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Electrónica y Telecomunicaciones
MOTORES ELÉCTRICOS
Nuestra Polimórfica. A esta máquina le tenía en gran aprecio nuestro querido profesor D.José
Yoldi. Se encontraba expuesta en el laboratorio de Máquinas eléctricas del edificio antiguo.
INTRODUCCIÓN.
A menudo vemos a los técnicos electrónicos advenedizos deambular alrededor
de la máquina y el armario eléctrico, observando con semblante taciturno y meditabundo, sin atreverse a confesar que más de la mitad de lo que están viendo les resulta totalmente desconocido. Yo les animo porque sé que en apenas un par de días,
si el individuo tiene madera, casi todo aquello le resultará familiar y se reirá al recordar el apuro de ahora mismo. En este capítulo vamos a entretenernos observando
algunos detalles generales sobre los motores eléctricos, cuestiones que debemos
conocer al menos superficialmente.
MOTOR.
El componente eléctrico por excelencia es el Motor, que convierte la energía
eléctrica en mecánica. Si no se dice otra cosa solemos suponer que el motor gira y por
eso, cuando escuchamos su nombre automáticamente nos imaginamos un eje con un
volante, polea o engrane, girando, pero afinando en el significado del término, resulta
que el conjunto imán-bobina de un altavoz clásico también se llama motor, pues también transforma la energía eléctrica en movimiento, aunque éste no sea giratorio. Y el
vibrador del móvil o ese al que se recurre en los chistes y películas de baja calidad.
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Nosotros nos vamos a centrar en el motor que seguramente encontraremos compartiendo el trabajo con los sistemas electrónicos de las máquinas a las que vamos a
servir. El primer detalle que hemos de tener en cuenta de un motor eléctrico es que su
movimiento es consecuencia de fuerzas debidas a campos magnéticos que evolucionan por su interior. Estos campos son creados por corrientes eléctricas a las que se
hace circular por bobinas. En los motores pequeños utilizados, por ejemplo, para el
enfoque de máquinas de fotos, juguetes, etc., se combinan los campos creados por la
corriente eléctrica y los de imanes permanentes.
MOTOR DE CONTINUA Y DE ALTERNA.
Cuando, al echar un vistazo a un sistema del cual conocemos aún muy pocos
detalles, tenemos que entablar contacto con un motor, además de fijarnos en su tamaño y potencia, nos solemos preguntar si es de corriente continua o alterna: "...¡¿Es
de continua o alterna?!...". Puede que su perfil no se corresponda con ninguno de los
dos, pero hacernos esta pregunta es de lo más normal, porque de su respuesta deducimos algunos detalles sobre su comportamiento, que, evidentemente, tendrá mucho
que ver con las necesidades del puesto que atiende.
MOTOR Y GENERADOR.
Los motores eléctricos son máquinas reversibles. Esto significa que aplicándole
energía mecánica haciéndole girar a su eje, éste la convierten en eléctrica y se hace
dinamo si produce corriente continua, o alternador si es alterna.
MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA.
El movimiento giratorio de los motores de C.C. se
basa en el empuje derivado de la repulsión y atracción
entre polos magnéticos. Creando campos constantes
convenientemente orientados en estator y rotor, se origina un par de fuerzas
que obliga a que la armadura (también le llamamos así al rotor) gire buscando "como loca" la posición de equilibrio. En a
figura, la armadura tiene
conectadas a la corriente
una sola pareja de sus
bobinas. La conexión es a
través de escobillas (los
cuadrados negros), que se
deslizan sobre unos anillos conductores llamados delgas. Cuando el giro haya alcanzado cierto ángulo las
escobillas ya no tocarán en las mismas delgas sino en
otras, que alimentan a su vez a otras bobinas. Según
vemos, los campos creados tienen una posición de equilibrio que hace girar al rotor
hacia la derecha, y la situación se mantendrá hasta que casi se alcance el punto de
reposo. Sin embargo, antes se produce la conmutación y queda alimentada una nueva
pareja de bobinas y se renueva la inestabilidad culpable del giro.
