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viernes, 17 de febrero de 2017

Tutorial Electrónica Básica. Cap 22. Motores eléctricos



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ÍNDICE

1. Intro
2. Principio de funcionamiento
3. Partes fundamentales de un motor
4. Tipos de motores eléctricos
    4.1. De corriente continua
          4.1.1. Con estátor de imanes permanentes
          4.1.2. Con estátor bobinado
    4.2. De corriente alterna
          4.2.1. Monofásicos
                   4.2.1.1. Con bobinado auxiliar de arranque
                   4.2.1.2. De inducción con espira de sombra
                   4.2.1.3. Universal
          4.2.2. Trifásicos
                   4.2.2.1. Síncronos
                   4.2.2.2. Asíncronos
    4.3. Motores paso a paso
    4.4. Motores sin escobillas (brushless)
    4.5. Motores antideflagrantes
    4.6. Motores piezoeléctricos
5. El problema del arranque en motores de corriente alterna
6. Invertir el sentido de giro de un motor
7. Algunos motores son reversibles. Actúan como generadores
8. Regulación de potencia/velocidad en un motor eléctrico
9. El vídeo
10. Otros vídeos que pueden interesarte
11. Toda mi colección de vídeos de Youtube



1. Intro

Un motor eléctrico es una máquina que transforma la energía eléctrica en energía mecánica o movimiento. Normalmente este movimiento es circular, aunque también se pueden hacer motores con movimiento lineal.

La energía eléctrica es transformada en energía electromagnética por medio de bobinas. Y por la interacción de varias bobinas y/o imanes permanentes, se obtiene la fuerza motriz que los hace funcionar.


Fig 1. Recreación del motor eléctrico de Jacobi

El primer motor eléctrico con prestaciones razonables como para tener utilidad práctica (foto a la izquierda) fue realizado en 1834 por Moritz Hermann von Jacobi, físico alemán. Poco después le seguiría Werner von Siemens, inventor de origen alemán, con su dinamo.







La potencia entregada por un motor eléctrico puede ser tan pequeña como unos pocos miliwatios o tan grande como de varios megavatios.

La potencia de un motor eléctrico se mide en vatios y los múltiplos kilovatio (KW = 1.000 vatios) y el megavatio (MW = 1.000KW = 1.000.000 W).

Es usual que, para expresar la potencia de un motor eléctrico se utilice la unidad "caballo de vapor" que se abrevia CV o HP (del inglés: Horse Power), al igual que en las máquinas térmicas. La equivalencia con el vatio es:


1 CV = 747 W = 0.747KW aprox.
1KW = 1000W = 1.34 CV



2. Principio de funcionamiento

No se puede resumir en una sola y sencilla "fórmula" el principio de funcionamiento de los muchos tipos de motores eléctricos que existen, ya que difieren en muchos detalles unos de otros, pero básicamente:


Fig 2. Principio de funcionamiento del motor eléctrico

En el dibujo anterior Fig.2, a la izquierda, vemos dos imanes fijos, estáticos, que constituyen el estátor del motor. Entre ambos imanes se encuentra otro imán (el rotor o parte móvil). Tal y como está representado en el dibujo, el rotor girará en el sentido de las agujas del reloj ya que los polos idénticos se repelen y los distintos se atraen, produciéndose así el giro del rotor.

Sin embargo, en este dibujo, una vez completada media vuelta, quedan enfrentadas las caras de los imanes con polaridad distinta de modo que habrá atracción y el rotor quedaría quieto indefinidamente en esa posición.

Esto se evita sustituyendo el rotor y/o el estátor por bobinas en vez de imanes. Haciendo pasar una corriente por esas bobinas éstas se comportan como imanes. Y es bastante fácil invertir el sentido de la corriente por esas bobinas, de modo que su imantación (norte-sur) se invierte, y con esto se consigue que la fuerza entre estátor y rotor siempre sea de repulsión (o siempre de atracción, según como esté construido el motor) de modo que gira indefinidamente.

Esto se puede ver (mas o menos) en el dibujo derecho de la figura 2 anterior. El estátor lo forman dos imanes permanentes, pero ahora el rotor es una bobina, (en el dibujo de una sola espira para simplificar), pero en realidad son varias espiras.

Esta bobina rotor toma la corriente en un sistema formado por un anillo sobre el que rozan las escobillas. Se puede apreciar que, cada media vuelta que da el rotor, se produce una inversión de polaridad en la bobina, de modo que el rotor siempre ofrece al estátor un polo magnético adecuado para que el giro continúe y continúe...


