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Motores de corriente alterna

Debido a sus ventajas, muchos tipos de motores de aviones están diseñados para funcionar con corriente alterna. En general, los motores de CA son menos costosos que los motores de corriente continua comparables. En muchos casos, los motores de CA no utilizan escobillas y colectores y, por lo tanto, se evitan chispas en las escobillas. Estos son muy fiables y se necesita poco mantenimiento.  Además, son muy adecuadas para aplicaciones de velocidad constante y ciertos tipos están fabricados disponiendo, dentro de ciertos límites, características de velocidad variable. Los motores de corriente alterna están diseñados para operar en líneas de polifásicas o monofásicas y en varias capacidades de voltaje.

El tema de los motores de corriente alterna (CA) es muy extenso, y no se intenta cubrir en este sitio todo el campo. Sólo los tipos de motores de corriente alterna común a los sistemas del avión están cubiertos en detalle.

La velocidad de rotación de un motor de CA depende del número de polos y la frecuencia de la fuente eléctrica de alimentación:

Dado que los sistemas eléctricos de aeronaves generalmente funcionan a 400 hertzios, un motor eléctrico a esta frecuencia opera a aproximadamente siete veces la velocidad de un motor comercial a 60 hertzios con el mismo número de polos. Debido a esta alta velocidad de rotación, los motores de corriente alterna de 400 hertzios son adecuados para el funcionamiento de pequeños rotores de alta velocidad, a través de engranajes de reducción, para levantar y mover cargas pesadas, tales como los flaps, el tren de aterrizaje retráctil, y el arranque de los motores . El motor de inducción de 400 hertzios funciona a velocidades que van desde 6.000 rpm a 24.000 rpm.

Los motores de corriente alterna se clasifican en la producción de caballos de fuerza, tensión de carga en que operan, corriente a plena carga, la velocidad, el número de fases y frecuencia. Si el motor funciona de forma continua o intermitente también se considera en la calificación.

1. Tipos de motores de CA

Hay tres tipos básicos de motores de corriente alterna. Estos son el motor universal, el motor de inducción, y el motor síncrono. Cada una de las categorías puede tener muchas variaciones sobre el principio de funcionamiento básico.

a. Motores universales

Los motores de corriente alterna serie de fracciones de caballos de fuerza se llaman motores universales. Un motor universal puede ser utilizado, ya sea con corriente alterna o continua (CA o CC), y se asemeja a un motor de CC en que tiene escobillas y un colector. Se utilizan ampliamente para operar los ventiladores y herramientas portátiles, tales como taladros, amoladoras y sierras.

b. Motores de Inducción

El tipo más popular de los motores de CA en uso es el motor de inducción. El motor de inducción no necesita ninguna conexión eléctrica a los elementos giratorios, y por lo tanto no hay escobillas, conmutadores, anillos colectores o de qué preocuparse.

Los motores de inducción funcionan a una rpm fija que se determina por su diseño y la frecuencia de la corriente alterna aplicada. Los motores trifásicos de inducción son de arranque automático y se utilizan cuando se necesita alta potencia. Los motores monofásicos de inducción requieren algún tipo de circuito de arranque,  pero una vez que se ponen en marcha, este circuito se desconecta automáticamente. Los motores monofásicos funcionar igualmente bien en cualquier dirección de rotación, y la dirección en la que giran está determinada por el circuito de arranque.

Muchos pequeños electrodomésticos tales como ventiladores,  sopladores o reproductores de discos se accionan con un motor de inducción pequeño (tipo shaded-pole en Inglés). Estos motores pequeños tienen par de arranque muy bajo, pero su simplicidad y bajo costo los hacen deseables para su aplicación donde el par no es importante.

Figura 1. Un taladro eléctrico usa un motor universal que es similar en constricción a un motor de corriente continua bobinado en serie

(1) Construcción

Figura 2. Rotor de un motor de inducción

Un motor de inducción tiene un estator que contiene una serie de electroimanes, cuya fuerza y polaridad cambia con los cambios en la corriente de excitación. Esto da el efecto de un campo magnético giratorio en el estator, y dado que el campo  cambia a una velocidad específica. el motor de inducción funciona a una velocidad fija.

Se necesitan dos campos magnéticos en un motor, y en un motor de inducción el elemento giratorio se llama jaula de ardilla, debido a su forma de construcción. Un núcleo hecho de un apilamiento de finas láminas circulares de acero suave, está montado sobre el eje. Hay ranuras en la periferia del núcleo en las cuales están montadas barras de cobre o de aluminio. Placas extremas de cobre pesado o de aluminio se sujetan a cada extremo del núcleo, y las barras están soldadas a estas placas.

No hay conexión eléctrica con el rotor, pero tan pronto como la corriente fluye en el estator, las líneas de flujo magnético producido en las bobinas de campo atraviesan el rotor e inducen una tensión en las barras.  El rotor tiene resistencia tan extremadamente baja que la tensión inducida crea una gran corriente de flujo, y esta corriente crea un campo magnético que reacciona con el campo rotatorio en el estator.

El núcleo de acero del rotor también tiene un voltaje inducido en el mismo. Pero debido a que se compone de delgadas láminas de metal, cada uno cubierto con un óxido, su resistencia es muy alta, lo que mantiene  baja la corriente. Cualquier corriente que fluye en el núcleo provoca una pérdida de potencia que se conoce como pérdida de hierro en un motor.

(2) Deslizamiento del motor de inducción.