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PARTES FUNDAMENTALES DE UN MOTOS DE CC.
Estator. Es el que crea el campo magnético fijo, al que le llamamos Excitación. En
los motores pequeños se fabrica con
imanes permanentes. Cada vez se construyen imanes más potentes, y como consecuencia aparecen en el mercado motores de excitación permanente mayores.
Rotor. También llamado armadura. Lleva las
bobinas cuyo campo crea, junto con el del
estator, el par de fuerzas que le hace girar.
Escobillas. Generalmente son dos tacos de grafito que hacen contacto con las
bobinas del rotor. A medida que éste gira, la conexión se conmuta entre las bobinas, y debido a ello se producen chispas que generan calor. Para resistirlo, las
escobillas se fabrican normalmente de grafito, y su nombre se debe a que los
primeros motores llevaban en su lugar unos paquetes hechos con alambres de
cobre dispuestos de manera que al girar el rotor "barrían", como pequeñas escobas, la superficie sobre la que tenían que hacer contacto.
Colector. Los contactos entre escobillas y
bobinas del rotor se llevan a cabo intercalando una corona de cobre partida en sectores. El colector consta a su vez de dos
partes básicas:
a. Delgas. Son los sectores circulares, aislados entre sí, que tocan con las escobillas y a su
vez están soldados a los extremos de los conductores que
conforman las bobinas del rotor.
b. Micas. Son láminas delgadas del mismo material, intercaladas entre
las delgas de manera que el conjunto forma una masa compacta y
mecánicamente robusta.
Visto el fundamento por el que se mueven los motores de C.C., es facil intuir que la
velocidad que alcanzan éstos dependen en gran medida del equilibrio entre el par
motor en el rotor y el par antagonista que presenta la resistencia mecánica en el eje.
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VELOCIDAD DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA.
Como ya hemos dicho, la configuración más popular es la de excitación independiente, y a ella se refieren las dos consideraciones que vienen a continuación:
1. La velocidad es proporcional al valor de la tensión media de C.C. esto es válido siempre que se mantengan constantes las condiciones de excitación y
el par mecánico resistente.
2. El valor de la tensión media aplicada a las conexiones de la armadura del
motor se distribuye fundamentalmente de la forma:
U = (R × I ) + E
(1)
U: Tensión media aplicada.
RxI: Caída de tensión debida a la corriente que circula por el inducido.
E: Fuerza contraelectromotriz inducida (velocidad).
Según el punto (1), la velocidad se puede variar empleando rectificadores controlados para proporcionarle en todo momento la tensión media adecuada. Para medir
su velocidad podemos emplear, según el punto (2), un método alternativo a la dinamo
tacométrica, que consiste en restar a la ecuación (1) la caída de tensión (RxI) en la
resistencia de las bobinas de armadura, (con amplificadores operacionales esto está
"chupao") quedándonos solo con el valor correspondiente a la fuerza contraelectromotriz (E).
En nuestro entorno se tiende a pensar que allá donde encontremos motores de
corriente continua es muy posible que sea debido a la necesidad de tener que poder
variar la velocidad de forma sencilla.
CAJA DE BORNAS.
El bornero de un motor de C.C. suele
proporcionar dos parejas de conexiones,
una para la excitación, y otra para la armadura. Al tratarse de devanados para corriente continua sus bornes estarán coloreados,
habitualmente de rojo y negro. Las tomas
de estator y rotor deben ir debidamente
diferenciadas, pero aún sin señales puede
distinguirse entre una y otra porque las de
la armadura son de sección sensiblemente
mayor.
Armadura
Excitación
MOTOR UNIVERSAL.