3. Partes fundamentales de un motor

Todos los motores eléctricos tienen:


Fig 3. Carcasa de un motor
- Una carcasa, (Figura 3), es el envoltorio o caja externa que contiene en su interior las partes del motor. En la carcasa suele haber mecanizados que servirán para sujetar el motor, a veces esos mecanizados pueden consistir en simples taladros para atornillarlo a una superficie. 


Fig 4. Estátor



El estátor o inductor (Fig. 4): En el 
interior de la carcasa, construido con chapa magnética y sobre dichas chapas está el bobinado del estátor. Dependiendo del tipo de motor, hay casos en que el estátor no tiene bobinado pues está basado en imanes permanentes que hacen por sí solos el trabajo.


Fig 5. Rotor de inducción, tipo "jaula de ardilla"

- El rotor o inducido (Fig. 5), es la parte que gira, la que, con su eje correspondiente, comunica al exterior del motor la energía mecánica obtenida. También está basado en un apilado de chapas magnéticas sobre las cuales hay otro bobinado, el bobinado del rotor.



Atendiendo a la forma de construcción y tipo del motor, opcionalmente, pueden haber otras partes constitutivas:


- Base: Es una extensión o prolongación de la carcasa. Sirve para sujetar el motor en su alojamiento, con tornillos y tuercas. En motores pequeños la "base" consiste en unos taladros en la carcasa que permiten su fijación mecánica.


Fig 6. Carcasa en motor mediano-grande y en pequeño motor de CC

- Caja  de conexiones: Es propia de motores medianos-grandes. Los motores pequeños suelen carecer de ella. Como su nombre indica, en esta caja están las conexiones para los distintos elementos del motor, permitiendo cambiar su configuración de funcionamiento o facilitando su montaje-desmontaje para el mantenimiento. La caja de conexiones protege a dichas conexiones de la acción de la intemperie.



Fig 7. Caja de conexiones

- Tapas: Son la cara delantera y trasera de un motor. Tienen una importante función que es la de dar soporte al rotor para que pueda girar. La cara delantera permite salir al eje del rotor para que pueda ser aprovechado su movimiento. En ambas tapas, trasera y delantera, se alojan los cojinetes para el eje del rotor.


Fig 8. Tapas delantera y trasera de un motor


- Cojinetes o rodamientos: Para permitir que el rotor gire con la menor fricción y pérdidas por rozamiento. Los cojinetes van alojados en las tapas (Fig 8). Pueden ser del tipo deslizamiento o del tipo rodamiento, estos últimos son más eficientes.


Fig 9.  Uno de los dos rodamientos del rotor, alojado en la tapa




4. Tipos de motores eléctricos

La cantidad de tipos y configuraciones de motores eléctricos que hay en la actualidad así como las distintas maniobras que se pueden hacer con ellos y los numerosos detalles sobre su funcionamiento puede ser mareante. La variedad de temas es amplísima. No se gobierna igual el motor de unos pocos milivatios que hace girar un CD, que el que mueve una cinta transportadora de cientos de metros con 80KW de potencia. 

A continuación vamos a tratar sobre los distintos tipos de motores, deteniéndonos más en los que habitualmente nos podemos encontrar. Quiero dejar claro que la clasificación siguiente no es exclusiva, es decir, un motor concreto puede pertenecer a varios tipos al mismo tiempo. Por ejemplo, un motor de lavadora puede pertenecer a cinco categorías:

- Monofásico
- Para corriente alterna
- Asíncrono
- Con rotor de jaula de ardilla
- Sin escobillas


4.1. De corriente continua

Son los motores que nos vamos a encontrar en la mayoría de las ocasiones los que nos dedicamos a la electrónica de consumo. Toman la energía de pilas, baterías, o fuentes de alimentación. En teoría se pueden hacer para cualquier potencia y voltaje, pero lo usual es pequeña potencia y voltajes reducidos.

No obstante, en este artículo más adelante, también se dará cobertura a los motores de corriente alterna


4.1.1. Con estátor de imanes permanentes


Fig 10. Pequeños motores de corriente continua con estátor de imanes permanentes (No con bobinas)

Es el más común de los motores de corriente continua. Utilizados en infinidad de aplicaciones. El estátor crea el campo magnético por medio de imanes permanentes no por bobinas, lo cual es una simplificación muy grande. Tienen escobillas para llevar la corriente al rotor. Es el tipo mayormente elegido para motores de muy pequeña potencia. Aplicaciones típicas son:

- CD y DVD, tanto para hacer girar los discos como para mover el carro que porta la óptica lectora. También la bandeja que extrae/introduce el disco es accionado por un motor de este tipo
- Compresores portátiles para hinchar ruedas
- Los ya en desuso cassettes y vídeos los usaban profusamente
- tensiómetros, aparatos usados en medicina para tomar la tensión
- juguetes
- Algunos modelos de secadores de pelo
- Motor que produce la vibración en los smartphones

Fig 11. Motor de corriente continua abierto. En la carcasa, cuatro imanes permanentes forman el estátor

Este tipo de motor es reversible, esto es: Si giramos el rotor, el motor se convierte en generador: En sus bornes aparecerá una tensión que podremos utilizar perfectamente para cualquier fin. Lógicamente, si el motor es de pequeña potencia, la energía generada también será pequeña.

