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El grupo de las máquinas de campo giratorio incluye las máquinas eléctricas cuyo modo de funcionamiento se basa en un campo magnético que circula en el entrehierro entre el estator y el rotor. La máquina de trabajo más importante y más utilizada de este grupo es el motor de inducción trifásico asíncrono en diseño de rotor de jaula de ardilla. Se caracteriza por
- una construcción sencilla y robusta
- alta fiabilidad de funcionamiento
- bajo mantenimiento
- bajo precio
En la técnica de accionamiento eléctrico se utilizan generalmente los siguientes motores eléctricos
- motores trifásicos asíncronos (rotor de jaula de ardilla, rotor de anillo colector, imán de campo giratorio)
- motores monofásicos asíncronos de corriente alterna
- servomotores asíncronos o síncronos
- motores de corriente continua
Dado que la velocidad de los motores trifásicos de corriente alterna puede controlarse mejor, más fácilmente y con menos mantenimiento mediante convertidores de frecuencia, los motores de corriente continua y los motores trifásicos con anillos rozantes son cada vez menos importantes. Otros tipos de motores asíncronos trifásicos tienen poca importancia en la tecnología de accionamiento. Por lo tanto, aquí se omitirá una descripción más detallada.
Si un motor eléctrico, como un motor trifásico, se combina con un reductor, el resultado es un motorreductor. Independientemente del principio eléctrico del motor respectivo, la forma en que se fija a un reductor es de particular importancia para el diseño mecánico del motor. Para ello, SEW-EURODRIVE utiliza motores especialmente adaptados.
La estructura
Rotor
En las ranuras de las láminas del rotor hay un bobinado inyectado o insertado (normalmente de aluminio y/o cobre), clásicamente un bobinado = una barra. Estas barras están cortocircuitadas en ambos extremos por anillos del mismo material. Si se quita mentalmente el envoltorio de chapa, las varillas con los anillos de cortocircuito recuerdan a una jaula. De ahí viene la segunda denominación común de los motores trifásicos: "motor de jaula de ardilla".
Estator
El bobinado, encapsulado en resina sintética, se introduce en las ranuras semicerradas del núcleo del estator. El número de bobinas y su anchura varían para conseguir diferentes números de polos (= velocidades). Junto con la carcasa del motor, el núcleo laminado forma el denominado estator.
Blindajes
Las tapas de cojinetes de acero, fundición gris o fundición de aluminio cierran los lados A y B del interior del motor. El diseño de la transición al estator determina, entre otras cosas, el grado de protección del motor.
Eje del rotor
El núcleo laminado del lado del rotor está montado sobre un eje de acero. Los dos extremos del eje se extienden a través de las protecciones de los extremos de los lados A y B. En el lado A, está diseñado el extremo del eje de salida (en el caso del motorreductor, diseñado como gorrón de piñón); en el lado B, se fija el ventilador con sus álabes para la autoventilación y/o sistemas suplementarios como frenos mecánicos y codificadores.
Carcasa del motor
Las carcasas de los motores pueden ser de aluminio fundido a presión para potencias bajas y medias. Sin embargo, las carcasas de todas las clases de potencia también se fabrican en fundición gris y acero soldado. A la carcasa se fija una caja de bornes, en la que los extremos del bobinado del estator se conectan a un bloque de bornes para la conexión eléctrica del cliente. Las aletas de refrigeración aumentan la superficie de la carcasa y también la disipación de calor al entorno.
Ventilador, protector del ventilador
Un ventilador situado en el extremo del eje del lado B está cubierto por una cubierta. Esta campana dirige el flujo de aire, que se produce cuando el ventilador gira, sobre las costillas de la carcasa. Por regla general, los ventiladores no dependen del sentido de giro del rotor. Un tejadillo opcional evita que las piezas (pequeñas) caigan a través de la rejilla de la campana del ventilador en los diseños verticales.
