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Otras máquinas eléctricas rotativas

vamos a conocer... 1. Introducción 2. Motores monofásicos 3. Motores de imanes permanentes PRÁCTICA PROFESIONAL Bobinado de un motor monofásico MUNDO TÉCNICO El motor lineal

y al finalizar esta unidad... Conocerás otros tipos de máquinas eléctricas rotativas. Identificarás los devanados de los motores monofásicos. Diseñarás diferentes devanados para motores monofásicos. Conocerás cómo están constituidos los motores sin escobillas o Brushless. Identificarás los elementos que constituyen un motor Paso a paso. Construirás el devanado de un motor monofásico de inducción.

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CASO PRÁCTICO INICIAL situación de partida Abel y Fermín llevan varios meses desmontado y reparando todo tipos de máquinas de corriente continua y alterna. Sus destrezas y técnicas en el bobinado y rebobinado han aumentado exponencialmente en los últimos meses. No obstante, al taller han llegado algunas máquinas rotativas difíciles de catalogar. Por un lado han observado que los motores monofásicos están a la orden del día. Y al contrario de lo que podría parecer, algunos de ellos tiene una potencia considerable. Al desmotar este tipo de máquinas han apreciado que solamente disponen de dos devanados de tipo concéntrico, uno de ellos, en ocasiones, está conectado a uno o dos condensadores, en otras a un interruptor dispuesto en el escudo de la propia máquina. También es habitual encontrar una especie de relé en el interior de la caja de bornes. Por otro lado, están recibiendo motores cuya forma exterior es muy cuadrada, y que no disponen de una caja de bornes con-

vencional, ya que las conexiones se realizan mediante conectores roscados de varios pines. El rotor no tiene devanado, pero tampoco es un rotor de jaula de ardilla como en los motores de inducción conocidos. Se han observado en él potentes imanes, ya que ha sido difícil su extracción al quedarse pegado en el estator. Además, al ponerlo sobre la mesa de trabajo, varias herramientas que se encontraban en su proximidad, ha sido atraídas de forma inmediata. Como curiosidad, y con ganas de ampliar sus conocimientos de máquinas rotativas, han desmontado algunas herramientas eléctricas y han visto cómo varias de ellas disponen de motores diferentes, unos tienen colector de delgas y escobillas, como las máquinas de corriente continua, y otros, en lugar de un devanado convencional, cuentan con una bobina ejecutada en un carrete similar a los usados en los transformadores.

estudio del caso Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después analiza cada punto del tema con el objetivo de contestar el resto de preguntas de este caso práctico. 1. ¿Cuáles son los motores más utilizados en entornos industriales?

6. ¿Cómo se conectan los devanados de un motor monofásico?

2. ¿De cuántos devanados dispone un motor monofásico?

7. ¿Cuál es el número de polos de un motor de los denominados Brushless?

3. ¿Qué misión tiene el interruptor que algunos motores monofásicos poseen en uno de sus escudos?

8. ¿De cuántos devanados disponen los motores Brushless?

4. ¿Por qué algunos motores monofásicos tienen una especie de relé en el interior de la caja de bornes?

9. ¿Requieren los motores Brushless un sistema de conmutación?, ¿puede ser este de tipo colector con escobillas?

5. ¿Es igual el proceso de diseño de los devanados de un motor monofásico al de los trifásicos o bifásicos?

10. ¿A qué tipo de motores pertenece un rotor que dispone de numerosos dientes de imanes permanentes?

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Unidad 6

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1. Introducción caso práctico inicial Los motores trifásicos de inducción con rotor en jaula de ardilla son los que más se utilizan actualmente en la industria.

Los motores trifásicos de inducción con rotor en jaula de ardilla son los más utilizados en entornos industriales, ya que presentan numerosas ventajas respecto a otros motores. Estas ventajas son: • • • •

Menor tamaño para una misma potencia. Facilidad de inversión del sentido de giro. Mejor rendimiento. No necesitan elementos auxiliares para su arranque (condensador o interruptor centrífugo). • Fácil variación de velocidad pos sistemas electrónicos. No obstante, existen otros tipos de motores que debes conocer, pues se utilizan en electrodomésticos, herramientas eléctricas, sistemas de climatización o en entornos de automatización. Algunos de ellos, como los motores denominados Brushless, están adquiriendo tanta fuerza en el mercado, que están relegando a los de corriente continua a aplicaciones residuales. En esta unidad se van a estudiar dos grupos de motores: • Motores de corriente alterna monofásicos. • Motores con imanes permanentes.

a

Figura 6.1. Motor monofásico.

a

Figura 6.2. Motores de imanes permanentes.

2. Motores monofásicos Los motores monofásicos están diseñados para conectarse a un sistema de alimentación monofásico (fase + neutro). En general suelen disponer de baja potencia, aunque algunas aplicaciones, como ocurre con los utilizados en climatizadores, rompen esta norma. Su clasificación puede ser la siguiente: U

N

a Figura 6.3. Símbolo general de un motor monofásico.