Es posible invertir el sentido de giro de estos motores mediante el sencillo procedimiento de invertir la polaridad de la alimentación. También se puede regular su velocidad regulando el voltaje aplicado o mejor aún, usando un circuito conocido como PWM (Modulador de ancho de pulsos)


4.1.2. Con estátor bobinado

Este tipo de motor es más raro de ver para el aficionado. Aquí el estátor genera el campo magnético mediante bobinas, no con imanes. Al rotor también se le hace llegar su corriente por medio de escobillas.

Según cómo se conecten ambos bobinados (estátor y rotor), tenemos:

- en serie
- en paralelo (o shunt)
- compuesto, o "compound"


Fig 12. Conexión de un motor de corriente continua con estátor bobinado

Cada uno de los tres tipos anteriores tienen sus ventajas e inconvenientes. El primero de ellos "en serie" es el que proporciona mayor par de arranque y es el más utilizado. Hay motores de este tipo con potencia suficiente como para motorizar trenes y tranvías.


4.2. De corriente alterna

Fig 13. Motor de corriente alterna

En estos motores no podemos utilizar electricidad proveniente de pilas ni baterías, y tampoco valen las fuentes de alimentación de corriente continua. Hay que utilizar corriente alterna.










4.2.1. Monofásicos

La corriente que se dispone a nivel doméstico es monofásica, y para este ámbito doméstico es donde se usan estos motores. Suelen construirse para potencias más bien pequeñas (no más de 10 KW, usualmente bastante menos). Su rendimiento es menor que el de sus hermanos trifásicos.

Una limitación que tienen los motores monofásicos es que no producen un campo magnético rotatorio tal como lo hacen los trifásicos (ya que tienen una sola fase), por lo que no pueden arrancar por sí mismos. Es por eso que deben usar algún tipo de artificio para que puedan arrancar. Veremos tres tipos de motores monofásicos:


4.2.1.1. Con bobinado auxiliar de arranque

Estos motores tienen un bobinado auxiliar en el estátor que proporciona un campo magnético desfasado 90º respecto del bobinado principal. Esto les posibilita arrancar. En los primeros motores, una vez el rotor se ponía en marcha, un interruptor accionado por fuerza centrífuga desconectaba el bobinado auxiliar. En la actualidad no hace falta ese interruptor centrífugo, pues al bobinado auxiliar se le acopla un condensador que lo hace innecesario. Este mismo condensador tiene la importante función de ayudarle en el arranque. No todos los motores de este tipo llevan ese condensador, pero sí la mayoría. Algunos incluso llevan dos: Uno para el arranque y otro para la marcha.

Este condensador, con el tiempo, pierde capacidad y es el responsable de que el motor no arranque. Parece que el motor está averiado pero no: El responsable es el condensador. Esto es causa frecuente de averías, frecuente en lavadoras. La mayoría de las veces se sustituye el condensador, y motor funcionando...

El rotor suele ser de inducción, del tipo "jaula de ardilla", por lo que estos motores no necesitan escobillas, lo que redunda en poco mantenimiento y larga vida.

Ejemplos de uso para estos motores son los motores del compresor de neveras y frigoríficos, también los típicos motores de máquinas herramientas son de este tipo (compresores, sierras mecánicas, bombas de agua y de vacío, esmeriladoras, molinos...)


Fig 14. Motor compresor de nevera o frigorífico, Con bobinado auxiliar de arranque


4.2.1.2. De inducción con espira de sombra

Fabricados para potencias muy reducidas (hasta un máximo de 50W) debido 
a su bajo rendimiento. Sin embargo, para esas pequeñas potencias las pérdidas no son importantes y son ventajosos por su sencillez y fiabilidad.

El rotor es del tipo jaula de ardilla (sin escobillas)

En el estátor hay dos anillos o espiras de cobre, desfasados 180º entre sí, lo que le da el nombre a este motor: Espiras de sombra, también conocidas como "espiras de Frager" o polos camuflados. Su función es que el motor pueda arrancar, pues ya vimos que los motores monofásicos tienen inherente el problema de que no pueden arrancar por sí solos.


