Motors Elèctrics: Tipus, Funcionament i Aplicacions

Motors Elèctrics

Motors de corrent altern monofàsics

Els motors monofàsics són motors de poca potència, normalment inferior a 1 kW, i el seu gran camp d'aplicació és el sector dels electrodomèstics i el de les màquines eina portàtils.

A. Motors d'inducció amb bobinatge auxiliar

La constitució dels motors d'inducció monofàsics és molt semblant a la d'un motor d'inducció trifàsic, amb el bobinatge inductor a l'estator i un induït en curtcircuit al rotor. El principal problema dels motors d'inducció monofàsics és que el rotor no es pot posar a girar només amb l'acció del camp magnètic creat per l'inductor. Hem vist que el parell motor en els motors d'inducció trifàsics el crea el camp magnètic giratori, i un bobinatge alimentat per un CA monofàsic crea un camp magnètic alternatiu d'amplitud variable. Però si impulsem el rotor manualment, aquest es posarà a girar i mantindrà el gir fins que el desconnectem de la xarxa. Això és així perquè el camp magnètic creat pels corrents induïts en el rotor quan el fem girar està endarrerit 90° respecte al de l'estator, i l'acció dels camps es concreta en un camp magnètic giratori d'amplitud variable que gira a la velocitat de sincronisme semblant al que es crea en un motor bifàsic, que és el que manté el rotor en moviment. Per tant, la solució consisteix que aquest camp magnètic giratori es creï en el moment d'engegar el motor, sense necessitat d'impulsar-lo manualment. Per a això, s'utilitza un bobinatge auxiliar d'arrencada col·locat a l'estator en paral·lel amb el bobinatge inductor principal, i desfasat respecte d'aquest de manera que el camp magnètic creat en l'inductor auxiliar i en el principal quedin desplaçats. D'aquesta manera es crearà un camp magnètic giratori semblant al dels motors bifàsics. D'acord amb la manera d'obtenir el camp giratori quan engeguem, els motors d'inducció són:

• De fase partida. En l'estator s'hi allotja el bobinatge inductor principal que ocupa els 2/3 de les ranures totals i el bobinatge auxiliar que ocupa la resta, desplaçats 90° sobre l'estator. Normalment disposa d'un sistema d'accionament centrífug que desconecta automàticament el bobinatge auxiliar de la xarxa quan la velocitat del rotor arriba al 75% de la velocitat de sincronisme.
• De condensador. És igual que el de fase partida, però amb un condensador en sèrie amb el bobinatge inductor auxiliar. D'aquesta manera s'aconsegueix que el desfasament entre I1 i I2, sigui pràcticament de 90° i s'obté un parell d'engegada d'aproximadament que fa que aquest motor sigui molt adequat per a aplicacions en què és necessari arrencar amb càrrega, com ara en una rentadora. En aquest motor també s'utilitza la desconnexió automàtica del bobinatge auxiliar.

Motor universal

El motor universal és aquell que pot funcionar tant amb corrent continu com amb corrent altern, sense que les seves característiques de funcionament, com ara velocitat, parell, potència, etc., pateixin variacions sensibles. Es tracta d'un motor de CC amb excitació en sèrie al qual s'han fet algunes modificacions. La modificació més important és que l'estator ha de ser construït amb xapa laminada, d'una altra manera les pèrdues magnètiques serien enormes. La característica parell-velocitat del motor universal és igual que la del motor de CC en sèrie, per la qual cosa no és adequat per operar a velocitat constant, però són màquines de dimensions petites i ofereixen un parell motor més alt que qualsevol altre motor monofàsic. Aquest tipus de motor el trobem a les aspiradores, als trepants portàtils i a altres eines portàtils.

Motors pas a pas

Un disc dur està dividit en diferents sectors on s'emmagatzemen els diferents bits d'informació. Quan una aplicació requereix una dada, s'ha de posicionar el capçal lector amb l'ajuda d'un motor de gran precisió, a causa del fet que la distància entre dades és molt petita. Els motors pas a pas són els més adequats en aplicacions en les quals es necessita un control precís de la posició i/o una regulació excel·lent de la velocitat del rotor. Són els més utilitzats en els sistemes de CNC, en robòtica, en sistemes informàtics (control de les unitats de disc, CD, DVD, impressores, plòters...) i en la manipulació i el posicionament d'eines i peces en general.

