Tipos de motores con conmutador
Si ya conoce las hojas de datos y las normas, la elección entre los tipos de motores con conmutador se reduce a tres preguntas: qué forma de par necesita, qué tan malo es su suministro y cuánto mantenimiento de escobillas puede tolerar. Todo lo demás son principalmente detalles de implementación y argumentos de costo en torno a esos tres puntos.
Índice
La verdadera diferencia: motores con conmutador de corriente continua frente a motores con conmutador de corriente alterna
La mayoría de los debates sobre el “tipo de motor con conmutador” se pierden en la taxonomía histórica. Desde el punto de vista del diseño o la selección, se puede empezar de una forma mucho más directa: ¿es su conmutador ¿Está conectado a una máquina de corriente continua o lo está obligando a funcionar también con corriente alterna?.
En el lado de la corriente continua, se pueden encontrar motores de serie, en derivación, compuestos y de imanes permanentes con escobillas, con variantes de excitación separada para quienes desean un banco de pruebas con mandos. En el lado de la corriente alterna, en la práctica solo se encuentran cuatro familias en el trabajo moderno: motores universales, motores de repulsión, motores de repulsión-inducción y un nicho cada vez más reducido de máquinas trifásicas con conmutador.
Una vez que aceptas esa división, “tipo” se convierte en una abreviatura para tres cosas: cómo se produce y conecta el campo, cómo reacciona la velocidad a la carga y cuán tolerante es el conmutador cuando lo maltratas con transitorios y suciedad.
Tipos de motores con conmutador de corriente continua tal y como se presentan realmente
Los libros de texto enumeran los tipos separados, autoexcitados, en derivación, en serie, compuestos acumulativos, compuestos diferenciales y de imán permanente. En proyectos reales, la mayoría de los ingenieros solo manejan tres perfiles y dos casos extremos.
El motor de corriente continua en serie es el instrumento contundente. El campo y el inducido comparten la misma corriente, por lo que el par a baja velocidad es fuerte y la velocidad con carga ligera tiende a dispararse si se deja. Esto lo hace adecuado para requisitos de arranque de alto impacto en los que se puede evitar mecánicamente el exceso de velocidad, y muy incómodo en cualquier lugar donde una carga fallida pueda desconectar el eje. Cuando alguien dice “motor de CC de alto par de arranque” sin más calificativos, a menudo se refiere a este y suele pensar en grúas, polipastos o modernizaciones de tracción.
El motor de corriente continua en derivación desempeña la función opuesta. La corriente de campo viene fijada en su mayor parte por la alimentación, la corriente del inducido oscila con la carga y la velocidad apenas varía si se permanece dentro de los límites térmicos. Esto resulta aburrido en el mejor sentido posible: accionamientos de velocidad constante, ventiladores y bombas en plantas antiguas, bancos de pruebas en los que basta con un porcentaje de regulación del orden del 1 % y nadie quiere pagar por sofisticados accionamientos electrónicos. Su punto débil es el par de arranque; si la carga exige un tirón brusco desde cero, hay que sobredimensionar el bastidor o elegir un tipo diferente.
Los motores de corriente continua compuestos se sitúan entre ambos y son los que más se especifican erróneamente. Combinan bobinados en serie y en derivación, ya sea reforzándose entre sí (acumulativos) u oponiéndose (diferenciales). Las máquinas compuestas acumulativas proporcionan un régimen de funcionamiento normal similar al de los motores en derivación, con un empuje adicional a baja velocidad, que suele ser todo lo que se necesita para cintas transportadoras, prensas y accionamientos industriales de uso general. Las máquinas compuestas diferenciales parecen interesantes sobre el papel, pero se vuelven inestables en muchos regímenes y rara vez sobreviven al contacto con especificadores conservadores.
Los motores de CC de imán permanente colapsan el circuito de campo en imanes. Eso elimina el cobre, elimina las pérdidas de campo y le deja con un par constante, una velocidad constante y muy poco que compensar. Es ideal cuando se busca compacidad y eficiencia y se está dispuesto a controlar la velocidad con electrónica o con una simple variación del voltaje del inducido. Es mucho menos flexible cuando se quieren trucos de debilitamiento de campo para ampliar el rango de velocidad.
Los motores de excitación independiente siguen apareciendo cuando se desea la estructura mecánica simple y directa de una máquina de CC con escobillas, pero con la libertad de un laboratorio en cuanto al campo y el inducido. Piensa en bancos de pruebas, equipos educativos o instalaciones que comenzaron su andadura antes de que existiera una buena electrónica de potencia y que se mantienen ahora porque siguen funcionando y nadie quiere tocarlas.
Si has leído todo esto y has pensado “solo son cuatro curvas de par-velocidad con diferentes mandos”, lo has entendido correctamente.
