GRACIAS. Gracias abuelos porque sin su cariño y sin sus consejos no hubiera podido desarrollar mi carrera satisfactoriamente.

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3 AGRADECIMIENTOS Una meta en mi vida se ha cumplido. Quiero agradecer a mis padres por todo el apoyo, la compresión, dedicación y el esfuerzo para que juntos hayamos podido lograr un peldaño más en la vida. Gracias abuelos porque sin su cariño y sin sus consejos no hubiera podido desarrollar mi carrera satisfactoriamente. Agradezco a todas las personas que colaboraron directa e indirectamente en la culminación de mi tema. A mi hermana, mi familia, a mis amigos y a todos los ingenieros que además de catedráticos fueron amigos y verdaderos maestros y especialmente a mi director de tesis que coordino y tolero para hacer posible este trabajo. A todos ustedes GRACIAS 3

4 ÍNDICE INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE ELECTROMECÁNICA IMANES LEY DE INTERACCIÓN DE LOS POLOS MAGNÉTICOS CAMPO MAGNÉTICO IMANES PERMANENTES ELECTROIMANES LÍNEAS DE CAMPO MAGNÉTICO O LÍNEAS DE INDUCCIÓN MAGNÉTICA PERMEABILIDAD LEY DE FARADAY LEY DE LENZ LEY DE OERSTED CAMPO MAGNÉTICO EN UNA BOBINA FLUJO MAGNÉTICO (Φ) RELUCTANCIA ( ) CONVERSIÓN DE ENERGÍA ELECTROMECÁNICA CAPÍTULO II. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA GENERALIDADES TIPOS DE MOTORES NORMAS PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DE CA CONSTRUCCIÓN DEL ESTATOR DEVANADOS DEL ESTATOR PASO DE BOBINA Y FACTOR DE PASO FACTOR DE DISTRIBUCIÓN CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO EFICIENCIA DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS NATURALEZA DE LAS PÉRDIDAS EN LOS MOTORES ELÉCTRICOS MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA ASÍNCRONOS GENERALIDADES PARTES DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN TIPO JAULA DE ARDILLA PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DESLIZAMIENTO FRECUENCIA ELÉCTRICA DEL ROTOR TIPOS DE ROTOR PROPIEDADES DE LOS MOTORES ASÍNCRONICOS Y SU EMPLEO [11] CIRCUITO EQUIVALENTE ARRANQUE DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN ENSAYOS DEL MOTOR ASÍNCRONO PRUEBA EN VACIO ENSAYO DE CORTOCIRCUITO MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA SÍNCRONOS POLIFÁSICOS GENERALIDADES

5 PRINCIPIOS DE OPERACIÓN VELOCIDAD INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL MOTOR SÍNCRONO UTILIZACIÓN DEL MOTOR SÍNCRONO ARRANQUE DE MOTORES SÍNCRONOS ARRANQUE POR MEDIO DE REDUCCIÓN DE FRECUENCIA ELECTRICA ARRANQUE CON UN MOTOR PRIMARIO EXTERNO ARRANQUE CON DEVANADOS DE AMORTIGUAMIENTO CIRCUITO EQUIVALENTE EFECTO DE CARGA DE UN MOTOR SÍNCRONO EFECTO DEL INCREMENTO DE CARGA CON DISTINTAS EXCITACIONES FACTOR DE POTENCIA CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA MONOFÁSICOS GENERALIDADES MOTORES MONOFÁSICOS DE INDUCCIÓN MOTOR DE FASE PARTIDA INTERRUPTOR CENTRIFUGO RELÉ CORTACORRIENTE MOTORES DE ARRANQUE CON CAPACITOR MOTOR DE FASE PARTIDA CON CAPACITOR PERMANENTE MOTOR POLO SOMBREADO MOTORES DE DOS CONDENSADORES MOTORES DE INDUCCIÓN POR ROTOR DEVANADO MOTOR DE REPULSIÓN MOTOR DE INDUCCIÓN DE ARRANQUE POR REPULSIÓN MOTOR DE INDUCCIÓN-REPULSIÓN MOTORES MONOFÁSICOS SÍNCRONOS MOTOR DE RELUCTANCIA MOTOR DE HISTÉRESIS MOTORES DE USO ESPECIALES MOTORES DE IMANES PERMANENTES MOTOR PASO A PASO MOTOR PASO A PASO DE RELUCTANCIA VARIABLE MOTOR DE PASO A PASO DE IMANES PERMANENTES MOTOR PASO A PASO HIBRIDO...93 CAPITULO III MOTORES LINEALES INTRODUCCIÓN PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO CONSTRUCCIÓN VELOCIDAD POTENCIA MECÁNICA POTENCIA ELÉCTRICA EL ENTREHIERRO DE UN MOTOR LINEAL CONSIDERACIÓN DE ATRACCIÓN MAGNÉTICA EFECTOS DE PENETRACIÓN

6 INDUCCIÓN MÁXIMA EN EL ENTREHIERRO CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL INDUCTOR CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL INDUCIDO REFRIGERACIÓN DEL INDUCTOR MOTOR DE INDUCCIÓN LINEAL CIRCUITO EQUIVALENTE PROPIEDADES DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN LINEAL CARACTERÍSTICAS DE PAR VELOCIDAD EFECTOS DE EXTREMO MOTOR SÍNCRONO LINEAL FUERZAS EL MODELO d-q DIFERENCIAS ENTRE UN MOTOR LINEAL Y UN MOTOR ROTATIVO TOPOLOGÍAS DE UN MOTOR LINEAL VENTAJAS DE UN MOTOR LINEAL DESVENTAJAS DE UN MOTOR LINEAL APLICACIONES BIBLIOGRAFÍA

7 ÍNDICE DE FIGURAS Fig.1.1. Líneas de flujo en polos de imanes iguales y de imanes desiguales 13 Fig.1.2. Líneas de flujo que no se tocan 14 Fig.1.3. Campo magnético alrededor de un imán de barra 15 Fig.1.4. Rotación de los dominios en un cristal por efecto de una fuerza magnetomotriz. 17 Fig Líneas de campo magnético en un imán 20 Fig.1.6. Permeabilidad relativa en un material cuando µ r =1 21 Fig.1.7. Permeabilidad relativa en un material cuando µ r >1 21 Fig.1.8. Relaciones de Faraday 22 Fig.1.9. Representación de las líneas de flujo en un papel 23 Fig Representación del campo magnético en torno a un conductor recorrido por una corriente. 24 Fig Representación de un plano P perpendicular al eje de una espira 24 Fig Representación de un campo magnético en una bobina 25 Fig Líneas de campo magnético atravesando una bobina 25 Fig Regla de la mano derecha aplicada a bobinas 26 Fig Líneas de flujo magnético pasando por un conductor 26 Fig Clasificación de los motores eléctricos 29 Fig.2.2.Partes principales de un motor eléctrico 31 Fig Componentes eléctricos básicos de un motor de Corriente Alterna 37 Fig.2.4. Rotación del campo magnético de un motor de corriente alterna. 38 Fig.2.5 Motor asíncrono de rotor bobinado. 43 Fig.2.6. Partes que componen un motor de inducción tipo jaula de ardilla 43 Fig.2.7. Rotor jaula de ardilla y rotor devanado 46 Fig.2.8. a) Vista de un motor de jaula de ardilla y b) con rotor devanado 47 Fig.2.9. Circuito equivalente por fase de un motor de inducción 50 Fig Diagrama de conexiones de prueba de rotor bloqueado 54 Fig Devanado amortiguador colocado en los polos (jaula de ardilla) 61 Fig Circuito equivalente de un motor síncrono 63 Fig Efecto del incremento de carga en un motor síncrono 65 Fig Diagrama vectorial de las cargas. 68 Fig Diagrama vectorial de carga inductiva y resistiva 68 Fig.2.16.Forma de corregir el factor de potencia 69 Fig Árbol genealógico de los motores monofásico 71 7

8 Fig Motor de fase partida 72 Fig Diagrama de un motor de arranque con capacitor 75 Fig Diagrama de un motor de fase partida con capacitor permanente 76 Fig Diagrama de un motor de polo sombreado 77 Fig Diagrama de motor de dos condensadores 80 Fig Diagrama de un motor de repulsión 81 Fig a) Circuito equivalente b) Corte transversal de un motor tipo PM 90 Fig Diagrama de conexión de un motor paso a paso 91 Fig Vista seccional de un motor de imanes permanentes 92 Fig.3.1. Diagrama de conexión del devanado primario 97 Fig.3.2 Distribución de las líneas de fuerza del campo magnético dentro del entrehierro de un motor lineal, en función del deslizamiento 99 Fig.3.3. Diagramas de evolución de un motor rotativo a un motor lineal 103 Fig.3.4. Circuito equivalente de un motor de inducción lineal 106 Fig.3.5. Sucesión de polos norte y sur que empujan y tiran de un vehículo hacia adelante. 110 Fig.3.6. Motor síncrono lineal de imanes permanentes de primario largo de doble cara 112 Fig.3.7. Motor síncrono lineal tubular 112 Fig.3.8. Fuerzas a lo largo de un eje de un motor síncrono lineal de una sola cara 114 Fig.3.9. Fuerzas a lo largo de un eje de un motor síncrono lineal de doble cara 114 Fig Circuito equivalente de un motor síncrono lineal 116 Fig El Diagrama fasorial 116 Fig Motor lineal de inducción plano, de doble inductor, y una lamina conductora solida como inducido 118 Fig Motor lineal de inducción plano de simple inductor con una lamina conductora solida como inducido con material ferromagnético para disminuir la reluctancia magnética 119 Fig Motor lineal de inducción plano de doble inductor con fluido conductor como inducido. 119 Fig Transformación topológica de un motor de inducción rotativo en motor lineal tubular. 120 Fig Motor lineal trifásico 120 8

9 Fig Motor lineal tubular de simple inductor con cilindro inductor solido como inducido y con cilindro externo de material ferromagnetico para disminuir la reluctancia magnética. 121 Fig Motor lineal tubular de simple inductor construido con chapas magnéticas usando paquetes de chapas en paralelo para disminuir la reluctancia magnética. Aparece fuerza de reluctancia lateral que ha de ser compensada por el sistema de guiado 121 Fig Motor lineal tubular de construcción en cruz de planchas paralelas con inductor unilateral externo construido con chapas magnéticas y un inducido en forma rectangular solido relleno de alambres de hierro, para disminuir la reluctancia magnética. 121 Fig Motor lineal tubular con un fluido conductor como inducido 122 Fig Motor lineal tubular de doble inductor con un fluido conductor como inducido. 122 Fig Evolución de un motor lineal de inducción monofásico rotativo plano y en un motor lineal tubular. 123 Fig Pruebas realizadas en la NASA con motores lineales 126 Fig.3.25.Vista de cerca de un modulo de propulsión levitación 127 Fig Vista de lado de un motor de inducción lineal de una cara 127 Fig Vehículo Transrapid TR08 y vista de cerca de un módulo propulsión levitación que contiene imanes excitados por un motor síncrono lineal 129 Fig.3.28 Segmento transversal de un motor síncrono lineal

10 INTRODUCCIÓN. La electrotecnia y la construcción de maquinaria eléctrica pertenecen a las ramas jóvenes del conocimiento humano. La construcción de maquinaria eléctrica cuenta prácticamente con más de cien años. Pero en este periodo relativamente corto se ha realizado un enorme trabajo que ha transformado el carácter técnico, económico y social. Comenzando desde el siglo XIX la electrotecnia penetra profundamente en la industria y en la vida cotidiana, en los últimos años su progreso ha sido extraordinariamente grande. Los perfeccionamientos en las maquinas eléctricas contribuyen a nuevas posibilidades de empleo practico, estimulan el progreso y las más diversas aplicaciones de la energía eléctrica, es por eso que los científicos e ingenieros prestan especial atención, y de ella adquiriese rápidamente la perfección técnica en sus formas constructivas. Gracias a los trabajos de Faraday, Maxwell, Henry, Lenz y Oersted el magnetismo y la electricidad pueden ser examinados como un proceso electromagnético único, que en esencia es el fundamento de las maquinas eléctricas. Un motor eléctrico es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos; éste se desarrollo gracias a la evolución en el magnetismo Todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los polos magnéticos iguales se repelen, y los polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así el movimiento de rotación. Una clasificación de los motores de corriente alterna de acuerdo a lo que posteriormente estudiaremos se muestra a continuación: 10

11 Los motores eléctricos de corriente alterna, operan primordialmente en base a dos principios: El de inducción, descubierto por Michael Faraday en 1831; que señala, que si un conductor se mueve a través de un campo magnético o está situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. Y el principio de André Ampére, que establece: que si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica o f.e.m. (fuerza electromotriz), sobre el conductor. La premisa inicial del trabajo es basarnos en que los motores eléctricos rotatorios producen un movimiento rotacional, pero si modificamos ciertas características de diseño podemos producir movimiento lineal, es decir, un impulso a lo largo de un eje finito. El motor eléctrico lineal, constan de dos partes primordiales: primario y el secundario. El primario donde se encuentran los devanados y el secundario que se extiende a lo largo de la distancia que se va a recorrer, aportando como ventaja la posibilidad de poder disponer de varios primarios sobre un mismo secundario. Y al igual que su contraparte rotatoria también existen asíncronos y síncronos El objetivo primordial de éste trabajo es presentar los tipos de motores asíncronos y síncronos así como sus topologías, y las características de estos. 11

12 CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE ELECTROMECÁNICA 1.1 IMANES En los tiempos antiguos los griegos descubrieron que cierta clase de piedra, que encontraron originalmente cerca de la ciudad de Magnesia, en Asia Menor, tenía la propiedad de atraer y recoger trozos de hierro. La piedra que descubrieron era en realidad un tipo de mineral de hierro llamado magnetita, cuya propiedad de atracción se denomina magnetismo. Las rocas que contienen mineral con éste poder de atracción se denominan imanes naturales [1]. Los imanes naturales tuvieron poco uso, hasta que un matemático chino, Shen Kua ( ) fue el primero que escribió acerca del uso de una aguja magnética para indicar direcciones, que fue el antecedente de la brújula. Éste instrumento se basa en el principio de que si se suspende un imán en forma de aguja, de tal manera que pueda girar libremente, uno de sus extremos siempre apuntará hacia el norte [2]. Al emplear imanes naturales se descubrió que un trozo de hierro adquiría magnetismo al tocar el imán natural, transformándose en imán artificial. Los imanes artificiales también pueden hacerse mediante la electricidad y para imanes más potentes se puede usar otros metales, aparte del hierro. El hierro se imanta con mayor facilidad que otros materiales, pero también se desimanta con facilidad, de manera que a los imanes de hierro dulce se les llama imanes temporales. Los imanes de aleaciones de acero conservan su magnetismo por un lapso mayor y se les llama imanes permanentes. 12

13 El magnetismo del imán se concentra en dos puntos, generalmente, en sus extremos. Esos puntos e denominan polos del imán, siendo uno el polo norte y el otro el polo sur. El polo norte se encuentra en el extremo del imán que apuntaría hacia el norte si pudiese girar libremente, mientras que el polo sur es el extremo opuesto [1]. 1.2 LEY DE INTERACCIÓN DE LOS POLOS MAGNÉTICOS Los polos magnéticos son regidos por dos leyes fundamentales: Dos polos magnéticos de la misma polaridad se repelen. Dos polos magnéticos de diferente polaridad se atraen. Esto es, si acercáramos dos imanes con sus polos norte mirándose el uno al otro, sentiría una fuerza de repulsión entre los polos. Acercando los polos sur también se produciría un rechazo, pero, si se acerca uno de los polos norte a un polo sur, aparece una fuerza de atracción. En éste respecto los polos magnéticos se parecen mucho a las cargas estáticas. Cargas o polos iguales se rechazan y cargas o polos distintos se atraen, como se muestra en la figura 1.1. a) Repulsión de polos iguales. b) Atracción con polos desiguales. Fig.1.1. Líneas de flujo en polos de imanes iguales y de imanes desiguales. La acción de atraerse o repelerse de los polos magnéticos se debe al campo magnético que rodea al imán. Cuando un polo N se halla libre de moverse lo hace siguiendo una línea de fuerza. Estas líneas de fuerza que abandonan el imán por el polo norte y entran por el polo sur. Dentro del imán las líneas corren 13

14 del polo sur al polo norte, de manera que toda la línea de fuerza es continua e ininterrumpida. Una característica de las líneas de fuerza magnética es que se rechazan entre sí, sin cruzarse ni tocarse jamás. Si se colocan dos campos magnéticos uno cerca del otro, estos no se combinan sino que se reforman, dando un diagrama de flujo distorsionado como el que se muestra en la figura 1.2. Fig.1.2. Líneas de flujo que no se tocan 1.3 CAMPO MAGNÉTICO El campo magnético es la zona del espacio que rodea a un imán y en donde se manifiestan fuerzas de origen magnético. Al igual que el campo eléctrico el campo magnético es vectorial y se asocia a cada punto del espacio tanto en magnitud como en dirección. [3] Aunque las fuerzas magnéticas son totalmente invisibles, se puede delatar su presencia mediante líneas cuya dirección coincide con ellas y cuya densidad se puede hacer proporcional a la de tales fuerzas. 1 La acción de las fuerzas en cuestión se extiende, a toda una región exterior al imán mismo y el conjunto de ellas hasta donde llega un efecto apreciable [4]. 1 Las fuerzas que hace mención se les denomina líneas de fuerza o de inducción. 14

15 En la figura 1.3., se muestra un imán de barra de dos polos, en la que las líneas de inducción salen del imán por su polo N y vuelven por el S, mientras en su interior van de S a N. Cada línea es un conjunto cerrado y las partes exteriores forman el campo magnético del imán Fig.1.3. Campo magnético alrededor de un imán de barra. En las máquinas eléctricas, los campos magnéticos son el mecanismo fundamental para la conversión de energía de una forma a otra en motores, generadores y transformadores. Existen cuatro principios básicos que describen como se utilizan los campos magnéticos en estos aparatos: 1.- Un conductor que conduce corriente produce un campo magnético a su alrededor. 2.- Un campo magnético variable en el tiempo induce un voltaje en una bobina de alambre si pasa a través de ella (funcionamiento del transformador). 3.-Un conductor que conduce corriente en presencia de un campo magnético experimenta una fuerza inducida sobre él (funcionamiento del motor). 4.- Un conductor eléctrico que se mueva en presencia de un campo magnético tendrá un voltaje inducido en él (funcionamiento del generador). 15

16 1.4 IMANES PERMANENTES Si imantamos una pieza de acero templado, bien sea por contacto con otro imán o por medio de una corriente eléctrica, se advierte que ha almacenado una cierta cantidad de magnetismo, que retiene por tiempo indefinido después de haber cesado la causa productora. Si tratamos de igual forma una pieza de hierro dulce o de acero suave, retendrá una porción pequeñísima del magnetismo inicial comunicado. Estas propiedades hacen común el uso de acero templado o sus aleaciones cuando se precisan imanes permanentes, y del hierro dulce o acero suave cuando es necesario que el magnetismo responda con toda exactitud a las variaciones de la fuerza magnétizante, es decir, cuando se imana muy fácilmente, pero pierde la mayor parte de su imanación tan pronto como desaparece la corriente que permitió magnetizarlos. La razón de que los imanes permanentes retengan tanta proporción del magnetismo comunicado es que los dominios, una vez orientados para que todos sus efectos magnetizantes actúen en la misma dirección, tienden a permanecer fijos en tal posición, en la figura 1.4., se muestra el comportamiento de los dominios por efecto de una fuerza magnetomotriz. 16

17 Desplazamiento de los límites f.m.m. débil f.m.m. débil f.m.m. f.m.m. intensa. Fig.1.4. Rotación de los dominios en un cristal por efecto de una fuerza magnetomotriz: a) sin imantar, b) imantación por efecto de los límites, c) inversión súbita y completa, d) saturación, con dominios orientados según un campo intenso. 17

18 1.5 ELECTROIMANES Después del invento de la celda voltaica por Alessandro Volta ( ) se hizo posible por primera vez producir corrientes eléctricas constantes a voluntad y estudiar los fenómenos asociadas a ellas. En 1820, Hans Christian Oersted ( ) descubrió que un alambre por el que fluye una corriente tiene propiedades similares a las de un imán permanente, es decir, la corriente eléctrica producía un campo magnético en su entorno. Este hecho haría que el magnetismo recibiera un impulso enorme. Usando el descubrimiento de Oersted, de que una corriente eléctrica produce un campo magnético en el espacio alrededor del cable que la conduce, tanto Ampére como Arago 2 lograron magnetizar agujas de hierro. Lo hicieron de la siguiente forma: enrollaron un cable alrededor de la aguja y luego conectaron los extremos de aquél a una batería. Al pasar la corriente por el cable crea un campo magnético en el espacio dentro de la bobina; éste campo magnético a su vez magnetiza la aguja, de la misma forma que un imán permanente magnetiza una limadura de hierro. Años después, en 1829, el estadounidense Joseph Henry ( ) construyó una versión mejorada del electroimán. Para ello enrollo en una barra de hierro dulce con espiras en forma mucho más apretada y en un número mayor; de esta manera logro una mayor intensidad magnética. El electroimán se comporta de forma equivalente a un imán permanente, con la ventaja de que su intensidad se puede controlar, ya sea cambiando la corriente que se le hace circular o 2 Fue un matemático, físico, astrónomo y político francés. Realizo observaciones sobre el magnetismo que tuvieron lugar durante el periodo de 1823 a Fue el descubridor de lo que denominamos hoy magnetismo rotatorio, que es uno de los fenómenos por los que es magnetizada la mayoría de los cuerpos; estos experimentos fueron completados y explicados por Michael Faraday. 18

