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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 más importante y más utilizada de este grupo es el motor asíncrono de inducción de corriente trifásica 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 forma más sencilla y con menos mantenimiento mediante convertidores de frecuencia, los motores de CC ylos motores de CA con anillos colectores están perdiendo cada vez más importancia. Otros tipos de motores CA asíncronos tienen una importancia mínima en la ingeniería de accionamiento. Por lo tanto, se omite aquí una descripción más detallada.
Si se combina un motor eléctrico, como un motor de CA, con un 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.
Rotor
En las ranuras del paquete de láminas del rotor hay un bobinado inyectado o insertado (normalmente de aluminio y/o cobre); clásicamente, una espira equivale a una barra. Estas barras están cortocircuitadas en ambos extremos mediante anillos del mismo material. Si imaginamos que quitamos el paquete de chapas, las barras con los anillos de cortocircuito recuerdan a una jaula. De ahí proviene también el segundo nombre común paralos motores de CA: «motor de jaula de ardilla».
Estator
El devanado, encapsulado en resina sintética, se inserta en las ranuras semicerradas del paquete de chapas del estator. El número y el ancho de las bobinas 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 de 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 al estator determina, entre otras cosas, el índice de protección del motor.
Eje del rotor
El paquete de chapas del lado del rotor se coloca 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 extremo del eje piñón); en el lado B se montan 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 media 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. A la carcasa se le acopla una caja de bornes, en la que los extremos del devanado 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, incrementan la disipación del calor al ambiente.
Ventilador, caperuza del ventilador
Un ventilador situado 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, sobre 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) caigan a través de la rejilla de la cubierta del ventilador en posiciones de montaje verticales.
rodamiento
Los rodamientos en las placas del cojinete de los lados A y B conectan mecánicamente las piezas giratorias con las que están hacia arriba. Por lo general, se utilizan rodamientos 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. 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 trifásica de corriente alterna con la tensión y la frecuencia correspondientes. En cada una de las tres ramas del bobinado fluyen corrientes senoidales de igual amplitud,las cuales están desfasadas entre sí 120° en el tiempo. Gracias a las ramas del bobinado, que también están desfasadas espacialmente 120°, el estator genera un campo magnético que gira a la frecuencia de la tensión aplicada.
Este campo magnético de giro —denominado brevemente 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, fluyen 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 de giro y la del rotor se reduce.
Las tensiones inducidas, ahora más bajas, provocan corrientes más bajas en la jaula del rotor y, por lo tanto, fuerzas y pares más pequeños. Si el rotor alcanzara la misma velocidad que el campo de giro, giraría de manera síncrona y no se induciría tensión; por lo tanto, 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 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 nula, 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 puede producir el motor, este «entra» en un estado de funcionamiento inadmisible, que en algunos casos puede tener efectos térmicos destructivos.
Estemovimiento relativo, necesario para el funcionamiento, entre la velocidad del campo giratorio y la velocidad mecánicase define como deslizamiento s y se expresa como un porcentaje de la velocidad del campo giratorio. En motores de baja potencia, el deslizamientopuede ser de entre el 10 y el 15 por ciento, mientras quelos motores de CAde mayor potencia tienen un deslizamiento de aproximadamente entre el 2 y el 5 por ciento.
El motor de corriente trifásica de rotor en cortocircuito absorbe potencia eléctrica de la red de tensión y la transforma en potencia mecánica, es decir, en velocidad y par. Si el motor funcionara sin pérdidas, la potencia mecánica entregada Pabsería igual a lapotencia eléctrica absorbida Pauf.
Sin embargo, como es inevitable en cualquier conversión de energía, también se producen pérdidas en el motor de corriente trifásica de rotor en cortocircuito:Se producenpérdidas en el cobre PCuypérdidas de hierro PZcuando la corriente fluye a través de un conductor eléctrico,mientras que las pérdidas de hierro PFese producen por la remagnetización del paquete de chapas a la frecuencia de red. Las pérdidas por fricción PRbse producenpor la fricción en los rodamientos; y las pérdidas por ventilación, por el uso del aire para la refrigeración. 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 absorbida se define como elrendimiento, 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 a este respecto clases de eficiencia energética,que los fabricantes han incluido en los datos técnicos. Para reducir las principales pérdidas relacionadas con la máquina, esto implica, en el diseño del motor eléctrico:
Si se representan gráficamente los pares y la corriente en función de la velocidad, se obtiene la característica curva característica de par-velocidad del motor de corriente trifásica de rotor en cortocircuito. Hasta alcanzar el punto de trabajo estable, el motor recorre esta curva después de cada encendido. El número de polos, el diseño constructivo y el devanado del rotor influyen en el trazado de las curvas. El conocimiento de estas curvas características es especialmente importante en accionamientos que funcionan con pares inversos (p. ej., 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 funcionamiento estable y térmico. Si el par inverso es incluso mayor que el par de arranque,el motor se detiene. Si hay una sobrecarga en el accionamiento en funcionamiento (por ejemplo, una cinta transportadora sobrecargada), la velocidad disminuye a medida que aumenta la carga. Si el par inverso supera el momento de par máximo,el motor «vuelca» y la velocidad desciende a la velocidad de equilibrio o incluso a cero. Todos estos escenarios provocan corrientes muy elevadas en el rotor y el estator, por lo que ambos se calientan muy rápidamente. Si no se dispone de 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 arranques frecuentes y el arranque 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 refrigeración que lo rodea (p. ej., el aire) y de la resistencia térmica del material aislante del devanado.
