Un motor de conmutador es una máquina eléctrica síncrona en la que el interruptor de corriente en el devanado y el sensor de posición del rotor tienen la forma del mismo dispositivo: un conjunto de cepillo y colector. Este dispositivo viene en muchas formas.
Variedades
Un motor de conmutador de CC generalmente incluye elementos como:
- rotor tripolar sobre cojinetes lisos;
- estator bipolar de imán permanente;
- Placas de cobre como escobillas del conjunto del conmutador.
Este juego es típico para las soluciones de potencia más baja que se utilizan normalmente en juguetes para niños donde no se requiere alta potencia. Los motores más potentes incluyen varios elementos estructurales más:
- cuatro escobillas de grafito en forma de conjunto colector;
- rotor multipolar sobre rodamientos;
- estator de imán permanente con cuatro polos.
La mayoría de las veces este tipo de dispositivo de motorutilizado en automóviles modernos para impulsar el ventilador del sistema de refrigeración y ventilación, bombas de lavado, limpiaparabrisas y otros elementos. También hay agregados más complejos.
La potencia de un motor eléctrico de varios cientos de vatios implica el uso de un estator de cuatro polos hecho de electroimanes. Para conectar sus devanados, se puede usar uno de varios métodos:
- En serie con el rotor. En este caso, se obtiene un gran par máximo, sin embargo, debido a la alta velocidad de ralentí, el riesgo de daño del motor es alto.
- En paralelo con el rotor. En este caso, la velocidad se mantiene estable bajo condiciones de carga cambiantes, pero el par máximo es notablemente menor.
- Excitación mixta, cuando parte del devanado está conectado en serie y parte en paralelo. En este caso, se combinan las ventajas de las opciones anteriores. Este tipo se utiliza para motores de arranque de automóviles.
- Excitación independiente, que utiliza una fuente de alimentación separada. En este caso se obtienen las características correspondientes a la conexión en paralelo. Esta opción rara vez se usa.
El motor conmutador tiene ciertas ventajas: son fáciles de fabricar, reparar, operar y su vida útil es bastante larga. Como desventajas, generalmente se destaca lo siguiente: los diseños efectivos de tales dispositivos suelen ser de alta velocidad y bajo par, por lo que la mayoría de las unidades requieren la instalación de cajas de engranajes. Esta afirmación está bien fundadaya que una máquina eléctrica orientada a baja velocidad se caracteriza por una eficiencia subestimada, así como problemas de refrigeración asociados a esta. Estos últimos son tales que es difícil encontrar una solución elegante para ellos.
Motor de conmutador universal
Esta variante es una especie de máquina conmutadora de CC capaz de operar tanto en CC como en CA. El dispositivo se ha generalizado en algunos tipos de electrodomésticos y herramientas manuales debido a su pequeño tamaño, bajo peso, bajo costo y facilidad de control de velocidad. Muy a menudo se encuentra como vehículo de tracción en los ferrocarriles de los Estados Unidos y Europa. Puedes considerar el dispositivo del motor eléctrico.
Características de diseño
Para una mejor comprensión de este problema, debe considerar con más detalle qué formó la base del dispositivo presentado. El tipo de motor de conmutador universal es un dispositivo de corriente continua con devanados de excitación conectados en serie, optimizado para operar en corriente alterna de una red de suministro de energía doméstica. El motor gira en una dirección, independientemente de la polaridad. Esto se debe al hecho de que la conexión en serie de los devanados del estator y del rotor provoca un cambio simultáneo en sus polos magnéticos y, debido a esto, el par resultante se dirige en una dirección.
¿De qué está hecho?
El motor del conmutador de CA implica el uso dematerial blando con baja histéresis. Para reducir las pérdidas por corrientes de Foucault, este elemento está hecho de placas apiladas con aislamiento. Como un subconjunto de las máquinas colectoras de CA, es habitual destacar las unidades de corriente pulsante, que se obtienen rectificando la corriente de un circuito monofásico sin utilizar suavizado de ondulación.