Fig 15. Motor de corriente alterna, de polos sombreados



Fig 16. Detalle de las espiras de sombra, que permiten arrancar a este motor

Entre sus usos más comunes: Ventiladores (no de PC), en fotocopiadoras, tocadiscos antiguos, y por supuesto... las bombas evacuadoras de agua de las lavadoras, casi sin excepción. En mi fábrica de biodiesel casero utilizaba una bomba evacuadora de lavadora con un motor de este tipo para hacer el trasvase de aceite desde el tanque de pre-tratamientos hacia el tanque reactor. Aguantó temporada tras temporada sin mantenimiento alguno. Nunca falló...

Es posible regular la velocidad de estos motores variando la tensión aplicada y también mediante un dimmer o regulador de potencia mediante tríac.

Este es uno de los pocos motores en que es complicado invertir su sentido de giro, pues para ello habría que desmontar el motor y colocar el rotor al revés, lo cual no siempre es posible debido a que el eje de ese rotor no suele ser simétrico, no tiene la misma forma en ambos lados...



4.2.1.3. Universal

Dentro de la clasificación "corriente alterna, monofásicos", el motor universal es el que más a menudo nos vamos a encontrar. Equipa a: Molinillos de café, taladradoras de bricolaje, aspiradoras, picadoras, batidoras, y otras máquinas herramientas de bricolaje y de cocina en general.

Este motor es el preferido en aquéllas aplicaciones en que se necesitan muchas prestaciones pero para un uso de pocos segundos. No está indicado para hacerlo trabajar durante periodos largos ni aún en el caso de que se le aplique poca carga. Por ejemplo, motorizar un torno con este tipo de motor sería un desacierto total. Lo quemaríamos muy pronto tras varias sesiones de horas funcionando sin parar. Para un torno sería mucho mejor un motor con bobinado auxiliar de arranque con rotor de jaula de ardilla como el que hemos visto en el punto 4.2.1.1

A este motor lo he clasificado como de corriente alterna porque es donde más se suele utilizar, pero este motor también es capaz de trabajar con corriente continua (lo demuestro en el vídeo) y de hecho es el único que puede trabajar con ambas corrientes (de ahí su nombre: Universal). Para una tensión dada, en alterna siempre tendrá menos prestaciones que en continua


Fig 17. Motor universal

Este motor usa escobillas para el rotor porque no es del tipo "jaula de ardilla" basado en inducción sino el clásico rotor con bobinado. Tiene un par de arranque bastante alto, pero el inconveniente de que no es apto para mantenerlo en funcionamiento durante tiempos prolongados. También tiene el problema de generar interferencias de radio notables debido al chisporroteo de las escobillas que pueden introducirse en equipos cercanos como TV,radio y ordenadores. Para minimizar esto se suelen acoplar condensadores de 1 a 10 nF entre las escobillas y el chasis de la máquina.

Para regular su velocidad, este motor, en alterna, responde perfectamente a un dimmer basado en un triac. 

En cuanto a la inversión del giro, es suficiente con invertir la polaridad o bien del inductor, o bien del inducido, pero no los dos a la vez porque en ese caso el sentido de giro no varía.



4.2.2. Trifásicos

Aunque los motores que hemos visto con anterioridad se pueden construir para grandes potencias, en la actualidad, los preferidos son los trifásicos por ser más eficientes. La industria y las aplicaciones de potencia son su terreno.

La corriente trifásica sería el equivalente a tres corrientes monofásicas desfasadas 120º grados entre sí.


Fig 18. Representación gráfica de corriente monofásica y trifásica

4.2.2.1. Síncronos

Para que un motor eléctrico gire, hace falta un campo magnético giratorio (proporcionado por el estátor, el inductor). Otra cosa es que el rotor de ese motor gire al unísono con ese campo magnético. Se dice que un motor es síncrono cuando ambas cosas giran con igual velocidad, acompasadas.

Estos motores tienen la cualidad de girar a una velocidad constante, relacionada con la frecuencia de la tensión de alimentación según las siguiente expresión:


v = 60 * f / P

v = velocidad en revoluciones por minuto (rpm)
f = frecuencia de la red
P = pares de polos

Por ejemplo, un motor de dos polos (un par) alimentado a 50 Hz, girará a una velocidad de 3000 rpm según la fórmula anterior.


4.2.2.2. Asíncronos

En estos motores, el campo magnético y el rotor no giran a la misma velocidad, y el rotor siempre irá más despacio que el campo magnético. A la diferencia entre ambas velocidades se le llama "resbalamiento", y es un parámetro importante que depende no sólo del motor, sino también del momento. Por ejemplo, cuando el motor arranca, el resbalamiento es muy grande, pues el rotor está casi parado.

