Tema10 - Maquinas Electricas Especiales

MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESPECIALES – TEMA 10

TEMA 10 MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESPECIALES

1.- Motores universales La aproximación más simple para diseñar un motor que opere alimentado por una fuente de potencia monofásica, sea tomar una máquina de corriente continua y alimentarla desde una fuente de corriente alterna. El par producido en un motor de corriente continua viene dado por la expresión:

AIKM ••= φ Si se invierte la polaridad del voltaje aplicado a un motor en derivación, se invierten tanto la dirección del flujo del campo, como la dirección de la corriente de armadura, y el par resultante continua en la misma dirección que tenía antes de invertir la polaridad, por lo cual es posible obtener un par pulsante pero unidireccional de un motor de corriente continua conectado a una fuente de potencia de corriente alterna.

Circuito equivalente del motor universal.

Tal diseño sólo es práctico para el motor serie de corriente continua, puesto que la corriente de

armadura y la corriente de campo en la máquina, se invierten exactamente en el mismo momento. En los motores en derivación de corriente continua la inductancia del campo, la cual es muy grande, tiende a atrasar la inversión de su corriente y entonces el par promedio producido en el motor se reduce en forma inaceptable. Para que un motor serie de corriente continua funcione efectivamente en corriente alterna, sus polos de campo y el estator deben de ser totalmente laminados, puesto que si no fuera así, las pérdidas en el estator serían enormes. Cuando este motor tiene laminados los polos y el estator, con frecuencia se le llama motor universal, puesto que puede operar desde una fuente de corriente alterna o de corriente continua. La conmutación del motor será mucho más pobre cuando se opera desde una fuente de corriente alterna que si lo hace desde una fuente de corriente continua . El chispeo adicional en las escobillas lo causan los voltajes inducidos por la acción del transformador en las bobinas que están en conmutación. Este chispeo acorta la vida de las escobillas y puede ser una fuente de radiointerferencias en sus alrededores. En la siguiente figura se muestra la característica par-velocidad típica de un motor universal. Esta difiere de la característica par-velocidad de la misma máquina alimentada de una fuente de corriente continua, por dos razones: 1. Las reactancias de los devanados de armadura y de campo a 50 ó 60 Hz son bastante grandes. Una

parte importante del voltaje de entrada se cae en estas reactancias, por lo cual, para un voltaje de entrada dado, EA es más pequeño en la operación con corriente alterna que durante la operación con corriente continua. Puesto que para una corriente de armadura y un par producido dados, el motor es más lento en corriente alterna de lo que lo sería en corriente continua.

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2. También el voltaje de pico en un sistema de corriente alterna es 2 veces su valor nominal, por lo que cerca del pico de corriente se puede presentar saturación magnética. Para un nivel de corriente dado, esta saturación puede disminuir significativamente el valor eficaz del flujo del motor, tendiendo a reducir el par producido en el motor.

Comparación de las características par-velocidad de un motor universal cuando

Opera alimentado desde fuentes de alimentación de ca o cc. 1.2.- Aplicaciones del motor universal

El motor universal tiene la misma característica par-velocidad, de gran pendiente, del motor serie de corriente continua, por lo cual no es aconsejable en aplicaciones con velocidad constante. Sin embargo es compacto y da más par por amperio que cualquier otro motor monofásico, motivo por el cuál se utiliza donde es importante el poco peso y el alto par, siendo ideal para aplicaciones domésticas, aspiradoras, taladros, herramientas de mano y aparatos de cocina.

1.3.- Control de velocidad de motor universal

La mejor forma de controlar la velocidad de un motor universal es variando el valor eficaz del voltaje de entrada. A mayor voltaje eficaz de entrada, mayor velocidad resultante en el motor. En la siguiente figura se muestran características típicas par-velocidad del motor universal, como una función del voltaje.

Efecto de cambiar el voltaje en terminales de un motor universal

sobre las características par-velocidad.

En la práctica, el voltaje promedio aplicado al motor se varía con circuitos SCRs o TRIACs, pudiendose apreciar en la siguiente figura:



Ejemplos de circuitos de control de la velocidad de un motor universal:

a) Media Onda, b) Onda completa. 2.- Motor de inducción lineal Un motor de inducción lineal es un tipo de motor asíncrono, en el que se ha sustituido el movimiento de rotación de la máquina por uno de translación, lo cual, le confiere unas peculiaridades características que le hacen aplicable a una diversidad de casos prácticos. Este motor se puede considerar que se deriva de la máquina convencional, por desarrollo de la misma al cortarle por una generatriz, como muestra la siguiente figura:

Desarrollo de un motor para convertirlo en lineal

Al aplicar un sistema trifásico de corrientes al estator, se produce un campo magnético que se propaga a la velocidad de sincronismo por el entrehierro de la máquina, de tal forma que aparecen unas corrientes inducidas en el secundario de la máquina, que al reaccionar con el campo inductor producen una fuerza de translación que obliga a mover al rotor. Este sistema tiene la ventaja de poder trabajar con velocidades ilimitadas ya que ningún elemento está sometido a velocidades centrífugas. El movimiento lineal se obtiene sin necesidad de utilizar ruedas, engranajes o cualquier otro dispositivo mecánico similar. Sin embargo, el modelo representado en la figura anterior presenta inconvenientes. Aparecen fuerzas de atracción entre el rotor y el estator más elevadas que la fuerza de translación de las máquinas. Estas fuerzas se equilibran en el motor cilíndrico en virtud de la simetría. Para anular estas acciones es preciso duplicar el devanado del estator con objeto de anular estas acciones, junto con igualar los entrehierros de ambas caras para que no existan fuerzas transversales. Normalmente la jaula de ardilla del elemento secundario es sustituída por una lámina de cobre o aluminio continua, que es como su fueran una serie de conductores colocados muy próximos uno del otro para lograr una mejor conductividad eléctrica. Si aumentamos simultánuemente el número de pares de polos y el diámetro del entrehierro, manteniendo constante el paso polar, el campo magnético giratorio en el entrehierro describirá órbitas circulares cada vez de menor curvatura y en el límite, cuando el número de pares de polos sea infinito, el



campo magnético se desplazará a lo largo de un entrehierro rectilíneo con una velocidad lineal igual a la velocidad tangencial del campo giratorio original, es decir:

