El fenómeno del movimiento para motores eléctricos tiene que ver con el fenómeno magnético. Los elementos principales que producen magnetismo son los imanes estos pueden ser de dos tipos o clases:

· Naturales: Producidos por la naturaleza, de un material llamado Magnetita.

· Artificiales: Producidos por el hombre, estos pueden ser de efectos temporal o permanente.

Para entender un poco este mecanismo, tengamos en cuenta los siguientes conceptos:

1.1.1. RETENTIVIDAD MAGNETICA

Es la propiedad que tienen los materiales para retener magnetismo. En este aspecto hay que recalcar que cuando a un imán permanente se le quita su fuerza de magnetización, su magnetismo no se elimina por completo, queda con un poco de magnetismo llamado Magnetismo Residual.

1.1.2. HISTERESIS

Es la oposición que presenta un material magnetizado a su estado inicial o desmagnetizado.

1.1.3. ZONAS DE UN IMAN

Todo imán tiene tres zonas definidas:

· ZONA O POLO NORTE

· ZONA NEUTRA: Es la zona intermedia entre el polo norte y el sur, no presenta propiedades magnéticas considerables de atracción o repulsión.

· ZONA O POLO SUR

La fuerza magnética de un imán es mayor en sus extremos y se va reduciendo a medida que nos acercamos a la zona neutral. Hay que agregar también que los polos de imán, hasta el día de hoy, son inseparables y por mucho que los divida físicamente, se crearan las tres zonas descritas anteriormente. La fuerza magnética de un imán es invisible y solo se pueden apreciar sus efectos.

El campo magnético del imán está formado por las llamadas Líneas de Fuerza, o Líneas de energía Magnética. Estas líneas invisibles penetran los cuerpos. Estas líneas van paralelas entre sí a través del campo magnético y forman un circuito cerrado cuyas líneas entran por el polo sur y salen por el norte. Su intensidad es mayor en los extremos y menor en la zona neutral.

Con respecto a la atracción de los polos diferentes y repulsión de los polos iguales, tiene que ver mucho con la orientación de los campos magnéticos

Los polos iguales se repelen, debido a que los sentidos de las líneas de campo son contrarios

Los polos diferentes se atraen, debido a que los sentidos de las líneas de campo son iguales y se alinean. Ahora los imanes juntos se convierten en uno solo.

Para identificar los polos de un imán, lo podemos hacer con una brújula. Al ser la aguja de la brújula otro imán, También sus líneas de campo se alinean con las de otros campos magnéticos, por tanto, la punta norte de la aguja se alinea indicando directamente el sentido de los mismo y de esta forma poder identificar un polo en especial. Veamos la situación para identificar un polo norte.

Veamos el comportamiento de la aguja de la brújula con un polo sur:

Ver video:

GENERALIDADES DE LOS MAGNETOS O IMANES

https://youtu.be/mOlfqIqsCMM

1.1.4. METODOS DE IMANTACIÓN

· Por contacto o frotamiento: Se toma un pedazo de hierro que se desea imantar y se frota uno de sus extremos con uno de los polos del imán; luego, se frota el otro extremo del pedazo de hierro con el polo opuesto del imán.

· Inducción magnética: Con este método se acerca un imán permanente de alto poder a los pedazos de hierro y estos al estar dentro de su campo magnético adquieren cierto grado de magnetismo.

· Corriente eléctrica: cuando una corriente fluye por un conductor, dicha corriente genera un campo magnético.

1.1.5. INTENSIDAD DE CAMPO MAGNETICO ( H )

Se define como el esfuerzo que hace un material para crear un campo magnético o la intensidad de un campo producido por una corriente I. Su unidad en el SI es el amperio vuelta/metro.

H = N * I / L_C

Donde:

L_C: Longitud media del núcleo que contiene el campo o de la bobina en metros

N: Número de vueltas de la bobina.

I: Corriente en amperios de la bobina.

Otra definición es el esfuerzo que hace la corriente para crear un campo magnético.

1.1.6. DENSIDAD DE FLUJO MAGNETICO O INDUCCION MAGNETICA ( B )

B = µ * H = Φ / A

Donde:

µ: Permeabilidad magnética del material.

H: Intensidad de campo magnético en Amperios – Vuelta / metro

Φ: Flujo magnético en Webers

Las unidades de B son Webers/mts² ( Tesla ). También se define como la cantidad de líneas de flujo magnético que atraviesan perpendicularmente un área.

1.1.7. PERMEABILDAD MAGNETICA ( m )

Es la facilidad o capacidad que tiene una sustancia para permitir el paso de las líneas de fuerza de un campo magnético generado. De acuerdo con la permeabilidad, los materiales tienen un valor de permeabilidad dado a partir de 1, que es el valor de referencia de la permeabilidad del aire. Estos materiales se dividen en:

· Ferromagnéticos: Tienen valores altos de permeabilidad.

· Paramagnéticos: Presentan un grado intermedio de permeabilidad.

· Diamagnéticos: No son atraídos por los imanes.

Sus unidades son Henrios/metro.

1.1.8. PERMEABILIDAD RELATIVA ( µ_R )

Es la relación entre la permeabilidad de un material y la permeabilidad del espacio libre ( µ_O )

µ_R= µ / µ_O

Donde:

µ_O = 4π * 10^-7 Henrio / metro

Este concepto sirve para comparar la facilidad con que se pueden magnetizar los materiales.

1.1.9. FLUJO MAGNETICO ( f )

Es la relación de la densidad de flujo magnético que atraviesa una superficie o área perpendicular a la dirección de este. Su unidad es el Webber ( Wb )

f = B * A = H * m * A = µ N I A / L_C

Donde:

A: Área transversal del núcleo.

