Principio de funcionamiento de motores de corriente directa

El principio de funcionamiento de los motores eléctricos de corriente directa o continua se basa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán permanente cuando, de acuerdo con la Ley de Lorentz, interactúan con los polos magnéticos de un electroimán que se encuentra montado en un eje. Este electroimán se denomina “rotor” y su eje le permite girar libremente entre los polos magnéticos norte y sur del imán permanente situado dentro de la carcasa o cuerpo del motor.

Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina de este electroimán giratorio, el campo electromagnético que se genera interactúa con el campo magnético del imán permanente. Si los polos del imán permanente y del electroimán giratorio coinciden, se produce un rechazo y un torque magnético o par de fuerza que provoca que el rotor rompa la inercia y comience a girar sobre su eje en el mismo sentido de las manecillas del reloj en unos casos, o en sentido contrario, de acuerdo con la forma que se encuentre conectada al circuito la pila o la batería.

FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR COMÚN DE CORRIENTE DIRECTA

La siguiente figura muestra, de forma animada, el funcionamiento de un motor común bipolar de corriente directa. Como se puede observar, éste consta de un imán permanente en forma de semicírculo, dividido en dos partes fijas al cuerpo del motor. La parte de color rojo del imán corresponde al polo norte “N” y la azul al polo sur “S”. También encontramos un electroimán que a modo de rotor gira entre los polos magnéticos del imán permanente. En el eje del rotor se muestra un colector dividido en dos segmentos y dos escobillas haciendo contacto con los mismos. La batería se encuentra conectada de tal forma que la corriente eléctrica fluye en el sentido convencional con el polo positivo (+) conectado a la escobilla derecha y el polo negativo (–) a la escobilla izquierda. Cada escobilla hace pleno contacto con las secciones del colector, incluso mientras el rotor se encuentra girando.

Como la bobina del rotor se encuentra conectada a ambos segmentos del colector, éste se energiza con la corriente eléctrica directa que suministra la fuente de fuerza electromotriz (F.E.M.) (en este caso la batería), que le llega a través de las escobillas. De esa forma la corriente la recibe el colector a través de la escobilla izquierda identificada con el signo (+), recorre las espiras correspondientes a esa mitad de la bobina del electroimán (de color rojo) y continúa recorriendo las espiras de la mitad derecha (de color azul) para retornar, finalmente, a la batería por su polo negativo (–), completando así el circuito eléctrico del motor. Cuando la corriente eléctrica comienza a fluir por la parte correspondiente a las espiras de color rojo, el electroimán adquiere polaridad norte “N” en ese extremo y polaridad sur“S” en el extremo opuesto representado por las espiras de color azul.

De acuerdo con la Ley de Lorentz y aplicando la “Regla de la mano izquierda” podremos comprobar que, en esas condiciones, el electroimán del rotor comienza a girar debido al torque magnético que se produce en sentido contrario a las manecillas del reloj. Dicho torque es resultado del rechazo que se manifiesta entre las polaridades magnéticas iguales del campo electromagnético del rotor y del campo magnético del imán permanente fijo en la carcasa del motor. Cada vez que el electroimán del rotor da media vuelta y alcanza la posición vertical o neutra, los segmentos del colector (que giran también de forma conjunta con el rotor cambiando constantemente su posición), dejan de hacer contacto con las escobillas. En esa posición el suministro de corriente eléctrica a las espiras de la bobina cesa, por lo que el campo electromagnético desaparece por completo por unos instantes. La fuerza de inercia o impulso que mantiene el electroimán al llegar a la posición neutra permite que continúe girando y sobrepase ese punto de inmediato, por lo que los segmentos del colector pasan a ocupar la posición opuesta a la que tenían. En esta nueva posición la bobina se vuelve a energizar, pero al cambiar la polaridad de la corriente eléctrica que le suministra el colector, los polos magnéticos en cada extremo del electroimán del rotor también cambian. El cambio constante de polaridad de la corriente en la bobina permite que los polos del electroimán sean siempre los mismos a cada lado del eje del rotor. Así pueden ser rechazados una y otra vez por los polos magnéticos del imán permanente, permitiendo que el rotor gire ininterrumpidamente durante todo el tiempo que la fuente de fuerza electromotriz (F.E.M.) se mantenga conectada al circuito eléctrico del motor.

