Introducción a...motores eléctricos

En un artículo anterior mencionamos cuáles son los dispositivos típicos para proteger los motores eléctricos presentes en cualquier proceso industrial, también hemos hecho una serie de tutoriales donde podemos observar que su activación (o desactivación) se da en consecuencia del estado de un bit en los módulos de salida de un controlador (PLC), pero, ¿en verdad es así de sencillo? ¿qué pasa con los requerimientos físicos del motor? ¿cómo se conectan? ¿qué tipos existen? Y aún más importante, ¿qué es un motor?

Todas las anteriores son preguntas válidas y de igual importancia para lograr la automatización de procesos en un entorno real y no solo tratando con simuladores como suele ser en el proceso de aprendizaje de estas técnicas. Dichas interrogantes serán resueltas en una serie de artículos dedicada completamente a motores, los dispositivos encargados de mover a toda la industria.

Fig. 1: Motores en la industria.

Empezaremos desde los conceptos más básicos.

¿Qué es un motor?

Tomando la definición más simple de un diccionario podemos decir que un motor, en el aspecto general, es una máquina que puede generar movimiento a partir de una fuente de energía. Si bien la definición es correcta, podemos hacer un sinfín de acotaciones para lograr una más concreta y que atienda a los diferentes tipos de motores que existen.

Entonces, a lo anterior podemos agregar que la fuente de energía puede ser química, térmica, eléctrica, nuclear, eólica o, incluso, otra energía mecánica (una caída de agua, por ejemplo). Además, el movimiento realizado por el motor se hace con un fin específico, siendo éste la realización de un trabajo mecánico que reduzca la interacción humana, facilitando la realización de tareas más complejas (este es el principio de la automatización).

Fig. 2: Motor eléctrico y motor de combustión interna.

Como podemos observar, existen un gran número de variantes en la composición de un motor, pero, para fines de nuestra área, nos enfocaremos en motores eléctricos. Entonces, ¿qué los diferencia de otro tipo de motores?

Motores eléctricos

Podemos definirlos como máquinas eléctricas rotatorias que, como su nombre lo indica, transforman energía eléctrica en energía mecánica (la cual suele presentarse como la rotación de un eje). Su funcionamiento está basado en las fuerzas de atracción y repulsión existentes entre un imán y un embobinado por donde circula una corriente eléctrica.

El uso de este tipo de motores en la industria se debe a diversas ventajas que presentan ante motores de diferentes categorías ya que éstos suelen ser más baratos, seguros, sencillos de instalar, producen menos ruido e incluso son más limpios si los comparamos con otros tipos como pueden ser los de combustión interna.

Este tipo de motores consta de las siguientes partes: estátor, placa de bornes, rotor, rodamientos, eje, embobinado, carcasa, base, placa de características y ventilador. Siendo las más importantes el estátor y rotor pues es en ellas donde se realiza la transformación de energía que permite el movimiento del equipo.

Fig. 3: Partes de un motor eléctrico.

El estátor funciona como “base” pues es donde se induce la corriente a partir de la cual se generará el movimiento rotatorio, su elemento principal es un electroimán construido a partir de varias láminas de acero al silicio (llamadas “devanados”) a través de las cuales fluirá el campo magnético, aunque, según sea el caso, este electroimán puede ser reemplazado por un imán permanente. Además de lo anterior, debemos mencionar que existen dos tipos de estátores que son de polos salientes y ranurado; su clasificación depende únicamente del tipo de láminas que lo componen.

Fig. 4: Tipos de estátores.

El estátor y los devanados proveen los polos magnéticos que siempre aparecen en pares ordenados, por lo tanto, es imposible la existencia de un motor eléctrico monopolar o de polos impares.

Por otra parte, el rotor es el elemento que realiza la transferencia mecánica, es decir, sobre él se ve reflejada la conversión de energía eléctrica a mecánica. Al igual que los estatores, el rotor es un conjunto de láminas de acero al silicio montadas sobre un eje que, dependiendo de su forma pueden ser clasificados en los siguientes tipos:

Fig. 5: Tipos de rotores.

El rotor de polos salientes cuenta con una estructura en la que se alojan los polos y su forma depende de diferentes factores, siendo el más importante el número de polos a ser colocados pues este tipo de motores suelen ser utilizados en turbinas hidráulicas, las cuales alcanzan velocidades hasta 1200 rpm a frecuencias de 50 o 60 Hz, cuestión que detallaremos en un artículo posterior.