1.1.10. FUERZA MAGNETOMOTRIZ ( F )

Se mide en amperios vuelta y su fórmula es:

F = Φ * R = N * I

Donde:

F: Fuerza magnetomotriz

Φ: Flujo magnético

R: Reluctancia.

N: Número de vueltas de la bobina.

I: Corriente de la bobina.

1.1.11. RESISTENCIA MAGNETICA O RELUCTANCIA ( R )

Es la oposición o resistencia que presentan los materiales al paso de las líneas de fuerza de un campo magnético.

R = L_C / µ A

Al igual que las resistencias eléctricas, tienen las mismas fórmulas para reluctancias en serie y en paralelo.

1.2. CONCEPTOS FUNDAMENTALES EMPLEADOS EN MOTORES ELECTRICOS

1.2.1. LEY DE FARADAY – TENSION INDUCIDA POR UN CAMPO MAGNETICO VARIABLE EN EL TIEMPO

Esta ley establece que, si un flujo pasa a través de una espira de una bobina formada por un elemento conductor, en ella se induce un voltaje que es directamente proporcional a la rata de variación del flujo con respecto al tiempo. En otras palabras y para entenderlo de mejor forma, esta FEM generada se produce siempre y cuando los conductores corten las líneas de campo magnético, esta FEM también depende de la velocidad con que los conductores atraviesen a las líneas de campo magnético y también de la intensidad del campo magnético.

En resumen, se puede decir que la FEM inducida, se produce en una bobina, cuando en su movimiento, corta perpendicularmente a las líneas de campo magnético

V _inducido= - N

N: Número de espiras

V _inducido : Tensión inducida

f: Flujo magnético en Wb

La dirección o polaridad de la tensión inducida viene por la ley de Lenz que establece que la dirección del voltaje inducido en la bobina es tal que, si los terminales de la bobina se cortocircuitan, se producirá una corriente que a su vez originaría un flujo de sentido opuesto a la variación original del flujo.

Otra forma de expresar la ley de Lenz es que el sentido de la corriente inducida en la bobina es tal que tiende a oponerse a la causa que lo produjo.

1.2.2. FUERZA PRODUCIDA SOBRE UN CONDUCTOR

Un conductor de longitud L, que transporta una corriente eléctrica I, pasa por un campo magnético B, dicho conductor experimentará una fuerza que viene expresada por:

F = I ( L x B )

Donde:

I : Magnitud de la corriente en amperios

L: Longitud del conductor en la dirección de la corriente i en mts.

B: Vector de densidad de flujo magnético en Wb/mts²

F: Fuerza en N

La dirección de la fuerza está dada por la regla de la mano derecha. La magnitud de la fuerza o su escalar este dado por la expresión:

F = I L Sen q, donde q es el ángulo comprendido ente la dirección del conductor y el vector de densidad del flujo magnético.

1.2.3. TENSION INDUCIDA EN UN CONDUCTOR EN MOVIMIENTO DENTRO DE UN CAMPO MAGNÉTICO O FEM DE MOVIMIENTO

Si un conductor se mueve dentro de un campo magnético, en él se inducirá un voltaje. Dicho voltaje esta dado por la expresión:

V _inducido = ( Vel x B ) . L

Donde:

Vel: Velocidad del conductor.

B: Densidad del flujo magnético

L: Longitud del conductor

La tensión en el conductor deberá tener la polaridad positiva en la misma dirección del vector ( Vel x B ) y su valor escalar es:

V _inducido = Vel * B * L * Sen q * Cos f, donde q es el ángulo entre la dirección de la velocidad del conductor y el vector de densidad del flujo magnético y f es el ángulo comprendido entre el vector ( Vel x B ) y el eje del conductor.

1.2.4. CAMPO MAGNETICO ALREDEDOR DE UN CONDUCTOR

El danés Hans Oersted descubrió en el siglo XIX que todo conductor que transporta corriente eléctrica se forma un campo magnético alrededor del mismo. La dirección del campo magnético es como cilindros envolventes del conductor o cable y la dirección de las líneas de fuerza dependían de la dirección en que la corriente circulaba.

La intensidad de dicho campo también dependía de la intensidad con que circulaba la corriente y son directamente proporcionales. Si se deseaba incrementar la intensidad del campo magnético al cable se le dan más vueltas o se aumentan el número de espiras. Por ejemplo, si la corriente está en la dirección mostrada la dirección de las líneas de fuerza del campo magnético está en sentido antihorario y depende de la regla de la mano derecha.

Si se cambia el sentido de flujo de la corriente, también se cambia el sentido de las líneas de fuerza del campo magnético, tal como se observa en la figura:

Estos sentidos los podemos demostrar usando cuatro brújulas y pasado corriente por el cable, las agujas indicaran los sentidos de los campos magnéticos dependiendo del sentido de la corriente por el cable:

Ver videos:

RELACION ENTRE CORRIENTES Y CAMPOS MAGNETICOS

https://youtu.be/sAXaa0U0KNU

1.2.5 CAMPOS MAGNETICOS EN BOBINAS

Cuando por una bobina circula una corriente, esta genera a su vez un campo magnético formándose un electroimán, la dirección del campo magnético depende del sentido del flujo de corriente:

Veamos los siguientes ejemplos:

Si se coloca un material metálico en el centro de la bobina, éste concentrará el campo magnético incrementado su intensidad.

Ver video:

FORMACION DE LOS CAMPOS MAGNETICOS EN BOBINAS

https://youtu.be/yRXel_431Pc

1.2.6 AUTOINDUCCION

Cuando por una bobina circula una corriente variable, esta genera a su vez un campo magnético también variable que corta a los conductores de la propia bobina. Este campo autogenerado producirá una f.e.m en la misma bobina cuto sentido se opone a la fuerza que lo produjo.

