Tipos de motores de corriente alterna con conmutador

CA conmutador Los motores se encuentran ahora en un nicho reducido: alto par de arranque, amplio rango de velocidades, estructuras compactas y negociación constante con el desgaste de las escobillas y los límites de conmutación. Ya no son el accionamiento industrial por defecto, pero si trabajas con plantas, aparatos o maquinaria especial heredados, sigues necesitando saber qué tipo tienes delante y qué implica eso para el control, la calidad de la energía y el mantenimiento.

Lo que los ingenieros entienden por “motor de corriente alterna con conmutador”

El término abarca máquinas que funcionan con alimentación de CA, pero que utilizan un conmutador segmentado y escobillas para gestionar la corriente del rotor. En otras palabras, toman prestada la conmutación mecánica de las máquinas de CC, pero aceptan una alimentación sinusoidal. Los libros de texto suelen agruparlas por separado de los motores de inducción y síncronos, ya que las curvas de par-velocidad, el comportamiento del factor de potencia y el perfil de mantenimiento son bastante diferentes.

Existen dos grandes familias. Los tipos monofásicos evolucionaron directamente a partir de los motores de serie de corriente continua: serie de corriente alterna, serie compensada, universal y las variantes de repulsión. Los motores de conmutador polifásicos, principalmente el Schrage y sus derivados, utilizan la fuerza electromotriz inyectada en el rotor para obtener una velocidad variable suave sin dejar de sincronizarse con una red trifásica.

Ya sabes cómo se conectan los devanados y cómo funciona la conmutación. Lo interesante ahora es cómo difieren las variantes en la práctica: comportamiento del par, opciones de control, niveles de potencia típicos y qué hacer con ellos en una planta que también cuenta con máquinas de inducción alimentadas por VFD y accionamientos modernos.

Clasificación general

La mayoría de las notas modernas sobre máquinas de CA enumeran estos tipos de conmutadores: serie, serie compensada, derivación, repulsión, repulsión-inducción, repulsión-arranque-inducción-marcha, además de diseños polifásicos como el motor Schrage.

La tabla siguiente ofrece una orientación compacta antes de pasar a analizar cada grupo. Las cifras son solo indicativas, pero suficientes para el pensamiento a nivel de diseño.

Con ese mapa en la cabeza, las variantes dejan de parecer una larga lista y empiezan a formar dos o tres familias que se comportan de maneras claramente diferentes.

Familia de series: Motores de la serie AC y motores de la serie compensada

Un motor de CA en serie simple es esencialmente un motor de CC en serie adaptado lo suficiente como para funcionar con corriente alterna. La reactancia del campo limita la corriente, y el inducido se asemeja al secundario de un transformador con una espira cortocircuitada en reposo, lo que ejerce tensión sobre el conmutador. Por eso los libros de texto serios repiten una y otra vez que los motores de CA en serie sin compensación solo son prácticos en potencias muy pequeñas.

El motor de serie compensado soluciona este problema añadiendo un devanado de compensación en el estator, en serie con el inducido, colocado de manera que su fuerza magnetomotriz cancele la reacción del inducido bajo los polos. Esto consigue tres cosas a la vez. En primer lugar, mejora la conmutación a baja velocidad y con carga elevada. En segundo lugar, permite un entrehierro más pequeño y menos vueltas de campo, lo que reduce la caída de tensión reactiva y mejora el factor de potencia. En tercer lugar, hace que la curva de par-velocidad se parezca más a la de un motor en serie de CC en un rango de funcionamiento significativo, en lugar de colapsar tan pronto como cambia la carga.

En cuanto al diseño, una vez que se incluye el devanado de compensación, la máquina se convierte en el motor de conmutador de CA “predeterminado”. La mayoría de los accionamientos en serie de CA históricos de cualquier tamaño son en realidad máquinas en serie compensadas, aunque la placa de características sea imprecisa. La falta de precisión en la denominación causa problemas cuando alguien especifica grados de cepillos de repuesto o datos de rebobinado a partir de un plano antiguo que solo dice “serie CA”.