El tipo asíncrono es, de lejos, el más utilizado

Los motores asíncronos tienen mayor campo de utilización que los síncronos y los de corriente continua, además, requieren poco mantenimiento y son más fáciles de fabricar.


Fig 19. Versión monofásica de motor asíncrono de corriente alterna. Para lavadora

Existen versiones monofásicas de motor asíncrono para pequeñas potencias, por ejemplo, para lavadoras. Suelen llevar un condensador electrolítico de tamaño considerable para ayudarles en el arranque. 


Fig 20. Condensadores de arranque de motores monofásicos. Cuando pierden capacidad, el motor no arranca


4.3. Motores paso a paso

El nombre los describe bien: La rotación no es continua sino a base de pequeños avances discretos. Si tomamos uno de estos motores y hacemos girar su rotor con la mano, notaremos que éste avanza como a saltos. Cada uno de estos saltos es un paso.

En estos motores es posible determinar cuántos grados avanza (o retrocede) el rotor. Es decir, se conoce su posición. Lógicamente, las corrientes empleadas para accionar estos motores no consisten en simple corriente continua (ni alterna) sino en señales codificadas, complejas, obtenidas en circuitos digitales. Un motor paso a paso (salvo aplicaciones especiales) siempre es gobernado por un circuito digital.


Fig 21. Motor paso a paso

Son utilizados en aplicaciones en donde se debe conocer con precisión cuantas vueltas (o fracciones de vuelta) da el rotor. Por ejemplo:

- Impresoras
- Robótica
- CNC
- Automatismos
- Modelos R/C

Estos motores son reversibles: Cuando se le comunica movimiento al rotor, en sus distintos bobinados aparecen tensiones con intensidades significativas, lo que los hace aptos para ser usados como pequeños generadores eléctricos.


4.4. Motores sin escobillas (brushless)

Las escobillas, sean del tipo que sean, tienen varios inconvenientes:

1) Necesitan mantenimiento periódico. Se desgastan y hay que reponerlas. No sé si alguno habéis intentado sustituir unas escobillas en un motor, aunque sea un motor pequeño, en teoría es fácil, pero en la práctica puede ser una labor bastante ardua...

2) El roce de las escobillas con el colector produce chispas.
Estas chispas pueden interferir en equipos electrónicos cercanos

3) Por la misma razón anterior, por las chispas generadas, en ambientes explosivos o inflamables pueden producir una explosión. Los gases inflamables pueden penetrar por el más pequeño orificio del motor, llegar a la zona de las escobillas y... la explosión está servida.

Para evitar los anteriores problemas se ideó el motor sin escobillas también conocido por su denominación en inglés: Brushless

En estos motores el estátor está constituido igual que en los otros tipos de motor: Un núcleo de chapa magnética sobre el que se arrollan las bobinas que producirán el campo magnético.

La novedad está en el rotor: No está basado en bobinas. El campo magnético lo obtiene de sí mismo ya que es un imán permanente, que puede ser de dos o más polos, y normalmente están hechos con elementos de la tabla periódica de los llamados tierras raras, siendo el más potente y habitual el neodimio. Esto otorga al motor brushless una simplicidad y una ausencia de mantenimiento muy grandes. 


En algunos tipos de motores brushless la alimentación es mediante complejos circuitos digitales. Como aquí no hay escobillas, no hay forma de "saber" cuál es la posición del rotor ni cuándo es el momento oportuno para enviar un pulso de corriente al estátor para que se produzca movimiento en el rotor. Para eso, el motor dispone de un sensor magnético que detecta en todo momento cuál es la posición del rotor y envía una señal eléctrica al circuito que gobierna la alimentación del estátor. Estos motores no se alimentan de simple corriente continua ni alterna. Son corrientes pulsantes con unos tiempos y unos patrones muy específicos. Está claro que un circuito de gobierno como este, no será sencillo, y algunos pueden ser realmente complejos... y caros.

Los hay más sencillos, como los ventiladores para PC, figura 22 bajo estas líneas. El modelo de la foto tiene tres cables: Dos son para alimentación, y el tercero es de salida: Del motor sale información sobre la velocidad del rotor (información normalmente obtenida mediante un sensor de efecto Hall). El circuito que lo alimenta puede conocer la velocidad real del ventilador y actuar en consecuencia.

También los hay con dos cables, sólo la alimentación, el modelo más sencillo.

Y los hay con cuatro cables: Dos para alimentación, uno para el sensor de velocidad, y otro con un control PWM para regular su velocidad. El circuito PWM no es externo, ya va integrado en el propio ventilador.