Rodamientos
Los rodamientos de los escudos de los extremos A y B conectan mecánicamente las piezas giratorias con las fijas. Normalmente se utilizan rodamientos rígidos de bolas, pero los rodamientos de rodillos cilíndricos son menos comunes. El tamaño de los rodamientos depende de las fuerzas y velocidades que deben soportar. Diversos sistemas de sellado garantizan que las propiedades lubricantes necesarias permanezcan en el rodamiento y que no se produzcan fugas de aceites y/o grasas.
Cómo funciona en la red
El sistema de bobinado trifásico simétrico del estator está conectado a una fuente de alimentación trifásica de tensión y frecuencia adecuadas. En cada uno de los tres devanados circulan corrientes sinusoidales de la misma amplitud, cada una de las cuales está desfasada en el tiempo 120° con respecto a la otra. Debido a las fases de los devanados, que también están desfasadas espacialmente 120°, el estator crea un campo magnético que circula a la frecuencia de la tensión aplicada.
Este campo magnético circulante -conocido abreviadamente como campo giratorio- induce una tensión eléctrica en el bobinado del rotor o en las barras del rotor. Como el bobinado está cortocircuitado a través del anillo, fluyen corrientes de cortocircuito. Junto con el campo giratorio, las fuerzas se acumulan y forman un par en el radio del rotor, que acelera el rotor hasta alcanzar una velocidad en la dirección del campo giratorio. A medida que aumenta la velocidad del rotor, disminuye la frecuencia de la tensión generada en el rotor, ya que la diferencia entre la velocidad del campo giratorio y la velocidad del rotor es menor.
Las menores tensiones inducidas resultantes provocan menores corrientes en la jaula del rotor y, por tanto, menores fuerzas y menores pares. Si el rotor alcanzara la misma velocidad que el campo giratorio, giraría sincrónicamente y no se induciría ninguna tensión, por lo que el motor no podría desarrollar ningún par. Sin embargo, el par de carga y los pares de fricción en los rodamientos provocan una diferencia entre la velocidad del rotor y la velocidad del campo giratorio y, por tanto, un equilibrio resultante entre el par de aceleración y el par de carga. El motor funciona de forma asíncrona.
Dependiendo de la carga del motor, esta diferencia es mayor o menor, pero nunca nula, ya que siempre hay fricción en los cojinetes incluso en vacío. Si el par de carga supera el par de aceleración máximo que puede producir el motor, éste se "inclina" hacia un estado de funcionamiento no admisible, que puede tener efectos térmicamente destructivos.
Este movimiento relativo entre la velocidad del campo giratorio y la velocidad mecánica, necesario para el funcionamiento, se define como deslizamiento s y se especifica como un valor porcentual de la velocidad del campo giratorio. Para motores de baja potencia, el deslizamiento puede ser del 10 al 15 por ciento; los motores trifásicos de mayor potencia tienen un deslizamiento de entre el 2 y el 5 por ciento.
Características de funcionamiento
El motor trifásico de jaula de ardilla toma la energía eléctrica de la red de tensión y la convierte en energía mecánica, es decir, en velocidad y par. Si el motor funcionara sin pérdidas, la potencia mecánica de salida Pab sería igual a la potencia eléctrica de entrada Pauf.
Sin embargo, como es inevitable en cualquier conversión de energía, también se producen pérdidas en el motor trifásico de jaula de ardilla: Las pérdidas de cobre PCu y las pérdidas de barra PZ se producen cuando fluye una corriente a través de un conductor, y las pérdidas de hierro PFe se producen cuando el núcleo laminado se remagnetiza a la frecuencia de línea. Las pérdidas por fricción PRb se producen por la fricción en los cojinetes; y las pérdidas por ventilación por el uso de aire para la refrigeración. Estas pérdidas de cobre, varilla, hierro y fricción provocan el calentamiento del motor. La relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada se define como el rendimiento de la máquina.