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• Motores de inducción – De fase partida o fase auxiliar – Motor con condensador (de arranque y/o permanente) – Motor con relé de arranque – Motor de espira • Motores de rotor bobinado – Motor universal

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Otras máquinas eléctricas rotativas

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2.1. Motores monofásicos de fase partida o fase auxiliar Estos motores están constituidos por un circuito eléctrico y otro magnético, que coinciden con los ya estudiados para los motores trifásicos de inducción con rotor en cortocircuito. El circuito eléctrico se encuentra en el estator y está formado por dos devanados de tipo distribuido. Uno de ellos es el devanado de trabajo o principal y otro es el devanado de arranque o auxiliar. Ambos están desfasados entre sí 90° eléctricos. Además, el devanado auxiliar está constituido por bobinas, espiras y un conductor de menor diámetro, por lo que la impedancia entre ambos devanados es diferente.

caso práctico inicial El circuito eléctrico de un motor monofásico está constituido por dos devanados, uno de trabajo y otro de arranque.

El devanado de arranque o auxiliar no está diseñado (por número de espiras y diámetro del conductor) para trabajar de forma continuada, de modo que debe desconectarse una vez haya cumplido su función, que es el arranque del motor. Para ello se utiliza habitualmente un dispositivo denominado interruptor centrífugo, que no es más que un contacto eléctrico, normalmente cerrado, acoplado a uno de los escudos de la carcasa. Este se abre mediante un sistema acoplado al eje que se desplaza debido a la fuerza centrífuga producida por el propio giro del motor. El interruptor centrífugo se conecta en serie con el devanado de arranque, y el conjunto a su vez en paralelo con el devanado de trabajo. Las conexiones entre ambos se hacen en el interior del motor y rara vez se sacan los terminales de ambos devanados de forma independiente a la caja de bornes.

Par

Un motor monofásico está diseñado para trabajar con un solo devanado (el principal). Como con él es incapaz de arrancar por sí mismo, es necesario conectar otro devanado (el auxiliar) para hacerlo funcionar durante unos instantes, como si de uno bifásico se tratase, produciéndose así el par necesario para poder arrancar.

P ar d e a

de Par

s mbo

ados van de

al cip ri n p o ad van l de

Velocidad de conmutación

N

a Figura 6.4. Curva par-velocidad de un motor monofásico.

Una representación de lo anterior se muestra en las siguientes figuras:

recuerda El interruptor que se encuentra en el escudo de algunos motores monofásicos se denomina interruptor centrífugo y tiene como misión desconectar el devanado de arranque una vez que el motor ha conseguido su velocidad nominal.        a

Figura 6.5. Accionamiento del eje y contacto del interruptor centrífugo.

La inversión del sentido de giro se consigue permutando los dos terminales de conexión de un devanado respecto a otro. Este tipo de motores presenta un bajo par de arranque, por eso solamente son utilizados para aplicaciones domésticas en las que la carga sobre su eje no resulte demasiado crítica. Otro inconveniente que presenta este tipo de motores aparece en el interruptor centrífugo que, como cualquier dispositivo electromecánico, sufre desgaste con el uso y, por tanto, genera averías y fallos que pueden desembocar en un funcionamiento anómalo del motor. En estos casos, debido a la posición del interruptor en la máquina, será necesario desmontar el conjunto para acceder a él y así poder repararlo.

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Unidad 6

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Muchos sistemas de refrigeración y de aire acondicionado utilizan motores monofásicos de ponencia media. L

N

L

Devanado de trabajo

Devanado de trabajo

Devanado de aranque

Devanado de aranque

Int. centrífugo a

N

Int. centrífugo

Figura 6.6. Conexión de los devanados de un motor de fase partida para ambos sentidos de giro.

2.2. Motor monofásico con condensador De igual forma que los de fase partida, los monofásicos con condensador están constituidos por dos devanados, uno de trabajo y otro auxiliar. En lugar de un interruptor centrífugo, se conecta un condensador en serie con el devanado auxiliar, permitiendo así aumentar el desfase entre las corrientes de ambos devanados y haciendo funcionar el motor como si fuera bifásico.

a Figura 6.7. Condensador utilizado

     a

en el arranque de motores.

L

N

Los motores de condensador pueden ser de dos tipos: con condensador de arranque y/o con condensador permanente. N

L

Con condensador Devanado de trabajo de arranque

Devanado de trabajo

Int

L

Figura 6.8. Motores monofásicos con uno y dos condesadores de arranque (Cortesía de Waylead).

N

Devanado de trabajo

Consiste en conectar un condensador de alta capacidad (entre 50 y 600 µF) en Condensador Condensador serie con el devanado de arranque para provocarDev. undedesfase Int permanente arranque Dev. de aranque aranque suficiente entre ambos devanados y así poner en marcha el motor.

Condensador arranque Dev. de aranque

Condensador

a Figura 6.9. Motor con condensador de arranque.

N

L

o

N Devanado de trabajo Condensador permanente

ranque

Dev. de aranque

a

Figura 6.10. Motor con condensador permanente.

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El condensador debe desconectarse unapermanente vez que el motor consiga su velocidad nominal. Este tipo de arranque consigue un buen par, por lo que puede ser utilizado para aplicaciones con cargas críticas. L Con

N condensador permanente

Consiste en conectar de forma permanente un condensador en serie con el deDevanado de trabajo vanado auxiliar. Este condensador es de menor capacidad (hasta 60 µF) que los Condensador utilizados solamente para el arranque, y debe ser elegido de forma cuidadosa en Int arranque Dev. de aranque función de las características del motor. EstosCondensador motores no poseen un buen par de arranque, sin embargo, su consumo de permanente corriente es menor en funcionamiento continuado y logran un buen rendimiento.

