Clase XIII. Máquinas Especiales. Máquinas Especiales

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1 INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA ESCUELA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA CURSO: MÁQUINAS ELÉCTRICAS PARA MECATRÓNICA PROFESOR: ING. GREIVIN BARAHONA GUZMÁN Clase XIII Máquinas Especiales Máquinas Especiales Motor de pasos: Motor de pasos elemental. Motores de pasos de reluctancia variable. Motores de pasos de imán permanente. Motor de pasos híbridos. Motor de polos sombreados. Motor universal o en serie de corriente alterna. Motor de histéresis. Motor de reluctancia síncrona. 1

2 Motores de pasos Se utilizan cuando el movimiento y la posición se tienen que controlar con precisión. El motor gira a pasos discretos y cada paso corresponde a un pulso suministrado a uno de sus devanados de estator. Los pasos pueden avanzar en 90, 45, 18 o una fracción de grado por pulso. Pude girar muy lento o hasta 400 r/min. La fuente genera pulsos, generalmente realizados por un microprocesador Los pulsos se cuentan y se guardan. Pueden ser sentido horario (+) o sentido anti horario (-). El número de pasos se conoce con exactitud en todo momento con una precisión de un paso. Motor de pasos elemental Figura 1 Motor de pasos en el cual cada paso se mueve a 60. Cuando los interruptores están abiertos el rotor puede tomar cualquier posición. Si se cierra el punto A el rotor se alinea con el polo 1, como se muestra. Si se abre el interruptor A y se cierra el B, el rotor se alineará en el polo 2, girando 60 en sentido anti-horario. Si se abre el B y se cierra el C giraría otros 60 en sentido antihorario y se alinearía en el polo 3. 2

3 Motor de pasos elemental En el caso anterior era un giro anti-horario la secuencia era A,B,C,A,B,C para que sea sentido horario sería A,C,B,A,C,B. Figura 1 Motor de pasos en el cual cada paso se mueve a 60. Para fijar la posición final de rotor el último interruptor debe permanecer cerrado. Así el rotor nosemoveráacausadelainercia. El torque externo no debe superar el momento de torsión de retención del motor. Efecto de la inercia Suponga que el motor no tiene carga, tiene baja inercia y poca fricción en los rodamientos, y como referencia al estar alineado al polo1seencuentraenlaposiciónangularde0. Al abrir el interruptor A y cerrarse el B, el rotor comenzará su movimiento hacia el polo 2, donde se debe detener. Ahora el rotor se está movimiento y con una considerable velocidadysepasarádelalíneadecentro. Luego, el campo magnético del polo 2 ejercerá una fuerza contraria al moviendo haciendo que este se detenga y regrese a la línea de centro. De igual forma el rotor sobrepasa la línea empezará a oscilar en torno a la línea hasta que poco a poco de detenga a causa de la fricción. Ver figura 1. 3

4 Efecto de la inercia El rotor arranca en 0 y llega a 60, a los 90 se detiene y comienza a moverse en reversa y vuelve a cruzar la línea de centros en t=4ms. Las oscilaciones continúan mientras que la amplitud disminuye hasta detenerse en t > 10ms. La velocidad es máxima siempre que el rotor sobrepasa la línea de centros y generalmente en motores de pasos se expresa en grados entre segundos. Figura 2 Posición angular y velocidad en función del tiempo. El rotor oscila en torno a la posición de 60 antes de detenerse. Efecto de la inercia Si se monta un volante para incrementar la inercia el rotor, tanto el periodo como la amplitud de las oscilaciones se incrementan. Elrotortardamástiempoendetenerse(t>20ms). Además que la aceleración en menor, puesto que anteriormente el rotorpasabaporlalíneadecentroent=2msyahoraent=4ms. Figura 3 Posición angular y velocidad en función del tiempo. El rotor con mayor inercia, el rebase es mayor y tarda más tiempo en detenerse. 4

5 Efecto de la inercia Las oscilaciones se pueden amortiguar aumentando la fricción en losrodamientos,comosemuestraenlafigura4. Este amortiguamiento se logra por medio de un freno de corriente parásita o un amortiguador viscoso como aceite o aire. Figura 4 Posición angular y velocidad en función del tiempo. El rotor con mayor inercia, mayor fricción en los rodamientos. Efecto de la carga mecánica Si al rotor se le acopla una carga mecánica, requeriría más tiempo para que este llegue a la posición de 60 (t=4ms), además el rebase es menor y las amortiguaciones se logran con mayor rapidez. Tanto la inercia como la carga mecánica aumentan el tiempo de sucesión de pasos y las oscilaciones también prolongan el momento en que detiene el rotor, por lo tanto la carga y la inercia deben ser lo menor posible y los oscilaciones deberán ser suprimidas por amortiguadores viscosos. El tiempo para pasar de una posición a otra puede reducirse incrementando la corriente en los devanados, pero las pérdidas por calor I 2 Rlascualesestablecen unacorrientemáxima. Figura 5 Posición angular y velocidad en función del tiempo. El rotor con baja inercia, poca fricción en los rodamientos pero acoplado a una carga mecánica. 5

