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El grupo de las máquinas de campo giratorio comprende máquinas eléctricas cuyo funcionamiento se basa en uncampo magnético que giraen el entrehierro entre el estator y el rotor. La máquina accionada más importante y más utilizada de este grupo es el motor de inducción de corriente trifásica asíncrona en su versión de rotor en cortocircuito. Este se caracteriza por las siguientes características:
En la ingeniería de accionamiento se suelen utilizar los siguientes motores eléctricos:
Dado que la velocidad delos motores de CA se puede controlar mejor, de manera más sencilla y con menos mantenimiento mediante convertidores de frecuencia, los motores de CC y los motores de CAcon anillos colectores están perdiendo cada vez más importancia. Otros tipos de motores CA asíncronos tienen una importancia limitada en la ingeniería de accionamiento. Por ello, se omite aquí una descripción más detallada.
Si se combina un motor eléctrico, como un motor de CA, con una reductor, se obtiene lo que se conoce como motorreductor. Independientemente del principio eléctrico del motor en cuestión, la forma en que se acopla a un reductor reviste una importancia especial para el diseño mecánico del motor. SEW-EURODRIVE utiliza para ello motores especialmente adaptados.
del rotor
En las ranuras del paquete de láminas del rotor se encuentra un bobinado inyectado o insertado (por lo general, de aluminio y/o cobre); clásicamente, una espira equivale a una barra. Estas barras están puestas en cortocircuito en ambos extremos mediante anillos del mismo material. Si imaginamos que se retira el paquete de chapas, las barras con los anillos de cortocircuito se asemejan a una jaula. De ahí proviene también el segundo nombre común para los motores de CA: «motor de jaula de ardilla».
Estator
El bobinado, encapsulado en resina sintética, se inserta en las ranuras semicerradas del paquete de chapas del estator. El número de bobinas y su ancho varían para lograr diferentes números de polos (= velocidades). Junto con la carcasa del motor, el paquete de chapas forma el llamado estator.
Placas del cojinete
Las placas del cojinete, fabricadas en acero, fundición gris o aluminio fundido a presión, cierran el interior del motor por los lados A y B. El diseño constructivo en la transición hacia el estator determina, entre otras cosas, el índice de protección del motor.
Eje del rotor
El paquete de chapas del lado del rotor se monta sobre un eje de acero. Los dos extremos del eje atraviesan las placas del cojinete por los lados A y B, respectivamente. En el lado A se encuentra el extremo del eje de salida (en el motorreductor, diseñado como el extremo del eje piñón); en el lado B están montados el ventilador con sus aspas para la ventilación propia y/o sistemas complementarios como frenos mecánicos y encoders.
Carcasa del motor
Las carcasas de los motores de potencia pequeña a mediana pueden fabricarse en aluminio fundido a presión. Sin embargo, las carcasas de todas las clases de potencia también se fabrican en fundición gris y acero soldado. Al cuerpo del motor se le integra una caja de bornes, en la que los extremos de los devanados del estator se conectan a un bloque de bornes para la conexión eléctrica por parte del cliente. Las aletas de refrigeración aumentan la superficie de la carcasa y, además, mejoran la disipación del calor al ambiente.
Ventilador, caperuza del ventilador
Un ventilador ubicado en el extremo del eje del lado B está cubierto por una cubierta. Esta cubierta dirige el flujo de aire, que se genera con el movimiento giratorio del ventilador, a través de las aletas de la carcasa. Por lo general, los ventiladores no dependen del sentido de giro del rotor. Una tapa protectora opcional evita que las piezas (pequeñas) se caigan a través de la rejilla de la cubierta del ventilador en las posiciones de montaje verticales.
rodamiento
Los rodamientos en las placas del cojinete de los lados A y B conectan mecánicamente las partes giratorias con las que están hacia arriba. Por lo general, se utilizan cojinetes de bolas de ranura, y con menos frecuencia, rodamientos de rodillos cilíndricos. El tamaño del rodamiento depende de las fuerzas y velocidades que deba soportar cada rodamiento. Diversos sistemas de sellado garantizan que las propiedades lubricantes necesarias permanezcan en el rodamiento y que no se produzcan fugas de aceites y/o grasas.