En otras palabras, las bobinas generan f.e.m, cuyo propósito es mantener el estado de corriente de la bobina. Le f.e.m de autoinducción depende de la rapidez con que el flujo magnético varia en la misma:

E autoiduccion = ΔΦ / Δt = L Δ I / Δt

Donde:

L : Coeficiente autoinducción en Henrios.

L = N Φ / I

1.3. CONCEPTOS BASICOS DE ONDAS ALTERNAS, DIRECTOS, MOTORES AC Y DC

Antes de entrar en detalles veamos algunos conceptos básicos:

Con respecto a la ubicación de la onda en un cuadrante superior o inferior podemos decir que Son acuerdos para indicar la condición de la variable en el tiempo, por ejemplo, si se tiene un campo magnético dirigido hacia arriba, su grafica ira en la parte superior del cuadrante y abajo cuando su campo magnético este dirigido hacia abajo.

En el caso anterior, la bobina estuvo apagada y después se enciende para tener un campo magnético dirigido hacia arriba constante, por eso trazamos su grafica en el cuadrante superior.

Ahora si apaga la bobina, se tiene la siguiente situación:

En la figura anterior, no corriente no hay campo magnético. Ahora si invertimos la corriente de la bobina se crea un campo magnético, de igual intensidad, pero en sentido contrario para lo cual se tiene la siguiente situación:

Y si volvemos a apagar la bobina:

Una onda directa es aquella que no cambia la polaridad de la fuente o sentido de corriente en el tiempo.

Con respecto al instrumento hay que tener en cuenta la polaridad para la ubicación de las puntas de prueba ya que determina la posición de la gráfica:

Veamos otros tipos de ondas de tipo DC:

Si invertimos la posición del diodo:

En el caso de una rectificación completa:

En el caso de un PWM positivo para control de motores DC con escobillas:

Una onda alterna es aquella que cambia su polaridad y sentido de corriente en el tiempo; posee valores mínimos, máximos, rms, periodos y frecuencias. En este tipo de ondas, no importa la posición de las puntas, se obtiene la misma grafica.

Veamos algunos tipos de ondas alternas:

Ver video:

DIFERENCIAS ENTRE UNA ONDA ALTERNA Y UNA ONDA DIRECTA

https://youtu.be/VUCkM7aMo3o

Con respecto a las diferencias entre motores AC y DC:

Los motores AC (corriente alterna) y DC (corriente directa) se diferencian entre si principalmente en la forma en que se suministra la energía eléctrica a sus bobinas para producir movimiento mecánico.

Este tipo de alimentación eléctrica determina el principio de giro de los mismo, así como el tipo de construcción tanto mecánica ( rotor de inducción, magnéticos, etc ) como eléctrica ( número de bobinas, distribución de bobinas, etc )

Veamos algunos ejemplos:

En un motor AC la tensión y la corriente eléctrica se suministran a las bobinas de manera alterna, lo que significa que tanto la tensión como la corriente en las bobinas cambian de polaridad y sentido constantemente.

Poseen rotores no imantados como los de jaula de ardilla, pero pueden tenerlos con ayuda de bobinas ( rotor devanado ).

En el estator pueden tener dos bobinas ( monofásicos ) y tres o más bobinas ( trifásicos )

En un motor DC la tensión y corriente eléctrica se suministra a las bobinas de forma directa, lo que significa que tanto la tensión como la corriente NO cambian de polaridad y sentido mientras opera el motor. En estos motores el rotor posee su propio campo magnético, producido a partir de bobinas ( rotor devanado ) o magnetos permanentes.

Ahora veamos un ejemplo donde veremos la importancia de comprender como opera nuestro motor y la grafica que genera en el instrumento para no caer en falsos diagnósticos.

Para este motor DC, analicemos la curva de corriente en tres estados:

Aquí el rotor gira en sentido antihorario, por tanto, su grafica de corriente la ubicamos en la parte superior, tal como se observa en la figura anterior.

Si se desea hacer un cambio de giro se debe desenergizar el motor, tal como se observa y veamos la gráfica de esta condición:

Para girar en sentido contrario, se debe cambiar la polaridad de la fuente, para que la corriente circula en sentido contrario, por eso el comportamiento de la corriente va en la parte inferior del plano del instrumento tal como se observa:

En conclusión:

Ahora, si se tiene este caso:

Ver video:

DIFERENCIAS BASICAS ENTRE MOTORES ELECTRICOS AC Y MOTORES ELECTRICOS DC

https://youtu.be/crh9P1v9GIU

1.4. MOTORES DC

Este motor utiliza los principios de campos magnéticos y/o electromagnetismos, entre rotor y estator para qué con efectos de atracción y repulsión entre campos magnéticos, se crea un giro o torque en el rotor de nuestro motor.

Ahora veamos las partes básicas que lo componen:

En la figura anterior, se tiene al rotor o eje móvil, está compuesto por una ARMADURA, que son placas unidas que soportan a las bobinas, se posee un colector de delgas o CONMUTADOR que sirve para conectar las bobinas y recibir la tensión de los electrodos o escobillas.

Con relación a la forma como se organizan las bobinas, van conectadas en serie con el mismo sentido de enrollamiento, de esta forma se garantiza el sentido de giro del rotor.

Con respecto a la operación, veamos esta primera situación:

Para la posición mostrada del rotor, la bobina 3 en sus extremos tiene la misma polaridad B, no hay diferencia de potencial en sus terminales y no circula corriente, por tanto, no formará campo magnético.

En cambio, las bobinas 1 y 2 si poseen una diferencia de potencial en sus extremos, pero, la corriente en ellas circula en sentidos diferentes, formándose en ellas campos magnéticos con diferentes orientaciones:

Al formarse los campos magnéticos, establecen las acciones de atracción y repulsión con los polos de los imanes del estator, presentado el par inicial o giro en el rotor:

Analicemos ahora esta nueva posición del rotor:

Para la posición mostrada del rotor, la bobina 1 en sus extremos tiene la misma polaridad A, no hay diferencia de potencial en sus terminales y no circula corriente, por tanto, no formará campo magnético.