Las sobrecalentamientos máximos admisibles de los motores se regulan mediante una clasificación en clases térmicas (antes denominadas también «clases de aislamiento»). El motor debe poder funcionar en la clase térmica para la que fue construido, con su sobrecalentamiento continuo determinado por la potencia nominal, sin sufrir daños. Con una temperatura del refrigerante de 40 °C como máximo, la sobretemperatura límite aprobada en la clase térmica 130 (B), por ejemplo, es: dT = 80 K.
La frecuencia de conmutación admisible indica cuántas veces se puede encender un motor en una hora sin que se produzca una sobrecarga térmica. Depende de:
La frecuencia de conmutación aprobada para 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 mismos. 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 inferior a 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 reducido de polos. Para posicionar, se conmuta al devanado de baja velocidad. Al conmutar, 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 transforma en energía eléctrica y se devuelve a la red. Una desventaja es el granimpulso de par durante la conmutación, que, sin embargo, puede reducirse mediante medidas de conmutación adecuadas.
El desarrollo actual de tecnología de convertidores económicos 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 encuentran entre los ejemplos típicos de aplicación. Aquí se observandos diferencias fundamentales de diseño:
Por un lado, el clásicomotor de CAtrifásico se conecta solo a una fase y al 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 desplazamiento de fase 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 realizan dos fases, que además se diferencian como fase principal y fase auxiliar. Las bobinas, ahora desplazadas espacialmente 90°, se alimentan con una diferencia de 90° en el tiempo mediante un condensador, lo que genera el campo de giro. Las relaciones de corriente desiguales entre el devanado principal y el auxiliar suelen permitir, por regla general, solo dos tercios de la potencia de un motor de CA de igual tamaño. Los motores típicos para el funcionamiento monofásico son el motor de condensador, el motor de entrehierro y el motor de arranque,que funciona sin condensador.
SEW-EURODRIVE cuenta en su gama con ambos tipos de construcción de motores monofásicos: los motores DRK... Ambos se suministran con condensador de trabajo integrado. Dado que este se aloja directamente en la caja de bornes, se evitan los contornos de interferencia. 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 más alto, 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 variantes especialesde motores de CAcon rotor de jaula de ardilla. En su diseño, se dimensionan de tal manera que, incluso a una velocidad de giro de 0, solo tienen un consumo de corriente necesario para evitar su propia destrucción térmica. Esto resulta útil, por ejemplo,enla apertura de puertas, el cambio de agujaso en herramientas de prensas, cuando se debe alcanzar una posición y mantenerla de manera segura en modo motor.
Otro modo de funcionamiento habitual es el denominado frenado por contracorriente: 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, que se devuelve a la red; es, por así decirlo, un frenado rotativo sin trabajo de frenado mecánico.
SEW-EURODRIVE ofrece con los DRM../DR2M.. , imanes de campo giratorio de 12 polos diseñados para un uso térmico continuo con 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, dependiendo del modo de funcionamiento.
Cuando los motores eléctricos se utilizan en áreas con riesgo de explosión (según la Directiva 2014/34/UE (ATEX)), se deben tomar ciertas medidas de protección en los accionamientos. Para ello, SEW-EURODRIVE ofrece diferentes motores de CA antiexplosivos .
Para aplicaciones que funcionan directamente conectadas a la red y que, además, deben tener una velocidad síncrona o disponer de esta característica sin sensor mediante un variador sencillo, 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 adicionalesen el rotor. Arranca de forma 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 rotordurante el funcionamiento e impresionan por su alto rendimiento. Se alcanzan clases de eficiencia energética 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 superior a la de los motores asíncronos.
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