111

11 260

260

n 2 ftnpt

RRv pp ====

πϖ

donde: tp es el paso polar f1 es la frecuencia de la corriente de alimentación. En el límite se tendrá, que tanto el estator como el rotor, con su jaula, serán de estructura lineal y el movimiento del rotor, debido a las fuerzas electromagnéticas creadas por la interacción entre el campo magnético y las corrientes inducidas, será a su vez lineal. Para construirlo no es necesario el desarrollo ilimitado, sino que con una parte que contenga como mínimo cuatro pares de polos suficientes como para crear un campo magnético de distribución senoidal. Cómo anteriormente se ha mencionado, partimos de un motor en jaula de ardilla, cortado axialmente y con un desarrollo planar, obtenemos que las coronas magnéticas del estator y rotor pasan a ser paralepípedos rectangulares separados por un entrehierro plano con sus ranuras enfrentadas, siendo el número en le paquete estatórico:

m q p 2=k donde: m es el número de fases del devanado q es el número de ranuras por polo y fase elegido p es el número de pares de polos por campo en el entrehierro lineal. Las barras de la jaula de ardilla del rotor, pasan a ser barrotes de una escalera recta en el prisma magnético. Conectando el devanado trifásico del estator a la red, el campo magnético, de velocidad constante y lineal, que se tendrá en el entrehierro ejercerá sobre las corrientes inducidas en los barrotes del rotor fuerzas electromagnéticas que tenderán a moverlo en mismo sentido que el campo. Esto ocurrirá cuando el estator esté fijo. Por el contrario, si inmovilizamos el rotor, la parte estatórica se moverá en sentido contrario al campo.

Motor lineal con lámina conductora secundaria, no ligada a los paquetes magnéticos.

Hay que tomar la precaución de que los campos magnéticos que cada devanado cree individualmente pulsen en el espacio en sincronismo para que podamos cuadruplicar el esfuerzo tangencial que puede llegar a desarrollar el motor.

Motor lineal con doble devanado primario



Otra forma de construir un motor de inducción lineal consiste en arrollar de nuevo la versión plana anterior alrededor de un eje paralelo a la dirección del movimiento rectilíneo como puede verse en la siguiente figura:

Génesis del motor lineal tubular

En esta ejecución el devanado trifásico está formado por bobinas toroidales alojadas en ranuras radiales, una por bobina, practicadas en el interior de un tubo magnético. Conectando las bobinas toroidales a un sistema trifásico de forma que sean recorridas sucesivamente por corrientes de sentido inverso, como se ve en la siguiente figura, en el interior del tubo se tendrá un campo alternativo deslizante a lo largo del eje del tubo.

Conexión de las bobinas toroidales en el motor lineal tubular

Si en el tubo colocamos un anillo conductor, las corrientes inducidas bajo la acción del campo magnético darán origen a fuerzas electromagnéticas que tenderán a desplazarlo axialmente. Para reducir la reluctancia del circuito magnético el equipo móvil está formado por un cilindro magnético rodeado por un tubo conductor de cobre. 2.1.- Aplicaciones del motor de inducción lineal Con este tipo de motor podemos eliminar todo tipo de rozamientos mecánicos. Las aplicaciones de este motor están dirigidas a la tracción eléctrica, cómo medio de transporte no convencional de alta velocidad, dónde el órgano móvil es el primario de la máquina y el secundario realiza la función de guía, ya que es el órgano fijo. Con este sistema y la utilización de imanes superconductores que provocan la levitación magnética del vehículo se obtienen velocidades superiores a los 300 km/h. Otras aplicaciones pueden ser para lanzaderas de telares, cintas transportadoras con banda magnética, accionamiento de puertas con apertura automática y un sinfín de aplicaciones en las que se requieran movimientos de translación. Cómo experiencias concretas de este tipo de motores de inducción lineal destacaremos el Aerotren de M.Bertin, sustentado y guiado por cojinetes de aire, y el tren Urba de M. Barthalon en el cual la sustentación es por cojinetes de vacío dinámico. En la siguiente figura se muestra una sección transversal del motor lineal del aerotren. La vía tiene forma de T invertida, cuya rama horizontal, mediante cojinetes de aire, sustenta el vehículo y cuyo brazo vertical, de metal conductor (aluminio o cobre) sirve de guía, mediante dos cojinetes de aire laterales exactamente compensados y de secundario o inducido, del motor lineal, cuyos primarios, o inductores, van dispuestos sobre el vehículo a uno y otro lado de la rama central de la T invertida.



Sección transversal del motor lineal aplicado a la tracción eléctrica.

Otro tren experimental es el Maglev, que utiliza la repulsión magnética para la levitación, guía y propulsión llegando a alcanzar velocidades superiores a los 300 Km/h.

3.- transmisiones sincrónicas: selsyn Se define como transmisión sincrónica, un sistema de dos o más máquinas eléctricas rotativas, eléctricamente enlazadas, en el que la posición angular del motor de una de las máquinas, denominada transmisor o emisor, es seguida tan fielmente como sea posible por los rotores de las otras máquinas, denominadas receptoras. Hoy día, la transmisión sincrónica a base de máquinas de inducción también se conoce con el nombre de Selsyn.