Bàsicament, són formats per una part fixa, l'estator, constituït per bobines que excitades adequadament crearan un camp magnètic giratori, i una part mòbil, el rotor, que és un imant permanent que seguirà el camp giratori de l'estator. En aquests motors el rotor pot quedar enclavat en una posició, si es manté l'impuls en alguna de les bobines de l'estator; en cas contrari, el rotor quedarà lliure.

Els motors pas a pas es poden considerar un tipus de motor síncron dissenyat per girar un nombre determinat de graus, anomenat pas, cada vegada que s'aplica un impuls elèctric adequat a les bobines de l'estator. Aquest pas pot variar des de 90° fins a tan sols 0,72°. En el primer cas, només es necessitarien 4 passos perquè el rotor fes una volta completa, i en canvi 500 passos en el segon. S'alimenten per mitjà d'una font de CC i un circuit electrònic, que és el que controla els impulsos i el sentit del corrent a les bobines de l'estator.

En realitat, els motors pas a pas són conversors D/A, ja que converteixen la informació digital (els impulsos elèctrics) proporcionada a l'estator en moviments de gir proporcionals i controlats en el rotor; així doncs, el podem fer girar en els dos sentits i el nombre de passos que volem.

Corba de característica mecànica

És la corba característica més important d'un motor d'inducció i representa com varia el parell d'acord amb la velocitat del motor mantenint la tensió i la freqüència d'alimentació constants. Si a la corba hi afegim el parell resistent que ofereix la càrrega i la intensitat estatòrica, ens oferirà una visió molt clara del comportament mecànic i elèctric d'acord amb la càrrega mecànica. En la corba característica hi distingim els punts següents:

• Punt A. Correspon al moment d'engegar, la velocitat del motor és n= 0, i s'obté un parell d'engegada superior al parell nominal. La intensitat d'engegada és més gran que la In
• Punt ns. Correspon a la velocitat de sincronisme. El motor no pot funcionar en aquestes condicions, ja que el rotor no estaria sotmès a variació de flux; per tant, no es generaria corrent en el rotor i en conseqüència Γ = 0.
• Punt D. Correspon al funcionament en buit. El parell inicial és molt petit, però suficient per vèncer les resistències mecàniques de fregament del motor. La velocitat inicial és inferior a la velocitat de sincronisme
• Punt C. Correspon al funcionament nominal del motor. El parell útil que subministra el motor és igual que el parell resistent que ofereix la càrrega. En aquest punt el motor és estable; per exemple, si augmenta la velocitat disminueix el parell motor; en conseqüència, el parell resistent frena el rotor i tornarà a la velocitat nominal. D'altra banda, un augment del parell resistent implica una disminució de la velocitat i, per tant, un augment del parell motor.
• Punt K. Correspon a la velocitat crítica en què el motor ens subministra el parell màxim Γc

" alt="Corba característica d'un motor d'inducció">

Motors d'inducció trifàsics

El motor asíncron trifàsic és el motor industrial per excel·lència. La seva construcció senzilla i robusta, l'absència de col·lector i l'adaptació del seu funcionament a les variacions brusques de càrrega mantenint una velocitat pràcticament constant fan del motor asíncron una màquina de funcionament molt fiable. Com qualsevol motor, les parts essencials d'un motor d'inducció són l'estator i el rotor.

L'estator conté el sistema inductor. És format per la carcassa, el nucli magnètic, el bobinatge inductor i la caixa de borns.

• La carcassa té la funció de servir de suport als diferents òrgans i constitueix l'estructura del motor.
• El nucli magnètic va fixat a la carcassa i està construït amb un paquet de xapa magnètica en forma de corona i amb ranures longitudinals per allotjar-hi el bobinatge inductor.
• El bobinatge inductor té la funció de produir el camp giratori. És format per tres enrotllaments de fil o platines de coure.
• La caixa de borns serveix per connectar el motor a la xarxa elèctrica. Disposa de sis borns on van connectats els principis i els finals de cada enrotllament.

El rotor constitueix el sistema induït. Bàsicament és format per un eix, suportat per coixinets, i un paquet cilíndric de xapa magnètica, amb ranures longitudinals per allotjar-hi els conductors del bobinatge induït. D'acord amb el tipus de bobinatge, poden ser de gàbia d'esquirol o bobinats.