Este grupo de máquinas de inducción incluye máquinas eléctricas cuyo modo de funcionamiento se basa en un campo magnético giratorio en el espacio de aire entre el estator y el rotor. La máquina más importante y más utilizada de este grupo es el motor de inducción de CA asíncrono con un diseño de jaula de ardilla. Se caracteriza por las siguientes características:
En la tecnología de accionamiento generalmente se utilizan los siguientes motores eléctricos:
Dado que los motores de CA con convertidores de frecuencia proporcionan un control de velocidad mejorado, más simple y de menor mantenimiento, los motores de CC y los motores de CA con anillos colectores son cada vez menos relevantes. Otros tipos de motores asíncronos de CA tienen solo una importancia marginal en la ingeniería de accionamientos. Como resultado, no se tratarán en detalle aquí.
Si combina un motor eléctrico como un motor de CA con un reductor se obtiene un motoreductor. Independientemente del principio eléctrico del motor, la forma en que se monta en un reductor se está volviendo especialmente importante en términos del diseño mecánico del motor. Usos de motores especialmente adaptados en SEW EURODRIVE con este propósito..
Rotor
En las ranuras del núcleo laminado del rotor, hay un devanado inyectado o insertado (generalmente de aluminio y / o cobre). Clásicamente, una vuelta de la bobina corresponde a una barra. Este devanado está cortocircuitado en ambos extremos por anillos hechos del mismo material. Las barras con los anillos de cortocircuito recuerdan a una jaula. De ahí proviene el segundo nombre común para los motores de CA: "el motor de jaula de ardilla".
Estator
El devanado, que está encapsulado con resina sintética, se inserta en la ranura semicerrada del núcleo del estator laminado. El número y el ancho de las bobinas se varían para lograr diferentes números de polos (= velocidades). Junto con la carcasa del motor, el núcleo laminado forma el estator.
Terminales
Las tapas laterales están hechas de acero, hierro fundido gris o aluminio fundido a presión y sellan el interior del motor en el lado A y el lado B. El diseño constructivo durante la transición al estator determina, entre otras cosas, el grado de protección IP del motor.
Eje del Rotor
El núcleo laminado del lado del rotor está unido a un eje de acero. Los dos extremos del eje pasan a través de la tapa lateral tanto en el lado A como en el lado B. El extremo del eje de salida está instalado en el lado A (diseñado como un extremo del eje del piñón para el motorreductor); el ventilador y sus aletas de refrigeración del ventilador y / o sistemas complementarios como frenos mecánicos y codificadores están instalados en el lado B.
Carcaza del Motor
La carcasa del motor se puede fabricar en aluminio fundido a presión cuando la potencia nominal es de baja a media. Sin embargo, la carcasa de todas las clases de potencia por encima de las se fabrica de fundición gris y acero soldado. Se adjunta a la carcasa una caja de terminales en la que los extremos del devanado del estator están conectados a un bloque de terminales para la conexión eléctrica del lado del cliente. Las aletas de refrigeración agrandan la superficie de la carcasa y también aumentan la emisión de calor al medio ambiente.
Ventilador, protector de ventilador
Un ventilador en el extremo del eje del lado B está cubierto por una capucha. Esta campana guía el flujo de aire producido durante la rotación del ventilador a través de las aletas de la carcasa. Por regla general, los ventiladores no son independientes del sentido de giro del rotor. Un calota opcional (canopy) evita que las piezas (pequeñas) caigan a través de la rejilla de protección del ventilador cuando la posición de montaje es vertical.
Rodamientos
Los rodamientos de las tapas laterales del lado A y del lado B conectan mecánicamente las partes giratorias a las partes estacionarias. Por lo general, se utilizan rodamientos rígidos de bolas. Los rodamientos de rodillos cilíndricos rara vez se utilizan. El tamaño del rodamiento depende de las fuerzas y velocidades que debe absorber el rodamiento correspondiente. Los diferentes tipos de sistemas de sellado garantizan que se mantengan las propiedades lubricantes requeridas en el rodamiento y que no se escape aceite y / o grasa.
El sistema de devanado simétrico y trifásico del estator está conectado a un sistema de energía de corriente trifásica con el voltaje y la frecuencia adecuados. Corrientes sinusoidales de la misma amplitud fluyen en cada una de las tres fases del devanado. Cada una de las corrientes está temporalmente compensada entre sí en 120 °. Dado que las fases del devanado también están desplazadas espacialmente 120 °, el estator genera un campo magnético que gira con la frecuencia del voltaje aplicado.
