Motores eléctricos Copyright © Jorge Rodríguez Araújo,
[email protected] [email protected] 5 de julio de 2009
Introducción
Motores de corriente alterna
Los motores motores eléctricos eléctricos presentan presentan innumerables innumerables vent venta ajas jas
grac gracia iass
(con (contr trol olab abil ilid idad ad,,
a
su fiab fiabiilida lidad d
prec precis isió ión n
y
y
fác fácil
repe repeti tibi bili lida dad) d)..
Los motor motores es AC son genera generalme lmente nte asíncr asíncrono onoss
con control trol
trifásicos de rotor en jaula (≈ 90%) aunque pueden ser
Pero Pero a
síncr síncrono onos, s, o monofá monofásic sicos os si la potenc potencia ia reque requerid rida a es
igua iguald ldad ad de pote potenc ncia ia,, son son más más pesa pesado doss que que los los
baja.
neumáticos e hidráulicos, si no se tiene en cuenta que
Motores asíncronos
estos dos necesitan de una unidad de compresión que
Los motores de inducción o asíncronos presentan
proporcione la potencia.
velocidad variable, no alcanzando nunca la velocidad de
Los Los moto motore ress eléc eléctr tric icos os empl emplea ean n la corr corrie ient nte e
sincronismo, momento en el cual se anularía el par de
eléc eléctr trica ica para para gene genera rarr el movi movimi mien ento to de rotaci otación ón,,
giro.
pudiendo ser de corriente alterna (AC) o continua (DC).
El estator actúa de inductor al ser alimentado por
Principio de funcionamiento
una corriente trifásica que genera un campo magnético
Las máquinas eléctricas rotativas fundamentan su
giratorio que arrastra al rotor al provocar la aparición del
funcionamiento en la fuerza de Lorentz, que es aquella
par de giro giro por medio de la circul circulaci ación ón de corrien corriente te
que aparece sobre una carga cuando se encuentra bajo
indu induci cida da en el rotor otor,, para para lo que se encu encuen entr tra a
los efectos de un campo eléctrico más la debida a la
cortocircuitado.
acción de un campo magnético si esa carga se encuentra
Este tipo de motores también son conocidos como
en movimiento.
moto motore ress de jaul jaula a de ardi ardill lla a dado dado que que el roto rotorr se encuentra formado por una serie de barras de aluminio
=q E F v ∧ B
cortocircuitadas en los extremos mediante unos anillos
Dado Dado que la corrie corriente nte eléctri eléctrica ca son cargas cargas en
con los que se constituye la jaula.
movimiento, cuando circula corriente por un conductor
Es precisamente por esta característica por la que
que se encuen encuentra tra sometid sometido o a un campo campo magnét magnético ico,,
no presentan problemas de calentamiento, su potencia
aparecerá una fuerza sobre dicho conductor.
es mayor que la de los motores de corriente continua de
Así, al igual que en toda máquina rotativa, los
igual peso. Además, no presentan mantenimiento.
motore motoress eléctr eléctrico icoss se encont encontrar rarán án formad formados os por dos órganos órganos principales, principales, uno fijo denominado denominado estator y la
Como se dijo, estos motores no presentan una
parte parte móvil móvil o rotor rotor,, donde donde normal normalmen mente te uno actuar actuará á
velocidad fija, dado que esta se desvía de la velocidad
como productor del campo magnético (inductor) y el otro
de sincronismo, que es aquella igual a la del campo
como asiento de los efectos de dicho campo (inducido).
magnét magnético ico girator giratorio io que provo provoca ca el movimi movimient ento o de rotación.
1
Así,
esa
desviación ión
de
la
veloc locida idad
de
Pued Pueden en
ser ser
con con
esco escobi bill llas as,,
sin sin
esco escobi bill llas as
func funcio iona nami mien ento to fren frente te a la de sincr sincron onis ismo mo qued queda a
(brushless) o paso a paso, aunque estos dos últimos
establ estableci ecida da a través través del desliza deslizamie miento nto (slip) (slip),, que irá
presentan potencias limitadas.
desde desde uno, uno, cuando cuando se encuen encuentra tra bloque bloqueado ado,, a cero, cero,
Motores con escobillas
según se aproxime a la velocidad de sincronismo.
s =
En los motores de corriente continua el inductor se sitúa en el estátor, que al ser alimentado genera un
n s – n
[deslizamiento]
n s
La velo velocid cidad ad de sinc sincro roni nism smo o (
camp campo o magn magnét étic ico o fijo fijo (en (en motor motores es pequ pequeñ eños os está está cons consti titu tuid ido o por por iman imanes es perm perman anen ente tes) s).. En el roto rotorr
n s ) qued queda a
establecida por el número de pares de polos (
bobin bobinad ado o se gene genera ra,, por por medi medio o de la alim alimen enta taci ción ón
p ),
secuencial de sus bobinas, un segundo campo que busca
característico de la máquina y por la frecuencia de la
f ).
corriente de alimentación (
n s =
la alineación con el primero, lo que provocará el giro.