Podemos definir una transmisión Selsyn como un conjunto de máquinas asíncronas iguales de rotor bobinado, cuyos devanados rotóricos homólogos están conectados en paralelo sobre la red y sus devanados estatóricos conectados entre sí, aunque también puede ser al revés.



Esquema de principio de un grupo Selsyn.

Según el par electromagnético que se transmite de una máquina a otra, se pueden considerar tres tipos de transmisiones Selsyn:

• El Selsyn trifásico o de potencia, en el que el par que se transmite es importante, siendo cocido también con el nombre de eje eléctrico.

• El Selsyn monofásico o de posición para pares débiles, llamado también transmisor de ángulos o de órdenes.

• El Selsyn detector o transformador de control, en el que el par es prácticamente nulo, midiéndose la desviación angular entre los rotores del transmisor y él, o los receptores, por el valor de una tensión eléctrica.

3.1.- Selsyn de potencia o árbol eléctrico

Este tipo de selsyn permite la transmisión de elevados pares entre el transmisor y el receptor o

receptores. El esquema viene reflejado en la siguiente figura:

Esquema elemental del Selsyn de potencia o árbol eléctrico.

Está constituido por dos máquinas trifásicas de inducción iguales, de rotor bobinado trifásico y cuyos estatores están conectados a una misma red de alimentación y los rotores conectados en oposición, de las cuales una actúa como transmisor y la otra como receptor. Según su aplicación, se pueden distinguir dos tipos distintos de árboles eléctricos:

• El árbol de compensación o de sincronismo, según el esquema de la siguiente figura:



Esquema del Selsyn de potencia de compensación.

• El árbol de trabajo, según el esquema de la figura que sigue:

Esquema del Selsyn de potencia de trabajo.

En el árbol de compensación los motores eléctricos principales M1 y M2 que, en un principio, pueden ser de cualquier tipo, con tal de que sus características mecánicas (par-velocidad) sean sensiblemente iguales, accionan las cargas C1 y C2, asegurándose el riguroso sincronismo de las velocidades angulares de los ejes de los dos sistemas, motor-carga, por el árbol eléctrico que constituyen los motores de inducción S1 y S2. El par que se transmite a través del eje eléctrico, de uno a otro sistema, es solamente el par diferencial que, como resultado de un distinto par resistente, pueda presentarse entre los dos sistemas, de ahí que, salvo diferencias muy acusadas entre los pares resistentes, la potencia de los motores de árbol eléctrico, S1 y S2, sea una fracción de la potencia de los motores principales M1 y M2. En cambio, en el árbol de trabajo, los motores de inducción, en conexión selsyn S1 y S2, transmiten la potencia mecánica total del motor propulsor M, a la carga C, pudiendo ser ésta única o múltiple. En este caso, la potencia del grupo emisor M - S1 deberá ser igual a la suma de las potencias de las máquinas conducidas. Despreciando la resistencia óhmica de los devanados estatóricos R1= 0, y a base de considerar los coeficientes de autoinducción cíclica L1 del primario y de inducción mutua M entre el primario y el secundario, las ley de Kirchhoff, aplicada al circuito primario de cada máquina de inducción nos permite afirmar: Estator máquina S1: U 2111 MIjILj a ωω += Estator máquina S2: U ϑωω j

b eMIjILj 2111 −= El factor ejθ que aparece en la segunda ecuación es debido a que admitimos que los ejes de los rotores presentan entre sí el decalado angular, en radianes eléctricos θ y el signo negatvo del segundo término es consecuencia de que si en la máquina emisora en funciones de generador, el sentido de la corriente da lugar a que M sea positiva, en la máquina receptora que actuará como motor, el signo de M debe ser contrario. La misma ley anterior aplicada al circuito cerrado de los dos rotores, cada uno de los cuales tiene

la resistencia R2 y gira con el deslizamiento S (reducido al reposo, la resistencia será 22R S), y

considerando también los coeficientes de autoinducción L2 del rotor y el mismo coeficiente de inducción mutua M, valdrá:

θωωω jba eIjMIjILj

SR −−++= 1122

2 )(20



La corriente magnetizante de cada motor, a base del mismo supuesto (R1=0), valdrá:

1

1

LjUM i ω

=

Si se reducen los rotores al reposo y los circuitos secundarios a primarios, la transmisión sincrónica admite un circuito equivalente como el que se representa en la siguiente figura:

Circuito equivalente real de la transmisión síncrona.

Circuito equivalente aproximado.

Incluso cuando al ser las máquinas iguales, las f.e.m. inducidas en sus secundarios (E2a y E2b)

pueden ser iguales en su magnitud, su fase en el tiempo depende de la posición angular que ocupen los rotores con relación al campo giratorio, lo que da lugar a que entre ellas exista una diferencia de fase θ. En consecuencia sobre el circuito rotórico de las dos máquinas actúa una tensión igual a la diferencia entre las f.e.m., que determina que la circulación de la corriente I2, corriente que con el campo magnético resultante en el entrehierro de cada máquina da origen a una par, que en el rotor del transmisor es resistente y tiende a frenarlo y en el rotor del receptor es motor, o sea, que tiende a acelerarlo, todo ello con miras a que ambas f.e.m. lleguen a igualarse en magnitud y fase y se anulen la tensión resultante y la corriente I2, pues ello implicaría la eliminación de los pares que mantienen el servicio del eje eléctrico. En las siguientes figuras se representan las curvas par-deslizamiento y la curva típica de par-ángulo de diferencia de fase, del árbol eléctrico en reposo.

Característica del par en función del deslizamiento del árbol

eléctrico, referidas al receptor y al transmisor.



Característica par-ángulo θ, del árbol eléctrico en reposo.