En cambio, las bobinas 3 y 2 si poseen una diferencia de potencial en sus extremos, pero, la corriente en ellas circula en sentidos diferentes, formándose en ellas campos magnéticos con diferentes orientaciones:

Al formarse los campos magnéticos, establecen las acciones de atracción y repulsión con los polos de los imanes del estator, presentado el par o torque para mantener el giro en el rotor:

Analicemos ahora esta nueva posición del rotor:

Para la posición mostrada del rotor, la bobina 2 en sus extremos tiene la misma polaridad B, no hay diferencia de potencial en sus terminales y no circula corriente, por tanto, no formará campo magnético.

En cambio, las bobinas 3 y 1 si poseen una diferencia de potencial en sus extremos, pero, la corriente en ellas circula en sentidos diferentes, formándose en ellas campos magnéticos con diferentes orientaciones:

Al formarse los campos magnéticos, establecen las acciones de atracción y repulsión con los polos de los imanes del estator, presentado el par o torque para seguir manteniendo el giro en el rotor:

Finalmente analicemos esta última condición:

Para la posición mostrada del rotor, la bobina 3 en sus extremos tiene la misma polaridad A, no hay diferencia de potencial en sus terminales y no circula corriente, por tanto, no formará campo magnético.

En cambio, las bobinas 2 y 1 si poseen una diferencia de potencial en sus extremos, pero, la corriente en ellas circula en sentidos diferentes, formándose en ellas campos magnéticos con diferentes orientaciones:

Al formarse los campos magnéticos, establecen las acciones de atracción y repulsión con los polos de los imanes del estator, presentado el par o torque para seguir con el giro en el rotor:

En resumen:

· La corriente que entra al rotor por las escobillas o electrodos NUNCA cambia el sentido de movimiento.

· En este motor de tres ( 3 ) bobinas, solo dos de ellas operan; una generando un campo magnético en un sentido que es atraído por uno de los polos del imán del estator y la otra bobina operativa genera un campo magnético que es repelido por el otro polo del imán del estator, generado el torque necesario para hacer el giro del rotor.

· Este motor cambia su sentido de giro con solo cambiar el sentido de la corriente que lo alimenta y para ello se cambia de polaridad la fuente.

· Para mejorar el torque o el movimiento, existen rotores con 5 o más bobinas, dependiendo del diseño.

· Este principio es la base del motor BLDC.

Ver video:

PRINCIPIO DE OPERACION DE MOTOR DC CON IMANES PERMANENTES

https://youtu.be/85ruBNalZm0

1.5. MOTORES BRUSHLESS

Debido a los problemas del colector en los motores DC, que generan chispas y perdidas, se hace la evolución para eliminar el colector y tener un motor sin colector o escobillas. Estos nuevos motores se caracterizan porque pueden ser de estator interno o estator externo:

Con relación a su control, se usan sistemas de control y potencia electrónicos. En lo concierne a sus rotores son magnéticos de 2, 4, 6, 8 y más polos. Los polos en estos rotores van intercalados tal como se muestra:

Con respecto a la conexión de sus bobinas, heredan de los motores AC sus conexiones tipo Delta o triangulo y conexión tipo Y o Estrella, siendo esta última la más común. Posee tres conexiones de entra igual que los motores AC trifásicos ( U, V y W ). Para cada ramal se tiene dos, tres, cuatro o mas bobinas en serie, dependiendo del tipo de motor, tal como se muestra:

Las bobinas de cada ramal se conectan en serie y poden el mismo sentido de enrollamiento, por tanto, los campos magnéticos que se forman en ellos son igual intensidad y con el mismo sentido:

Con relación a los campos magnéticos que se forman en el estator, siempre operan dos ramales y el otro queda flotante o sin energización ( bobina flotante ). Las tensiones que llegan a los puntos U, V y W varían de acuerdo con el tipo de motor y control de este.

En el caso de este motor de 9 bobinas, y rotor de 6 polos magnéticos, el controlador va energizando dos bobinas de modo que se generan campos magnéticos consecutivos con diferentes sentidos para garantizar que el rotor persiga dicho campo magnético tal como se muestra:

En este instante operan los ramales U y V.

En este instante operan los ramales U y W.

En este instante operan los ramales V y W.

En este instante operan los ramales V y U.

En este instante operan los ramales W y U.

En este instante operan los ramales W y V.

A partir de este momento, se repite la secuencia para hacer un giro completo.

OBS: La secuencia depende del tipo de motor.

De aquí podemos sacar las siguientes conclusiones:

Ver video:

VIDEO I ESTRUCTURA ROTOR - ESTATOR Y CAMPO MAGNETICO EN COMPRESOR BRUSHLESS DOMESTICO REFRIGERACION

https://youtu.be/TjedmxI8F2c

Ahora, para la rotación del rotor se hace por atracción y repulsión entre los campos magnéticos del mismo y el estator. El controlador asegura en campo magnético rotativo en el estator, de forma que el rotor persoga a este ismo sin alinearse.