Como se puede apreciar en la propia ilustración, de acuerdo con la forma en que se encuentra conectada la batería, el rotor gira en contra de las manecillas del reloj. Ahora bien, si queremos que gire en sentido contrario, sólo será necesario cambiar la conexión invirtiendo nosotros mismos su polaridad.

Características principales

La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga.

Su principal inconveniente, el mantenimiento, muy caro y laborioso.

Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes, un estator que da soporte mecánico al aparato y tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estator además se encuentran los polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, al que llega la corriente mediante dos escobillas.

Identificación de Fallas

Servicio de corta duración

El motor alcanza el calentamiento límite durante el tiempo de funcionamiento prescrito (10-30-60 minutos), la pausa tras el tiempo de funcionamiento debe ser lo suficientemente larga para que el motor pueda enfriarse.

Servicio intermitente

Se caracteriza por periodos alternos de pausa y trabajo.

Protección contra averías

Si se daña un motor, deben tomarse en cuentas los siguientes factores:

Clase de máquina accionada. Potencia efectiva que debe desarrollar, HP. Velocidad de la máquina movida, RPM. Clase de transmisión (Acoplamiento elástico o rígido), sobre bancada común o

separada, correa plana o trapezoidal, engranajes, tornillos sin fin, etc. Tensión entre fase de la red. Frecuencia de la red y velocidad del motor. Rotor anillos rozantes o jaula de ardilla. Clase de arranques, directo, estrella triángulo, resistencias estatóricas, resistencias

retóricas, auto transformador, etc. Forma constructiva. Protección mecánica. Regulación de velocidad. Tiempo de duración a velocidad mínima. Par resistente de la máquina accionada (MKG). Sentido de giro de la máquina accionada mirando desde el lado de acoplamiento

derecha, izquierda o reversible. Frecuencia de arranque en intervalos menores de dos horas. Temperatura ambiente si sobrepasa los 40 °C. Indicar si el motor estará instalado en áreas peligrosas: Gas, Humedad, etc.

El motor funciona en forma irregular

Avería en los rodamientos. La caja del motor está sometida a tensiones mecánicas. Acoplamiento mal equilibrado.

No arranca

Tensión muy baja. Contacto del arrollamiento con la masa. Rodamiento totalmente dañado. Defecto en los dispositivos de arranques.

Arranca a golpes

Espiras en contacto.

Motor trifásico arranca con dificultad y disminución de velocidad al ser cargado

Tensión demasiado baja. Caída de tensión en la línea de alimentación. Estator mal conectado, cuando el arranque es estrella triángulo. Contacto entre espiras del estator.

Trifásico produce zumbido internamente y fluctuaciones de corriente en el estator

Interrupción en el inducido.

Trifásico no arranca o lo hace con dificultad en la conexión estrella

Demasiada carga. Tensión de la red. Dañado el dispositivo de arranque estrella.

Trifásico se calienta rápidamente

Cortocircuito entre fases. Contacto entre muchas espiras. Contacto entre arrollamiento y masa.

Estator se calienta y aumenta la corriente

Estator mal conectado. Cortocircuito entre fases. Contacto entre arrollamientos y masa.

Se calienta excesivamente pero en proceso lento

Exceso de carga. Frecuencia de conexión y desconexión muy rápida. Tensión demasiado elevada. Tensión demasiado baja. Falla una fase. Interrupción en el devanado. Conexión equivocada. Contacto entre espiras. Cortocircuito entre fases. Poca ventilación.

Mantenimiento

Mantenimiento preventivo con motor en marcha

Prueba de amperaje:

Con el motor puesto en marcha mediremos el amperaje del motor, para ello con el equipo puesto en funcionamiento tomaremos las puntas del amperímetro y colocaremos las puntas en la línea de fase y la línea neutra en los correspondientes bornes del motor. Si el motor esta consumiendo mas corriente de la que debería entonces se procede a realizar el cambio instantáneo del motor mientras se revisa más a fondo el otro.