De ellas se llega a la conclusión que el par máximo cae rápidamente a partir de un deslizamiento

inferior a 0’3. De ahí que, prácticamente, un árbol eléctrico de potencia, que deba girar siempre en el mismo sentido, se conecte de forma que los rotores giren en sentido opuesto al campo giratorio, para que el deslizamiento sea superior a uno. La puesta en servicio de un árbol eléctrico requiere pues el que previamente se asegure el sentido de rotación inverso al campo y que las conexiones entre los circuitos rotoricos corresponden a los bornes homólogos. Una vez comprobados los extremos, la siguiente operación es poner los dos rotores en oposición, para lo cual se aplica una tensión monofásica a dos bornes homólogos de los estatores de las dos máquinas, con sus rotores conectados en oposición, uno de ellos inmovilizado y el otro libre. Sincronizados los rotores, se pasa a la conexión trifásica cerrando el interruptor monofásico de la fase que provisionalmente se dejó abierta, cómo se puede ver en la siguiente figura:

Esquema de conexiones para la puesta en marcha del árbol eléctrico.

Una vez ya que las máquinas están en la posición de sincronismo puede comprobarse como al giro del rotor de una máquina corresponde el giro del mismo ángulo en la otra, así como al movimiento giratorio de la primera el movimiento en perfecto sincronismo de la segunda. El par desarrollado por cada máquina es proporcional, conforme con la expresión obtenida en el motor de inducción, al coseno del ángulo que forman las f.e.m. inducidas en los devanados secundarios y la corriente rotorica:

aaa IEmM 2221

2 cosϕΩ

=



bbb IEmM 2221

2 cosϕΩ

=

Como la siguiente figura pone de manifiesto, en el transmisor ϕ 2a > 90º, el par Ma es negativo (par resistente) y en el receptor ϕ 2b < 90º el par es positivo (par motor). Como consecuencia de ello, cualquier desviación dentre las velocidades de los motores principales, por causa de variaciones de sus respectivas cargas, romperá el equilibrio entre las f.e.m. E2a y E2b y la corriente I2, debida a la tensión resultante:

bar EEE 22 −=

Creará los pares de sentido adecuado, para restablecer la igualdad de velocidades de los dos grupos.

Diagrama vectorial de f.e.m. rotóricas y corriente rotórica.

Entre las aplicaciones más frecuentes del árbol eléctrico de potencia, cabe citar la sincronización de los motores de accionamiento, de los mecanismos de maniobra de puentes levadizos, de los mecanismos dobles de translación de grandes puentes grúas, donde es necesario que la translación se produzca a la misma velocidad para evitar descarrilamientos y para la apertura de compuertas de presas. 3.2.- Selsyn de posición Los selsyn de posición son, también, transmisiones sincrónicas en las que sólo se pretende transmitir a distancia, a base de una simple canalización eléctrica, una posición angular u otra magnitud capaz de ser expresada por un ángulo según una ley bien determinada. En estos tipos de selsyn los pares sincronizados a transmitir son relativamente reducidos y de ahí el que la alimentación sea monofásica, que a las ventajas de ser más simple y presentar una característica un par en función del ángulo más favorable, une la de una amortiguación mucho más rápida de las oscilaciones del órgano móvil del receptor.

La figura anterior muestra el esquema de este tipo de selsyn. El devanado primario monofásico va dispuesto en el rotor, del tipo de polos salientes, conectado directamente a la red alterna monofásica de alimentación y el secundario, trifásico en conexión estrella, se aloja en el estator, estando unidos directamente entre sí, y en oposición, el estator del emisor y el del receptor. Si excitamos los devanados primarios, en cada fase de los devanados secundarios se inducirán f.e.m. que serán distintas en valor modular, pero en el tiempo estarán todas ellas en fase por estar inducidas por un mismo flujo, de eje fijo en el espacio. Si a esto añadimos que los dos rotores ocupan la



misma posición relativa en el espacio respecto a los rotores, las f.e.m. en cada una de las fases homólogas del transmisor y receptor serán iguales y opuestas, con lo que no circulará corriente entre ambos devanados y por lo tanto no se producirá ningún par, tanto en el transmisor como en el receptor. Si ahora hacemos girar el rotor del transmisor un ángulo θ1, aparecerá una corriente en cada una de las fases, las cuales darán lugar en el receptor a un par que tenderá a hacerle girar el mismo ángulo θ1. Con esto se consigue que el rotor del receptor sea un indicador de la posición del rotor del generador. La siguiente figura muestra la curva de par en función del ángulo de un selsyn de posición, cuando su velocidad está próxima a 0, a 1.000 y a 1.500 revoluciones por minuto.

El mismo selsyn transmisor puede accionar varios selsyn receptores, sólo con la premisa de que sea capaz de ceder la corriente total necesaria, como se muestra en la siguiente figura:

Constructivamente, los selsyn de posición se asemejan a pequeños motores de inducción con la diferencia de que el rotor es de polos salientes. En estos aparatos el par oscila entre 0,001 m·kp en los más pequeños hasta 0,01 m·kp en los mayores. Una variante de los selsyn de posición incluye un selsyn diferencial, como se muestra en la siguiente figura.

