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Motores eléctricos para ascensores

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Motores de ascensor Otis DC

Los primeros motores funcionaron con CC. De hecho, la invención de un motor de CC práctico precedió durante mucho tiempo a la idea de Nikola Tesla de que la CA ofrecería beneficios sustanciales. Thomas Edison y sus asociados se aferraron a la idea de que DC era más práctico, pero la historia favoreció a Tesla y George Westinghouse, al menos en lo que respecta a la guerra de corrientes, como se la conoció. Antes de que se resolviera ese problema, los motores de CC para el uso de ascensores se habían convertido en el estándar de la industria y lo seguirían siendo durante bastante tiempo.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Después de leer este artículo, debería haber aprendido:
♦ Cómo funcionan los motores de CC.
♦ Cómo funcionan los motores síncronos.
♦ Cómo funcionan los motores de inducción.
♦ Cómo se controla la velocidad de un motor de CA.
♦ Cómo solucionar problemas de un variador de frecuencia (VFD).

Para comenzar, veremos los requisitos básicos para que funcionen los motores eléctricos. La mayoría de los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en movimiento rotatorio. (Existe tal cosa como un actuador lineal, pero ese no es nuestro enfoque por ahora). Los motores rotativos consisten en un rotor unido a un eje sostenido por dos cojinetes para que pueda girar libremente, y un estator que, como su nombre indica, está estacionario. Está montado en el interior de la carcasa del motor.

Se puede conectar una polea, engranaje, hoja de sierra, muela u otra herramienta al eje del rotor para realizar un trabajo útil. Para girar, el rotor, junto con el estator, hace uso de la relación entre la electricidad y el magnetismo, que Hans Christian Ørsted notó por primera vez en 1820 cuando observó que la aguja de una brújula se desviaba cuando se colocaba cerca de un conductor portador de corriente. En 1831, Michael Faraday en el Reino Unido y Joseph Henry en los Estados Unidos describieron de forma independiente los fenómenos con mayor detalle, y más adelante en el siglo, James Clerk Maxwell proporcionó un extenso análisis matemático. Antes de estos desarrollos del siglo XIX, la electricidad y el magnetismo se consideraban fenómenos no relacionados. Ahora que la relación era clara, los investigadores e inventores buscaron formas de explotar este nuevo conocimiento. Anteriormente, se habían construido motores de CC simples, alimentados por baterías químicas. Sin embargo, no eran poderosos y no podían realizar un trabajo útil.

Se puede hacer girar el rotor de un motor de CC, pero solo si hay conmutación. Si se aplica un voltaje de CC constante a los devanados tanto en el rotor como en el estator, el eje girará en el mejor de los casos una vuelta parcial, hasta que los polos opuestos estén en su punto más cercano, con lo cual no se producirá una rotación adicional. Para que el eje gire de manera continua, la polaridad de la corriente eléctrica en el estator o en el rotor debe cambiarse para que el campo magnético se invierta periódicamente, lo que hace que los polos más distantes se atraigan. De esta forma, el rotor siempre persigue al estator. A medida que los polos se acercan, la polaridad se invierte, por lo que el movimiento giratorio continúa. Esta conmutación tiene lugar interna o externamente y se conoce como conmutación. Un operador experto podría accionar un interruptor, configurado como un botón pulsador, y pulsar la corriente para hacer girar el rotor. Sin embargo, para un motor práctico, la conmutación debe ser automática.

Otro problema es que los cables no se pueden conectar directamente a los terminales de los devanados montados en el rotor, porque se retorcerían y romperían rápidamente. Estos dos requisitos se cumplen con un conmutador fijado al rotor. Las escobillas de cobre estacionarias (ahora reemplazadas por barras de carbono que todavía se llaman escobillas) entran en contacto con los segmentos del conmutador giratorio, aislados entre sí, lo que proporciona el mecanismo de conmutación necesario para la rotación continua, que lleva la corriente al rotor. Como en cualquier motor, la energía tiene que entrar en el rotor y debe haber conmutación para que se produzca la rotación.