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Motores con dos Lcondensadores

N

L

N

L

N

Se utilizan para motores de gran potencia al sistema de los dos Devanado de trabajo y consiste en dotar Devanado de trabajo métodos de arranque por condensador vistos anteriormente, mejorando así el par de arranque y, en general, Condensador el rendimiento del conjunto. Condensador Int

arranque Dev. de aranque

permanente

Devanado de trabajo

Int

Dev. de aranque

En motores con dos condensadores, el de arranque debe ser desconectado de la red de alimentación, utilizando un interruptor centrífugo o relé, una vez haya realizado su función.

Condensador arranque

Dev. de aranque

Condensador permanente

a Figura 6.11. Motor con doble condensador.

2.3. Motores con relés de arranque El uso del interruptor centrífugo es simple y efectivo, no obstante, en tareas de mantenimiento y reparación es necesario desmontar la máquina para acceder a él. El uso de relés de arranque externos, que se alojan en la caja de bornes, evita tener que realizar esta operación. Los relés de arranque disponen de un órgano de mando (bobina) y de uno o más contactos de utilización, pudiendo ser de dos tipos: de corriente o de tensión. Arranque con relé de corriente En este arranque la bobina del relé se conecta en serie con el devanado de trabajo, y su contacto en serie con el devanado de arranque.

Arranque con relé de tensión El relé de arranque basado en tensión está diseñado para trabajar con motores de dos condensadores (de arranque y permanente). En este caso la bobina del relé funciona por tensión y se conecta en paralelo con el devanado auxiliar. Así, cuando este recibe tensión en sus bornes, la máquina arranca (con un buen par) mediante uno de los condensadores. La bobina del relé se excita y abre su contacto, desconectando dicho condensador. La excitación de la bobina se mantiene a través del segundo condensador (el permanente) que está conectado en serie con el devanado de arranque. N

on ambos que c con ran de Ar sa do re s ue

L

El relé del que algunos motores monofásicos disponen en su caja de bornes, se utiliza para desconectar el condensador de arranque.

Devanado de trabajo

ar

Devanado de trabajo

nq

N Relé de corriente

caso práctico inicial

ra

L

a Figura 6.12. Relé de arranque (Cortesía de JCM Controls).

Par

Cuando se conecta el motor a la red de alimentación, la corriente aumenta excitando la bobina del relé y cerrando su contacto. Esto permite la conexión del devanado auxiliar y con ello el arranque del motor. Cuando este adquiere entre el 80 y el 85% de la velocidad nominal, la corriente disminuye desactivando la bobina del relé, abriendo así su contacto y desconectado el devanado auxiliar.

Int

Condensador arranque

Cond. arranque

Dev. de aranque

Con conden

sa d

or

de

Desconexión del condensador de Arranque

Dev. de aranque

N

Cond. permanente

Condensador permanente

a

Figura 6.13. Esquema de conexión del relé de corriente.

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Relé de tensión

a

Figura 6.15. Curva par-velocidad en un motor monofásico de dos condensadores.

a

Figura 6.14. Esquema de arranque mediante un relé de tensión.

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2.4. Motor de espira También denominado de espira de sombra o espira en cortocircuito, es un motor monofásico de inducción con una potencia muy reducida, cuyo principal campo de aplicación se centra en la fabricación de electrodomésticos y herramientas eléctricas de baja potencia. a

Figura 6.16. Sentido de giro del motor de espira de sombra.

El rotor es de jaula de ardilla y el estator de polos salientes. La piezas polares del estator están divididas en dos partes, de las cuales una de ellas dispone de un anillo de cobre que lo rodea de forma trasversal denominado espira de sombra. Así, la corriente inducida sobre ella desfasa el flujo, atrasándolo lo suficiente para crear un campo giratorio capaz de arrancar y hacer girar el rotor. El devanado del estator suele ejecutarse sobre un carrete aislante, similar a los utilizados para los transformadores, y en cuya ventana se introduce el núcleo magnético.

a

Figura 6.17. Motor de espira de sombra.

No necesitan condensador ni interruptor de arranque como los motores estudiados anteriormente, por lo que resultan muy económicos. No obstante, sus aplicaciones industriales son muy limitadas debido a su bajo par de arranque y a su pobre rendimiento. En este tipo de motores no se puede invertir el sentido de giro, ya que la espira de sombra lo determina de fábrica.

2.5. Motor universal El motor universal es en realidad un motor de corriente continua que se conecta a una red de corriente alterna con algunas variaciones. Se utiliza principalmente para máquinas de poca potencia (no más de 1 CV) y tienen especial aplicación en máquinas herramientas y electrodomésticos.

a

Figura 6.18. Devanado del rotor de un motor universal.

Como cualquier máquina de continua está constituida por el circuito inductor, alojado en el estator, y por el circuito inducido, alojado en el rotor. En este caso ambos devanados se conectan en serie. La corriente alterna, al cambiar de polaridad en cada semiciclo, también cambia el sentido de la corriente y del campo inductor. Por tanto, el par no cambia y el motor gira en el mismo sentido en el que arrancó. El motor presenta las siguientes características: • Al tratarse de una máquina en serie tiene un buen par de arranque. • Gran velocidad (hasta 8 000 rpm). • Facilidad para regular su velocidad. • Se puede invertir el sentido de giro permutando uno de sus devanados. • Menos potencia que su equivalente en continua. • Al utilizar corriente alterna, el chisporroteo en el colector es mayor y, por tanto, también lo es su desgaste y el de las escobillas. • La velocidad de giro cambia en función de la carga. De igual forma que las máquinas de corriente continua, los motores universales tienen el inconveniente de operar mediante un sistema de conmutación basado en un colector de delgas y en escobillas. Por tanto, funciona con elementos que requieren especial atención desde el punto de vista del mantenimiento y la reparación.