19 variando el número de espiras de la bobina. Además, al cesar la corriente, cuando se desconecta la batería, desaparece el efecto magnético [2]. Al principio se usaban imanes permanentes para producir un flujo de corriente eléctrica. Se ve que en el instante que se puede generar más electricidad, si aumentamos el numero de vueltas del conductor, la velocidad del movimiento de la bobina y la potencia del campo magnético. Las primeras dos cosas son fáciles de hacer en la práctica, pero no se puede incrementar la potencia de un imán permanente mas allá de ciertos límites. Para producir grandes cantidades de electricidad se deben utilizar un campo magnético mucho más poderoso. Esto se logra, mediante un electroimán. En la actualidad, se reconoce en general que todos los efectos magnéticos observados se deben a una de las dos fuentes básicas: a) El movimiento de la carga eléctrica como en una corriente eléctrica. b) Ciertas propiedades magnéticas intrínsecas de los constituyentes microscópicos de la materia. 1.6 LÍNEAS DE CAMPO MAGNÉTICO O LÍNEAS DE INDUCCIÓN MAGNÉTICA Los campos magnéticos (al igual que los campos eléctricos) se pueden representar mediante líneas que dan idea de la forma que tienen. Estas líneas reciben el nombre de líneas de campo magnético o líneas de inducción magnética. Como se observa en la figura 1.5. Éstas tienen las siguientes características: a) Son líneas cerradas, es decir no tienen principio ni fin. b) Van de norte a sur por fuera del imán (o de la bobina). c) Van de sur a norte por dentro del imán (o de la bobina). Cuanto más fuerte sea el imán, mayor será el número de líneas y el área cubierta por el campo. 19

20 Fig Líneas de campo magnético en un imán Existe una relación definida entre el sentido de flujo de corriente en un conductor y el sentido del campo magnético que lo rodea. Esta relación puede determinarse aplicando la regla de la mano derecha. Esta regla afirma que si un conductor de corriente se toma con la mano derecha, con el pulgar apuntando en la misma dirección que el flujo de la corriente de electrones, los dedos que rodean al conductor indicarán el sentido de las líneas de fuerza magnéticas. 1.7 PERMEABILIDAD La permeabilidad se refiere a la capacidad que tiene un material de concentrar el flujo magnético. Cualquier material que se magnetice fácilmente tiene una permeabilidad elevada. La medida de la permeabilidad de los materiales con referencia a la del aire o a la del vacío se llama permeabilidad relativa. El símbolo de la permeabilidad relativa es µ r. La permeabilidad relativa es adimensional porque es el cociente entre dos permeabilidades y regida por la ecuación 1.1. (1.1) µ = permeabilidad magnética del material µ o = permeabilidad magnética del aire o vació. µ o = 4πx10-7 H/m. 20

21 µ r = permeabilidad relativa del material magnético. En la figura 1.6, un material se ha introducido dentro de un campo magnético. La cantidad de líneas de fuerza que pasan por la sección del material no afecta la cantidad de líneas sin presencia del material, por lo tanto la permeabilidad relativa del material es igual a la unidad (µ r =1) Fig.1.6. Permeabilidad relativa en un material cuando µ r =1 En la figura 1.7, se ha introducido un material que concentra las líneas de fuerza del campo, por lo tanto el material debe poseer una permeabilidad relativa mayor que la unidad (µ r >1) Fig.1.7. Permeabilidad relativa en un material cuando µ r >1 La permeabilidad relativa es una medida útil para comparar la capacidad de magnetización de los materiales. Por ejemplo, los aceros que se utilizan en las máquinas modernas tienen permeabilidades relativas de 2000 a 6000 o más. Esto significa que, para una cantidad de corriente dada, en la sección de acero habrá entre 2000 y 6000 veces más flujo que en la sección correspondiente de aire. 1.8 LEY DE FARADAY Cuando se publicaron los trabajos de Ampére se difundieron rápidamente en todos los centros de investigación de la época, causando gran sensación. Faraday era un joven investigador, que se empezó a interesar en los fenómenos eléctricos y repitió en su laboratorio los experimentos de Oersted y Ampére. Oersted y Ampére demostraron que se podía obtener magnetismo de la 21

22 electricidad. Esto fue lo que llevo a Faraday a llevar su hipótesis, Sera posible que se obtenga electricidad del magnetismo? No fue hasta el otoño de 1831 en el que después de muchos intentos fallidos Faraday descubrió que cuando un conductor que forma un circuito cerrado se mueve por algún medio mecánico, en un campo magnético, un voltaje se produce de alguna manera que a su vez éste produce la circulación de una corriente. Al darse cuenta de eso fue cuando realmente contesto su hipótesis, de poder obtener electricidad por medio del magnetismo. Esto fue la base para el estudio de los generadores y motores eléctricos La Ley de Faraday se puede enunciar como: El voltaje inducido en una espira o bobina de un conductor, es proporcional al índice de cambio de las líneas de fuerza con respecto al tiempo que pasan a través de una bobina. En la figura 1.8 muestran claramente esta relación. Fig.1.8. Relaciones de Faraday 22

23 1.9 LEY DE LENZ Los estudios sobre inducción electromagnética, realizados por Michael Faraday, nos indican que en un conductor que se mueva cortando las líneas de fuerza de un campo magnético se producirá en él una fuerza electromotriz inducida y si se tratare de un circuito cerrado se producirá una corriente inducida. Lo mismo sucederá si el flujo magnético que atraviesa al conductor es variable. La ley de Lenz nos dice que las fuerzas electromotrices o las corrientes inducidas serán de un sentido tal que se opongan a las variación del flujo magnético que las produjeron LEY DE OERSTED En 1819 el científico danés Oersted descubrió una relación entre el magnetismo y la corriente eléctrica. Determinó que una corriente eléctrica que circula por un conductor produce un campo magnético alrededor de éste. Si por un conductor se hace circular una corriente eléctrica, en torno al conductor se producirán líneas de inducción en forma de círculos concéntricos como se muestra en la figura La presencia de tales líneas de fuerza se pueden observar colocando, en un plano perpendicular a lo largo del conductor, un papel con limaduras de fierro como se ilustra en la figura 1.9. Las limaduras se orientarán de acuerdo a la dirección del campo magnético presente. Fig.1.9. Representación de las líneas de flujo en un papel 23

24 Fig Representación del campo magnético en torno a un conductor recorrido por una corriente CAMPO MAGNÉTICO EN UNA BOBINA Si a un conductor recto se le dobla dándole la forma de espira, las líneas del campo magnético son más densas dentro de las espiras, aunque el número total es el mismo que para el conductor recto y además el campo se unifica por tener todas las líneas la misma dirección. Como se muestra en la figura 1.11., el plano se ha representado por líneas de fuerza del campo magnético producido por la corriente eléctrica I. Fig Representación de un plano P perpendicular al eje de una espira. Se forma una bobina o solenoide de alambre conductor si hay más de una espira o vuelta. La figura 1.12., muestra las líneas del campo magnético en un plano perpendicular P al eje de una bobina recorrida por una corriente eléctrica I. 24

25 Fig Representación de un campo magnético en una bobina Al formar una bobina, los campos magnéticos de cada espira se unen para formar un campo magnético prácticamente único cuya magnitud es la suma del campo magnético producido por cada espira. Si la bobina tiene gran número de vueltas, y las espiras están muy juntas entre sí, entonces el campo magnético producido por esta bobina, cuando por ella circule una corriente, se asemeja mucho al producido por un imán tipo barra. Esto significa que la bobina, al igual que el imán, posee polos magnéticos norte y sur en sus extremos. Como se muestra en la figura 1.13., las líneas de campo magnético irán del polo sur al polo norte por dentro de la bobina y del polo norte al polo sur por fuera de la bobina, igual que en el imán. Fig Líneas de campo magnético atravesando una bobina 25

26 La dirección del campo magnético en la bobina depende de la dirección de la corriente por las espiras de la bobina. Para determinar la dirección del campo magnético de una bobina puede usarse la regla de la mano derecha como se muestra en la figura 1.14, en donde si se toma la bobina con la mano derecha, los dedos índice al meñique indican la dirección de la corriente (sentido convencional) por la bobina mientras que el pulgar indica la dirección del campo magnético por dentro de la bobina, lo que permite identificar los polos magnéticos de la misma (el pulgar indicara la ubicación del polo norte magnético en la bobina):. Fig Regla de la mano derecha aplicada a bobinas 1.12 FLUJO MAGNÉTICO (φ) Es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del campo magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre las líneas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie. En otras palabras se le denomina como la totalidad del grupo de líneas que salen del polo norte de un imán. En la figura 1.15 se muestra las líneas de flujo que pasan por un conductor. Fig Líneas de flujo magnético pasando por un conductor 26

27 1.13 RELUCTANCIA ( ) La oposición al flujo magnético se llama reluctancia o resistencia magnética, que se puede comparar con la resistencia del circuito eléctrico. El símbolo de la reluctancia es. La reluctancia de un núcleo es directamente proporcional al largo e inversamente proporcional a la permeabilidad y a la sección. Además depende de la forma y de la distancia que exista entre los polos (entrehierro). La permeabilidad del núcleo de un electroimán está dada por ecuación 1.1. Donde: (1.2) 1.14 CONVERSIÓN DE ENERGÍA ELECTROMECÁNICA. Michael Faraday, concibió la primera posibilidad de la conversión de la energía eléctrica y mecánica. Esto sin duda alguna, fue el inicio, para que en el futuro se desarrollaran los generadores y los motores eléctricos. Hoy en día la conversión electromecánica de la energía, relaciona las fuerzas eléctricas y magnéticas del átomo con las fuerzas mecánicas, como resultado de esta relación la energía mecánica puede convertirse en energía eléctrica y viceversa. Aunque esta conversión puede producir otras formas de energía ya sea energía calorífica y de luz, aunque estas se mantienen márgenes mínimos, debido al perfeccionamiento de los procesos. 27

28 CAPÍTULO II. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA 2.1 GENERALIDADES TIPOS DE MOTORES. Un motor eléctrico de corriente alterna es una máquina motriz, esto es, un aparato que convierte la energía eléctrica en fuerzas de giro por medio de la acción mutua de los campos magnéticos, por medio de un sistema de rotación o par. Desde el siglo XX éste ha tomado una vital importancia, debido al número cuantioso de aplicaciones en las que se ve investida, como puede ser desde aparatos como bombas, ventiladores compresores etc. Como la mayor parte de la corriente eléctrica es alterna, los motores que se diseñan para CA son muchos. En la mayoría de los casos los motores de CA pueden funcionar de la misma manera que los de CC y son más fáciles de atender. Esto se debe a que en las máquinas de CC tropiezan con ciertas dificultades por el trabajo de conmutación, que requiere escobillas, portaescobillas, etc. Muchos motores de CA ni siquiera tienen anillos de contacto, con el resultado funcionan sin inconvenientes durante periodos muy largos [5]. Los motores de CA son ideales para trabajar a velocidad constante, debido a que la velocidad de estos está determinada por la frecuencia de la corriente alterna aplicada a las terminales de los mismos, aunque también se hacen motores de CA de velocidad variable, pero desarrollados hasta ciertos límites [6]. Los motores de CA pueden diseñarse para funcionar con una línea de CA monofásica o polifásica. No importa que sea monofásico o polifásico, el motor 28

29 siempre funciona en base al mismo principio. Éste principio es que la corriente alterna que se aplica al motor produce un campo magnético giratorio, el cual, a su vez, hace girar el rotor [6]. Como se muestra en la figura 2.1., podemos clasificar los tipos de motores de CA, la clasificación más común es subdividirlos de acuerdo al tipo de alimentación de energía eléctrica. Fig Clasificación de los motores eléctricos NORMAS. Las normas están diseñadas para que los motores cumplan con diversos estándares industriales, nacionales y, en algunos casos, reglamentos específicos locales y especificaciones de los clientes. Algunas de las normas más importantes se describen brevemente [5] a) Las Normas NEMA son normas voluntarias de la National Electrical Manufacturers Association (Asociación Nacional de Fabricantes de la Industria Eléctrica, de E.U.) y representa la práctica general dentro de la industria. En ellas se define un producto, proceso o procedimiento con referencia a la composición de la nomenclatura, construcción, dimensiones, tolerancias, características de operación, rendimiento, calidad, capacidad nominal y pruebas. [5] 29

30 b) Normas IEEE (AIEE). Las normas de la IEEE tratan aspectos fundamentales, como las normas básicas para la elevación en la temperatura, los métodos para determinar la capacidad nominal, la clasificación de los materiales aislantes y los códigos de prueba. [5] c) Las Normas USA son normas nacionales (en E.U.) establecidas por el United States of America Standards Institute USASI,(Instituto de Normas de Estados Unidos de America), el cual representa a fabricantes, distribuidores, consumidores y otras partes interesadas (en E.U.). Las normas USA pueden ser de la incumbencia de cualquier organismo responsable y solo se pueden convertir en normas nacionales (en E.U.), si se logra un consenso de quienes tienen un interés considerable. [5] d) La National Electrical Code, es una norma de E.U. de la incumbencia de la National Fire protection Association, con el fin de salvaguardar a las personas y edificios contra riesgos eléctricos que surjan del uso de la electricidad para alumbrado, calefacción, potencia y otros fines. Cubre los métodos y materiales para cableado, la protección de los circuitos ramales, motores y control, puesta a tierra y recomendaciones, referente al equipo adecuado para cada clasificación. [5] e) Los Underwriters Laboratories, Inc., constituyen una organización independiente para realizar pruebas, la cual examina y prueba aparatos, sistemas y materiales, con referencia particular a los riesgos contra la vida, de incendio y fortuitos. Esta organización desarrolla normas para motores y controles para lugares peligrosos, a través de la cooperación con los fabricantes. [5] 30

31 f) Norma Alemana DIN, El instituto Alemán de Normalización (Deutsches Institut für Normung, es el organismo nacional de normalización de Alemania, elabora, en cooperación con el comercio, la industria, la ciencia, los consumidores e instituciones públicas, estándares técnicos (normas) para la racionalización y el aseguramiento de la calidad. El DIN representa los intereses alemanes en las organizaciones internacionales de normalización (ISO, CEI, etc.) [7]. g) Instituto de normas británicas (BSI), es el organismo nacional de normas de reino unido, con reputación de independencia, integridad e innovación en la creación de normas que fomentan las mejores prácticas reconocidas en el mundo entero [5]. 2.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DE CA Los motores de CA son aquellos que convierten energía eléctrica de CA en energía mecánica. Principalmente consta de dos partes realizadas en material ferromagnetico, una llamada estator, que es la parte fija y otra llamada rotor, que es la parte móvil de la máquina. En la figura 2.2., se muestra las partes principales de un motor eléctrico Fig.2.2.Partes principales de un motor eléctrico. Los motores de corriente alterna se basan en el mismo principio que los transformadores, que es el principio de la inducción electromagnética, es decir, el 31

32 primario o estator genera un campo magnético, que en el particular caso de los motores es de naturaleza giratoria, la cual provoca que se induzcan voltajes que producen corrientes en el secundario del motor, llamado rotor, en el cual provocan una fuerza en los conductores que tiende a moverlos en ángulos rectos con respecto al campo, esto porque la corriente inducida circula siempre en dirección opuesta al flujo de la corriente aplicada y con un retraso de 90 o un ¼ de ciclo detrás [8] CONSTRUCCIÓN DEL ESTATOR. El estator o componente estacionario de las máquinas polifásicas consiste de una estructura de apoyo de diferentes laminaciones. Estas laminaciones forman parte de un circuito magnético y son troqueladas de delgadas hojas de acero silicón. Las laminaciones son aisladas una de la otra con cualquier material, ya sea, orgánico e inorgánico, para prevenir las corrientes de flujo causadas por corrientes Foucault. [9] Los conductores, que usualmente son utilizados son de cobre, de forma rectangular de sección transversal para maquinarias largas. Los cuales son colocados en ranuras axiales en los alrededores del entrehierro y están formados dentro de devanados los cuales forman las bobinas que llevan las corrientes del estator. Las bobinas son conectadas externamente y aisladas una de otra, así como el hierro del estator y se mantienen su posición por medio de cuñas no magnéticas. [9] El uso de estores estacionarios ha ido trascendiendo en las máquinas de corriente alterna por varias razones. 1.- La mayor área periférica y permite el uso de altos voltajes y corrientes, el cual no sería practico si la armadura o devanados de carga fueran localizados en el rotor. 32

33 2.- Dado que las bobinas de armadura no están rotando, la conexión directa de los circuitos externos puede ser hecha sin complicaciones, resultando de una interfaz estacionaria a una rotatoria. 3.- Dado que la potencia manejada por el circuito del estator es mucho mejor que la del circuito del rotor, la refrigeración del estator es alcanzada más fácil con un estator estacionario, y en el caso de alternadores con salidas de gran potencial, la refrigeración es en gran medida mejorada por el uso de conductores huecos refrigeradas por agua, los cuales pueden incrementar la salida en un 500% [9] DEVANADOS DEL ESTATOR La mayoría de máquinas polifásicas, principalmente por razones económicas, usan un devanado de bobina doble capa multi-espira, esto es, hay dos diferentes bobinas en cada ranura del estator. El uso del devanado de doble capa con ranuras abiertas permite ser usada así como la obtención de una menor fuga de reactancia [9]. Normalmente las bobinas son conectadas juntas en una forma de devanado abierto, esto es, un devanado en el cual hay un camino continuo a través de los conductores de cada fase. Hay dos tipos de devanados: concentrados y distribuidos. Los devanados concentrados tienen todos los conductores de una fase concentrados en una ranura por polo. Éste tipo de devanado requiere solo de pocas ranuras en el estator, el resto del hierro del estator siendo usado para distribuir el flujo magnético. En otras palabras, la periferia del estator es pobremente utilizada. [9] El devanado distribuido tiene los conductores extendidos entre muchas ranuras para que el todo el devanado utilice completamente la periferia del estator. Adicionalmente el devanado distribuido reduce el efecto de reacción de armadura, 33

34 reactancia y distribuye el efecto de calentamiento de las pérdidas en la armadura de cobre más uniformemente a través del estator. [9] Los devanados de media espira, los cuales tienen una espira por fase por par de polos, son a menudo usados en pequeñas estructuras de motores de inducción polifásica. Con más frecuencia la doble capa o el devanado completo, el cual tiene tantas espiras por fase como son polos, es usado en estructuras largas de máquinas y generadores síncronos. [9] Los devanados de media espira son usualmente de paso completo, esto es, el lado de la espira están desfasadas 180 eléctricos. Los devanados de bobina entera son usualmente de paso fraccional, es decir, los lados de bobina están desfasados a menos de 180 eléctricos. Las ventajas de usar bobinas de paso fraccionario son: 1.- Reduce la cantidad de cobre requerido en el extraplano o conexiones de fin del devanado. 2.- Reduce el flujo de armónicas producidas por las corrientes de carga fluyendo en el devanado del estator. 3.- Reduce las armónicas presentes en la forma de onda del voltaje de modo significativo reduciendo la amplitud de la forma de onda del voltaje [9]. Estos tres factores muestran porque casi todos los devanados de generadores síncronos son de dos capas paso fraccional. En el caso de los generadores síncronos, cuando usan bobinas de paso fraccional, es necesario aplicar un factor de paso K p, cuando calculando el voltaje inducido. Desde el lado de bobina no están 180 aparte y como resultado de voltajes generados en dos lados de bobinas están fuera de fase, en una bobina de paso completo estos 34

35 voltajes están en fase, en otras palabras el factor de paso de un devanado de paso completo es la unidad. [9] PASO DE BOBINA Y FACTOR DE PASO El paso polar es la distancia angular entre dos polos adyacentes en una máquina. El paso polar de una máquina en grados eléctricos se muestra en la ecuación 2.1 (2.1) Donde P p es el paso polar en grados mecánicos y P es el número de polos en la máquina. Sin importar el número de polos en la máquina, el paso polar siempre es de 180 grados eléctricos [10]. Si la bobina del estator pasa a través del mismo ángulo que el paso polar, se llama bobina de paso completo. Si la bobina del estator pasa a través de un ángulo menor que el paso polar, se llama bobina de paso fraccionado. El paso de una bobina de paso fraccionado a menudo expresa como una fracción que indica la porción del paso polar que abarca y se expresa por la ecuación 2.2. (2.2) Donde θ m, es el ángulo mecánico que recorre la bobina en grados y p p es el paso polar de la máquina en grados mecánicos [10]. El factor por el cual el voltaje generado en una bobina de paso fraccional es menor que el generado en una bobina de paso completo es llamado factor de paso. El factor de paso se representa por la ecuación 2.3 (2.3) Donde K p es el factor de paso (K p 1), p 0 el espacio de la bobina en grados eléctricos, p 0 = 180 para una bobina de paso completo, esto es K p =1 [9]. 35