Desde una perspectiva de control moderna, la familia de la serie es fácil de modular utilizando componentes electrónicos muy sencillos. Un controlador de ángulo de fase o un regulador de triac pueden variar la velocidad de una manera rudimentaria pero viable. Sin retroalimentación, solo corte de potencia. El coste es el ruido, tanto acústico como electromagnético, y un factor de potencia que puede ser bastante deficiente con cargas ligeras. Esa compensación es aceptable en un taladro o una batidora, donde el servicio es intermitente y la red es rígida. Es mucho menos aceptable cuando el motor es de decenas de kilovatios dentro de una planta que ya tiene dificultades para cumplir con los requisitos armónicos.

Motores universales: mismo bastidor, CA o CC

Los motores universales son simplemente motores en serie compensados construidos con un tamaño lo suficientemente pequeño como para que las pérdidas en el hierro y los límites de conmutación sigan siendo tolerables tanto en CA como en CC. Su característica distintiva es su capacidad de velocidad: decenas de miles de revoluciones por minuto desde un bastidor muy compacto, en cualquier tipo de suministro.

La relación entre el par y la corriente es casi idéntica en CA y CC, ya que se utiliza el mismo campo en serie. En CA, la inductancia del devanado y las pérdidas en el hierro reducen ligeramente la velocidad, pero la saturación en los picos de la onda sinusoidal la vuelve a aumentar; el efecto neto es una velocidad que no varía mucho entre CC y 50/60 Hz.

En la práctica, los motores universales son los únicos motores de conmutador de CA que la mayoría de los ingenieros no especialistas ven hoy en día. Aparecen en aspiradoras, amoladoras, sierras de calar, secadores de pelo y muchos otros dispositivos en los que se necesita una potencia agresiva en un paquete pequeño y barato y se pueden aceptar escobillas, ruido y una vida útil limitada. Cuando uno falla, se sustituye el aparato, no solo el motor. Esa realidad empresarial impulsó el diseño mecánico tanto como las consideraciones electromagnéticas.

Desde el punto de vista del diseño del sistema, los motores universales interactúan fuertemente con la impedancia de suministro. La caída de tensión durante el arranque o el bloqueo puede ser significativa en redes débiles, por lo que a veces se ven combinados con circuitos de arranque suave o limitadores de corriente simples. El control mediante la regulación del ángulo de fase es tan común que los ingenieros a veces olvidan que la máquina subyacente sigue siendo un motor de conmutador totalmente bobinado con todas las sensibilidades habituales de las escobillas y la conmutación.

Familia Repulsion: cuando realmente necesitas par de arranque

Los motores de repulsión simples colocan un campo monofásico en el estator, conectado directamente a la línea de CA, y un rotor bobinado vinculado a un conmutador con escobillas en cortocircuito colocadas en ángulo con respecto al eje del campo. El estator induce corriente en los devanados del rotor; el eje angular de la escobilla permite que el campo del rotor se oponga y se desplace con respecto al campo del estator, produciendo un par motor.

Lo interesante es que se obtiene un comportamiento similar al de un transformador en reposo sin consumir una enorme corriente de arranque de la fuente de alimentación. El par de arranque puede superar fácilmente varias veces el par nominal, mientras que la corriente sigue siendo manejable. Eso hizo que los motores de repulsión resultaran atractivos para ascensores, tracción temprana y accionamientos de servicio pesado, donde el arranque DOL de un motor de inducción habría requerido impedancias absurdamente bajas o grandes autotransformadores.

El control de velocidad en un motor de repulsión simple se consigue desplazando mecánicamente las escobillas. Si se acercan al campo, el par motor disminuye; si se alejan, el par motor se invierte. Este tipo de control mecánico es suave, pero requiere mucho trabajo. Es adecuado cuando un accionamiento funciona a unas pocas velocidades fijas establecidas por el personal de mantenimiento, pero no cuando se desean reguladores de bucle cerrado y recetas con cientos de puntos de consigna.