6 Efecto de la carga mecánica Figura 6 Gráfica de los pulsos de corriente, posición angular y velocidad del rotor en los primeros 3 pasos (media revolución). Enlafigura6semuestranlospulsos de I a, I b, I c y la posición del rotor, así como su velocidad. La velocidad del rotor es cero al inicioyalfinaldecadapulso.enesta figura6lospulsosduran8ms,porlo tanto la velocidad de los pasos es de 125 pasos por segundo, si una revolución requiere de 6 pasos entonces tarda 0.048ms por revolución, a una promedio el rotor esde1250rpm. Sin embargo, la velocidad no es tan uniforme puesto que el rotor gira con pasos de manera discreta. Par o momento de torsión frente a corriente El momento de torsión del motor depende de la corriente. Cuando la corriente es de 8A (nominal) el momento es de 3 Nm. A este momento de le denomina momento de torsión de tirón. Figura 7 Gráfica de momento de torsión de tirón frente a la corriente de un motor de pasos. 6

7 Velocidad de avance a pasos de modo arranque-detención o modo de arranque sin error Figura 6 Gráfica de los pulsos de corriente, posición angular y velocidad del rotor en los primeros 3 pasos (media revolución). Si la velocidad de los pulsos de la corriente es demasiado rápida el rotor es incapaz de seguir con precisión los pulsos, por lo tanto se perderán pasos. Para mantener el sincronismo, el rotor debe detenerse antes de avanzar a la siguiente posición. Según la figura 6, esto significa que el intervalo mínimo para que el rotor avance con precisión es de 6ms. La velocidad de avance sería de 1000/6= 167 pasos por segundo (pps). Velocidad de avance a pasos de modo arranque-detención o modo de arranque sin error Figura 8 Curvas de arranque-detención y velocidad constante de un motor de pasos típico La curva 1, muestra una característica de arranque sin error. Si el motor de pasos funciona solo, a un momento de torsión de 1.4 Nm la velocidad de pasos máxima es de 500 pps. Pero si la carga tiene mayor inercia, la velocidad de arranque detención es de 400 pps aproximadamente (curva 2). Cuando el motor tiene velocidad uniforme, sin detenerse y arrancar, no hay efecto de inercia, por lo tanto, el motor puede soportar torques mayores cuando funciona a velocidad uniforme (curva 3). 7

8 Velocidad de avance a pasos de modo arranque-detención o modo de arranque sin error Figura 9 Diferencian entre modo de arranquedetención y velocidad uniforme. A. Posición angular contra tiempo. B. Velocidad instantánea contra tiempo El motor gira a 250 pps en ambos casos (velocidad constante y arranque-detención). El ángulo (posición) se incrementa de forma uniforme cuando es a velocidad constante. Mientras que en arranque-detención va de forma escalonada. Por lo tanto, la velocidad oscila en un máximo y un cero. La velocidad promedio del modo arranque-detención es igual a la velocidad uniforme. Efecto de Rampa Un motor que soporta una carga, no puede pasar de 0 a la velocidad de avance repentinamente. De la misma forma, el motor en movimiento no se puede detener súbitamente. El motor debe de acelerar o desacelerar gradualmente según el caso, siempre sujeto a que la condición de que la posición instantánea debe corresponder al número de pulsos. El proceso mediante el cual acelera o desacelera se le conoce como efecto de rampa. Durante la aceleración, consiste en un incremento progresivo de pulsos propulsores por segundo. Este proceso se completa en una fracción de segundo. La rampa esgeneradaporlafuentedepotenciaqueimpulsaelmotor. Debe estar programada para que un control de posición preciso. 8

9 Tipos de motores de pasos Existen tres tipos principales de motores de pasos: Motores de pasos de reluctancia variable. Motores de pasos de imán permanente. Motor de pasos híbridos. Motor de pasos de reluctancia variable Están basados en la ilustración de la figura 1. Sin embargo, para lograr pasos de 1,8 en lugar de 60, debe de modificarse el estator yrotorparatenermáspolos. Figura 1 Motor de pasos en el cual cada paso se mueve a 60. Rotor: A un rotor circular se le hacen ranuras en su periferia, los dientes creados son los polos salientes del rotor, pueden ser hasta

