Motores sin escobillas de corriente directa

Definición

Un motor de corriente continua sin escobillas se define como un variador de frecuencia autocontrolado que utiliza un motor de corriente alterna de imán permanente (PMAC) sinusoidal. Este tipo de variador ofrece varias ventajas notables. Casi libre de mantenimiento, tiene una vida útil extendida, lo que lo convierte en una opción confiable para diversas aplicaciones. Además, presenta una inercia rotacional baja, fricción mínima y opera con características de baja frecuencia. Asimismo, genera una interferencia de radiofrecuencia y ruido mínimos, asegurando un funcionamiento suave y silencioso. Sin embargo, no está exento de inconvenientes; las principales limitaciones son su costo relativamente alto y el par de arranque bajo.

Aplicaciones

Los variadores de motores de corriente continua sin escobillas se utilizan ampliamente en una variedad de industrias y dispositivos. En el ámbito de la electrónica de consumo, se emplean en tocadiscos, unidades de cinta para grabadoras y motores de espindles en discos duros de computadora. También sirven como variadores de baja potencia en instrumentos periféricos de computadora y sistemas de control. Más allá de la electrónica de consumo, sus aplicaciones se extienden a la industria aeroespacial, donde la fiabilidad y el funcionamiento de bajo ruido son cruciales. En el campo biomédico, su precisión y operación limpia los hacen adecuados para diversos dispositivos médicos. Además, se usan comúnmente para impulsar ventiladores de enfriamiento, proporcionando una ventilación eficiente y silenciosa en numerosos sistemas.

Estructura del Motor

La figura a continuación ilustra la sección transversal de un motor PMAC trapezoidal trifásico de dos polos, que es un componente clave del variador de motor de corriente continua sin escobillas. El motor cuenta con un rotor de imán permanente con un arco de polo ancho, lo que contribuye a su operación eficiente. El estator está equipado con tres bobinados de polos, cada uno desplazado 120 grados entre sí. Esta configuración específica de bobinado asegura un funcionamiento eléctrico equilibrado y una producción de par suave. Cada bobinado de fase abarca 60 grados a cada lado, optimizando la interacción del campo magnético dentro del motor y permitiendo un control preciso de su velocidad y rendimiento.

Las tensiones inducidas en las tres fases del motor se muestran en la figura a continuación. La generación de una forma de onda trapezoidal se debe a la interacción específica entre el rotor y el estator. Cuando el rotor gira en sentido antihorario, durante los primeros 120 grados de rotación desde una posición de referencia, todos los conductores superiores de la fase A interactúan con el polo sur del campo magnético, mientras que todos los conductores inferiores de la fase A se conectan con el polo norte.

Esta acoplación magnética constante en este rango angular conduce a una tensión inducida relativamente estable, contribuyendo a la parte superior plana de la forma de onda trapezoidal. A medida que el rotor continúa girando, los cambios en la orientación del campo magnético causan que la tensión inducida se transite, formando finalmente la forma trapezoidal característica que es esencial para el correcto funcionamiento y control del variador de motor de corriente continua sin escobillas.

Durante una rotación de 120 grados del rotor, la tensión inducida en la fase A permanece relativamente constante. Una vez que la rotación excede los 120 grados, algunos de los conductores superiores de la fase A comienzan a enlazarse con el polo norte, mientras que otros continúan interactuando con el polo sur. El mismo fenómeno ocurre con los conductores inferiores. Como resultado, durante los siguientes 60 grados de rotación, la tensión inducida en la fase A se invierte linealmente. Este patrón de cambio de tensión se refleja también en las fases B y C, creando un comportamiento eléctrico coordinado esencial para el funcionamiento del motor.

El sistema de variador de motor de corriente continua sin escobillas, como se ilustra en la figura a continuación, consta de un inversor de fuente de tensión emparejado con un motor PMAC trapezoidal. Los bobinados del estator del motor están configurados en una conexión estrella. La figura también muestra la forma de onda característica de la tensión de fase del motor PMAC trapezoidal, que refleja la dinámica única de inducción de tensión descrita anteriormente. Esta forma de onda es una característica clave que permite el control eficiente y el funcionamiento del variador de motor de corriente continua sin escobillas, facilitando la producción de par suave y la regulación precisa de la velocidad.

Los bobinados del estator del motor de corriente continua sin escobillas se alimentan con pulsos de corriente. Cada pulso tiene una duración de 120 grados eléctricos y se posiciona precisamente en la región donde la tensión inducida permanece constante y alcanza su valor máximo. Es crucial que la polaridad de estos pulsos de corriente coincida con la de la tensión inducida, asegurando una interacción armónica entre las entradas eléctricas y el campo magnético generado por el motor.

El flujo en el hueco aéreo dentro del motor se mantiene en un nivel constante, y la magnitud de la tensión inducida es directamente proporcional a la velocidad de rotación del rotor. Esta relación es fundamental para el funcionamiento del motor, ya que permite un control preciso del rendimiento del motor basado en la tensión inducida dependiente de la velocidad, permitiendo una transferencia de energía eficiente y un funcionamiento suave en diversas condiciones de operación.

Durante cada intervalo de 60 grados de operación, la corriente fluye hacia una fase del bobinado del estator del motor y sale de otra. Este patrón de flujo de corriente alternante es una característica clave de la operación del motor de corriente continua sin escobillas. Como resultado, la potencia suministrada al motor en cada uno de estos intervalos de 60 grados puede expresarse mediante la siguiente fórmula, que tiene en cuenta la interacción entre la tensión y la corriente dentro de las fases de bobinado.