Tipos de motores de corriente alterna con conmutador: cuando la red eléctrica no es compatible
En CA, el conmutador se somete a una mayor tensión, lo que, irónicamente, reduce el número de tipos. La mayoría de los productos de consumo modernos que aún utilizan escobillas han convergido en un solo tipo: el motor universal. Se trata esencialmente de una máquina con conmutador de bobinado en serie diseñada para funcionar aceptablemente tanto con CA como con CC, con el campo y el inducido invirtiéndose juntos en cada semiciclo para que el par se mantenga en la misma dirección. Su rango de frecuencia es estrecho, pero eso es suficiente para taladros, batidoras y aspiradoras que funcionan con la red eléctrica. Alta velocidad, buen par de arranque, pésimo comportamiento acústico y vida útil limitada a plena carga.
Los motores de repulsión son ahora más bien una especie industrial histórica y minoritaria. Utilizan un estator con campo de CA monofásico y un rotor con conmutador y escobillas en cortocircuito, y funcionan de forma similar a un transformador con corrientes de rotor desplazadas. Su atractivo reside en su gran par de arranque con un factor de potencia decente en comparación con los primeros motores de inducción. La desventaja es su complejidad, los problemas de ajuste de las escobillas y el desajuste con las expectativas modernas de bajo mantenimiento.
Los motores de repulsión-inducción combinan un rotor de repulsión con una jaula de inducción. El comportamiento de arranque es similar al de un motor de repulsión; una vez que se alcanza una velocidad cercana a la síncrona, la jaula toma el control y la máquina se comporta más como un motor de inducción. Esta combinación ofrecía a los antiguos diseñadores una forma de obtener un arranque potente y una eficiencia de funcionamiento aceptable en líneas monofásicas antes de que los motores accionados por inversores se convirtieran en la norma.
Los motores trifásicos con conmutador se encuentran en documentos de industria pesada y en algunas máquinas antiguas. Se trata esencialmente de máquinas síncronas o de inducción con rotor bobinado y conmutadores que proporcionan resistencia variable o control EMF en el circuito del rotor. Ofrecían un control de velocidad suave y de amplio rango a partir de suministros de frecuencia constante. El precio es la complejidad mecánica y el mantenimiento, algo que pocas plantas modernas aceptan ahora que los accionamientos electrónicos pueden realizar trucos eléctricos similares sin escobillas.
Vista comparativa: dónde tiende a tener sentido cada tipo
Las guías online habituales clasifican cada tipo en su propia casilla. Sin embargo, resulta más útil compararlos según los criterios que realmente influyen en la selección: suministro, comportamiento del par motor, necesidades de control y problemas que puede presentar el conmutador a lo largo de los años.
| Tipo de motor | Suministro y disposición del campo | Banda de calificación típica | Comportamiento del par y la velocidad en condiciones reales de uso | Enfoque de control normalmente elegido | Ruido, interferencias electromagnéticas y tendencia al mantenimiento | Patrones comunes de uso en la actualidad |
| Serie DC | CC, campo en serie con inducido | Desde pequeñas unidades de tracción hasta grandes grúas. | Fuerte par de arranque, la velocidad aumenta bruscamente a medida que disminuye la carga; riesgo de desviación si se pierde la carga del eje. | Control de voltaje simple más límites mecánicos, o reóstatos heredados; a veces combinados con choppers electrónicos rudimentarios en modernizaciones. | Desgaste elevado de las escobillas tras arranques repetidos con carga pesada; chispas notables si la conmutación no se mantiene dentro de la corriente nominal; ruido audible de las escobillas. | Grúas antiguas, polipastos, conversiones de tracción, bancos de pruebas donde la mecánica ya está diseñada en torno a esta curva. |
| Derivación de CC | CC, campo en paralelo con el inducido | Estructuras industriales pequeñas y medianas | Característica velocidad-par razonablemente plana en el rango normal, par de arranque moderado. | Control de tensión del inducido o reguladores básicos de bucle cerrado; debilitamiento del campo para una sobrevelocidad moderada cuando sea necesario. | Los cepillos funcionan con relativa suavidad si se controla la ondulación de la corriente; las interferencias electromagnéticas son aceptables si el cableado y la supresión se realizan correctamente. | Accionamientos industriales antiguos, pequeñas máquinas herramienta, bombas y ventiladores antiguos, equipos educativos. |
| DC compuesto acumulativo | DC, refuerzo de bobinados en serie y en derivación | Tamaños industriales medianos | Entre serie y derivación: par de arranque mejorado con mayor estabilidad de velocidad que en serie pura. | Controladores tradicionales de múltiples pasos o modernos accionamientos de corriente continua que utilizan tanto el control del inducido como el del campo. | Sistema de campo más complejo de mantener; por lo demás, similar al sistema en derivación o en serie, dependiendo de la carga. | Transportadores, prensas, aplicaciones de laminación que aún mantienen en servicio instalaciones de corriente continua más antiguas. |