10 Motor de pasos de reluctancia variable Estator: Generalmente tiene cuatro, cinco u ocho polos principales, en lugar de tres. Las caras de los polos también están ranuradas para crear varios dientes. Estos dientes son los polos salientes reales del estator(figura 11). Figura 11 Motor de pasos en el cual cada paso se mueve a 60. Para un sistema de propulsión dado, el número de dientes en el rotor y estator determina el movimiento angular de cada paso. Son comunes pasos de 18, 15, 7.5,5 y1.8. Motor de pasos de imán permanente Figura 10 Motor de pasos de imán permanente que avanza 30 por paso. Con cuatro polos en el estator y seis en el rotor. Son similares a los de reluctancia variable pero estos tiene polos N y S permanentes. Este posee 4 polos en el estator y 6 polos permanentes en el rotor. Debido los imanes permanentes el rotor permanecerá alineado al último par de polos del estator que fueron excitados por el controlador. El motor desarrolla un momento de torsión de detención que mantiene el rotor en su lugar aún cuando no fluya corriente en los devanados del estator. 10

11 Motor de pasos de imán permanente Las bobinas A1, A2 están conectadas enserie,asícomolasbobinasb1,b2. partiendo de las posición indicada si las bobinas B son excitadas, el rotor recorrerá un ángulo de 30. La dirección de rotación dependerá la dirección del flujo de corriente. Si la corriente en las bobinas produce polos N y S como se muestra, girará en sentido contrario de las manecillas del reloj. Figura 10 Motor de pasos de imán permanente que avanza 30 por paso. Con cuatro polos en el estator y seis en el rotor. *Por lo General los motores de pasos con aplicaciones de gran potencia poseen imanes permanentes. Motor de pasos híbridos Figura 11a Motor híbrido con estator de cuatro polos y dos armaduras de cinco polos montadas en el mismo eje. Tiene dos armaduras de hierro dulce idénticas montadas en el mismo eje y están indexadas de modo que los polos salientes se traslapan internamente. Las bobinas A1, A2 están conectadas en serie, mientras que las B1, B2 también. El motor desarrolla un pequeño momento de torsión de detención a causa de los imanes y el rotor permanecerá, en la figura 11a. Si se excitan las bobinas B el rotor se moverá18,delamismaformaqueel motor de imanes permanentes. 11

12 Motor de pasos híbridos Lo que diferencia este motor es que posee un imán permanente PM en medio de las dos armaduras. Este produce un campo magnético axial unidireccional, por lo que todos los polos de la armadura 1 son polos N mientras que los polos de la armadura2sonpoloss. Figura 11b Vista lateral del rotor, que muestra el imán permanente entre las dos armaduras. Motor de pasos híbridos Figura 12 Vista despiezada de un motor de pasos híbridos estándar. El rotor se compone de 2 armaduras de hierro dulce de 50 polos salientes cada una. Un pequeño imán permanente entre las armaduras. Y el estator tiene 8 polos con 5 polos salientes cada cara. 12

13 Motor de pasos híbridos Detalles de laminación del estator y construcción de un ensamble de laminaciones apiladas del estator de motor mejorado. Posee imanes permanentes de tierras raras insertados en las ranuras del estator además del imán permanente del motor híbrido. Figura 13 Motor de pasos híbridos Figura 14a Vista externa de un motor de pasos híbrido. Está equipado con devanados bipolares para que opere a 5V. Figura 14b Vista de corte transversal del motor de pasos híbrido de la figura 14a. 13

14 Motor de pasos híbridos Figura 14c Especificaciones del motor de pasos híbrido mostrado en la figura 14 a. El motor puede ser construido para operación unipolar o bipolar con un voltaje de excitación nominal de 5V o 12V. Motor de pasos híbridos Figura 14d Características típicas de momento de torsión de torque-velocidad del motor de pasos híbrido mostrado en la figura 14 a. La curva de momento de torsión crítico corresponde a las características de funcionamiento a la velocidad uniforme, la curva de momento de torsión de ajuste a sincronismo corresponde a la característica de arranque sin error. 14

15 Devanados de motor y controles asociados Figura 10 Diagrama de conexión de las bobinas A1, A2, B1 y B2 a una fuente cd común por medio de interruptores. La fuente se muestra dos veces para simplificar el diagrama. Como la figura 11, un estator de 4 polos el devanado bipolar consta de 2 juegosdebobinasa1ya2,b1yb2. La corriente Ia y Ib se invierte periódicamente. Las bobinas son alimentadas por una fuente cd común, y como se necesita que los pulsos se alternen se necesita un conmutador o interruptor. Los interruptores se representan del Q1alQ8. En la práctica se utilizan transistores como interruptores porque pueden establecer o interrumpir la corriente en momentos precisos. Devanados de motor y controles asociados Las bobinas pueden ser excitadas secuencialmente por medio de tres formas: Control de onda. Control normal. Control de medio paso. 15