Si un motor de C.C. se monta en serie o paralelo, aunque le alimentemos con
CA, como la relación de campos entre estator y rotor, y por lo tanto de fuerzas, siempre es la misma, siempre aparece par de giro y, por tanto, funciona. En realidad en su
diseño se tiene en cuenta si el motor trabajará en CA y se fabrican especialmente para
ambos entornos. Son los famosos motores Universales. El motor universal se monta
normalmente en configuración serie y ocupa un lugar de honor en los utensilios domésticos y de bricolaje. Allí donde se necesite una potencia mecánica elevada y un
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precio muy bajo, estará presente. Así, lo encontramos en
el secador de pelo, el molinillo de café, el taladro, la lijadora, la sierra circular, etc. Se
distinguen enseguida porque
las máquinas que lo incorporan son muy ruidosas, debido
a su gran velocidad, ya que es
gracias a ella como se consigue un par tan elevado. La
diferencia más reseñable
entre el motor de CC y el universal es que en éste, al tener
que trabajar con flujos alternos, para disminuir las pérdidas por corrientes de Foucoult la armadura es de chapas, como la de los de CA.
AVERÍAS.
La avería típica, si se le puede considerar como tal, de un motor de continua es
el desgaste de escobillas. Es natural que con el tiempo, al tener que rozar con las delgas del colector, los carbones terminen desgastándose y acortándose, dejando de
hacer contacto. Cuando las escobillas empiezan a gastarse el motor tiene problemas
para arrancar, pero después de ponerlo en marcha funciona casi normalmente. Cuando el deterioro es más avanzado el motor se para "cuando le viene en gana". La mejor
reparación es el cambio de carbones por otros construidos para el mismo motor, pero
en un apuro también podemos modelar tochos similares a partir de escobillas para
máquinas mayores que no suelen faltar en el almacén del taller.
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...¡¿Y ahora qué?!. Teníamos que taladrar el circuito impreso porque la prueba iba a tener
lugar en unos minutos allí mismo, y habíamos quedado con gente a la que no podíamos
defraudar. En aquel lugar solo podíamos contar con un viejo taladro que hacía tiempo se
quedó sin escobillas porque el mamón de turno, algún día se llevó las gastadas para usarlas como muestra y comprar otras iguales. Entonces yo fumaba como un carretero, y con
el papel de plata del paquete de Ducados preparé dos especies de acordeones que encajaban en los portaescobillas...¡Y taladramos la placa!.
Otro efecto es el desgaste de las delgas, que produce chispas abundantes,
deterioro de las escobillas y calentamiento. Se soluciona torneando el colector, operación que aunque nosotros no solemos realizar habitualmente, conviene que sepamos
advertir cuándo es necesaria. Los técnicos eléctricos le llaman a esta avería "Micas
altas" porque las láminas aislantes sobresalen por encima de las delgas rebajadas.
El corte de una o más bobinas del rotor, cuyo punto débil suele ser la conexión
con las delgas, suele provocar también chisporroteo y extraños en el arranque. Una
solución que podemos aplicar con muchísimo cuidado, y solo si la necesidad es vital,
consiste en cortocircuitar las delgas pertenecientes a la bobina interrumpida, con las
vecinas.
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Siendo yo aún estudiante de Ingeniería técnica, mi padre trajo a casa un taladro eléctrico
que en el taller habían tirado a la basura porque su inducido se había cortado. Me insinuó
que lo revisara, y que si la interrupción afectaba a una sola bobina, cortocircuitara sus [email protected]
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gas con las vecinas. Me resistí a acometer semejante chapuza porque los libros decían
que eso supondría un cortocircuito y provocaría desastres de consecuencias insospechadas. Mientras en una mano sostenía el rotor recién desmontado, mi padre me guiñó un ojo
diciendo: "...¡El que ha escrito eso solo ha visto estos chismes en fotografía!...". A continuación me presentó un esquema que me convenció. Sí, lo que hice era una chapuza pero
¡Cuántos agujeros habremos hecho con aquella máquina!.
MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA.
