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El grupo de las máquinas de campo giratorio incluye las máquinas eléctricas cuyo modo de funcionamiento se basa en un campo magnético que circula en el entrehierro entre el estator y el rotor. La máquina de trabajo más importante y más utilizada de este grupo es el motor de inducción trifásico asíncrono en diseño de rotor de jaula de ardilla. Se caracteriza por
- una construcción sencilla y robusta
- alta fiabilidad de funcionamiento
- bajo mantenimiento
- bajo precio
En la técnica de accionamiento eléctrico se utilizan generalmente los siguientes motores eléctricos
- motores trifásicos asíncronos (rotor de jaula de ardilla, rotor de anillo colector, imán de campo giratorio)
- motores monofásicos asíncronos de corriente alterna
- servomotores asíncronos o síncronos
- motores de corriente continua
Dado que la velocidad de los motores trifásicos de corriente alterna puede controlarse mejor, más fácilmente y con menos mantenimiento mediante convertidores de frecuencia, los motores de corriente continua y los motores trifásicos con anillos rozantes son cada vez menos importantes. Otros tipos de motores asíncronos trifásicos tienen poca importancia en la tecnología de accionamiento. Por lo tanto, aquí se omitirá una descripción más detallada.
Si un motor eléctrico, como un motor trifásico, se combina con un reductor, el resultado es un motorreductor. Independientemente del principio eléctrico del motor respectivo, la forma en que se fija a un reductor es de particular importancia para el diseño mecánico del motor. Para ello, SEW-EURODRIVE utiliza motores especialmente adaptados.
La estructura
Rotor
En las ranuras de las láminas del rotor hay un bobinado inyectado o insertado (normalmente de aluminio y/o cobre), clásicamente un bobinado = una barra. Estas barras están cortocircuitadas en ambos extremos por anillos del mismo material. Si se quita mentalmente el envoltorio de chapa, las varillas con los anillos de cortocircuito recuerdan a una jaula. De ahí viene la segunda denominación común de los motores trifásicos: "motor de jaula de ardilla".
Estator
El bobinado, encapsulado en resina sintética, se introduce en las ranuras semicerradas del núcleo del estator. El número de bobinas y su anchura varían para conseguir diferentes números de polos (= velocidades). Junto con la carcasa del motor, el núcleo laminado forma el denominado estator.
Blindajes
Las tapas de cojinetes de acero, fundición gris o fundición de aluminio cierran los lados A y B del interior del motor. El diseño de la transición al estator determina, entre otras cosas, el grado de protección del motor.
Eje del rotor
El núcleo laminado del lado del rotor está montado sobre un eje de acero. Los dos extremos del eje se extienden a través de las protecciones de los extremos de los lados A y B. En el lado A, está diseñado el extremo del eje de salida (en el caso del motorreductor, diseñado como gorrón de piñón); en el lado B, se fija el ventilador con sus álabes para la autoventilación y/o sistemas suplementarios como frenos mecánicos y codificadores.
Carcasa del motor
Las carcasas de los motores pueden ser de aluminio fundido a presión para potencias bajas y medias. Sin embargo, las carcasas de todas las clases de potencia también se fabrican en fundición gris y acero soldado. A la carcasa se fija una caja de bornes, en la que los extremos del bobinado del estator se conectan a un bloque de bornes para la conexión eléctrica del cliente. Las aletas de refrigeración aumentan la superficie de la carcasa y también la disipación de calor al entorno.
Ventilador, protector del ventilador
Un ventilador situado en el extremo del eje del lado B está cubierto por una cubierta. Esta campana dirige el flujo de aire, que se produce cuando el ventilador gira, sobre las costillas de la carcasa. Por regla general, los ventiladores no dependen del sentido de giro del rotor. Un tejadillo opcional evita que las piezas (pequeñas) caigan a través de la rejilla de la campana del ventilador en los diseños verticales.