El rotor gira, pero antes que los campos magnéticos del rotor, se alinean con los del estator, el controlador cambia la energización de las bobinas de modo que se impida que el rotor se detenga y continue con su giro:

Ahora viene el segundo instante:

El rotor vuelva a girar, pero antes que los campos magnéticos del rotor ( para este instante los polos norte del rotor ) se traten de alinear con los campos magnéticos del ramal U ( bobinas 1, 2 y 3 ) del estator, el controlador cambia la energización de las bobinas de modo que se impida que el rotor se detenga y continue con su giro:

En el tercer instante:

El rotor vuelva a girar, pero antes que los campos magnéticos del rotor ( para este instante los polos sur del rotor ) se traten de alinear con los campos magnéticos del ramal W ( bobinas 7, 8 y 9 ) del estator, el controlador cambia la energización de las bobinas de modo que se impida que el rotor se detenga y continue con su giro:

En el cuarto instante:

El rotor vuelva a girar, pero antes que los campos magnéticos del rotor ( para este instante los polos norte del rotor ) se traten de alinear con los campos magnéticos del ramal V ( bobinas 4, 5 y 6 ) del estator, el controlador cambia la energización de las bobinas de modo que se impida que el rotor se detenga y continue con su giro:

En el quinto instante:

El rotor vuelva a girar, pero antes que los campos magnéticos del rotor ( para este instante los polos sur del rotor ) se traten de alinear con los campos magnéticos del ramal U ( bobinas 1, 2 y 3 ) del estator, el controlador cambia la energización de las bobinas de modo que se impida que el rotor se detenga y continue con su giro:

En el sexto instante:

El rotor vuelva a girar, pero antes que los campos magnéticos del rotor ( para este instante los polos norte del rotor ) se traten de alinear con los campos magnéticos del ramal W ( bobinas 7, 8 y 9 ) del estator, el controlador cambia la energización de las bobinas de modo que se impida que el rotor se detenga y continue con su giro:

A partir de este momento, se repite nuevamente la secuencia:

U + V –

U + W –

V + W –

V + U –

W + U –

W + U -

OBS: La secuencia depende del tipo de motor.

De aquí podemos sacar las siguientes conclusiones:

Ver video:

VIDEO II PRINCIPIO DE ROTACION DEL ROTOR EN COMPRESOR BRUSHLESS DOMESTICO DE REFRIGERACION

https://youtu.be/pXIua8mCbts

Con respecto al inicio o arranque del motor:

Ver video:

VIDEO III ROTACION, INICIO Y TIPO DE ONDA QUE ALIMENTA A COMPRESOR BRUSHLESS DOMESTICO REFRIGERACION

https://youtu.be/u2y4A-LjMJw

1.6. MOTORES AC

El principio de las máquinas de AC, a diferencia de le de DC es su sistema de movimiento. Mientras en los DC el giro es producido por la fuerza inducida en una espira del rotor o por efectos de atracción o repulsión de campos magnéticos, los motores de Ac generan en el estator campos magnéticos dinámicos ( pueden ser alternativos o giratorios ) y el rotor persigue ese campo magnético tratando de alinearse con el mismo o perseguirlo.

1.6.1. MOTORES ASINCRONICOS

Este tipo de motores nunca puede girar a la misma velocidad que el campo magnético del estator, ya que, si lo hiciera, no habría par mecánico y se detendría. Por este motivo, estos motores reciben el nombre de Asincrónicos, llamándose deslizamiento a la diferencia de velocidad entre el campo magnético y la velocidad del rotor. Dicho deslizamiento varía según la carga que maneje el motor, pero suele variar de un 2% a un 8%. Este tipo de motores también se les llama con rotor jaula de ardilla, muy usado en compresores de refrigeración. El término par motor se refriere al torque del mismo y se expresa en Kilogramos por metro no Libras por pie. Para entender un poco este proceso empecemos en primera instancia por comprender lo que sucede con un campo magnético giratorio en sistemas monofásicos y trifásicos.

1.6.1.1. CAMPO MAGNETICO GIRATORIO EN MOTORES MONOFASICOS ASINCRONICOS

Estos motores poseen dos devanados en el estator ubicado a 90º geométrico uno del otro. Estas bobina tienen un punto de unión que se le denomina punto común o C. y sus otras terminales son Arranque ( A o S ) y punto de marcha ( R, M, P ). Los filamentos de la bobina de marcha son más gruesos que la bobina de arranque, por esta razón, la bobina de arranque tendrá más vueltas y por tanto más resistencia eléctrica.

Debido a su construcción se requieren kit de arranque para este fin, entre los más comunes está el condensador cuya función es el de desfasar la corriente que pasa por una bobina para crear un campo magnético giratorio. Vamos un ejemplo en el cual se ha puesto un condensador en la bobina de arranque para desfasar su corriente con respecto a la de marcha.

Como la corriente de la bobina de arranque se adelanta, en el tiempo 0, se observa que está en mayor valor la corriente que pasa por la misma, por lo tanto, su campo magnético es alto, mientras que por la bobina de marcha no pasa corriente, por tanto, su campo magnético es cero o no se ha formado.

Transcurrido un tiempo nos encontramos en el tiempo 1. Donde ahora la corriente que pasa por la bobina de arranque es cero y no se forma campo magnético, pero si se forma en la bobina de marcha que experimenta ahora un paso de corriente.

En el tiempo 2, se hace cero la corriente que pasa por la bobina de marcha y su campo magnético desparece, y la bobina de arranque vuelve a experimentar corriente, pero circulando en sentido contrario, por esta razón hora su campo magnético cambia de sentido. Tal como se observa en la figura:

En el tiempo 3, la corriente que pasa por la bobina de arranque vuelve a ser cero, lo mismo que su campo magnético, pero ahora la corriente está pasando por la bobina de marcha pero en sentido contrario por eso su campo magnético cambia de sentido tal como lo muestra la figura:

En el tiempo 4, nuevamente volvemos al inicio, la corriente que pasa por la de arranque es máxima, en sentido contrario por eso su campo magnético cambia de sentido y la corriente que pasa por la bobina de marcha es cero al igual que su campo magnético.

De lo anterior se deduce que, si el elemento que adelanta la corriente se coloca en serie con la bobina de marcha, entonces el sentido de giro se invierte.

El campo magnético rotativo en el estator al cortar las barras de la jaula de ardilla en el rotor, crea un campo magnético que se le denomina “INDUCIDO”, y este campo tratará de alinearse con el campo del estator, generador el torque o par necesario para iniciar el giro en el rotor.