Es la "alternativa" a la máquina de corriente continua. Su característica más
peculiar es que la velocidad del rotor es consecuencia de la frecuencia de la red que
lo alimenta. Otro detalle no menos importante es que la transmisión de corriente al
rotor se puede resolver por inducción, como en un transformador, sin necesidad de
entablar contacto físico entre éste y el entorno inmóvil. Esta es la razón por la que a
estos motores se les llama también de inducción. En ellos, las piezas Estator y Rotor,
pueden tomar aquí también los nombres de Inductor e Inducido, aunque parece ser
que este último detalle, según algunos técnicos, no tiene que ver con esto, y los adjetivos inductor e inducido se pueden aplicar
también a las piezas del motor de corriente
continua porque el estator "induce" al rotor a
girar...No sé, ni me importa mucho emplear
ahora tiempo para verificar esta cuestión.
El fundamento del movimiento en las máquinas de corriente alterna son los campos
magnéticos circulares. Si conectamos un
juego de bobinas como las de la figura a una
fuente de corriente alterna trifásica, en el
entrehierro aparecerá un campo magnético
giratorio, y si ponemos una pieza imantada,
ésta girará con él. La manera de generar el
campo magnético del rotor marca la gran
diferencia entre los dos tipos de motor de CA:
El Síncrono y el Asíncrono.
MOTOR SÍNCRONO.
No es el más popular en nuestro
entorno, pero sí el más asequible en el
sentido de que es fácil de entender su
funcionamiento. Se trata de una máquina
en la que el rotor presenta polos magnéticos remanentes, que pueden provenir
incluso de imanes permanentes. La figura
anterior sirve como ejemplo. Es evidente
que este motor gira a una velocidad que
coincide exactamente con la frecuencia
de la red de CA que alimenta las bobinas
del estator, de ahí el nombre síncrono.
Para alimentar las bobinas que generan el
campo del rotor es necesaria una conexión eléctrica pero ésta es mucho más sencilla
que la de los motores de CC porque basta con dos anillos rozantes, como se ve en la
fotografía.
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El reverso del motor síncrono, el alternador, es el alma Mater de los dispositivos generadores de energía eléctrica. Muchas son las cosas que se pueden estudiar
sobre esta respetable máquina, pero no es materia para este capítulo. Entre las aplicaciones cotidianas del motor síncrono tenemos los programadores de lavadora, que
como son tan pequeños tienen el rotor de imán. También son síncronos los platos
giradiscos que se empleaban para los antiguos discos de vinilo. Y las bombas de las
peceras, cuyo rotor es un imán permanente solidario con los álabes y sumergido en el
agua y el estator está perfectamente blindado en un mazacote de epoxi.
Los grandes motores síncronos hay que arrancarlos poniendo cuidado en la
maniobra, una cualidad que los hace menos aconsejables que los tipos que veremos
a continuación.
MOTOR ASÍNCRONO.
En este caso, el mecanismo que genera la corriente del rotor es un ingenioso
sistema de inducción que permite simplificar significativamente la máquina. Tienen un
rotor construido con bobinas en cortocircuito que, al estar acopladas magnéticamente
con las del estator conducen corriente y por tanto generan campos magnéticos que en
combinación los del estator mantienen una gran solidaridad mecánica entre ellos. Se
les llama asíncronos porque, como veremos, el campo del inductor gira ligeramente
más rápido que el rotor.