| Imán permanente CC | CC, campo de imanes permanentes | Kilovatios fraccionados hasta unos pocos kilovatios, a veces más en marcos especializados. | Par lineal constante, velocidad proporcional al voltaje menos caídas; sin debilitamiento del campo a menos que se acepte el riesgo de desmagnetización. | Control sencillo de voltaje del inducido PWM con retroalimentación; fácil de integrar en dispositivos electrónicos de bajo coste. | No hay fallos de campo ni fallos de cobre, pero los imanes son sensibles al calor y al uso indebido; las escobillas siguen desgastándose. | Accionamientos pequeños, robótica, actuadores, herramientas compactas en las que la tecnología de conmutadores sigue siendo aceptable. |
| Motor universal | CA o CC, bobinado en serie eficaz para CA | Diseños principalmente de menos de un kilovatio y alta velocidad. | Velocidad base muy alta, par de arranque potente, la velocidad disminuye con la carga; puede ser peligroso sin carga si no se restringe. | A menudo sin control, salvo en el caso de los controladores de ángulo de fase simples; retroalimentación solo en los mejores aparatos. | Alto nivel de ruido acústico y desgaste de los cepillos; interferencias electromagnéticas significativas sin los componentes de supresión adecuados. | Herramientas manuales, electrodomésticos, máquinas pequeñas en las que el peso y el tamaño son más importantes que la vida o el ruido. |
| Motor de repulsión | CA monofásica, campo del estator con conmutador del rotor y escobillas cortocircuitadas. | Principalmente motores antiguos de potencia media. | Par de arranque muy potente y factor de potencia razonable, velocidad más cercana a la síncrona. | Cambio mecánico de marchas para el control en instalaciones antiguas; rara vez se utiliza en diseños nuevos. | El ajuste del cepillo y del conmutador es fundamental; el mantenimiento es más laborioso que en los motores de inducción. | Instalaciones monofásicas heredadas, algunas aplicaciones especializadas conservadas por motivos de compatibilidad. |
| Motor de inducción por repulsión | CA monofásica, rotor de repulsión con jaula de inducción integrada | Similar a los motores de repulsión | Buen par de arranque, luego pasa a un funcionamiento similar al de inducción con una velocidad más estable. | Funcionamiento principalmente a velocidad fija con controles sencillos, basándose en las características inherentes. | Ligeramente menos exigente con los cepillos en funcionamiento continuo que los tipos de repulsión pura; aún así, no requiere poco mantenimiento. | Maquinaria antigua que necesita un arranque potente y un funcionamiento estable con suministros monofásicos. |
| Motor trifásico con conmutador | Corriente alterna trifásica con circuitos de rotor conmutado | Máquinas industriales medianas y grandes | Control de velocidad de amplio rango con par o potencia casi constantes, dependiendo de la configuración del circuito del rotor. | Ajuste mecánico o electromecánico de la resistencia del rotor o del campo magnético; hoy en día, a menudo sustituido por accionamientos electrónicos. | Sistemas de conmutadores complejos, mayores modos de fallo, requisitos de mantenimiento más exigentes en comparación con los motores de inducción de jaula. | Unidades pesadas heredadas cuyo reemplazo es costoso o está limitado por los requisitos del proceso. |
La tabla no es académica. Simplemente refleja cómo los ingenieros y los encargados del mantenimiento hablan de estas máquinas cuando el dinero y el tiempo de inactividad entran en la conversación.
Cómo se lleva a cabo realmente la selección en los proyectos
Una vez que alguien ha declarado “utilizaremos un motor con conmutador” en lugar de una máquina de inducción o sin escobillas, el resto suele decidirse en función de tres limitaciones: el suministro, el perfil de par y la actitud hacia el mantenimiento.
Si su suministro es solo monofásico y necesita un par de arranque potente con controles sencillos, la historia le empuja hacia los motores universales o los antiguos motores de repulsión. Los primeros predominan en el ámbito doméstico y en las herramientas ligeras porque son baratos y compactos, aunque ruidosos y se desgastan rápidamente. Los segundos solo persisten en aquellos casos en los que es difícil sustituirlos o en los que las normas están congeladas.
Si ya dispone de infraestructura de CC, la elección entre serie, derivación, compuesto y imán permanente tiende a seguir la forma de la curva de par de carga. Las altas sobrecargas y el funcionamiento intermitente suelen conducir a series o compuestos acumulativos. El par plano y los funcionamientos largos y estables favorecen la derivación o el imán permanente, utilizándose la derivación cuando se desea robustez térmica y el imán permanente cuando el tamaño y la eficiencia son más importantes que la flexibilidad.