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2.6. Devanados de motores monofásicos de inducción Todos los devanados de motores monofásicos de inducción (con la excepción de los de espira de sombra) son de tipo concéntrico y se ejecutan de forma distribuida. Los devanados, el principal y el auxiliar, deben diseñarse de forma independiente. Ambos entre sí pueden estar separados o superpuestos. Devanados separados Son aquellos en los que las bobinas de ambos devanados no utilizan ranuras comunes. Las expresiones para el cálculo geométrico son las siguientes: Devanado principal U=

Número de bobinas por grupo

K 6p

Número de grupos por fase

Gf = 2p

Amplitud

m=U

El proceso de diseño de los devanados de un motor monofásico de inducción es muy similar al ya visto para los trifásicos y bifásicos. En este caso, el cálculo geométrico parte de unos datos comunes, pero utiliza expresiones diferentes para el devanado de arranque y para el de trabajo.

Devanado auxiliar

=m

Ua =

K 12p

N

ma =

S 1

Gf = 2p

Y90 =

Paso de principios de fase

caso práctico inicial

2

3

4

5

6

N 7

8

9 10 11 12

K 3p

U1

Interruptor centrífugo

U2

a Figura 6.19. Ejemplo de un bobinado de motor monofásico con devanados separados.

K 4p

ejemplo Se desea realizar el devanado para un motor monofásico tetrapolar en un estator de 24 ranuras. Así, los datos de partida son K=24 y p=2. Los cálculos geométricos son: Devanado principal

Devanado auxiliar

caso práctico inicial

Número de bobinas por grupo

U=2

Ua = 2

Número de grupos por fase

Gf = 4

Gf = 4

Amplitud

m=2

ma = 4

Ambos devanados se conectan en paralelo insertando el interruptor centrífugo (o condensador) en serie con el devanado de arranque.

Y90 = 3

Paso de principios de fase

La tabla de principios de fase es: U1

Ua1

1

4

7

10

El esquema es el siguiente:

N

S 1

2

U1 a

3

4

5

Ua1

6

N 7

8

S

N

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

U2

Ua2

Figura 6.20. Esquema de motor monofásico tetrapolar de 24 ranuras.

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Devanados superpuestos

vocabulario Español-Inglés Interruptores centrífugos: centrifugal switches Devanado de trabajo: run winding Devanado de arranque: start winding

Son aquellos en los que las bobinas de ambos devanados coinciden en algunas ranuras. Si bien para ejecución de este tipo de devanados se recurre a la experiencia e intuición del técnico bobinador, existen expresiones de cálculo que facilitan el trabajo. En este caso es necesario elegir, antes del proceso de diseño, el número de bobinas por grupo para cada uno de los devanados (U y Ua) y después aplicar dicho dato en las expresiones de cálculo: Devanado principal

Relé de corriente: current relay Relé de tensión: voltage relay Condensador de arranque: running capacitors Motor monofásico: single-phase motor Motor de condensador de marcha permanente: permanent split capacitor motor

m=

Amplitud

Devanado auxiliar

(K – 2p) · 2U

ma =

2p

(K – 2p) · 2Ua 2p

Gf = 2p

Grupos por fase

K

Y90 =

Principios de fase

4p

ejemplo

Motor de espira de sombra: shaded-pole motor

Se desea realizar el devanado para un motor monofásico tetrapolar en un estator de 24 ranuras.

Rotor de jaula de ardilla: squirrel-cage rotor

Así, los datos de partida son K=24 y p=2. Por otro lado, se ha decidido que las bobinas por grupo de devanado principal son U=2 y las del devanado auxiliar Ua=2. Aplicando las expresiones de cálculo geométrico tenemos los siguientes resultados:

Espira de cobre: copper ring

Devanado principal

Devanado auxiliar

Número de grupos por fase

Gf = 4

Gfa = 4

Amplitud

m=2

ma = 4 Y90 = 3

Paso de principios de fase

La tabla de principios de fase es: U1

Ua1

1

4

7

10

13

16

19

22

Y el esquema de devanados superpuestos el siguiente:

N

S 1

2

U1 a

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3

4

5

Ua1

6

N 7

8

S

N

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

U2

Ua2

Figura 6.21. Bobinado monofásico con devanados superpuestos.

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3. Motores de imanes permanentes 3.1. Motor Brushless Los motores Brushless son máquinas síncronas que se caracterizan por disponer de un buen par y una gran precisión en el posicionamiento. A pesar de necesitar un dispositivo electrónico de control, están sustituyendo a los de corriente continua en todos los ámbitos. Se pueden encontrar tanto en equipos informáticos (unidades de disco, discos duros, etc.) como en sistemas de automatización y robótica que requieren el control de ejes. Un motor Brushless está formado por un circuito eléctrico trifásico en el estator y un rotor de imanes permanentes. a Figura 6.22. Motor Brushless industrial.

El rotor Este tipo de motor se caracteriza por no tener escobillas, de hay su nombre (Brushless), ya que el rotor no dispone de circuito eléctrico al estar formado por imanes permanentes de gran potencia. Estos pueden ser salientes o estar embebidos en el rotor de la máquina. El número imanes debe ser par (entre 2 y 16 polos) y deben estar alternados en polaridad (N-S-N-S, etc.). S

S

S

N Figura 6.24. Rotor de 4 polos.