El sistema de bobinado simétrico de tres ramales del estator está conectado a una red de corriente trifásica de la tensión y la frecuencia correspondientes. En cada uno de los tres ramales de bobinado circulan corrientes senoidales de la misma amplitud, cada una de las cuales está desfasada 120° con respecto a las demás. Gracias a los hilos de bobinado, que también están desplazados espacialmente 120°, el estator genera un campo magnético que gira a la frecuencia de la tensión aplicada.
Este campo magnético giratorio —denominado, en resumen, campo de giro— induce una tensión eléctrica en el devanado del rotor o en las barras del rotor. Dado que el devanado está en cortocircuito a través del anillo, circulan corrientes de cortocircuito. Junto con el campo de giro, se generan fuerzas que forman un par a lo largo del radio del rotor, el cual acelera al rotor en dirección al campo de giro hasta alcanzar su velocidad de giro. A medida que aumenta la velocidad del rotor, disminuye la frecuencia de la tensión generada en el rotor, ya que la diferencia entre la velocidad del campo giratorio y la del rotor se reduce.
Las tensiones inducidas, ahora más bajas debido a esto, provocan corrientes más bajas en la jaula del rotor y, por lo tanto, fuerzas y pares menores. Si el rotor alcanzara la misma velocidad que el campo de giro, giraría de manera síncrona y no se induciría ninguna tensión; por lo tanto, el motor no podría generar ningún par. Sin embargo, el par de carga y los pares de fricción en los rodamientos provocan una diferencia entre la velocidad del rotor y la del campo giratorio y, por lo tanto, un equilibrio resultante entre el par de aceleración y el par de carga. El motor funciona de manera asíncrona.
Dependiendo de la carga del motor, esta diferencia es mayor o menor, pero nunca es cero, ya que incluso en el funcionamiento en vacío siempre existe fricción en los rodamientos. Si el par de carga supera el par de aceleración máximo que el motor puede producir, el motor “entra” en un estado de funcionamiento inadmisible, lo que, en algunos casos, puede tener efectos térmicos destructivos.
Estemovimiento relativo, necesario para el funcionamiento, entre la velocidad del campo giratorio y la velocidad mecánica, se define como deslizamiento s y se expresa como un porcentaje de la velocidad del campo giratorio. En los motores de baja potencia, el deslizamiento puede ser de entre el 10 y el 15 por ciento, mientras que los motores de CA de mayor potencia tienen un deslizamiento de aproximadamente entre el 2 y el 5 por ciento.
El motor de corriente trifásica de rotor en cortocircuito recibe potencia eléctrica de la red de tensión y la convierte en potencia mecánica, es decir, en velocidad y par. Si el motor funcionara sin pérdidas, la potencia mecánica entregada Pseríaigualalapotencia eléctrica consumida P.
Sin embargo, como es inevitable en toda conversión de energía, también se producen pérdidas en el motor de corriente trifásica de rotor en cortocircuito: pérdidas por cobre PCuypérdidas en las barras PZ, que se producen cuando la corriente fluye por un conductor eléctrico;pérdidas de hierro PFe, que se deben a la remagnetización del paquete de chapas a la frecuencia de red;pérdidas por fricción PRbse producen por la fricción en los rodamientos; y las pérdidas por ventilación, por el uso del aire para enfriar. Estas pérdidas por cobre, por barras, por hierro y por fricción provocan el calentamiento del motor. La relación entre la potencia entregada y la potencia consumida se define como el rendimiento, eficiencia de la máquina.
Debido a los requisitos legales, en los últimos años se ha prestado mayor atención al uso de motores con mayor rendimiento. Los acuerdos normativos correspondientes definen clases de ahorro energético,que los fabricantes han incluido en los datos técnicos. Para reducir las principales pérdidas dependientes de la máquina, esto implica, en el diseño del motor eléctrico:
Si se trazan los pares y la corriente en función de la velocidad, se obtiene la curvacaracterísticade par-velocidad del motor de corriente trifásica de rotor en cortocircuito. Hasta alcanzar el punto de trabajo estable, el motor recorre esta curva característica después de cada encendido. El número de polos, el diseño constructivo y el material del devanado del rotor influyen en el trazado de las curvas características. Conocer estas curvas es particularmente importante en accionamientos que funcionan con pares inversos (por ejemplo, elevadores).