36 2.2.4 FACTOR DE DISTRIBUCIÓN La relación entre el voltaje real en una fase del devanado distribuido y su valor esperado en un devanado concentrado con el mismo número de vueltas se llama factor de distribución del devanado [9]. El factor de distribución se define en la ecuación 2.4. (2.4) El factor de distribución es una manera conveniente de resumir la disminución del voltaje provocada por la distribución espacial de las bobinas en un devanado del estator.[10] De otra manera se puede probar que en un devanado con n ranuras por cinturón de fase espaciadas por γ grados, el factor de distribución esta dado por la Ec (2.5) CAMPO MAGNÉTICO GIRATORIO La corriente alterna tiene algunas propiedades especiales que hacen posible aprovecharla para producir un campo magnético rotatorio en el estator de un motor de corriente alterna. La corriente alterna tiene ciclos de ascenso y descenso y estos ciclos siguen un patrón que se llama onda senoidal. Un ciclo senoidal completo es de 360 y se repite según la frecuencia nominal de corriente alterna [12]. Cuando un devanado fijo, es recorrido por una corriente alterna, se genera un campo magnético alterno, cuya intensidad variara del mismo modo que lo hace la corriente que pasa por el devanado. Cuando un bobinado trifásico, con bobinas desplazadas 120 es conectado a una corriente alterna trifásica, automáticamente se va generando en el mismo un campo magnético giratorio y constante, es decir, 36

37 la orientación norte sur de los polos va girando constantemente alrededor de su eje. Para invertir el sentido de giro del campo hay que cambiar el orden de alimentación de sus fases. El objetivo de los componentes del motor (Figura 2.3), es hacer que el rotor gire sobre el eje del motor. Esta rotación ocurrirá debido al fenómeno magnético previamente discutido que los polos opuestos se atraen y polos iguales se rechazan. Si cambiamos progresivamente la polaridad de los polos del estator de una manera tal que su campo magnético combinado rote, entonces el rotor seguirá girando con el campo magnético del estator. Fig Componentes eléctricos básicos de un motor de Corriente Alterna. En la figura 2.4, se muestra como van rotando los campos magnéticos del estator, el estator tiene seis polos magnéticos y el rotor tiene dos polos. En el tiempo 1, los polos A-1 del estator y el C-2 son polos Norte y los polos opuestos, A-2 y C-1, son los polos sur. El polo S del rotor es atraído por los dos polos N del estator y el polo N del rotor es atraído por los dos polos del sur del estator. En el tiempo 2, la polaridad de los postes del estator se cambia de modo que ahora el C-2 y B-1 son los polos N y C-1 y B-2 son los polos S. Entonces el rotor se ve forzado a rotar 60 grados para alinearse con los polos del estator según lo demostrado en la figura. En el tiempo 3, B-1 y A-2 son los polos N. En el tiempo 4, A-2 y C-1 son los polos N. Mientras que se realiza cada cambio, los polos del rotor son atraídos por los polos opuestos en el estator. Así, como el campo magnético del estator rota, el rotor se ve forzado a rotar con él [11]. 37

38 Tiempo 1 Tiempo 2 Tiempo 3 Tiempo 4 Fig.2.4. Rotación del campo magnético de un motor de corriente alterna EFICIENCIA DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS Puede decirse que la eficiencia de un motor eléctrico es la medida de la capacidad que tiene el motor de convertir la energía eléctrica en energía mecánica. La potencia eléctrica correspondiente medida en watts (w) entra por los terminales del motor y la potencia mecánica medida en watts o HP que sale por el eje [11]. La eficiencia (EF) del motor puede expresarse por la ec.2.6. (2.6) Y como: Potencia mecánica de salida = Potencia eléctrica de entrada Pérdidas Se tiene que: (2.7) 38

39 2.2.7 NATURALEZA DE LAS PÉRDIDAS EN LOS MOTORES ELÉCTRICOS Se tiene por pérdidas la potencia eléctrica que se transforma y disipa en forma de calor en el proceso de conversión de la energía eléctrica en mecánica que ocurre en el motor. Las pérdidas por su naturaleza se pueden clasificar en 5 áreas: pérdidas en el cobre del estator, pérdidas en el cobre del rotor, pérdidas en el núcleo, pérdidas por fricción y ventilación y pérdidas adicionales. [11] 1.- Pérdidas en los conductores. Las pérdidas en los conductores se dividen en dos zonas: estator (I 2 R en las bobinas del estator) y rotor (I 2 R en los bobinados del rotor). Estas pérdidas dependen del cuadrado de la corriente. [11] 2.- Pérdidas en los conductores del estator. Estas pérdidas son una función de la corriente que fluye en el devanado del estator y la resistencia de ese devanado. Son mínimas en vacío y se incrementan al aumentar la carga. [11] En función del factor de potencia (FP), la corriente de línea en el estator se expresa mediante la ecuación 2.8. (2.8) Cuando se desea mejorar el comportamiento del motor, es importante reconocer la interdependencia entre la eficiencia (EF) y el factor de potencia (FP). Si se despeja el factor de potencia la ecuación 2.9 tenemos: (2.9) Por lo tanto si se incrementa la eficiencia, el factor de potencia tendrá a decrecer. Para que el factor de potencia permanezca constante, la corriente del estator debe reducirse en proporción al aumento de la eficiencia. Si se pretende que el factor de potencia mejore, entonces la corriente debe disminuir más que lo que la eficiencia aumente. Desde el punto de vista del diseño, esto es difícil de 39

40 lograr debido a que hay que cumplir otras restricciones operacionales como el momento máximo. Por otra parte la corriente de línea se puede expresar como la ecuación 2.10 [11] (2.10) La expresión hace evidente que las pérdidas en el estator ( ) serán inversamente proporcionales al cuadrado de la eficiencia y del factor de potencia. Adicionalmente las pérdidas en los conductores del estator dependen de la resistencia del bobinado. Para un motor dado la resistencia del bobinado es inversamente proporcional al peso del bobinado del estator, es decir a mas material conductor en el estator menos pérdidas. [11] 3.- Pérdidas en los conductores del rotor. Son directamente proporcionales a la resistencia del bobinado rotórico, dependen del cuadrado de la corriente que circula en el bobinado rotórico (barras y anillos) y dependen del flujo magnético que atraviesa el entrehierro. Son prácticamente cero en vacío y se incrementan con el cuadrado de la corriente en el rotor y también se incrementan con la temperatura. Las pérdidas en el rotor se pueden expresar en función del deslizamiento como se muestra en la ecuación 2.11 [11] (2.11) PMS: Potencia Mecánica de Salida F y V: Fricción y Ventilación S: Deslizamiento 4.- Pérdidas en el núcleo magnético. Estas pérdidas tienen dos componentes, las pérdidas por corrientes de Eddy y las pérdidas por el fenómeno de histéresis, incluyendo las perdidas superficiales en la estructura magnética del motor. Las pérdidas en el núcleo del rotor debido al flujo magnético principal, son virtualmente cero. [11] 40

41 5.- Pérdidas por Histéresis. Son causadas debido a la propiedad de remanencia que tienen los materiales magnéticos al ser excitados por un flujo magnético en una dirección. Como el flujo de excitación está cambiando de dirección en el núcleo magnético, la remanencia hace que se forme el ciclo de histéresis, cuya área está relacionada por la energía gastada en magnetizar y desmagnetizar el núcleo continuamente. Estas pérdidas dependen del flujo máximo de excitación, de la frecuencia de variación del flujo y de la característica del material que determina el ancho del ciclo de histéresis. [11] 6.- Pérdidas por fricción y ventilación. Las pérdidas por fricción y ventilación son debidas a la fricción en los rodamientos y a las pérdidas por resistencia del aire al giro del ventilador y de otros elementos rotativos del motor. La fricción en los rodamientos es una función de las dimensiones de éste, de la velocidad, del tipo de rodamiento, de la carga y de la lubricación usada. Estas pérdidas quedan relativamente fijadas para un tipo de diseño, y debido a que constituyen un porcentaje pequeño de las pérdidas totales del motor, los cambios que se pueden hacer en el diseño para reducirlas no afectan significativamente la eficiencia del motor. [11] 7.- Pérdidas adicionales en carga. Son pérdidas residuales difíciles de determinar por medio de mediciones directas o de cálculos. Estas pérdidas están relacionadas con la carga y general mente se suponen que varían con el cuadrado del momento de salida. La naturaleza de estas pérdidas es muy compleja. Están en función de muchos factores de diseño y de fabricación del motor. Algunos de los elementos que influyen en estas pérdidas son: el diseño del devanado, la relación entre la magnitud del entrehierro y la abertura de las ranuras; la relación entre el número de las ranuras del estator y del rotor, la inducción en el entrehierro; las condiciones en la superficie del rotor, el tipo de contacto superficial entre las barras y las laminaciones del rotor. [11] 41

42 2.3. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA ASÍNCRONOS GENERALIDADES El motor asíncrono fue creado en su forma más simple por Galileo Ferraris y Nikola Tesla en Dos años más tarde se construyó una máquina con el rotor en forma de jaula de ardilla. El rotor devanado (bobinado) se desarrolló a principios del siglo XX. [14] El motor de inducción es el más comúnmente empleado en corriente alterna debido a su sencillez, trabajan a velocidad prácticamente constante, a su construcción sólida y a su bajo costo de mantenimiento. Estas características del motor de inducción se deben al hecho de que el rotor es independiente y no está conectado con la fuente externa de tensión. El motor de inducción se llama así por el hecho de que el campo magnético giratorio del estator induce corrientes alternas en el circuito del rotor, esto quiere decir que, en los motores de inducción no se necesita corriente de campo de corriente directa para que la máquina funcione.[6] 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 circula que 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 como motores de inducción. La denominación de motores asíncronos obedece a que la velocidad de giro del motor no es la de sincronismo, que es impuesta por la frecuencia de la red. 42

43 Fig.2.5 Motor asíncrono de rotor bobinado. a - Aspecto exterior, b - corte longitudinal del motor, la mitad superior corresponde a la ejecución para n = r.p.m.; la inferior, para n 1 = r.p.m.; i - árbol, 2 - acero del rotor, J - devanado del rotor, 4 - acero del estator, 5 - devanado de estator, 6 - armazón del estator, 7 - cajas para cojinetes, 8 - Ventilador, 9 - anillos rozantes (colectores), 10 - empuñadura para levantar las escobillas PARTES DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN TIPO JAULA DE ARDILLA Fig.2.6. Partes que componen un motor de inducción tipo jaula de ardilla 1. Protector de eje 2. Anillo V lado accionamiento 3. Escudo lado accionamiento 4. Cojinete lado A 5. Carcasa 6. Placa de bornes 7. Tornillo de fijación placa de bornes 8. Junta caja de bornes 9. Caja de bornes 10. Tornillo fijación placa de bornes 11. Tapa caja de bornes 12. Tornillo de fijación caja de bornes 13. Junta caja tapa de bornes 14. Terminal de puesta de tierra 15. Tapón salida de cables Tapón salida de cables 17. Chaveta 18. Rotor completo 19. Cojinete lado ventilador 20. Arandela muelle 21. Escudo lado contrario accionamiento 22. Directriz de aire 23. Tornillo de fijación directriz 24. Ventilador 25. Perno de fijación escudo lado contrario accionamiento 26. Perno de fijación escudo lado accionamiento 27. Perno de fijación patas 28. Patas 29. Arandela de fijación patas 30. Perno de fijación patas

44 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El funcionamiento de una máquina asíncrona se basa en el principio de la interacción electromagnética entre el campo giratorio, creado por un sistema de corrientes trifásicas suministradas desde la red al devanado del estator y las corrientes que se inducen en el devanado del rotor cuando el campo giratorio cruza sus hilos conductores. Al aplicar una tensión en las terminales del estator se produce una fuerza magnetomotriz uniforme y giratoria. Si suponemos, por ejemplo, que el rotor es del tipo jaula de ardilla, en cada barra se induce una fuerza magnetomotriz de sentido opuesto, ésta hace circular una corriente y se produce un par que hace girar el motor. Si comparamos el motor de inducción a un transformador, el estator vendría siendo el circuito primario y el rotor como el secundario. De acuerdo con la Ley de Lenz, el voltaje, la corriente y el flujo generado por el movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético estará en una dirección que se opone al movimiento relativo. De aquí que para satisfacer la ley de Lenz, los conductores deben desarrollar una fuerza mecánica. La dirección de la corriente en la barra del rotor que determina el flujo en sentido opuesto está determinada por la regla de la mano derecha. [8] Cuando se alimenta el estator de un motor asíncrono con un sistema trifásico de tensiones de frecuencia f 1, se origina en el entrehierro un campo magnético giratorio de amplitud constante cuya velocidad se obtiene mediante la ecuación 2.12 y a es la velocidad de sincronismo (2.12) Donde: p es el número de pares de polos del motor. En los conductores del rotor, el campo giratorio inducirá unas fuerzas electromagnéticas, que al estar el devanado en cortocircuito darán lugar a unas corrientes. Éstas en presencia de un campo magnético, determinan que sobre los 44

45 conductores actúen unas fuerzas, las cuales producen un par, que de acuerdo a la ley de Lenz, hace que el rotor tienda a seguir el campo del estator DESLIZAMIENTO Es conveniente observar de inmediato que la velocidad del rotor en un motor de inducción, no podría alcanzar jamás la velocidad síncrona, es decir la velocidad del campo giratorio en el estator. El rotor gira siempre a una velocidad próxima a la síncrona, pero no la alcanza nunca. El adjetivo síncrono indica una acción que se presenta en el mismo momento y en el mismo intervalo de tiempo.[15] La diferencia entre la velocidad síncrona N S y la velocidad efectiva de rotación del rotor N se define como el deslizamiento éste deslizamiento (s) se expresa como un porcentaje de la velocidad síncrona o bien como una fracción de la misma. El deslizamiento porcentual se ilustra en la ecuación 2.13 (2-13) El deslizamiento aumenta al incrementar la carga, es decir, con el aumento del par resistente aplicado al motor, en vacio, el deslizamiento es mínimo, casi despreciable y a la potencia nominal, dependiendo de la potencia del motor, varía entre 2% y el 7%. De hecho la velocidad del rotor no es rigurosamente constante con la carga y como no puede alcanzar la velocidad de sincronismo, se le denomina también a estos motores ASÍNCRONOS.[15] FRECUENCIA ELÉCTRICA DEL ROTOR Un motor de inducción funciona por medio de la inducción de voltajes y corrientes en el rotor de la máquina. En el momento en que se alimenta el estator, el rotor se encuentra aun parado, la frecuencia de la tensión inducida en el rotor es igual a la de la tensión de alimentación del estator. De hecho, los conductores 45

46 del rotor son cortados una vez por cada rotación del campo magnético giratorio, es decir una vuelta por cada periodo de la tensión de alimentación. En estas condiciones se comportan como transformador. [10][15] Pero en cuanto el rotor empieza a girar y a tomar velocidad, el número de revoluciones por segundo que el flujo del estator que corta a los conductores del rotor disminuye hasta quedar en un valor muy pequeño. Por lo tanto la frecuencia del rotor f r se determina mediante la ecuación 2.14 f r = s f (2.14) La frecuencia del rotor también puede expresarse también como en la Ec (2.15) TIPOS DE ROTOR La construcción del estator del motor de inducción y del motor síncrono es casi idéntica, pero sus rotores son completamente diferentes. Existen dos tipos diferentes de rotores de motores de inducción que pueden utilizarse dentro del estator. Uno se llama rotor jaula de ardilla o rotor jaula y el otro se llama rotor devanado y se ilustran en la figura 2.7 y 2.8. Fig.2.7. Rotor jaula de ardilla y rotor devanado 46

47 Rotor jaula de ardilla Éste consta de una serie de barras conductoras dispuestas dentro de ranuras labradas en la cara del rotor y en cortocircuito en algunos de sus extremos mediante grandes anillos de cortocircuito. Se le denomina jaula de ardilla porque los conductores, si se examinan por sí solos, parecen una de las ruedas de ejercicio donde el hámster corre.[15] Rotor devanado Un rotor devanado tiene un conjunto completo de devanados trifásicos que son imágenes espectaculares de los devanados del estator. Las tres fases de los devanados del rotor normalmente están conectadas en estrella (Y), y los extremos de los tres alambres del rotor están unidos a los anillos rozantes en el eje del rotor. Los devanados del rotor están en cortocircuito por medio de escobillas montadas en los anillos rozantes. Por lo tanto, los rotores devanados de los motores de inducción tienen corrientes en el rotor accesibles en las escobillas del estator, donde se pueden examinar y donde es posible insertar una resistencia extra en el circuito del rotor. Una ventaja de este hecho es que puede modificar las características de par - velocidad. Los rotores devanados de los motores de inducción son más grandes que los motores de inducción de jaula de ardilla y requieren mucho más mantenimiento debido al desgaste asociado con las escobillas y con los anillos rozantes [15]. Fig.2.8. a) Vista de un motor de jaula de ardilla y b) con rotor devanado 47

48 La diferencia principal entre los dos tipos de rotor consiste en el hecho de que mientras en el rotor de jaula de ardilla no es posible modificar las características del devanado, en el tipo rotor devanado, si se pueden modificar estas características, insertando, por ejemplo, resistencias en serie por cada fase. En el motor de rotor devanado también se tiene la posibilidad de controlar la velocidad dentro de ciertos límites PROPIEDADES DE LOS MOTORES ASÍNCRONICOS Y SU EMPLEO [11] Las ventajas de los electromotores asincrónicos de jaula de ardilla son: - Velocidad aproximadamente constante para diferentes cargas; - Posibilidad de soportar grandes sobrecargas; - Sencillez en la construcción; - Sencillez de arranque y la posibilidad de su automatización; - F.P. y rendimiento más altos que en los motores de rotor bobinado., DEFECTOS: 1) dificultad en regular el número de revoluciones; 2) gran corriente de arranque; 3) F.P. bajo, cuando la carga es poca; 4) sensibilidad a las oscilaciones de la tensión. Prácticamente los electromotores asincrónicos con rotor de jaula de ardilla se emplean cuando no se necesita regular la velocidad de rotación del motor y cuando las potencias de los motores no son grandes. 48

49 LAS VENTAJAS de los electromotores asincrónicos de rotor bobinado son: - Gran par de arranque inicial; - Posibilidad de grandes sobrecargas; - Velocidad aproximadamente constante, con cargas diferentes; - Menor corriente de arranque en comparación con los motores de jaula de ardilla; - Posibilidad de utilizar dispositivos de arranque automáticos. INCONVENIENTES: 1) sensibilidad a las oscilaciones de la tensión; 2) F.P y rendimiento menores que en los motores de jaula de ardilla; 3) F.P. bajo en caso de cargas pequeñas CIRCUITO EQUIVALENTE Los motores de inducción dependen de su operación de la inducción de voltajes y corrientes en el circuito del rotor desde el circuito del estator, tal como un transformador lo hace con el devanado primario y secundario, puesto que la inducción de voltaje y corrientes en el circuito del rotor de un motor de inducción es esencialmente de una operación transformadora [10]. A los motores de inducción se les llama máquinas de excitación única, debido a que solo se suministra energía al estator a diferencia de las máquinas síncronas que se les suministra potencia en el estator y en el rotor. El circuito equivalente por fase de un motor de inducción trifásico con el rotor parado, se obtiene de manera análoga a la del transformador y se muestra en la figura 2.9. En el motor de inducción, cuando se aplica voltaje a los devanados del estator, se induce un voltaje en los devanados del rotor de la máquina. En general, 49

50 mientras mayor sea el movimiento relativo entre los campos magnéticos del rotor y del estator, mayor será el voltaje resultante del rotor y la frecuencia del rotor. [15] Fig.2.9. Circuito equivalente por fase de un motor de inducción. Donde: V φ, es la tensión en los bornes, E 1 la fuerza contra electromotriz inducida por el flujo resultante en el entrehierro,i 1 la intensidad,r 1 la resistencia efectiva y X 1 la reactancia de dispersión, todo ello en el estator. La I 2 la corriente de carga producida por una FMM que neutraliza exactamente la FMM de la corriente del rotor.i M es la corriente adicional requerida en el estator para crear el flujo resultante en el entrehierro, corriente que es función de la FEM,X M la reactancia magnétizante del rotor, Rc representa las pérdidas en el núcleo. Tanto R C como X M, se determinan corrientemente a la frecuencia nominal del estator y con un valor de E 1 aproximadamente igual al que se espera exista con el trabajo normal, y se admite que permanezcan constantes aun con las pequeñas variaciones que se pueden presentar dentro del funcionamiento normal del motor.[10] La ha de corresponder a la suma de: la potencia debido a la resistencia del rotor R 2 y la potencia mecánica producida por el motor, representada en el circuito eléctrico equivalente por una resistencia llamada de carga.[10] 50