Este campo magnético giratorio - o campo giratorio para abreviar, induce un voltaje eléctrico en el devanado del rotor o en las barras del rotor. Corrientes de cortocircuito fluyen porque el devanado está cortocircuitado por el anillo. Junto con el campo giratorio, estas corrientes acumulan fuerzas y producen un torque sobre el radio del rotor que acelera la velocidad del rotor en la dirección del campo giratorio. La frecuencia del voltaje generado en el rotor cae a medida que aumenta la velocidad del rotor. Esto se debe a que la diferencia entre la velocidad del campo giratorio y la velocidad del rotor es menor.
Los voltajes inducidos, que ahora son más bajos como resultado, conducen a corrientes más bajas en la jaula del rotor y, por lo tanto, a fuerzas y pares más bajos. Si el rotor girara a la misma velocidad que el campo giratorio, giraría sincrónicamente, no se induciría voltaje y el motor no podría desarrollar ningún par como resultado. Sin embargo, el torque de carga y los pares de fricción en los rodamientos provocan una diferencia entre la velocidad del rotor y la velocidad del campo giratorio y esto da como resultado un equilibrio entre el par de aceleración y el par de carga.El motor funciona de forma asincrónica.
La magnitud de esta diferencia aumenta o disminuye según la carga del motor pero nunca es cero, porque siempre hay fricción en los rodamientos, incluso en funcionamiento sin carga. Si el par de carga excede el par de aceleración máximo que puede producir el motor, el motor "se bloquea" en un estado de funcionamiento inadmisible que puede provocar daños térmicos.
El movimiento relativo entre la velocidad del campo giratorio y la velocidad mecáni que se requiere para la función se define como el deslizamiento "s" y se especifica como un porcentaje de la velocidad del campo giratorio. Los motores con una potencia nominal inferior pueden tener un resbalamiento del 10 al 15 por ciento. Los motores de CA con una potencia nominal superior tienen aprox. Deslizamiento del 2 al 5 por ciento.
El motor de CA toma la energía eléctrica del sistema de suministro de voltaje y la convierte en energía mecánica, es decir, en velocidad y par. Si el motor funcionara sin pérdidas, la a potencia mecánica de salida Pout correspondería la potencia eléctrica de entrada Pin.
Sin embargo, las pérdidas también ocurren en los motores de CA, lo que es inevitable siempre que se convierte la energía: Pérdidas del cobre PCu y pérdidas de las barras PZ ocurren cuando una corriente fluye a través de un conductor. Las pérdidas de hierro PFe resultan de la remagnetización del núcleo laminado con una frecuencia de línea. Pérdidas por fricción PRb resultan de la fricción en los rodamientos y las pérdidas de aire resultan del uso de aire para enfriar. Las pérdidas de cobre, varilla, hierro y fricción hacen que el motor se caliente. La eficiencia de la máquina se define como la relación entre la potencia de salida y la de entrada.
Debido a las regulaciones legales, se ha prestado cada vez más atención al uso de motores con niveles de eficiencia más altos en los últimos años. Las clases de eficiencia energética se han definido en los acuerdos normativos correspondientes. Los fabricantes han adoptado estas clases en sus datos técnicos. Para reducir las importantes pérdidas ocasionadas por la máquina, esto ha supuesto lo siguiente para el diseño del motor eléctrico:
Al registrar los torques y la corriente frente a la velocidad, obtiene las características características de velocidad-par del motor CA. El motor sigue esta curva característica cada vez que se enciende hasta que alcanza su punto de funcionamiento estable. Las curvas características están influenciadas por el número de polos, así como por el diseño y el material del devanado del rotor. El conocimiento de estas curvas características es particularmente importante para los accionamientos que se operan con pares contrarios (p. Ej., elevadores).