Los motores de repulsión compensados añaden un devanado de compensación en serie, similar en concepto al motor en serie compensado. El objetivo, una vez más, es mejorar la conmutación y el factor de potencia, pero en este caso también se modifica la característica de par-velocidad para que se parezca más a la de un motor en serie, al tiempo que se mantiene el comportamiento de arranque por repulsión. Algunos textos se refieren a los diseños de Latour-Winter-Eichberg con múltiples juegos de escobillas y tomas de transformador que alimentan parte del conmutador; se trata de máquinas ingeniosas pero mecánicamente complejas, interesantes en el laboratorio pero difíciles de producir.

Inducción de arranque por repulsión

Los motores de inducción con arranque por repulsión son un compromiso pragmático entre el comportamiento de repulsión y el de inducción. En reposo, el rotor es un rotor de repulsión con escobillas y conmutador, lo que proporciona un fuerte par de arranque y un factor de potencia decente. A una velocidad cercana a la velocidad de funcionamiento, un dispositivo centrífugo cortocircuita todos los segmentos del conmutador y, a menudo, levanta las escobillas, convirtiendo el rotor en algo parecido a una jaula de ardilla.

A partir de ese momento, la máquina se comporta como un motor de inducción monofásico estándar. Esto significa que, en estado estable, se obtienen características familiares, una protección sencilla y un desgaste continuo de las escobillas nulo. El precio es una mayor complejidad mecánica en el mecanismo de conmutación y el conmutador, además del coste del rotor más complejo.

¿Dónde se siguen encontrando? Principalmente en compresores antiguos, bombas y plantas industriales pequeñas o domésticas pesadas, donde era esencial un par de arranque elevado, pero el diseñador quería un funcionamiento sencillo de tipo inducción una vez que la carga inercial se ponía en movimiento. Cuando una máquina de este tipo falla hoy en día, es habitual que se sustituya por un motor de inducción con arranque por condensador más un arrancador suave o un variador de frecuencia, ya que esa combinación es más fácil de conseguir y mantener.

Motores de inducción por repulsión

Los motores de repulsión-inducción combinan un devanado de rotor de repulsión conectado a un conmutador con un devanado de jaula de ardilla integrado. Al arrancar, predomina la acción de repulsión, lo que proporciona un par elevado con una corriente controlada. A medida que aumenta la velocidad, las corrientes inducidas en la jaula cobran mayor importancia y el comportamiento se aproxima al de un motor de inducción, incluso sin cortocircuitar mecánicamente el conmutador.

Este comportamiento mixto proporciona una curva de par atractiva para algunas aplicaciones, pero complica el diseño del rotor, el aislamiento y la refrigeración. Con la llegada de los motores de inducción con arranque y funcionamiento por condensador, que proporcionan un buen par de arranque sin escobillas y con una construcción mucho más sencilla, los tipos de inducción por repulsión desaparecieron en gran medida de los nuevos diseños.

Motores de corriente alterna con conmutador en derivación

Las tablas de clasificación a veces incluyen “motores de conmutador de corriente alterna en derivación” o “motores de corriente alterna con característica de derivación y escobillas fijas”. Conceptualmente, se trata de versiones de corriente alterna de los motores de derivación de corriente continua: el campo se excita desde la misma fuente, pero no en serie con el inducido. El resultado es una velocidad relativamente rígida con respecto a la carga, más cercana a un accionamiento de velocidad constante que a una máquina en serie.

El control del campo mediante un reóstato o transformador independiente proporciona un ajuste moderado de la velocidad por encima de la velocidad base al debilitar el campo. En CA, la ventaja es menos notable que en las máquinas de CC debido a las limitaciones del factor de potencia y la conmutación. Esa es una de las razones por las que esta clase se mantuvo pequeña y especializada.