Prueba de sonidos:

Con el motor en funcionamiento, utilizaremos la herramienta “estetoscopio” mediante la cual inspeccionaremos al motor en busca de sonidos extraños, los cuales indicarán si existe rozamiento dentro de sus partes internas. De existir algún sonido extraño realizar el cambio de motor para realizar el correspondiente mantenimiento.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Los motores de corriente alterna tienen una estructura similar, con pequeñas variaciones en la fabricación de ¡os bobinados y del conmutador del rotor. Según su sistema de funcionamiento, se clasifican en motores de inducción, motores sincrónicos y motores de colector.

Motores de corriente alterna

Motores de inducción

El motor de inducción no necesita escobillas ni colector. Su armadura es de placas de metal magnetizable. El sentido alterno de circulación, de la corriente en las espiras del estator genera un campo magnético giratorio que arrastra las placas de metal magnetizable, y las hace girar. El motor de inducción es el motor de corriente alterna más utilizado, debido a su fortaleza y sencillez de construcción, buen rendimiento y bajo coste así como a la ausencia de colector y al hecho de que sus características de funcionamiento se adaptan bien a una marcha a velocidad constante.

Motores sincrónicos

Los motores sincrónicos funcionan a una velocidad sincrónica fija proporcional a la frecuencia de la corriente alterna aplicada. Su construcción es semejante a la de los alternadores Cuando un motor sincrónico funciona a potencia Constante y sobreexcitado, la corriente absorbida por éste presenta, respecto a la tensión aplicada un ángulo de desfase en avance que aumenta con la corriente de excitación Esta propiedad es fa qUe ha mantenido la utilización del motor sincrónico en el campo industrial, pese a ser el motor de inducción más simple, más económico y de cómodo arranque, ya que con un motor sincrónic0 se puede compensar un bajo factor de potencia en la instalación al suministrar aquél la corriente reactiva, de igual manera que un Condensador conectado a la red.

Motores de colector

El problema de la regulación de la velocidad en los motores de corriente alterna y la mejora del factor de potencia han sido resueltos de manera adecuada con los motores de corriente

alterna de colector. Según el número de fases de las comentes alternas para los que están concebidos los motores de colector se clasifican en monofásicos y Polifásicos, siendo los primeros los más Utilizados Los motores monofásicos de colector más Utilizados son los motores serie y los motores de repulsión

Características principales

Una de las características de un motor AC (CA) es el número de polos del rotor. Este dato automáticamente dará el número de devanados que tiene el motor. # devanados = # polos x 2.

Los parámetros de operación de un motor designan sus características, es importante determinarlas, ya que con ellas conoceremos los parámetros determinantes para la operación del motor. Las principales características de los motores de C.A. son:

Potencia: Es la rapidez con la que se realiza un trabajo; en física la

Potencia = Trabajo/tiempo, la unidad del Sistema Internacional para la potencia es el joule por segundo, y se denomina watt (W). Sin embargo estas unidades tienen el inconveniente de ser demasiado pequeñas para propósitos industriales.

Por lo tanto, se usan el kilowatt (kW) y el caballo de fuerza (HP) que se definen como:

1 kW = 1000 W

1 HP = 747 W = 0.746 kW

1kW = 1.34 HP

Voltaje: También llamada tensión eléctrica o diferencia de potencial, existe entre dos puntos, y es el trabajo necesario para desplazar una carga positiva de un punto a otro:

E = [VA −VB]

Donde: E = Voltaje o Tensión

VA = Potencial del punto A

VB = Potencial del punto B

La diferencia de tensión es importante en la operación de un motor, ya que de esto dependerá la obtención de un mejor aprovechamiento de la operación.

Los voltajes empleados más comúnmente son: 127 V, 220 V, 380 V, 440 V, 2300

V y 6000 V.

Corriente: La corriente eléctrica [I], es la rapidez del flujo de carga

[Q] que pasa por un punto dado [P] en un conductor eléctrico en un tiempo [t] determinado.

