Motores AC, motores asíncronos

Este grupo de máquinas de inducción incluyen máquinas eléctricas cuyo modo de operar está basado en un campo magnético rotativo entre el estator y el rotor. La máquina más importante y más comúnmente utilizada dentro de este grupo es el Motor AC asíncrono de inducción con diseño de jaula de ardilla. Sus características principales son:

• Un diseño simple y robusto
• Elevada seguridad de funcionamiento
• Bajo mantenimiento
• Precio bajo

En la tecnología de accionamiento eléctrica los motores eléctricos más utilizados son:

• Motores AC asíncronos (rotores de jaula de ardilla, rotores de anillo, pares de motor)
• Motores AC asíncronos monofásicos
• Servomotores asíncronos o síncronos
• Motores DC

Como los motores AC con convertidores de frecuencia proporcionan un mejor control de la velocidad, más simple y con menor mantenimiento, los motores DC y motores AC con anillos colectores están perdiendo en importancia. Otros tipos de motor AC asíncronos solo tienen una importancia marginal en la tecnología de accionamiento. Por ello, no se tratarán en detalle aquí.

Si se combina un motor eléctrico como un motor AC con un reductor se consigue unmotorreductor. Independientemente del principio eléctrico del motor, la manera en la que se monta sobre el reductor se está haciendo cada vez más importante en lo que al diseño mecánico del motor se refiere. 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 (hecho de aluminio y/o cobre, por ejemplo). Este bobinado es cortocircuitado en sus dos extremos por anillos hechos del mismo material. Las barras con los anillos cortocircuitados nos recuerdan a una jaula. De ahí viene el segundo nombre común para los motores AC: Motor de jaula de ardilla.

Estátor

El bobinado encapsulado con resina sintética, es insertado en la ranura semicerrada en el núcleo laminado del estátor. El número y anchura de las bobinas es variado para conseguir diferentes números de polos (= velocidades). La carcasa del motor junto con el núcleo laminado forman el estátor.

Placas

Las placas están hechas de acero, hierro fundido gris o de aluminio fundido y selladas en el interior del motor en la cara A y la cara B. El diseño constructivo en la transición al estátor determina el grado IP de la protección del motor.

Eje del rotor

El núcleo laminado del lado del rotor se fija a un eje de acero. Los dos extremos del eje atraviesan la placa en ambos lados A y B. El extremo del eje de salida se instala en la cara A (diseñado como un extremo de eje de piñón para el motorreductor); el ventilador, sus alas de refrigeración y/o sistemas complementarios como frenos mecánicos y encoders etc. son instalados en la cara B.

Carcasa del motor

La carcasa puede fabricarse en aluminio fundido cuando el ratio de potencia es bajo-medio. Sin embargo, la carcasa para aquellos motores cuya potencia es mayor, se produce en hierro fundido gris. La caja de bornes en la cual concluye la bobina del estátor está conectada a un bloque terminal para la conexión eléctrica del cliente. Las aletas de refrigeración amplían la superficie de la carcasa y además incrementan la emisión del calor residual en el ambiente.

Ventilador, cubierta del ventilador

Un ventilador en el extremo de la cara B del eje es cubierto por una caperuza. Esta caperuza controla la corriente de aire producida durante la rotación de las aletas de la carcasa, independientemente de la dirección de rotación del rotor. Una cubierta opcional previene que pequeñas piezas caigan en la cubierta del ventilador cuando la posición de montaje sea vertical.

Rodamientos

Los rodamientos en la cara A y la cara B de las placas conectan mecánicamente las partes rotatorias a las partes fijas. Normalmente se utilizan rodamientos de bolas rígidas. Los rodamientos de rodillos cilíndricos son raramente utilizados. El tamaño del rodamiento depende de la potencia y la velocidad que el rodamiento correspondiente tiene que absorber. Diferentes sistemas de sellado aseguran que las propiedades de lubricación requeridas se mantengan en el rodamiento y que el aceite/grasa no sufra fugas.