-
Siendo estudiante, durante mucho tiempo no logré entender, (creer tenía que hacerlo porque lo veía en los motores que yo mismo reparaba) los entresijos de la interacción entre el
estator y el rotor de estos motores. Preguntaba y, ¡sí!, todos sabían... pero hasta que tenían
que demostrarlo. Es una cuestión que me dejó muy resentido y receloso del verdadero conocimiento "popular" que se cocía en mi entorno. Al final opté por hacer algunas pruebas,
a resultas de las cuales se fundieron los "plomos" en mi casa varias veces. Cada experimento que hacía me mostraba la respuesta con meridiana contundencia, pero yo, obcecado, no la veía: Ponía en la mesa el estator de un motor monofásico desmontado y con el
rotor en su interior pero sin carcasa, y al enchufarlo, el rotor se pegaba a cualquier punto
del interior como una lapa y rugiendo como un león ¡...RRRRRR...!. Si hacía fuerza para
despegarlos, el rotor se me aferraba (nunca mejor dicho) a otro lado, siempre con una
tendencia caprichosa hacia la mitad de los polos. Cuando caí en la cuenta de que tenía ante mí la respuesta, aquellos resultados se me antojaron, por un lado deprimentes porque
no eran tan espectaculares como el bombo y platillo que insinuaban aquellos libros (o yo
creía vislumbrar), pero, como casi todo, dejaron constancia de la "chorrada" en la que debió de reparar la persona que lanzó la primera idea, y de la que siento no haber encontrado su nombre para recordarlo. Era evidente que mientras hubiera inducción de energía entre el primario y el secundario, al estar éste último en cortocircuito y crear un importante
campo magnético, entre ambos se genera, y de la forma más natural, una fuerza considerable de atracción.
Podemos distinguir entre dos tipos de motor asíncrono, el de Rotor devanado, y
el de jaula de ardilla.
MOTOR ASÍNCRONO DE ROTOR BOBINADO.
El inducido está bobinado por un
grueso devanado, y ofrece al exterior sus
conexiones terminales, lo que permite intercalarles resistencias en lugar de cortocircuitarlas completamente. Esta configuración
permite trabajar con una velocidad muy
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baja pero elevado par mecánico, una condición muy apreciada en el momento del
arranque de muchas máquinas. Las resistencias se van cortocircuitando paulatinamente, en pasos escalonados, a medida que el motor alcanza la velocidad nominal.
EL MOTOR ASÍNCRONO DE ROTOR DE JAULA DE ARDILLA.
Como ya he dicho, es el más popular.
Aparatos de la casa que lo utilizan: La lavadora,
el frigorífica, el ventilador... ¿Cómo sé que hay
un motor de alterna y no uno universal?: ¡Por el
ruido!. ¿Quién aguantaría un ventilador con el
sonido de un taladro?. Yo prefiero pasar calor.
Las máquinas de bricolaje de alta calidad llevan motores de alterna. Son más pesadas y
voluminosas, pero la discreción del sonido y la
suavidad de su giro las hace muchísimos más
agradables de usar.
El nombre Jaula de ardilla deriva de la forma
del rotor, pues éste se construye con varillas de
cobre o aluminio unidas por sus extremos mediante aros. Es evidente que si introducimos
la jaula en un medio que genere campos
magnéticos variables, ésta proporcionará
caminos muy asequibles a la corriente. Hay
que decir que para que la inductancia mutua
entre inductor y jaula sea la adecuada, ésta
debe estar inmersa en material ferromagnético. En otras palabras, construida entre chapas magnéticas.
Para entender cómo se produce la
fuerza que mueve al inducido (aquí le podemos llamar así) podemos empezar teniendo
en cuenta que la fuerza electromotriz inducida en las varillas de la jaula producirá corriente a través de ellas, pues se encuentran cortocircuitadas por los anillos laterales. La
corriente en el inducido supone la generación de su propio campo, y de resultas de
ello, entre ambas piezas aparecerán fuerzas mecánicas. Como el campo magnético
del estator gira, si al rotor no se lo impiden,
éste le seguirá. A medida que la velocidad del
rotor se acerca a la que lleva el campo magnético del inductor, desde las varillas de la jaula
se observarán variaciones en el flujo cada vez
más débiles, y serían nulas si ambas velocidades se igualasen. Esto significa que la velocidad de este motor solo se acercará a la de
sincronismo, y en una proporción que tiene que
ver con la fuerza que hace su eje. La diferencia
entre la velocidad de sincronismo y la del inducido se llama Deslizamiento, y el hecho
de tener deslizamiento es el motivo de que a estos motores se les llame Asíncronos. A
mayor carga mayor deberá ser el empuje, y por lo tanto el campo relativo entre estator
y rotor: Ó sea, que a mayor carga, más deslizamiento.