T

I = Q

Donde: I = Corriente eléctrica

Q = Flujo de carga que pasa por el punto P

t = Tiempo

La unidad de corriente eléctrica es el ampere. Un ampere [A] representa un flujo de carga con la rapidez de un coulomb por segundo, al pasar por cualquier punto.

S

A C

1

1 = 1

Los motores eléctricos esgrimen distintos tipos de corriente, que fundamentalmente son: corriente nominal, corriente de vacío, corriente de arranque y corriente a rotor bloqueado.

Corriente nominal: En un motor, el valor de la corriente nominal es la cantidad de corriente que consumirá el motor en condiciones normales de operación.

Corriente de vacío: Es la corriente que consumirá el motor cuando no se encuentre operando con carga y es aproximadamente del 20% al 30% de su corriente nominal.

Corriente de arranque: Todos los motores eléctricos para operar consumen un excedente de corriente, mayor que su corriente nominal, que es aproximadamente de dos a ocho veces superior.

Corriente a rotor bloqueado: Es la corriente máxima que soportara el motor cuando su rotor esté totalmente detenido.

IDENTIFICACIÓN DE FALLAS

Servicio de corta duración

El motor alcanza el calentamiento límite durante el tiempo de funcionamiento prescrito (10-30-60 minutos), la pausa tras el tiempo de funcionamiento debe ser lo suficientemente larga para que el motor pueda enfriarse.

Servicio intermitente

Se caracteriza por periodos alternos de pausa y trabajo.

Protección contra averías

Si se daña un motor, deben tomarse en cuentas los siguientes factores:

Clase de máquina accionada. Potencia efectiva que debe desarrollar, HP. Velocidad de la máquina movida, RPM. Clase de transmisión (Acoplamiento elástico o rígido), sobre bancada común o

separada, correa plana o trapezoidal, engranajes, tornillos sin fin, etc. Tensión entre fase de la red. Frecuencia de la red y velocidad del motor. Rotor anillos rozantes o jaula de ardilla.

Clase de arranques, directo, estrella triángulo, resistencias estatóricas, resistencias retóricas, auto transformador, etc.

Forma constructiva. Protección mecánica. Regulación de velocidad. Tiempo de duración a velocidad mínima. Par resistente de la máquina accionada (MKG). Sentido de giro de la máquina accionada mirando desde el lado de acoplamiento

derecha, izquierda o reversible. Frecuencia de arranque en intervalos menores de dos horas. Temperatura ambiente si sobrepasa los 40 °C. Indicar si el motor estará instalado en áreas peligrosas: Gas, Humedad, etc.

El motor funciona en forma irregular

Avería en los rodamientos. La caja del motor está sometida a tensiones mecánicas. Acoplamiento mal equilibrado.

No arranca

Tensión muy baja. Contacto del arrollamiento con la masa. Rodamiento totalmente dañado. Defecto en los dispositivos de arranques.

Arranca a golpes

Espiras en contacto.

Motor trifásico arranca con dificultad y disminución de velocidad al ser cargado

Tensión demasiado baja. Caída de tensión en la línea de alimentación. Estator mal conectado, cuando el arranque es estrella triángulo. Contacto entre espiras del estator.

Trifásico produce zumbido internamente y fluctuaciones de corriente en el estator

Interrupción en el inducido.

Trifásico no arranca o lo hace con dificultad en la conexión estrella

Demasiada carga. Tensión de la red. Dañado el dispositivo de arranque estrella.

Trifásico se calienta rápidamente

Cortocircuito entre fases. Contacto entre muchas espiras. Contacto entre arrollamiento y masa.

Estator se calienta y aumenta la corriente

Estator mal conectado. Cortocircuito entre fases. Contacto entre arrollamientos y masa.

Se calienta excesivamente pero en proceso lento

Exceso de carga. Frecuencia de conexión y desconexión muy rápida. Tensión demasiado elevada. Tensión demasiado baja. Falla una fase. Interrupción en el devanado. Conexión equivocada. Contacto entre espiras. Cortocircuito entre fases. Poca ventilación. Inducido roza el estator. Cuerpos extraños en el entrehierro. La marcha no corresponde al régimen señalado por la placa.