Este tipo contiene entre el emisor y el receptor un transformador trifásico giratorio, cuyos devanados estatórico y rotórico son iguales y montados en estrella siendo conectados al emisor y al receptor respectivamente. Con la introducción de este selsyn diferencial lo que se pretende es que si se hace girar el rotor de S2, será el rotor del selsyn diferencial Sd el que gire el mismo ángulo pero en sentido



opuesto; si hacemos gira el rotor del selsyn S1, quien girará el mismo ángulo y en el mismo sentido será el rotor de Sd; si giran simultáneamente los rotores de S1 y S2 en el mismo sentido, el rotor de Sd girará un ángulo igual a la diferencia de los ángulos girados por S1 yS2, y si los giros se mantienen en el tiempo, el resultado es que la velocidad angular de giro del selsyn diferencial es la diferencia de velocidades angulares de los selsyn S1 yS2. Si por cualquier causa, se invierten las conexiones de uno de los selsyn (receptor o transmisor), en el selsyn diferencial tendremos la suma de los ángulos o de las velocidades angulares. Por último, cabe destacar que el error estático que se puede tener en una transmisión selsyn de posición simple, es del orden de 1º , error debido sobre todo a los rozamientos de cojinetes. Las oscilaciones del rotor alrededor de su posición final, pueden determinar errores dinámicos del orden del doble, o triple, del error estático. 3.3.- Selsyn detector o transformador de control. Si en el selsyn de posición simple alimentamos únicamente el rotor del transmisor y conectamos al rotor del receptor un voltímetro, la tensión que se induce en el rotor del receptor, que es la que nos mide el voltímetro, está en función del desplazamiento angular entre los ejes de los dos rotores. El esquema de conexión se ve en la siguiente figura:

Al no tener en este caso corrientes inducidas en el rotor del receptor, no hay transmisión de par mecánico alguno, por lo que la posición del rotor del emisor, que viene a ser la magnitud de entrada del sistema en este tipo de selsyn, es transformada en una tensión eléctrica que constituye la magnitud de salida. La magnitud de la tensión de salida es sensiblemente proporcional al seno del ángulo de error, o sea, del ángulo complementario del que forma entre sí los ejes de los devanados monofásicos rotóricos del transmisor y del receptor y la polaridad instantánea depende del sentido de giro. Suponiendo que los rotores son cilíndricos y las pérdidas nulas, las f.e.m. inducidas en las fases estatóricas serán proporcionales a los cosenos de los ángulos que forma el eje del devanado del rotor con los ejes de las fases estatóricas. Designado por θ1 el ángulo en el transmisor de la fase A, las f.e.m. inducidas en su estator serán:

1θCosEE ma =

)120( 1o

ma CosEE −= θ

)240( 1o

ma CosEE −= θ Las ecuaciones anteriores determinarán la circulación de las corrientes Ia, Ib e Ic por las fases A, B y C estatóricas. Este tipo de selsyn es corrientemente utilizado en los dispositivos de regulación y posicionamiento automático de alta precisión, en los que no cabe recurrir a un selsyn de posición por su excesivo error estático y dinámico. Para estos casos, la tensión de salida del selsyn, que de coincidir exactamente la posición del eje del rotor con la posición correcta sería nula, constituye la señal de error, la cual convenientemente amplificada por un amplificador electrónico de alta impedancia de entrada, se aplica al motor que acciona el mecanismo de regulación, o de posición. También se puede utilizar no sólo un único transmisor para un receptor, sino que si tiene capacidad suficiente, puede activar varios receptores, denominándose sincrodetector. Los principales errores estáticos que pueden producirse en un selsyn de detección, son debidos a diferencias entre las resistencias y las reactancias de dispersión de los devanados estatóricos del emisor y



del receptor y a desequilibrios entre las reactancias de inducción mutua entre el devanado rotórico y los devanados estatóricos de una y otra máquina, siendo errores del orden de ± 0’3º . 4.- Motor de cc de imán permanente Un motor de cc de imán permanente es un motor cuyos polos son hechos de imanes permanentes. En esencia, es un motor en derivación en el cual su circuito de campo se reemplaza por imanes permanentes. Estos motores algunas veces se emplean para manejar pequeñas cargas en lugar de motores en derivación, puesto que son menos complicados. Por definición, en un motor de imán permanente el flujo es fijo, así que su velocidad no puede controlarse mediante la variación de la corriente o flujo de campo. Los únicos métodos disponibles para el control de la velocidad de este motor son los de variación del voltaje de armadura y de la resistencia de armadura. 5.- Motores de reluctancia Este motor depende de un par de reluctancia para su operación. El par de reluctancia es el par producido en un objeto de hierro (tal como un perno) en presencia de un campo magnético externo, el cual hace que el objeto tienda a alinearse con este campo. Este par ocurre porque el campo magnético externo induce en el hierro del objeto un campo magnético interno y aparece un par entre los dos campos, torciendo el objeto para alinearlo con el campo externo. Para que se produzca el par de reluctancia en un objeto, éste debe ser estirado a lo largo de los ejes con ángulos que correspondan a los que existen entre polos adyacentes del campo magnético externo.

En la figura anterior se muestra un esquema simple de un motor de reluctancia de dos polos. Se puede demostrar que el par aplicado al rotor de este motor es proporcional al sen 2 δ, donde δ es el ángulo eléctrico entre el campo magnético del rotor y del estator. Por lo tanto, el par de reluctancia de un motor es máximo, cuando el ángulo entre el campo magnético del rotor y el estator es de 45°. Un motor de reluctancia del tipo mostrado es síncrono, puesto que el rotor se fijará en el campo magnético del estator mientras no se exceda el par de desenganche del motor. Tal como un motor síncrono, no tiene par de arranque y no puede arrancar por sí mismo.



Modificando el rotor de un motor de inducción, como se muestra en la figura, se puede construir un motor de reluctancia con autoarranque, que operará a velocidad síncrona hasta que se exceda su máximo par de reluctancia. En la figura, el rotor tiene polos salientes para la operación en estado estacionario, como motor de reluctancia, y también tiene devanados de jaula de ardilla o amortiguadores, para el arranque. El estator de este motor se puede construir monofásico o trifásico. En la figura se muestra la característica par-velocidad de este motor, al cual algunas veces se le llama motor síncrono de inducción.

Una variación interesante de la idea de este motor, es el motor Syncrospede. Su rotor se muestra en la siguiente figura. Utiliza “guias de flujo para incrementar el acoplamiento entre caras polares adyacentes y el par de reluctancia máxima del motor. Con estas guias de flujo, el par reluctancia máximo, se puede incrementar alrededor del 150% del par nominal, al compararlo con el 100% del par nominal de un motor de reluctancia convencional.