16 Devanados de motor y controles asociados En control de onda sólo se excita un juego de bobinas a la vez. La secuencia de rotación esta dada en la tabla 19A. Los pulsos de corriente Ia, Ib resultantes están en la figura 16, donde se observa que la corriente gira 90 cada paso. Figura 16 Pulsos de corriente en un control de onda y las posiciones del flujo resultante en cada paso. Vea la secuencia de conmutación en la tabla 19A. Tabla 19A SECUENDIA DE CONMUTACIÓN DE ONDA PARA ROTACIÓN EN EL SENTIDO DE LAS MANECILLAS DEL RELOJ Paso Q1 Q2 on on Q3 Q on Q5 Q6 -- on Q7 Q on -- Devanados de motor y controles asociados En control normal se excitan ambos juegos de bobinas a la vez. La secuencia de rotación esta dada en la tabla 19B. El flujo está orientado en medio de los polos en cada paso, sin embargo aún gira 90 cada paso. Este control desarrolla un torque mayor que el control de onda. Figura 17 Pulsos de corriente en un control normal y las posiciones del flujo resultante en cada paso. Vea la secuencia de conmutación en la tabla 19B. Tabla 19B SECUENDIA DE CONMUTACIÓN NORMAL PARA ROTACIÓN EN EL SENTIDO DE LAS MANECILLAS DEL RELOJ Paso Q1 Q2 on on on Q3 Q4 -- on on Q5 Q6 on on on Q7 Q on on -- 16

17 Devanados de motor y controles asociados En el control de medio paso se combinan el control de honda y normal. Ahora el flujo gira sólo a 45 por cada paso. La principal ventaja de este control es que mejora la resolución de posición y tiene a disminuir el problema de resonancia. Figura 18 Pulsos de corriente en un control de media paso y las posiciones del flujo resultante en cada paso. Vea la secuencia de conmutación en la tabla 19C. Tabla 19C SECUENDIA DE CONMUTACIÓN MEDIO PASO PARA ROTACIÓN EN EL SENTIDO DE LAS MANECILLAS DEL RELOJ Paso Q1 Q2 on on on on Q3 Q on on on Q5 Q6 -- on on on Q7 Q on on on -- Devanados de motor y controles asociados Figura 19A Disposición de las bobinas en un devanado unipolar de 4 polos. El devanado unipolar consta de dos bobinas por cada polo en lugar de sólo una. Unipolar significa que la corriente en un devanado siempre fluye en la misma dirección. El juego de las bobinas A1, A2 produce un flujo en la dirección opuesta al juego de bobinas 1A, 2A, por lo tanto, se produce un flujo alterno. La ventaja del devanado unipolar es que el número de transistores se reducea4ysurespuestatransitoriaes más rápida. 17

18 Devanados de motor y controles asociados Figura 19C Pulsos de corriente en un control de onda con devanado uniforme. El flujo gira de la misma manera que un devanado bipolar. Figura 19B Diagrama esquemático de bobinas, interruptores y fuente de potencia. Tabla 19D SECUENDIA DE CONMUTACIÓN DE ONDA PARA ROTACIÓN EN EL SENTIDO DE LAS MANECILLAS DEL RELOJ Paso Q1 on on Q on Q5 -- on Q on -- Operación a alta velocidad Figura 20A Pulso de corriente ideal en un devanado. Hemos supuesto que el pulso de corriente en el devanado se eleva de inmediatoyllegaacerodeigualforma. En la práctica no es así por la inductancia de los devanados. Si un devanado tiene inductancia L y resistencia R su constante T en el tiempo es L/R segundos. Enlaconexiónseutilizaundiodo para proteger de alto voltaje el conmutador. Figura 20B Circuito típico de un transistor y bobina conectada a una fuente de cd. El diodo protege el transistor contra sobre voltaje. Figura 20C Pulso de corriente real en un devanado. 18

19 Devanados de motor y controles asociados Este pulso tiene esa forma puesto que: cuando el transistor es activado, la corriente transitoria I 1 alcanza su valor nominal I=E/R después de 3T segundos. Figura 20D Corriente transitoria en bobina y diodo cuando el transistor está desactivado. Luego, cuando el transistor interrumpe la corriente de línea, la corriente transitoria I 2 continúa fluyendo en la bobina aproximadamente 3T segundos. Operación a alta velocidad Figura 20A Pulso de corriente ideal en un devanado. Figura 20C Pulso de corriente real en un devanado. Como la corriente no llega de inmediato a su valor final cuando el transistor es activado, el par o momento de torsión inicial desarrollado por el motor de pasos es más pequeño de lo normal. Por lo tanto el rotor no se mueve tan rápido como podríamos esperar. Cuando se desactiva el transistor, la corriente I 2 continúa circulando en la bobina-diodo, por lo tanto, la duración efectiva del pulso es de Tp + 3To en lugardetp. 19