En lugar de tener devanados tanto en el rotor como en el estator, uno de estos puede ser reemplazado por imanes permanentes (PM). Suelen ser potentes imanes de tierras raras adheridos al interior de la carcasa del motor. Los campos de PM estáticos interactúan con el campo electromagnético conmutado asociado con el rotor y se hace que el eje gire. Se han propuesto varios esquemas en los que los PM tanto en el rotor como en el estator comprenderían una máquina rotativa de movimiento perpetuo en funcionamiento. El problema con esta disposición es que para que funcione tendría que haber conmutación. Un conjunto de PM tendría que cambiar la polaridad en los intervalos correctos. La forma de hacer esto sería volteando mecánicamente los imanes, pero esto requeriría más energía que la salida del motor. Otra forma en que un motor funciona, requiere nueva energía de forma continua, que debe ser alimentada al rotor y / o al estator.

Los motores de CC tienen dos características importantes, que explican el hecho de que han persistido en aplicaciones de ascensores incluso en un mundo alimentado por CA. La primera de estas características es que la velocidad de un motor de CC se puede controlar variando el voltaje. Cuando una cabina de ascensor se acerca a su destino, reduce la velocidad en lugar de continuar a toda velocidad hasta que el piso de la cabina está a la altura del piso del edificio y luego se detiene abruptamente. Esto resultaría incómodo para los pasajeros y perjudicial para la maquinaria.

No es práctico variar la velocidad de un motor de CA variando el voltaje. La velocidad de un motor de CA síncrono o asíncrono (inducción) depende de la frecuencia. Se puede reducir la velocidad de un motor de CA reduciendo el voltaje para que el motor comience a pararse, pero no es una buena manera de variar la velocidad. Algunos motores de CA tienen dos velocidades. Tienen devanados separados para las dos velocidades, con un cable para cada velocidad y un cable de retorno común.

De manera similar, los motores de CC se pueden invertir cambiando la polaridad del suministro eléctrico, pero esto no se puede hacer con un motor de CA monofásico ya que la polaridad se cambia constantemente. Los motores trifásicos se pueden invertir conmutando dos de las tres fases.

Aunque los motores de CC tienen ventajas tales como un control suave de la velocidad y una reversibilidad simple entre ellos, requieren algo más de mantenimiento porque el conjunto electro-mecánico de escobillas y conmutadores experimenta un desgaste continuo. Si las escobillas no se reemplazan de manera oportuna, antes de la falla, se producirán chispas y el conmutador se dañará. Esto implica una reparación más costosa que simplemente cambiar las escobillas. Además, las escobillas generan polvo y calor dentro del motor, presentando posibles peligros de incendio. También hay interferencias de radiofrecuencia que pueden afectar el funcionamiento de los equipos electrónicos. Los motores de CC sin escobillas no tienen estas desventajas. Son capaces de funcionar a velocidad variable mediante un controlador electrónico. Se ven en unidades de disco de computadora y aplicaciones de control de movimiento en máquinas herramienta.

Para generalizar, los motores de CC, aunque conceptualmente simples y capaces de funcionar con calidad, son más complicados mecánicamente y requieren un mayor mantenimiento, por lo que su funcionamiento es más caro. Sin embargo, esta opinión no es toda la historia. Si estamos hablando de la reconstrucción de un ascensor, puede que sea apropiado o no reemplazar un motor de CC en funcionamiento, dependiendo de la medida en que se capitalice el proyecto. La decisión debe tomarse con mucho cuidado, considerando tanto el costo inicial como el beneficio a largo plazo del uso de CA.

Pasando a la tecnología de motores de CA, la veremos desde un punto de vista eléctrico y mecánico. Como se mencionó, la energía eléctrica fue durante muchos años exclusivamente CC. Un gran número de personas participaron en la concepción y el desarrollo de la red de CA. Tesla se convirtió en la figura central en el ascenso de AC. Gracias a sus esfuerzos, junto con Westinghouse, la CA estaba eclipsando a la CC, pero el progreso real tuvo que esperar al desarrollo de un motor de CA. Sin lugar a dudas, hubo intentos iniciales de alimentar un motor de CC con CA. Se hizo evidente que se necesitaría una máquina diferente.

Los motores de CC pueden girar porque la electricidad que se alimenta a los devanados del rotor se conmuta o conmuta. Para un motor de CA, la conmutación ya existe en el suministro eléctrico, por lo que se puede decir que se conmuta externamente. Los motores de CA pueden ser síncronos o asíncronos (inducción). En ambos casos, la CA de la fuente de alimentación se alimenta directamente a los devanados del estator. Debido a la naturaleza cíclica de este poder, se establece un campo magnético giratorio. Si el motor tiene más de 5 hp, como suele ocurrir con los ascensores, el estator recibe energía trifásica. Tres circuitos separados con cables en común, 120 ° desfasados, se derivan del suministro de la red pública o del generador in situ por medio de devanados conectados en triángulo o en Y. Tres cables llevan esta energía a la carcasa del motor y se conectan a bobinas espaciadas uniformemente para que los tres campos magnéticos giren en concierto. Todos los motores de CA trifásicos tienen esto en común, y los motores de CA monofásicos tienen un campo magnético giratorio. Más allá de esto, no todos los motores de CA funcionan igual. Donde difieren es en cómo se alimenta el rotor.

