Motores de corriente continua y alterna: estudio y selección

Tras hablarte de las diferencias entre los motores con escobillas y brushless, tratamos en profundidad uno de los aspectos que más condicionan el diseño de una pequeña solución de accionamiento: la selección de motores de corriente continua (motores CC) y motores de corriente alterna (motores AC). En función de las necesidades del movimiento que busquemos (velocidad o rpm, fuerza de arranque, potencia, par motor o N.m, etc.) y de las propiedades de cada uno de estos motores, apostaremos por uno u otro motor. Esperamos que te sirvan nuestros consejos.

Clasificación de los motores de corriente continua y corriente alterna

Para empezar, nos situaremos entre las distintas opciones que encontrarás en tu búsqueda de motores eléctricos:

1. Motores de corriente continua o corriente directa (CC/CD)

Estos motores se clasifican por la forma de conexión de sus bobinas inductoras e inducidas.

Podemos encontrar:

• Motor de excitación independiente

Son aquellos que obtienen la alimentación del rotor y del estator de dos fuentes de tensión independientes. El campo del estator es constante al no depender de la carga del motor, y el par de fuerza es prácticamente constante también. Las variaciones de velocidad al aumentar la carga se deberán a la disminución de la fuerza electromotriz por aumentar la caída de tensión en el rotor.

• Motor en serie o de excitación en serie

Consiste en un motor eléctrico de corriente continua en el cual el inducido y el devanado inductor o de excitación van conectados en serie. La conexión forma un circuito en serie en el que la intensidad es absorbida por el motor al conectarlo a la red es la misma, tanto para la bobina conductora (del estator) como para la bobina inducida (del rotor). El voltaje aplicado es constante mientras que el campo de excitación aumenta con la carga.

• Motor en derivación o motor Shunt

Motor eléctrico de corriente continua cuyo bobinado inductor principal está conectado en derivación o paralelo con el circuito formado por los bobinados inducido e inductor auxiliar. En este tipo de motores la velocidad se mantiene prácticamente constante para cualquier carga.

De toda la corriente absorbida por el motor, una parte circula por las bobinas inducidas y la otra por la inductoras.

• Motor Compound

Motor eléctrico de corriente continua cuya excitación es originada por dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados.

Una parte de la intensidad de corriente absorbida circula por las bobinas inducidas y por una de las inductoras, mientras que el resto de la corriente recorre la otra bobina inductora.

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2. Motores de corriente alterna (CA)

Su clasificación viene dada por su velocidad de giro, en número de fases de alimentación y por el tipo de rotor.

– Según su velocidad de giro pueden ser:

• Síncronos

Motor de corriente alterna en el que la rotación del eje está sincronizada con la frecuencia de la corriente de alimentación; el periodo de rotación es exactamente igual a un número entero de ciclos de CA.

Este motor tiene la característica de que su velocidad de giro es directamente proporcional a la frecuencia de la red de corriente alterna que lo alimenta. Es utilizado en aquellos casos en donde se desea una velocidad constante.

• Asíncronos

Son aquellos motores eléctricos en los que el rotor nunca llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de frecuencias.

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– Según el número de fases de alimentación distinguimos:

• Monofásicos

Tipo de motor que cuando está en operación, desarrolla un campo magnético rotatorio, pero antes de que inicie la rotación, el estator produce un campo estacionario pulsante.

Para producir un campo rotatorio y un par de arranque, se debe tener un devanado auxiliar desfasado 90° con respecto al devanado principal. Una vez que el motor ha arrancado, el devanado auxiliar se desconecta del circuito.

Debido a que un motor de corriente alterna (C.A.) monofásico tiene dificultades para arrancar, está constituido de dos grupos de devanados: devanado principal o de trabajo y devanado auxiliar o de arranque.

Los devanados difieren entre sí, física y eléctricamente. El devanado de trabajo está formado de conductor grueso y tiene más espiras que el devanado de arranque.

• Trifásicos

Es una máquina eléctrica rotativa, capaz de convertir la energía eléctrica trifásica suministrada, en energía mecánica. La energía eléctrica trifásica origina campos magnéticos rotativos en el bobinado del estator (o parte fija del motor).

• Bifásicos

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– Según el tipo de rotor:

• Motores con anillos rozantes

Se usan en aplicaciones que exigen un alto par o una baja corriente en el arranque. Ofrecen la máxima disponibilidad y se recomiendan especialmente para aplicaciones con cargas de elevada inercia.

Son de construcción modular y disponen de una amplia gama de accesorios, en función de la aplicación que se le vaya a otorgar.

• Motores con colector

También conocidos como anillos rotatorios, son comúnmente hallados en máquinas eléctricas de corriente alterna en las cuales conecta las corriente de campo o excitación con el bobinado del rotor.

Pueden entregar alta potencia con dimensiones y peso reducidos, soportar grandes cargas temporales sin detenerse completamente, simplemente disminuyendo la velocidad de rotación.

• Motores con jaula de ardilla

Consiste en un cilindro montado en un eje. Internamente contiene barras conductoras longitudinales de aluminio o de cobre con surcos y conectados juntos en ambos extremos poniendo en cortocircuito los anillos que forman la jaula.