Si el contra-par de la máquina es mayor que el par de tracción, el rotor se "bloquea". El motor ya no alcanza su punto de funcionamiento nominal (es decir, el punto de funcionamiento estable y térmicamente seguro). El motor incluso se detiene si el contrapar es mayor que el torque de arranque. Si una transmisión en funcionamiento está sobrecargada (por ejemplo, una cinta transportadora sobrecargada), su velocidad disminuye a medida que aumenta la carga. Si el contra-par excede el torque de ruptura, el motor "se detiene" y la velocidad se reduce a la velocidad de arranque o incluso a cero. Todos estos escenarios conducen a corrientes extremadamente altas en el rotor y el estator, lo que significa que ambos se calientan muy rápidamente. Este efecto puede provocar daños térmicos irreparables en el motor, o "quemarse", si no hay dispositivos de protección adecuados.
El calor generado en un conductor portador de corriente eléctrica depende de la resistencia del conductor y de la magnitud de la corriente que lleva. Los encendidos y arranques frecuentes contra un par motor contrarrestan una gran carga térmica en el motor de CA. El pcalentamiento permitido del motor depende de la temperatura del medio refrigerante circundante (p. Ej., aire) y de la resistencia térmica del material aislante en el devanado.
Los motores se asignan a clases térmicas (que antes se denominaban "clases de aislamiento") que gobiernan las sobretemperaturas máximas permitidas en los motores. Un motor debe poder soportar un funcionamiento sostenido a una temperatura elevada en función de su potencia nominal en la clase térmica para la que fue diseñado sin sufrir daños. Con una temperatura máxima del refrigerante de 40 ° C, por ejemplo, la sobretemperatura máxima permitida en la clase térmica 130 (B): dT = 80 K.
Ejemplo: El modo de funcionamiento S3 / 40% se aplica si el motor alterna entre cuatro minutos de funcionamiento y seis minutos apagado.
La frecuencia de conmutación permitida especifica la frecuencia con la que se puede encender un motor en una hora sin sobrecargarlo térmicamente. Depende de lo siguiente:
La frecuencia de arranque permitida de un motor se puede aumentar con las siguientes medidas:
Los motores de CA pueden funcionar a diferentes velocidades mediante la conmutación de devanados o partes de devanados. Diferentes números de polos resultan de insertar varios devanados en las ranuras del estator o de invertir la dirección del flujo de corriente en partes individuales del devanado. En el caso de devanados separados, la potencia para cada número de polos es menos de la mitad de la potencia de un motor de una sola velocidad del mismo tamaño.
Los motorreductores de CA con cambio de polos se utilizan, por ejemplo, como accionamientos de desplazamiento.La velocidad de desplazamiento es alta durante el funcionamiento con un número reducido de polos. El devanado de baja velocidad se cambia de posicionamiento. Debido a la inercia, el motor inicialmente sigue girando a alta velocidad durante el cambio. El motor de CA funciona como generador durante esta fase y se ralentiza. La energía cinética se convierte en energía eléctrica y se retroalimenta al sistema de suministro. El gran paso de par causado por el cambio es una desventaja. Sin embargo, se pueden tomar las medidas de circuito adecuadas para reducir esto.
Los desarrollos actuales en la tecnología de variador de bajo costo promueven el uso de reemplazo tecnológico de motores de cambio de polos por motores controlados por inversor de frecuencia de una sola velocidad en muchas aplicaciones.
Un motor monofásico es una buena opción en sus aplicaciones.
Los ejemplos de aplicaciones típicos incluyen ventiladores, bombas y compresores. Aquí hay dos diferencias de diseño fundamentales:
Por un lado, el motor de CA asíncrono clásico está conectado solo a una fase y al conductor neutro. La tercera conexión se produce mediante un cambio de fase mediante un condensador. Dado que el condensador puede generar solo una compensación de fase de 90 ° y no una compensación de fase de 120 °, este tipo de motor monofásico generalmente se clasifica solo con dos tercios de la potencia de un motor de CA comparable.