S

a

a

Figura 6.25. Polos embebidos o incrustados.

N

Figura 6.23. Rotor de 6 polos.

S

N

N

a

N

a

S

N

Figura 6.26. Polos salientes.

Los imanes de rotor suelen fabricarse de neodimio-hierro-boro, que aportan un buen rendimiento a temperatura ambiente y una alta resistencia a la desmagnetización. Las máquinas de gran potencia utilizan un rotor, que se instala en el interior del estator, con una constitución mecánica similar a la de los estudiados hasta ahora. No obstante, algunos motores, especialmente los de baja potencia, disponen del rotor externo. En este caso, el estator es el que se ubica en su interior, quedando cerrado por la carcasa del rotor. Esta configuración es muy utilizada en motores destinados a dispositivos informáticos.

caso práctico inicial El número de polos del motor viene determinado por el número de polos del rotor.

Estator interno

Imanes Rotor externo a

Figura 6.27. Rotor de imanes permanentes (instalación interna).

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a

Figura 6.28. Rotor externo de máquina de baja potencia.

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El estator El estator puede ser ranurado o de dientes, el primero presenta un aspecto similar a utilizado en motores de corriente alterna, el segundo está constituido por una serie de piezas polares (dientes) de tipo saliente sobre las que se construyen las bobinas.

a

a Figura 6.29. Devanado distribuido de un motor Brushless.

caso práctico inicial Los motores disponen de tres devanados ubicados en el estator, separados entre sí 120º eléctricos.

Figura 6.30. Devanado concentrado de un motor Brushless.

El circuito eléctrico se bobina sobre el estator y está formado por tres devanados separados 120˚ eléctricos y, como en otros bobinados que utilizan tres devanados, estos se pueden conectar tanto en estrella como en triángulo, teniendo en cuenta la relación entre las magnitudes (V e I) de fase y línea. C

B

a

A c

B a

b C

Conexión triángulo A

b

B

C

c b a c

A

Conexión estrella a

Figura 6.31. Devanado en un estator y posibles conexiones entre ellos.

El devanado puede ser de tipo distribuido o de tipo concentrado. El primero de ellos se ejecuta en máquinas con estator ranurado, y su diseño y montaje es similar al ya estudiado para máquinas de corriente alterna. Por otro lado, los devanados concentrados se construyen para bobinas individuales devanadas sobre los dientes (o polos salientes de la máquina).

saber más

N

No hay convención para denominar los terminales de los devanados Brushless, no obstante es habitual asignar a los principios de cada fase las letras mayúsculas A, B, C y a los finales las minúsculas a, b, c.

1

A a

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Polos del rotor N S

S

2

B

Devanado del estator 3

C

N

4

5

6

S

7

8

a

9

b

c

Figura 6.32. Ejemplo de devanado concentrado de un Brushless de 9 dientes y 6 polos en rotor.

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Otras máquinas eléctricas rotativas

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El sistema de conmutación La conmutación en los devanados se realiza mediante dispositivos electrónicos de accionamiento (Drivers). El sistema de conmutación se encarga de generar un campo giratorio en el circuito magnético del estator, de esta forma, los imanes del rotor tienden alinearse con él, produciéndose su rotación y posicionamiento. A Driver

Vca

Sensores

C

B Motor

a

La principal característica de los motores Brushless es que no disponen de escobillas. Sin embargo, requieren un sistema de conmutación que, en este caso, es de tipo electrónico.

importante

b ac

(Dispositivo de conmutación electrónica)

caso práctico inicial

Figura 6.33. Accionamiento de un motor Brushless.

En función de la señal utilizada para la conmutación, los motores Brushless pueden ser de dos tipos: Brushless DC y Brushless AC.

Un servomotor es un motor que posee, además de sus respectivos circuitos magnéticos y eléctricos, un sensor de posición acoplado a su eje que permite enviar información (por realimentación) a un sistema electrónico de control o conmutación. Los motores Brushless se configuran habitualmente como servos ya que es necesario conocer cuál es su posición angular. Cableado sensor

• Motores Brushless DC. Su funcionamiento se basa en la alimentación de los devanados mediante señales de corriente continua (DC) utilizando el dispositivo de conmutación.

Cableado de potencia

La conmutación se realiza alimentando dos de los extremos del devanado con una polaridad y secuencia prefijadas. Así, cada vez que se avanza un paso en la secuencia, el motor gira un determinado número de grados. La frecuencia con la que se ejecutan estos pasos determina la velocidad de giro del rotor. Si se cambia el sentido de ejecución de la secuencia, también lo hace el sentido de giro del motor. 2

B

+

C

-

C -

b a c

A

C -

6

B

b a c A +

C +

+

A

-

B

b a c

a Figura 6.36. Conexiones de un ser-

C

A

C

-

a

Figura 6.35. Secuencia de alimentación de los devanados para que el rotor gire una vuelta completa.

La posición del rotor está controlada por tres sensores de efecto Hall, uno por devanado, que envían información al accionamiento para así conocer con precisión cuál es el devanado que se debe conmutar. A esta forma de alimentar el motor se le suele denominar conmutación trapezoidal debido a la forma de las señales que alimentan los devanados.