Mantenimiento

El mantenimiento preventivo abarca todos los planes y acciones necesarias para determinar y corregir las condiciones de operación que puedan afectar a un sistema, maquinaria o equipo, antes de que lleguen al grado de mantenimiento correctivo, considerando la selección, la instalación y la misma operación.

El mantenimiento preventivo bien aplicado disminuye los costos de producción, aumenta la productividad, así como la vida útil de la maquinaria y equipo, obteniendo como resultado la disminución de paro de maquinas.

Las actividades principales del mantenimiento preventivo son:

a) Inspección periódica con el fin de encontrar las causas que provocarían paros imprevistos.

b) Conservar la planta, anulando y reparando aspectos dañinos cuando apenas comienzan.

para llevar un control de los resultados, se utiliza un registro de equipo, además de que auxilia de un programa de mantenimiento preventivo.

FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR UNIVERSAL

Los motores universales funcionan generalmente en altas velocidades, de 3.500 a 20.000 r.p.m., esto da lugar a un alto cociente de energía-a-peso y de energía-a-tamaño, haciéndolos deseables para las herramientas hand-held, aspiradores y máquinas de costura. Un motor universal tiene altas velocidades usando diversas corrientes de una fuente de energía. El funcionamiento cerca de la carga clasificada es similar para todas las fuentes, comenzar el esfuerzo de torsión es alto y la regulación de la velocidad es pobre, la velocidad es muy alta en las cargas que son bajas. Teóricamente, en la carga cero la velocidad llega a ser infinita, así algunos motores universales deben emplear controles de velocidad.

Este motor está construido de manera que cuando los devanados inducidos e inductor están unidos en serie y circula una corriente por ellos, se forman dos flujos magnéticos que al reaccionar provocan el giro del rotor, tanto si la tensión aplicada es continua como alterna.

CARACTERÍSTICA PAR-VELOCIDAD DEL MOTOR UNIVERSAL

En la figura 1 se muestra una típica característica par-velocidad de un motor universal. Esta característica difiere de la característica par-velocidad de la misma máquina que opera conectada a una fuente dc por las 2 siguientes razones:

Los devanados del inducido y de campo tienen reactancia bastante grande a 50 o 60 Hz. Una parte significativa del voltaje de entrada cae a través de estas reactancias; por tanto, EA es menor para un voltaje de entrada dado durante la operación a.c. que durante la operación d.c. Puesto que EA= kØ , para una corriente del inducido y un par inducido dados, el motor es más lento en corriente alterna que en corriente continua.

Además, el voltaje máximo de un sistema es veces su valor rms, de modo que podría ocurrir saturación magnética cerca de la corriente máxima de la máquina. Esta saturación podría reducir significativamente el flujo rms del motor para un nivel de corriente dado y tiende a reducir el par inducido de la máquina.

APLICACIONES DE LOS MOTORES UNIVERSALES

El motor universal tiene la característica par-velocidad descendente, fuertemente empinada de un motor dc serie, de modo que no es adecuado para aplicaciones de velocidad constante. Sin embargo, por ser compacto y dar más par por amperio que cualquier otro motor monofásico, se utiliza en aplicaciones donde se requieren un peso ligero y alto par.

Aplicaciones típicas de este motor son las aspiradoras eléctricas, los taladros y las herramientas manuales similares, así como los utensilios de cocina.

DETECCIÓN, LOCALIZACIÓN Y REPARACIÓN DE AVERÍAS EN MOTORES UNIVERSALES

Pruebas: Tanto el arrollamiento inductor como el del inducido deben verificarse detenidamente antes y después de su montaje. El arrollamiento inductor se comprobará en busca de contactos a masa, cortocircuitos, interrupciones e inversiones de polaridad. No hay que olvidar que antes de rebobinar un inducido hay que verificar el colector en busca de posibles delgas en cortocircuito o contactos a masa.

Reparación: Las averías que pueden presentarse en los motores universales son las mismas que ocurren en los de motores continua. A continuación, se enumeran las más corrientes:

Terminales de bobinas conectados a delgas que no corresponden.

Polos inductores con cortocircuito.

Interrupción en las bobinas del inducido.