El sistema trifásico, simétrico de bobinado del estátor es conectado a una corriente trifásica en el sistema eléctrico con el voltaje y frecuencia adecuados. Las corrientes sinusoidales de la misma amplitud circulan en cada una de las tres fases de bobinado. Cada una de las corrientes se compensan entre sí por 120º. Como las fases son también compensadas espacialmente por 120º, el estátor genera un campo magnético que gira con la frecuencia de la tensión aplicada.

Este campo magnético rotativo – o abreviando campo magnético – induce una tensión eléctrica en el bobinado del rotor o barras del rotor. Las corrientes de corto circuito fluyen porque el bobinado es cortocircuitado por el anillo. Junto con el campo giratorio, estas corrientes crean fuerzas y producen un par de torsión sobre el 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 disminuye.

Las tensiones inducidas, que como consecuencia son ahora menores, provocan corrientes inferiores en la jaula del rotor y por consiguiente fuerzas y pares inferiores. Si la velocidad del rotor fuera la misma que la del campo rotativo, girarían sincronizados, no produciéndose tensión, y el motor como consecuencia no sería capaz de producir el par de fuerza. Sin embargo, el par de carga y pares de fricción en los rodamientos provocan una diferencia entre la velocidad del rotor y la velocidad del campo giratorio y esto se traduce en un equilibrio entre el par de aceleración y el par de carga. El motor funciona de manera asíncrona.

La magnitud de esta diferencia aumenta o disminuye dependiendo de la carga del motor pero nunca es nula porque siempre se produce fricción incluso en operaciones sin carga. Si la plena carga excede el máximo par de aceleración posible producido por el motor, el motor se puede detener pudiendo producirse un daño térmico.

El movimiento relativo entre la velocidad del campo giratorio y la velocidad mecánica necesaria para la función es definida como slip “s” y se especifica como el porcentaje de la velocidad del campo giratorio. Los motores con una potencia menor pueden tener un slip de 10 a 15 por ciento. Los motores AC de mayor potencia tienen aproximadamente un slip de 2 a 5 por ciento. .

Los motores AC toman la energía eléctrica del sistema de alimentación y lo convierten en energía mecánica – esto es, en potencia y velocidad. Si el motor opera sin pérdidas, la potencia de salida mecánica P _out correspondería con la potencia eléctrica de entrada P _in.

Sin embargo, los motores AC también presentan pérdidas, las cuales son inevitables siempre que la energía es transformada:Pérdidas de cobre P_Cu y pérdidas de bar P_Zse producen como consecuencia del calor acumulado en el conductor de corriente. Como resultado del calor acumulado durante la remagnetización del núcleo laminado con una frecuencia de línea se producen pérdidas de hierro P_Fe. La fricción en los rodamientos y la pérdida de aire por utilización de aire para la refrigeración producen pérdidas de fricción P^_Rb. La eficiencia de la máquina está definida por el ratio entre potencia de salida y entrada.

Debido a normas legales, se ha prestado mayor atención al uso de motores de mayor nivel de eficiencia en los últimos años. Las categorías de eficiencia energética se han definido en consonancia con acuerdos normativos. Los productores han adoptado estas categorías en los datos técnicos. Para reducir las importantes pérdidas producidas por la máquina, ésto ha significado lo siguiente en el diseño del motor eléctrico:

• El incremento en el uso de cobre en el bobinado del motor ( P_Cu)
• Mejor material de chapa metálica (P_Fe)
• Geometria optimizada del ventilador (P_Rb)
• Rodamiento optimizado energeticamente.

Registrando los pares y la corriente contra la velocidad se obtienen las las curvas par de velocidad del motor AC. El motor sigue esta curva característica cada vez que se enciende hasta que alcanza un punto de funcionamiento estable. El número de poleas, así como el diseño y el material de los devanados del rotor influyen en las curvas características. El conocimiento de estas curvas características es especialmente importante para conducciones operadas con pares inversos (por ejemplo: elevaciones).