Rodamientos
Los rodamientos de los escudos de los extremos A y B conectan mecánicamente las piezas giratorias con las fijas. Normalmente se utilizan rodamientos rígidos de bolas, pero los rodamientos de rodillos cilíndricos son menos comunes. El tamaño de los rodamientos depende de las fuerzas y velocidades que deben soportar. 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.
Cómo funciona en la red
El sistema de bobinado trifásico simétrico del estator está conectado a una fuente de alimentación trifásica de tensión y frecuencia adecuadas. En cada uno de los tres devanados circulan corrientes sinusoidales de la misma amplitud, cada una de las cuales está desfasada en el tiempo 120° con respecto a la otra. Debido a las fases de los devanados, que también están desfasadas espacialmente 120°, el estator crea un campo magnético que circula a la frecuencia de la tensión aplicada.
Este campo magnético circulante -conocido abreviadamente como campo giratorio- induce una tensión eléctrica en el bobinado del rotor o en las barras del rotor. Como el bobinado está cortocircuitado a través del anillo, fluyen corrientes de cortocircuito. Junto con el campo giratorio, las fuerzas se acumulan y forman un par en el radio del rotor, que acelera el rotor hasta alcanzar una velocidad en la dirección del campo giratorio. 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 velocidad del rotor es menor.
Las menores tensiones inducidas resultantes provocan menores corrientes en la jaula del rotor y, por tanto, menores fuerzas y menores pares. Si el rotor alcanzara la misma velocidad que el campo giratorio, giraría sincrónicamente y no se induciría ninguna tensión, por lo que el motor no podría desarrollar 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 velocidad del campo giratorio y, por tanto, un equilibrio resultante entre el par de aceleración y el par de carga. El motor funciona de forma asíncrona.
Dependiendo de la carga del motor, esta diferencia es mayor o menor, pero nunca nula, ya que siempre hay fricción en los cojinetes incluso en vacío. Si el par de carga supera el par de aceleración máximo que puede producir el motor, éste se "inclina" hacia un estado de funcionamiento no admisible, que puede tener efectos térmicamente destructivos.
Este movimiento relativo entre la velocidad del campo giratorio y la velocidad mecánica, necesario para el funcionamiento, se define como deslizamiento s y se especifica como un valor porcentual de la velocidad del campo giratorio. Para motores de baja potencia, el deslizamiento puede ser del 10 al 15 por ciento; los motores trifásicos de mayor potencia tienen un deslizamiento de entre el 2 y el 5 por ciento.
Características de funcionamiento
El motor trifásico de jaula de ardilla toma la energía eléctrica de la red de tensión y la convierte en energía mecánica, es decir, en velocidad y par. Si el motor funcionara sin pérdidas, la potencia mecánica de salida Pab sería igual a la potencia eléctrica de entrada Pauf.
Sin embargo, como es inevitable en cualquier conversión de energía, también se producen pérdidas en el motor trifásico de jaula de ardilla: Las pérdidas de cobre PCu y las pérdidas de barra PZ se producen cuando fluye una corriente a través de un conductor, y las pérdidas de hierro PFe se producen cuando el núcleo laminado se remagnetiza a la frecuencia de línea. Las pérdidas por fricción PRb se producen por la fricción en los cojinetes; y las pérdidas por ventilación por el uso de aire para la refrigeración. Estas pérdidas de cobre, varilla, hierro y fricción provocan el calentamiento del motor. La relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada se define como el rendimiento de la máquina.
Este grupo de máquinas de inducción incluye máquinas eléctricas cuyo modo de funcionamiento se basa en un campo magnético giratorio en el espacio de aire entre el estator y el rotor. La máquina más importante y más usada en este grupo es el motor de inducción de CA asíncrono con diseño de jaula de ardilla. Se caracteriza por las siguientes características:
En Tecnología de accionamiento eléctrica generalmente se usan los siguientes motores eléctricos:
Como los motores de CA con variadores de frecuencia ofrecen un mejor y más sencillo control de la velocidad con menos mantenimiento, los motores de CC y los motores de CA con anillos de rozamiento se están volviendo menos y menos importantes. Otros tipos de motores de CA asíncronos tienen menor importancia en ingeniería de accionamiento. Por ello, no se hablará en detalle sobre ellos aquí.
