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Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Eléctrica Maquinas Eléctricas
Resumen — This document shows a complete description of Universal Motor and Permanent Magnet DC motor. It's theoretical foundation, circuits model, behavior with respective graphics, advantages and disadvantages will be analyzed, also can see main aplications.
Index terms: Motor Universal, Motor de corriente continua (DC) de imanes permanentes, ac,cc, reóstato.
I. INTRODUCCIÓN
a energía eléctrica ha estado presente en todas las revoluciones industriales. Ha sido un pilar fundamental en todo el desarrollo tecnológico que hoy conocemos, lo que a su vez ha permitido realizar trabajos que antes parecían imposibles por su complejidad y la capacidad humana que requerían. Las máquinas eléctricas son parte de este desarrollo. Estás se fundamentan en la ley de inducción electromagnética que formuló Michael Faraday en 1831, a partir de esta, se lograron configurar las primeras máquinas que iban enfocadas a la generación, posteriormente se avanzó en los motores. Los motores son mecanismos capaces de hacer funcionar un sistema, transformando la energía eléctrica en trabajo mecánico por medio de campos magnéticos variables. Existen diversos tipos de motores y son ampliamente utilizados en la industria y el comercio. En un comienzo fueron las máquinas de corriente continua (CC) las pioneras, pero actualmente se han visto desplazadas por las de corriente alterna (CA). Los motores pueden clasificarse en varias categorías como por ejemplo el tipo de fuente al que se conectan, que puede ser ac o cc. Dentro de los motores ac se encuentran los sincrónicos y los asincrónicos, los cc también pueden clasificarse en aquellos que tienen escobillas y lo que no. Las aplicaciones de los motores vienen dadas según su estructura, debido a que le dan ciertas características, si tienen capacidad de carga, si puede controlarse a través del voltaje o la corriente, etc. A continuación, se detallará el funcionamiento de dos máquinas, específicamente el motor universal (que funciona CA y CC) y el motor CC de imanes permanentes.
II. MOTOR UNIVERSAL
Fig.1: Componentes de un motor universal.
La Fig. 1 representa un motor universal y sus componentes, el nombre de este se sustenta en la particularidad que presenta, ya que puede funcionar con CA y CC, su uso principal es en artefactos electrodomésticos. Un motor universal es un motor bobinado en serie, lo que significa que los devanados de campo y armadura están conectados en serie y se conmuta mecánicamente con escobillas y un conmutador. Si bien su construcción es muy similar a la de un motor de CC de bobinado en serie, un motor universal incorpora varias modificaciones que le permiten funcionar correctamente con una fuente de alimentación de CC o CA. Cuando el motor funciona con voltaje de CA, el flujo alterno causa un voltaje de reactancia, que limita la corriente a un nivel mucho más bajo que el que se produciría con el voltaje de CC. Para limitar los efectos de esta reacción de la armadura, el motor universal utiliza un devanado de compensación, que se instala en las ranuras del estator, a 90 grados eléctricos del devanado de campo principal y conectado en serie con la armadura y el devanado de campo. La corriente que fluye en cada bobina del devanado compensador está en una dirección opuesta a la corriente en el bucle de armadura correspondiente cerca de él. El bobinado de bobinas iguales en direcciones opuestas produce un efecto de cancelación que reduce la inductancia y, por lo tanto, la reactancia. El suministro de CA también induce corrientes parásitas más significativas que las que se producen cuando el motor funciona con suministro de CC. Para reducir las pérdidas por corrientes parásitas, los motores universales usan núcleos laminados (en
Tarea N°
Patricio Araya González, Rubén Guerra Muñoz, Rosa Inostroza Gutiérrez, Natalia Jara Zagal
Profesor: Fredy Muñoz Jarpa
L
Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Eléctrica Maquinas Eléctricas lugar de hierro sólido), lo que aumenta su resistencia y reduce las corrientes parásitas. Debido a que la armadura y los devanados de campo están conectados en serie, un motor universal puede funcionar con suministro de CC o CA. Estar conectado en serie significa que ambos devanados son alimentados por la misma fuente, por lo que si la fuente de voltaje cambia de polaridad, como sucede con el suministro de CA, tanto la armadura como las corrientes de campo también cambian de polaridad y la dirección del par no cambia [1]. En su funcionamiento como motor CC tenemos que el electroimán de la carcasa es un imán fijo, y el electroimán del eje esta también siempre orientado en la misma dirección, independientemente del giro del eje. Mientras que en su funcionamiento como motor CA en el electroimán de la carcasa tenemos un campo magnético (imán) que cambia su polaridad constantemente (conforme a la red eléctrica) y el electroimán del eje también cambia constantemente de forma que su campo eléctrico siempre se opone al del imán de la carcasa. [2] Estos motores tienen prácticamente la misma construcción que los de CC, ya que tienen un devanado de campo y una armadura con escobillas y un conmutador. El conmutador mantiene a la armadura girando a través del campo magnético del devanado de campo. El flujo de corriente cambia con relación al devanado de campo y la armadura, esto significa que cumple con una función de empujar y jalar, esta acción está creada por los polos norte y sur de los devanados de campo y armadura [3]. Para invertir el sentido de rotación, se invierte el sentido de la corriente en cualquiera de los bobinados. Cuando este motor se conecta a CC con carga constante, la velocidad y la potencia aumentan proporcionalmente con el voltaje aplicado. Cuando este motor se conecta a CA con carga constante, la velocidad y la potencia aumentan proporcionalmente con el voltaje aplicado a partir de las 3000 revoluciones por minuto (r.p.m.). [4]
Fig.2: Circuito Equivalente de un motor universal
Para que un motor de CC en serie funcione eficazmente con CA, se deben laminar por completo los polos de campo y la cubierta del estator. Si no están completamente laminados, las perdidas en el núcleo serán enormes. [5]
A. Características de velocidad-carga o par-velocidad
Fig.3: Curva par-velocidad de un motor universal.
La velocidad de un motor universal es baja a plena carga y muy alta sin carga. Para controlar la velocidad de un motor universal hay que variar su voltaje RMS de entrada. Cuanto mayor sea el voltaje RMS de entrada, mayor es la velocidad resultante del motor. Esto se puede observar en la Fig. 4.
Fig.4: Efecto del cambio de voltaje en la característica par- velocidad de un motor universal. B. Ventajas: Algunas de las principales ventajas que posee el motor universal son: La principal ventaja de este tipo de motor es que puede trabajar como CA y CC. La velocidad se adapta a la carga. Para regular la velocidad de giro basta con conectar un reóstato (componente eléctrico para regular la intensidad de la corriente sin necesidad de abrir el circuito y que consiste en una resistencia eléctrica que puede variarse a voluntad) en serie con el inducido. Los motores universales producen un par de arranque muy bueno (par alto a bajas velocidades) y esta capacidad para funcionar a velocidades muy altas significa que los motores universales son buenos para aplicaciones que involucran componentes que giran rápidamente, como ventiladores, secadores y aspiradoras. Se pueden fabricar para cualquier velocidad de giro.
Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Eléctrica Maquinas Eléctricas residual y una alta intensidad de magnetización coercitiva. Los imanes de tierras raras están exentos de problemas de desmagnetización debido a la reacción de la armadura. Es un material costoso. El neodimio hierro boro es más barato en comparación con el samario cobalto. Pero puede soportar temperaturas más altas. Los imanes de tierras raras se utilizan para aplicaciones sensibles al tamaño. Se utilizan en automóviles, servo accionamientos industriales y en grandes motores industriales. [9]
B. Ventajas
Algunas de las ventajas que posee el MCDIP frente a otros motores son: Son menos costosos, más pequeños, más sencillos y con mayor eficiencia que los motores de c.c. correspondientes con campos electromagnéticos separados.