6.- El motor de histéresis Este es un motor de propósito especial que emplea el fenómeno de histéresis para producir un

par mecánico. El rotor de este motor es un cilindro liso de material magnético, sin dientes, protuberancias o devanados. El estátor del motor puede ser mono o trifásico, pero si es monofásico se debe usar un condensador permanente en el devanado auxiliar, para suministrar un campo magnético tan suave como sea posible, puesto que esto reduce bastante las pérdidas del motor. La siguiente figura muestra la operación básica de este motor:

Cuando se aplica al estator del motor una corriente trifásica (o monofásica con devanado auxiliar), aparece dentro de la máquina un campo magnético giratorio, el cual magnetiza el metal del rotor e induce dentro de él polos.Cuando el motor opera por debajo de la velocidad síncrona, hay dentro de el dos fuentes de par. La mayor parte del par es producido por histéresis. Cuando el campo magnético del estator barre alrededor de la superficie del rotor, el flujo del rotor no puede seguirlo exactamente, porque el metal del rotor tiene grandes pérdidas de histéresis. Mientras mas grandes sean las pérdidas, mas grande será el ángulo por el cual el campo magnético del rotor atrasa al campo magnético del estator. Puesto que los campos magnéticos del estator y del rotor tienen ángulos diferentes , se producirá en el



motor un par finito. Adicionalmente, el campo magnético del estátor produce en el rotor corrientes parásitas que producen su propio campo magnético, generando un incremento adicional del par en el rotor. Mientras más grande sea el movimiento relativo entre el rotor y el campo magnético del estátor, más grandes serán las corrientes parásitas y los pares que estas producen. Cuando el motor alcanza la velocidad síncrona, el flujo del estator deja de barrer a través del rotor y éste actúa tal como un imán permanente. En este momento, el par producido en el motor es proporcional al ángulo entre los campos magnéticos del estator y del rotor, hasta alcanzar el ángulo máximo establecido por la histéresis en el rotor. En la figura se muestra la característica par-velocidad de este motor. Puesto que la cantidad de histéresis dentro de un rotor particulares función solamente de la cantidad de flujo del estator y del material del cual está hecho, el par de histéresis es aproximadamente constante para cualquier velocidad desde cero hasta nsinc. El par de las corrientes parásitas es bastante proporcional al deslizamiento del motor.

Puesto que el par de un motor de histéresis a cualquier velocidad subsíncrona es mas grande que su par síncrono máximo, un motor de histéresis puede acelerar cualquier carga que pueda mover en operación normal. 7.- Motores paso a paso 7.1.- Introducción Un motor paso a paso convierte la información digital en movimientos mecánicos proporcionales: es un dispositivo electro-mecánico cuyo eje gira en pasos discretos, siguiendo unos impulsos ordenados en número y velocidad cuando trabaja a partir de una fuente que proporciona una corriente inversa programada. Después de la aparición de los motores paso a paso en aplicaciones que tradicionalmente empleaban control digital, se hacen mas evidentes las ventajas de precisión y rápido posicionamiento de objetos utilizando control electrónico, pero en cambio éstos permiten una mayor variedad de aplicaciones, entre ellas:

- accionamiento de cintas magnéticas y de papel; - Teletipos o impresoras de cinta; - Control del diafragma de cámaras, transporte de películas, etc; - Trazados gráficos (plotters); - Equipos médicos como muestradores de sangre, bombas de riñón artificial y analizadores de

pulmón; - Taxímetros, lectores de tarjetas, básculas automáticas y sistemas de etiqueta; - Convertidores analógico/digitales e indicadores remotos de posición; Todos estos dispositivos tienen una cosa en común: noción de control. Sin embargo, donde es

necesario control de movimiento y/o posicionado, se utilizan motores paso a paso, normalmente con ventajas.

Desde el punto de vista mecánico, estos motores tienen control de posición simple, exacto y preciso, aunque son necesarios algunos circuitos electrónicos. Sólo se pueden obtener las prestaciones completas de un motor paso a paso si éste ha sido excitado correctamente. Para ello se necesita una fuente de corriente continua, una conmutación electrónica y una fuente de impulsos de control (información digital). El motor se mueve un paso por cada impulso de control aplicado al conmutador electrónico. El ángulo de paso depende del tipo de motor y puede variar desde 1,8° hasta 15°. Consecuentemente, si suministramos 24 impulsos al conmutador, el eje del motor con ángulo de paso de 15°, completará una revolución. El tiempo que tarda en esta acción es función de la velocidad a la cual se aplican los impulsos de control. Estos pueden ser generados por un



oscilador con frecuencia ajustable, o procedentes de diversas fuentes: cinta perforada, cinta magnética, etc. 7.2.- motores paso a paso de imán permanente El ángulo de paso de este motor depende de la relación entre el número de polos magnéticos en su estator y el número de polos magnéticos en su rotor. Como este último es un imán permanente cilíndrico, los polos son fijos, y su número está limitado, debido a las características del material magnético. Con un rotor de imán permanente, solo se pueden obtener algunos de paso grande. Sin embargo, puede reducirse el ángulo de paso utilizando mas estatores. Esto permite que se obtengan ángulos de paso inferiores a 3,75°. El ensamblaje estator contiene dos o mas estatores, cada uno de los cuales tiene una bobina a través de la cual pasa corriente para formar un campo magnético. Invirtiendo el sentido de circulación de la corriente en una bobona, se invierten los polos norte y sur. Invirtiendo la corriente a través de las sucesivasbobinas del estator