51 ARRANQUE DE LOS MOTORES DE INDUCCIÓN Los motores de inducción tienen un sistema de arranque totalmente diferente a los motores síncronos debido a que éstos no necesitan alimentar el rotor con corriente directa, basta simplemente alimentar con potencia a la línea para ponerlos en marcha. Aunque existen algunos casos que son la excepción.[10] Debido a que la corriente de arranque que requiere el motor puede causar una caída de voltaje del sistema de potencia, por lo cual no es recomendable hacerlo directamente desde la línea de alimentación. En los motores con rotor devanado se pueden poner en marcha con corrientes bajas por medio de la inserción de una resistencia extra en el circuito del rotor en el momento del arranque. La función de la resistencia no es simplemente reducir la corriente sino que incrementa el par de arranque. Para el caso de los motores de jaula de ardilla, la corriente de arranque puede variar en forma amplia, depende principalmente de la potencia nominal del motor y de la efectividad de la resistencia del rotor en condiciones de arranque. Para estimar la corriente del rotor existe una nomenclatura, la cual no debe confundirse con la clase del diseño, sino que sirve para establecer los límites de cantidad de corriente que el motor puede aceptar en condiciones de arranque. Estos límites están en función de la potencia aparente de arranque del motor y los caballos de fuerza nominales.[10] La forma para determinar la corriente de arranque de un motor trifásico de inducción, habría que determinar el voltaje nominal, los caballos de fuerza y la letra código de su placa de características. Entonces, la potencia aparente de arranque del motor será la ilustrada en la ecuación

52 S arranque = (caballaje nominal) (factor de letra de código) (2.16) Y la corriente de arranque se puede calcular con la ecuación (2.17) Si se requiere, la corriente de arranque de un motor de inducción se puede reducir con un circuito de arranque. Sin embargo, esto reducirá el par de arranque del motor. Una manera alternativa consiste en reducir el voltaje en las terminales del motor durante el arranque por medio de la utilización de autotransformadores ENSAYOS DEL MOTOR ASÍNCRONO. Los ensayos del motor asíncrono permiten determinar los parámetros del circuito equivalente de la máquina. Existen dos tipos de pruebas, denominadas: a) Ensayo de vacío b) Ensayo de cortocircuito PRUEBA EN VACIO La prueba en vacío de un motor de inducción mide las pérdidas rotacionales del motor y brinda información sobre su corriente de magnetización. Estos elementos son muy importantes para valorar la calidad del motor asíncrono.[10] Consiste en hacer funcionar el motor sin ninguna carga mecánica en el eje, es decir, la máquina trabaja a rotor libre. Se debe aplicar la tensión asignada al rotor, midiendo la potencia absorbida P o y la corriente de vacio I o. Debido a que el motor asíncrono no puede girar a la velocidad de sincronismo, ya que I 2 sería nula y no existiría ningún par electromagnético en el eje. En estas 52

53 circunstancias lo que sucede realmente es que el motor en vacío gira a una velocidad cercana a la del campo magnético giratorio. Al no ejercerse ningún par de carga en el eje, la potencia disipada en esta resistencia representa la pérdida en rozamiento y ventilación del motor.[14] Debido a esto podemos decir que la potencia absorbida se rige por la ec P 0 = P FE + P M + P CU1 (2.18), Donde P 0 es la potencia absorbida, P CU1 son las pérdidas en el cobre del estator en este ensayo, P FE a las pérdidas en el hierro y P M a las pérdidas mecánicas.[14] Para determinar cada una de las pérdidas anteriores es preciso completar el ensayo de vacío con medidas adicionales; las pérdidas en el cobre P CU1 pueden calcularse si se mide previamente la resistencia R 1 de cada una de las fases del estator. Para determinar P FE y P M es preciso alimentar el motor por una tensión variable, comenzando con el valor nominal o asignado o algo superior y reduciendo hasta un valor que puede tomarse entre el 30 y 50 % del voltaje nominal. De acuerdo a esto en cada escalón debe medirse los valores de la potencia absorbida la corriente de vacío y el voltaje. [15] ENSAYO DE CORTOCIRCUITO. Esta es otra prueba que se puede realizar a los motores de inducción, para determinar los parámetros de circuito. Durante esta prueba que corresponde a la de cortocircuito del transformador, se bloquea o enclava el rotor de tal forma que no se pueda mover, se aplica voltaje al motor y se miden el voltaje, la corriente y la potencia resultantes.[10] 53

54 Fig Diagrama de conexiones de prueba de rotor bloqueado. En la figura 2.10., se muestra las conexiones para realizar la prueba de rotor bloqueado. Para llevar a cabo la prueba de rotor bloqueado o cortocircuito, se aplica un voltaje de corriente alterna al estator y se ajusta el flujo de corriente al valor aproximado de plena carga. Cuando la corriente está en su valor de plena carga, se miden el voltaje, la corriente y la potencia resultantes que fluyen hacia el motor. El inconveniente de esta prueba presenta un problema. En operación normal, la frecuencia del estator es la frecuencia de la línea del sistema de potencia (50 o 60Hz). En condiciones de arranque, el rotor también está a la frecuencia de la línea. Sin embargo, en condiciones de operación normal, el deslizamiento de la mayoría de los motores es tan solo de 2 o 4% y la frecuencia resultante en el rotor esta en un rango de 1 a 3 Hz, lo cual crea un problema en cuanto que la frecuencia de la línea no representa las condiciones de operación normal del motor. Puesto que la resistencia efectiva del rotor puede llevar a obtener resultados falsos en la prueba. En una situación típica se utiliza una frecuencia de 25% o menos de la frecuencia nominal. Aunque esta aproximación es aceptable para rotores de resistencia normal de rotor en un rotor de resistencia variable.[10] Después que se han fijado el voltaje y la frecuencia para las pruebas, el flujo de corriente en el motor se ajusta con rapidez cerca del valor nominal y se miden la potencia, el voltaje y la corriente de entrada, antes que el rotor se caliente demasiado. La potencia de entrada al motor está dada por la ecuación 2.19 [14]. (2.19) 54

55 2.4. MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA SÍNCRONOS POLIFÁSICOS Un motor síncrono es una máquina que transforma la energía eléctrica en energía mecánica; en donde la velocidad promedio de operación normal es exactamente proporcional a la frecuencia del sistema al cual está conectado. Los motores síncronos se alimentan de dos tipos de corriente, en el rotor o inducido la cual es alimentada con corriente continua y en el estator o inducido que se alimenta con corriente alterna GENERALIDADES Los motores síncronos se aplican cada vez más en los trabajos donde se requieren de gran potencia que funcionan a régimen permanente, en sustitución de los motores de inducción, por sus características en cuanto se refiere a su alto rendimiento, factor de potencia, velocidad constante y alta fiabilidad PRINCIPIOS DE OPERACIÓN Para entender el funcionamiento del motor síncrono, tenemos que aplicarle un conjunto de voltajes trifásicos al estator de la máquina, lo que produce un flujo de corriente trifásica en los devanados y éste provoca el establecimiento de un campo magnético giratorio alrededor del rotor. Como el rotor está accionado por corriente directa, hace las veces de barra imantada. Si se permite que una barra imantada gire dentro de un campo magnético, esta orientará hasta alinearse con el campo. Si el campo magnético giratorio es fuerte, ejercerá una intensa fuerza de rotación sobre la barra imantada. Por lo tanto, la barra podrá accionar una carga mientras gira acompañando al campo magnético rotatorio. Cuando se pone en marcha el motor síncrono, la corriente que circula por el inducido origina un campo magnético giratorio, éste induce una tensión en los devanados y se crea otro campo magnético de polaridad contrario, resultando de ambos campos un par que hace que el motor arranque. La velocidad de éste va aumentando poco a poco hasta llegar casi a la velocidad de sincronismo. A esta velocidad se excitan las bobinas de campo del rotor con corriente directa 55

56 quedando formados los polos magnéticos del inductor que tienden a situarse frente a los polos magnéticos giratorios del estator de polaridad contrario, de éste modo se incrementa la velocidad hasta que el motor alcance la velocidad de sincronismo entre la velocidad del rotor y la velocidad del flujo magnético giratorio del estator; si se pierde la atracción, desaparece el par y el rotor deja de girar. Esto quiere decir que existirán dos campos magnéticos presentes en la máquina y el campo del rotor tendera a alinearse con el campo del estator, igual que dos imanes tenderán a alinearse si se colocan uno cerca del otro. Debido a que el campo magnético del estator gira, el campo magnético del rotor tratará constantemente de alcanzarlo. Por consiguiente un motor síncrono solo desarrolla par cuando gira a velocidad síncrona VELOCIDAD La velocidad de un motor síncrono está determinada por la frecuencia de la corriente alterna y por el número de polos que tiene, es decir, las revoluciones por minuto (rpm), la cual se obtiene a partir de la expresión: (2.20) Donde: n: las revoluciones por minuto P: número total de polos f : la frecuencia en Hertz. Si hay un cambio en la carga, habrá un cambio instantáneo en la velocidad que durará muy pocos ciclos, pero la velocidad media será la misma. De lo anterior se deduce que la velocidad de estos motores es directamente proporcional a la frecuencia de la tensión aplicada al devanado del inducido e inversamente proporcional al número de polos, y mientras no varíe la frecuencia y el número de polos, no cambiará la velocidad. Por consiguiente un motor síncrono, tiene 56

57 velocidad absolutamente constante y puede emplearse cuando hay que mantener en todos los instantes una velocidad determinada INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO Para invertir el sentido de giro del motor síncrono, se hace, cambiando dos fases del devanado del estator. Los motores síncronos no se emplean para aplicaciones que requiera una inversión rápida de rotación, por lo que tales aplicaciones no requieren una velocidad constante y por consiguiente no representan ninguna ventaja. Sin embargo se emplea el frenado contra marcha para obtener un paro rápido. Esto se obtiene desconectando la excitación de la línea de suministro de corriente continua y cambiando dos fases del estator; ocasionando un cambio de la secuencia de fases y por consecuencia la inversión de giro del rotor VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL MOTOR SÍNCRONO El motor síncrono comparado con el motor de inducción tiene ciertas ventajas y desventajas de las cuales podemos citar las más importantes. VENTAJAS. *Velocidad constante, independientemente de la condición de tensión línea y de las fluctuaciones de la carga. *Alta eficiencia ya que en éste no existen pérdidas por deslizamiento. *Factor de potencia variable, logrando esto mediante una excitación de campo adecuada, teniendo factor de potencia unitario y hasta adelantado, por lo que se puede utilizar para mejorar el F.P. de una instalación. *A la vez que mejora un factor de potencia desarrolla un trabajo mecánico. DESVENTAJAS. *Par de arranque nulo. El motor síncrono no puede arrancar por sí solo, puesto que el campo magnético giratorio tiene una velocidad síncrona, y el rotor en 57

58 reposo, en donde los polos del rotor son atraídos, primero en un sentido y después en sentido contrario, teniendo como resultante un par nulo. *Son más sensibles a las armónicas de tensión que los motores de inducción; puesto que pueden producirlas ellos mismos y causar ciertas perturbaciones a la red de alimentación. *Se necesitan dos fuentes de energía eléctrica para excitarlo, una de corriente alterna y otra de corriente continua. *Deben estar acompañados de una excitatriz, lo cual eleva su costo. *Corren el riesgo de desconectarse y por ello, es necesario tener mayor vigilancia que los motores de inducción UTILIZACIÓN DEL MOTOR SÍNCRONO Los fabricantes han mejorado notablemente las características de arranque y funcionamiento de los grandes motores síncronos, al extremo de que pueden utilizar con éxito en pesados servicios industriales para lo que anteriormente se consideraban inadecuados. El alto factor de potencia y el elevado rendimiento de los motores síncronos, combinado con la circunstancia de que su costo inicial es ligeramente menor que el de inducción, han conducido a una extensiva utilización del mismo. Los motores síncronos provistos de devanados de jaula de ardilla arrancan como motores de inducción y después de ser sincronizados, continúan funcionando como síncronos. Las aplicaciones más comunes de los motores síncronos son: *Para impulsar generadores de corriente continúa. *Para impulsar bombas en obras publicas. *Para transmisiones en fábricas de papel. *Para impulsar compresores de aire. *Para impulsar sopladores y ventiladores. *Para convertidores de frecuencia. *Como capacitores síncronos. 58

59 En general, los motores síncronos se aplican cuando se requiere velocidad muy baja y potencia superiores a los 50 HP ARRANQUE DE MOTORES SÍNCRONOS La interacción del campo principal del campo principal producido por el rotor y la corriente de la armadura del estator producirá un par promedio neto para accionar el motor síncrono, solo cuando el rotor esté girando a la velocidad n, en sincronismo con la frecuencia de línea f. El arranque del motor síncrono puede efectuarse de diferentes maneras: Reduciendo la velocidad del campo magnético del estator a un valor lo suficientemente bajo como para que el rotor pueda acelerar y fijarse a él durante un semiciclo de la rotación del campo magnético. Esto se puede lograr con la reducción de la frecuencia de la potencia eléctrica aplicada. Se puede utilizar un motor primario externo para acelerar el motor síncrono hasta la velocidad síncrona, pasar por el procedimiento de entrada en sincronía y convertir la máquina al instante en un generador. Entonces, apagar o desconectar el motor principal para convertir la máquina síncrona en un motor y también se puede utilizar devanados de amortiguamiento. Utilizar un devanado amortiguador Alimentar paulatinamente con corriente directa al rotor ARRANQUE POR MEDIO DE REDUCCIÓN DE FRECUENCIA ELECTRICA. Si los campos magnéticos del estator en un motor síncrono giran a una velocidad lo suficientemente baja, no habrá ningún problema para que el rotor se acelere y se enlace con el campo magnético del estator. Por tanto se podría incrementar la velocidad de los campos magnéticos del estator aumentando gradualmente f e hasta su valor normal de 50 o 60 Hz. El problema surge cuando no sabemos de dónde proviene la frecuencia eléctrica variable, esto es debido a que los sistemas de potencia normales están regulados 59

60 rigurosamente a 50 o 60 Hz, por lo que esto tenía que venir de un generador exclusivamente dedicado a ser ese trabajo, aunque esta condición no era totalmente práctica. Actualmente existen los inversores, rectificadores y los ciclo convertidores, que se pueden utilizar para convertir una frecuencia de entrada constante a cualquier frecuencia de salida deseada. Con el desarrollo de estos accionadores es posible controlar la frecuencia nominal. Por tanto si este dispositivo se incluye en el circuito de control del motor entonces lograríamos el arranque de una manera más sencilla, simplemente ajustando la frecuencia a un valor tan bajo para el arranque y luego la elevamos hasta que alcance su frecuencia de operación normal ARRANQUE CON UN MOTOR PRIMARIO EXTERNO En principio el motor se pone a funcionar como si fuera alternador; por medio de un motor auxiliar se lleva a la velocidad nominal, luego se va excitando poco a poco el campo, hasta obtener la tensión igual a la de la línea, donde se desea conectar; en la misma forma la frecuencia y la secuencia de fases; es decir, el alternador se debe llevar a las condiciones de sincronismo, para que una vez cumplidas éstas, se conecte a la red. Estando el alternador operando en paralelo con la red, se desconecta el motor primario de su fuente de alimentación, posteriormente el alternador cambia su funcionamiento y opera como motor síncrono ARRANQUE CON DEVANADOS DE AMORTIGUAMIENTO. Este método de arranque es el más popular. Recibe el nombre de devanado amortiguador porque reduce las oscilaciones que se producen en los procesos transitorios de las máquinas: acoplamiento a la red, vibraciones bruscas de carga eléctrica o mecánica, etc. Los devanados de amortiguamiento son unas barras especiales dispuestas en ranuras labradas en la cara del rotor de un motor 60

61 síncrono y en cortocircuito en cada extremo con un gran anillo en cortocircuito. En la figura 2.11 se muestra las características de este devanado. Barras del devanado amortiguador Anillo de cortocircuito de las barras Devanado del inductor Polo saliente Fig Devanado amortiguador colocado en los polos (jaula de ardilla). El arranque del motor síncrono como si fuera de inducción, tiene una serie de pasos. Primero el estator es energizado, induce una corriente en el devanado amortiguador (de la misma manera como en un motor de inducción.) La mayor parte del par de arranque desarrollado lo origina el devanado amortiguador; las características del par de arranque del motor síncrono están determinadas por el diseño de la jaula. El devanado del campo debe estar en cortocircuito a través de una resistencia de descarga, una corriente alterna es inducida en el circuito de campo. El devanado permanece en cortocircuito cuando se energiza el devanado del estator. El flujo del estator pasara por el entrehierro al núcleo de los polos del rotor, entonces dentro el laminado del soporte de un polo, regresa a través de un polo adyacente y dentro del núcleo del polo. El campo magnético del estator reacción con el campo originado alrededor del los conductores del rotor. El rotor inicia su movimiento hasta lograr una velocidad muy próxima a la de sincronismo, pero nunca podrá hacerlo sin la asistencia del campo de corriente directa. 61

62 La excitación debe ser aplicada a la velocidad correcta y la relación magnética entre los polos magnéticos del rotor adecuado. Si esto es realizado, el rotor entra en sincronismo. El par es ahora suplido por la acción del campo magnético de corriente continua y la del campo magnético rotativo del estator. La jaula que forma el devanado amortiguado se vuelve inactiva. Por supuesto, el cortocircuito en el campo desaparece automáticamente cuando la excitación de corriente directa es aplicada. La excitación del campo debe ser aplicada a una velocidad particular y una posición relativamente crítica entre los polos del campo del rotor y el estator. Una forma de detectar esta información automáticamente es la medición de la frecuencia de la corriente alterna inducida en el campo en cortocircuito. La frecuencia cambia con la velocidad del rotor; un relevador puede responder a la frecuencia del campo adecuado y también al ángulo de fase entre el flujo del estator y del rotor. El relevador de campo recoge la señal a través de un reactor. A la señal apropiada, el relevador ocasiona la apertura del contacto de la resistencia de descarga y cierra los contactos de aplicación del campo. En resumen, si una máquina tiene devanados de amortiguamiento, se puede encender siguiendo el siguiente procedimiento: Desconectar los devanados de campo de su fuente de potencia de C.D., y que estén en cortocircuito. Aplicar un voltaje trifásico al estator del motor y dejar que el motor acelere hasta llegar casi a velocidad síncrona. El motor no debe tener ninguna carga en su eje para que si velocidad se pueda aproximar tanto como sea posible a la velocidad de sincronismo. 62

63 Conectar el circuito de campo de corriente directa a su fuente de potencia. Una vez que esto se lleva a cabo, el motor se fija a velocidad síncrona y se le puede añadir carga a su eje CIRCUITO EQUIVALENTE Ya que el motor síncrono es igual físicamente al generador, las ecuaciones básicas de velocidad, potencia y par son las mismas. La única diferencia es que el sentido de flujo de potencia (y por tanto el sentido de la corriente de carga) es opuesto para el motor. También en el alternador, la tensión en la salida de las terminales (V), es menor que la fuerza electromotriz inducida (E); en cambio en el motor la tensión (V), normalmente es mayor que fuerza contra electromotriz (Ec), salvo en los casos en que el motor está sobre-excitado; por consecuencia se tienen las ecuaciones 2.21 y 2.22 junto con su circuito equivalente representado por la figura (2.21) (2.22) Donde: E c = Fuerza contra electromotriz del motor E r = Caída de tensión debido a la impedancia síncrona (I a Z f ) para la corriente de armadura. V f = Tensión aplicada por fase al motor. Fig Circuito equivalente de un motor síncrono. 63

64 EFECTO DE CARGA DE UN MOTOR SÍNCRONO Los motores electricos, ya sean de corriente directa o alterna, tienen la característica de que, cuando se le aumenta la carga, disminuye la velocidad del motor; esto provoca la disminución de la fuerza contra-electromotriz y el aumento de la corriente demandada. Sin embargo en el motor síncrono, no puede disminuir la velocidad, porque el rotor está sincronizado con el campo magnético giratorio del estator y tiene que girar a velocidad sincrona con cualquier carga; es decir, un polo del rotor y un polo del estator deben girar con la misma velocidad, dicho de otra forma,cuando se agrega una carga a un motor sincrono, el rotor del motor tiende a retardarse ligeramente atrás del campo del estator, pero sigue girando a la misma velocidad. En un motor en vacío los ejes de los dos polos coinciden. En cambio, cuando el motor síncrono tiene carga, el polo del rotor se retrasa, con relación al polo del estator. La velocidad no varía, simplemente hay un desplazamiento en las posiciones relativas de los dos polos, continuando con la misma velocidad. El desplazamiento angular que existe entre los polos del rotor y estator se llama ángulo de par. Sin embargo al aumentar más la carga, el rotor se jalara fuera de sincronización y girara más despacio que la velocidad del estator. Cuando el rotor de un motor síncrono que usa barras amortiguadoras se jala fuera de sincronización, el principio de inducción empieza a operar otra vez y el rotor sigue girando. El rotor, sin embargo, gira a menos de la velocidad síncrona. Si el motor opera por inducción por un largo periodo, se puede seriamente dañar las barras amortiguadoras por el sobrecalentamiento. 64

65 EFECTO DEL INCREMENTO DE CARGA CON DISTINTAS EXCITACIONES El efecto del incremento de carga de un motor síncrono para distintas excitaciones, se demuestra en la figura 2.13., con los diagramas vectoriales. Fig Efecto del incremento de carga en un motor síncrono. 65