Un motor síncrono de rotor bobinado está equipado con un sistema de anillos colectores y cepillos. Los anillos deslizantes están unidos al eje del rotor y las escobillas estacionarias entran en contacto con ellos y están conectados al suministro externo. Esta disposición está más libre de problemas que la combinación de conmutador de escobillas de CC. Dado que los anillos colectores, a diferencia del conmutador, no están segmentados, hay menos desgaste de las escobillas. Además, se transporta menos corriente, la suficiente para alimentar el rotor.

Además, existen motores síncronos no excitados que utilizan otros medios para permitir que el rotor interactúe con el estator. En estos motores, el rotor está hecho de acero macizo. El campo magnético giratorio del estator magnetiza el rotor y, a velocidades síncronas, los dos campos magnéticos giran juntos para que el eje gire y se realice un trabajo útil. Hay tres tipos de motores síncronos no excitados, cada uno con un método diferente para permitir que el rotor siga el campo magnético giratorio del estator:

Motor de reluctancia: el rotor de acero tiene salientes o polos dentados que se proyectan hacia afuera para que estén cerca del estator, con suficiente espacio para que no se froten incluso cuando los cojinetes comienzan a desgastarse. Hay el mismo número de estas proyecciones que polos en el estator. A velocidad síncrona, el movimiento del rotor se bloquea en el campo del estator magnético giratorio. Sin embargo, este tipo de motor no arranca por sí solo, por lo que el rotor de jaula de ardilla tiene devanados suplementarios incrustados en el cuerpo de acero. El motor de reluctancia comienza como una máquina de inducción hasta que se acerca a la velocidad síncrona, después de lo cual cambia a su modo primario. A velocidad síncrona, cesa la inductancia mutua entre el estator y el rotor.

Motor de histéresis: en lugar de tener salientes o dientes salientes como en el motor de reluctancia, el motor de histéresis tiene un rotor de acero cilíndrico uniforme. Todas las partes del estator están magnetizadas y siguen el campo magnético giratorio del estator. Cuando la velocidad del rotor alcanza la velocidad del campo magnético giratorio del estator, se produce un bloqueo y el motor entra en modo síncrono. Este tipo de motor es de arranque automático y no requiere un devanado de inducción, aunque puede proporcionarse para proporcionar un par de arranque adicional en aplicaciones donde se necesite.

PM: los PM están integrados en el rotor para proporcionar bloqueo a velocidades sincrónicas. Sin embargo, estos motores no son de arranque automático y el estator debe ser alimentado por un variador de frecuencia (VFD) para facilitar la superación de la inercia de reposo del rotor.

Los pequeños motores síncronos arrancarán solos porque no hay demasiada inercia de reposo por parte del rotor. En tamaños de más de 1 hp, muchos motores síncronos están excitados por CC. Esta energía eléctrica se suministra desde una fuente exterior a través de anillos colectores.

Los motores síncronos en tamaños pequeños se utilizan cuando se requiere una sincronización precisa, como en relojes de pared y temporizadores. La utilidad vigila de cerca su frecuencia, y si durante un período de tiempo se pierden algunos ciclos, acelerarán momentáneamente el generador para compensar, por lo que durante un período de tiempo los relojes y temporizadores seguirán siendo precisos. En tamaños grandes, los motores síncronos tienen la ventaja de una mayor eficiencia además de un control de velocidad preciso. Además, tienen una buena capacidad de corrección del factor de potencia, compensando las cargas fuertemente inductivas en las instalaciones industriales.

La otra amplia categoría de motores de CA consta de máquinas asíncronas. Se les conoce como motores de inducción por la forma en que se importa energía eléctrica al rotor. La velocidad de rotación no está bloqueada a la frecuencia de la fuente de alimentación, pero depende en gran medida de la frecuencia, siempre un porcentaje específico más lento pero, por supuesto, nunca más rápido.