Si el par inverso de la máquina conducida es más alto que el par de inflexión, la velocidad del rotor se atasca en la inmersión. El motor ya no alcanza su punto de funcionamiento nominal (que es el punto de funcionamiento estable térmicamente seguro). El motor incluso llega a pararse si el par inverso es mayor que el par de arranque Si un accionamiento se sobrecarga (por ejemplo una cinta transportadora sobrecargada), su velocidad disminuye a medida que la carga aumenta. Si el par inverso supera al par máximo, el motor se para y la velocidad se ralentiza hasta la velocidad de arranque o incluso hasta 0. Todos estos escenarios llevan a corrientes extremadamente altas del rotor y del estátor, lo que significa que ambas se calientan muy rápidamente. Este efecto puede llevar a un daño térmico irreparable del motor – o el quemado – si no hay aparatos de protección adecuados.

El calor generado en un conductor de corriente eléctrica depende de la resistencia del conductor y la magnitud de la corriente que lleva. El encendido frecuente y el arranque contra un par inverso generan una gran carga térmica en el motor AC. El calentamiento permitido del motor depende de la temperatura del medio refrigerante circundante (por ejemplo, aire) y la resistencia térmica del material aislante en el bobinado.

Los motores se distribuyen en categorías térmicas (antes llamadas “categorías de aislamiento”) que gobiernan las temperaturas máximas admitidas en los motores (IEC 60034). Un motor tiene que poder resistir sin sufrir daños una actividad constante a una temperatura elevada basándose en su potencia nominal en la clase térmica para la que fue diseñado. Por ejemplo, con una temperatura de refrigeración máxima de 40º la temperatura máxima admitida en la clase térmica H es 180 (H)³= 125° C.

• El modo operativo más simple implica la aplicación de un par de carga constante. Transcurrido un tiempo, el motor alcanza un estado térmico estable como resultado de la carga sostenida en el punto de servicio. Nos referimos a esta operación como servicio continuo S1.
• En el servicio de corta duración S2, el motor funciona a una carga constante durante cierto periodo de tiempo (tB). El motor no alcanza su estado de estabilidad térmica durante este tiempo. Esto es seguido por un tiempo de ralentí que tiene que ser suficientemente largo para permitir al motor volver a la temperatura del refrigerante.
• En el servicio intermitente S2, el motor funciona en una carga constante durante cierto tiempo (tB). El arranque mo debe afectar el calentamiento del motor en este caso. Esto es seguido por un tiempo de ralentí específico (tSt). El factor de funcionamiento por ciclo relativo (cdf) se especifica en este modo operativo. De acuerdo a IEC 60034-1, el cdf especifica la proporción del tiempo de funcionamiento en un ciclo de tiempo (=tiempo de funcionamiento+tiempo de parada) de 10 minutos con fines ilustrativos.

La frecuencia de encendido permitida especifica la frecuencia con la que un motor puede ser encendido en una hora sin ser sobrecargado térmicamente. Depende de lo siguiente:

• Los momentos de inercia de la masa para la aceleración
• La duración del tiempo de arranque
• La temperatura ambiente
• El factor de funcionamiento por ciclo

La frecuencia de arranque de un motor permitida puede aumentar con las siguientes medidas:

• Aumentando la clase térmica
• Seleccionando el siguiente motor más grande
• Incorporando un ventilador de ventilación forzada
• Cambiando el índice del reductor y por lo tanto los ratios de inercia

Los motores AC pueden funcionar a diferentes velocidades mediante el cambio de polos. Metiendo varios bobinados en las ranuras del estator o invirtiendo la dirección del flujo de la corriente en partes individuales del bobinado se obtienen diferentes números de polos.

Los motorreductores AC de polos conmutables se utilizan como accionamientos de traslación . La velocidad de traslación es alta durante el funcionamiento con un bajo número de polos. El bobinado de baja velocidad se cambia para posicionamiento. Debido a la inercia, inicialmente el motor sigue girando a gran velocidad durante el cambio.El motor AC funciona como un generador durante esta fase y se ralentiza. La energía cinética se convierte en energía eléctrica y es retroalimentada a la red de alimentación. El gran escalón de par causado por el cambio es una desventaja. Sin embargo, se pueden tomar medidas de circuito apropiadas para reducirlo.