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MOTOR ASÍNCRONO MONOFÁSICO.
Si a un motor monofásico le anulamos el dispositivo de arranque y lo conectamos a la red, su rotor se queda "clavado", circunstancia que podemos comprobar si
intentamos girar el eje haciendo un moderado esfuerzo con la mano. Siguiendo con el
mismo experimento, si insistimos haciendo más fuerza ¡El motor se pone en marcha!.
La razón es que, al existir tan solo dos puntos de empuje diametralmente opuestos
antes de iniciar su movimiento, el rotor "no sabe" por dónde avanzar para seguir al
estator, porque cualquiera de los caminos le es indiferente y su inercia mecánica le
impide definirse mientras se prodiga todo un ciclo. Cuando le damos el empujón inicial
hacemos que aparezca deslizamiento asimétrico y el sistema se pueda decidir de una
puñetera vez por un bando, momento a partir del cual se comporta casi como si fuera
trifásico.
Los motores de inducción domésticos son monofásicos, y necesitan un devanado auxiliar de
arranque; éste es menos robusto que el de
servicio porque solo ha de desarrollar potencia
en el momento de la puesta en marcha. Este
bobinado se encuentra alternado entre las bobinas de servicio para que su efecto en el
campo magnético sea similar al que produciría
una fuente de alterna bifásica (90º de desfase
entre fases). En los motores actuales las bobinas de arranque se conectan con la red a través de un condensador en serie que a la frecuencia de la red y velocidad nominal
del motor produce un desfase tal entre
las corrientes de los devanados de
arranque y servicio que se hace innecesario desconectarlas. Los motores antiguos, y en casos de necesitar un importante empuje en el arranque, llevan un
contacto acoplado con el eje y controlado por efecto centrífugo. El contacto
permanece cerrado hasta que el motor
alcanza una determinada velocidad,
período en el que las bobinas de arranque permanecen conectadas directamente con la red.
MOTOR ASÍNCRONO TRIFÁSICO.
Normalmente, los devanados están dimensionados para trabajar conectados
en triángulo. Es clásica la conmutación estrella-triángulo durante el arranque de motores de potencia respetable. Consiste en conectar las bobinas, primero en estrella, lo
que supone que cada una se ve sometida a la tensión de fase, y cuando el rotor alcanza la velocidad nominal conmutarlas a triángulo.
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L1
L2
L3
Estrella
KM 135
KM 126
Marcha
KM 148
Triángulo
R
S
T
M
W
U
V
Su velocidad, que viene indicada en la
placa de características, es muy cercana a la de sincronismo. Podemos
hacer un cálculo aproximado muy útil
si pensamos con un mínimo de sentido común:
v≤
f × 60
r. p.m.
p
f: frecuencia de la red, 50 Hz en Europa.
P: Número de pares de polos, el motor más simple (y veloz), tiene uno solo.
AVERÍAS.
A los motores de corriente alterna asíncronos les afecta mucho el estado de los cojinetes. Unos rodamientos desgastados reducen considerablemente su
rendimiento, y son los responsables de que se produzca un ruido anormalmente elevado.
Los motores monofásicos pueden presentar problemas en el arranque, la mayoría de las veces debido al deterioro del condensador. En casos de motores dotados
de arranque con interruptor centrífugo, el número de maniobras o el tiempo pueden
llegar a deteriorarlo y dejar al motor funcionando con el devanado de arranque continuamente activado, lo que conlleva al quemado de éste.
