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13.12: Motores Conmutadores de CA

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    El primer trabajo de Charles Proteus Steinmetz después de llegar a América fue investigar los problemas encontrados en el diseño de la versión de corriente alterna del motor del conmutador cepillado. La situación era tan mala que los motores no podían diseñarse antes de la construcción real. El éxito o fracaso de un diseño de motor no se conoció hasta después de que realmente se construyó a un gran costo y se probó. Formuló las leyes de la histéresis magnética para encontrar una solución. La histéresis es un retraso de la intensidad del campo magnético en comparación con la fuerza de magnetización. Esto produce una pérdida no presente en los magnéticos de CC. Aleaciones de baja histéresis y la ruptura de la aleación en laminaciones delgadas aisladas permitieron diseñar con precisión motores de conmutación de CA antes de construir.

    Los motores de conmutación de CA, al igual que los motores de CC comparables, tienen un mayor par de arranque y una velocidad más alta que los motores de inducción El motor en serie funciona muy por encima de la velocidad sincrónica de un motor de CA convencional. Los motores de colector de CA pueden ser monofásicos o polifásicos. La versión monofásica de CA sufre una pulsación de par de frecuencia de línea doble, no presente en el motor polifásico. Dado que un motor de conmutador puede funcionar a una velocidad mucho mayor que un motor de inducción, puede generar más potencia que un motor de inducción de tamaño similar. Sin embargo, los motores de colector no son tan libres de mantenimiento como los motores de inducción, debido al desgaste de las escobillas y los conmutadores.

    Motor de serie monofásico

    Si un motor serie DC equipado con un campo laminado está conectado a CA, la reactancia de retraso de la bobina de campo reducirá considerablemente la corriente de campo. Si bien dicho motor girará, el funcionamiento es marginal. Al arrancar, los devanados de la armadura conectados a los segmentos del conmutador cortocircuitados por las escobillas parecen un transformador cortocircuitado que gira hacia el campo. Esto da como resultado una considerable formación de arcos y chispas en los cepillos a medida que la armadura comienza a girar. Esto es un problema menor a medida que aumenta la velocidad, lo que comparte el arco y chispas entre los segmentos del conmutador. La reactancia de rezago y las escobillas de arco solo son tolerables en motores de CA de serie muy pequeños no compensados que funcionan a alta velocidad. Los motores de CA en serie más pequeños que los taladros manuales y los mezcladores de cocina pueden estar descompens (Figura abajo)

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    Motor de CA serie no compensado.

    Motor serie compensado

    El arco y chispas se mitiga colocando un devanado compensador del estator en serie con la armadura posicionada de manera que su fuerza magnetomotiva (mmf) cancele la armadura AC mmf. (Figura abajo) Un espacio de aire del motor más pequeño y menos giros de campo reducen la reactancia de retraso en serie con la armadura mejorando el factor de potencia. Todos los motores de colector de CA, excepto los muy pequeños, emplean devanados compensadores. Los motores tan grandes como los empleados en una batidora de cocina, o más grandes, utilizan devanados de estator compensados.

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    Motor AC serie compensado.

    Motor universal

    Es posible diseñar motores universales pequeños (menos de 300 vatios) que funcionan desde CC o CA. Los motores universales muy pequeños pueden estar descompensados. Los motores universales de mayor velocidad más grandes utilizan un devanado compensador. Un motor funcionará más lento en CA que en CC debido a la reactancia encontrada con CA. Sin embargo, los picos de las ondas sinusoidales saturan la trayectoria magnética reduciendo el flujo total por debajo del valor de CC, aumentando la velocidad del motor “serie”. Por lo tanto, los efectos de compensación resultan en una velocidad casi constante de CC a 60 Hz. Los pequeños aparatos operados por línea, como taladros, aspiradoras y mezcladores, que requieren de 3000 a 10,000 rpm utilizan motores universales. Sin embargo, el desarrollo de rectificadores de estado sólido e imanes permanentes económicos está haciendo que el motor de imán permanente de CC sea una alternativa viable.

    Motor de repulsión

    Un motor de repulsión (Figura abajo) consiste en un campo conectado directamente a la tensión de línea de CA y un par de escobillas cortocircuitadas compensadas en 15 o a 25 o del eje del campo. El campo induce un flujo de corriente hacia la armadura cortocircuitada cuyo campo magnético se opone al de las bobinas de campo. La velocidad se puede controlar girando los cepillos con respecto al eje del campo. Este motor tiene conmutación superior por debajo de la velocidad sincrónica, conmutación inferior por encima de la velocidad síncrona La baja corriente de arranque produce un alto par de arranque.

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    Motor de CA de repulsión.

    Motor de inducción de arranque por repulsión

    Cuando un motor de inducción impulsa una carga de arranque dura como un compresor, se puede poner en uso el alto par de arranque del motor de repulsión. Los devanados del rotor del motor de inducción se llevan a los segmentos del conmutador para arrancar mediante un par de escobillas cortocircuitadas. A una velocidad cercana a la marcha, un interruptor centrífugo corta todos los segmentos del conmutador, dando el efecto de un rotor de jaula de ardilla. Los cepillos también se pueden levantar para prolongar la vida útil del arbusto. El par de arranque es del 300% al 600% del valor de velocidad completa en comparación con menos del 200% para un motor de inducción pura.

    Resumen: Motores de colector de CA

    • El motor de serie monofásico es un intento de construir un motor como un motor de colector de CC. El motor resultante sólo es práctico en los tamaños más pequeños.
    • La adición de un devanado compensador produce el motor en serie compensado, superando las chispas excesivas del colector. La mayoría de los motores de colector de CA son de este tipo. A alta velocidad este motor proporciona más potencia que un motor de inducción del mismo tamaño, pero no está libre de mantenimiento.
    • Es posible producir pequeños motores para electrodomésticos alimentados por CA o CC. Esto se conoce como un motor universal.
    • La línea de CA está conectada directamente al estator de un motor de repulsión con el conmutador cortocircuitado por las escobillas.
    • Los cepillos retráctiles en cortocircuito pueden arrancar un motor de inducción de rotor enrollado. Esto se conoce como motor de inducción de arranque por repulsión.

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