66 FACTOR DE POTENCIA El factor de potencia es una medida de eficiencia eléctrica. Un motor síncrono opera a eficiencia máxima cuando se usa la mínima cantidad de corriente necesaria para hacer trabajo. Cuando un motor síncrono opera a eficiencia máxima, la corriente y el voltaje en su estator están en fase entre sí. Esto se llama factor de potencia unitario. Cuando el motor opera a factor de potencia unitario éste opera a su eficiencia máxima. Cuando el rotor está menos excitado. La corriente y el voltaje están fuera de fase. La corriente tenderá a retrasarse con respecto al voltaje, es decir, el ciclo de corriente empieza un poco después que el ciclo del voltaje. Cuando la corriente se retarda del voltaje, el motor es menos eficaz y el factor de potencia disminuido. Cuando la cantidad de corriente directa, fluye por los polos del rotor de un motor síncrono se disminuye, o sea, cuando el rotor se sobreexcita, la eficiencia del motor también disminuye. Cuando el motor está sobreexcitado, la corriente se adelanta al voltaje, el ciclo de corriente comienza antes que el ciclo del voltaje. Cuando la corriente se adelanta al voltaje, en el estator de un motor, el factor de potencia se disminuye otra vez CORRECCIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA. Los motores síncronos tienen la ventaja que, se les puede variar el factor de potencia. En una planta industrial cuyo factor de potencia es bajo, debido a que se tienen motores de inducción y otros dispositivos que operan con factor de potencia atrasado. Para compensar este bajo factor de potencia atrasado, se agregan motores síncronos, calculados para trabajar con factor de potencia unitario y hasta adelantado. Por ejemplo, cuando el motor tiene factor de potencia adelantado de 0.8, genera una potencia reactiva del 60% a plena carga, y un porcentaje aun mayor por debajo de plena carga, manteniendo constante la excitación. 66

67 Su factor de potencia permanece adelantado hasta que el motor alcanza el límite de sobrecarga. Un motor calculado para operar con factor de potencia adelantado, es de mayor costo que uno calculado para factor de potencia unitario y su rendimiento es menor, ya que se incrementa las corrientes del rotor y del estator; sin embargo el par de enganche y de desenganche es mayor. En un sistema eléctrico el bajo factor de potencia y además atrasado es indeseable por las razones siguientes: - Los circuitos de alimentación, transformadores y los alternadores, tienen una capacidad limitada por la intensidad de corriente que pueden suministrar. Esto significa que la potencia activa (KW) que pueden alimentar es directamente proporcional al factor de potencia con el que trabajan. - La regulación de tensión de las líneas de alimentación, transformadores y alternadores es muy gravosa con bajo factor de potencia, que si fuera unitario. Como las pérdidas en las líneas y en el equipo son proporcionales al cuadrado de la corriente multiplicada por la resistencia ( I 2 R) que se tienen en esos elementos; estas pérdidas son más elevadas en un sistema que tiene bajo factor de potencia. Por lo que una corrección de dicho factor contribuye a aumentar la capacidad de alimentación, eleva el rendimiento y en general mejora las características de funcionamiento del sistema. Dentro del sistema eléctrico se pueden tener tres tipos de cargas, siendo las siguientes: Cargas resistivas, Cargas inductivas y Cargas capacitivas. Si estas cargas las situamos en un diagrama vectorial se tendría lo siguiente: 67

68 X L X C Fig Diagrama vectorial de las cargas. La carga resistiva, da origen a potencia activa (KW); la carga inductiva a potencia reactiva inductiva (KVAR I ); la carga capacitiva da origen a la potencia reactiva capacitiva (KVAR C ), estando está última diametralmente opuesta a la inductiva. Como en las plantas industriales, las cargas que predominan son de naturaleza inductiva y resistiva, entonces el diagrama vectorial, se transforma en que se muestra a continuación. KVAR Diagrama vectorial de carga inductiva y resistiva De la figura 2.15 se puede calcular el factor de potencia. (F.P) (2.23) (2.24) Siendo: Z: Impedancia en ohms R: Resistencia en ohms X L : Reactancia inductiva en ohm 68

69 KW: Potencia activa en watts o kilowatts KVAR I : Potencia reactiva inductiva en VAR o KVAR. KVA: Potencia aparente en VA o KVA En el caso anterior el factor de potencia es atrasado, debido a la convención tomada. Si el eje de los KW, es tan en volts; en los KVA, están en amperes; y como los vectores giran en sentido contrario a las manecillas entonces la corriente está atrasada con respecto al voltaje, por lo que el factor de potencia está atrasado. Si deseamos corregir ese factor de potencia, es decir, disminuir la magnitud del ángulo; se necesitaría contrarrestar el vector X L o KVAR I ; y esto se logra por medio de una carga capacitiva como se muestra en la figura Fig.2.16.Forma de corregir el factor de potencia. 69

70 2.5. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA MONOFÁSICOS GENERALIDADES Los motores y generadores trifásicos son por mucho los más utilizados en los grandes establecimientos comerciales e industriales. Sin embargo, en la mayoría de los hogares y pequeñas empresas no se cuentan con sistemas de potencia trifásicos. Es en este tipo de lugares donde los motores monofásicos toman su gran auge. El motor monofásico se utiliza ampliamente en trabajos que requieren motores pequeños de poca fuerza. La ventaja de los motores monofásicos radica en los tamaños, sus bajos costos de fabricación respecto a los otros tipos, además de suprimir la línea trifásica. Los motores monofásicos se utilizan en motores para trabajos ligeros tales como ventiladores, refrigeradores, perforadoras portátiles, pulidoras, máquinas lavaplatos, etc.[6] El problema principal del motor monofásico, radica en que a diferencia de los motores trifásicos, éste no produce campo magnético giratorio. En cambio, el campo magnético producido por una fuente monofásica es estacionario y oscila con el tiempo. Como en los motores monofásicos ya no es tan fácil la creación de un campo giratorio, es necesario recurrir a algún artilugio para que, al menos, en el momento del arranque se pueda producir un par giratorio.[10] Los principios básicos de los motores monofásicos son parecidos a los estudiados en los motores de corriente alterna polifásicos. Se emplea extensamente el principio de inducción debido a la simplicidad del rotor y debido a que subsana los inconvenientes de la conmutación. Existen diferentes técnicas para producir el campo magnético giratorio que se requiere para que el arranque del motor monofásico. Es por esto que se puede 70

71 realizar una clasificación de los motores monofásicos, el cual se muestra a continuación en la figura Fig Árbol genealógico de los motores monofásico De acuerdo a lo anterior podemos ir desglosando cada unas de las características de los motores monofásicos MOTORES MONOFÁSICOS DE INDUCCIÓN Debido a que un motor monofásico de inducción no tiene par de arranque intrínseco. Existen técnicas para arrancar estos motores monofásicos de inducción, que se clasifican de acuerdo a al diagrama anterior referente a los motores de inducción monofásicos (Fig.2.3.1). Estas técnicas de arranque difieren del costo y en la cantidad de par producido. Estas técnicas de arranque son métodos para lograr que uno de los dos campos magnéticos giratorios sea más fuerte que el otro en el motor y, en consecuencia, dar a éste un apoyo inicial en una u otra dirección MOTOR DE FASE PARTIDA. Fueron de los primeros motores monofásicos usados en la industria y aún permanece su aplicación en forma popular. Estos motores se usan en máquinas: 71

72 máquinas herramientas, ventiladores, bombas, lavadoras, secadoras y una gran variedad de aplicaciones.[8] Como la potencia comercial que ordinariamente llega a los hogares es c-a monofásica, debe contarse con algún medio, ya sea en el circuito eléctrico del hogar o en el motor, para obtener dos fases provenientes de la potencia monofásica original, si se desea usar para poner en marcha y hacer que funcione un motor de c-a. El proceso de obtener dos fases en una se conoce como división de fase. Generalmente el medio para dividir la corriente alterna monofásica en dos fases se encuentra dentro del circuito del estator del motor de corriente alterna. Una vez que se ha dividido apropiadamente la fase, se pueden usar las dos fases obtenidas para originar el campo magnético rotatorio. El motor de fase partida, tiene dos pares de bobinas, conectadas en paralelo. Un par llamado bobinado de arranque o auxiliar, está arrollado con pocas vueltas de alambre fino, dándole las características eléctricas de alta resistencia y reactancia inductiva baja. La resistencia es alta por que se ha usado alambre fino, y la reactancia inductiva es baja por el bajo número de vueltas del alambre. El otro par de bobinas se llama bobinado de trabajo o principal. Ésta arrollado con muchas vueltas de alambre grueso lo que le da baja resistencia y reactancia inductiva alta el circuito equivalente del motor de fase partida se muestra en la figura 2.18 [16]. Fig Motor de fase partida. 72

73 Cuando se energizan ambos pares de bobinas, la corriente en los bobinados de trabajo, es más lenta que la corriente en el bobinado de arranque, esto es por motivo de las diferencias en la reactancia inductiva de los bobinados. Estas diferencias crean un cambio de fase en la corriente. Como resultado, el campo magnético alrededor de cada bobina del bobinado de trabajo se intensifica más tarde que el campo alrededor de cada bobina del bobinado de arranque. Con las bobinas ubicadas en el estator. Con las bobinas ubicadas en el estator, el campo magnético gira alrededor del interior del estator.[16] INTERRUPTOR CENTRIFUGO Como el bobinado de arranque tiene alta resistencia, se recalentará a medida que el motor trabaja. Si el bobinado de arranque es energizado por demasiado tiempo, podría recalentarse lo suficiente como para quemar el motor. Por lo tanto, es preferible desconectar el bobinado de arranque del circuito de energía del motor una vez que el motor haya alcanzado velocidad de operación. El campo magnético alterno del bobinado de trabajo es suficiente para mantener el rotor girando una vez que ha arrancado.[16] El método más común para desconectar un bobinado de arranque es por medio de un interruptor centrífugo. El interruptor viene montado en el eje del motor y está formado por contrapesos y un juego de contactos. Los contactos están cerrados hasta que el motor alcanza cierta velocidad. Al arrancar, el eje gira lentamente. Los contrapesos permanecen junto al eje y los contactos permanecen cerrados. Cuando la velocidad del eje alcanza cierto valor, existe fuerza centrifuga suficiente como para separar a los contrapesos del eje. Esta acción hace que los contactos se abran. [16] 73

74 RELÉ CORTACORRIENTE Otro método de desconectar un bobinado de arranque es por medio de un relé de corriente. El electroimán está conectado en serie con la fuente de energía del motor y los contactos están conectados en serie con el bobinado de arranque. Un relé cortacorriente opera bajo el principio de que la cantidad de corriente usada por el motor es mucho mayor al principio que cuando el motor alcanza velocidad. El alto flujo inicial de corriente por la bobina produce un campo magnético que mantiene juntos a los contactos. Cuando estos contactos están cerrados el bobinado de arranque es energizado. Cuando la corriente disminuye a medida que el motor alcanza velocidad, el campo magnético se debilita y los contactos se abren. Por lo tanto, el bobinado de arranque se desconecta del circuito.[16] Para entender la razón por la cual la corriente es mayor cuando un motor arranca que cuando alcanza velocidad, es necesario entender el voltaje efectivo. El voltaje efectivo es el voltaje que existe en el estator en cualquier momento. Es una combinación de tres voltajes diferentes: 1) el voltaje aplicado, que viene de la fuente de energía; 2) el voltaje que viene de la inductancia del estator, que se opone al voltaje aplicado; y 3) el voltaje inducido en el estator por el campo magnético del rotor, que ayuda al voltaje aplicado. Estos tres voltajes forman un voltaje efectivo que causa que la corriente fluya en el estator. [16] MOTORES DE ARRANQUE CON CAPACITOR. Este tipo de motores es similar en su construcción al de fase partida, excepto que se conecta un capacitor en serie con el devanado de arranque y el switch centrífugo. El capacitor (condensador), permite tener un mayor par de arranque, debido a que la corriente en el devanado de arranque que es liberada por el capacitor, se adelanta al voltaje en el devanado de trabajo, esta diferencia entre las corrientes en las bobinas produce un campo magnético rotativo haciendo que el rotor gire, obteniendo de esta manera un desplazamiento angular mayor 74

75 entre los devanados. Cuando el motor alcanza cierta velocidad, un interruptor centrifugo o relé cortacorriente desconecta el capacitor y el bobinado de arranque. [16] Los motores de fase partida de arranque con capacitor, son lo que se requieren el menor mantenimiento de todos los tipos de motores monofásicos, pero tienen un par de arranque muy bajo, lo que hace que no sean adecuados para algunas aplicaciones y su circuito equivalente se muestra en la figura Fig Diagrama de un motor de arranque con capacitor MOTOR DE FASE PARTIDA CON CAPACITOR PERMANENTE. Los motores de fase partida con capacitor permanente, usan un capacitor conectado en serie con los devanados de arranque y de trabajo. El capacitor crea un retraso en el devanado de arranque, el cual es necesario para arrancar el motor y para accionar la carga.[8] El capacitor de arranque mejora tanto la característica par-velocidad de un motor de inducción que a veces se deja permanentemente un devanado auxiliar con un pequeño capacitor en el circuito del motor. Si se elige de manera adecuada el valor del capacitor, este motor tendrá un campo magnético giratorio perfectamente uniforme dada cierta carga específica y se comportara como un motor de inducción trifásico.[10] 75

76 El motor con capacitor permanente es más sencillo que el motor de capacitor de arranque, puesto que no requiere de un interruptor de arranque. Es por eso que estos motores no pueden arrancar y accionar cargas que requieren un alto par de arranque, debido a que los capacitores deben tener el tamaño adecuado para equilibrar las corrientes en los devanados principales y auxiliares, solo con cargas normales es más eficiente y tienen un factor de potencia más alto y un par más suave que los motores de inducción ordinarios y su circuito equivalente se ilustra en la figura 2.20 [8]. Fig Diagrama de un motor de fase partida con capacitor permanente MOTOR POLO SOMBREADO. Este tipo de motores es usado en casos específicos, como el de accionamientos de ventiladores o sopladores, que tienen requerimientos de potencia muy bajos, su simplicidad para construcción, su confiabilidad y su robustez, además de su bajo costo son algunas de las ventajas que tienen estos tipos de motores.[8] A diferencia de otros motores monofásicos de CA, los motores de polo sombreados no requieren de partes auxiliares (capacitores, escobillas, conmutadores, etc.) o partes móviles (switches centrífugos). 76

77 Un motor de inducción de polos sombreados es un motor de inducción que solo tiene devanado principal. En lugar de tener un devanado auxiliar, tiene polos salientes y una porción de cada polo está rodeada de una bobina en cortocircuito llamada bobina de sombra.[10] Fig Diagrama de un motor de polo sombreado En la figura 2.21, se muestra un motor de polo sombreado simplificado. Existen dos piezas polares principales, cada una con un aro (generalmente de cobre) llamado bobina sombreada. Cada pieza polar principal está envuelta por un bobinado. Cada bobina sombreada crea un campo magnético que está separado del campo magnético alrededor del resto de su pieza polar. Las diferencias en estos campos magnéticos producen un campo magnético que, en efecto, pasa a través de las piezas polares. Cuando se aplica voltaje al bobinado alrededor de cada pieza polar, la corriente alterna fluye por el bobinado, creando un campo magnético. La bobina sombreada que está alrededor de un extremo de la pieza polar está expuesta a este campo magnético cambiante, así que se induce voltaje en la bobina sombreada. Como cada bobina sombreada es un circuito completo, la corriente fluye por la bobina sombreada, produciendo un campo magnético separado alrededor de la bobina.[16] 77

78 A medida que la corriente que fluye por los bobinados aumenta durante la primera parte del ciclo de corriente alterna, el campo magnético de cada bobina sombreada elimina parte del campo magnético de los bobinados. La corriente que fluye por la bobina por causa de inducción crea un campo magnético que inicialmente se opone al campo de los bobinados. El campo magnético entre las piezas polares ahora se concentra entre las partes más grandes de las piezas polares.[16] Cuando la corriente alcanza su valor máximo, el flujo de corriente causado por la inducción en la bobina sombreada alcanza cero. El campo magnético ya no se opone en la zona de la bobina sombreada. Las líneas magnéticas de flujo son distribuidas uniformemente entre las piezas polares, incluyendo la zona alrededor de la bobina sombreada. El campo magnético entre las piezas polares ha cambiado como resultado del cambio en la dirección del campo magnético. La corriente disminuye, el campo magnético alrededor de cada pieza polar también disminuye. Este cambio magnético cambiante induce voltaje otra vez, lo que hace que fluya corriente en las bobinas sombreadas. El campo magnético de cada bobina sombreada se opone a la disminución en el campo magnético de cada pieza polar. Cuando la corriente en la línea es cero, todavía hay un campo magnético alrededor de la bobina sombreada, y las líneas magnéticas fluyen entre las bobinas. El campo magnético entre las piezas polares cambia otra vez. A medida que la corriente alterna continua, el campo magnético entre las piezas polares continúa cambiando. El resultado es un campo magnético que, en efecto, pasa a través de la superficie de las piezas polares. En un motor real, este movimiento del campo magnético induce un voltaje en el rotor, y eso resulta en un campo magnético en el rotor. El campo magnético entre las piezas polares y el campo magnético en el rotor se combinan, haciendo que el rotor se mueva en la misma dirección que el campo magnético entre las piezas polares. Esto significa 78

79 que el rotor en un motor de polo sombreado siempre gira hacia las bobinas sombreadas; la dirección de giro de un campo magnético determina la dirección en que girará el rotor [16] MOTORES DE DOS CONDENSADORES Los motores con dos capacitores se llaman motores de capacitor de arranque y capacitor de marcha o de capacitor de dos valores. Estos motores son utilizados cuando se requiere un mayor par de arranque. Debido a que el motor de fase partida permanente con condensador presenta un inconveniente particularmente serio, a saber, su pequeño par de arranque. Cuando las condiciones de arranque no son severas, esta desventaja no tiene consecuencias, pero cuando se precisan pares de arranque elevados, esta desventaja puede ser resaltada. El motor de dos condensadores combina el funcionamiento silencioso y el limitado control de la velocidad de un motor de fase partida permanente con condensador, con el elevado par de arranque del motor de arranque por condensador; éstos se utilizan solo para arrancar el motor. Uno es de capacidad alta que sólo está presente en el circuito durante el arranque, cuando asegura que las corrientes en los devanados auxiliares y principal estén aproximadamente equilibradas, lo que produce un par de arranque muy alto. [17] Cuando el motor acelera, se abre el interruptor centrifugo y se queda solo el capacitor permanente en el circuito del devanado auxiliar; este capacitor es lo suficientemente grande como para equilibrar las corrientes con cargas de motor normales, por lo que el motor opera de manera eficiente con un alto par y un alto factor de potencia. El capacitor permanente de un motor como éste es por lo regular de 10 o 20% del tamaño de arranque y el circuito equivalente se muestra en la figura 2.22 [10]. 79

80 Fig Diagrama de motor de dos condensadores MOTORES DE INDUCCIÓN POR ROTOR DEVANADO. En el estudio de los motores de corriente alterna, hasta ahora hemos tratado los motores de inducción de jaula, a continuación nos enfocaremos en los motores clasificados como motores de repulsión, entre este tipo de motores figura el motor de repulsión ordinario, que se ponen en marcha y funciona por la llamada repulsión magnética; el motor de inducción que se pone en marcha por repulsión, arranca por repulsión magnética y convierte luego su operación a motor de inducción monofásica; finalmente, el motor repulsión-inducción que se pone en marcha por repulsión magnética y opera como una combinación de repulsióninducción MOTOR DE REPULSIÓN El estator de un motor de repulsión, laminado con devanado distribuido, es igual que el de un motor de inducción en que las ranuras están distribuidas uniformemente en la periferia del estator, en la figura 2.23, se muestra el diagrama de un motor de repulsión. El devanado también es un devanado bi, tetra o hexapolar standard distribuido alrededor del estator para originar los polos necesarios. No se utilizan devanados auxiliares o partidos. La estructura del 80

81 estator de un motor de un motor de repulsión es, por consiguiente idéntica y, por tanto, intercambiable con el estator de cualquier motor de inducción monofásico.[17][12] Diagrama de un motor de repulsión El rotor de un motor de repulsión, es una armadura devanada en tambor que tiene conmutador y escobillas, es muy similar al inducido de corriente continua standard, ordinariamente con devanado imbricado con uno o más pares de escobillas según los pares de polos para lo que se devana el estator. Sin embargo, estas escobillas están cortocircuitadas y el portaescobillas puede girar para variar la posición de las escobillas con respecto al eje polar. Para mayor simplicidad, el inducido del rotor de repulsión se representa como un devanado de anillo de gramme, forma primitiva de devanado imbricado. [17][12] Las características de funcionamiento del motor de repulsión son muy parecidas a las de un motor de serie c-c. Tiene un alto par de arranque y puede funcionar a velocidades relativamente altas bajo cargas ligeras. Para producir la inversión, se desplaza la posición de las escobillas al lado opuesto del plano neutro. El motor de repulsión siempre gira en la misma dirección en que se desplazan las escobillas con respecto al plano neutro. 81