Si combina un motor eléctrico como un motor de CA con unreductor consigue un motorreductor. Independientemente del principio eléctrico del motor, la forma en la que está montado en un reductor se está volviendo especialmente importante en lo que se refiere al diseño mecánico del motor. SEW‑EURODRIVE usa motores especialmente adaptados con este propósito en mente.
Rotor
En las ranuras del núcleo laminado del rotor, hay un bobinado inyectado o insertado (normalmente hecho de aluminio y/o cobre), clásicamente una vuelta del bobinado = una barra. Estas barras están cortocircuitadas en ambos extremos por anillos del mismo material. Las barras con los anillos cortocircuitados recuerdan a una jaula. De ahí es de donde viene el segundo nombre más común para los motores de CA: "motor de jaula de ardilla."
Estator
El bobinado, que está encapsulado con resina sintética, está insertado en la ranura medio cerrada en el núcleo laminado de estator. El número y amplitud de las bobinas son variados para conseguir diferentes números de polos (= velocidades). Junto con la carcasa del motor, el núcleo laminado forma el estator.
Placas de cojinete
Las placas de cojinete son de acero, hierro gris fundido, o aluminio fundido y sellan el interior del motor en el lado A y B. El diseño constructivo al pasar al estator determina entre otras cosas el grado de protección IP del motor.
Eje del rotor
El núcleo laminado del lado del rotor está unido a un eje de acero. Los dos extremos del eje pasan a través de la placa del cojinete tanto en el lado A como en el B. El extremo del eje de salida está instalado en el lado A (diseñado como un extremo de eje de piñón para el motorreductor); el ventilador y sus alas de ventilación y/o sistemas suplementarios como frenos mecánicos y codificadores están instalados en el lado B.
Carcasa del motor
La carcasa del motor puede producirse de aluminio fundido a presión cuando la potencia es de baja a media. Sin embargo, la carcasa para todas las clases de potencia por encima de esas, está hecha de hierro de fundición gris y acero soldado. Incorporada en la carcasa, hay una caja de bornas en la que los extremos del bobinado del estator están conectados a un bloque de terminales para la conexión eléctrica del lado del cliente. Las aletas de refrigeración agrandan la superficie de la carcasa y también aumentan la emisión de calor al medio.
Ventilador, tapa del ventilador
Un ventilador en el eje del lado B está cubierto por una capucha. Esta capucha guía el flujo de aire producido durante la rotación del ventilador a través de alerones en la carcasa. Como norma, los ventiladores no son independientes de la dirección de rotación del rotor. Una cubierta opcional evita que las piezas (pequeñas) se caigan a través de la rejilla de la tapa del ventilador cuando la posición de montaje es vertical.
Rodamientos
Los rodamientos en las placas de cojinete del lado A y lado B conectan mecánicamente las piezas rotatorias a las piezas estacionarias. Normalmente, se usan rodamientos de bolas acanalados. Raramente se usan rodamientos de rodillos cilíndricos. El tamaño del reductor depende de las fuerzas y velocidades que el rodamiento correspondiente tiene que absorber. Diferentes tipos de sistemas de sellado aseguran que se mantienen las propiedades de lubricación requeridas en el rodamiento y que no se escapa ni aceite ni grasa.
El sistema de bobinado simétrico de tres fases del estator está conectado a un sistema de potencia de corriente trifásica con la tensión y frecuencia apropiadas. Corrientes sinusoidales de la misma amplitud fluyen en cada una de las tres fases del bobinado. Cada una de las corrientes está temporalmente desviada la una de la otra 120°. Como las fases del bobinado están también espacialmente desviadas 120°, el estator genera un campo magnético que rota con la frecuencia de la tensión aplicada.