20 Operación a alta velocidad Figura 20D Pulso de corriente más corto posible que aún alcanza la corriente nominal I. El pulso más corto posible para que la corriente alcance la I nominal es de 6T o segundos. 3T o llegando a la I nominal y 3T o reduciendo la corriente a cero. Los devanados de los motores tienen constantes T o que van aproximadamente de 1msa8ms. La duración de un paso no puede ser menora6x1=6ms. Esto corresponde a una velocidad máxima de avance a pasos de aproximadamente 1000/6 = 166 pasos por segundo. Estas velocidades son lentas pero se utilizan varios métodos para incrementarlas. Modificación de la constante de tiempo Figura 21 A. Circuito para incrementar la tasa de aumento y reducción de la corriente en la bobina. B. Pulso de corriente resultante. Una forma de aumentar la velocidad es reducir la constante de tiempo T o. Esto se hace agregando resistencias a los devanados del motor y subiendo el voltaje de modo que fluya la misma corriente nominal I. El valor del resistor externo es de 4 veceseldelaresistenciardelabobina yelvoltajeepasaaser5evolts. La constante se reduce en 5 (L/5R). Esto significa que la velocidad máxima de avance puede incrementar por el mismo factor. *Es posible llegar a velocidades de 1000 pasos por segundo. 20

21 Modificación de la constante de tiempo Desventajas de modificar la constante del tiempo por resistencias: Necesita una fuente de potencia más cara, puesto que debe de suministrar 5 veces más potencia. Se desperdicia mucha potencia en el resistor externo lo que significa baja eficiencia del sistema. Control de dos niveles Figura 22 A Circuito de un control de dos niveles cuando la corriente en la bobina es cero. Los controles de dos niveles nos permite obtener tiempos más rápidos de incremente y reducción de corriente sin resistores externos. Los interruptores Q1 y Q2 representan transistores que abren y cierran el circuito. Se utilizarán valores numéricos R=0.03 L=2.4mH I=10 A. La fuente es de60vconunatomade3v. Si se aplica el voltaje de permanente la corriente sería I=60/0.03=200 A. es muchomayorque10a. 21

22 Control de dos niveles Figura 22 B Circuito equivalente cuando la corriente está disminuyendo. Figura 22 C Tasa de incremento de la corriente y tiempo para llegar a 10 A. Ahora se alimenta por la fuente 3V y permaneceráfijaen3v/0.03 =10A. La corriente será 10 A hasta que finalicemos el pulso. Para determinarlo abrimos Q2, con lo cual la corriente sigue la trayectoria mostrada en la figura. Ahora la fuente de 57V impulsa una corriente opuesta a I en la bobina, por lo que I disminuye. La constante del tiempo vuelve a ser 8ms, así la corriente decrecerá a razón de 57/60x25000= A/s. Control de dos niveles Cuando la corriente es cero, Q1 se cierra. Esto hace que la corriente permanezca en cero hasta que inicie el siguiente pulso. La forma de pulso se muestra en la figura, además de la secuencia de conmutaciónq1yq2quelaproduce. Figura 22D Forma de onda del pulso utilizando un control de dos niveles. Observe la secuencia de conmutación Q1 y Q2 que la crea. (x=cerrado; 0=abierto) 22

23 Inestabilidad y resonancia Cuando un motor de pasos está operando a cierta velocidad uniforme puede volverse inestable. El rotor puede volverse inestable o funcionar de forma irregular. Esta inestabilidad o conocida como resonancia se debe a la vibraciónnaturaldelmotordepasos,lacualsemanifiestaenunoo más rangos de velocidades. Motor de pasos y control lineales La mayoría de los motores de pasos se acoplan a un tornillo de avance, que permite convertir el movimiento giratorio en desplazamiento lineal. Por ejemplo: un motor de pasos realiza 200 pasos/revolución y está acoplado a un tornillo con avance de 5 cuerdas/pulgada. El motor tiene que realizar 200 x 5 = 1000 pasos para producir un movimiento lineal de 1 pulgada. Contando los pulsos con precisión, podemos posicionar una máquina herramienta, un brazo X-Y, con una precisión de milésimas de pulgada (avance lineal por paso) a lo largo de todo el movimiento. *Esta gran precisión es la causa por la cual los motores de pasos son tan útiles en sistemas de control. 23