El par desarrollado por el motor

La forma de onda del par del variador de motor de corriente continua sin escobillas se ilustra en la figura a continuación. La magnitud del par generado por el motor es directamente proporcional a la corriente que fluye a través de los enlaces de potencia de corriente continua. Esta relación es fundamental para comprender el comportamiento dinámico y las características de rendimiento del motor.

El frenado regenerativo en este sistema de variador se logra invirtiendo la corriente de fase. Cuando la corriente de fase se invierte, la dirección de la fuente de corriente Id también cambia en consecuencia. Esta inversión inicia un flujo de potencia que comienza desde el motor, pasa a través del inversor y finalmente regresa a la fuente de corriente continua. Durante este proceso, el motor actúa como un generador, convirtiendo la energía mecánica de la carga en energía eléctrica, que luego se devuelve a la fuente de alimentación. Esto no solo ayuda a desacelerar el motor, sino que también permite la recuperación y reutilización de la energía, mejorando la eficiencia general del sistema.

Cuando la velocidad de rotación del sistema de variador se invierte, la polaridad de las tensiones inducidas dentro del motor también se invierte. Este cambio en la polaridad de la tensión activa el frenado regenerativo, permitiendo que el variador convierta la energía mecánica de la carga en movimiento en energía eléctrica que puede ser devuelta a la fuente de alimentación.

Por el contrario, invertir la dirección de la corriente que fluye a través de los bobinados del motor inicia la operación de motriz, impulsando el motor en la dirección deseada. Las formas de onda de corriente correspondientes a estos modos de operación distintos—frenado regenerativo y motriz—se muestran claramente en la figura a continuación, proporcionando una representación visual del comportamiento eléctrico del sistema de variador en diferentes condiciones.

Tipos de Variador de Motor de Corriente Continua Sin Escobillas

El variador de motor de corriente continua sin escobillas se puede clasificar principalmente en dos tipos distintos: el variador de motor de corriente continua sin escobillas de bajo costo y el variador de motor de corriente continua sin escobillas monofásico. Cada tipo tiene sus propias características y principios de operación únicos, que se detallan a continuación.

Variador de Motor de Corriente Continua Sin Escobillas de Bajo Costo

El variador de motor de corriente continua sin escobillas de bajo costo está diseñado con simplicidad y asequibilidad en mente. Presenta una configuración minimalista, consistente en solo tres transistores y un convertidor de tres diodos. Esta configuración restringe el variador a suministrar solo corriente o tensión positiva al motor trifásico.

Durante la operación, la tensión inducida y la corriente juegan roles cruciales tanto en las funciones de motriz como de frenado del motor. Cuando se entregan pulsos de corriente positiva de 120 grados al motor, se inicia una acción de motriz, haciendo que el motor gire en sentido antihorario. Por el contrario, cuando estos pulsos de corriente se desplazan 60 grados a un total de 180 grados, el motor entra en un estado de frenado. Este cambio en el tiempo de los pulsos de corriente altera efectivamente la interacción entre la entrada eléctrica y el campo magnético del motor, permitiendo el cambio de un mecanismo de movimiento rotatorio a un mecanismo de frenado.

Variador de Motor de Corriente Continua Sin Escobillas de Bajo Costo: Mecanismo de Control de Corriente

En el variador de motor de corriente continua sin escobillas de bajo costo, la corriente de la fase A se regula precisamente mediante el tiristor Tr1 y el diodo D1. Cuando Tr1 se activa (enciende), la tensión de fuente Vd se conecta a través del bobinado A. Esta conexión hace que la tasa de cambio de la corriente IA se vuelva positiva, lo que significa que la corriente en la fase A comienza a aumentar. Por el contrario, cuando Tr1 se desactiva (apaga), la corriente iA entra en un estado de circulación libre a través del diodo D1. Durante este proceso de circulación libre, la tasa de cambio de iA se vuelve negativa, y la corriente se desvanece gradualmente.

Dentro del período de 0-120º, Tr1 puede encenderse y apagarse de manera alternativa. Esta estrategia de encendido y apagado se utiliza para hacer que la corriente real IA siga de cerca una corriente de referencia rectangular iA, asegurando que la diferencia entre ellas se mantenga dentro de una banda de histeresis predefinida. Este control preciso ayuda a mantener un funcionamiento estable del motor y una transferencia eficiente de potencia.

Variador de Motor de Corriente Continua Sin Escobillas Monofásico

La configuración del variador de motor de corriente continua sin escobillas monofásico se ilustra en la figura a continuación. Con fines de análisis, suponga que el motor se alimenta con un convertidor monofásico de media puente, que suministra una forma de onda de corriente rectangular al motor, como se muestra en el diagrama adjunto. Esta forma de onda de corriente específica desempeña un papel crucial en la determinación de las características de rendimiento y el comportamiento operativo del motor.

El par generado por el motor exhibe fluctuaciones significativas, comúnmente conocidas como ondulación de par. Sin embargo, cuando el motor opera a altas velocidades, la inercia del sistema motor-carga actúa como un filtro natural. Esta inercia inherente suaviza las variaciones de par, permitiendo que el motor mantenga una velocidad de rotación relativamente uniforme a pesar de la presencia de ondulación de par.