Fig 22. Ventilador de PC, brushless con tres cables

Su mantenimiento se reduce prácticamente a la vida de los cojinetes o rodamientos que sujetan al rotor. Es decir, prácticamente sin mantenimiento.

Estos motores se utilizan en modelismo, drones, en la industria, ventiladores incluyendo los de PC, y prácticamente todas las bicicletas eléctricas usan este tipo de motor. Los generadores eólicos también tienen este tipo de máquinas aunque funcionando a la inversa: Como generadores, no como motores.

Estos motores ofrecen una posibilidad interesante: Tener el estátor en el interior, con sus bobinas.  Y el rotor rodea, por fuera, al estátor. Es decir, el rotor también actúa como carcasa. Al revés que en el resto de motores.

Esta configuración es muy útil para motorizar bicicletas y motocicletas eléctricas e incluso coches. Es sabido que en las e-bikes, el motor está integrado dentro de la propia rueda. El estátor sería la parte fija del eje de la rueda motriz. No se mueve, es fijo. Rodeando a ese eje, a ese estátor, va el rotor, que sería un imán de tamaño considerable, solidariamente unido a la rueda, haciéndola girar sin necesidad de cadenas, correas, ejes cardan, engranajes... simplicidad y eficiencia total.


Fig 23. Motor brushless con estátor bobinado interior y rotor exterior. Ideal para motorizar vehículos

Sin embargo, no todos los motores sin escobillas son de imanes permanentes. Un motor de corriente alterna con rotor de jaula de ardilla también es sin escobillas, y su funcionamiento es bien distinto al motor sin escobillas que describo sobre estas líneas. Como veis, una vez más, la clasificación de motores es bastante cruzada y hasta confusa...


4.5. Motores antideflagrantes

Para evitar riesgos en zonas con vapores inflamables o polvo combustible en suspensión, en caso de utilizar motores eléctricos, estos deberían ser del tipo antideflagrante.

La ausencia de escobillas, como se vio en el punto anterior, es deseable para evitar chispas, pero no es suficiente. Estos motores tienen carcasas que están realmente fortificadas para impedir que del motor puedan salir explosiones o llamas. Lo que pueda ocurrir en el interior del motor en caso de fallo, se queda dentro del motor. 

No todos los fallos de un motor son tan silenciosos como un cable que se interrumpe, un contacto que se suelta... también hay fallos estrepitosos en los que algún componente arde o explota. En sitios con atmósferas explosivas es imperativo impedir que tal incidencia pueda salir al exterior del motor.

Estos motores se usan en la industria química, refinerías, gasolineras, procesamiento de cereales en donde el polvo de cereal mezclado con el aire forma un ambiente explosivo, minería...

Fig 24. Motor antideflagrante


4.6. Motores piezoeléctricos

Estos motores se valen del fenómeno piezoeléctrico, la propiedad de algunos materiales de producir electricidad si se les aplica un esfuerzo mecánico que los deforme... o viceversa: Si se les aplica electricidad, se deforman, se mueven.

No es un tipo de motor que nos vayamos a encontrar fácilmente, pero bueno es saber que existen.

Los hay rotatorios, como un motor convencional, y los hay lineales que realizan un movimiento longitudinal. Pueden comportarse como un motor paso a paso, es decir, avanzan un nº de grados determinado, pero en este caso, los pasos pueden ser microscòpicos, lo que les da una precisión total. Hay modelos que para su tamaño, ofrecen un par importante, pero también se pueden fabricar con menos par pero gran velocidad.
Fig 25. Motor piezoeléctrico

Otra cualidad interesante es que no están basados en campos magnéticos ni electromagneticos, por lo cual son inmunes a dichos campos incluso aunque se trate de campos magnéticos muy potentes, y pueden usarse en aplicaciones en donde estarían "bañados" en campos magnéticos donde motores convencionales no funcionarían por saturarse de campo magnético.

Una aplicación de los motores piezoeléctricos es el accionamiento del objetivo en algunos modelos de cámaras, así como en equipamiento científico y médico.



5. El problema del arranque en motores de corriente alterna

Los motores de corriente alterna con rotor jaula de ardilla son más fáciles de construir que otros tipos de motores, son fáciles de mantener, tienen buenas prestaciones, pero adolecen de un problema: En el arranque, pueden consumir hasta 8 veces su potencia nominal. Esto puede sobrecargar la instalación hasta un punto inadmisible. Si son varios los motores que arrancan simultáneamente, el problema se multiplica.

