INSTITUTO TECNOLOGICO DE CIUDAD JUAREZ

CONTROL DE MAQUINAS ELECTRICAS.

CLASE 7-8 PM.

ING. ALBERTO RUIZ DE LA PENA

TAREA #3

ALUMNO: ANTONIO ACEVEDO OCHOA

CD. JUAREZ CHIH A 31 DE ENERO DEL 2012.

Motores Corriente Continua

El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio.

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

La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga.

Su principal inconveniente, el mantenimiento, muy caro y laborioso.

Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes, un estator que da soporte mecánico al aparato y tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estator además se encuentran los polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, al que llega la corriente mediante dos escobillas.

Dentro de éstas se ubican los demás componentes como :

• Escobillas y portaescobillas• Colector• Eje• Núcleo y devanado del rotor• Imán Permanente• Armazón• Tapas o campanas

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 numero de polos y el mismo numero 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 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.

Motores de Corriente Alterna

Se denomina motor de corriente alterna a aquellos motores eléctricos que funcionan con corriente alterna. Un motor es una máquina motriz, esto es, un aparato que convierte una forma determinada de energía en energía mecánica de rotación o par. Un motor eléctrico convierte la energía eléctrica en fuerzas de giro por medio de la acción mutua de los campos magnéticos.

Partes básicas de un motor de corriente alterna:

Carcasa: caja que envuelve las partes eléctricas del motor, es la parte externa. Estator: consta de un apilado de chapas magnéticas y sobre ellas está enrollado el

bobinado estatórico, que es una parte fija y unida a la carcasa. Rotor: consta de un apilado de chapas magnéticas y sobre ellas está enrollado el bobinado

rotórico, que constituye la parte móvil del motor y resulta ser la salida o eje del motor.

Los motores de corriente alterna se clasifican por su velocidad de giro, por el tipo de rotor y por el número de fases de alimentación.

Por su velocidad de giro:

Asíncronos Síncronos

Por el tipo de rotor:

Motores de anillos rozantes. Motores con colector Motores de jaula de ardilla

Por su número de fases de alimentación:

Monofásicos Bifásicos Trifásicos

Motores asíncronos: El motor asíncrono fue creado es su forma más simple por Galileo Ferraris y Nikola Tesla entre 1885 y 1886. La diferencia del motor asíncrono con el resto de los motores eléctricos radica en el hecho de que no existe corriente conducida a uno de sus devanados (normalmente al rotor).

La corriente que circula por el devanado del rotor se debe a la fuerza electromotriz inducida en él por el campo giratorio; por esta razón, a este tipo de motores se les designa también como motores de inducción.Se les llama motores asíncronos porque la velocidad de giro del motor no es la de sincronismo, impuesta por la frecuencia de la red.

Hoy en día se puede decir que más del 80% de los motores eléctricos utilizados en la industria son de este tipo, trabajando en general a velocidad prácticamente constante. No obstante, y gracias al desarrollo de la electrónica de potencia en los últimos años está aumentando considerablemente la utilización de este tipo de motores a velocidad variable.La gran utilización de los motores asíncronos se debe a las siguientes causas: fácil construcción, bajo peso, poco volumen, económico y mantenimiento inferior al de cualquier otro tipo de motor

eléctrico.

Hay dos tipos básicos de motores asíncronos: motores de jaula de ardilla y motor de rotor bobinado.

Motor asíncrono trifásicoCuando se alimenta el estator de un motor asíncrono con un sistema trifásico de tensiones de frecuencia f1, se origina en el entrehierro un campo magnético giratorio de amplitud constante cuya velocidad es:

ns = (60 x f) / p

p es el número de pares de polos con los que se construyen los devanados del estator.f es la frecuencia de la red.

Esta velocidad recibe el nombre de velocidad de sincronismo y depende del número de pares de polos del estator y de la frecuencia.

Motor asíncrono trifásico de rotor en cortocircuito: En el estator de estos motores se colocan las bobinas encargadas de producir el campo magnético giratorio. Estas se alojan en ranuras practicadas en un núcleo formado, generalmente por paquetes de chapas magnéticas. Las 3 bobinas quedan desfasadas entre sí 120º y los 6 terminales de que constan se conectan a la placa de bornes del motor, conectándose en estrella o en triángulo.

