Motores Eléctricos: Monofásicos y de Corriente Continua

Motores Monofásicos

Son jaula de ardilla. Los más difundidos son los de inducción y colector.

Motor de Inducción

En el estator se alojan dos tipos de bobinado: uno principal y otro auxiliar que actúa en la puesta en marcha.

Principio de Funcionamiento

Teoría del doble campo giratorio de Ferrari. El vector de un campo magnético alterno de eje fijo se puede descomponer en dos fasores. Estos vectores son idénticos, pero de sentido contrario y misma velocidad. A estos dos campos se los denomina Campo Directo (Horario) y Campo Inverso (Antihorario).

Un campo magnético monofásico es resultante de la suma de dos campos giratorios. El campo giratorio es el primer requisito para lograr cupla motora.

Bobina Auxiliar en Cortocircuito

Es apto para motores pequeños por ser muy baja su cupla. El eje magnético se encuentra desplazado del principal. Al circular corriente por la bobina principal se crea un flujo magnético alterno; al encontrarse la auxiliar bajo su acción, se induce una FEM. Siendo que esta está en cortocircuito, circula una corriente y, por lo tanto, genera un nuevo flujo desfasado del principal.

Conclusión: Se tienen dos flujos desplazados en espacio y tiempo, condición necesaria para tener flujo rotante. Giran en un solo sentido, dependiendo de su construcción.

Motor a Fase Dividida

Se obtienen mayores potencias y su par de arranque es muy superior al anterior. Constituido por un bobinado principal de marcha y uno auxiliar de arranque desplazado 90° eléctricos. Alta resistencia y baja reactancia.

La cupla de arranque es C=KIp.Iaux.senθ

Si el ángulo es pequeño, la cupla será pobre y la corriente elevada; se juega con valores de R y L de ambos bobinados para aumentar el ángulo.

Motor con Capacitor de Arranque

Con el capacitor en serie con el bobinado auxiliar, se obtiene un desfasaje mayor entre las corrientes Ip e Iaux, lo que mejora la cupla de arranque, además de reducir la corriente de arranque.

Motor a Capacitor

Se logra por disposición de los bobinados a 90° eléctricos entre sus ejes magnéticos. Por características eléctricas, hay 90° de desfasaje entre Ip e Iaux. El capacitor se conecta en paralelo con el bobinado principal.

La cupla se puede mejorar agregando capacitores en paralelo con el de arranque.

Motor a Colector

Son de velocidad variable y regulable. Se agrupan en motor en serie y motor derivación.

Motor Serie

La velocidad varía en forma inversa con la cupla. El eje magnético del campo principal es perpendicular al rotor. El flujo de excitación cambia con la corriente del inducido, por ello, la cupla tiene siempre el mismo sentido. Si se les aplica CC, funcionan normalmente. Denominados motores universales. Son para bajas potencias.

Motor Derivación

Mantienen la velocidad constante para cada estado de regulación.

Motores de CC

Son reversibles, pueden funcionar como motor o generador.

Componentes Principales

Estator

De acuerdo al tamaño de la máquina, puede ser de hierro fundido o laminado.

Polos Inductores y Expansiones Polares

Son de hierro laminado; el bobinado se efectúa con alambre de cobre. Producen el campo magnético. Las expansiones polares se encuentran en el extremo del polo inductor y se expanden sobre la superficie del rotor; se construyen de chapas laminadas y prensadas.

Rotor

En su eje se colocan las chapas prensadas, chapas de hierro silicio que conforman el núcleo del rotor.

Escobillas

De sección rectangular, construidas con carbón grafitado o de cobre blando. La dureza está en relación directa con la de las delgas que forman el colector.

Principio de Funcionamiento

El campo que se produce es de eje fijo y sentido constante, por lo que es imposible la inducción de FEM. Al colocarle una espira y hacerla girar, se producirá una FEM inducida en ella.

Curvas de Inducción

Al hacer rotar una espira con velocidad constante dentro del campo magnético, se inducirá una FEM de valor e=BLv. Se produce una onda trapezoidal con semiciclo positivo y negativo, ambos simétricos. Constituido por dos pasos polares (360°). El paso polar es la distancia que hay entre dos polos sucesivos de signo contrario (180°). Cuando la espira pasa por la zona neutra (ZN), el valor es cero.