Lo anterior, con un pequeño motor de 300W quizás no sea un gran problema, pero si hablamos de un motor de 40KW, la cosa cambia

Un motor de 40KW (por poner un número), alimentado con trifásica de 400 voltios puede consumir cerca de los 100 amperios... nominal, es decir, funcionando ya de forma normal. En el arranque, ese mismo motor puede consumir más de 800 amperios de forma puntual. Hay varias formas de conseguir que un motor de este tipo arranque de forma más suave.

Una de las más utilizadas es el arranque estrella-triángulo

Un motor trifásico tiene tres bobinados independientes en el estátor, uno para cada fase. Y esos bobinados se pueden conectar de dos maneras: En estrella, y en triángulo.


Fig 26. Conexión de un motor trifásico. En estrella y en triángulo

Cuando se conecta un motor en estrella, la tensión aplicada a cada bobina es casi la mitad, y también será proporcionalmente menor la intensidad. Como resultado, el arranque del motor será suave. El motor va tomando velocidad...

Una vez han transcurrido unos segundos (de 2 a 5 segundos es lo normal), al motor se le cambia la configuración y pasa de ser conexión estrella a conexión triángulo. Ahora se le aplica la plena tensión, y el motor termina por alcanzar su velocidad nominal definitiva, pero como el motor ya tenía cierta velocidad de giro, el pico de consumo es mucho menor.


Fig 27.  Conmutador arranque estrella-triángulo

El cambio de conexión estrella-triángulo se puede hacer con un conmutador especial diseñado para eso (Fig. 27).

Es un conmutador con tres posiciones: Paro, estrella y triángulo, y es manual, es decir, lo maneja una persona. 

La secuencia de accionamiento de ese conmutador sería: 







1) pasar de la posición paro a la posición estrella. El motor arranca suave
2) esperar y darle unos segundos para que alcance cierta velocidad
3) pasar de estrella a triángulo: El motor alcanzará su velocidad normal.
Fig 28. Arrancador automático estrella-triángulo




También se puede realizar esta maniobra de forma automática sin necesidad de operador humano con un arrancador estrella triángulo formado por varios contactores (relés de potencia) y por un temporizador que establece los tiempos para la secuencia estrella-triángulo (Fig. 28)









6. Invertir el sentido de giro de un motor

Siempre es posible invertir el sentido de giro de un motor por medio de mecanismos auxiliares, tal como se hace en un vehículo automóvil gracias a la caja de cambios, cuyo motor de explosión de gasolina o gasoil no tiene tal capacidad de girar al revés.

Pero sería mucho más sencillo si el motor tuviese la capacidad de girar al revés él mismo, sin medios auxiliares. Y el motor eléctrico tiene esa capacidad, si bien en unos tipos de motor esto es más fácil que en otros...


Motores de corriente continua


Fig 29. Montaje conmutador para invertir giro en motor CC


Es el caso más sencillo: 

Basta con invertir la polaridad. El motor girará en sentido contrario. Esto se puede hacer de forma manual invirtiendo los cables que alimentan al motor, pero esto no resulta muy práctico. 

Lo habitual es hacerlo con algún dispositivo o circuito, que puede ser desde un simple conmutador (fig. 29) a un verdadero circuito electrónico sin piezas móviles (sin conmutadores, ni relés, ni pulsadores...)














Hay motores de corriente continua cuyo estátor consiste en simples imanes. Está claro que el cambio de polaridad para invertir el sentido de giro lo haremos en la única opción que tenemos: La corriente del inducido, la del rotor.

En los motores de corriente continua que tienen estátor con bobinas, el cambio de polaridad lo haremos igualmente sobre el inducido (rotor) mejor que sobre el inductor (estátor). Por supuesto, no haremos el cambio de polaridad en ambos sitios pues en ese caso el motor seguiría girando en el mismo sentido.



Motores de corriente alterna:

- Monofásicos, con bobina de arranque auxiliar: Cambiaremos el orden de los cables en el bobinado auxiliar (dejaremos el bobinado principal como está). En algunos motores esta operación hay que hacerla en la caja de conexiones, otros llevan incorporado un conmutador que hace mucho más fácil la tarea de invertir el giro.

- Monofásicos, de polos sombreados: Este motor es la excepción. Teóricamente, para invertir el sentido de giro habría que desmontar el motor y colocar el rotor al revés. Teóricamente. Pero en la práctica esto no suele ser posible debido a que el eje de dicho rotor casi nunca es simétrico.

Monofásicos, universales: Se deja tal cual está la conexión del estátor, pero se cambia el conexionado en el rotor. También vale lo contrario: intercambiar las conexiones del estátor, dejando las del rotor como están. Si invertimos ambas conexiones (estátor y rotor) el motor seguirá girando en el mismo sentido.

Trifásicos: Para invertir el sentido de giro se permutan dos de las tres fases de corriente. La otra fase se deja como está.