En la práctica, estos motores se encuentran principalmente en plantas antiguas, donde un motor de corriente alterna con conmutador de velocidad constante accionaba un eje de transmisión o una máquina crítica antes de que los motores de inducción se abarataran y se pudieran controlar fácilmente. Si hereda uno, trátelo como un accionamiento de velocidad constante que requiere mucho mantenimiento y cuyas piezas están disponibles de forma limitada; sustituirlo por un motor de inducción y un variador de frecuencia suele ser más sencillo, a menos que la integración mecánica sea muy ajustada.

Motores trifásicos de CA con conmutador: el Schrage y similares

El motor Schrage es el motor trifásico de corriente alterna con conmutador más ampliamente documentado. Se trata esencialmente de un motor de inducción de velocidad variable en el que se inyecta una fuerza electromotriz trifásica auxiliar en el circuito del rotor a través de un conmutador y escobillas ajustables.

Un Schrage típico tiene un estator trifásico, un rotor con un devanado conectado a anillos colectores para el suministro principal y un segundo devanado del rotor conectado a un conmutador. Las escobillas ajustables alimentan ese conmutador desde un devanado regulador. Al desplazar las escobillas, se cambia la magnitud y la fase de la fuerza electromotriz inyectada, lo que modifica tanto el deslizamiento como el factor de potencia. Con un diseño adecuado, se pueden alcanzar velocidades subsincrónicas, síncronas y supersincrónicas a partir de la misma frecuencia de red, manteniendo un buen par y un factor de potencia cercano a la unidad en gran parte del rango.

Antes de la aparición de los accionamientos electrónicos, esa combinación resultaba extremadamente atractiva para la maquinaria textil, las laminadoras y las imprentas. Se podía obtener una variación suave de la velocidad, una alta eficiencia y un control razonable de la potencia reactiva sin necesidad de convertidores rotativos ni equipos de arco de mercurio. El precio era un sistema de rotor y conmutador mecánicamente complejo que exigía un mantenimiento especializado. Los operadores debían comprender el ajuste de las escobillas, el ajuste neutro y el efecto de las condiciones de contacto sobre el factor de potencia.

También hay motores de conmutador de CA alimentados por estator, en los que el estator se alimenta directamente y el conmutador del rotor se utiliza principalmente para controlar el factor de potencia o ajustar la velocidad, en lugar de para variaciones de amplio rango. Estos son menos comunes y suelen aparecer en instalaciones marinas o de tracción más antiguas. La idea general es la misma: inyectar EMF a través de un conmutador para manipular el deslizamiento y la potencia reactiva sin cambiar la frecuencia de suministro.

En los diseños modernos, un motor de inducción estándar más un inversor de fuente de tensión resuelve el mismo problema con menos piezas móviles. Por lo tanto, el Schrage y sus primos son ahora temas especializados: se estudian para comprender los accionamientos históricos o para mantener en funcionamiento una planta heredada.

Elegir entre tipos en proyectos reales

En los diseños actuales, casi nadie especifica un motor de conmutador de CA grande. Esto no se debe a que las máquinas sean ineficaces, sino a que la electrónica de potencia hace que las opciones sin escobillas sean más fáciles de justificar. El caso de uso real ahora es la sustitución de un motor averiado en un equipo existente o la modernización incremental cuando no se puede justificar un rediseño mecánico completo.

Cuando se trata de pequeños electrodomésticos o herramientas manuales, la elección está prácticamente predeterminada. Los motores universales siguen utilizándose porque son baratos, compactos y fáciles de adquirir a través de múltiples proveedores. Si el ruido, las interferencias electromagnéticas o la vida útil de las escobillas se convierten en un problema grave, se cambia todo el diseño a un motor sin escobillas de corriente continua o a un motor síncrono de imanes permanentes y se acepta el coste de la electrónica del controlador.