Desarrollos actuales en la tecnología de convertidores de bajo coste promueven la utilización de motores de velocidad única controlados por convertidores de frecuencia en lugar de motores de polos conmutables en muchos usos.

Un motor monofásico es una buena opción si las aplicaciones no requieren un par de arranque de gran acelerado, están conectados a una corriente de red AC monofásica y se usa una relativa baja potencia (<= 2.2 kW). Ejemplos de aplicación típicos incluyen ventiladores, bombas y compresores. Aquí existen dos diferencias de diseño fundamentales:

Por un lado, el clásico motor Ac asíncrono solo está conectado al conductor de fase neutro. La tercera fase se produce a través de un cambio de fase utilizando un condensador. Como el condensador solo puede producir un desalineamiento de los ejes de fase de 90º y no de 120º, este tipo de motor monofásico solo tiene dos tercios de la potencia nominal de un motor AC comparable.

La segunda forma de montar un motor monofásico implica ajustes técnicos en el bobinado. En lugar del bobinado trifásico, solo se implementan dos fases, una como fase principal y la otra como fase auxiliar. Las bobinas, que tienen ejes desalineados espacialmente en 90º, también se suplen con la corriente de un condensador con un desalineamiento temporal del eje, que produce el campo giratorio. Los distintos ratios de corriente del bobinado principal y el bobinado auxiliar a menudo también permiten solamente dos tercios de la potencia de un motor AC del mismo tamaño. Motores típicos para funcionamientos monofásicos incluyen motores de condensador, motores de espira de sombra y motores de arranque que no incluyen condensadores.

La gama de SEW-EURODRIVE incluye ambos tipo de diseños de motor monofásico– Los motores DRK.. . Ambos cuentan con un condensador de trabajo en marcha. Como este condensador esta insertado directamente dentro de la caja de bornas, se evitan contornos interferentes. Con un condensador de trabajo, aproximadamente del 45 al 50 por ciento del par nominal del reductor está disponible para el arranque.

Los motores de par son motores AC de corriente alterna de jaula de ardilla. Se diseñan para que su consumo de corriente sea solo lo suficientemente alto para asegurar que no sufran daños irreparables por sobrecarga térmica cuando la velocidad es 0. Esta característica es útil al abrir puertas, hacer reajustes o en troqueles de carga, para cuando se ha alcanzado una posición y tiene que ser mantenida de manera segura por un motor eléctrico.

Otra forma de funcionamiento común es el proceso de frenado a contracorriente: Una carga externa es capaz de girar el rotor contra la dirección de rotación del campo de giro. El campo de giro baja la velocidad y saca energía regenerativa del sistema que está alimentado por la corriente de red – similar al frenado rotativo sin trabajo de frenado mecánico.

SEW EURODRIVE ofrece el DRM.. junto con motores de par de 12 polos que están térmicamente diseñados para un uso a largo plazo con el par nominal en estado de reposo. Los motores de par SEW EURODRIVE son adecuados para una variedad de exigencias y velocidades diferentes con hasta tres pares nominales, dependiendo del modo de funcionamiento.

Si se usan motores eléctricos en áreas donde hay un riesgo de explosión (según la Normativa Europea 2014/34/EU; ATEX), se deben tomar medidas preventivas especificas en los accionamientos. SEW EURODRIVE ofrece un número de diseños diferentes con esto en mente dependiendo del área y la región de uso.

SEW EURODRIVE ofrece la gama de motor LSPM (Line Start Permanent Magnet) para aplicaciones que son alimentadas directamente por la corriente de red y también requieren una velocidad síncrona. El motor LSPM es un motor AC asíncrono con imanes adicionales permanentes. Funciona asíncronamente, se sincroniza con la frecuencia operativa y funciona de modo síncrono de ahí en adelante. Tecnología del motor que abre nuevas y flexibles posibilidades de aplicación en la tecnología de accionamiento.

Estos motores híbridos compactos no incurren en ninguna pérdida del rotor durante el funcionamiento y se caracterizan por su alta eficiencia. El tamaño de un motor DR..J con tecnología LSPM es dos tallas más pequeño en comparación con un motor de la serie con la misma potencia y de la misma categoría de eficiencia energética.