Un motor de conmutador de CA suele caracterizarse por la siguiente característica: en el modo de baja velocidad, la resistencia inductiva de los devanados del estator no permite que la corriente se consuma más allá de ciertos límites, mientras que el par motor máximo es también limitado a 3-5 del nominal. La aproximación de las características mecánicas se logra mediante el uso de la sección de los devanados del estator: se utilizan salidas separadas para conectar la corriente alterna.
Una tarea bastante difícil consiste en conectar una potente máquina colectora de corriente alterna. En el momento en que la sección pasa por el neutro, el campo magnético, que está en contacto con el rotor, cambia su dirección a la opuesta, y esto provoca la generación de FEM reactiva en la sección. Esto sucede cuando funciona con alimentación de CA. En las máquinas colectoras de corriente alterna, también se produce EMF reactivo. El transformador EMF también se observa aquí, ya que el rotor está en el campo magnético del estator, que pulsa en el tiempo. No es posible un arranque suave del motor colector, ya que en este momento la amplitud de la máquina será máxima, y a medida que se acerque a la velocidad de sincronismo, disminuirá proporcionalmente. como másaceleración, se notará un nuevo aumento. Para resolver el problema de conmutación en este caso, se proponen varios pasos secuenciales:
- Se debe preferir la sección de una sola vuelta en el diseño para reducir el flujo del embrague.
- Es necesario aumentar la resistencia activa de la sección, por lo que los elementos más prometedores son las resistencias en las placas colectoras, donde se observa un buen enfriamiento.
- El conmutador debe ser molido activamente con escobillas de máxima dureza con la mayor resistencia.
- La EMF reactiva se puede compensar mediante el uso de polos adicionales con devanados en serie, y los devanados en paralelo son aplicables para la compensación de EMF del transformador. Dado que el valor de este último parámetro es función de la velocidad angular del rotor y de la corriente de magnetización, tales devanados requieren el uso de sistemas de control esclavo, que aún no existen.
- La frecuencia de los circuitos de alimentación debe ser lo más baja posible. Las opciones más populares son 16 y 25 Hz.
- La inversión del UKD se realiza cambiando la polaridad de los devanados del estator o del rotor.
Pros y contras
Las siguientes condiciones se utilizan para la comparación: los dispositivos están conectados a una red eléctrica doméstica con un voltaje de 220 voltios y una frecuencia de 50 Hz, mientras que la potencia del motor es la misma. La diferencia en las características mecánicas de los dispositivos puede ser una desventaja o una ventaja endependiendo de los requisitos de la unidad.
Entonces, un motor de conmutador de CA: ventajas en comparación con una unidad de CC:
- La conexión a la red se realiza directamente y no es necesario utilizar componentes adicionales. En el caso de una unidad de CC, se requiere rectificación.
- La corriente de arranque es mucho menor, lo cual es muy importante para los dispositivos que se usan en la vida cotidiana.
- Si hay un circuito de control, su dispositivo es mucho más simple: un reóstato y un tiristor. Si el componente electrónico falla, entonces el motor del colector, cuyo precio depende de la potencia y oscila entre 1400 rublos o más, permanecerá operativo, pero se encenderá inmediatamente a plena potencia.
También hay ciertas desventajas:
- Debido a las pérdidas debidas a la inversión del estator y la inductancia, la eficiencia general se reduce notablemente.
- También se ha reducido el par máximo.
Los motores eléctricos de colector monofásicos tienen ciertas ventajas en comparación con los asíncronos:
- compacidad;
- f alta de vinculación a la frecuencia y velocidad de la red;
- importante par de arranque;
- disminución y aumento proporcionales de la velocidad en modo automático, así como un aumento del par con el aumento de la carga, mientras que la tensión de alimentación permanece sin cambios;
- El control de velocidad puede ser suave en un rango bastante amplio cambiando el voltaje de alimentación.