Este campo magnético rotatorio – o campo rotatorio para abreviar – induce una tensión eléctrica en el bobinado del rotor o barras del rotor. Las corrientes de circuito corto fluyen porque el bobinado está corto circuitado por el anillo. Junto con el campo rotatorio, estas corrientes crean fuerzas y producen un par por encima del radio del rotor que acelera la velocidad del rotor en la dirección del campo rotatorio. La frecuencia de la tensión generada en el rotor cae a medida que la velocidad del rotor aumenta. Esto se debe a que la diferencia entre la velocidad del campo rotatorio y la velocidad del rotor se vuelve más pequeña.
Las tensiones inducidas, que como resultado ahora son más bajas, llevan a corrientes más bajas en la jaula del rotor y por tanto fuerzas y pares más bajos. Si el rotor tuviera que girar a la misma velocidad que el campo rotatorio, rotaría de forma sincronizada, no se induciría ninguna tensión, y el motor no podría desarrollar ningún par como resultado. Sin embargo, el par de carga y pares de fricción en los rodamientos llevan a diferencias entre la velocidad del rotor y velocidad del campo rotatorio y esto resulta en un equilibrio entre el par de aceleración y el par de carga. El motor funciona de forma asíncrona.
Dependiendo de la carga del motor, esta diferencia es mayor o menor, pero nunca cero, ya que siempre hay fricción en los cojinetes, incluso en ralentí. Si el par de la carga supera el par máximo de aceleración que puede producir el motor, éste se "inclina" hacia un estado de funcionamiento no permisible, lo que puede causar daños térmicos.
El movimiento relativo entre la velocidad del campo rotatorio y la velocidad mecánica que se necesita para la función se define como el deslizamiento "s" y se especifica como un porcentaje de la velocidad del campo rotatorio. Los motores con menor potencia se deslizan de un 10 a un 15 por ciento. Los motores de CA con una mayor potencia tienen aprox. un deslizamiento de 2 a 5 por ciento.
El motor de CA toma la energía eléctrica del sistema de alimentación y la convierte en energía mecánica, es decir, en velocidad y par. Si el motor fuera a funcionar sin pérdidas, la potencia mecánica de salida Pout correspondería a la potencia eléctrica de entrada Pin.
Sin embargo, también ocurren pérdidas en los motores de CA, lo que es inevitable siempre que se convierte energía: Pérdidas de cobre PCu y pérdidas de bares PZ suceden cuando un flujo de corriente fluye a través de un conductor. Las pérdidas de hierro PFe resultan de la remagnetización del núcleo laminado con una frecuencia de línea. Pérdidas de fricción PRb resultan de la fricción en los rodamientos y las pérdidas de aire resultan de la utilización de aire para refrigerar. Las pérdidas de cobre, bares, hierro y fricción hacen que el motor se caliente. La eficiencia de la máquina se define como la relación entre la potencia de salida y de entrada.
Debido a las regulaciones legales, en los últimos años se ha estado poniendo más atención al uso de motores con niveles de eficiencia más altos. Las clases de eficiencia energética se han definido en los correspondiente acuerdos normativos. Los fabricantes han adoptado estas clases en sus datos técnicos. Para reducir las pérdidas significativas causadas por la máquina, esto ha significado lo siguiente en el diseño del motor eléctrico:
Al grabar los pares y corriente contra la velocidad, se consigue la característica característica velocidad-par del motor de CA. El motor sigue esta curva característica cada vez que se enciende hasta que alcanza su punto de funcionamiento estable. Las curvas características están influenciadas por el número de polos y por el diseño y material del bobinado del rotor. El conocimiento de estas curvas características es especialmente importante para accionamientos que funcionan con pares inversos (ej. gruas).