Obtención de la Corriente Continua

Se colocan dos bobinas; la FEM resultante es la de una bobina debido a que están colocadas en paralelo, pero la corriente se puede duplicar. Cuando las bobinas pasan por la ZN, se invierte la polaridad de la FEM. Se coloca un anillo partido, conectado a las bobinas que invierten la FEM. En el circuito exterior circula una corriente que siempre tiene la misma polaridad. Las escobillas conmutan la corriente en el semianillo (delga). El conjunto de delgas constituye el colector. La conmutación se realiza en la ZN. En la ZN, la FEM no es cero, lo que produce chispas en el colector y escobillas, y deterioro de las mismas.

La FEM inducida en el rotor es alterna, luego pasa por el colector a través de las escobillas y se transforma en C.C.

Reacción del Inducido

Es la deformación del campo principal y la diferencia de potencial entre delgas en el instante de conmutación.

Inconvenientes de la Reacción del Inducido

• Desplazamiento de la ZN: Disminución del flujo principal y chispas en el colector.
• Concentración de flujo: Las pérdidas de hierro se elevan debido a que en estas zonas se llega fácilmente a la saturación. Debilitamiento del flujo.

Corrección de la Reacción del Inducido

• Decalado de escobillas.
• Polos de Conmutación: El flujo transversal que produce la corriente se reduce colocando en la ZN polos auxiliares de conmutación, conectados con el inducido de manera de producir un flujo opuesto y transversal; la zona queda libre de magnetismo.
• Arrollamiento de Compensación: Los polos de conmutación hacen desaparecer las chispas sobre el colector y escobillas, pero sigue la deformación del campo y la elevada tensión entre delgas contiguas, pérdidas en el hierro y desmagnetización del núcleo. Esto se corrige con otro bobinado alojado en zapatas polares y conectado en serie con el inducido.

Tipos de Arrollamiento

• Inducido tipo anillo: Los lados activos de las bobinas solamente producen FEM inducida.
• Inducido tipo tambor:

Excitación en Máquinas de CC

Se clasifican según sea la conexión entre la bobina de excitación y el inducido.

• Excitación Independiente: Se utiliza una fuente de alimentación ajena a la máquina para el bobinado de excitación. Es poco utilizada.
• Autoexcitación: Por un medio exterior, se hace girar el inducido; la presencia de campo remanente genera en los bornes una pequeña tensión que impulsa una corriente por el circuito de excitación, se incrementa el magnetismo y, por lo tanto, la FEM inducida en el rotor. β=μ.H Φ=B.S

FEM=E=K.Φ.N Paso Polar (δ) δ=π.D/2p Flujo del Polo: Φ=Bm.S Determinación de la Cupla del Motor C.C: F=Bm.Li.Ii Cupla Desarrollada en el Entrehierro: Ci= K1.(Q.Ii) FEM y Tensión en Bornes: E= K3.(N.Q) V= K1.(E-(Ii.Ri)) Velocidad= N= K2.(E/Q)

Cupla Motora

En el generador, al aplicar una cupla sobre el eje y excitar los polos, se obtiene una tensión sobre las escobillas. En el motor, se aplica tensión a las escobillas y aparece la cupla motora. En marcha, el rotor y sus conductores activos cortarán líneas de campo magnético y se inducirá una FEM contraria a la tensión en bornes, que impulsará una corriente en sentido contrario a la principal. V= E+I.Ri I=V-E/Ri

La ecuación general es: V=K.Φ.N+-I.Ri Pb= Pi+-Pp

Arranque

Absorben una elevada corriente, que puede alcanzar valores que superan de 10 a 30 veces la nominal. Se utiliza, para limitarla, reóstatos de arranque con los que se reduce a 1.5 - 2 veces la nominal. I= V/Ri

Regulación de Velocidad

Se hace por medio de reóstatos, permitiendo el máximo flujo; se obtienen elevados valores de velocidad. N= V-I.Ri/K.Φ {Rpm}