60⋅ f
p
Para poner en conducción las bobinas de forma secuencial se utiliza un conmutador mecánico formado [rpm]
por el colector de delgas y las escobillas. Así, un anillo sec seccion cionad ado o que que se sitú sitúa a en el rotor otor per permite mite la
Así, Así, se tien tiene e que que la velo veloci cida dad d de un moto motorr
conmutación de la alimentación entre las bobinas según
asíncrono se puede controlar de modo aproximado por
se encuentren en contacto con las escobillas. De este
medio del empleo de un variador de frecuencia.
modo solo será alimentada una bobina en cada instante.
Curva par/velocidad
Estas escobillas son el principal inconveniente de
Motor a síncrono
los motores de corriente continua dado que debido al
250
desga desgast ste e
200
prod produc ucid ido o
por por
el
rozam rozamie ient nto o
nece necesi sita tan n
mant manten enim imie ient nto, o, por por ello ello,, en apli aplica caci cion ones es de baja baja
] 150 m · N [
potencia están cayendo rápidamente en desuso frente a
100
los brushless.
M
50
Motores sin escobillas
0
Los motores de corriente continua sin escobillas, 0
200
40 0
600
800 1000 1200 1400 160 0
más más
n [rpm]
con conocid cidos
por por
su
den denomin ominac aciión
en
ingl inglés és
“brushless”, emplean conmutación electrónica para su
Debido a que esta clase de motores presenta una
accionamiento, eliminando de este modo las escobillas y
intens intensida idad d de arran arranque que varias varias veces veces la nominal nominal,, es
el mantenimiento.
común conectarlo en estrella en el arranque para limitar dicha intensidad, y pasar a una conexión en triángulo
Para esto, en estos motores el rotor se encuentra
que que per permita mita obte obtene nerr el máxi máximo mo par par (dev (devan anad ados os
formad formado o por imanes imanes permanen permanentes tes,, y es en el estato estatorr
sometidos a la máxima tensión) cuando se encuentre
donde se sitúa el bobinado que al ser energizado de
funcionando.
forma secuencial por el sistema de control electrónico produce el movimiento de giro.
Motores de corriente continua
Para que esto funcione se requiere detectar de
Los Los moto motore ress DC se usan usan en apli aplica caci cion ones es de
forma precisa la posición del campo magnético creado
cont contro roll de posi posici ción ón y velo velocid cidad ad grac gracias ias a su fáci fácill
por los imanes permanentes del rotor, para lo cual se
regulación, a pesar de su mayor costo, peso y tamaño, y
emplean emplean sensores de efecto Hall. Con ello, la unidad de
menor eficiencia, frente a los motores asíncronos con
control, control, realiza realiza la conmutació conmutación n electróni electrónica, ca, constituid constituida a
rotor en jaula.
2
por transi transisto store ress MOSFET MOSFET,, de las fases fases oportu oportunas nas del
velocidad de funcionamiento del motor, a través de la
estátor.
frecuencia de la tensión de alimentación.
Así, manteniendo manteniendo los campos magnéticos magnéticos entre
Este Este conjun conjunto to es sencil sencillo lo y robus robusto, to, y resul resulta ta
roto rotorr y está estáto torr desf desfas asad ados os 90º 90º se cons consigu igue e el par par
adecuado en gran cantidad de soluciones, como cintas
necesa necesario rio para para genera generarr el movimi movimient ento o y arras arrastra trarr la
transportadoras, ventiladores...
carga.
Pero esta solución no proporciona una salida de
Motores paso a paso
velocidad estable y controlada, y presenta una fuerte caída de par a bajas velocidades,
Los motores motores paso paso a paso, paso, aunque aunque permite permiten n el posicionam posicionamiento iento en lazo abierto de una forma bastante fiab fiable le,, no pued pueden en ser ser muy muy pote potent ntes es debi debido do a sus sus
Los variadores variadores de frecuenci frecuencia a fundamenta fundamentan n su
características constructivas, y además hacen ruido.
func funcio iona nami mien ento to en lo que que se cono conoce ce como como modu modula laci ción ón seno senoid idal al por por anch anchur ura a de puls pulso o
En ellos el estátor se encuentra formado por una serie de pares de polos bobinados que al ser accionados
(SPW (SPWM) M),, donde donde por
de forma controlada e independiente crean un campo
referenc referencia ia (senoidal) (senoidal) que establece establece la forma forma y
magn magnét étic ico o que que
frecuencia
prov provoc oca a la alin alinea eaci ción ón del del imán imán
comparación ión
permanente que constituye el rotor, en esa dirección.