El rotor es cilíndrico, en éste se sitúan conductores de aluminio alojados en las ranuras del núcleo y cortocircuitados por sus extremos mediante anillos conductores.

FuncionamientoCuando las bobinas del estator son recorridas por un sistema de corrientes trifásicas, se forma en él un campo magnético giratorio. Los conductores del rotor, que en un principio está parado, son barridos por el campo magnético giratorio por lo que se induce en ellos una f.e.m. Como estos conductores están en cortocircuito, aparece una corriente por los mismos que en unión con el campo magnético del estator da lugar a un par de fuerzas que pone en movimiento el rotor en el mismo sentido que el campo giratorio.

La velocidad del rotor no puede alcanzar a la del campo giratorio, ya que si son iguales no se induciría tensión alguna en el rotor, por lo que el rotor siempre gira a una velocidad menor a la de sincronismo.

El deslizamiento de un motor asíncrono se define como la diferencia de estas velocidades expresada en porcentaje:

S = {(ns – n) / ns} x 100

El deslizamiento de un motor varía con la carga mecánica que tenga que arrastrar. Cuando el motor trabaja en vacío el deslizamiento es mínimo (0.1%). Al arrastrar la carga nominal el motor tiende a frenarse y el deslizamiento aumenta un poco (4%). Cuando el motor arrastra una carga mecánica el rotor tiende a frenarse. Esto hace que el movimiento relativo del campo magnético giratorio respecto a los conductores del rotor aumente, lo que acrecenta la f.e.m. y la corriente inducida en los mismos. Como el par de fuerzas que se desarrolla en el rotor depende de la corriente, se produce un aumento de dicho par que tiende a equilibrar el par resistente con el motor. Según aumenta la carga en el motor, también aumenta el deslizamiento.

ArranqueAl conectar el estator de un motor trifásico, permaneciendo el rotor sin movimiento, en un principio, el campo giratorio corta los conductores del rotor, induciendo en estos una f.e.m. elevada de la misma frecuencia que la del estator, que a su vez producirá una corriente fuerte (cientos de amperios). Esta corriente al interactuar con el campo magnético, produce elevadas fuerzas mecánicas que al actuar sobre el rotor le proporciona un fuerte par de arranque. La fuerte corriente del rotor genera un campo magnético que intenta modificar el flujo común; como esto solo depende de la tensión aplicada al estator, aparece un incremento de corriente en el mismo que intenta compensar la f.m.m. producida por el rotor. Cuando aumenta la intensidad rotórica también lo hace la corriente estatórica que corresponde a la corriente tomada de la red por el motor.

Aceleración y cargaAl momento de circular corriente por el rotor parado, empieza a girar con un movimiento acelerado y en el mismo sentido que el campo giratorio. Debido a esto el movimiento relativo entre el campo y el rotor disminuye igual que la f.e.m. y la corriente. Si el motor está en vacío, se alcanza una velocidad próxima a la de sincronismo. Si se aplica una carga mecánica, el rotor tenderá a perder velocidad hasta lograr un equilibrio entre el par motor creado por el mismo y el par resistente ofrecido por la carga.

Motor asíncrono de rotor bobinado o de anillos rozantes: El estator posee las mismas características que el rotor en cortocircuito, sin embargo el rotor se construye insertando un devanado trifásico en las ranuras de un núcleo cilíndrico de chapas magnéticas.

Este devanado se conecta normalmente en estrella y los tres terminales restantes se conectan a tres anillos colectores. Unas escobillas frotan los anillos y permiten conectar unas resistencias externas en serie para limitar la corriente rotórica.

El principio de funcionamiento es igual que el del rotor en cortocircuito. Ahora es posible la regulación directa de la corriente rotórica y con ella, la propia corriente estatórica. Tiene la ventaja de que no es necesario disminuir la tensión en el estator para disminuir el flujo y con él la corriente rotórica que trae una reducción del par motor.

El arranque se hace en sucesivos escalones, obteniendo un arranque con corriente suave en el estator con un buen par de arranque.