Desventajas en comparación con el motor de inducción
- cuando la carga cambia, la velocidad será inestable;
- el conjunto cepillo-recolector hace que el dispositivo sea poco fiable (la necesidad de utilizar los cepillos más rígidos reduce significativamente el recurso);
- La conmutación de CA provoca una fuerte chispa en el colector y se forman interferencias de radio;
- alto nivel de ruido durante el funcionamiento;
- el colector se caracteriza por una gran cantidad de piezas, lo que hace que el motor sea bastante masivo.
El motor de conmutador moderno se caracteriza por un recurso comparable a las capacidades de los engranajes mecánicos y los cuerpos de trabajo.
Otras comparaciones
Al comparar motores de colector y asíncronos de la misma potencia, independientemente de la frecuencia nominal de estos últimos, se obtiene una característica diferente. Esto se describirá con más detalle a continuación. El motor eléctrico de colector universal implementa una característica "suave". En este caso, el momento es directamente proporcional a la carga sobre el eje, mientras que las revoluciones son inversamente proporcionales a ella. El par nominal suele ser inferior al máximo de 3 a 5 veces. La limitación de la velocidad de ralentí se caracteriza exclusivamente por pérdidas en el motor, mientras que al encender una unidad potente sin carga, puede colapsar.
La característica de un motor asíncrono es "ventilador", es decir, el equipo mantiene una velocidad cercana a la nominal, aumentando el par lo más bruscamente posible con una ligera disminución de la velocidad. Si estamos hablando de un cambio significativo en este indicador, entonces el par motor no solo no aumenta, sino que también disminuyea cero, lo que conduce a una parada completa. El régimen de ralentí es ligeramente superior al nominal, manteniéndose constante. Una característica de un motor de inducción monofásico es un conjunto adicional de problemas asociados con el arranque, ya que no desarrolla par de arranque en condiciones normales. El campo magnético de un estator monofásico, pulsante en el tiempo, se descompone en dos campos con fases opuestas, lo que hace imposible arrancar sin todo tipo de trucos:
- capacitancia que crea una fase artificial;
- surco dividido;
- resistencia activa formando una fase artificial.
Teóricamente, un campo giratorio antifase reduce la eficiencia máxima de una unidad asíncrona monofásica a un 50-60 % debido a las pérdidas en un sistema magnético supersaturado y devanados cargados con corrientes de contracampo. Resulta que hay dos máquinas eléctricas en el mismo eje, mientras que una funciona en modo motor y la segunda en modo oposición. Resulta que los motores eléctricos de colector monofásicos no conocen competidores en las respectivas redes. Esto es lo que merecía tanta popularidad.
Las características mecánicas del motor eléctrico le confieren un cierto ámbito de uso. Las bajas velocidades, limitadas por la frecuencia de la red de CA, hacen que las unidades asíncronas de potencia similar sean grandes en peso y tamaño en comparación con los colectores universales. Sin embargo, cuando se incluye en el circuito de alimentación del inversor con una alta frecuencia, se pueden lograr dimensiones y peso comparables. La rigidez de la característica mecánica permanecemotor, a lo que se suman las pérdidas de conversión de corriente, así como un aumento de frecuencia, aumentan las pérdidas magnéticas e inductivas.
Analógicos sin montaje en bloque
Un motor de conmutador de CA tiene un análogo que es más cercano a él en términos de características mecánicas: uno de válvula, en el que el conjunto del colector de escobillas se reemplazó con un inversor equipado con un sensor de posición del rotor. El siguiente sistema se utiliza como un análogo electrónico de esta unidad: un rectificador, un motor síncrono con un sensor de posición angular del rotor, combinado con un inversor. Sin embargo, la presencia de imanes permanentes en el rotor reduce el par máximo manteniendo las dimensiones.
Principio de funcionamiento
El dispositivo de motor eléctrico colector demuestra cómo el dispositivo convierte la energía eléctrica en energía mecánica y viceversa. Esto indica su capacidad para ser utilizado como generador. Vale la pena considerar con más detalle el motor eléctrico del colector, cuyo diagrama demostrará sus capacidades.