Si el contra-par de la máquina accionada es mayor que el par de arranque, la velocidad del rotor se queda atascada. El motor ya no alcanza su punto de funcionamiento nominal (es decir, el punto de funcionamiento estable y térmicamente seguro). El motor llega incluso a pararse si el contra-par es mayor que el par de arranque. Si un accionamiento en marcha se sobrecarga (ej. una cinta transportadora sobrecargada), su velocidad cae a medida que la carga aumenta. Si el contra-par supera el par máximo, el motor "se cala" y la velocidad se reduce a la velocidad de arranque o incluso a cero. Todos estos escenarios llevan a corrientes extremadamente altas en el rotor y estator, lo que significa que ambas se calientan muy rápido. Este efecto puede causar un daño térmico irreparable en el motor – o "quemado" – si no se dispone de dispositivos de protección adecuados.
El calor generado en un conductor que lleva corriente eléctrica depende de la resistencia del conductor y la magnitud de la corriente que transporta. Los frecuentes encendidos y arranques en contra del par colocan una gran carga térmica en el motor de CA. El calentamiento permitido del motor depende de la temperatura del medio de enfriamiento circundante (ej. aire) y la resistencia térmica del material de aislamiento en el bobinado.
Los motores están asignados a clases térmicas (que antes se llamaban "clases de aislamiento") que gobiernan las sobretemperaturas máximas permitidas en los motores. Un motor debe ser capaz de soportar un funcionamiento continuo a una temperatura elevada basado en su potencia nominal en la clase térmica para la que está diseñado sin sufrir daños. Con una temperatura refrigerante máxima de 40° C, por ejemplo, la sobretemperatura permitida máxima en la clase térmica 130 (B): dT = 80 K.
Ejemplo: Se aplica el modo de funcionamiento S3/40% si el motor alterna entre cuatro minutos de funcionamiento y seis minutos apagado.
La frecuencia de conmutación permitida especifica cada cuánto puede encenderse un motor en una hora sin sobrecargarlo térmicamente. Depende de lo siguiente:
La frecuencia de arranque de un motor puede aumentarse a través de las siguientes medidas:
Los motores de CA pueden funcionar a diferentes velocidades cambiando los bobinados o piezas de los bobinados. Se consiguen diferentes números de polos al insertar varios bobinados en las ranuras del estator o revirtiendo la dirección del flujo de corriente en piezas individuales del bobinado. En el caso de bobinados separados, la potencia para cada número de polo es menor que la mitad de la potencia de un motor de una sola velocidad del mismo tamaño.
Los motorreductores de CA de polos conmutables se usan como accionamientos de traslación, por ejemplo. La velocidad de traslación es alta durante el funcionamiento con bajos números de polos. Para el posicionamiento se cambia al bobinado de baja velocidad. Debido a la inercia, el motor inicialmente continúa girando a una alta velocidad durante el cambio. El motor de CA funciona como un generador durante esta fase y reduce la velocidad. La energía cinética se convierte en energía eléctrica y es retroalimentada en el sistema de suministro. El gran paso de par causado por el cambio es una desventaja. Sin embargo, se pueden tomar medidas de circuito apropiadas para reducir esto.
El desarrollo actual de la tecnología de variadores de bajo coste favorece la sustitución de los motores de polos conmutables por motores de una sola velocidad controlados por variador de frecuencia en muchasaplicaciones.
Un motor monofásico es una buena opción en sus aplicaciones
Ejemplos de aplicación típicos incluyen ventiladores, bombas, y compresores. Hay dos diferencias de diseño fundamentales aquí:
Por un lado, el motor de CA asíncrono clásico está conectado solo a una fase y al conductor neutral. La tercera conexión se produce a través de un cambio de fase usando un condensador. Como el condensador solo puede generar un desvío de la fase de 90º y no un desvío de fase de 120°, este tipo de motor monofásico normalmente se clasifica con dos tercios de la potencia de un motor de CA comparable.
