Motorreductores de corrente continua sen escovas
Definición
Un motor de corriente directa sin escobillas (brushless DC) se define como un variador de frecuencia autónomo que utiliza un motor de corriente alterna con imanes permanentes (PMAC) sinusoidal. Este tipo de accionamiento ofrece varias ventajas notables. Prácticamente libre de mantenimiento, cuenta con una vida útil prolongada, lo que lo convierte en una opción fiable para diversas aplicaciones. Además, presenta un momento de inercia rotacional bajo, fricción mínima y funciona con características de baja frecuencia. Asimismo, genera mínima interferencia de radiofrecuencia y ruido, garantizando 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 accionamientos de motores de corriente directa sin escobillas se utilizan extensivamente en una amplia gama de industrias y dispositivos. En el ámbito de la electrónica de consumo, se emplean en tocadiscos, unidades de cinta para grabadoras y accionamientos de husillo en discos duros de computadora. También sirven como accionamientos 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 refrigeración, proporcionando ventilación eficiente y silenciosa en numerosos sistemas.
Estructura del motor
La figura siguiente ilustra la sección transversal de un motor PMAC trapezoidal trifásico de dos polos, que es un componente clave del accionamiento de motor de corriente directa sin escobillas. El motor presenta un rotor con imán permanente de 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 sobre su velocidad y rendimiento.
Las tensiones inducidas en las tres fases del motor se muestran en la figura siguiente. 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 enganchan con el polo norte.
Esta acoplamiento magnético constante dentro de este rango angular lleva 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 las orientaciones del campo magnético causan que la tensión inducida transite, formando finalmente la forma trapezoidal característica que es esencial para el correcto funcionamiento y control del accionamiento de motor de corriente directa 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 120 grados, algunos de los conductores superiores de la fase A comienzan a vincularse con el polo norte, mientras que otros continúan interactuando con el polo sur. El mismo fenómeno ocurre con los conductores inferiores. Como resultado, durante la rotación subsiguiente de 60 grados, 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 accionamiento de motor de corriente directa sin escobillas, como se ilustra en la figura siguiente, consiste en un inversor de fuente de tensión emparejado con un motor PMAC trapezoidal. Los bobinados del estator del motor están configurados en una conexión en 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 y funcionamiento eficientes del accionamiento de motor de corriente directa sin escobillas, facilitando la producción de par suave y la regulación precisa de la velocidad.
Los bobinados del estator del motor de corriente directa sin escobillas se alimentan con pulsos de corriente. Cada pulso tiene una duración de 120 grados eléctricos y está posicionado de manera precisa dentro de la región donde la tensión inducida permanece constante y alcanza su valor máximo. Crucialmente, la polaridad de estos pulsos de corriente se alinea 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, habilitando una transferencia de potencia 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 alternativo es una característica clave de la operación del motor de corriente directa sin escobillas. Como resultado, la potencia suministrada al motor dentro de 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 accionamiento de motor de corriente directa sin escobillas se ilustra en la figura siguiente. La magnitud del par generado por el motor es directamente proporcional a la corriente que fluye a través de los enlaces de potencia continua. Esta relación es fundamental para comprender el comportamiento dinámico y las características de rendimiento del motor.
El frenado regenerativo en este sistema de accionamiento 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 en el motor, pasa a través del inversor y finalmente retorna 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 decelerar 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 accionamiento se invierte, la polaridad de las tensiones inducidas dentro del motor también se invierte. Este cambio en la polaridad de la tensión desencadena la operación de frenado regenerativo, permitiendo que el accionamiento convierta la energía mecánica de la carga en movimiento en energía eléctrica que se puede devolver 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 siguiente, proporcionando una representación visual del comportamiento eléctrico del sistema de accionamiento en diferentes condiciones.
Tipos de accionamiento de motor de corriente directa sin escobillas
El accionamiento de motor de corriente directa sin escobillas se puede clasificar principalmente en dos tipos distintos: el accionamiento de motor de corriente directa sin escobillas de bajo costo y el accionamiento de motor de corriente directa sin escobillas monofásico. Cada tipo tiene sus propias características únicas y principios de operación, que se detallan a continuación.
Accionamiento de motor de corriente directa sin escobillas de bajo costo
El accionamiento de motor de corriente directa sin escobillas de bajo costo está diseñado con simplicidad y asequibilidad en mente. Presenta una configuración minimalista, compuesta por solo tres transistores y un convertidor de tres diodos. Esta configuración restringe el accionamiento a suministrar solo corriente o tensión positiva al motor trifásico.
Durante la operación, la tensión inducida y la corriente desempeñan roles cruciales tanto en las funciones de motriz como de frenado del motor. Cuando se entregan pulsos de corriente positivos de 120 grados al motor, se inicia una acción de motriz, causando que el motor rote en sentido antihorario. Por el contrario, cuando estos pulsos de corriente se desplazan 60 grados a un total de 180 grados, el motor transita a 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 movimiento rotatorio a un mecanismo de frenado.
Accionamiento de motor de corriente directa sin escobillas de bajo costo: Mecanismo de control de corriente
En el accionamiento de motor de corriente directa 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 decae gradualmente.
Dentro del período de tiempo 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 permanezca dentro de una banda de histeresis predefinida. Este control preciso ayuda a mantener un funcionamiento estable del motor y una transferencia de potencia eficiente.
Accionamiento de motor de corriente directa sin escobillas monofásico
La configuración del accionamiento de motor de corriente directa sin escobillas monofásico se ilustra en la figura siguiente. 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 juega un papel crucial en la determinación de las características de rendimiento y el comportamiento operativo del motor.
El par generado por el motor presenta fluctuaciones significativas, comúnmente conocidas como ondulación de par. Sin embargo, cuando el motor opera a alta velocidad, 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.