La segunda forma de construir un motor monofásico implica ajustes técnicos en el devanado. En lugar del devanado trifásico, solo se implementan dos fases, una como fase principal y otra como fase auxiliar. Las bobinas, que están espacialmente compensadas en 90 °, también reciben corriente mediante un condensador con una compensación temporal de 90 °, que produce el campo giratorio. Las relaciones de corriente desiguales del devanado principal y el devanado auxiliar también generalmente solo permiten dos tercios de la potencia de un motor de CA del mismo tamaño. Los motores típicos para funcionamiento monofásico incluyen motores de condensador, motores de polos sombreados y motores de arranque, que no incluyen condensadores.
La gama SEW-EURODRIVE incluye ambos tipos de diseño de motor monofásico – Motores DRK... Ambos se suministran con un condensador de funcionamiento integrado. Dado que este condensador está alojado directamente en la caja de terminales, se evitan contornos que interfieran. Con un condensador en funcionamiento, aprox. 45 a 50 por ciento del par nominal está disponible para la puesta en marcha. Para los clientes que requieran un par de arranque más alto de hasta el 150% del par nominal, SEW-EURODRIVE puede suministrar los valores de capacitancia de los condensadores de arranque necesarios para este propósito, que están disponibles en distribuidores especializados.
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Los motores de par son motores de CA de diseño especial con rotores de jaula de ardilla. Por diseño, están clasificados para que su consumo de corriente sea solo lo suficientemente alto como para garantizar que no se causen daños térmicos irreparables cuando la velocidad es 0. Esta función es útil, por ejemplo, cuando apertura de puertas y establecimiento de puntos o en prensas,cuando se ha alcanzado una posición y debe ser mantenida de manera segura por un motor eléctrico.
Otro modo de funcionamiento común es la operación de frenado a contracorriente: una carga externa es capaz de girar el rotor en contra de la dirección de rotación del campo giratorio. El campo giratorio "ralentiza" la velocidad y retira la energía regenerativa del sistema, que se alimenta al sistema de suministro. – similar al frenado rotativo sin trabajo de frenado mecánico.
SEW ‑ EURODRIVE ofrece los DRM../DR2M.. junto con motores de par de 12 polos que están diseñados térmicamente para un uso prolongado con el par nominal en estado inactivo. Los motores torque SEW ‑ EURODRIVE son adecuados para una variedad de requisitos y velocidades diferentes y están disponibles con hasta tres pares nominales, según el modo de funcionamiento.
Si utiliza motores eléctricos en áreas donde existe riesgo de explosión (según la Directiva 2014/34 / UE (ATEX)), se deben tomar medidas preventivas específicas en los accionamientos SEW‑EURODRIVE offers a number of different designs with this in mind based on the area and region of useSEW ‑ EURODRIVE ofrece varios diseños diferentes teniendo esto en cuenta según el área y la región de uso.
SEW‑EURODRIVE ofrece el rango de motor LSPM para aplicaciones que se operan directamente desde el sistema de alimentación y también requieren una velocidad síncrona o tienen esta característica sin sensor en un simple variador de frecuencia. LSPM es la abreviatura de "Line Start Permanent Magnet." El motor LSPM es un motor asíncrono de CA con imanes permanentes adicionalesen el rotor. Funciona de forma asincrónica, se sincroniza con la frecuencia de funcionamiento y funciona en modo síncrono a partir de ese momento sin deslizamiento de forma síncrona a la frecuencia de la red. Tecnología de motores que abre nuevas posibilidades de aplicación flexibles en la tecnología de accionamientos, p. Ej. la transferencia de cargas sin caída de velocidad.
Estos motores híbridos compactos no dispone de pérdidas en el rotor durante el funcionamiento y se caracterizan por su alta eficiencia. Se alcanzan clases de ahorro de energía hasta IE4.
El tamaño de un motor DR..J con tecnología LSPM es dos etapas más pequeño en comparación con un motor en serie con la misma potencia y clase de eficiencia energética. Los motores del mismo tamaño, por otro lado, alcanzan una clase de eficiencia dos veces mejor que la de los motores asíncronos.