El rotor de un motor de inducción asumirá una posición en la que la tensión inducida sea mínima. Como resultado, el rotor gira a casi a la velocidad síncrona del campo del estator, la diferencia en la velocidad debe ser sólo suficiente para inducir la cantidad apropiada de corriente en el rotor para superar las pérdidas mecánicas y eléctricas en el mismo. Si el rotor girara a la misma velocidad que la rotación del campo, los conductores del rotor no serían cortados por ninguna línea de fuerza magnética, ninguna fuerza electromotriz (fem) sería inducida en los mismo, no circularía corriente, y no habría ningún par de torsión. El rotor entonces reduciría la velocidad. Por esta razón, siempre debe haber una diferencia de velocidad entre el rotor y el campo giratorio. Esta diferencia de velocidad se denomina deslizamiento y se expresa como un porcentaje de la velocidad síncrona. Por ejemplo, si el rotor gira a 1.750 rpm y la velocidad síncrona es 1.800 rpm. , la diferencia de velocidad es de 50 rpm. El deslizamiento es entonces igual a 50/1800 o 2,78 por ciento.

(3) Motor monofásico de inducción

La discusión anterior se ha aplicado sólo a motores polifásicos. Un motor monofásico tiene un solo devanado de estator. Este devanado genera un campo que simplemente pulsa, en lugar de girar. Cuando el rotor está parado, el campo de expansión y contracción del estator induce corrientes en el rotor. Estas corrientes generan un campo del rotor opuesto en polaridad a la del estator. La oposición del campo ejerce una fuerza de giro en las partes superior e inferior del rotor tratando de girarlo 180° desde su posición. Dado que estas fuerzas se ejercen en el centro del rotor, la fuerza de giro es igual en cada dirección. Como resultado, el rotor no gira. Si el rotor se iniciara girando. Continuaría girando en la dirección en la que se ha iniciado, ya que la fuerza de giro en esa dirección es ayudada por el impulso del rotor.

(4) Motor de inducción de polos blindados

Figura 3. Motor de inducción de polos blindados

Figura 4. Flujo magnético en un motor de polos blindados

El primer esfuerzo en el desarrollo de un motor monofásico con auto-arranque, fue el del motor de inducción de polos blindados ("shaded-pole" motor ) (figura). Una bobina cortocircuitada o banda de cobre de resistencia baja, se coloca a través de una punta de cada polo pequeño, de la cual el motor recibe el nombre de polos blindados o sombreados. La presencia del anillo hace que el campo magnético a través de la porción anillada de la cara del polo quede sensiblemente detrás de aquella a través de la otra parte de la cara del polo. (Figura 3) El efecto neto es la producción de un ligero componente de rotación en el campo, suficiente para hacer que el rotor gire. A medida que el rotor se acelera, el par aumenta hasta que se obtiene la velocidad nominal. Estos motores tienen un bajo par de arranque y encuentran su mayor aplicación en motores de ventiladores pequeños donde el par inicial requerido es bajo.

(5) Motor de fase partida o fase dividida

Hay varios tipos de motores con auto-arranque, conocidos como motores de fase partida. Estos motores cuentan con un devanado de arranque desplazado 90 grados eléctricos de la bobina principal o de marcha.  En algunos tipos, el devanado de arranque tiene una resistencia bastante alta, lo que hace que la corriente en este bobinado esté fuera de fase con la corriente en el devanado de marcha. Esta condición produce, en efecto, un campo de giro y el rotor gira. Un interruptor centrífugo desconecta el devanado de arranque automáticamente después de que el rotor ha alcanzado aproximadamente el 25 por ciento de su velocidad nominal.

(6) Motor con capacitor de arranque.

Con el desarrollo de los condensadores electrolíticos de alta capacidad, se ha hecho una variación del motor de fase dividida, conocido como el motor de arranque por capacitor. Casi todos los motores de baja potencia en uso hoy en día en los refrigeradores, quemadores de aceite, y otros aparatos similares son de este tipo. (Véase la figura ) En esta adaptación, el devanado de arranque y el devanado de marcha tienen el mismo tamaño y valor de resistencia. El desplazamiento de fase entre las corrientes de los dos devanados se obtiene mediante el uso de condensadores conectados en serie con el devanado de arranque.

Figura 5. Motor monofásico con bobinado de arranque con capacitor

Los motores con condensador de arranque tienen un par de arranque comparable a su par de giro a la velocidad nominal y se pueden utilizar en aplicaciones en las que la carga inicial sea pesada. Una vez más, un interruptor centrífugo es necesario para desconectar el devanado de arranque cuando la velocidad del rotor sea de aproximadamente 25 por ciento de la velocidad nominal.

Aunque algunos motores monofásicos de inducción están clasificados tan alto como 2 caballos de fuerza (hp), el principal campo de aplicación es de 1 hp, o menos, a una tensión nominal de 115 voltios para los de más pequeños tamaño y 110 a 220 voltios para un cuarto de hp en adelante. Para potencias aún mayores, generalmente se utilizan los motores polifásicos, ya que tienen las características de un excelente par de arranque.

(7) Sentido de giro de los motores de inducción

 

La dirección de rotación de un motor de inducción trifásico se puede cambiar simplemente invirtiendo dos de los terminales al motor. El mismo efecto se puede obtener en un motor de dos fases mediante la inversión de las conexiones a una fase. En un motor monofásico, invirtiendo las conexiones del devanado de arranque, se invertirá el sentido de rotación. La mayoría de los motores monofásicos diseñados para su aplicación general tienen disposiciones para invertir fácilmente las conexiones del devanado de arranque, nada se puede hacer con un motor de polo blindado para invertir la dirección de rotación, debido a que la dirección se determina por la ubicación física de la espira de sombra de cobre.

Si, después de arrancar, una conexión a un motor de tres fases se rompe, el motor continuará funcionando, pero entregará sólo un tercio de la potencia nominal. También, un motor de dos fases funcionará a la mitad de su potencia nominal si una fase es desconectada. Ningún  motor arrancará en estas condiciones anormales.

 

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