Se utiliza cuando no hay necesidad de controlar la velocidad del motor mediante el control de su campo. La eliminación de electroimanes separados en el estator reduce el tamaño, el costo de este y las perdidas en los circuitos de campo. Puesto que no requieren un circuito de campo externo, no sufren las perdidas en el cobre del circuito de campo asociadas con los motores de cd en derivación. Una ventaja respecto a los motores de inducción y sincrónicos convencionales, es la ausencia de pérdidas de deslizamiento y la natural habilidad de suministrar corriente reactiva. Dependiendo de las condiciones de excitación tanto del imán como de la armadura, además de un aumento general de la eficiencia de conversión de energía como también de la disminución de los costos de mantenimiento, y perdidas asociadas a la refrigeración del motor. Posee control preciso a bajas velocidades. Aumento de la eficiencia en términos de rendimiento y consumo de energía, el MCDIP es potente y eficiente, pero también ahorra energía. Poseen alta resistencia al shock mecánico. [6] [8] [10]
C. Desventajas
Las principales desventajas a las que se enfrenta el MCDIP son: Los imanes permanentes no pueden producir una densidad de flujo tan alta como la que suministra en forma externa un campo en derivación, por lo que un MCDIP tendrá un par inducido menor por ampere de corriente del inducido que un motor en derivación del mismo tamaño y misma construcción [4].
Los MCDIP corren el riesgo de desmagnetizarse si la corriente del inducido es muy grande y reduzca y reoriente de manera permanente el flujo residual que tienen. Es por esto que se debe guardar especial atención con las temperaturas de servicio del motor, como también determinar los puntos de operación en las características B-H para los imanes para evitar la desmagnetización que de ocurrir seria irreversible.
Los materiales de MCDIP son físicamente más frágiles que la mayoría de los aceros normales, de modo que los estatores construidos con ellos pueden estar limitados por los requerimientos físicos del par del motor [4].
Otra mayor desventaja del motor MCDIP es que el campo en el espacio de aire es fijo y limitado y no puede controlarse externamente. Por lo tanto, el control de velocidad muy eficiente del motor de CC en este tipo de motor es difícil.
Los imanes permanentes se desgastan con el tiempo y producen polvo, por ello, estos motores necesitan un mantenimiento periódico para la limpieza y sustitución de estas escobillas.
Otra desventaja es que tienen una fuerte dependencia constructiva para generar torques suaves, esto quiere decir que tienen que tener una geometría específica de forma que no se produzcan armónicas especiales que distorsionen la señal de flujo en el entrehierro. [8]
D. Aplicaciones Algunas de las aplicaciones de este motor son: Este motor es ampliamente utilizado donde tampoco se requiere un control muy efectivo, como en el arranque de automóviles, juguetes, limpiadores, lavadoras, sopladores de aire caliente, acondicionadores de aire, unidades de disco de computadora y muchos más. [1]
Otra aplicación que posee este tipo de motor es en sistemas de purificación de agua, sistemas de tratamiento y desalinización, plantas de tratamiento de aire. A su vez, funcionan eficazmente en combinación con bombas, compresores, trituradoras, ventiladores, cintas transportadoras, sistemas de calefacción, entre otros..
Son muy utilizados en instalaciones industriales debido a su gran robustez, fiabilidad y bajo costo. Sin embargo, la corriente de arranque consumida por este motor es muy elevada, dañando la máquina y sus protecciones.