24 26/10/2011 Motor de pasos y controles electrónicos Figura 23 Controles electrónicos típicos y motores de pasos que controlan. Motor de Polos Sombreados Figura 24 Flujos en un motor de polos sombreados. Capacidades menores de 0.05 hp (40 W) por su simple construcción. En esencia, un motor jaula ardilla con devanados auxiliares consta de un anillo de cobre que cubre una pared de cada polo. Devanado principal es una bobina con CA que produce un flujo ( 1 2 3). 1 enlaza anillo izquierdo y produce una corriente Ia y un flujo a retrasado de 2 3. Lo cual produce un campo rotatorio para arrancar el motor. La dirección de rotación de del polo no sombreado al sombreado. 2 crea el mismo efecto que 1 sobre el anillo derecho. 24

25 Motor de Polos Sombreados Aunque la eficiencia, torque y factor de potencia son bajos, la fácil construcción y la ausencia de interruptor centrífugo marcan ventaja en los motores para aplicaciones de baja potencia. La dirección no se puede cambiar puesto que la define la posición de los anillos de cobre. Figura 25 Motor de polos sombreados de 5 mili caballos de fuerza, 115V, 60 hzy 2900 rpm. Motor de Polos Sombreados Propiedades de un motor de 2 polos sombreados, cuya capacidad es de 6W, 115V y 60 Hz. Sin Carga Corriente Potencia de entrada Velocidad Rotor Bloqueado Corriente Potencia de entrada Momento de torsión Plena Carga Corriente Potencia de entrada Velocidad Momento de torsión Potencia mecánica Velocidad a torque máximo Torque máximo 0,26 A 15 W 3550 rpm 0,35 A 24 W 10 mn*m 0,26 A 15 W 3550 rpm 10 mn*m 6 W 2600 rpm 21 mn*m 25

26 Motor universalo en serie de corriente alterna Figura 26 Motor en serie de corriente alterna, también llamado motor universal. Muysimilar aunmotor decdenseriecon circuito magnético laminado. Opera con CA o CD y el torque-velocidad son aproximadamente los mismos en cada caso. Por eso se llama motor universal. Cuando se conecta a una fuente CA, la corriente pasa por la armadura y el campo en serie. El campo produce un que reaccionaconlacorrientequepasaporla armadura y se produce un torque. Comolacorrienteyelflujoseinvierteal mismo tiempo el torque siempre va a tener la misma dirección. Tienen una alta velocidad y un alto torque de arranque. Motor universalo en serie de corriente alterna Se utilizan para impulsar ventiladores centrífugos de alta velocidad en aspiradoras, por su pequeño tamaño es una ventaja para herramientas portátiles como sierras y taladros eléctricos. Sus velocidades sin carga son altas pero se reducen fácilmente cuando se le aplica carga. Figura 27 Características de un pequeño motor universal de 115V y 60 Hz con capacidad a plena carga de 1/100 hp, 8000 rpm a 175 ma También se pueden construir de grandes tamaños como los que se utilizaban en locomotoras eléctricas. 26

27 Motor de histéresis Figura 28 Motor de polos sombreados de 5 mili caballos de fuerza, 115V, 60 hzy 2900 rpm. En la figura se muestra un rotor estacionario rodeado por un par de polos N, S que puede ser girado mecánicamente en sentido horario. El rotor se compone por un material cerámico imantado permanentemente cuya resistividad se parece a la de un aislante, por lo tanto es imposible establecer corrientes parásitas en este motor. AmedidaqueelcampoN,Sgira,seproducen polos opuestos bajo los polos N, S en movimiento. Los dominios individuales realizan un ciclo completo (lazo de histéresis) cada vez que el campo realiza una revolución completa. Las perdidas son proporcionales al lazo de histéresis, se disipan en calor. Motor de histéresis Figura 29 Ciclo de histéresis El torque requerido para mover los imanes es constante e independiente a la velocidad de rotación. Si los polos se mueven lentamente alrededor del rotor o lo hacen a alta velocidad el torque siempre es el mismo. La pérdida por histéresis por revolución esdee h joulesyelcampogiraanrpm,la energía disipada por el motor es: P h =W/t P h =ne h /60(W) La potencia disipada por el rotor sólo puede venir de la potencia mecánica utilizadaparaimpulsarlospolosn,syes: P= nt/9.55. ComoP=P h setieneque: ne h /60(W)=P=nT/9.55 T=E h /6.28. T: toque ejercido por el rotor(n*m). E h : Energía de histéresis disipada en el rotor por vuelta(j/r). 6.28=contante(2 ). 27