Las leyes de la física establecen claramente que cuando una corriente eléctrica pasa a través de un conductor en un campo magnético, se ejerce una cierta fuerza sobre él. En este caso, funciona la regla de la mano derecha, que tiene un impacto directo en la potencia del motor eléctrico. El motor del conmutador funciona exactamente según este principio básico.
La física nos enseña que la basecrear las cosas correctas son pequeñas reglas. Esto sirvió como base para crear un marco que gira en un campo magnético, lo que hizo posible crear un motor eléctrico colector. El diagrama muestra que un par de conductores se colocan en un campo magnético, cuya corriente se dirige en direcciones opuestas y, por lo tanto, las fuerzas también. Su suma da el par requerido. El dispositivo de un motor eléctrico es mucho más complicado, ya que se le ha agregado todo un complejo de elementos necesarios, en particular, un colector que proporciona la misma dirección de corriente sobre los polos. El recorrido irregular se eliminó colocando más bobinas en la armadura, mientras que los imanes permanentes se reemplazaron por bobinas, lo que eliminó la necesidad de corriente continua. Esto hizo posible darle al torque una sola dirección.
Reparación de motores eléctricos hágalo usted mismo
Al igual que cualquier otro dispositivo, esta unidad puede fallar por cualquier motivo. Si el motor eléctrico, cuya foto puede ver en nuestra revisión, no puede ganar el número requerido de revoluciones, o el eje no gira cuando se enciende, debe verificar si sus fusibles se han quemado, si hay roturas el circuito eléctrico del inducido, si el propio dispositivo está sobrecargado. Muy a menudo, la sobrecarga da como resultado un consumo de corriente anormal. Para eliminar este mal funcionamiento, es necesario inspeccionar cuidadosamente la transmisión mecánica y el freno, y luego eliminar las causas de las sobrecargas.
El diseño del motor eléctrico es tal que cuando arranca consumecierta cantidad de corriente. Si es mayor que el valor nominal, se requiere verificar la consistencia de la conexión de los devanados en paralelo y en serie entre sí, así como en relación con el reóstato. Cuando se realizan reparaciones de motores eléctricos de bricolaje, la mayoría de las veces se cometen errores bastante específicos. En particular, el devanado de derivación puede conectarse en serie con la resistencia eléctrica del reóstato o conectarse a un polo de la red eléctrica.
La verificación de la consistencia de la conexión del devanado de excitación de trabajo se lleva a cabo conectando uno de los extremos del devanado de derivación con el extremo del ancla, y el segundo, con un conductor eléctrico proveniente del arco del reóstato. Por lo general, la sección transversal de este conductor eléctrico es un poco más pequeña que la de los demás, por lo que puede detectarse sin un megóhmetro. Después de encender el interruptor de alimentación y cambiar el control deslizante del reóstato a la posición media, se suministra energía a los extremos libres. Por medio de una lámpara de control, se realiza una verificación secuencial de todos los extremos conductores. Cuando tocas uno de ellos, la lámpara debe encenderse, pero no con el otro. Así es como se prueba todo el motor. El precio del trabajo realizado dependerá del tipo de avería del equipo.
Si durante el funcionamiento del dispositivo hay un número de revoluciones inferior al nominal, las razones principales suelen ser las siguientes: baja tensión de red, sobrecarga del dispositivo, gran corriente de excitación. Si se observa una inoperancia de naturaleza opuesta, se requiere verificar el circuito de excitación, eliminar todos los defectos identificados, después de lo cualpuede establecer el valor normal de la corriente de excitación. En algunos casos puede ser necesario rebobinar los motores.
Cuando el motivo de la inoperancia de la unidad es el emparejamiento erróneo de los devanados de campo en serie y paralelo, es necesario restaurar el orden de conexión correcto. Si no es posible eliminar dicho problema de forma sencilla, puede ser necesario rebobinar los motores eléctricos. También es necesario verificar la magnitud del voltaje en la red eléctrica, ya que con un aumento en su valor nominal, las revoluciones del dispositivo pueden aumentar.