82 Los motores de repulsión, a diferencia de los diversos motores de inducción monofásicos, es capaz de funcionar a velocidades bastante superiores a la velocidad síncrona con cargas ligeras y bastante inferiores a la velocidad síncrona con cargas fuertes. Su característica par-velocidad, es muy parecida a la de un motor serie. Y esto se debe a que es, efectivamente, un motor serie acoplado inductivamente, en el que la corriente de inducido es suministrada por acoplamiento magnético en lugar de por acoplamiento directo conductivo [17]. El motor de repulsión práctico, no requiere desplazamiento de escobillas debido a que el efecto ha sido producido por el flujo resultante de los devanados estatóricos. Si se desea invertir el sentido rotacional, ello se conseguirá fácilmente invirtiendo las conexiones de cualquiera de las dos excitaciones con respecto a la otra [17]. Algunos motores de repulsión comerciales, denominados motores de escobillas desplazables, se fabrican con una palanca conectada al portaescobillas; estos motores presentan amplios márgenes de variación de la velocidad y un control suave, sin brusquedades de la misma, alcanzando hasta seis veces la velocidad nominal con las escobillas en el ángulo del par máximo hasta velocidad cero en el neutro flexible para una determinada carga [17]. VENTAJAS DEL MOTOR DE REPULSIÓN Versatilidad. Excelente par de arranque. Reducida corriente de arranque. Rotor independiente del estator. 82

83 DESVENTAJAS DEL MOTOR DE REPULSIÓN Ruidoso. Regulación de velocidad pobre. Mantenimiento periódico del colector MOTOR DE INDUCCIÓN DE ARRANQUE POR REPULSIÓN. El motor de inducción de arranque por repulsión se pone a funcionar igual que un motor de repulsión ordinario, pero cuando se aproxima a la velocidad normal de funcionamiento se convierte y funciona como un motor de inducción monofásico con rotor devanado. La conversión tiene lugar cuando un dispositivo especial que funciona centrífugamente y llamado conectador en corto, hace contacto con la carga interna del conmutador. El conectador en corto es un anillo conductor que une los segmentos del conmutador, y así, desvía todo el flujo de corriente de las escobillas. En este punto, se origina un sistema ordinario de campo magnético rotatorio y el rotor gira según esta acción. Existen dos clases de motores de inducción por arranque por repulsión: el tipo de escobillas conectadas y el de escobillas desconectadas. En el tipo de escobillas conectadas, éstas se mantienen en contacto con el conmutador aun después de que se ha activado el dispositivo de conexión en corto y el motor funciona como si fuera de inducción. En el tipo de escobillas desconectadas, un mecanismo en el motor levanta las escobillas del conmutador cuando se activa la conexión en cortocircuito. Esta acción evita que se desgaste las escobillas y el conmutador cuando el motor funciona como motor normal de inducción. En los tamaños de potencias enteras, el motor de inducción de arranque por repulsión monofásico se continúa fabricando debido a: Elevado par de arranque Reducida corriente de arranque 83

84 Capacidad de acelerar una carga fuerte más rápidamente que los motores con condensador doble de gran capacitancia. En motores de potencia fraccional, el motor de inducción de arranque por repulsión ha sido sustituido casi por completo por los motores de inducción de arranque por condensador y de condensador doble. Las razones para ello son: Los motores de inducción de arranque por repulsión exigen mayor mantenimiento del colector y de los dispositivos mecánicos. No se invierten fácilmente Son más caros para la misma potencia nominal Producen mucho ruido durante el arranque El chisporroteo del colector origina interferencia de radio y televisión MOTOR DE INDUCCIÓN-REPULSIÓN El motor de inducción- repulsión es un motor que combina las características del motor de repulsión con las del motor de inducción. El motor de inducción-repulsión arranca con un principio de operación y cuando casi alcanza su velocidad, cambia a otro tipo de operación. Se desarrollan fuerzas torsionales muy altas durante el arranque, por la repulsión entre el polo magnético en la armadura y el mismo tipo de polo en el campo adyacente del devanado del estator [17]. La fuerza de repulsión es controlada y cambiada, de manera que la velocidad rotacional de la armadura se incrementa rápidamente y, si no es retenida, podría continuar incrementándose más allá de su velocidad práctica de operación. Para su control, se usa un switch mecánico que acciona por velocidad y hace que la armadura actúe como un rotor, el cual tiene eléctricamente el mismo comportamiento de un rotor en un motor monofásico de inducción [8]. 84

85 El estator de este tipo de motor se construye de forma similar al de un motor de fase partida o de arranque con capacitor. En éste casi, solo hay un devanado de trabajo o de campo montado en el interior. Se tiene en los extremos una especie de campana para mantener la armadura y al eje en posición para conservar las chumaceras [8]. La armadura consiste de muchas bobinas separadas, conectadas a los segmentos del conmutador. Montados en el otro extremo de la armadura se tienen contrapesos gobernadores que mueven o empujan a unas varillas que pasan a través del núcleo de la armadura; estas varillas empujan contra un anillo en cortocircuito montado sobre el eje del conmutador en el extremo de la armadura [8]. Básicamente, el motor arranca como un motor de repulsión sobre su característica de repulsión produciendo un par de alrededor de tres o cuatro veces el par nominal. Al acelerar el rotor, la frecuencia del rotor y la reactancia del devanado de jaula de baja resistencia disminuye y por el circula más corriente. A la carga nominal, el motor funcionará aproximadamente a la velocidad de sincronismo, y, puesto que el devanado del rotor no corta flujo, en él no se induce corriente. A cargas inferiores a la nominal el motor de repulsión tiende a acelerarse a lo largo de las líneas de su característica de repulsión [17]. El motor de inducción repulsión monofásico presenta las ventajas de: Elevado par de arranque. Regulación de velocidad bastante buena La capacidad de continuar desarrollando par bajo la aplicación de bruscas y fuertes cargas sin inestabilidad. Los motores de inducción-repulsión se aplican donde se requiere arrancar cargas pesadas sin demandar demasiada corriente. Se fabrican de ½ HP hasta 20 85

86 HP y se aplican con cargas típicas como: compresores de aire grandes, equipo de refrigeración, etcétera MOTORES MONOFÁSICOS SÍNCRONOS Los otros dos tipos de motores (de reluctancia y de histéresis) se ocupan en ciertas aplicaciones especiales. Estos motores difieren de los descritos anteriormente en la construcción del rotor, pero utilizan el mismo diseño de estator. Al igual que los motores de inducción se pueden construir con estatores monofásicos o trifásicos MOTOR DE RELUCTANCIA Un motor de reluctancia es un motor síncrono de potencia fraccionaria que tiene un tipo especial de rotor magnético de jaula de ardilla. En el motor de reluctancia, se hacen ranuras especiales en un rotor de jaula de ardilla, que por lo demás, es del tipo común. Estas ranuras sirven entonces para devanar polos salientes de hierro dulce que corresponden al número de polos en el estator. Al igual que un motor síncrono normal, no tiene un par de arranque y no puede encenderse solo [12]. El motor de reluctancia depende del par de reluctancia para operar. El par de reluctancia es el par inducido en un objeto de hierro en presencia de un campo magnético externo, que provoca que el objeto se alinee con el campo magnético externo. Este par se presenta debido a que el campo externo induce un campo magnético interno en el objeto de hierro y el par aparece entre los dos campos, haciendo que el objeto gire hasta que se alinee con el campo externo. Para que se produzca un par de reluctancia en un objeto, se debe extender a lo largo de los ejes en ángulos que correspondan con los ángulos de los polos adyacentes del campo magnético externo [10]. 86

87 Se puede construir un motor de reluctancia de autoarranque que opere a velocidad síncrona hasta que se exceda su par de reluctancia por medio de la modificación del rotor de un motor de inducción MOTOR DE HISTÉRESIS Este motor utiliza el fenómeno de histéresis para producir un par mecánico. El rotor de un motor de histéresis es un cilindro liso de material magnético sin dientes, protuberancias ni devanados. El estator del motor puede ser monofásico o trifásico; pero si es monofásico, se debe usar un capacitor permanente con un devanado auxiliar para suministrar un campo magnético tan uniforme como sea posible, puesto que esto reduce en gran medida las pérdidas del motor [10]. Cuando se le aplica una corriente trifásica (o monofásica con devanado auxiliar) al estator del motor, aparece un campo magnético giratorio dentro de la máquina. Este campo giratorio magnetiza el metal del rotor e induce polos dentro de él, este es el principio de operación básica del motor de histéresis. [10] Cuando el motor opera por debajo de la velocidad síncrona, hay dos fuentes de par dentro de él. La mayoría del par lo produce la histéresis. Cuando el campo magnético del estator barre alrededor de la superficie del rotor, el flujo del rotor no lo puede seguir exactamente puesto que el metal del rotor tiene una gran pérdida por histéresis. Mientras más grande sea la pérdida intrínseca por histéresis del material del rotor, mayor será el ángulo por el que el campo magnético del rotor estará en retraso con el campo magnético del estator. Puesto que los campos magnéticos del estator y del rotor tienen diferentes ángulos, se producirá un par finito en el motor. Cuando el motor llega a velocidad síncrona, el flujo del estator deja de barrer a través del rotor y éste actúa como imán permanente. Entonces, el par inducido en el motor es proporcional al ángulo entre el campo magnético del rotor y del estator, hasta un ángulo máximo delimitado por la histéresis en el rotor [10]. 87

88 Puesto que el par de un motor de histéresis a cualquier velocidad subsíncrona es mayor que su par síncrono máximo el motor de histéresis puede acelerar con cualquier carga que pueda soportar durante la operación normal MOTORES DE USO ESPECIALES En los temas anteriores se han tratado dos clases principales de máquinas de corriente alterna (síncronas y de inducción). Sin embargo, existen máquinas que tienen el mismo principio de operación básico pero que son de aplicaciones especiales. En este apartado se trataran otro tipo de máquinas y combinaciones de las mismas que, aun cuando verifican también similares conversiones de energía, son de naturaleza y aplicaciones especiales. Aunque no se tiene la intención de profundizar en este tipo de máquinas, sino más bien se presentaran los principios básicos de operación de algunas de ellas, sobre todo de las que se utilizan ampliamente en aplicaciones en el hogar, recreativas e industriales MOTORES DE IMANES PERMANENTES Los motores de imanes permanentes son motores eléctricos cuyo funcionamiento se base en imanes permanentes. Utilizando imanes permanentes en lugar de bobinas de campo, elimina la desventaja de seguir utilizando bobinas de campo y una corriente en el campo para producir el flujo. El resultado de utilizar imanes permanentes es que el motor es más pequeño y más eficiente [28]. El desarrollo de nuevos materiales para imanes permanentes ha convertido los motores tipo PM (Permanent Magnet) es un buen sustituto de los motores shunt (cc). En un motor tipo PM los polos están construidos con imanes permanentes, como se muestra en la figura 2.24 junto con su circuito equivalente. 88

89 a) b) Fig a) Circuito equivalente b) Corte transversal de un motor ) tipo PM Si bien se han construido motores de CC de imanes permanentes de hasta 75 HP, la aplicación principal de esos imanes se limita, por razones económicas, a motores de fracciones de caballo de fuerza. En un motor de CC convencional con circuito del devanado de campo, el flujo por polo depende de la corriente a través del devanado de campo y puede ser controlado. Sin embargo, el flujo en un motor tipo PM es esencialmente constante y depende del punto de operación [28]. Para la misma potencia de salida, un motor tipo PM es más eficiente y requiere menos material que un motor de CC devanado con las mismas especificaciones. No obstante, el diseño de un motor tipo PM debe ser tal que el efecto de desmagnetización debido a la reacción de la armadura, que es máximo en reposo, sea tan pequeño como lo permita la economía. Como el flujo de un motor tipo PM es fijo, las características velocidad par y corriente par son básicamente líneas rectas. Las características de velocidad par de un motor tipo PM puede controlarse cambiando el voltaje de suministro o la resistencia efectiva del circuito de la armadura. El cambio en el voltaje de suministro modifica la velocidad sin carga del motor sin afectar la pendiente de la característica. Así, para diferentes voltajes de suministro puede obtenerse un conjunto de características paralelas velocidad par. Por otro lado, con el cambio en la resistencia efectiva del circuito de la armadura, la pendiente de la curva está controlada y la velocidad sin carga del motor permanece sin cambio. 89

90 Utilizando imanes con densidades de flujo diferentes y las mismas áreas trasversales, o viceversa, hay posibilidades de diseño casi infinitas para un motor tipo PM para condiciones de operación específicas. El punto de operación de un imán permanente depende de la permeancia del circuito magnético MOTOR PASO A PASO Es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un convertidor digital- analógica y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas lógicos, en la figura 2.25 se muestra el diagrama de conexión de un motor paso a paso [32]. Fig Diagrama de conexión de un motor paso a paso. Estator: La cavidad fija en la que van depositadas una serie de bobinas, las cuales, excitadas convenientemente, crean un campo magnético giratorio. Rotor: Parte móvil fabricada con un imán permanente o una pieza dentada de material magnético con polaridad constante [13]. 90

91 El rotor va montado sobre un eje, que soportado por dos cojinetes, gira libremente en el interior en el interior del estator. Excitando las bobinas del estator de forma adecuada se crean los polos magnéticos N-S; en respuesta a dicho campo el rotor seguirá el movimiento con sus respectivos polos, produciéndose el giro. [13] Este motor presenta las ventajas de tener alta precisión y repetibilidad en cuanto al posicionamiento. Entre sus principales aplicaciones destacan como motor de frecuencia variable, motor de corriente continua sin escobillas, servomotores y motores controlados digitalmente. Existen 3 tipos fundamentales de motores paso a paso: el motor de reluctancia variable, el motor de magnetización permanente y el motor paso a paso hibrido MOTOR PASO A PASO DE RELUCTANCIA VARIABLE El motor de reluctancia variable hace referencia a un motor eléctrico del tipo paso a paso, cuyo funcionamiento se basa en la reluctancia variable mediante un rotor dentado en hierro dulce que tiende a alinearse con los polos bobinados del estator. Se pueden conseguir pasos muy pequeños. Ya que el rotor no dispone de un magneto permanente éste gira libremente, es decir, que no tiene torque de detención. A pesar de que la relación del torque a la inercia es buena, el torque dado para un tamaño de armazón dado es restringido, por lo tanto, tamaños pequeños tamaños de armazones son generalmente usados y los mismos raramente varían para aplicaciones industriales. Este tipo de motores tiene un rotor multipolar de hierro y un estator devanado laminado, y rota cuando los dientes del rotor son atraídos a los dientes del estator electromagnéticamente energizados. La inercia del rotor de un motor de paso de reluctancia variable es pequeña y la respuesta es muy rápida, pero la inercia permitida de la carga es pequeña. Cuando los devanados no están energizados, el par estático de este tipo de motor es cero. Generalmente, el paso angular de este motor de paso de reluctancia variable es de 15 [32]. 91

92 El par del rotor se desarrolla como resultado de que éste se mueve hacia aquella posición en la cual se reduce al mínimo la reluctancia. Son los más simples de controlar. La secuencia de control que mueve el motor se reduce a alimentar las bobinas secuencialmente MOTOR DE PASO A PASO DE IMANES PERMANENTES Un motor de magnetización permanente es un tipo de motor eléctrico del tipo paso a paso. Se le conoce también como PMSM (permanent magnet synchronous motor) y se muestra en la figura 2.26 una vista seccional de este tipo de motores. Son extensivamente utilizados en servomotores, accionamientos eléctricos para posicionamiento, robótica, máquinas-herramienta, ascensores, etc. Estos tipos son ampliamente usados para aplicaciones no industriales. En su forma más simple, el motor consiste en un rotor magneto permanentemente magnetizado radial y un estator similar al motor de reluctancia variable. Debido a las técnicas de manufactura usadas en la construcción del estator, los mismo se conocen a veces como motores de polo de uñas [27]. Fig Vista seccional de un motor de imanes permanentes. 92

93 MOTOR PASO A PASO HIBRIDO Es un motor del tipo paso a paso cuyo funcionamiento se basa en la combinación de los otros dos tipos de motores paso a paso, el motor de reluctancia variable y el motor de magnetización permanente. El rotor suele estar constituido por anillos de acero dulce dentado en un número ligeramente distinto al del estator y dichos anillos montados sobre un imán permanente dispuesto axialmente. El tipo Hibrido es probablemente el más usado de todos los motores de paso a paso. Originalmente fue desarrollado como un motor de imanes permanentes síncrono de baja velocidad, su construcción es una combinación de los diseños del último y de reluctancia variable. El motor hibrido consiste en un estator dentado y un rotor de tres partes (apilado simple). El rotor de apilado simple contiene dos piezas de polos separados por un magneto permanente magnetizado, con los dientes opuestos desplazados en una mitad de un salto de diente para permitir una alta resolución de pasos. 93

94 CAPITULO III MOTORES LINEALES 3.1. INTRODUCCIÓN La historia de motor eléctrico lineal se remonta al año 1840, por el trabajo de Charles Wheatstone del colegio King en Londres, aunque el modelo de Wheatstone era demasiado ineficiente para la práctica. Tiempo después un motor de inducción lineal fue patentado en 1905 por el inventor Alfred Zehden de Frankfurt am-main, para la conducción de trenes. El ingeniero alemán Hermann Kemper construyó otro modelo en Después en 1940 el profesor Eric Laithwaite del Colegio Imperial en Londres desarrolló el primer modelo completo. En su diseño, y en el diseño de más baja aceleración, la fuerza es producida por el movimiento lineal del campo magnético actuando en conductores en el campo. Cualquier conductor, puede ser enlazado o una bobina o simplemente una placa de metal, localizada en éste campo tendrán corrientes enrolladas inducidas en él de esta manera crea un campo magnético opuesto. Los dos campos de oposición se repelerán el uno a otro, de esta manera el conductor se mantendrá lejos del estator y llevándolo a lo largo del movimiento del campo magnético [19]. En la década de los 80 s, el ingeniero Británico Hugh - Peter Kelly diseñó el primer motor tubular de tipo lineal adjuntando imanes permanentes sellados en un cilindro de acero inoxidable. Los Motores lineales tubulares son más resistentes que los primeros de cama plana y los motores lineales de canales en U permitiendo ser utilizados en ambientes industriales sucios como envases de alimentos y máquinas herramientas. Tal como un motor eléctrico rotatorio que produce movimiento rotacional, un motor eléctrico de tipo lineal produce movimiento lineal, o un movimiento en línea recta. Si observamos, encontraremos numerosos ejemplos de motores eléctricos 94

95 rotatorios que son utilizados para producir movimiento lineal, por ejemplo en la apertura de una puerta de garaje o en grúas. Los motores rotatorios son también usados para producir movimiento de atrás y adelante [20]. El utilizar motores lineales para aplicaciones requieren movimiento en línea recta y esto elimina los engranes y otros mecanismos, con los beneficios agregados y fiabilidad. Cabe mencionar que un motor lineal no es necesariamente la mejor opción para todas las aplicaciones que envuelven movimientos lineales. Aunque en el siglo pasado los motores lineales estaban en un status de infancia, una de las razones por las cuales el desarrollo de los motores lineales no tuvo tanto auge es que los entrehierros eran muy largos y la baja eficiencia. [20] 3.2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Los motores lineales son máquinas particulares impulsoras cuya fuerza de accionamiento es lineal y no circular como en los demás motores eléctricos. [21] La explicación habitual de lo que es un motor lineal es que se trata de un motor rotatorio desenrollado del estator es decir, que se ha cortado por uno de sus radios y se ha estirado hasta dejarlo plano, para en lugar de producir un torque, produce una fuerza lineal a lo largo. [22] Hablando de un modo más preciso, un motor lineal consiste en un elemento primario, donde se encuentra los devanados, y un elemento secundario que se extiende a lo largo de la distancia que se va a recorrer, aportando como ventaja la posibilidad de poder disponer de varios primarios sobre un mismo secundario. Al igual que en el caso de los motores rotatorios, pueden existir modelos síncronos y asíncronos. [22] 95

96 Para comprender cómo se pueden cumplir las condiciones de funcionamiento de la máquina se definirán sus dos partes principales: primario y secundario. El primario o parte activa es el componente que se desplaza y contiene el devanado generador de flujo magnético, encargado de inducir el voltaje requerido para realizar el movimiento deseado. El secundario es la parte pasiva, llamada así porque toda la energía con que cuenta es transferida desde el primario; corresponde a la pista por donde el vehículo se mueve. En el motor lineal se alimenta con una corriente trifásica que circula por el devanado trifásico del inductor origina un campo magnético que se mueve en línea recta, el cual origina a su vez fuertes corrientes parásitas en el inducido. Según la regla de Lenz, el sentido de éstas es tal, que frenan el movimiento del campo magnético. [21] En el motor lineal, el campo móvil del inductor y las corrientes parásitas en el inducido dan lugar a una fuerza en la dirección de dicho campo móvil. Si el inductor es fijo y el inducido móvil, como por ejemplo en el transporte de chapas, el inducido se mueve arrastrado por el campo móvil. Si, por el contrario, el inductor es móvil y el inducido fijo, como en el caso del accionamiento de un carro de grúa, el inductor se mueve en sentido contrario a su propio campo móvil. Cualquiera de los dos elementos de un motor lineal, según sea fijo o móvil, puede actuar como estator o como rotor. En el motor lineal, el inductor puede actuar como estator o como rotor. [21] 3.3. CONSTRUCCIÓN Como se ha mencionado, el diseño de un motor lineal, es en base a un motor de tipo rotatorio que se ha desenrollado para que en lugar de producir un torque rotacional éste produzca una fuerza de tipo lineal. Éste tipo de motores consisten en un elemento primario donde se encuentran los devanados, y un elemento secundario que se extiende a lo largo 96