Las bobinas en un rotor ranurado (también llamado de polos lisos) se colocan en forma radial lo cual permite una mayor distribución de la fuerza magnetomotriz en cada polo consiguiendo una mejor onda senoidal en la fuerza electromotriz generada. En este tipo de rotores las bobinas de excitación son conductores de cobre de sección rectangular, colocadas a presión en las ranuras del rotor, las cuales cuentan con una mica de fibra de vidrio como aislamiento.

Para los rotores de jaula de ardilla, podemos observar que cuentan con una serie de peroraciones (o ranuras) donde va introducido el embobinado. Su utilización en la industria se clasifica dentro de las potencias medianas, con la finalidad de mejorar el rendimiento de ventiladores y bombas, aunque también es utilizado en motores asíncronos de gran potencia. Los motores con este tipo de rotor suelen estar controlados por variadores de frecuencia.

¿Síncrono o asíncrono?

Como hemos visto, todos los motores eléctricos comparten elementos muy similares en lo respectivo a su construcción, sin embargo, existen variaciones significativas en sus elementos internos como son la forma del rotor y, en consecuencia, la del estator pues, a partir de esto, existe una clasificación basada en la velocidad que deseemos obtener a la salida del motor. Con esto nos referimos a motores síncronos y asíncronos que tienen las siguientes características:

-En un motor síncrono, el campo magnético y el rotor tienen la misma velocidad de giro.

-En un motor de asíncrono, el rotor gira ligeramente más despacio que el campo magnético.

Entonces podemos empezar a utilizar ecuaciones para calcular información importante para nuestro motor pues, en ambos casos, la velocidad de giro del campo magnético se conoce como velocidad síncrona (o de sincronismo) y puede calcularse a partir de la frecuencia de la fuente de voltaje y del número de polos en el campo magnético del motor.

Ec. 1: Velocidad síncrona.

Donde:

n: velocidad síncrona [rpm]

f: Frecuencia de la fuente [Hz]

P: Número de polos del motor

Donde, partiendo de las frecuencias estandarizadas de 50 y 60 Hz, obtenemos valores como los siguientes, los cuales son típicos en las distintas aplicaciones donde se requiere un motor:

Polos	n (a 50 Hz) [rpm]	n (a 60 Hz) [rpm]
2	3000	3600
4	1500	1800
6	1000	1200
8	750	900

En el caso de los motores asíncronos, podemos decir que tienen cierta similitud con un transformador, el cual produce voltaje en su devanado secundario al recibir voltaje en su devanado primario. Cuando el motor es alimentado por una fuente, un campo magnético rotatorio se induce en el estator que, a su vez, genera un voltaje secundario en el rotor y produce también un campo magnético secundario. Ambos campos interactúan haciendo que el rotor gire, sin embargo, en este caso, hay una ligera diferencia entre la velocidad del campo y la velocidad real del rotor la cual se describe mediante un concepto conocido como deslizamiento (slip), el cual se calcula con la ecuación siguiente:

Ec. 2: Deslizamiento

Donde:

S: Deslizamiento

ns: velocidad síncrona

n: velocidad real

Como un ejemplo de esto imaginemos un motor de inducción de 4 polos a 60 Hz, el cual tendría una velocidad síncrona de 1800 [rpm] pero supongamos que tiene una velocidad real de 1750 [rpm]. En este caso, el deslizamiento sería:

Ec. 3: Cálculo de deslizamiento.

La velocidad nominal en los motores de inducción (1750 rpm en este ejemplo) aplica cuando el motor trabaja a plena carga y, por el contrario, si el motor trabaja sin carga, tendrá una mayor velocidad que probablemente se encuentre arriba de las 1790 [rpm], pero sin llegar a los 1800 [rpm] pues siempre habrá pérdidas mecánicas por fricción.

Conclusiones

Hasta el momento hemos logrado definir qué es un motor, cuáles son algunos tipos de energía con la que operan, nos adentramos al concepto de motor eléctrico y revisamos cuáles son sus diferencias con un motor de combustión interna además de enlistar sus partes, analizar su construcción interna y cómo es que ésta afecta a la velocidad obtenida a partir de su conversión de energía.

Probablemente son conceptos muy básicos y qué con una simple inspección pueden ser definidos o entendidos, pero, como mencionamos al inicio de este artículo, la función en crear una base solida para llegar a entender cómo funciona la automatización de un motor pues eventualmente llegaremos a dispositivos como son variadores de frecuencia y arrancadores suaves, donde será de vital importancia tener clara la información de este y de posteriores artículos.

En la segunda parte de la serie dedicada a motores revisaremos conceptos relacionados a los métodos de conexión, la información que encontramos en la placa de un motor y algunas definiciones para saber interpretar dicha información.

Agradezco el tiempo que te tomó leer este artículo y quedo al pendiente de tus comentarios u observaciones en las distintas redes de Automatización en español.

-AHN