Si el par inverso de la máquina accionada es mayor que el par de inflexión, la velocidad del rotor «se quedará estancada en el equilibrio». El motor ya no alcanza su punto de funcionamiento nominal, es decir, el punto de trabajo estable y térmico. Si el par inverso es incluso mayor que el par de arranque, el motor se detiene. Si hay sobrecarga en un accionamiento en funcionamiento (por ejemplo, una cinta transportadora sobrecargada), la velocidad disminuye a medida que aumenta la carga. Si el par inverso supera el par máximo, el motor se «vuelca» y la velocidad desciende a la velocidad de equilibrio o incluso a cero. Todos estos escenarios generan corrientes muy elevadas en el rotor y el estator, por lo que ambos se calientan muy rápidamente. Si no se cuenta con dispositivos de protección adecuados, esto puede provocar la destrucción térmica del motor: se “quema”.
El calor que se genera en un conductor de corriente depende de la resistencia del conductor y de la intensidad de la corriente que lo atraviesa. Los encendidos frecuentes y los arranques con par inverso someten al motor de corriente trifásica de rotor en cortocircuito a una carga térmica muy elevada. El calentamiento admisible del motor depende de la temperatura del medio de enfriamiento que lo rodea (p. ej., el aire) y de la resistencia térmica del material aislante del devanado.
Las sobrecalentamientos máximos permitidos de los motores se regulan mediante una clasificación en clases térmicas (antes también denominadas «clases de aislamiento»). El motor debe poder funcionar en la clase térmica para la que fue diseñado, con la sobretemperatura continua determinada por su potencia nominal, sin sufrir daño. Con una temperatura del refrigerante máxima de 40 °C, la sobretemperatura límite aprobada, por ejemplo, en la clase térmica 130 (B) es: dT = 80 K.
La frecuencia de conmutación permitida indica cuántas veces se puede encender un motor en una hora sin que se produzca una sobrecarga térmica. Depende de:
La frecuencia de conmutación permitida de un motor puede aumentarse mediante las siguientes medidas:
Los motores de corriente trifásica de rotor en cortocircuito puedenfuncionar a diferentes velocidadesmediante la conmutación de bobinados o partes de los bobinados . Al insertar varios bobinados en las ranuras del estator o al invertir la dirección del flujo de corriente en partes individuales de los bobinados, se obtienen diferentes números de polos. En el caso de bobinados separados, la potencia por número de polos es menos de la mitad de la potencia del motor de una sola velocidad del mismo tamaño.
Los motorreductores de CA de polos conmutables seutilizan, por ejemplo, como accionamientos de traslación. La velocidad de traslación es alta en el funcionamiento con un número bajo de polos. Para posicionar, se cambia al devanado de baja velocidad con número alto de polos. Al cambiar el conmutador, el motor mantiene inicialmente su alta velocidad debido a la inercia de la masa. El motor de CA funciona en esta fase como generador y frena. La energía cinética se convierte en energía eléctrica y se devuelve a la red. Una desventaja es el gran impulso de par durante la conmutación, el cual, sin embargo, puede reducirse mediante medidas de circuito adecuadas.
El desarrollo actual de tecnología de convertidores de bajo costo favorece la sustitución tecnológica de los motores de polos conmutables por motores de una sola velocidad regulados por frecuencia en muchas aplicaciones.
Un motor monofásico es una buena opción cuando en las aplicaciones
Los ventiladores, las bombas y los compresores se cuentan entre los ejemplos típicos de aplicación. Aquí se observandos diferencias fundamentales de diseño:
Por un lado, el clásicomotor deCA de corrientetrifásica se conecta únicamente a una fase y al conductor neutro. La tercera conexión se simula mediante el desplazamiento de fase con la ayuda de un condensador. Dado que el condensador no puede generar un desfase de 120°, sino solo de 90°, este tipo de motor monofásico suele dimensionarse solo con dos tercios de la potencia de un motor de CA comparable.