Las expectativas en cuanto al control de velocidad son mucho más importantes de lo que admiten muchas introducciones. Cuando el requisito es “aproximadamente esta velocidad, con un margen de error de un pequeño porcentaje”, basta con una máquina de corriente continua en derivación o compuesta con un regulador sencillo. Cuando se necesita un amplio rango de velocidades y un ajuste preciso, pero se sigue insistiendo en un conmutador, se siguen utilizando disposiciones de excitación separada, ya que permiten jugar con el campo y el inducido de forma independiente sin tener que rediseñar el bastidor de la máquina.
La filosofía de mantenimiento elimina silenciosamente las opciones. Las plantas que buscan una intervención rutinaria mínima evitan por completo los motores con conmutador de CA y solo los mantienen mientras la modernización sea más complicada que el mantenimiento continuo de las escobillas. Las instalaciones que aún aceptan el mantenimiento manual regular, a menudo porque los operadores están en el sitio las 24 horas del día, son aquellas en las que permanecen las complejas máquinas con conmutador.
Factores menos visibles: ruido, interferencias electromagnéticas y conformidad
Las normas y el cumplimiento no se preocupan por la elegancia de su curva de par-velocidad. Se preocupan por las emisiones conducidas y radiadas, los márgenes de seguridad y el comportamiento térmico. Los motores con conmutador son naturalmente ruidosos desde el punto de vista eléctrico porque la conmutación se produce mecánicamente en el rotor, con imperfecciones geométricas y desgaste que añaden variabilidad.
Los motores universales, en particular, necesitan redes de supresión, prácticas de blindaje y, en ocasiones, escobillas especiales para mantener los límites de compatibilidad electromagnética (EMC) en los aparatos modernos. Esto añade componentes, volumen y calor, lo que es una de las razones por las que los diseños compactos sin escobillas han ganado tanto terreno.
En las máquinas de corriente continua, la elección del tipo de escobillas, el diseño de los segmentos del conmutador y la refrigeración influyen en el comportamiento predecible del motor a lo largo de su vida útil. Un diseño que parece adecuado en un banco de pruebas nuevo puede resultar problemático tras miles de horas de funcionamiento si las escobillas se vitrifican, la mica se eleva o la vía de refrigeración se obstruye. No se trata solo de cuestiones de mantenimiento, sino que influyen en la idoneidad de un tipo para nuevos diseños en industrias reguladas.
También existe el aspecto de la seguridad relacionado con el exceso de velocidad. Los motores de corriente continua en serie y universales pueden acelerar rápidamente si se pierde la carga mecánica. Ese riesgo no desaparece solo por especificar correctamente la placa de características; se necesita protección mecánica o electrónica y, en ocasiones, influye en que los auditores se sientan cómodos con el tipo en determinadas aplicaciones.
Coexistencia con unidades modernas
Dada la prevalencia de los motores de inducción alimentados por inversores y las máquinas sin escobillas, la pregunta obvia es por qué alguien sigue hablando de los tipos de motores con conmutador.
A veces se trata simplemente de una cuestión de legado. Una grúa antigua o una línea de producción diseñada en torno al par y la respuesta de una máquina de corriente continua en serie puede funcionar aceptablemente durante décadas, con un régimen de mantenimiento conocido y piezas de repuesto. Un rediseño completo para pasar a la inducción más inversor es sensato a largo plazo, pero caro a corto plazo, por lo que la máquina con conmutador se mantiene, quizá combinada con un moderno accionamiento de corriente continua en lugar de reóstatos.
A veces se trata de la densidad de potencia máxima en pequeñas herramientas de consumo, donde los motores universales siguen ofreciendo una forma sencilla de obtener una alta velocidad del eje a partir de una simple alimentación rectificada o controlada por fases. En esos casos, la arquitectura del producto ya asume que la sustitución de las escobillas es aceptable o que la vida útil del producto es corta.
También existen sistemas híbridos: el uso de motores con conmutador como accionamientos auxiliares en sistemas que, de otro modo, serían accionados por convertidores electrónicos, o en entornos en los que las interferencias electromagnéticas procedentes de la conmutación de alta frecuencia son más difíciles de gestionar que el ruido de las escobillas.
Notas finales
Si dejamos de lado los nombres históricos y las largas taxonomías, los “tipos” de motores conmutadores son simplemente diferentes respuestas a tres preguntas: cómo se alimenta el campo, cómo se acepta el comportamiento resultante del par y la velocidad, y cuánta atención se está dispuesto a prestar a las escobillas y al conmutador a lo largo del tiempo.
Una vez respondidas estas preguntas con sinceridad, la lista de opciones suele elaborarse por sí sola. El resto del esfuerzo no se dedica a debatir entre series y derivaciones en una pizarra, sino a asegurarse de que el tipo elegido se adapta realmente al entorno eléctrico, mecánico y normativo real en el que se va a utilizar.