del del
está estáto torr
la con
ten tensión una
busc uscada señal
y
la
trian iangul gular
(por (porta tado dora ra)) que que esta establ blec ece e la frecu frecuen enci cia a de
Al activar de forma controlada y secuencial los dife difere rent ntes es bobi bobina nado doss
de
medi medio o de una una señal señal de
conmutación se generan una serie de pulsos que
se cons consig igue ue el
controlan controlan el equipo capaz de generar generar la tensión
movimiento de giro, para lo cual se emplea una señal en
alterna de alimentación buscada.
forma de tren de pulsos, donde cada pulso identifica el giro de un número determinado de grados que depende
Cuand Cuando o se requ requie iere re un cont contro roll de velo veloci cida dad d
de la construcción del motor. Debido, precisamente, a
preci preciso, so, o se establ establece ecen n reque requerim rimien ientos tos dinámi dinámicos cos
este tipo de accionamiento, presentan una caída de par
(control de par) se hace necesario pasar a equipos de
a altas velocidades, ya que al aumentar la frecuencia de
control vectorial. Estos sistemas, basados en la teoría de
conmut conmutaci ación ón de las fases, fases, las bobinas bobinas del motor no
faso fasore ress espa espaci cial ales es,, perm permite iten n el cont contro roll de par par en
alcanza totalmente la energización, con lo que pierde par
sistemas de dinámica elevada.
efectivo. Control de motores de continua
En caso de encontrar un par de oposición mayor
Los motores de corriente continua permiten un
que el ofrecido por el motor, pierde el paso. Presentan
fácil control de velocidad por medio de la tensión de
menor precisión. El motor paso a paso es de lazo de
alimentación.
control abierto, con lo que no puede corregir errores de El cont contro roll habit habitua uall es por por tens tensió ión, n, dond donde e se
posicionamiento. Su principal ventaja es su bajo costo, pudi pudien endo do
pos posicio iciona narr
de
forma orma
prec precis isa a
a
mant mantie iene ne cons consta tant nte e la corr corrie ient nte e que que circ circul ula a por por el
bajas ajas
induct inductor or (estat (estator) or) y se regul regula a la tensió tensión n en el rotor rotor
velocidades, con una electrónica sencilla.
(inducido). De este modo el flujo es fijo y la velocidad es
Control de motores Control
proporcional a la tensión aplicada.
Control de motores de alterna
Servomotores
Cuando sólo se requiere variación de velocidad
Un servomotor es un motor eléctrico de continua
sin demasiada precisión se recurre a motores asíncronos
o alterna que a través de un lazo de control cerrado
alimentados a través de un variador de frecuencia, lo
permite su posicionamiento.
que permite permite establece establecerr de un modo modo aprox aproxima imado do la
3
El lazo lazo de contr control ol cerrad cerrado o permit permite e alcan alcanzar zar la
reductora reductora,, máquina), máquina), se desea accionar accionar una máquina
posición indicada dado que por medio de un sensor se
que present presenta a un momento momento de inerc inercia ia de 10 kg·m² kg·m² y
lee la posición alcanzada y el sistema de control corrige
requiere una velocidad de accionamiento de 120 rpm y 2
la posición hasta la indicada.
kJ de energía adicional para realizar el proceso. Además, presenta unas pérdidas internas de 50 N·m.
Los Los servo servomo moto tore ress pres presen enta tan n una una curva curva par parvelocidad prácticamente constante independientemente
Para ello se utilizará un motor asíncrono de dos
de la velocidad, velocidad, pudiendo pudiendo mantener el par desde 0 rpm
pares de polos cuyo rendimiento se estima en un 80%.
hasta la velocidad nominal, y permiten picos de par de
Ademá demás, s, habr habrá á que que veri verifi fica carr que que el moto motorr
hast hasta a un 250-3 250-300 00% % en dond donde e se requ requie iera ra una una alta alta
seleccionado presente suficiente par de arranque como
aceleración o corrección inmediata de posición ante una
para poner en marcha la máquina.
perturbación. Dado que aseguran precisión y repetibilidad a alta velo veloci cida dad d
son son
empl emplea eado doss
en
posi posici cion onam amie ient nto o
árbol 1
de
Motor
precisión, como el requerido en mesas posicionadoras.
Ejemplo de selección de un motor Respondien iendo acci accion onam amie ient nto o
a
medi median ante te
un
esquema
moto motorr
típico
eléc eléctr tric ico o
de
(mot (motor or,,
4
árbol 2
Re ductora
Má quina
P1
P2
n1
n2