La segunda forma de construir un motor monofásico consiste en la adaptación del bobinado. En lugar del bobinado trifásico, solo se implementan dos fases, que además se distinguen como fase principal y fase auxiliar. Las bobinas, que ahora están desplazadas espacialmente 90°, reciben corriente con un desfase temporal de 90° mediante un condensador, lo que genera el campo de giro. Las relaciones de corriente desiguales entre el devanado principal y el auxiliar por lo general también permiten solo dos tercios de la potencia de un motor de CA del mismo tamaño. Los motores típicos para el funcionamiento monofásico son el motor de condensador, el motor de entrehierro y el motor de arranque rápido,que funciona sin condensador.
SEW-EURODRIVE cuenta en su gama con ambos tipos de diseño de motores monofásicos: los motores DRK... Ambos se suministran con un condensador de trabajo integrado. Dado que este se encuentra directamente en la caja de bornes, se evitan los salientes que puedan causar interferencias. Con un condensador de trabajo, se dispone de aproximadamente entre el 45 y el 50 por ciento del par nominal para el arranque.
Para los clientes que necesiten un par de arranque mayor, de hasta el 150 % del par nominal, SEW-EURODRIVE puede proporcionar los valores de capacidad de los condensadores de arranque necesarios, los cuales se pueden adquirir en tiendas especializadas bien surtidas.
Los imanes de campo giratorio son versiones especialesde motores de CAcon rotor de jaula de ardilla. En su diseño, se dimensionan de tal manera que, incluso a una velocidad de 0, solo tienen un consumo de corriente lo suficientemente alto como para no sufrir daño térmico. Esto resulta útil, por ejemplo, al abrir puertas, accionar cambios de vía o en herramientas de prensas, cuando se debe alcanzar una posición y mantenerla de manera segura en modo motor.
Otro modo de funcionamiento común es el llamado modo de frenado por corriente contraria: una carga externa es capaz de hacer girar el rotor en sentido contrario al sentido de giro del campo de giro. El campo de giro «frena» la velocidad y extrae del sistema energía regenerativa, la cual se devuelve a la red eléctrica —prácticamente un frenado rotativo sin trabajo de frenado mecánico.
SEW-EURODRIVE ofrece, con los DR2M.., imanes de campo giratorio de 12 polos, diseñados para un uso térmicamente duradero con el par nominal en parada. Los imanes de campo giratorio de SEW-EURODRIVE se adaptan a diferentes requisitos y velocidades, y se ofrecen con hasta tres pares nominales, según el modo de funcionamiento.
Cuando los motores eléctricos se utilizan en áreas con riesgo de explosión (de acuerdo con la Directiva 2014/34/UE (ATEX)), se deben tomar ciertas medidas de protección en los accionamientos. Para ello, SEW-EURODRIVE ofrece, según el ámbito de aplicación y la región, diferentes motores de CA antiexplosivos .
Para aplicaciones que funcionan directamente conectadas a la red y que, además, deben tener una velocidad síncrona o contar con esta característica sin necesidad de un sensor en un variador simple, SEW-EURODRIVE ofrece los denominados motores LSPM. LSPM es la abreviatura de Line Start Permanent Magnet. El motor LSPM es un motor CA asíncrono con imanes permanentes adicionales en el rotor. Arranca de manera asíncrona, luego se sincroniza con la frecuencia de alimentación y, a partir de ese momento, funciona en modo síncrono sin deslizamiento, sincronizado con la frecuencia de red. Una tecnología de motores que abrenuevas y flexibles posibilidades de aplicación en la ingeniería de accionamiento, por ejemplo, la transferencia de cargas sin caída de velocidad.
Estos motores híbridos compactosnopresentan ninguna pérdida en el rotor durante su funcionamiento y destacan por su alto rendimiento, eficiencia. Alcanzan clases de ahorro energético de hasta IE4.
El tamaño de un motor DR..J con tecnología LSPM es dos niveles más pequeño que el de un motor de serie de igual potencia y con la misma clase de eficiencia. Por el contrario, los motores del mismo tamaño alcanzan una clase de eficiencia dos veces mejor que la de los motores asíncronos.
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