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Figura 6.34. Servomotor.

b a c

A

5

B

Sensor de posición a

+

4

+

-

B

+

A

b a c +

b a c

3

B

+

+

1

+

Motor

vomotor Brushless.

Paso 1

A B C

2

3

4

5

Vuelta 6 1

2

3

4

5

Vuelta 6

+ + + -

a

Figura 6.37. Conmutación trapezoidal para Brushless DC.

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Unidad 6

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• Motores Brushless AC. La alimentación de los devanados se realiza mediante un sistema de tres señales alternas desfasadas 120º eléctricos entre sí. Esta forma de controlar el motor permite una mayor precisión en el posicionamiento; sin embargo, es necesario instalar un sensor de posición angular (encoder) en el eje de rotor, que permita conocer en todo momento su posición para así enviársela al dispositivo electrónico de conmutación.

A B C

A esta forma de alimentar el motor se le suele denominar conmutación senoidal, pues es la forma de las señales que se aplican a los devanados.

a

Figura 6.38. Conmutación senoidal para Brushless AC.

3.2. Motores Paso a paso (PaP) También denominados motores de pasos, se utilizan en la industria para aplicaciones de posicionamiento y control de ejes. Necesitan un dispositivo electrónico de control, pero no requieren de sensor de posición, por lo que resultan más fáciles y económicos de instalar que sus equivalentes en Brushless. Sin embargo, los motores PaP no se pueden utilizan en aplicaciones que requieran gran velocidad o en procesos donde los movimientos sean muy repetitivos. Los motores PaP pueden ser de imanes permanentes o de reluctancia variable. Motores PaP de imanes permanentes De igual forma que otros tipos de motores, están formados por un circuito eléctrico ubicado en el estator y por un rotor, que en este caso será de imanes permanentes.

caso práctico inicial Los rotores dentados de imanes permanentes son característicos de los motores denominados Paso a paso.

El rotor es de polos salientes y está formado por pequeños dientes imantados de signo contrario dispuestos de forma alterna (N-S-N, etc.). El número de paso de un motor depende del número de dientes del rotor, por este motivo es habitual que los rotores se fabriquen con dos discos de dientes desfasados entre sí, para así conseguir más resolución de paso. El circuito magnético del estator es de polos salientes. En este caso, cada zapata polar está dentada de forma similar a como lo está el rotor.

a

saber más En motores PaP, ya sean unipolares o bipolares, la alimentación de los devanados debe hacerse mediante una secuencia de pulsos digitales, que debe ser generada por un dispositivo de control electrónico.

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Figura 6.39. Rotor de motor PaP.

a

Figura 6.40. Estator de motor PaP.

Estos motores disponen de un devanado de tipo concentrado, similar al visto para motores Brushless. En función del número de bobinas y de sus conexiones, los motores PaP de imanes permanentes pueden ser unipolares o bipolares. El circuito eléctrico de los motores PaP unipolares está formado por dos devanados con tres puntos de conexión, de los cuales uno de ellos se conecta en un punto intermedio del devanado correspondiente. Los bipolares están formados por dos devanados completamente independientes, con dos puntos de conexión por cada uno de ellos.

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Otras máquinas eléctricas rotativas

233

ejemplo

A

El siguiente ejemplo muestra la secuencia que se debe ejecutar para que un motor PaP de tipo bipolar avance en sentido horario mediante medios pasos.

B

C

El motor representado es muy básico, ya que dispone de 4 piezas polares en el estator y solamente dos polos en el rotor. Por tanto, solamente puede dar 8 pasos de 45º cada uno.

2

+

-

+

-

3

0

0

+

-

4

-

+

+

-

5

-

+

0

0

6

-

+

-

+

8

+

-

-

+

S

Común

N

-

B

S

0

Común

C

N

S

0

A

N

7

+

Bipolar S

0 N

0

S

-

N

+

S

B

1

D

N

C

D

N

N

C

S

Pasos

S

B

S

D

A

N

A

D

a

Figura 6.41. Ejemplo de secuencia para el control de un motor PaP de imanes permanentes.

Unipolar

a

Figura 6.42. Tipos de motor PaP de imanes permanentes.

Motores PaP de reluctancia variable En este caso el rotor está formado por material ferrromagnético (hierro laminado) no imantado, formando pequeños dientes que permiten su posicionamiento por pasos. El devanado del estator está formado por tres bobinas con un punto común de conexión. Así, cuando estas son alimentadas de forma individual mediante una secuencia determinada, se crea un campo en su circuito magnético giratorio que hace que el rotor se alinee con dicho campo, produciendo el giro del motor. La alineación se realiza buscando el valor de reluctancia más pequeño, que se encuentra cuando alguno de los dientes del rotor está próximo a un polo del estator. C

vocabulario Español-Inglés B

A B

común

A

Dientes: teeth com.

C

Diente: tooth Par de arranque: starting torque Motores Paso a paso: steppers motors Sin escobillas: Brushless Motor de alterna: AC motor

a

Figura 6.43. Devanados de un motor de reluctancia variable.

En la actualidad muchos de los motores Paso a paso utilizan una configuración mixta basada en imanes permanentes y reluctancia variable.