A pesar de las ventajas del motor síncrono, el motor de inducción se usa más ampliamente porque es simple, económico y relativamente libre de mantenimiento. Más de 100 años después de su época, la presencia de Tesla está en el mundo de los motores de CA, donde quizás el 90% de ellos son máquinas de inducción.

Hemos visto que el motor síncrono puede girar debido a la interacción entre los campos magnéticos del estator y del rotor. El motor de inducción funciona de la misma forma. La única diferencia está en cómo la energía eléctrica ingresa al rotor. En el motor de inducción, el estator es en efecto el primario de un transformador y el rotor es el secundario, por lo que no hay necesidad de escobillas o anillos colectores, y mucho menos de un conmutador.

Una vez que la energía eléctrica ingresa al rotor, se establece un campo magnético y el rotor comienza a perseguir el siempre esquivo campo magnético del estator. De hecho, nunca se pone al día porque si las dos velocidades se bloquean y se vuelven sincrónicas, la inductancia mutua cesaría. Para que exista la inductancia mutua que es característica de un transformador de CA, los dos campos magnéticos deben moverse entre sí, y antes de que pudieran sincronizarse, el acoplamiento inductivo desaparecería. Por esta razón, el rotor siempre gira un cierto porcentaje más lento que el campo magnético giratorio del estator. Es de destacar que la falta de sincronización del rotor no es meramente un desfase como en las formas de onda reactiva, sino que consiste en una reducción real de las rpm, por lo que la pérdida de ciclos es acumulativa y se hace mayor con el paso del tiempo. Por lo tanto, los motores de inducción no son adecuados para aplicaciones de reloj y temporizador. La cantidad de reducción de velocidad se denomina "deslizamiento" y se expresa como porcentaje. El deslizamiento no debe verse como una especie de energía perdida o desperdiciada, sino como un componente esencial del funcionamiento normal del motor de inducción. Naturalmente, la cantidad de deslizamiento aumenta a medida que el motor está más cargado. Debido a la mayor diferencia de velocidades, hay mayor acoplamiento inductivo y aumenta la corriente en los devanados del rotor. La conclusión es que con una carga aumentada, el par del motor aumenta.

Antes de llegar a la escena del variador de velocidad, era difícil controlar la velocidad del motor de inducción. Para alimentar ascensores, el motor de CC de funcionamiento suave satisfizo la necesidad durante muchos años.

La segunda mitad del siglo XX fue testigo de una gran innovación y crecimiento en el campo de la electrónica de potencia. Anteriormente, los semiconductores de estado sólido habían reemplazado a los tubos de vacío en la mayoría de las aplicaciones de audio y video. Durante algunas décadas, la tecnología de estado sólido se trasladó a aplicaciones más potentes y, al mismo tiempo, todo se volvió digital.

Anteriormente, no se disponía de medios prácticos para controlar de forma precisa y fiable la velocidad de los motores de CA. Con el desarrollo del VFD, la tecnología del motor de ascensor cambió abruptamente. (Variador de velocidad, variador de frecuencia, variador de velocidad y variador de frecuencia son términos aproximadamente equivalentes. La única diferencia es que si contiene la palabra "velocidad", puede referirse a sistemas hidráulicos u otros sistemas no eléctricos. El VFD es más precisa.)

Un VFD hace posible un control preciso de la velocidad del motor de CA, lo que permite que el motor funcione por encima o por debajo de la velocidad indicada en la placa de identificación, sujeto a limitaciones. Por lo general, la reducción de la tensión de alimentación de un motor de CA reducirá su velocidad solo porque se está cargando más. El resultado será una pérdida de eficiencia, un aumento de la temperatura y una vida útil más corta del motor.

El VFD controla la velocidad de un motor de CA alterando la frecuencia de su fuente de alimentación. Como hemos visto, la velocidad de los motores síncronos y asíncronos depende de la frecuencia. El campo magnético asociado con el estator gira a una velocidad que depende de la frecuencia de la potencia alimentada y las rpm del motor también se ajustan a él. Variar la frecuencia de la fuente de alimentación del motor es una forma sencilla y eficaz de controlar la velocidad del motor. La velocidad se puede reducir sin que el motor se sobrecaliente, excepto en el sentido de que si hay un ventilador conectado al eje, girará más lento a una velocidad reducida del motor, lo que resultará en menos enfriamiento por aire. Por esta y otras razones, aunque cualquier motor de CA, sincrónico o de inducción, puede ser controlado por un VFD, algunos motores no son adecuados. Antes de emparejar un VFD y un motor, es necesario realizar algunas investigaciones.