En el caso de los accionamientos industriales monofásicos antiguos que aún necesitan un par de arranque elevado, a menudo se encuentran máquinas de arranque por repulsión y funcionamiento por inducción o máquinas de repulsión-inducción en la placa de características. Para sustituirlos, hay tres opciones habituales. Una es un motor de inducción de arranque por condensador de alto par con un contactor de alta resistencia o un arrancador suave. Otra es un motor de inducción trifásico con un pequeño VFD alimentado por una fuente monofásica. La tercera, menos popular, es un motor con conmutador similar, procedente de un reconstructor especializado, que suele elegirse porque la envolvente mecánica es incómoda y cambiarla costaría más que mantener el antiguo concepto.

En el caso de los grandes variadores de velocidad construidos originalmente con motores Schrage, los equipos técnicos suelen tratar la máquina existente como parte del equipo mecánico y no como parte del sistema eléctrico. Si el conmutador está en buen estado y hay repuestos disponibles, se puede dejar en su sitio y limitarse a perfeccionar la protección y la supervisión. Si el conmutador se convierte en un cuello de botella, se planifica una modernización a una máquina de inducción y un inversor, pero eso suele afectar a la altura de los ejes, las vías de refrigeración y, en ocasiones, a la estructura del edificio.

Cuestiones transversales: lo que todos los motores de conmutador de CA tienen en común

Hay varias limitaciones comunes a todos los tipos. En primer lugar, la conmutación en CA es intrínsecamente más exigente que en CC, ya que las inversiones de corriente en las bobinas del inducido deben producirse sobre una alimentación sinusoidal. Por eso, los devanados de compensación, los diseños de baja reactancia y los materiales de escobillas cuidadosamente seleccionados son temas habituales en la bibliografía especializada.

En segundo lugar, el factor de potencia y los armónicos siempre están en la agenda. Los motores en serie y de repulsión pueden proporcionar un buen factor de potencia de entrada bajo carga, pero con una carga ligera consumen una corriente magnetizante significativa y presentan formas de onda extrañas en la red. En plantas con límites armónicos estrictos, esta suele ser la verdadera razón para su sustitución, y no el estado mecánico de la máquina.

En tercer lugar, las prácticas de mantenimiento son más importantes que en las máquinas de inducción con jaula. La presión de las escobillas, el estado de la superficie del conmutador y la limpieza de la vía de refrigeración afectan directamente a la conmutación y, por lo tanto, a las pulsaciones de par, el ruido y la vida útil. Un motor conmutador que, en teoría, es capaz de ofrecer un alto rendimiento puede comportarse de forma errática si se descuida el equipo de escobillas. Esa es otra razón por la que muchos ingenieros prefieren sustituirlos en lugar de formar a un nuevo equipo de mantenimiento.

Por último, la calidad de la documentación suele ser deficiente. Muchos motores antiguos solo llevan marcas genéricas como “serie CA” o “motor de repulsión”, sin indicar claramente si están compensados, qué grado de cepillo se espera o cómo se ajustó originalmente el neutro. La ingeniería inversa de estas máquinas es más una tarea de investigación que un ejercicio de diseño. Tener una idea clara de las familias y su comportamiento ayuda a deducir lo que se está observando a partir de unas sencillas pruebas: par al arranque, respuesta al cambio de cepillo y corriente a la tensión nominal.

Resumen

Los motores de conmutador de CA forman un grupo compacto pero variado: motores en serie y universales que dominan las herramientas de baja potencia, máquinas basadas en repulsión que proporcionan un alto par de arranque en accionamientos monofásicos más antiguos, motores de conmutador en derivación y trifásicos, como el Schrage, que cubren la necesidad histórica de accionamientos industriales de velocidad variable. Su denominador común es la conmutación mecánica en una fuente de alimentación de CA, con todas las ventajas y desventajas que ello conlleva. Comprender qué tipo tiene y lo que eso implica en cuanto a par, control, calidad de la energía y mantenimiento sigue siendo útil incluso en un mundo en el que ahora se utilizan por defecto motores de inducción y accionamientos electrónicos.