Fig 30. Inversión de giro en motor trifásico



7. Algunos motores son reversibles. Actúan como generadores

Fig 31. Motores que pueden actuar como generadores

Algunos tipos de motores, sin modificación alguna, son capaces de comportarse como generadores si se les comunica movimiento al rotor. Se trata de motores basados en imanes permanentes, ya sea en el rotor o en el estátor, tales como los de corriente continua y los motores paso a paso (Fig 31).






8. Regulación de potencia/velocidad en un motor eléctrico

Hay varias maneras de regular la velocidad de giro en un motor, y no todas valen para todos los tipos de motores. Entre las más usadas:

- Regulación del voltaje: Si un motor es alimentado con una tensión variable, puede responder con una variación de velocidad. Es el caso de los motores de corriente continua.

- Modulación por ancho de pulsos PWM: Utilizado para motores de corriente continua, método más refinado. Consiste en enviar al motor la tensión en forma "troceada", con una forma de onda rectangular con pulsos más o menos anchos. Cuanto más anchos sean los pulsos, más potencia se envía al motor y este gira más rápido. Cuanto más estrechos sean los pulsos, menos potencia se envía al motor, y este gira mas lento. Importante el detalle de que en este método se regula la duración de los pulsos, no el voltaje, que es constante. Esto permite al motor girar más o menos rápido, pero sin perder par (torque) incluso a bajas rpm.

Un circuito real y que funciona para regular la velocidad en motores DC basado en PWM lo tenéis en este vídeo de mi serie: Circuitos Útiles según el mosphet que utilicéis, y con el disipador térmico adecuado, se pueden regular motores de potencia considerable.

- Variación de frecuencia: En el caso de los motores trifásicos, es el método mas satisfactorio. En estos motores, la velocidad de rotación está relacionada directamente con la frecuencia de la red. Resulta obvio que no es trivial cambiar la frecuencia de una corriente alterna, y menos aún hacerlo para potencias elevadas. Son necesarios circuitos electrónicos de potencia, normalmente basados en transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT), es decir, electrónica de potencia en estado puro...

La velocidad de rotación en un motor trifásico de corriente alterna también puede variar según el número de polos de dicho motor. Disponiendo la posibilidad de usar más o menos polos en un motor, se puede regular la velocidad, si bien este método no permite regular de forma continua sino a saltos, a valores discretos, por ejemplo: 900, 1200, 1800, 3600 rpm...

- regulador de potencia, dimmer: Apto sólo para algunos tipos de motores de corriente alterna. Es el típico variador de potencia basado en un triac y unos pocos componentes más. Tiene la ventaja de que con un costo muy reducido se pueden gobernar motores de potencia considerable.

Funciona bien (y lo demuestro en el vídeo) en motores monofásicos de tipo universal, en los de rotor de jaula de ardilla y también en los de espira en sombra. En este vídeo de la colección Circuitos Útiles tenéis un regulador de potencia de corriente alterna que puede gobernar motores del tipo citado hasta 4KW. Este circuito también sirve para regular luces, resistencias calefactoras,  o cualquier otro dispositivo resistivo.



9. El vídeo



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10. Otros vídeos que pueden interesarte

En el siguiente vídeo se monta un regulador de potencia para corriente alterna basado en un tríac. Sirve para regular la velocidad en algunos tipos de motores de corriente alterna monofásicos: Universales y de espira en sombra. Gracias al triac utilizado (un tipo BTB16, para hasta 16 amperios), el generoso disipador térmico y un ventilador para ese disipador, este regulador puede vérselas con casi 4KW sin calentarse apenas. También sirve para regular la potencia aplicada a iluminación, resistencias eléctricas....

Años después de construirlo se ha convertido en una herramienta habitual, imprescindible y valiosa para mi laboratorio.






Con la misma finalidad que el vídeo anterior, pero esta vez para corriente continua. Es un regulador de potencia basado en modulación de ancho de pulsos (PWM) con el que se puede regular la potencia aplicada a muchos dispositivos, incluyendo motores de corriente continua, que responden perfectamente a las órdenes de este regulador que los hace girar desde cero hasta su máxima velocidad pasando por toda la gama de velocidades intermedias de forma continua, sin saltos.

En el vídeo se prueba con un motor de patinete de 200W, con éxito.

Dependiendo del mosphet utilizado, con este mismo circuito, se pueden regular cargas importantes, de más de 1KW sin que dicho mosphet apenas se caliente.








11. Toda mi colección de vídeos de Youtube

En Youtube, una "lista de reproducción" es una colección de vídeos, normalmente de una misma temática. A continuación tienes mis listas de reproducción:











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