Un efecto muy clásico es el funcionamiento del motor en la modalidad vulgarmente llamada "a dos fases". Consiste en que por culpa del corte de uno de los tres
arrollamientos, aunque el motor gira, lo hace emitiendo bastante ruido y a una velocidad muy inferior a la nominal. Si el efecto pasa desapercibido, por ejemplo debido a
que el ambiente del taller enmascara el ruido, o porque el usuario de la máquina está
un poco distraído (o tonto), al no estar el motor diseñado para trabajar de continuo
con semejante deslizamiento (no olvidar que el deslizamiento es el responsable de la
magnitud de corriente inducida en las varillas de la jaula, y la corriente del secundario
proviene de la que circula por las bobinas del primario), se quema. A menudo el corte
no está en las entrañas de la máquina, sino que es culpa del contactor, al que le falla
el asentamiento de una de sus lengüetas. Otras veces es debido al corte de un fusible
de protección ¡Qué risa! (risa circunstancial porque el fusible se debería haber cortado
solo por alguna anomalía). En el servicio a la máquina, los técnicos que la atienden,
sean de la especialidad que sea, deben saber detectar esta condición.
Por lo demás, al no tener piezas sometidas a desgaste, como es el caso de las
escobillas en los de corriente continua, los motores de inducción necesitan poco servicio de mantenimiento, siendo ésta otra de las razones por las que, a igualdad de
condiciones, resultan elegidos.
SENTIDO DE GIRO.
En los motores monofásicos la selección el sentido de giro se determina en el
momento del arranque, con el empuje inicial. Es por tanto la polaridad del devanado
de arranque respecto del de servicio la que lo determina.
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Los motores trifásicos giran en un sentido u otro dependiendo de la secuencia
de conexión de sus bobinas a las fases de la red. Es típica la maniobra de inversión de
giro en los cuadros eléctricos.
CAJA DE BORNES.
La caja de bornes típica del motor monofásico
presenta cuatro terminales, aunque a veces se reducen
a tres porque uno de ellos se conecta internamente. En
cualquier caso ha de estar perfectamente indicado en la
carátula de la tapa del bornero.
El bornero de los motores trifásicos casi siempre tiene la
disposición de la figura porque, como se observa, es
muy fácil combinar la configuración estrella y triángulo.
Servicio
Arranque
T
R
S
T
R
S
U
V
W
U
V
W
S
R
R-V
V
U
W
S-W
MOTORES PASO A PASO.
T
T-U
En los últimos años se han venido desarrollando infinidad de nuevos motores y
las noticias que llegan siguen anunciando más invenciones. En el campo del diseño
resulta aventurado adoptar la última moda, porque de todo lo que se nos pone a tiro,
siempre rodeado de una publicidad, sino falsa, sí llena de exageraciones a favor y encubriendo con sigilo las carencias, de todo eso,
digo, solo merece la pena una pequeña parte. En
nuestro pequeño estudio debemos hacer un sitio
para los motores paso a paso porque han marcado
una pauta en la concepción del movimiento electromecánico. El motor paso a paso nace más del
interés por controlar la posición de su eje que por
la de realizar esfuerzo mecánico. Podemos esquematizar su estructura de una manera muy práctica
partiendo de la base de un estator dotado de cuatro bobinas, y un rotor constituido por imán permanente con una distribución polar muy especial. En
realidad la forma de las piezas es más compleja de
lo que muestran los esquemas, pues la distribución
de las cuatro bobinas y de los polos del rotor deben
permitir que en una vuelta completa el motor ejecute un número importante de pasos, medio centenar como número típico. El fundamento de estos
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motores es inverso del de los ya estudiados, en el sentido de que, alimentado sin más, el rotor tiende a la estabilidad porque la corriente en al menos una de sus
bobinas lo retiene en una
posición de equilibrio.
Solo se moverá si, respetando un determinado
protocolo, de manera
premeditada se altera el
estado de conducción en
los devanados del estator.