La segunda forma de construir un motor monofásico implica ajustes técnicos en el bobinado. En lugar del bobinado de tres fases, solo se implementan dos fases, una como fase principal y otra como fase auxiliar. Las bobinas, que están espacialmente desviadas 90°, también se suministran con corriente por un condensador con un desvío temporal de 90°, que produce el campo rotatorio. Los desiguales índices de corriente del bobinado principal y bobinado auxiliar normalmente también permiten solamente dos tercios de la potencia de un motor de CA del mismo tamaño. Los motores típicos para funcionamiento monofásico incluyen motores de condensador, motores de arranque por fase auxiliar y motores de arranque que no incluyen condensadores.
La gama de SEW‑EURODRIVE incluye ambos tipos de diseño de motor monofásico – Los motores DRK... Ambos se suministran con un condensador en marcha integrado. Como este condensador está instalado directamente en la caja de bornas, se evitan contornos perturbadores. Con un condensador en marcha, aprox. del 45 al 50 por ciento del par nominal está disponible para el arranque.
Para clientes que necesitan un par de arranque superior de hasta el 150 % del par nominal, SEW-EURODRIVE puede suministrar los valores de capacidad de los condensadores de arranque requeridos para este propósito, los cuales están disponibles de distribuidores especialistas bien provistos.
Los motores de par son motores de CA de diseño especial con rotores de jaula de ardilla. En el diseño, se dimensionan de forma que incluso a velocidad 0 el consumo de corriente que alcancen sea tan alto que no se destruyen térmicamente.. Esta característica es de ayuda, por ejemplo, al abrir puertas y fijar puntos o en troqueles en prensas, para cuando se ha alcanzado una posición y debe mantenerse de forma segura por un motor eléctrico.
Otro modo de funcionamiento común es el funcionamiento de frenado contracorriente: Una carga externa es capaz de girar el rotor contra la dirección de rotación del campo rotacional. El campo rotacional "reduce" la velocidad y retira energía regenerativa del sistema, que es alimentada en el sistema de suministro – similar a frenado rotatorio sin trabajo de frenado mecánico.
SEW‑EURODRIVE ofrece los DRM../DR2M.. junto con motores de par de 12 polos que están térmicamente diseñados para uso a largo plazo con el par nominal en estado inactivo. Los motores de par SEW‑EURODRIVE son adecuados para una variedad de diferentes requisitos y velocidades y están disponibles con hasta tres pares nominales, dependiendo del modo de funcionamiento.
Si está usando motores eléctricos en áreas donde hay un riesgo de explosión (según la Directiva 2014/34/EU (ATEX)), se deben tomar medidas preventivas específicas en los accionamientos. SEW‑EURODRIVE ofrece un número de diseños diferente con esto en mente basado en el área y región de uso.
SEW‑EURODRIVE ofrece los llamados motores LSPM para aplicaciones que funcionan directamente en el sistema de suministro y que también requieren una velocidad síncrona o tener esta característica sin sensores en un variador simple. LSPM es la abreviatura de "Line Start Permanent Magnet." El motor LSPM es un motor de CA asíncrono con imanes permanentes adicionalesen el rotor. Se inicia asincrónicamente, luego se sincroniza con la frecuencia de suministro y a partir de entonces funciona de modo síncrono sin deslizamiento a la frecuencia de la red. Tecnología de motor que abre posibilidades de aplicación nuevas y flexibles en la tecnología de accionamiento, ej. la transferencia de cargas sin una caída de la velocidad.
Estos motores híbridos compactos no tienen pérdidas de rotor durante el funcionamiento y se caracterizan por su alta eficiencia. Se consiguen clases de ahorro energético hasta IE4.
El tamaño de un motor DR..J con tecnología LSPM es dos etapas más pequeño en comparación con un motor de serie con la misma potencia y clase de eficiencia energética. Por otro lado, los motores del mismo tamaño, consiguen una clase de eficiencia dos veces mejor que la de los motores asíncronos.