Comprender los Motores de Conmutador de CA: Diseño, Tipos y Aplicaciones

Tras llegar a América, Charles Proteus Steinmetz abordó los desafíos perplejos del diseño de motores de conmutador de CA con escobillas, que anteriormente no podían diseñarse de forma fiable antes de la construcción.

Su avance llegó al formalizar la histéresis magnética, revelando cómo el flujo magnético rezaga tras la fuerza magnetizante y crea pérdidas ausentes en máquinas de CC.

Usando aleaciones de baja histéresis y rebanando el núcleo de hierro en láminas finas aisladas, los ingenieros podían ahora predecir con precisión el comportamiento de motores de conmutador de CA antes de construirlos.

Como sus contrapartes de CC, los motores de conmutador de CA entregan mayor par de arranque y mayor velocidad que los motores de inducción de CA. El tipo serie, en particular, puede operar bien por encima de la velocidad síncrona de un motor de CA convencional.

Los motores de conmutador de CA vienen en variantes monofásicas y polifásicas. Los motores monofásicos experimentan una pulsación de par a doble frecuencia de línea que está ausente en el diseño polifásico más suave.

Aunque un motor de conmutador puede funcionar a velocidad mucho mayor que un motor de inducción y así entregar más potencia para un tamaño dado, no está libre de mantenimiento. El desgaste de escobillas y conmutador exige servicio periódico.

Motor Serie Monofásico

Cuando un motor serie de CC equipado con campo laminado se alimenta desde CA, la reactancia rezagada de la bobina de campo reduce marcadamente la corriente de campo. El motor funcionará, pero su rendimiento es marginal.

Durante el arranque, los devanados de armadura cortocircuitados por las escobillas se asemejan a espiras de transformador cortocircuitadas en el campo, produciendo arco y chisporroteo sustanciales al comenzar a rotar la armadura.

A medida que la velocidad sube, el arco y chisporroteo se distribuyen en más segmentos de conmutador, haciendo la condición más tolerable. Pequeños motores serie de CA no compensados —aquellos por debajo del tamaño de un taladro manual o batidora de cocina— aún pueden operar bajo estas restricciones.

 

Motor serie de CA no compensado

 

Motor Serie Compensado

El problema del arco se mitiga añadiendo un devanado compensador en el estator. Este devanado se coloca en serie con la armadura y se posiciona de modo que su fuerza magnetomotriz cancela la FMM de CA de la armadura.

Reducir el entrehierro y el número de vueltas de campo baja la reactancia rezagada en serie con la armadura, mejorando el factor de potencia. Todos menos los más pequeños motores de conmutador de CA emplean devanados compensadores; incluso motores tamaño batidora de cocina lo hacen.

 

Motor serie de CA compensado

 

Motor Universal

Pequeños motores universales —típicamente bajo 300 vatios— pueden funcionar tanto en CC como en CA. Unidades muy pequeñas pueden ser no compensadas; unidades mayores de alta velocidad casi siempre usan devanado compensador.

En CA, el motor funciona ligeramente más lento que en CC debido a la reactancia. Sin embargo, los picos de las ondas sinusoidales saturan el camino magnético, reduciendo el flujo total e incrementando la velocidad de la sección "serie". Estos efectos opuestos mantienen la velocidad casi constante entre CC y 60 Hz.

Los motores universales alimentan electrodomésticos comunes que exigen 3.000 a 10.000 rpm, como taladros, aspiradoras y batidoras.

Avances en rectificadores de estado sólido e imanes permanentes de bajo coste están haciendo que los motores de CC de imán permanente sean una alternativa cada vez más atractiva.

Motor de Repulsión

Un motor de repulsión conecta el campo directamente al voltaje de línea de CA y coloca un par de escobillas cortocircuitadas desplazadas 15°-25° del eje del campo. El campo induce una corriente en la armadura cortocircuitada, produciendo un campo magnético que se opone a las bobinas de campo.

La velocidad se controla rotando las escobillas respecto al eje del campo. El motor exhibe excelente conmutación por debajo de la velocidad síncrona y mala conmutación por encima. La baja corriente de arranque entrega alto par de arranque.

 

Motor de repulsión de CA

 

Motor de Inducción de Arranque por Repulsión

Cuando un motor de inducción debe arrancar una carga dura, como un compresor, el alto par de arranque de un motor de repulsión es invaluable. Los devanados del rotor de inducción se conectan temporalmente a segmentos de conmutador vía escobillas cortocircuitadas.

Una vez que el motor se acerca a la velocidad de operación, un interruptor centrífugo cortocircuita todos los segmentos de conmutador, convirtiendo el rotor en configuración de jaula de ardilla. Las escobillas también pueden levantarse para prolongar su vida.

El par de arranque puede alcanzar 300 % a 600 % del valor a plena velocidad —comparado con menos del 200 % para un motor de inducción puro.

 

Resumen: Motores de conmutador de CA

• El motor serie monofásico intenta emular un motor de conmutador de CC; solo es práctico en tamaños muy pequeños.
• Añadir un devanado compensador produce el motor serie compensado, superando el chisporroteo excesivo del conmutador. La mayoría de motores de conmutador de CA son de este tipo. Entregan más potencia a alta velocidad que un motor de inducción del mismo tamaño pero no son libres de mantenimiento.
• Pequeños electrodomésticos pueden usar motores que funcionan tanto en CA como en CC, conocidos como motores universales.
• La línea de CA se conecta directamente al estator de un motor de repulsión, con el conmutador cortocircuitado por las escobillas.
• Escobillas cortocircuitadas retráctiles pueden arrancar un motor de inducción de rotor devanado; este es el motor de inducción de arranque por repulsión.