28 Motor de histéresis Figura 30 Curvas de torque-velocidad de dos motores de funcionamiento con capacitor. a. Motor de histéresis. b. Motor de inducción. En la práctica, el campo rotatorio es producido por un estator trifásico o por uno monofásico con devanado auxiliar. Cuando se coloca un rotor de histéresis en el interior del estator, se acelera hasta una velocidad de sincronismo. El torque permanece prácticamente constante como se muestra en la figura. Contrario al motor de jaula de ardilla que el torque tiende a cero cuando se acerca a la velocidad de sincronismo. Por su velocidad constante son utilizados para impulsar relojes eléctricos, caseteras, tornamesas y aparatos de medición de tiempo precisos. Motor de histéresis Figura 31 Motor de reloj monofásico de histéresis con 32 polos y rotor de ferrita. Es particularmente adecuado para impulsar aparatos por su alta inercia, motores como el de reluctancia se les dificulta, puesto que adquieren velocidad para alcanzar el sincronismo puesto que tienen que bloquearse repentinamente con el campo rotatorio. En elmotor dehistéresis no es así puesto que el torque es constante hasta que llega a la velocidad sincrónica. Mientras el motor está acelerando, el torque nominal está disponible para soportar la carga y vencer la inercia. Cuando se llega a la velocidad síncrona los polos del rotor continúan magnetizados como un motor síncrono de imanes permanentes. Los polos del rotor se retrasaran cierto ángulo respecto a los del estator. Donde la magnitud depende del toque mecánico ejercido por la carga. 28

29 Motor de reluctancia síncrona Figura 32 Rotor de motor de reluctancia síncrona. Seasimilaalrotor dejaulaardillaperotiene polos salientes en el mismo que debe ser igual al número de polos del estator. Este motor arranca como un motor de jaula ardilla estándar, pero cuando se acerca a la velocidad de sincronismo los polos salientes se bloquean con el campo rotatorio, es ahí donde se sincroniza. No pueden acelerar cargas de alta inercia hasta que estén en la velocidad síncrona. Si durante un t determinado no se alcanza el torque de ajuste a sincronismo el motor no se sincronizará. También genera energía cinética. Motor de reluctancia síncrona Por lo tanto, para alcanzar la velocidad sincrónica el motor desarrolla una potencia: Figura 32 Rotor de motor de reluctancia síncrona. El motor debe seguir suministrando la potencia de la carga P L. Si la suma de P a + P L excede la capacidad de carga del motor este nunca sincronizará. Un motor de reluctancia solo puede sincronizarse si la velocidad de deslizamiento es baja y el momento de inercia también. Peroesmuyutilizadoporsubajocosto. Generalmente se utilizan controles de velocidad electrónicos de frecuencia variable para estos motores (variadores de frecuencia). 29

30 Figura 33 Servomotores QUE SON? Los servos son un tipo especial de motor que se caracterizan por su capacidad de poder ser llevados a posiciones angulares específicas, al enviar una señal codificada, dentro de un rango de operación. 30

31 QUE SON? Los servomotores, son dispositivos que se caracterizan por su capacidad para situar un eje en cualquier posición dentro de su rango de operación (normalmente de 0o a 180 ) al enviar una señal codificada. Es una caja, en donde se encuentra un amplificador, un motor, la reducción de engranaje y la realimentación. Tiene internamente una circuitería de control interna y es sumamente poderoso para su tamaño. También tienen 3 cables de conexión externa. Uno es para alimentación Vcc (+5volts), conexión a tierra GND y el cable de control. Figura 34 Ejemplos de servomotores COMO TRABAJAN? El motor del servo tiene algunos circuitos de control y un potenciómetro, esta es conectada al eje central del servo motor y permite a la circuitería de control, supervisar el ángulo actual del servo motor. Si el eje está en el ángulo correcto, entonces el motor está apagado. Si el circuito prueba que el ángulo no es el correcto, el motor girará en la dirección adecuada hasta llegar al ángulo correcto. El eje del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 (en algunos casos 210 ). Un servo normal se usa para controlar un movimiento angulardeentre0y180,noesmecánicamentecapazderetornar a su lugar, si hay un mayor peso que el sugerido por las especificaciones del fabricante. 31

32 COMO TRABAJAN? La cantidad de voltaje aplicado al motor es proporcional a la distancia que éste necesita viajar. Así, si el eje necesita regresar una distancia grande, el motor regresará a toda velocidad. Si este necesita regresar sólo una pequeña cantidad, el motor correrá a una velocidad más lenta. A esto se le llama control proporcional. Figura 35 Partes de servomotores. Partes Del Servomotor Figura 36 Partes de servomotores. 32

33 FUNCIONAMIENTO Elcontroldeunservoselimitaaindicar enqueposición se debe situar. Estas"ordenes" consisten en una serie de pulsos.la duracióndelpulsoindicaelángulo degirodel motor. Cada servo tiene sus márgenes de operación, que se corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimo que el servo entiende. Figura 37 Ejemplo de pulso para servomotores. FUNCIONAMIENTO Los valores más generales corresponde con valores entre 1 ms y 2 ms, que dejarían al motor en ambos extremos. El valor 1,5 ms indicaría la posición central, mientras que otros valores del pulso lo dejan en posiciones intermedias. Estos valores suelen ser los recomendados, sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1 ms o mayores de 2 ms, pudiéndose conseguir ángulos mayores de