En los motores de baja potencia, después del arranque no se necesita que siga operando la bobina de arranque y esta se desconecta por medios mecánicos o eléctricos.

Para compresores monofásicos de media a alta potencia es necesario mantener el campo magnético giratorio del estator quedando activas ambas bobinas

Ver videos:

PRINCIPIO DE OPERACION MOTOR ELECTRICO DE INDUCCION MONOFASICO

https://youtu.be/VFqD-aFnhMI

1.6.1.2. CAMPO MAGNETICO GIRATORIO EN MOTORES TRIFASICOS ASINCRONICOS

Estos motores poseen tres devanados en el estator ubicado a 120º geométrico uno del otro. Los filamentos de las bobinas de marcha son por lo general del mismo grosor. Debido a su construcción no requieren kit de arranque para este fin. Vamos un ejemplo en el cual se arranca un motor trifásico, con su alimentación de red ya desfasadas 120º.

En el tiempo 1, las bobinas A y B tienen una intensidad mediana de corriente y forman campos magnéticos de mediana intensidad; pero la alta intensidad circula ahora por la bobina C la cual forma su campo magnético de alta intensidad. Al tener tres elementos, se obtiene un resultante en la dirección del campo magnético formado por la bobina C; o sea, los campos magnéticos de mediana intensidad ayudan a fortalecer el de alta intensidad.

En el tiempo 2, se intensifica el campo magnético de la bobina A, se debilita el campo magnético de la bobina C y el campo magnético de la bobina B cambia de sentido a media intensidad. Ahora los campos medianos de las bobinas B y C ayudan a intensificar el campo magnético de la bobina A

En el tiempo 3, se intensifica el campo magnético de la bobina B, se debilita el campo magnético de la bobina A y el campo magnético de la bobina C cambia de sentido a media intensidad. Ahora los campos medianos de las bobinas A y C ayudan a intensificar el de la bobina B.

En el tiempo 4, se intensifica el campo magnético de la bobina C, se debilita el campo magnético de la bobina B y el campo magnético de la bobina A cambia de sentido a media intensidad. Ahora los campos medianos de las bobinas A y B ayudan a intensificar el de la bobina C.

En el tiempo 5, se intensifica el campo magnético de la bobina A, se debilita el campo magnético de la bobina C y el campo magnético de la bobina B cambia de sentido a media intensidad. Ahora los campos medianos de las bobinas B y C ayudan a intensificar el de la bobina A.

En el tiempo 6, se intensifica el campo magnético de la bobina B, se debilita el campo magnético de la bobina A y el campo magnético de la bobina C cambia de sentido a media intensidad. Ahora los campos medianos de las bobinas A y C ayudan a intensificar el de la bobina B

Con lo anterior se completa un giro del campo magnético en el estator. Cabe anotar que si se desea que el campo magnético del estator gire en sentido contario, basta con intercambiar solo dos líneas de alimentación a las bobinas para que esto ocurra.

Como se analiza, se forman en el estator tres campos magnéticos, dos de menor intensidad que refuerzan al de mayor intensidad generando un campo magnético resultante más potente; este campo resultante genera en el rotor un campo magnético inducido que tratará de alinearse y perseguir al campo del estator generando el par suficiente para su giro

Ver video:

PRINCIPIO DE OPERACION MOTOR ELECTRICO TRIFASICO DE INDUCCION

https://youtu.be/Wm0a5HdMQRw

1.6.1.3. TIPOS DE MOTORES ASINCRONICOS

1.6.1.3.1. MONOFASICOS

Estos motores se aplican para bajas y medias potencias, pero a diferencia de los trifásicos, esos requieren kits de arranque, son más voluminosos para la misma potencia, tienen factores de potencias más bajos.

1.6.1.3.1.1. DE BOBINADO AUXILIAR

Por lo general requiere de condensadores para poder arrancar, estos condensadores están en serie con la bobina auxiliar o de arranque. En algunos de ellos, se desconecta la bobina de arranque después que el motor ha girado, en otros, esta se mantiene en operación.

La forma mas común de desconectar la bobina auxiliar en con interruptores centrífugos. Estos motores por lo general poseen rotores tipo jaula de ardilla.

El tipo de rotor jaula de ardilla esta construido sobre un marco de barras metálicas cortocircuitadas en sus extremos.

1.6.1.3.1.2. DE ESPIRA EN CORTO CIRCUITO O BOBINA SOMBRA

Son empleados en sistemas de baja potencia. Muy empleados en ventiladores de evaporador y condensador de sistemas domésticos y algunos comerciales de baja potencia.

Fig . Motores asincronicos AC con bobina sombra.

1.6.1.3.1.3. UNIVERSALES

Son motores que pueden conectarse tanto a sistemas DC como a sistemas de alimentación AC. Cuando el motor es conectado a una fuente DC, este incrementa su potencia a medida que se varía el voltaje de la fuente.

Estos motores son muy similares en su construcción a los motores de tipo DC, aquí las bobinas del estator están conectadas en serie con las bobinas del rotor. Los extremos de estas bobinas de rotor están conectados a un colector de delgas, divididos en segmentos ( dos segmentos para cada bobina de rotor ).

Este colector toma corriente AC por medio de unos electrodos, carbones o escobillas, los cuales se asientan en sus respectivos portaescobillas. Son muy usados en sistemas domésticos, como taladros, batidoras, etc.

1.5.1.3.2. TRIFASICOS

Estos motores no requieren kits de arranque, ya que las tres líneas desfasadas crean un campo magnético giratorio en el estator.

1.6.1.3.2.1. DE ROTOR BOBINADO

En estos equipos, el rotor posee bobinas que son alimentadas para crear un campo magnético.

