de NEMA (National Electrical Manufacturers Association, es la que definió en estados unidos las clases de sistemas de aislamientos) para motores de corriente continua de caballos de fuerza enteros: A, B, F y H. Cada clase representa una temperatura permisible en el devanado más alta que la clase anterior.

El rango de temperatura del aislamiento de devanado es: para la clase A su temperatura máxima es de 70 °C. 100 °C para clase B, 130 °C para clase F y 155 °C para la H.

Tipos de Devanados

Devanados imbricados: también es llamado devanado en serie sencillo, su construcción es la más simple que se usa en máquinas de corriente directa modernas. Consta de bobinas que contienen una o más vueltas de alambre en dos extremos de cada bobina salen de segmentos de conmutador adyacentes.

Se caracteriza por tener muchas trayectorias de corriente paralelos a través de la maquina como polos en la misma con ventajas de ser utilizadas en máquinas que requieran corrientes altas y voltajes bajos. Sin embargo, el hecho de que haya muchas trayectorias ocasiona desgaste en el rodamiento y sus alambres inferiores están mas cerca de las caras polares que de los superiores, ocasionando mayor voltaje en las caras polares inferiores que en las superiores.

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Figura 4. Motor de cd con 6 polos con desgaste de rodamiento en parte inferior.

Devanado ondulado: También llamado devanado en serie, este es una manera alternativa de conectar las bobinas del rotor a los segmentos del conmutador. En el devanado ondulado simple se conecta una bobina si y otra no en el segmento del conmutador adyacente al principio de la primera bobina. Entonces hay dos devanados en serie entre los segmentos del conmutador adyacente.

Los devanados ondulados son convenientes en la construcción de máquinas de alto voltaje por el número de bobinas que tienen en serie entre los segmentos del conmutador te da la posibilidad de tener mayor voltaje que con un devanado imbricado.

Figura 5. Maquina con devanado ondulado con 4 polos.

Devanado de pata de rana: También llamado devanado auto compensador, consta de un devanado imbricado y de un devanado ondulado que se combinan.

Los compensadores en un devanado imbricado están conectados en puntos que tiene el mismo voltaje en los devanados, los ondulados se extienden entre puntos que tienen esencialmente el mismo voltaje bajo caras polares sucesivas con la misma polaridad, que son las mismas que los compensadores unen.

Un devanado pata de rana combina el imbricado con el ondulado de tal forma que los devanados del ondulado funcionen como un tipo de compensador para el otro devanado.

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Figura 6. Bobina con devanado pata de rana.

3- Partes Físicas

En lo fundamental de los máquinas de corriente directa, se compone de varios elementos pero los más importante son el estator, cascara, rotor, caja de conexiones, tapas y cojinetes, un punto importante es que un motor funciona solamente con el estator y el rotor.

Estator: opera como base, permitiendo que se lleve a cabo la rotación del motor, este no se mueve mecánicamente pero si magnéticamente, este está conformado por láminas de acero al silicio que sirven para que pase un flujo magnético con facilidad en la parte metálica del estator.

Rotor: este es un elemento de transferencia mecánica del cual depende de la conversión de energía mecánica a eléctrica.

Cascara: es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, del cual depende el tipo, diseñó y su aplicación.

Base: es el elemento que soporta la fuerza de la operación de la máquina.

Caja de conexiones: es un elemento de la máquina que protege a los conductores, alimenta a la máquina, protegiéndolos de la operación del mismo.

Tapas: elementos que sostienen a los cojinetes o rodamientos que soportan la acción del rotor.

Cojinetes: son llamados como rodamientos, ayudan al rotor para que opere, se utiliza para sostener y fijar los ejes, también para reducir la fricción con el fin de consumir menos potencia.