Se crea un campo magnético giratorio al cual sigue el rotor del imán permanente. Por tanto, la

velocidad de giro está gobernada por la velocidad a la cual son conmutadas las bobinas del estátor (y por tanto los polos electromagnéticos) y por el sentido de rotación de la secuencia de conmutación real. 7.3.- Motores para accionamiento unipolar Cada bobina del estátor tiene una toma central que está conectada a un terminal de la alimentación. Las dos mitades de la bobina de conmutación hacen que se inviertan los polos magnéticos del estátor. 7.3.1.- Motores de dos estatóres (4 fases) La siguiente figura muestra un motor paso a paso de 4 fases en el que las fases P y R están activadas:

El rótor adopta la posición indicada. Si se acciona el conmutador S1 (fases Q y R activadas), se obtienen las condiciones ilustradas en la siguiente figura:



El rótor se ha desplazado 90°. Por lo tanto accionando los conmutadores S1 y S2 alternativamente, se puede hacer que el rótor gire en pasos de 90° y variando la secuencia de conmutación puede invertirse el sentido de rotación. Estos motores tienen un estátor de 4 fases y un rótor con 24 polos (ángulos de paso de 7° 30′) ó 12 polos (ángulo de paso de 15°). 7.4.- Motores para accionamiento bipolar Las bobinas del estátor no tienen toma central. En vez de utilizar alternativamente media bobina para producir una inversión de la corriente que circula a través de los devanados del estátor (como para accionamiento unipolar), la corriente ahora se invierte a través de la bobina entera mediante la conmutación de ambas lineas de alimentación. Su funcionamiento es igual que el unipolar. 7.4.1.- Motores con dos estatores (2 fases) En la figura se muestra el funcionamiento de un motor de dos fases con accionamiento bipolar:

Estos motores tienen el estátor de dos fases y un rótor de imán permanente con 24 polos (ángulos de paso de 7° 30′) ó 12 polos (ángulo de paso de 15°). El diseño es similar al de los unipolares. El flujo del estátor de un devanado bipolar se invierte al invertir la corriente a través del devanado. Con una excitación de corriente constante, el motor bipolar puede ser utilizado con una alta relación de pasos. Para un funcionamiento continuo con una elevada relación de pasos, la temperatura del motor aumenta



debido a las pérdidas, las cuales deben tenerse en cuenta en el cálculo de la máxima temperatura ambiente de trabajo. 7.4.2.- Motores con cuatro estatores (4 fases) En la figura se muestra el motor de cuatro fases con excitación bipolar:

Estos motores tienen un estator de 4 fases y un rotor de imán permanente con 24 polos (ángulos de paso de 3° 45′) ó 12 polos (ángulo de paso de 7° 30′). El flujo del estátor se obtiene activando las cuatro fases. La corriente a través de una de las bobinas está invertida, con lo que se invierte el flujo debido a ésta. Con una excitación de corriente constante estos motores giran con relaciones de paso muy elevadas. Sin embargo, debemos advertir que estos motores no están diseñados para funcionar continuamente a elevadas velocidades, pues las pérdidas en el motor causarían un sobrecalentamiento. 7.5.- Características del accionamiento bipolar Las ventajas de utilizar estos motores se muestran en la siguiente figura:

En esta figura se comparan las características de un motor unipolar con su versión bipolar. Se

observa un considerable incremento del par disponible utilizando la versión bipolar, pero la electrónica asociada es mas compleja.



7.6.- Métodos de accionamiento Estos métodos pueden ser utilizados dependiendo de la configuración de las bobinas y en el

circuito lógico en el cual estas están conmutadas

7.6.1.- ¿Unipolar o bipolar? Hay tres tipos de motores en nuestra serie: Unipolar de 4 fases y bipolar de 2 y 4 fases. Los motores unipolares de cuatro fases tienen dos bobinas en un carrete por cada estator. Los de dos estatores tienen 4 bobinas. Debido a que las bobinas ocupan el mismo espacio que una simple bobina en los tipos de motores bipolares equivalentes, el alambrado es mas delgado y la resistencia de la bobina mas alta. Los motores unipolares pueden necesitar un circuito de accionamiento simple, solo cuatro transistores de potencia en vez de ocho. Ademas, son menos críticos los tiempos de conmutación necesarios para evitar que los transistores en conducción cortocircuiten la alimentación, como con accionamiento bipolar. Así, los motores unipolares con accionamientos implicados tienen menor par y una relación de pasos mas baja que sus equivalentes bipolares, aunque con relaciones de paso mas altas.

Los motores bipolares tienen una bobina por carrete de modo que los motores de dos estatores tienen dos bobinas y los de cuatro, cuatro. El flujo del estator se invierte invirtiendo la corriente a través de los devanados. Como se muestra en la figura, se necesita un accionamiento bipolar en configuración push-pull:



Hay que tener cuidado con los tiempos de conmutación, para asegurar que los dos transistores en oposición no conduzcan al mismo tiempo. Trabajando correctamente, los devanados bipolares dan unas optimas características del motor para las relaciones de pasos bajos y medios. 7.6.2.- Accionamiento de onda Consiste en activar un devanado cada vez, como se muestra en la figura anterior. Este método produce el mismo incremento que la secuencia de 4 pasos. Ya que se acciona un solo devanado, el par de mantenimiento y el par de trabajo se reducen el 30%. Esto puede, dentro de unos límites, ser componsado incrementando la tensión de alimentación. Esta forma de accionamiento es muy eficaz, pero a costa de reducir la precisión del paso. 7.6.3.- Método de medio paso También es posible que un motor paso a paso trabaje en secuencias de medio paso, pasos de 3,75° en un motor de 7.5°, por ejemplo. Una posible desventaja para algunas aplicaciones es que el par de mantenimiento es fuerte y dévil en pasos alternativos, porque en un paso, dos devanados están activados y en el otro paso solo uno. También, debido a que los devanados y la trayectoria del flujo son diferentes en pasos alternativos, la precisión del paso será peor que cuando trabajaba a paso completo. En la siguiente figura se muestra el principio de medio paso y la secuencia de conmutación apropiada en la figura anterior:



8.- Maquinas sin escobillas. (máquinas brushless)

8.1.- Generalidades La máquina sin escobillas se compone de un estator que contiene los devanados, de un rotor de imán permanente y de un sensor de posición de rotor. Por sus características, se puede compara con un motor paso a paso de imanes permanentes. 8.1.2.- creación de un par. Si un devanado es alimentado por una corriente constante y si la distribución de la inducción es senoidal, se puede expresar el par bajo la forma:

C(αa)= CM sen (αb-αa) Por lo tanto es máximo cuando el momento magnético del imán rotórico y el eje del devanado forman un ángulo de 90º (posición de los polos llamada “en potencia”).