• Rotor de gàbia d'esquirol o en curtcircuit. Es construeix amb barres de coure o d'alumini, amb els extrems curtcircuitats amb anells del mateix material. A partir de 3 CV de potència s'acostumen a construir amb doble gàbia d'esquirol o amb ranures profundes, ja que es millora el procés d'engegada del motor. Els motors amb rotor de gàbia d'esquirol són els més utilitzats industrialment perquè són econòmics i requereixen poc manteniment.
• Rotor bobinat. Porta un bobinatge trifàsic de fil de coure, connectat en estrella; els tres extrems lliures es connecten a tres anells de bronze o llautó, disposats sobre l'eix, i mitjançant les escombretes es tanca el circuit rotòric amb unes resistències que constitueixen el reòstat d'engegada del motor. Els motors amb rotor bobinat milloren les característiques d'engegada (parell elevat i corrent moderat) i permeten una certa regulació de la velocitat, però són més voluminosos, més cars i requereixen més manteniment que els de curtcircuit.

Dinamos

Les dinamos són generadors de corrent continu. Com hem vist, van ser els primers generadors electromecànics que es van utilitzar. En l'actualitat s'utilitzen molt poc, ja que la producció i el transport d'energia elèctrica es fa en forma de corrent altern.

Constitució de la dinamo

La constitució de les màquines de corrent continu, generadors i motors, és idèntica, ja que el procés de conversió d'energia mecànica en energia elèctrica és reversible. Les seves parts fonamentals són l'estator i el rotor. L'espai que queda entre tots dos s'anomena entreferro. L'estator és format pel conjunt d'elements que constitueixen l'estructura sobre la qual se sustenten els diferents òrgans de la màquina. Conté el sistema inductor destinat a produir el camp magnètic. És format pels pols inductors, el bobinatge inductor i la culata.

• Els pols inductors o principals estan dissenyats per repartir uniformement el camp magnètic. A les màquines de poca potència poden ser imants permanents, però en la majoria són electroimants, en els quals distingim el nucli i l'expansió polar. Estan construïts normalment amb xapa magnètica aplicada. A les màquines de mitjana i gran potència s'utilitzen pols auxiliars.
• El bobinatge inductor són les bobines d'excitació dels pols principals, col·locades al voltant dels nuclis. Estan fetes amb conductors de coure o d'alumini recoberts per un vernís aïllant elèctric.
• La culata serveix per tancar el circuit magnètic i per subjectar els pols, i està construïda amb material ferromagnètic, fosa o acer suau o dolç.

El rotor és la part giratòria de la màquina, que en estar sotmesa a variació de flux engendra la FEM induïda.

• El nucli de l'induït és un cilindre construït amb xapa magnètica apilada per reduir les pèrdues de ferro. Disposa d'unes ranures longitudinals on es col·loquen les espires de l'enrotllament induït.
• El bobinatge induït és format per espires o paquets d'espires de coure que es distribueixen per les ranures del nucli.
• El col·lector és un cilindre solidari a l'eix de la màquina format per segments de coure o lamel·les aïllades elèctricament entre elles. A cada lamel·la s'hi connecta el final d'una bobina i el principi de la consecutiva a l'anterior en el nucli de l'induït.
• Les escombretes són peces de carbó o metàl·liques que mantenen el contacte elèctric per fregament amb el col·lector per fer la commutació del corrent induït i treure'l en forma de CC cap al circuit exterior.
• Els coixinets serveixen de suport i faciliten el gir de l'eix de la màquina.

Tipus d'excitació

La utilització d'electroimants (en el sistema inductor) permet obtenir camps magnètics més potents i variar el funcionament de la màquina regulant el corrent d'excitació. D'acord amb la connexió elèctrica entre l'enrotllament inductor i l'induït, les màquines de CC es classifiquen en màquines d'excitació independent i màquines autoexcitades. En les màquines d'excitació independent no hi ha connexió elèctrica entre l'inductor i l'induït. El circuit inductor és alimentat per una font de CC exterior, com ara una pila, un acumulador, etc. En les màquines autoexcitades, l'inductor i l'induït estan connectats elèctricament. Segons el tipus de connexió són màquines d'excitació en sèrie, excitació en derivació i excitació composta.

• Excitació en sèrie. L'induït i l'inductor estan connectats en sèrie. La intensitat que circula pels dos sistemes és la mateixa.
• Excitació en derivació. L'induït i l'inductor estan connectats en paral·lel.
• Excitació composta. L'enrotllament inductor està dividit en dues parts, una connectada en sèrie amb l'induït i l'altra en derivació.

Totes les màquines elèctriques disposen d'una caixa de borns per facilitar la connexió dels enrotllaments, entre ells i amb el circuit exterior.