El gran inconveniente que presentan estos motores frente a los de jaula de rotor en cortocircuito es que resultan bastante más caros y necesitan de un mayor mantenimiento.

MOTOR TRIFÁSICO SÍNCRONOEste tipo de motor presenta la ventaja de que gira a una velocidad constante para diferentes regímenes de carga, siempre que se mantenga constante la frecuencia de alimentación.

Al aplicar corriente alterna al devanado trifásico del estator se produce un campo magnético giratorio que gira la velocidad síncrona. Si se hace girar a las piezas polares del rotor a una velocidad igual, se produce una especie de acoplamiento entre los polos de distinta polaridad del rotor y los del campo giratorio, produciéndose un arrastre del rotor por dicho campo giratorio.

La velocidad del rotor coincide con la velocidad de sincronismo del campo giratorio:

n = 60 x f p

n = velocidad del motor síncrono (r.p.m.)f = frecuencia de la red (Hz)p = número de pares de polos del devanado estatórico.

El inconveniente de este motor es que necesita ser empujado hasta la velocidad de sincronismo para que funcione, por lo que se suelen arrancar sin carga. Existen diferentes procedimientos,

como son el arranque mediante motor auxiliar de lanzamiento o el arranque como motor asíncrono.

Estos motores requieren de una fuente DC para la alimentación de la excitación del rotor. No se les puede someter a variaciones bruscas de la carga, pues podría ocasionar la pérdida de sincronismo del rotor, provocando la parada del motor.

Estos motores desarrollan un factor de potencia muy alto y poseen un rendimiento muy bueno.

Se pueden construir pequeños motores síncronos monofásicos que consiguen una velocidad constante con una construcción relativamente sencilla. En estos casos el motor no posee ningún tipo de bobinado y se construye para que se formen polos magnéticos opuestos a los del campo giratorio generado por el estator. Estos pequeños motores son ideales para la construcción de relojes eléctricos, registradores y en las aplicaciones donde es importante mantener una velocidad constante.

MOTORES MONOFÁSICOSDada la sencillez, robustez, bajo precio y ausencia de chispas son de gran aplicación los motores asíncronos monofásicos de inducción de rotor en cortocircuito.La utilización de motores monofásicos será factible para aplicaciones de pequeña potencia. En los motores monofásicos no resulta sencillo iniciar el campo giratorio, por lo cual se tiene que usar algún elemento auxiliar.

MOTOR MONOFÁSICO DE INDUCCIÓNSu funcionamiento es el mismo que el de los motores asíncronos de inducción. Dentro de este grupo existen los siguientes motores:

De polos auxiliares o también llamados de fase partidaCon condensadorCon espira en cortocircuito o también llamados de polos partidos

Motor monofásico de fase partida: Tiene dos devanados, uno principal y otro auxiliar. El devanado auxiliar es el que provoca el arranque del motor, debido a que desfasa un flujo magnético respecto al flujo del devanado principal, así se logra tener dos fases en el momento del arranque. Al tener el devanado auxiliar la corriente desfasada respecto a la corriente principal, se genera un campo magnético que facilita el giro del rotor. Cuando la velocidad del giro del rotor acelera el par de motor aumenta. Si esta velocidad está próxima al sincronismo, se logra alcanzar un par de motor tan elevado casi como en un motor trifásico. Cuando la velocidad alcanza un 75% del sincronismo, el devanado auxiliar se desconecta gracias a un interruptor centrífugo que llevan incorporados estos motores, lo cual hace que el motor solo funcione con el devanado principal.

Este tipo de motor dispone de un rotor de jaula de ardilla como los utilizados en los motores trifásicos. El par de motor de estos motores oscila entre 1500 y 3000 r.p.m., dependiendo si el motor es de 2 ó 4 polos, teniendo unas tensiones de 125 y 220 V. La velocidad es prácticamente constante. Para invertir el giro del motor se intercambian los giros de uno solo de los devanados (principal o auxiliar).