IV. CONCLUSIÓN Se puede concluir que los motores son máquinas indispensables en la industria y en este caso los dos tipos de motores que revisamos tienen una fuerte presencia en la vida cotidiana. Los motores universales son ampliamente utilizados en equipos portátiles y electrodomésticos como taladros, aspiradoras, batidoras, entre otros. Debido a su estructura compacta, a su bajo coste, a su mayor capacidad de arranque, elevada velocidad de rotación y regulación de esta, además de
Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Civil Eléctrica Maquinas Eléctricas que pueden alimentarse de fuentes cc y ac. Sin embargo, Estos equipos necesitan mantención periódica, son ruidosos y tienen usos limitados para alta tensión. Al contrario, los motores DC con imanes permanentes son un poco más robustos, de alta fiabilidad y bajo control. La combinación de un menor número de componentes y sencilla configuración reduce los costos por hora de ingeniería, facilita la instalación, permite un uso más eficiente del espacio y reduce los inventarios de repuesto. [11] Estos son utilizados en arranque de automóviles, acondicionadores de aire e incluso se ha utilizado en buques de guerra. Motor PM como motor propulsor naval. Actualmente la propulsión eléctrica está tomando importancia tanto en buques de guerra como en buques mercantes. Esta alternativa de propulsión no debe ser descartada frente a otras alternativas puesto que representa ventajas comparativas importantes frente al vapor, gas o el mismo motor diésel. [11] Poseen un alto rendimiento y potencia, además tiene una alta resistencia al shock mecánico. Como se alimentan de fuente cc pueden conectarse a baterías y sistemas fotovoltaicos, se acoplan bien a bombas y cintas transportadoras. No obstante, hay que resguardar su temperatura debido a que corren el riesgo de desmagnetizarse, este no es el único inconveniente, además tienen baja controlabilidad de la velocidad, necesitan mantenimiento periódico puesto que sus materiales son frágiles y no pueden producir una alta densidad de flujo.
REFERENCIAS
[1] D. Collins (2018, Mayo 15), How can a universal motor operate on either DC or AC supply?, MOTION CONTROL TIPS,[Online]. Available: https://www.motioncontroltips.com/how-can-universal- motor-operate-dc-ac-supply/. [2] M. Pernia (2014, Mayo 19). Conceptos básicos de motores monofásicos [Online].Available: https://www.researchgate.net/profile/Marino_Pernia/publi cation/235752028_Motores_Monofasicos- conceptos_basicos/links/02bfe5131e98cea5f8000000/Mot ores-Monofasicos-conceptos-basicos.pdf [3] G. Enríquez Harper, Curso de transformadores y motores de inducción, México: Limusa Noriega, 2005. [4] Electronica Unicrom, [Online]. Available: https://unicrom.com/motor-universal-funcionamiento- velocidad/. [5] S. Chapman, Máquinas eléctricas, 5ta ed. México: McGRAW-HILL. [6] Electrical4U (2019, Julio 11), [Online]. Available: https://www.electrical4u.com/permanent-magnet-dc- motor-or-pmdc-motor/ [7] El Pro-fo-cus, “PMDC Motor: Construction, Working and Applications”, [Online]. Available: https://www.elprocus.com/pmdc-permanent-magnetic-dc- motor-construction-working/
[8] F.Calvo Alvarez, Motor de imanes permanentes como propulsor Naval. [Online]. Available: https://revistamarina.cl/revistas/1999/3/calvo.pdf [9] Circuit globe, «Circuit globe,» [Online]. Available: https://circuitglobe.com/permanent-magnet-dc- motor.html. [10] OME Motors, [Online]. Available: https://www.omemotors.es/motores-electricos/motores- de-imanes- permanentes/?gclid=Cj0KCQjwiYL3BRDVARIsAF9E GfSJewoJRF56qJsYChb3W1-yEtr52GvtKhcdoPSo- OkLS1EGOyP-nEaAnBwEALw_wcB [11] Revista Electro Industria (Agosto 2008), Motores de imanes permanentes en aplicaciones de baja velocidad. [Online] Avaible: http://www.emb.cl/electroindustria/articulo.mvc?xid= 1&ni=motores-de-imanes-permanentes-en-aplicaciones- de-baja-velocidad