34 Ejemplo Un pulso de 1.5 ms., por ejemplo, hará que el motor se torne a la posición de 90 grados (llamado la posición neutra). Si el pulso es menor de 1.5 ms., entonces el motor se acercará a los 0 grados. Si el pulso es mayor de 1.5ms, el eje se acercará a los 180 grados.(ver figura de siguiente diapositiva) Ejemplo Como se observa en la figura, la duración del pulso indica o dictamina el ángulo del eje (mostrado como un círculo verde con flecha). Nótese que las ilustraciones y los tiempos reales dependen del fabricante de motor. El principio, sin embargo, es el mismo Figura 38 Gráfica de pulsos utilizados con los servomotores 34

35 FUNCIONAMIENTO Figura 39 Ejemplo de funcionamiento de un servomotor Si se sobrepasan los límites de movimiento del servo, éste comenzará a emitir un zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. FUNCIONAMIENTO El periodo entre pulso y pulso no es crítico, e incluso puede ser distinto entre uno y otro pulso. Se suelen emplear valores entre 10 ms y 30 ms. Si el intervalo entre pulso y pulso es inferior al mínimo, puede interferir con la temporización interna del servo, causando un zumbido, y la vibración del brazo de salida. Si es mayor que el máximo, entonces el servo pasará a estado dormido, entre pulsos. Esto provoca que se mueva con intervalos pequeños. 35

36 FUNCIONAMIENTO Es importante destacar que para que un servo se mantenga en la misma posición durante un cierto tiempo, es necesario enviarle continuamente el pulso correspondiente. De este modo, si existe alguna fuerza que le obligue a abandonar esta posición, intentará resistirse. Si se deja de enviar pulsos (o el intervalo entre pulsos es mayor del máximo) entonces el servo perderá fuerza y dejará de intentar mantener su posición, de modo que cualquier fuerza externa podría desplazarlo. FUNCIONAMIENTO La siguiente tabla nos da los valores de control y la disposición de cables para algunos 36

37 Conexión Los servomotores disponen de tres cables de conexión, dos de ellos son alimentación (normalmente entre 4 y 8 V.) y el tercero sirve para aplicar la señal de control que será un tren de pulsos. Los colores utilizados por la mayoría de fabricantes es: Rojo: alimentación + Vcc(~ +5volts); Negro ó Marrón: conexión a tierra (GND); Blanco, Amarillo ó Naranja, es la línea de control por la que se le envía la señal de control para indicar el ángulo en el que se debe posicionar. Recomendaciones 1. Es muy recomendable utilizar dos fuentes de alimentación en las aplicaciones, una para los motores y servos y otra para la electrónica de control (microntrolador). Pero recuerda que todas las líneas de masa deberán estar unidas. 2. Si usas cables demasiado largos para controlar los servos, es probable estos tengan movimientos no deseados, ello es debido a que el cable se comporta como una antena y cuanto más largo es el cable, más vulnerable es al ruido electromagnético pudiendo incluso ser perturbado por señales de otros servos.estose soluciona utilizando cable blindado (coaxial), pero no olvides conectar el blindaje a tierra. 37

38 Recomendaciones 3. Procura no forzar los servos. Un servo con un funcionamiento correcto NO se debe de calentar. Si se calienta es que le estás obligando a realizar un esfuerzo superior al que es capaz de desarrollar. 4. Respeta los tiempos que facilita el fabricante en cuanto a refresco de la señal de posicionamiento. Si la señal de refresco llega mas tarde de lo recomendado por el fabricante, el servo durante cierto tiempo estará sin control. Por el contrario si se efectúa antes de tiempo, se puede interferir con la temporización y el servo emitirá un zumbido, y vibrará. VENTAJAS Es sumamente poderoso para su tamaño (mucho torque). Potencia proporcional para cargas mecánicas. No consume mucha energía. Mayor precisión. 38

39 DESVENTAJAS No es posible cambiar las caracteristicas eléctricas del motor por tanto no se puede cambiar la velocidad del mismo. Esta limitado por el circuito de control a únicamente variar de 0 a 180. Su construcción puede ser costosa. Poder controlar varias secuencias de posiciones, es dificil sin utilizar sistemas basados con micros. APLICACIONES En la práctica, se usan servos para: posicionar superficies de control como el movimiento de palancas, pequeños ascensores y timones. usan en radio control títeres, y principalmente en ROBÓTICA 39

40 APLICACIONES Figura 40 Aplicaciones de servomotores. APLICACIONES Figura 41 Aplicación de servomotores. 40