97 de la distancia que se va a recorrer. También existen otros factores que son determinantes en la construcción de un motor lineal, y los cuales trataremos brevemente de describir debido a la importancia que desempeñan. El diseño del estator, el cual es una de las partes más importantes en el motor lineal, consiste de una estructura línea serpenteante y dientes de engranajes montados en una misma línea serpenteante. La estructura de la línea serpenteante es construida con actuadores dimorfos organizados en una línea, estos actuadores están manejados por dos conjuntos por etapas de corriente alterna, para generar un viaje de ondas. El viaje de ondas es transferido a los dientes de engranajes para que el transporte o el rotor en éste caso sean impulsados por el campo magnético generado [23]. La construcción del devanado primario se basa en la misma teoría para la conexión de los estatores de máquinas rotatorias como se muestra en la figura 3.1. El aislamiento de las bobinas se realizó arrollándolas completamente con cinta de fibra de vidrio. Luego de aislarse, se instalaron en el núcleo utilizando separadores ajustados a las ranuras con silicona. [24] Fig.3.1. Diagrama de conexión del devanado primario VELOCIDAD La velocidad se puede obtener haciendo que un vehículo se desplace entre un par de puntos sobre una pista e instalando un sensor óptico para medir la posición. Así nos puede dar como resultado la curva en la cual nos mostrará uno de sus recorridos, desde el momento en que prácticamente está a velocidad 97

98 máxima positiva, luego cuando se detiene y cambiar su sentido de giro, hasta que casi encuentra su máximo de velocidad negativa. [24] POTENCIA MECÁNICA Su medida implica la medición de la velocidad instantánea y la fuerza mecánica que la produce. Debido a que no se puede determinar de forma teórica se tiene que recurrir a pruebas experimentales para poder llegar a la determinación de la potencia mecánica. Es por tal razón que se recurre a tomar aproximaciones a partir de datos tomados en algunas pruebas [24] POTENCIA ELÉCTRICA Para su cálculo se toman en cuenta las lecturas de voltaje y corrientes entregadas por el variador de velocidad que alimenta el motor, adicionalmente se puede determinar el factor de potencia empleado empleando la ecuación 3.1: (3.1) En la ec. 3.1., R 1 es medida utilizando el método tensión-corriente, y X 1 a partir de las relaciones fasoriales que resultan cuando se miden los voltajes en un circuito serie, conformado por la reactancia a medir, una impedancia conocida y una fuente senoidal dada. Ya conociendo estos valores, se utiliza la siguiente ecuación para encontrar la potencia eléctrica. [24].V 1.I 1.FP [W] (3.2) EL ENTREHIERRO DE UN MOTOR LINEAL Un entrehierro de un ancho específico es necesario entre el deslizador de bobina y el imán. Si el entrehierro adecuado no es proporcionado, la fuerza de los cambios del motor podría dañarlo, es por esto que se recomienda un aumento de éste para garantizar la seguridad [25]. 98

99 CONSIDERACIÓN DE ATRACCIÓN MAGNÉTICA Entre el deslizador de bobina y el imán, la atracción magnética es aproximadamente tres veces tan poderosa como la fuerza máxima ejercida por el motor. Esta fuerza es constante y es ejercida aun cuando la potencia del motor está apagada EFECTOS DE PENETRACIÓN Cuando un campo pasa por dentro del inducido en movimiento, el campo sufre una deformación que se traduce en un aplanamiento de las líneas de fuerza, que a la vez corresponde a una reducción del campo magnético tal como se muestra en la figura 3.2. [26] Fig. 3.2 Distribución de las líneas de fuerza del campo magnético dentro del entrehierro de un motor lineal, en función del deslizamiento. Con deslizamientos elevados el efecto es más pronunciado. [26] INDUCCIÓN MÁXIMA EN EL ENTREHIERRO Al flujo senoidal le corresponde una inducción máxima en el entrehierro, liso y sin canales de ventilación, que se calcula a partir de dos flujos, uno real y otro ideal de la onda senoidal ficticia capaz de inducir la misma f.e.m. El problema en el entrehierro es que debido a que los motores lineales poseen un entrehierro demasiado largo, por lo tanto, la excitación necesaria para 99

100 estos motores será mayoritariamente para vencer la reluctancia magnética del entrehierro, es por esto que debemos considerar siempre un factor de saturación próximo a 1. [26] CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL INDUCTOR El devanado debe estar constituido como mínimo, por 5 pares de polos, para que el comportamiento que tenga la máquina pueda ser considerado como aceptable. La elección del devanado es un aspecto delicado dentro del diseño del motor. Se tienen en cuenta dos posibles consideraciones, es decir, dos tipos de devanados desde un punto de vista constructivo. Devanado continuo entre amos estatores Devanado independiente, igual en ambos estatores. La ubicación de los conductores en las ranuras, dada la morfología lineal de los bloques, en principio debería ser mucho más sencilla que para el caso de un motor de tipo rotativo. Para el devanado continuo existe una complicación adicional porque éste devanado se cierra entre los dos bloques estatóricos. La dificultad de construir unas cabezas de bobina entre estatores es excesiva por la interferencia con el rotor. Para el devanado independiente, resulta más sencilla la ubicación de los conductores, ya que en éste caso los hilos no deben cruzar la lámina carril para formar las cabezas de bobina entre estatores. Esto facilita el trabajo y disminuye las horas empleadas en la construcción. 100

101 De acuerdo con el punto de vista eléctrico, el primero de los devanados es el de mejores prestaciones eléctricas. La continuidad del devanado da como resultado una mayor y mejor distribución de las fuerzas en el entrehierro, así como un mayor rendimiento frente a la segunda opción. Además las cabezas de bobina podrían ser muy cortas con lo que baja la resistencia del conjunto. [25] CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL INDUCIDO El elemento del inducido queda reducido a una lámina conductora continua que carece de conductores singulares, y que, bajo un campo alterno, se comporta como un material diamagnético por encontrarse polos opuestos a ambos lados de dicha lámina. En cuanto a los materiales que se pueden utilizar hay dos posibilidades: acero inoxidable austenítico (no ferromagnético) y aluminio. El cobre y el latón no suelen emplearse por sus mediocres propiedades mecánicas, de mecanizado y disponibilidad en el mercado con los perfiles adecuados. El aluminio por su mayor conductibilidad eléctrica, su mayor poder de disipación de calor frente al acero inoxidable y el aspecto económico resulta más económico que éste, haciendo del aluminio una de las mejores opciones en la construcción de motores lineales. [25] Y desde el punto de vista eléctrico interesa que la lámina de aluminio sea lo más gruesa posible para disminuir las pérdidas por efecto Joule, y que cubra toda la superficie del inductor o estator y además abarque también las cabezas de bobina estatóricas. Y desde el punto de vista magnético también interesa que la lámina sea lo más delgada posible para disminuir el entrehierro, ya que así aumentamos el rendimiento de la máquina. [25] 101

102 REFRIGERACIÓN DEL INDUCTOR. Es importante calcular el incremento de temperatura que sufrirá el inductor, por efecto Joule, durante los cortos periodos de prueba que no dan tiempo a una disipación apreciable del calor desarrollado, ya que se emplea prácticamente toda esta energía en elevar la temperatura de los conductores. El inductor se refrigera por convección natural y por el propio deslizamiento de la máquina respecto al aire, ya que los tiempos de funcionamiento de la máquina hace que no sea necesario una refrigeración forzada, al trabajar en régimen adiabático. Para el caso de una necesidad de refrigeración mayor, se puede acoplar perfectamente unos ventiladores en los estatores. [25] MOTOR DE INDUCCIÓN LINEAL El motor de inducción lineal (LIM, por sus siglas en inglés, linear induction motor) es básicamente un motor de jaula de ardilla abierto plana, el cual en lugar de producir un par de rotación de una máquina cilíndrica, éste produce una fuerza lineal en un plano. [27] Los Motores de inducción lineal no son una nueva tecnología, sino que simplemente el diseño es de una forma diferente. Solo la forma en que se produce el movimiento es el que cambia. Pero hay ventajas; no hay partes móviles, un funcionamiento silencioso, mantenimiento reducido, tamaño compacto, facilidad de control e instalación. [27] Tenemos en primer lugar un motor de inducción de jaula de ardilla. 102

103 A continuación lo abrimos a modo que la resulte una superficie plana. A continuación colocamos un rotor de barras lisas en una hoja conductor. A continuación aplicamos corriente Alterna. Y finalmente obtenemos un LIM Con 2 estatores podemos quitar la placa de reacción de hierro. Fig.3.3. Diagramas de evolución de un motor rotativo a un motor lineal Tal como se muestra en la Fig. 3.3., el LIM es esencialmente un motor circular abierto. El campo magnético, en lugar de la rotación, ahora se extiende por toda la cara plana del motor. Cuando se suministra una tensión de CA al devanado primario de un motor de inducción lineal trifásico, se produce una onda de campo magnético con las corrientes inducidas en el secundario ejerce un empuje sobre éste para moverlo en la misma dirección si el primario se mantiene estacionario. Por otro lado, si el lado secundario es estacionario y el primario tiene libertad de movimiento, éste se moverá en la dirección opuesta a la del campo magnético. Si queremos revertir el viaje de una onda de campo magnético simplemente intercambiamos 2 de las fases del estator. [27] La placa de reacción es el equivalente al rotor. Éste suele ser un conductor de hoja de aluminio o cobre, respaldado por el acero, pero cualquiera de estos puede utilizarse independientemente. 103

104 Las corrientes inducidas en la placa de reacción por el estator viajan sobre todo el terreno hasta crear un segundo campo magnético. Esta reacción entre estos dos campos es la que producen el empuje lineal. [27] Las velocidades de los LIMs varían de cero a muchos metros por segundo y están determinadas por el diseño y el suministro frecuencia. La velocidad pueden ser controladas, ya sea por simple o sistemas complejos. Los LIM s se construyen con devanados polifásicos de polos múltiples distribuidos, colocados en las ranuras de un estator plano laminado. Cuando se excitan los devanados, por un voltaje polifásico de frecuencia f, una onda de flujo magnético espacial en el entrehierro se propaga a lo largo de todo el estator a una velocidad de deslizamiento ecuación 3.3 v=2fp (3.3) Donde: p es el paso polar. f es la frecuencia. El rotor consiste en una lámina de aluminio o de cobre, la cual es impulsada por el campo con una velocidad de deslizamiento, para obtener el empuje requerido. [28] Los LIM s son de dos caras, con dos estatores que cubren y operan sobre un solo rotor, o de una sola cara, con la lámina que constituye el rotor apoyada por la acción de una trayectoria magnética de retorno, móvil o estacionaria. La densidad de la fuerza magnética normal a la superficie del estator es considerable en comparación con la densidad de la fuerza tangencial que mueve al rotor, lo cual exige que el estator éste bien asegurado mecánicamente, con el fin de mantener constantes las distancias de entrehierro sobre la superficie del estator. 104

105 La densidad típica de la fuerza tangencial es alrededor de 3 lb/in 2, para devanados enfriados por aire, en donde la densidad de la fuerza normal es poco más o menos de 30 lb/in 2. Vale la pena señalar que la velocidad no depende del número de polos, pero si del paso polar y la frecuencia de alimentación del estator. A medida que el flujo se mueve de forma lineal, arrastra la placa del rotor junto con él en la misma dirección. Sin embargo, muchas aplicaciones, el rotor está parado, mientras se mueve el estator. Ejemplo de esto son los trenes de alta velocidad, que utilizan la levitación magnética, el rotor está compuesto de una placa gruesa de aluminio que se fija al suelo y se extiende sobre toda la longitud de la pista. El LIM hace una unidad ideal de velocidad variable. Se comporta como un embrague magnético y da una acción de arranque suave. La velocidad máxima es determinada por el diseño y la frecuencia de suministro, pero la velocidad de carga puede ser controlada de varias maneras. De encendido/ apagado para control de bucle cerrado del inversor. Los LIMs requieren una señal de retroalimentación de velocidad. Esto por lo general, deriva de un codificador incremental o Tacogenerador 3. El tipo de inversor se limita a uno que puede ser configurado de manera especial para conducir un LIM CIRCUITO EQUIVALENTE Siguiendo un proceso causa-efecto se puede comenzar por la energía eléctrica de entrada. Como se muestra en la figura 3.4., una parte de ésta se gasta para alimentar las pérdidas resistivas del devanado (R1) y el resto es transformado en energía magnética en la reactancia (X1). Esta energía es transferida al secundario y se puede tratar como la caída de tensión en una reactancia (Xm), la cual depende del entrehierro del motor, convirtiéndose ésta en 3 Los tacogeneradores sirven, en un sistema de regulación de velocidad, de registro de la velocidad actual, creando una tensión proporcional a la velocidad. 105

106 la pérdida más grande para los motores lineales. La poca energía que alcanza el secundario es utilizada para generar corriente sobre la lámina de aluminio, es decir, se produce otra pérdida resistiva (R2). La energía que aún queda es utilizada para realizar trabajo mecánico: alimentar el movimiento, la fricción y otro tipo de pérdidas llamadas misceláneas [24]. R 1 X 1 a 2 R 2 X m a 2 R 2 (1-d)/d Fig.3.4. Circuito equivalente de un motor de inducción lineal Para representar la resistencia del secundario se utiliza un artificio matemático que la divide en dos partes: una representa la pérdida exclusiva en el aluminio (R 2 ), constante; la otra corresponde a la fracción de potencia eléctrica convertida en potencia mecánica, ésta depende de la velocidad de la máquina. Para finalizar, se refiere la resistencia de secundario al primario; en éste caso la relación de transformación, a, cuenta con un número equivalente de vueltas del devanado primario a una única vuelta que se supone se forma en el secundario. El circuito eléctrico equivalente se realizó con el fin de obtener un modelo del motor de inducción lineal, el cual permite predecir el comportamiento de la máquina real y observar la influencia de la variación de parámetros electromecánicos en su funcionamiento [24]. 106

107 PROPIEDADES DE UN MOTOR DE INDUCCIÓN LINEAL Las propiedades de un motor de inducción lineal son casi idénticas a las de una máquina rotatoria estándar. Por consiguiente, las ecuaciones para deslizamiento, impulso, potencia, etc., también son iguales, con sus pequeñas variantes, en un motor de inducción lineal la velocidad angular se convierte en velocidad lineal, y el par, en empuje. A fin de mantener un empuje constante (fuerza) a lo largo de una distancia considerable, un lado se mantiene más corto que el otro. Velocidad síncrona. (3.4) Donde f es la frecuencia de operación del suministro. También se puede expresarse en términos del paso polar τ como sigue: (3.5) En ambas ecuaciones indican que la velocidad síncrona es independiente del número de polos en el devanado primario. Además, el número de polos no debe ser necesariamente un número par [21]. Deslizamiento. El deslizamiento está definido por Donde: s= deslizamiento v s = velocidad lineal síncrona (m/s) v= velocidad del rotor (o estator) (m/s) (3.6) Flujo de potencia activa. De acuerdo con la figura, la potencia activa fluye a través de un motor lineal del mismo modo que a través de un motor rotatorio, excepto que el estator y el rotor son planos [21]. 107

108 En consecuencia, las ecuaciones siguientes son válidas para ambos tipos de máquinas: (3.7) (3.8) (3.9) Impulso. El impulso o fuerza desarrollada por un motor de inducción lineal está dado por (3.10) Donde: F= impulso (N) P r =potencia transmitida al rotor (W) V s = velocidad síncrona lineal CARACTERÍSTICAS DE PAR VELOCIDAD. La característica velocidad par de un motor de inducción convencional equivale a la característica velocidad empuje de un motor de inducción lineal. La velocidad de un motor de inducción lineal disminuye rápidamente con el incremento del empuje. Por ello, es frecuente que estos motores operen con deslizamiento bajo, lo cual conduce a una eficiencia relativamente baja. [28] EFECTOS DE EXTREMO Un motor de inducción lineal provoca un fenómeno conocido como efecto de extremo a causa de su construcción de extremos abiertos. Esos efectos se clasifican en estáticos y dinámicos. [28] El efecto extremo estático ocurre debido a la geometría asimétrica del primario. En éste caso, las inductancias mutuas de los devanados de fase no son iguales entre sí. Esto ocasiona la distribución asimétrica del flujo en la región del entrehierro y da lugar a voltajes inducidos desiguales en los devanados de fase. 108

109 El efecto de extremo dinámico ocurre como resultado del movimiento relativo del lado primario respecto al secundario. A medida que el primario se mueve sobre el secundario, en cada instante un nuevo conductor secundario abandona el borde posterior del primario. El conductor que llega bajo el borde delantero se opone al flujo magnético en el entrehierro, en tanto que el conductor que abandona el borde posterior trata de sostener el flujo. Por tanto, la distribución del flujo se distorsiona. Es más débil en la región del borde delantero en comparación con la región del borde posterior. Aun más, el conductor que deja el borde posterior, a pesar de que todavía conduce la corriente y contribuye a las pérdidas, no contribuye al empuje. En consecuencia, las pérdidas incrementadas en el secundario reducen la eficiencia del motor. [28] MOTOR SÍNCRONO LINEAL Un motor síncrono lineal (LSM, por sus siglas en inglés, linear synchronous motor) es un dispositivo en el cual el movimiento mecánico esta en sincronismo con el campo magnético, la velocidad mecánica es la misma que la velocidad del campo magnético. El empuje puede ser generado como una acción de: El viaje del campo magnético producido por una corriente alterna de devanado polifásico y una formación de polos magnéticos (Norte - Sur... Norte - Sur) Campo magnético producido por la conmutación electrónica de los devanados de C.D. y una formación de polos magnéticos (Norte - Sur... Norte - Sur). 109

110 Fig.3.5. Sucesión de polos norte y sur que empujan y tiran de un vehículo hacia adelante La parte que produce el viaje del campo magnético es llamada armadura, la parte que proporciona el flujo magnético es llamada sistema de excitación de campo. Los términos primarios y secundarios deberían preferentemente ser evitados, porque son solo justificados para motores lineales de inducción o para los transformadores. La operación de un motor síncrono lineal no depende de cual parte es movible o cual es estacionaria [29]. La construcción del circuito magnético y eléctrico de los motores síncronos lineales pertenecientes a ambos grupos es el mismo. En los motores sin escobillas de corriente directa con imanes permanentes la información acerca de la posición del movimiento es usualmente proporcionada por un sensor absoluto de posición. Este control corresponde a una conmutación electrónica, equivalente a la conmutación mecánica en motores de corriente directa. Por tanto, motores con corrientes de ondas cuadradas (trapezoidales) son llamados motores sin escobillas de corriente directa. En lugar de corriente directa o excitación a los polos permanentes, la diferencia entre la reluctancia y el viaje del campo magnético, puede generar la componente de reluctancia del empuje. Como también diferentes reluctancias pueden ser creadas debido a polos ferromagneticos salientes, usando materiales ferromagnéticos y no ferromagnéticos. 110

111 En el caso de motores lineales síncronos operando en el principio de el viaje del campo magnético, la velocidad v, de la parte móvil es igual a la velocidad de sincronismo v s, del viaje del campo magnético y depende solo de la frecuencia de entrada f, y el paso polar τ. No depende en el número de polos 2p y se relacionan mediante la ecuación 3.11 (3.11) El devanado de armadura polifásica puede ser distribuido en ranuras, distribuidas uniformemente en la ranura inferior de la superficie del núcleo de armadura, hechas en la forma de bobinas de parámetro concentradas o hechas como una capa de un devanado sin núcleo. El valor máximo de línea de la densidad de corriente de armadura o la carga eléctrica especifica está definida como el número de conductores en todas las fases 2m 1 N 1 el pico de la corriente de armadura 2I a divida por la longitud de la armadura 2p, esto se expresa conjuntamente en la ec (3.12) Donde m 1 es el número de fases, N 1 es el número de vueltas por fase, I a es la corriente de armadura por fase, p es el número de polos pares. Los motores síncronos lineales utilizan un producto de alta energía para el caso de imanes permanentes, para producir grandes densidades de empuje y de baja pérdida de potencia de salida. Estos motores se han encontrado en usos que requieren orientación guiada, la posición o velocidad de respuesta en ausencia de engranes mecánicos y vínculos. Las desventajas de los motores síncronos lineales es que son relativamente caros y tienen campos magnéticos errantes en las configuraciones de una sola cara. Los Motores Síncronos Lineales se han desarrollado fundamentalmente para la automatización de fábricas. Las replicas de las topologías de los motores 111