Fig 11.11. Rotor bobinado.

1.6.1.3.2.2. DE ROTOR JAULA DE ARDILLA

Tiene el mismo principio de funcionamiento de los devanados amortiguadores, Veamos la situación entre unos devanados verticales y unos horizontales. Si el giro del campo magnético del estator es anti horario, entonces las velocidades relativas de cada capa de barra es la siguiente:

Ahora veamos lo que sucede cuando se pone a funcionar el campo magnético giratorio del estator. En el tiempo 0, el campo magnético del estator esta en dirección vertical hacia arriba, como las velocidades relativas de los devanados horizontales con respecto a la dirección del campo del estator están alineados, en estos no se induce voltaje, por tanto no se generan corrientes y por ende capos magnético. El torque generado es cero entonces:

Par inducido por devanados horizontales = 0

Pero en los devanados verticales, como sus velocidades no están alineadas con el campo magnético, entonces se generan voltajes, que hacen circular corriente para producir un campo magnético en sentido anti horario, este campo, con el del estator generan un par que viene dado por la expresión:

Par inducido por devanados verticales = K * ( B_DV x B_E )

En el tiempo 1, el campo magnético del estator esta en dirección horizontal hacia la izquierda, como las velocidades relativas de los devanados verticales con respecto a la dirección del campo del estator están alineados, en estos no se induce voltaje, por tanto no se generan corrientes y por ende capos magnético. El torque generado es cero entonces:

Par inducido por devanados verticales = 0

Pero en los devanados horizontales, como sus velocidades no están alineadas con el campo magnético, entonces se generan voltajes, que hacen circular corriente para producir un campo magnético en sentido anti horario, este campo, con el del estator generan un par que viene dado por la expresión:

Par inducido por devanados horizontales = K * ( B_DH x B_E )

En el tiempo 2, el campo magnético del estator esta en dirección vertical hacia abajo, como las velocidades relativas de los devanados horizontales con respecto a la dirección del campo del estator están alineados, en estos no se induce voltaje, por tanto no se generan corrientes y por ende capos magnético. El torque generado es cero entonces:

Par inducido por devanados horizontales = 0

Par inducido por devanados verticales = K * ( B_DV x B_E )

En el tiempo 3, el campo magnético del estator esta en dirección horizontal hacia la derecha, como las velocidades relativas de los devanados verticales con respecto a la dirección del campo del estator están alineados, en estos no se induce voltaje, por tanto no se generan corrientes y por ende capos magnético. El torque generado es cero entonces:

Par inducido por devanados verticales = 0

Par inducido por devanados horizontales = K * ( B_DH x B_E )

1.6.1.4. TIPOS DE ARRANQUE PARA MOTORES TRIFASICOS ASINCRONICOS

1.6.1.4.1. ARRANQUE ESTRELLA TRIANGULO

Este arranque consiste en arrancar el motor con el sistema de estrella y después de arrancado, cambiar su sistema a triangulo con el fin de disminuir las corrientes de arranque del motor.

1.6.1.4.2. ARRANQUE CON AUTOTRANSFORMADOR

Este sistema es empleado en motores de grandes potencias y consiste en colocar un autotransformador entre las líneas de alimentación y el motor. En el momento del arranque se disminuye el voltaje que le llega al motor y a medida que pasa el tiempo se va incrementado hasta su valor normal.

1.5.1.4.3. ARRANQUE CON RESISTENCIAS EN SERIE.

El sistema consiste en colocar reóstatos en serie con las bobinas del estator del motor. En el momento del arranque se coloca en reóstato en sus valores máximos y después se reduce su valor hasta que el motor le llega el voltaje pleno de la red.

1.5.2. MOTORES SINCRONICOS

En un motor sincrónico o síncrono, el rotor es alimentado por una corriente de tipo DC para formar el campo magnetico, necesita de colectores y escobillas lo que incide en su costo y mantenimiento, pero tienen tamaño reducidos y facilidad de graduar sus velocidades. Analizamos ahora lo que pasa en un arranque típico de un motor sincrónico, cuando el campo magnético del estator gira en sentido anti horario. Analizaremos las posiciones a 0º, 90º, 180º, 270º y 360º en el tiempo.

TIEMPO 1	TIEMPO 2

TIEMPO 3	TIEMPO 4

Como el proceso pasa muy rápido el rotor no alcanza a rotar, por otro lado en cierto momento del proceso, el par se invierte lo cual también impide el movimiento. Una de las formas de poder arrancar estos motores es con el uso de devanados amortiguadores.

1.6.2.1. ARRANQUE DE MOTORES SINCRONICOS EMPLEANDO DEVANADOS DE AMORTIGUACION

Son barras puestas dentro de unas ranuras talladas en el rotor y luego cortocircuitadas en cada extremo. Para entender el funcionamiento se ha hecho la siguiente secuencia de diagramas.

En el tiempo 0, se asuma que el campo magnético del estator Bs gira en sentido anti horario. En esta posición, el campo magnético giratorio del estator, crea o induce un voltaje en las varillas del devanado de amortiguamiento. Para las varillas de la parte superior, su velocidad con respecto a la del campo Bs es hacia la derecha, por esta razón, la dirección del voltaje inducido es saliendo de la pagina, mientras que en la barras de bajo, es entrando a la pagina porque su velocidad relativa con respecto al campo del estator es hacia la izquierda.

Estos voltajes inducidos producen circulación de corriente, saliendo de las barras de la parte superior y entrando en las barras de la parte inferior, lo cual induce un campo magnético que esta a 90º del campo magnético del estator.

Como el campo magnético del rotor esta alineado con el campo magnético del estator, su par es cero, mientras que el campo magnético producido por el devanado amortiguado si crea un par o torque en sentido anti horario que hace que el rotor gire.