En las figura se presenta
una secuencia de control muy habitual, y que consiste
en mantener con corriente en todo momento, tan solo a
una bobina. Se puede mejorar el comportamiento del
motor alimentando a las bobinas de forma diferencial, esto es, aplicando, a las que
dibujamos sombreadas, corriente de sentido inverso al de las que están en color
negro. A medida que se avanzan pasos, las bobinas van
intercambiando su estado con el de sus vecinas. Si en
lugar de una sola, son dos las bobinas activadas, la
posición del rotor es más recia porque después de
avanzar el paso, se encuentra retenido por la fuerza de
dos polos. Por último, existe la alternativa de controlar
el motor alternando el número de bobinas activas en
secuencia 2-1, con lo que se consigue reducir a la mitad la amplitud del paso, o lo que es lo mismo, duplicar
la precisión. Como podemos observar, este motor es un
poco torpón a la hora de moverse, pero tenemos la certeza de que, si no hay altercados que impidan su avance, sabemos en todo momento
la posición de su eje.
Encontramos aplicaciones de este motor en las
impresoras de ordenador, escanners, y casi todos los
sistemas domésticos en donde es necesario controlar
con exactitud y a buen precio la posición y evolución
de un cabezal. Otra aplicación, no tan económica para
nuestros bolsillos, son las máquinas tragaperras. Las
frutas que vemos desfilar y reírse delante de nuestras
narices son cintas (un
rodillo rígido, para la cantidad de dibujos que tiene
cada uno sería demasiado
grande...¡Hasta en eso
nos engañan!) impresas cuyo avance es controlado por
motores paso a paso y que se posicionan allí donde el
miserable programa lleva escrito lo que ha decidido su
"azar" calculado. Dentro del terreno industrial, han jugado
el papel principal en la robótica, y aún hoy se los recuerda
porque son los promotores de los motores Brushless que
están revolucionando el mercado.
Una de las facetas que menos gusta del motor paso a paso es que, como para
mantener suposición, el rotor ha de permanecer bloqueado en ella, al menos una de
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las bobinas debe estar, constantemente, siendo atravesada por la corriente, y por lo
tanto consumiendo energía. Se puede argumentar que se le pone un freno y listos,
pero ya estamos encareciendo y complicando el sistema. Otro detalle en su contra es
que, a velocidades elevadas su par decrece enormemente, de tal manera que sobrepasando regímenes de apenas unos centenares de r.p.m., la credibilidad en su control
de posición se anula porque empieza a "perder pasos" de forma totalmente aleatoria.
MOTORES BRUSHLESS (SIN ESCOBILLAS).
Desde hace unos quince años han aparecido en el mercado unos motores
herederos de la idea del paso a paso, con unas prestaciones verdaderamente extraordinarias. Aglutinan las ventajas de:
Control absoluto de posición. Su control no solo
reside en la manera de recibir las órdenes de
movimiento, sino en un sofisticado sistema electromagnético llamado Resolver, mediante el cual
se tiene información instantánea de la posición
real que ocupa el eje de la máquina. De esta guisa la posible pérdida de pasos deja de ser preocupante.
Electrónica de control incorporada. Además del
resolver, que es un sistema eléctrico que se basa
en la relación
de fases de
corrientes en grupos de bobinas, los fabricantes le
incorporan, como elemento adicional, encoder
incremental o absoluto de gran precisión, y una
velocidad de comunicación con el control asombrosamente elevada.
Rotor de baja inercia. También se le han incorporado los avances logrados en los últimos años en
los rotores de baja inercia, lo que los hace sorprendentemente rápidos en las maniobras de aceleración y frenado.
Quizás lo más negativo que puedo decir por ahora sobre ellos, aparte de su también
extraordinario precio, es que los fabricantes se han preocupado mucho de la faceta
comercial, pero la técnica, con o sin su intención, está muy dejada, y la información
que nos gustaría tener para sacarles partido está resultando de muy difícil acceso.
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