¿Qué aspectos son más importantes a la hora de seleccionar motores eléctricos de corriente continua o de corriente alterna?

Antes de que un responsable de compras inicie la tarea de seleccionar motores eléctricos para un proyecto, deberá de conocer muy bien los parámetros principales que rodean a la aplicación. Estos aspectos son:

• Tipo de arranque

Debemos estudiar el número y características de los arranques. Hay máquinas que requieren una fuerza de arranque que un motor no es capaz de soportar.

• Carga

Consideraremos aquí su funcionamiento en carga o en vacío. En carga el motor está arrastrando cualquier objeto o soportando una resistencia externa (la carga) que le obliga a absorber energía mecánica. Así pues, en este caso, el par resistente se debe a factores internos y externos. Mientras, un motor funciona en vacío, cuando no arrastra ningún objeto, ni soporta resistencia externa alguna. El eje gira libre y la resistencia se encuentra en factores internos.

• Par motor

Este dato nos va a dar la capacidad de arrastre del motor. En cualquier aplicación donde busquemos un movimiento o desplazamiento este parámetro será clave.

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• Potencia eléctrica absorbida por el motor (en kW)

Cuando la eficiencia es un factor clave para tu proyecto, deberás ponderar el nivel de potencia eléctrica que absorbe el motor en su funcionamiento.

• Rendimiento

Deben estudiarse las pérdidas de energía que pueda sufrir el motor debido a factores externos (humedad, temperatura ambiental, propiedades de los materiales, etc) e internos (propiedades de los materiales, motores con escobillas o o brushless).

•  Variaciones y desarrollo del régimen de giro

Existen muchos aspectos que pueden condicionar la velocidad de giro. Si nuestra aplicación necesita trabajar en múltiples velocidades, deberemos apostar por soluciones de accionamiento más versátiles

Siempre que requiramos regular la velocidad de giro, necesitaremos contar con convertidores de frecuencia, lo que dificulta el proceso de selección.

¿Cuáles son las aplicaciones de los motores de corriente alterna?

• Son idóneos para proyectos en los que no se trabaja con un movimiento estable y de velocidad fija.
• No son aptos para aplicaciones donde se necesiten velocidades muy bajas.
• En el caso de que tu aplicación exija el máximo rendimiento y entrega de par, los motores alternos serán una buena elección.
• El precio es otro factor que puede hacer que te decantes por esta solución. Dado que su fabricación es más sencilla, los precios de estos motores son más reducidos respecto a los motores de corriente continua.
• Por último, otro aspecto diferenciador es que pueden ser monofásicos y trifásicos, mientras que los motores cc solo son monofásicos

Aplicación de ejemplo

Maquinaria industrial como máquinas para realizar bobinado de hilos.

Es estas aplicaciones se requiere un movimiento continuo y un bajo par. Al utilizar corrientes industriales, se usan motores de corriente alterna para simplificar este tipo de máquinas y que dispongan de menos componentes.

¿Cuándo es mejor optar por motores de corriente continua?

• En aplicaciones que requieran una gran fuerza de giro en el arranque del motor. Gracias a su alto torque de arranque, los motores DC son más adecuados aquí. Debido a que su torque es elevado, rompen la inercia que puede ejercer la carga a desplazar durante el arranque.
• Siempre que necesites versatilidad. A través de aplicaciones externas que emplean electrónica de control, es posible modificar su corriente para reducir o aumentar el torque que entrega y velocidad de giro. Por otro lado, los motores de corriente continua nos ofrecen buenos resultados, tanto en aplicaciones de baja potencia, como en aplicaciones de alta potencia.
• En casos en los que necesites alimentar piezas, maquinarias o dispositivos que jueguen con la potencia en su operación.
• En proyectos donde prima la carga sobre la precisión del movimiento, estos motores pueden ofrecerte mejores resultados.

Ejemplo de aplicación

Apertura de ventanas en granjas, caso de éxito de CLR dentro de las tecnologías que mejoran la productividad en el sector ganadero.

En este proyecto, se necesita un alto par inicial para iniciar el desplazamiento de la ventana. Se controla el movimiento mediante placas electrónicas para abrir un mayor o menor ángulo dependiendo de la temperatura.

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Uso de motores AC DC en reductores de velocidad

La selección de motores de corriente continua o corriente alterna (AC y DC es uno de los procesos más críticos a la hora de diseñar y calcular una solución de accionamiento electromecánica. Por esta razón, si tienes entre manos un proyecto de esta índole es importante que cuentes con el asesoramiento o colaboración de empresas fabricantes de motorreductores como CLR. Aquí lo interesante es que su experiencia puede ponerse al servicio de tu proyecto, buscando la solución que te ofrezca el mejor rendimiento, fiabilidad y precisión: motor 12v, motor 24v, motor paso a paso…

En concreto, CLR fabrica motorreductores a medida desde el diseño a la fabricación, pasando por todo lo relacionado con el proceso de industrialización. Con un equipo de ingeniería formado por Project Managers e ingenieros mecánicos de alta capacitación, la empresa dispone de un gran know how al servicio de cada cliente y cada proyecto.

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