112 síncronos lineales en su contraparte rotatoria en el sentido de que el motor puede tener la superficie de imanes permanentes, o en el interior imanes permanentes y tres fases o 2 fases del devanado de armadura con núcleo de hierro o con núcleo de aire [20]. Sin embargo, hay más libertad en la elección de la topología y podemos tener configuraciones de una sola cara plana, de doble cara o tubular. Además podemos tener un estator primario largo con un pequeño motor de imanes permanentes o un pequeño motor primario y un imán permanente largo primario de doble lado como se muestra en la figura 3.6 [20]. Primario del LSM Secundario del LSM Riel Fig.3.6. Motor síncrono lineal de imanes permanentes de primario largo de doble cara Imanes permanentes Bobinas de armadura Fig.3.7. Motor síncrono lineal tubular La configuración de este último se ve favorecida en un largo viaje en metro donde la topología tubular como la que se muestra en la figura 3.7., es la más 112

113 adecuada. Para viajes debajo del orden de 0.1 m debería utilizar motores lineales híbridos o solenoides lineales. Si bien las topologías planas son obligatorias para los viajes por encima de 0.5 m., por motor teniendo problemas y limitaciones de desplazamiento radial, la configuración tubular tiene fuerzas radiales similares a las máquinas rotatorias. Configuraciones de caras planas puede ser más fácil para construir e instalar pero los campos perdidos de la mayor parte (ya sea la armadura o la excitación de los imanes permanentes) no puede ser aceptable, debido a la compatibilidad electromagnética o a razones de seguridad [20]. Con respecto a excitadores de imanes permanentes, también se han propuesto tanto excitadores externos de imanes permanentes tubulares o configuraciones planas de una sola cara. Como muchas aplicaciones, el motor (el componente corto) puede contener solo dos polos, y especialmente por las configuraciones planas, es por eso que el análisis de tres dimensiones es necesario. Separando las variables en los enfoques analíticos se puede aplicar con el fin de obtener la distribución de flujo en un motor síncrono lineal FUERZAS Típicamente un motor síncrono lineal con una configuración de una sola cara como se muestra en la figura 3.8., produce una fuerza a través de tres dimensiones. Llamamos a la fuerza a lo largo de la dirección del movimiento F x, como empuje; F y, la fuerza normal y F z la fuerza lateral. En general F x, es usada para propulsión. F n puede ser usada para la suspensión parcial de un movimiento de un cuerpo más la carga en masa, 113

114 mientras F z puede servir para la orientación desde que es cero, cuando el desplazamiento lateral es cero. [20] Fig.3.8. Fuerzas a lo largo de un eje de un motor síncrono lineal de una sola cara. La fuerza normal descompensada F y debería ser considerada para el diseño mecánico del motor síncrono lineal, en particular relacionados con el ruido, la vibración y el diseño de rodamiento lineal. Fig.3.9. Fuerzas a lo largo de un eje de un motor síncrono lineal de doble cara En configuraciones de doble cara, idealmente F y es cero pero aun incluso las pequeñas excentricidades pueden causar importantes fuerzas normales descompensadas. Todas estas fuerzas ocurren debido a los campos de los imanes permanentes, incluso con corrientes en los devanados nulas. El impulso debe estar compuesto por los tres componentes fundamentales. F x, el empuje que interacciona entre los campos de los imanes permanentes y la armadura [20]. 114

115 EL MODELO d-q 4 Como un motor rotativo síncrono de imanes permanentes, el motor lineal síncrono también puede ser controlado por corriente senoidal y rectangular. Con los imanes permanentes en la superficie o en el interior de los excitadores en configuraciones planas y tubulares. Está implícito que el número de ranuras por polo por fase en devanado de armadura q, es mejor o igual a 2 para ofrecer una distribución espacial de la armadura con todos los (dos o tres) fases de la realización en todo momento [20]. Aunque es posible, para casos especiales, calcular el estado constante de un motor síncrono lineal y desempeño dinámico directamente a través de el método de elemento finito, parece más práctico corregir expresiones analíticas de los parámetros del modelo d-q por el método de elemento finito 5 que producido por factores de corrección. Si se utiliza el método de elementos finitos, las inductancias de magnetización L md y L mq deberían ser calculadas considerando solo el entrehierro fundamental de la distribución de densidad de flujo a lo largo de la dirección x como el método d-q implícitamente exige tal distribución. En consecuencia, también el efecto final puede ser longitudinal de aproximadamente agrupados en expresiones L d y L q, como las obtenidas a partir de cálculos de distribución de campo [20]. 4 El modelo d-q, se basa en la transformación de Park, ésta reduce el modelo en una ecuación diferencial y elimina las características periódicas de las señales. El objetivo consiste en convertir los valores trifásicos abc, variables senoidalmente en el tiempo, a valores constantes dq0, en régimen permanente. Para análisis transitorios, la maquina síncrona idealizada está representada por un grupo de circuitos magnéticos acoplados con inductancias las cuales dependen de la posición angular. 5 Es una técnica numérica para encontrar soluciones aproximadas de ecuaciones diferenciales parciales, así como de las ecuaciones integrales. El enfoque de solución se basa tanto en la eliminación de la ecuación diferencial. 115

116 Los circuitos equivalentes para ejes d-q son mostrados en la siguiente figura 3.10., donde: R s es la resistencia de armadura por fase, i es la corriente y V el voltaje respectivamente, u es la velocidad lineal Fig Circuito equivalente de un motor síncrono lineal La resistencia del estator de pérdidas de núcleo R core ha sido agregada. Ésta actúa sobre la entrada de voltaje (en paralelo) y así es dependiente del flujo de vinculación y la frecuencia es bastante baja. El diagrama fasorial valido para estado estacionario y transitorio se indica en la figura Fig El Diagrama fasorial 116

117 3.5. DIFERENCIAS ENTRE UN MOTOR LINEAL Y UN MOTOR ROTATIVO. El motor lineal se diferencia del motor rotativo por los siguientes puntos fundamentales: Una forma de visualizar un motor lineal es desenrollar un motor rotatorio. Cortando y desenrollando el estator abriríamos más posibilidades para modificar los circuitos magnéticos y eléctricos del motor. Por ejemplo, un motor tubular lo podemos obtener desenrollando y re enrollando de nuevo en la misma dirección del movimiento. La mayor diferencia es que un motor lineal tiene un principio y un fin en la dirección del movimiento, lo cual no se puede considerar en un motor rotatorio. Otras diferencias entre un motor rotatorio y un motor lineal, es el entrehierro relativamente grande, el cual es inherente en la construcción de un motor lineal. El entrehierro de un motor rotatorio debe ser tan pequeño como sea posible para obtener un buen circuito magnético. Un entrehierro grande produce un efecto indeseable en el funcionamiento de los motores lineales, pero este un motor conocido como el motor síncrono lineal con devanados superconductores. La mayoría de los motores lineales de inducción no tienen barras o bobinas conductoras como su equivalente rotatorio, en el rotor. El miembro en movimiento de un motor lineal por lo regular es una placada conductora solida o laminada. Otra característica no común en los motores rotatorios, es que el secundario o el rotor, invariablemente es más ancho que el núcleo del primario, esta característica de los motores lineales especialmente en los motores lineales de inducción, resultan en efectos puntas transversales, lo cual afecta significativamente el funcionamiento del motor. Existe una fuerza perpendicular a la dirección del movimiento. Esta fuerza llamada fuerza, puede ser de atracción o de repulsión. Las fuerzas normales en un motor rotatorio se balancean fuera del motor, sobre su 117

118 superficie alrededor del entrehierro. A menos que el rotor este excéntrico, un motor rotatorio no tiene una fuerza normal neta. 3.6 TOPOLOGÍAS DE UN MOTOR LINEAL Una manera de visualizar un motor lineal es desenrollando un motor rotatorio como se ilustra en la figura Alternadamente, si cortamos el estator de un motor de inducción en dos mitades y los aplastamos, obtendremos el estator de un motor de doble cara plana (double-sided flat motor). Si ponemos una placa metálica plana entre la mitad del estator, tendremos un motor de inducción lineal de doble cara, etc. Cortando y desenrollando el estator abre muchas posibilidades para modificar el circuito eléctrico y magnético del motor [20]. Fig.3.12 Transformación topológica del motor de inducción rotativo en un motor lineal plano. Para doblar la f.m.m. se puede disponer de un segundo inductor al otro lado del rotor (fig.3.14). Si el inducido tiene hierro como en la figura 3.13, es necesaria menos f.m.m. para obtener fuerzas importantes, pero aparecen unos esfuerzos significativos de reluctancia en el sentido transversal al avance del inducido. Esto complica mucho el guiado mecánico de éste. Una buena solución para evitar estos esfuerzos es utilizar un inducido en forma de lámina conductora y sin hierro, para que solo aparezcan esfuerzos de repulsión. 118

119 Fig Motor lineal de inducción plano de simple inductor con una lamina conductora solida como inducido con material ferromagnético para disminuir la reluctancia magnética. Fig Motor lineal de inducción plano, de doble inductor, y una lamina conductora solida como inducido. Si sustituimos el inducido de tipo macizo, o lamina conductora, por un inducido que sea fluido como se muestra en la figura 3.15., y a la vez conductor de la electricidad con una conductividad u, debemos introducir éste fluido dentro de un recipiente para conseguir una conducción controlada. Las paredes del recipiente no deberán ser conductoras de la electricidad ni de material ferromagnetico (con una h p y una h muy baja). En algunas aplicaciones puede ser interesante que éstas paredes resistan elevadas presiones o temperaturas. El inducido ha de sobresalir del paquete inductor para permitir el retorno de las corrientes inducidas a modo de cabeza de bobina del inducido. Estas protuberancias, que dependen del entrehierro y del paso polar, deben diseñarse con el criterio de densidad de corriente rotórica uniforme en toda la lámina rotórica. Fig Motor lineal de inducción plano de doble inductor con fluido conductor como inducido. 119

120 Otra ejecución del motor lineal consiste en arrollar de nuevo la versión plana anterior alrededor de un eje paralelo a la dirección del movimiento rectilíneo según pone de manifiesto la figura 3.16 Esta forma soluciona de raíz la problemática de las cabezas de bobina en el inducido, ya que las corrientes se cierran sobre sí mismas. Fig Transformación topológica de un motor de inducción rotativo en un motor lineal tubular. La flecha significa el sentido del campo magnético. Fig Motor lineal trifásico. En el caso de un motor lineal trifásico de la figura 3.17., el devanado está formado por bobinas toroidales alojadas en ranuras radiales, una por bobina, practicadas en el interior de un tubo de material magnético. Conectando las bobinas a un sistema trifásico de forma que sean recorridas sucesivamente por corrientes de sentido inverso, en el interior del tubo se tendrá un campo alternativo deslizante a lo largo del eje del tubo. Si en el interior de éste tubo colocamos un anillo conductor, las corrientes inducidas bajo la acción del campo magnético darán origen a fuerzas electromagnéticas que tenderán a desplazarlo axialmente. Como podemos comprobar hay diferentes topologías de máquinas lineales tubulares, como los que se muestran en las figuras 3.18, 3.19 y

121 Fig Motor lineal tubular de simple inductor con cilindro inductor solido como inducido y con cilindro externo de material ferromagnetico para disminuir la reluctancia magnética. Fig Motor lineal tubular de simple inductor construido con chapas magnéticas usando paquetes de chapas en paralelo para disminuir la reluctancia magnética. Aparece fuerza de reluctancia lateral que ha de ser compensada por el sistema de guiado. Fig Motor lineal tubular de construcción en cruz de planchas paralelas con inductor unilateral externo construido con chapas magnéticas y un inducido en forma rectangular solido relleno de alambres de hierro, para disminuir la reluctancia magnética. 121

122 En otras topologías como las de la figura 3.21 y 3.22., se ha sustituido el inducido de tipo macizo, o lamina conductora, por un inducido que sea fluido conductor de la electricidad, introducido dentro de un recipiente para realizar una conducción controlada. Fig Motor lineal tubular con un fluido conductor como inducido. Fig Motor lineal tubular de doble inductor con un fluido conductor como inducido. Todas estas topologías de motores lineales pueden tener diferentes prestaciones modificando los tipos de devanados eléctricos utilizando, pasos polares, números de fases, etc., en la figura 3.23 se muestra la evolución de un motor lineal rotatorio hasta las posibles configuraciones lineales. 122

123 Fig Evolución de un motor lineal de inducción monofásico rotativo plano y en un motor lineal tubular. a) motor monofásico de jaula de ardilla, b) motor monofásico con rotor de copa, c) motor lineal monofásico con inducido plano, d) Motor lineal tubular monofásico,e) motor lineal tubular monofásico con espira de sombra. Poder conseguir el motor lineal tubular monofásico con espira de sombra es una simplificación constructiva muy importante. Esto no se encuentra en la literatura especializada sobre el tema, pero parece lógico que pueda conseguirse como se ha indicado. Así se simplificaría notablemente la alimentación eléctrica especialmente en el caso de querer aumentar la frecuencia VENTAJAS DE UN MOTOR LINEAL Por muy fino que se hile en el proceso de sintonía de los accionamientos, el valor limitado de la rigidez junto con la existencia de posibles holguras en la 123

124 transmisión mecánica restringe el uso de husillos a bolas hasta una longitud de unos 6m, una velocidad de unos 60 mts/min, y una aceleración de hasta 1 g 6 en el mejor de los casos. Por el contrario, las aplicaciones con motores lineales eliminan los elementos de transmisión mecánica que, debido a su elasticidad, hacen que los accionamientos se comporten con una naturaleza oscilatoria. La transmisión de la fuerza se realiza ahora directamente por el campo magnético. Todo ello proporciona una serie de ventajas sobre los accionamientos tradicionales basados en transmisiones mecánicas: Mayores valores de velocidad, pudiendo llegar hasta 300 m/min. Mayores valores de aceleración, lo que es muchas veces más importante que el valor de la velocidad máxima para reducir los tiempos de mecanizado. Los valores típicos andan en torno a 1 ó 2 g, o incluso más. Mayor ancho de banda del sistema de accionamiento y mayores valores del factor Kv, que dan una idea de la rapidez y calidad de respuesta del eje. El sistema es más preciso cuando se desplaza a altas velocidades, por lo que la calidad de la interpolación así como la velocidad y precisión en aplicaciones de contorneado se incrementan notablemente Reducción de los niveles de vibración sin comprometer el grado de prestaciones Los motores lineales se pueden utilizar en entornos peligrosos. 6 La constante g, hace referencia a la aceleración gravitacional g= 9.81m/s

125 3.8. DESVENTAJAS DE UN MOTOR LINEAL Por otro lado como era de esperarse, no son todas virtudes. El uso de motores lineales presenta una serie de inconvenientes. Una de los problemas de motores lineales es la necesidad de disipación del calor que se genera, por lo que es necesario disponer de un sistema eficiente de refrigeración y/o aislamiento térmico de los accionamientos para que puedan operar con precisión. Si los motores no se refrigeran adecuadamente, las dilataciones térmicas conducidas al resto de elementos de la máquina pueden comprometer su nivel de precisión y prestaciones. Todo ello incrementa el coste de las soluciones basadas en motores lineales. La no existencia de elementos de transmisión mecánica que amortigüen los cambios de carga repentinos o cualquier otro tipo de perturbación mecánica, hace que esta tarea tenga que realizarla el controlador electrónico, por lo que éste tiene que ser extremadamente rápido para mantener la estabilidad. Es habitual emplear técnicas de filtrado sofisticadas que evitan las resonancias mecánicas cuando los motores se utilizan en condiciones dinámicas exigentes APLICACIONES Los motores lineales han sido sugeridos por un sin número de aplicaciones donde el movimiento lineal y el espacio es esencial. Han sido considerados para diferentes usos como armas, desde las actuales municiones perforantes, tienden a consistir en pequeñas rondas de muy alta energía cinética, en los cuales estos motores son los más adecuados. Muchas montañas rusas, utilizan motores de inducción lineal para impulsar el tren a gran velocidad, como una alternativa el uso de un ascensor. La Armada de los Estados Unidos, también está utilizando los motores lineales de inducción electromagnética en el sistema de lanzamiento de aeronaves, que sustituirán a tradicionales catapultas de vapor. También han sido propuestos para su utilización en la propulsión de vehículos espaciales como el mostrado en la figura 3.24 [31]. 125

126 Fig Pruebas realizadas en la NASA con motores lineales Para aplicaciones con Maglev 7, existen básicamente las configuraciones de motores lineales de inducción y motores lineales síncronos. El motor lineal de inducción de estator corto y el motor lineal síncrono de estator largo. Por el contrario, el motor de inducción lineal de estator largo utiliza un devanado de armadura en el riel creando el viaje de una onda, y una corta distancia de reacción en el vehículo. Así mismo, el motor lineal síncrono de estator corto con un devanado de armadura en el vehículo de la creación de la onda, y devanados discretos distribuidos a lo largo del carril-guía, el problema con los motores síncronos lineales es que tiene una estructura complicada que es difícil para negociar con el perfil de la ruta de un sistema de transporte, y es económicamente inviable. El inductor de tipo motor síncrono lineal también ha sido considerado por muchos investigadores, pero el aumento de peso de los vehículos y la complejidad de la estructura ferroviaria hace de éste sistema poco práctico para los sistemas comerciales [30]. 7 Maglev o transporte de levitación magnética, es un sistema de transporte que suspende, guía y propulsa vehículos, principalmente trenes, utilizando un gran número de imanes para la sustentación y la propulsión usando levitación magnética. 126

127 Carrocería Modulo Motor Lineal Riel Imán de levitación y dirección Colector de energía Fig.3.25.Vista de cerca de un modulo de propulsión levitación Viga Carro ferroviario rígido Apoyo aislante El Motor de inducción lineal se desarrollo y se utiliza para la HSST( High Speed Systems and Trains) de chubu (magneto-levitatorio) y metro lineal para el transporte urbano en Japón. El sistema básico de la construcción de un motor de inducción lineal de estator corto (LIM) se muestra en la figura El maglev de Chubu HSST vehículos que están siendo instalados en la Línea Tobu Kyuryo en Nagoya, Japón, como parte de 9 kilómetros de línea de transito urbano. Fig Vista de lado de un motor de inducción lineal de una cara. 127

128 Cuatro módulos de propulsión-levitación se encuentran a cada lado de cada vehículo que se colocan alrededor de la guía del ferrocarril de levitación- reacción. Cada modulo contiene un vehículo hasta la sección de acero de la guía ferrocarril. La figura 3.26., muestra una vista lateral de sección transversal del Motor de Inducción Lineal, con las 3 fases de bobinado primario integrado en el núcleo del LIM en el vehículo y de guía la hoja de aluminio y acero forman el circuito secundario del motor [30]. Una ventaja importante del LIM es que el sistema eléctrico de a bordo de acondicionamiento y la construcción es muy similar a la utilizada en zonas urbanas y de alta velocidad de los vehículos ferroviarios convencionales de electricidad. El LIM utiliza una vía férrea de reacción muy simple, el carril en caliente recoge la energía en el vehículo, y rieles guías pasivos que simplifican los aparatos de vía. El carril de reacción puede ser instalado discretamente a lo largo de la pista, si es necesario. Y vehículos con diferentes diseños son fácilmente adaptados sin cambios a los rieles guía [30]. En general, la eficiencia energética de los LIMs es menor que el motor de inducción rotatorio y del Motor Síncrono lineal. Con el motor de inducción rotativo el entrehierro entre el devanado del estator y el rotor es mucho más pequeño, ya que la diferencia no varía, que resulta en una mayor eficiencia. El devanado primario de un LIM, proporciona toda la potencia que genera el campo vacío y las corrientes inducidas en el carril de reacción. Unidades de los motores síncronos lineales con electroimanes se han desarrollado y se utilizan para el sistema de levitación magnética alemán Transrapid para el transporte de alta velocidad. Éste sistema ha sido probado en Emsland, Alemania, desde Un sistema de baja velocidad para aplicaciones urbanas, la M-Bahn de Alemania, se utilizó en Berlín por un par de años a partir de 1988 como una pista de demostración. 128

129 La construcción básica del sistema del estator largo de un motor síncrono lineal se muestra en las figuras 3.27 y La figura 3.27, muestra el TR08 vehículo de levitación magnética Transrapid que es el tipo de vehículo que se está instalando en el aeropuerto de Shanghai-línea de conexión de la ciudad. Al igual que el sistema impulsor del LIM, los módulos de propulso-levitación que envuelven el carril-guía se encuentran a cada lado de cada vehículo [30]. Cada módulo contiene imanes de campo excitados, que también sirven como imanes de levitación que jalan el vehículo a los imanes del estator del LSM que adjunta el riel-guía al carril. En la figura 2.28 ilustra una vista lateral de la sección transversal del motor síncrono lineal con un devanado trifásico incrustado en el núcleo del estator del carril-guía y los imanes de levitación del vehículo Fig Vehículo Transrapid TR08 y vista de cerca de un módulo propulsión levitación que contiene imanes excitados por un motor síncrono lineal 129

130 Fig.3.28 Segmento trasversal de un motor síncrono lineal. El flujo, ϕ del imán excitado, interactuando con la onda de viaje magnético de él estator al vehículo generador de impulso. 130