Par inducido por devanado amortiguación = K * ( B_DA x B_E )

En el tiempo 1 ahora el campo magnético del estator esta a 180º o en posición horizontal tal como se observa en la figura

En este caso la velocidad relativa del devanado de amortiguación que es hacia la derecha, esta en paralelo con el campo magnético del estator, por tanto el voltaje inducido en el devanado de amortiguación es cero y su campo magnético también es cero.

Pero entonces, el campo magnético del devanado del rotor esta a 90º del campo magnético del estator produciendo un par o torque anti horario.

Par inducido por devanado rotor = K * ( B_R x B_E )

En el tiempo 3, ahora el campo magnético del estator esta en dirección hacia abajo, el campo magnético del estator B_E esta nuevamente alineado con el campo magnético del rotor B_R, por tanto el torque de ambos es cero. Pero ahora el campo magnético del estator esta perpendicular a las velocidades relativas del devanado de amortiguación, produciendo en las barras de la parte superior un volteje inducido que ahora entra a la pagina, mientras en las barras inferiores el voltaje inducido sale de la pagina.

Estos voltajes inducidos producen circulación de corriente, saliendo de las barras de la parte inferior y entrando en las barras de la parte superior, lo cual induce un campo magnético que esta a 90º del campo magnético del estator. Esto genera nuevamente un par o torque en sentido anti horario:

Par inducido por devanado amortiguación = K * ( B_DA x B_E )

En el tiempo 4, el campo magnético del estator esta en posición horizontal, como esta alineado con las velocidades relativas de las barras con respecto al campo magnético del estator, el par producido se vuelve nuevamente cero.

Par inducido por devanado amortiguación = K * ( B_DA x B_E ) = 0

El campo magnético del rotor es el que ahora produce un par o torque en sentido anti horario cuyo valor es:

Par inducido por devanado rotor = K * ( B_R x B_E )

1.7. RELACION DE LA FRECUENCIA ELECTRICA CON LA VELOCIDAD DEL ROTOR

En el siguiente estator se tiene dos polos, uno norte y uno sur, para realizar un campo magnético giratorio, cada polo tiene que rotar los 360º geométricos en otras palabras, una vuelta completa.

Por cada ciclo de la corriente aplicada cada polo da una vuelta completa alrededor se la superficie del estator. Por consiguiente, la velocidad de rotación del campo en revoluciones por segundo es igual a la frecuencia eléctrica en Hertz.

Frecuencia eléctrica = Frecuencia rotación

Velocidad angular eléctrica = Velocidad angular mecánica

Cuando se tienen 4 polos, dos norte y dos sur, por cada frecuencia eléctrica, cada polo recorre media vuelta, tal como se observa en la figura. Como un ciclo eléctrico tiene 360º grados eléctricos y el polo se ha movido 180º grados eléctricos, en esta estator, la relación entre el ángulo eléctrico y el ángulo mecánico es:

q_ELECTRICO = 2 * q_MECANICO

Por tanto

Frecuencia eléctrica = 2 */ Frecuencia mecánica

Velocidad angular eléctrica = 2 * Velocidad angular mecánica

Establezcamos ahora unas formulas generales con base en el numero de polos de una maquina. A medida que se incrementa el número de polos, se disminuye la velocidad angular del estator.

Por tanto se deduce que:

Frecuencia eléctrica = Frecuencia mecánica * ( Número polos / 2 )

F_E = ( P/2 ) * F_M

Se sabe que F_E = ( N rpm / 60 )

F_E = N rpm * ( P/120 )

Entonces para una maquina de 2 polos a una frecuencia de 60 Hz sus revoluciones son:

N rpm = ( F_E * 120 ) / P = ( 60 Hz * 120 ) / 2 = 3600 RPM

1.8. TORQUE PRODUCIDO POR UNA MAQUINA DE CA

En un motor de CA hay dos campos magnéticos interactuando entre sí: uno producido por el estator ( B_E ) y el otro producido por el rotor ( B_R ) . Dicha interacción produce un torque o par interno en la máquina. La dirección de giro de este torque obedece la regla de la mano derecha.

Par inducido = k ( B_R x B_E )

El valor del par inducido esta dado por la expresión:

Par inducido = k *( B_R * B_E ) * Sen g

Donde:

K : Constante

B_R : Vector densidad de flujo del rotor.

B_E : Vector densidad de flujo del estator.

g : Angulo comprendido entre B_R y B_E

Lo anterior indica que si los campos magnéticos del rotor y el estator están alineados, no habrá par o torque y por tanto no se moverá. La dirección de giro del torque estará determinado por la regla de la mano derecha cuando el vector del rotor B_R alcance al vector del estator B_E .

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domingo, 20 de octubre de 2024

MODULO PRINCIPIOS DE MOTORES ELECTRICOS

1.1.7. PERMEABILDAD MAGNETICA ( m )

1.1.9. FLUJO MAGNETICO ( f )

1.2.3. TENSION INDUCIDA EN UN CONDUCTOR EN MOVIMIENTO DENTRO DE UN CAMPO MAGNÉTICO O FEM DE MOVIMIENTO

1.6.1.3.1. MONOFASICOS

1.6.1.3.1.1. DE BOBINADO AUXILIAR

1.6.1.3.1.2. DE ESPIRA EN CORTO CIRCUITO O BOBINA SOMBRA

1.6.1.3.1.3. UNIVERSALES

1.5.1.3.2. TRIFASICOS

1.6.1.3.2.1. DE ROTOR BOBINADO

1.6.1.3.2.2. DE ROTOR JAULA DE ARDILLA

1.6.1.4.1. ARRANQUE ESTRELLA TRIANGULO

1.6.1.4.2. ARRANQUE CON AUTOTRANSFORMADOR

1.5.1.4.3. ARRANQUE CON RESISTENCIAS EN SERIE.

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