8.1.3.- Analogía con la máquina de corriente continua En el caso de la máquina de corriente continua, la condición de par máximo es efectuada mecánicamente por el colector y las escobillas.

El montaje de las escobillas asegura la perpendicularidad del campo creado por el devanado del inducido con el campo creado por el inductor. En el caso de la máquina sin escobillas es fundamental para obtener un resultado análogo, que la alimentación de los devanados se efectúe teniendo en cuenta la posición del eje magnético del imán rotórico en relación a los ejes de estos devanados.

Según la potencia de la máquina y para un buen aprovechamiento del espacio magnético, se pueden alimentar varios devanados simultáneamente. En este caso, si el circuito magnético no está, saturado los campos se disponen creando un campo resultante donde se utiliza la situación de eje para determinar la posición en modo de control “en potencia”.



Por tanto, las máquinas sin escobillas deben incluir necesariamente sensores de posición, cuyas señales son utilizadas por el sistema electrónico que impone la conmutación de las corrientes en los devanados; estamos hablando de las máquinas “autocontroladas”. 8.1.3.- Fuerza contraelectromotriz La rotación del motor imantado crea en los devanados una variación del flujo que engendra una fuerza contraelectromotriz. e= -dϕT / dt ec=+dϕT/dt donde: -e, es la fuerza electromotriz. -ec, es la fuerza contraelectromotriz. -ϕT, flujo total abarcado por la bobina. Esta fuerza contraelectromotriz es proporcional a la velocidad de rotación del rotor. También depende de la posición del rotor, no siendo siempre regular la distribución de los conductores en el entrehierro. 8.2.-Máquinas de fuerzas contraelectromotrices trapezoidales. 8.2.1.- esquemas eléctricos equivalentes Estudiemos, por ejemplo, una máquina con tres devanados desplazados 120 grados sobre la periferia del estator y cuyo rotor es impulsado a velocidad de rotación constante. La distribución de los conductores en el entrehierro es tal que se obtiene, en los bornes de los devanados, las fuerzas contraelectromotrices representadas en la siguiente figura:

Si el rotor es impulsado en el otro sentido, las fuerzas contraelectromotrices son invertidas.

La amplitud Ec es proporcional a la velocidad de rotación del rotor:

Ec= K1*ω

Donde K1 es el coeficiente de proporcionalidad (coeficiente de velocidad). Cuando sólo se alimenta un devanado, se puede tomar como modelo el esquema expuesto en la siguiente figura.



Como todos los devanados están unidos magnéticamente una variación de corriente en uno de ellos provoca una variación del flujo (por tanto, de las f.e.m de inducción mutua) entre los otros. Si M es el coeficiente de inducción mutua, se obtiene el esquema eléctrico equivalente del devanado número 1 de la siguiente figura:

8.2.2.- Sensores de posición Para alimentar los devanados en el momento justo a fin de que las corrientes estén en fase con las fuerzas contraelectromotrices, es indispensable conocer la posición del rotor a tiempo real. Las máquinas de fuerzas contraelectromotrices trapezoidales incluyen sensores de efecto Hall, dispuestos en torno a la periferia del estátor. 8.3.- Máquinas de fuerzas contraelectromotrices senoidales 8.3.1.- principios Para este tipo de máquina, la distribución de los conductores en las ranuras es tal que, si el rotor gira a velocidad constante, las fuerzas contraelectromotrices inducidas son alternas y senoidales. En cuanto a su constitución, este tipo de máquina es totalmente comparable a una máquina síncrona. La posición del rotor se deduce de las señales suministradas por un resolver. Éste proporciona, asimismo, un sistema con tres tensiones alternas senoidales de amplitud constante en fase con las fuerzas contraeletromotrices de los devanados. 8.4.- Análisis comparativo 8.4.1.- Fuerzas contraelectromotrices trapezoidales / fuerzas contraelectromotrices senoidales. Se demuestra que, para un motor sin escobillas girando a una velocidad determinada y proporcionando un par dado (por tanto, una potencia fija,) la solución trapezoidal requiere:

• 30% de flujo más (más imanes). • 15% de corriente eficaz menos (menor calentamiento). • 33% de corriente de pico menos.



8.4.2.- Máquinas sin escobillas/máquinas con escobillas

Ventajas de las M.C.C. sin escobillas Ventajas de las M.C.C. con escobillas

Potencia volumétrica elevada (alrededor de 1,3 veces la de un motor con escobillas)

Sencillez del variador

Perdidas de Joule producidas en el estátor (pérdidas de Joule de rotor pequeñas.

Bajo precio

Potencia de cresta elevada Carece de electrónica interna Sin mantenimiento (no hay escobillas) Se adaptan bien a velocidades muy bajas

teniendo una regularidad de funcionamiento excepcional.

Velocidad máxima elevada(no está limitada por el colector)

Sin valores máximos de conmutación destructivos

Utilizables en atmósferas polucionadas.


Tema10 - Maquinas Electricas Especiales

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