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Control de velocidad: speed control Accionamiento (controlador): driver

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Unidad 6

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ACTIVIDADES FINALES 1. Realiza la actividad propuesta en la práctica profesional 1 de esta unidad y realiza las siguientes comprobaciones con el motor monofásico que en ella se ha bobinado. Prueba 1 • Conecta los terminales del devanado principal a dos bornes. Alimenta dichos bornes de la red de alimentación y comprueba si arranca el motor. Si en la situación anterior, se gira el eje de motor con la mano, ¿qué ha ocurrido? Nota. Utiliza un guante para realizar la operación de giro del eje de forma manual. Prueba 2 • En el exterior de la máquina conecta un interruptor pasante en serie con el devanado de arranque. Cierra su contacto y conecta ambos devanados a la red de alimentación. • Cuando haya pasado 1 segundo (aproximadamente) en el que el motor esté funcionando a velocidad nominal, desconecta el interruptor. ¿Qué ocurre con el motor?, ¿sigue girando? Prueba 3 • Conecta un condensador de 25 μF / 400 V en serie con el devanado de arranque y conecta ambos devanados a la red de alimentación, ¿arranca el motor? Prueba 4 • Conecta un relé de arranque de disparo por corriente según se indica en la unidad. • Conecta los devanados a la red de alimentación y comprueba si el motor arranca y el relé desconecta el devanado de arranque una vez que el motor ha conseguido la velocidad nominal. 2. Calcula y diseña el esquema de los devanados de un motor monofásico bipolar para un estator de 24 ranuras. 3. Calcula y diseña el esquema de los devanados de un motor monofásico de 6 polos para un estator de 24 ranuras. 4. Calcula y diseña el esquema de un motor monofásico bipolar para un estator de 18 ranuras, ¿se puede ejecutar? 5. Calcula y diseña el esquema de los devanados de un motor monofásico bipolar para un estator de 36 ranuras. 6. Calcula y diseña el esquema de los devanados de un motor monofásico de 3 pares de polos para un estator de 36 ranuras. 7. Calcula y diseña el esquema de los devanados de un motor monofásico bipolar para un estator de 36 ranuras, sabiendo que el devanado de trabajo debe tener 6 bobinas por grupo y el de arranque 5 bobinas por grupo.

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Otras máquinas eléctricas rotativas

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8. Asocia cada una de las imágenes con cualquiera de los conceptos de la columna de la derecha. 1. Anillos de alternador 2. Anillos de motor asíncrono 3. Devanado conectado 4. Devanado distribuido 5. Máquina síncrona 6. Máquina asíncrona 7. Rotor bobinado 8. Rotor cortocircuito 9. Rotor de imanes permanentes 10. Motor PaP 11. Motor sin escobillas 12. Motor de espira 13. Motor universal 14. Dinamo 15. Escobillas máquina CC 16. Escobillas máquina AC 17. CC 18. AC 19. Motor monofásico 20. Realimentación 21. Imanes permanentes 22. Inducido 23. Inductor 24. Motor de inducción 25. Rotor jaula de ardilla

entra en internet 9. Localiza en Internet información de cómo obtener un motor Brushless a partir de algún dispositivo informático en desuso y, si tienes alguno de similares características, procede a sacar su motor. 10. Busca un catálogo de motores monofásicos y di cuál es la potencia máxima que has encontrado para ellos.

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Unidad 6

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PRÁCTICA PROFESIONAL HERRAMIENTAS • Todas las herramientas utilizadas en la práctica profesional 1 de la Unidad 4 • Bobinadora manual y accesorios • Moldes concéntricos para bobinadora • Útiles para la limpieza de ranuras • Soldador rápido y guantes

Bobinado de un motor monofásico OBJETIVO Conocer cómo realizar el diseño del devanado y su posterior ejecución en un motor monofásico de inducción.

• Peladora de hilo esmaltado

PRECAUCIONES

MATERIAL

• Utiliza guantes en las operaciones de montaje y desmontaje de la máquina, así como para girar el eje manualmente.

• Máquina asíncrona con rotor en cortocircuito • Cartón aislante para ranuras • Tubo de fibra de vidrio flexible • Hilo esmaltado de bobinar (2 diámetros) • Alambre plano de atar • Cuerda de bramante o cinta de atar • Rotulador permanente y estaño • Regletas de conexión • Alargador con manquera de 2 x 2,5 mm2

• Utiliza las herramientas y la bobinadora siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor. • No toques los bornes de condensador una vez haya sido utilizado. Nota. La siguiente práctica profesional se ha planteado desde el punto de vista del rebobinado de una máquina supuestamente averiada. En ningún caso se desea realizar el cálculo del circuito eléctrico del inductor para una máquina nueva. Se presupone que el diámetro de conductor y el número de espiras que hay que utilizar para la construcción son datos conocidos. Para la siguiente práctica profesional puedes utilizar la máquina empleada en alguna de las actividades anteriores destinadas al bobinado de un motor trifásico de inducción.

• Condensador de 25 μF / 400 V

DESARROLLO 1. Utilizando las técnicas vistas en las prácticas profesionales de unidades anteriores, desmonta la máquina y prepara el estator para que esté en disposición de alojar el nuevo devanado, limpiando y aislando convenientemente sus ranuras.

a Figura 6.44. Rotor de jaula de ardilla.

a Figura 6.45. Estator de 36 ranuras.

2. Utilizando las expresiones de cálculo, diseña el esquema para el devanado del motor monofásico a ejecutar. Aquí se ha considerado que el motor es de 6 polos, el estator tiene 36 ranuras y los devanados de arranque y trabajo están separados.

