Motores de conmutador de CA

El primer trabajo de Charles Proteus Steinmetz después de llegar a Estados Unidos fue investigar los problemas encontrados en el diseño de la versión de corriente alterna del motor del colector cepillado. La situación era tan mala que los motores no podían diseñarse antes de la construcción real.

El éxito o el fracaso del diseño de un motor no se conoce hasta que se construye y se prueba realmente. Formuló las leyes de la histéresis magnética en encontrar una solución. La histéresis es un retraso de la fuerza del campo magnético en comparación con la fuerza de magnetización. Esto produce una pérdida que no está presente en el magnetismo de CC.

Aleaciones de baja histéresis y ruptura de la aleación en laminaciones delgadas y aisladas hizo posible diseñar con precisión motores de conmutador de CA antes de construir.

Los motores de conmutador de CA, al igual que los motores de CC comparables, tienen un par de arranque más alto y una velocidad más alta que los motores de inducción de CA.

El motor en serie funciona muy por encima de la velocidad síncrona de un motor de CA convencional. Los motores de conmutador de CA pueden ser monofásicos o polifásicos. La versión de CA monofásica 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 más alta que un motor de inducción, puede generar más potencia que un motor de inducción de tamaño similar. Sin embargo, los motores de conmutador no requieren tanto mantenimiento como los motores de inducción, debido al desgaste de las escobillas y del conmutador.

Motor serie monofásico

Si un motor de la serie DC equipado con un campo laminado está conectado a AC, la reactancia retardada de la bobina de campo reducirá considerablemente la corriente de campo. Si bien dicho motor girará, la operación es marginal.

Al arrancar, los devanados del inducido conectados a los segmentos del conmutador en cortocircuito por las escobillas parecen giros de transformador en cortocircuito hacia el campo. Esto da como resultado un considerable arco y chispas en las escobillas cuando la armadura comienza a girar.

Esto es un problema menor a medida que aumenta la velocidad, lo que comparte el arco y las chispas entre los segmentos del conmutador. La reactancia retardada y las escobillas de arco solo son tolerables en motores de CA de serie no compensados ​​muy pequeños que funcionan a alta velocidad. Los motores de CA de la serie más pequeños que los taladros manuales y las batidoras de cocina pueden no estar compensados. (Figura siguiente)

Motor de CA serie no compensado

Motor en serie compensado

El arco y las chispas se mitigan colocando un bobinado de compensación el estator en serie con el inducido colocado de modo que su fuerza magnetomotriz (mmf) anule el inducido AC mmf.

Un espacio de aire del motor más pequeño y menos vueltas de campo reducen la reactancia retrasada en serie con la armadura mejorando el factor de potencia. Todos los motores de conmutador de CA, excepto los muy pequeños, emplean devanados de compensación. Los motores tan grandes como los empleados en una batidora de cocina, o más grandes, utilizan bobinados de estator compensados.

Motor de CA serie compensado

Motor universal

Es posible diseñar motores universales pequeños (menos de 300 vatios) que se ejecutan desde CC o CA. Los motores universales muy pequeños pueden no estar compensados. Los motores universales de mayor velocidad utilizan un devanado de compensación.

Un motor funcionará más lento con CA que con 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 en "serie".

Por lo tanto, los efectos de compensación dan como resultado una velocidad casi constante de CC a 60 Hz. Los electrodomésticos de línea pequeña, como taladros, aspiradoras y batidoras, que requieren de 3000 a 10000 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 consta de un campo conectado directamente al voltaje de la línea de CA y un par de escobillas en cortocircuito con una compensación de 15 ° a 25 ° desde el eje del campo. El campo induce un flujo de corriente hacia el inducido en corto 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 una conmutación superior por debajo de la velocidad síncrona, una conmutación inferior por encima de la velocidad síncrona. La baja corriente de arranque produce un alto par de arranque.

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 utilizar 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 en cortocircuito.

Casi a la velocidad de funcionamiento, un interruptor centrífugo cortocircuita todos los segmentos del conmutador, dando el efecto de un rotor de jaula de ardilla. Los cepillos también se pueden levantar para prolongar su vida útil. El par de arranque es del 300% al 600% del valor de velocidad máxima en comparación con menos del 200% para un motor de inducción puro.

Resumen:motores de conmutador de CA

• El motor en serie monofásico es un intento de construir un motor como un motor de conmutador de CC. El motor resultante solo es práctico en los tamaños más pequeños.
• La adición de un devanado de compensación produce el motor en serie compensado , superando las chispas excesivas del conmutador. La mayoría de los motores de conmutador 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 motores para electrodomésticos pequeños alimentados por CA o CC. Esto se conoce como motor universal .
• La línea de CA está conectada directamente al estator de un motor de repulsión con el conmutador en cortocircuito por las escobillas.
• Las escobillas en cortocircuito retráctiles pueden arrancar un motor de inducción de rotor bobinado. Esto se conoce como motor de inducción de arranque por repulsión .