Motor monofásico con condensador de arranque: También disponen de devanado principal y auxiliar. Se añade un condensador en serie con el devanado auxiliar de tal modo que el ángulo de desfase entre los flujos producidos por ambas bobinas se acerque a 90º. El par de arranque conseguido por estos motores aumenta con la capacidad del condensador. Sin embargo una capacidad excesivamente elevada puede reducir la impedancia total del devanado auxiliar a valores pequeños, aumentando la corriente absorbida por el devanado auxiliar. Si este devanado no se desconecta una vez arrancado el motor, el calor producido por la fuerte corriente puede llegar a destruirlo. Sin embargo para que esto no ocurra, se procede a la desconexión del conjunto formado por el condensador y el devanado auxiliar mediante un interruptor centrífugo.

Motor monofásico con espira en cortocircuito

El rotor de estos motores es de jaula de ardilla. El estator es de polos salientes, en el cual se arrolla la bobina principal como si fuese un transformador. En la parte extrema de cada polo se coloca una espira en cortocircuito. El devanado principal produce un campo magnético alternativo que atraviesa el rotor y las dos espiras en cortocircuito situadas en el estator. En las espiras se induce una f.e.m. que hace aparecer una pequeña corriente y un pequeño flujo magnético que queda retrasado respecto al flujo principal, que es suficiente para provocar un par de arranque en el motor.

El sentido de giro de estos motores depende de la disposición relativa de las espiras de cortocircuito y de los polos principales. El par de arranque, el rendimiento y el factor de potencia no es muy bueno. Sin embargo la gran sencillez de este motor lo hace ideal para aplicaciones de poca potencia.

Motor universal: Motor monofásico que se puede alimentar con corriente alterna o continua. En realidad se trata de un motor de C.C. con la excitación conectada en serie con el inducido.

En los motores serie C.C. el sentido de giro se invierte cuando se cambia la polaridad de uno de los dos devanados, el inducido o el inductor. Si se invierte el sentido de la corriente en los dos devanados a la vez, el sentido de giro no cambia. Esta es la razón por la cual estos motores funcionan en corriente alterna. Los motores universales se diseñan especialmente para funcionar con C.A., construyendo los núcleos con chapa magnética tal como se hace con los motores C.A.

Pueden funcionar a velocidades muy altas (por encima de los 10000 r.p.m.). Además se puede regular fácilmente la velocidad, bien modificando la tensión total aplicada al motor, o la aplicada al circuito de excitación. Estos motores tienen el inconveniente de que al precisar del colector de delgas y escobillas se producen chispas y desgastes en ambos elementos. La velocidad de estos motores se disminuye con la carga. La principal aplicación de estos motores es como elemento motriz de pequeños electrodomésticos y pequeñas máquinas herramientas: batidoras, robots de cocina, molinillos, taladradoras portátiles, etc.

MOTORES ESPECIALESLa característica principal de estos motores es que posee un amplio margen de control y regulación de sus características funcionales. Esta regulación se hace mediante equipos electrónicos.

Motores paso a paso

Su eje se puede posicionar de una forma determinada, además es muy posible tener un control muy preciso de su velocidad de giro. El estator está constituido por varios electroimanes y el motor por uno o varios imanes permanentes. A las diferentes bobinas del estator se alimenta mediante impulsos, proporcionados por un circuito electrónico, consiguiendo que el rotor se posicione paso a paso según sea el avance de dichos impulsos. La velocidad de giro del rotor depende de la frecuencia de los impulsos y del número de polos. Se fabrican motores con diferentes ángulos de paso, por ejemplo, 24 pasos por revolución, 28, 96, 200, etc. Si un motor paso a paso posee 24 pasos, su ángulo de paso será 360º/24 = 15º.

Algunas de las aplicaciones son: impresoras plotters, teletipos, telefax, cintas magnéticas, equipos médicos, lectores de tarjetas magnéticas, taxímetros, contadores, etc.

Servomotor: Estos motores son muy utilizados en las máquinas herramientas modernas. Con ellos se consiguen movimientos precisos gracias a la regulación y control electrónica que se ejerce sobre ellos. Se trata de un motor de corriente continua de pequeña potencia en el que la excitación se realiza mediante imanes permanentes especiales de tipo cerámico que producen una elevada intensidad de campo magnético. El rotor es similar al de un motor C.C. y es alimentado a través de un colector, con C.C. regulada mediante circuitos electrónicos.