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Otras máquinas eléctricas rotativas

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Devanado principal Número de bobinas por grupos

U=

K 6p

36

=

6·3

Devanado auxiliar K

Ua =

=2

=

12p

36 12 · 3

Tabla de principios de fase =1

U1

Ua1

=4

1 7 13 19 25 31

4 10 16 22 28 34

Gf = 2p = 2 · 3 = 6

Número de grupos por fase

Y90 =

Paso de principios de fase

K

ma =

m=U=2

Amplitud

K

=

4p

=

3p

36 4·3

36 3· 3

=3

El esquema es:

N

S 1

2

3

U1

4

5

6

N 7

8

9

10

11

12

S 13

14

15

16

17

18

N 19

20

21

22

23

24

S 25

26

27

28

29

Ua1

30

N 31

32

33

U2

34

35

36

Ua2

a Figura 6.46. Principios de fase.

3. Utilizando las técnicas vistas en unidades anteriores, toma medida de las bobinas en el estator y construye las bobinas de ambos devanados. 4. Inserta inicialmente el devanado de trabajo en las ranuras correspondientes. 5. Utilizando la técnica de soldadura, realiza las conexiones entre grupos. 6. Inserta el devanado auxiliar sobre el devanado de trabajo. 7. Realiza las conexiones entre grupos y saca a la caja de bornes los terminales de ambos devanados. U1

1

4

1

Ua2

4

U2 31

a Figura 6.47. Inserción del devanado de trabajo.

Ua1

U1

a Figura 6.48. Conexiones de los grupos del devanado de trabajo.

1 U2

4

34 31

a Figura 6.49. Inserción y conexión del devanado de arranque.

8. Ata el devanado y monta la máquina. 9. Sobre el motor recién bobinado y montado realiza las pruebas indicadas en la actividad 1 de esta unidad.

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Unidad 6

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MUNDO TÉCNICO el motor lineal El invento del motor lineal data de la última década del siglo xix, no obstante, durante casi un siglo no se había dado ningún paso adelante en su desarrollo y aplicación práctica debido, principalmente, a las dificultades para su control con la tecnología de la época. El desarrollo de la electrónica y la fabricación de imanes permanentes de alta potencia han contribuido a su desarrollo y fabricación en serie. Un motor lineal es una máquina eléctrica que, en lugar de generar un movimiento giratorio como las máquinas estudiadas en esta obra, se desplaza longitudinalmente por su carcasa. Esto aporta numerosas ventajas en algunos entornos industriales, como son los destinados a robots o sistemas de control de ejes, ya que permite un posicionamiento preciso, sin requerir complejos sistemas de transmisión mecánica. Un motor lineal está formado principalmente por dos partes: el estator, o parte fija y el elemento móvil, que es el equivalente al rotor en las máquinas giratorias. El estator esta formado por tres devanados desfasados entre sí 120º eléctricos, similares a los motores Brushless, arrollados en núcleos de chapa magnética. El rotor no tiene circuito eléctrico, ya que está constituido por varios pares de imanes permanentes. Así, cuando los de-

vanados del estator se excitan a través de un sistema de alimentación trifásica alterna, los campos magnéticos generados interactúan con los del elemento móvil, desplazándolo linealmente en un sentido u otro por la guía de la carcasa, deteniéndolo en la posición deseada cuando cesa la excitación. Un motor lineal es un servomotor, ya que además de disponer del circuito eléctrico que genera el movimiento a base de campos magnéticos, requiere la instalación de un sensor de posición. De igual forma que los motores Brushless, el funcionamiento de los motores lineales requiere un dispositivo electrónico para la conmutación. Este se encarga de aplicar la alimentación con la frecuencia deseada y de procesar las señales de los sensores de posición del propio motor. En algunas aplicaciones los motores lineales están sustituyendo a sus equivalentes neumáticos e hidráulicos, ya que presentan algunas ventajas como son: no necesitar una instalación de fluido (aire comprimido o aceite), son muy silenciosos, excelente precisión en el posicionamiento y facilidad para la integración con otros sistemas de control como pueden ser los PLCs.

a Figura 6.50. Motores lineales (Cortesía de Copley Motion).

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Otras máquinas eléctricas rotativas

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EN RESUMEN EN RESUMEN OTRAS MÁqUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

Motores monofásicos

Motores de imanes permanentes

De inducción

De rotor bobinado

De espira

Motor universal

Brushless

Motores Paso a paso

De fase partida

Superpuestos Devanados de motores monofásicos

De condensador

Separados Con relé de arranque

EVALÚA TUS CONOCIMIENTOS 1. El de fase partida es un motor: a. trifásico.

c. Brushless.

b. de imanes permanentes.

d. monofásico.

2. Un motor universal es una máquina de corriente continua, cuyos devanados se conectan en: a. serie.

b. Shunt.

c. mixto.

3. El denominado condensador de arranque se puede utilizar de forma permanente. a. Sí.

b. No.

4. El número de devanados de un motor Brushless es:

Resuelve en tu cuaderno o bloc de notas

b. No se puede hacer. c. cambiando la polaridad de la alimentación. 6. Cuáles de estos motores monofásicos tiene el mejor par de arranque: a. El que utiliza interruptor centrífugo. b. El que utiliza un condensador permanente. c. El que utiliza un condensador de arranque. 7. Los motores sin escobillas son: a. universales. b. Paso a paso. c. Brushless.

5. El cambio de sentido de giro de un motor de espira se realiza: a. permutando uno de su devanados.

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8. El rotor de imanes permanentes está presente en los motores de inducción. a. Verdadero.

b. Falso.

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