Para el uso de VFD, un motor síncrono puede hacer una instalación premium. Sin embargo, dado que la sincronización exacta no es esencial para un motor de ascensor, la mayoría de las construcciones nuevas y los reemplazos de motores de CC involucran motores de inducción.

El VFD típico para un motor de ascensor de CA es bastante simple, fácil de usar y sin problemas. Existe una entrada trifásica que puede identificarse, si no está etiquetada, por el hecho de que está en una gran canalización proveniente de la desconexión del motor. Además, hay un pequeño cable de control procedente del potenciómetro de control de velocidad, que normalmente lleva una señal de hasta 10 V CC. Este está conectado al controlador de movimiento del ascensor y permite reducir la velocidad para nivelar en cada rellano y correr en el modo de inspección. Hay otro lazo de control para invertir la rotación del motor, esto también en respuesta a las instrucciones del panel de control del ascensor.

En el panel frontal del VFD, habrá una interfaz de usuario con pantalla alfanumérica. Además, habrá luces etiquetadas Run, Stop, Reverse y Fault para indicar el estado del sistema. En la salida del VFD habrá una alimentación trifásica al motor. Transmite el voltaje de la placa de identificación al motor, pero en lugar de la frecuencia de 50 o 60 Hz suministrada por la red, la frecuencia varía según sea necesario para controlar la velocidad del motor. Un botón de inicio normalmente abierto y un botón de parada normalmente cerrado en el exterior del gabinete proporcionan capacidad de anulación manual. Corriendo desde el motor hasta el VFD hay conductores bastante ligeros que proporcionan una señal de retroalimentación de un tac.hometer conectado al motor.

La resolución de problemas y la reparación del sistema es sencilla. Verifique la potencia de entrada y salida en el VFD, prestando especial atención a una caída de fase. Verifique los voltajes de control. Si todo esto es normal pero el motor no está girando, hay un problema con el motor o la carga se ha bloqueado, lo que a menudo resulta en el disparo inmediato del dispositivo de sobrecorriente.

Si el VFD tiene buenos voltajes de entrada pero no tiene salida, la falla es interna. Antes de abrir el gabinete, recuerde que los condensadores de la fuente de alimentación de gran tamaño son capaces de mantener una carga letal mucho tiempo después de que el equipo se haya desconectado de la fuente de alimentación. Para purgar estas cargas, no cortocircuite los condensadores. En su lugar, conecte una carga de baja impedancia en cada conjunto de terminales.

Examine los componentes electrónicos del VFD para ver si hay un cable o componente quemado. Si no es así, es muy probable que uno de los diodos rectificadores de puente de onda completa se haya estropeado sin indicación visible. Se pueden verificar con un multímetro en el modo de ohmios para ver si se desviarán hacia adelante y hacia atrás a medida que se cambian las conexiones del medidor. A menudo, un diodo con falla leerá abierto en ambos sentidos.

Preguntas de refuerzo del aprendizaje

Utilice las preguntas de refuerzo del aprendizaje a continuación para estudiar para el Examen de evaluación de educación continua disponible en línea en www.elevatorbooks.com o en la página 103 de este número.
♦ ¿Cuáles son los requisitos para que funcione cualquier motor rotativo?
♦ ¿Qué dos partes tienen en común todos los motores rotativos?
♦ ¿Por qué un motor de CC requiere un conmutador?
♦ ¿Qué determina la velocidad de un motor síncrono?
♦ ¿Por qué un motor de inducción no tiene escobillas?

La documentación que vino con el VFD debe incluir un esquema. Las lecturas del osciloscopio deben precisar el componente defectuoso, y este enfoque es mucho mejor que el reemplazo por prueba y error de las placas de circuito, que es un procedimiento costoso y puede que no llegue a la raíz del problema.

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David Herres tiene una licencia de Master Electrician de New Hampshire y ha trabajado como electricista en la parte norte de ese estado durante muchos años. Se ha centrado en la redacción desde 2006, habiendo escrito para revistas como ELEVATOR WORLD, Construcción y mantenimiento eléctrico, Negocio de cableado, Negocio eléctrico, Nuts and Volts, PV Magazine, Electrical Connection, Solar Connection, Solar Industry Magazine, Fine HomeRevista de construcción y Noticias de Ingeniería.

Mundo del ascensor | Portada de febrero de 2013

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