Cortocircuito en las bobinas del inducido.

Terminales de bobinas invertidos.

Cojinetes desgastados.

Láminas de mica salientes.

Sentido de rotación invertidos.

Cojinetes desgastados.

Falta de engrase en los cojinetes.

Bobinas con cortocircuitos.

Sobrecarga.

Arrollamientos inductores con cortocircuitos.

Escobillas mal situadas.

Inducido con cortocircuitos.

Cojinetes desgastados.

Arrollamientos inductores con cortocircuitos.

Tensión inadecuada.

Sobrecarga.

Bobinas con cortocircuitos.

Arrollamientos inductores con cortocircuitos.

Escobillas mal situadas.

Cojinetes desgastados.

MANTENIMIENTO

La parte más delicada y de construcción más laboriosa de estos motores es el rotor o inducido. Núcleo, bobinados, colector y eje requieren una construcción muy cuidada. En general, los motores universales para electrodomésticos están calculados para girar a altas velocidades; y como los entrehierros son pequeños, cualquier descentramiento o desequilibrio existente en el conjunto rotor produce vibraciones que pueden perturbar el funcionamiento y dañar seriamente el motor. Estos motores se someten a una operación de equilibrado que se efectúa con complicados instrumentos electrónicos.

ACTIVIDADES EN EL MANTENIMIENTO DE LOS MOTORES ELECTRICOS

Calibración

La calibración consiste en realizar los correctivos de funcionamiento y poner a los equipos en las condiciones iniciales de operación, mediante el análisis de sus partes o componentes, actividad que se hace a través de equipos, instrumentos, patrones o estándares.

Inspección

Consiste en hacer un examen minucioso en forma visual y mediante elementos de medición de cada una de las partes y componentes del equipo, con el fin de comprobar que el estado de funcionamiento es el óptimo dadas y que está de acuerdo con las características y condiciones de construcción y operación dadas por los fabricantes de los equipos. La inspección puede clasificarse en tres tipos:

Evaluación

Cada uno de los equipos debe ser evaluado en su estado físico y funcional por el servicio de mantenimiento, antes de ser sometido a cualquier acción de mantenimiento.

Apariencia

Los equipos con rasguños menores, hendiduras, decoloración, o cualquier otro defecto que no afecte el funcionamiento, no puede ser considerado como inservible. Sin embargo tales defectos deberán ser programados para la debida corrección, dependiendo de la disponibilidad del mismo.

Integridad

Se considera un equipo completo cuando posee todos los elementos eléctricos, mecánicos y demás accesorios originales ensamblados en fábrica y que son indispensables para el perfecto funcionamiento del mismo.

La placa de identificación del equipo es un componente especial de este y deberá permanecer adherida al mismo. Todo equipo contiene accesorios que son indispensables para su funcionamiento, los cuales deben relacionarse como parte del equipo.

Prueba de Aceptación

Las pruebas de aceptación consisten en efectuar inspecciones visuales y de funcionamiento, siguiendo normas y procedimientos emitidos por Institutos, Organismos o asociaciones dedicados a la reglamentación de la construcción y calidad de los equipos médicos con el fin de verificar la eficiencia y seguridad de estos. Los estándares de calidad y funcionamiento son dados por los mismos fabricantes o por organizaciones dedicadas a dar los lineamientos sobre la calidad uso y seguridad de los equipos médicos, en especial sobre la seguridad eléctrica el paciente y al mismo equipo.

Limpieza

Consiste en la remoción de elementos extraños o nocivos a la estructura de los equipos.

Lubricación

Es la acción por medio de la cual se aplica un elemento viscoso entre cuerpos rígidos y móviles, con el fin de reducir la fricción y el desgaste de las partes.

Pruebas de Funcionamiento

Son pruebas que se efectúan a cada equipo, para determinar si el funcionamiento de este, está de acuerdo con las características de rendimiento y seguridad establecidas en el diseño y fabricación de estos. Los equipos que no reúnen estas exigencias se consideran no aptos para la prestación del servicio. Las pruebas deben realizarlas el personal técnico capacitado en cada uno de los diferentes equipos.