ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA Curso:
FISICA III Estudiante:
Edgar Junior Sánchez Serrano LAS PRINCIPALES VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS MOTORES ELECTRICOS, FRENTE A OTRO TIPOS DE MOTORES. Docente:
LIC. Serafín Gutiérrez Atoche. Fecha de presentación:
LUNES 09 DE JULIO DEL 2012 Nota:
Motores eléctricos.
Existen muchos tipos de motores eléctricos pero se pueden destacar cuatro grandes grupos dependiendo del tipo de corriente que utiliza y su aplicación:
Corriente continua:
Son fáciles de controlar, tanto el ar ranque/paro, como su posición y velocidad, lo que los ha extendido profusamente para multitud de aplicaciones industriales. Aunque con la llegada de la electrónica, los motores de corriente alterna (asíncronos) han llegado a ser tan c ontrolables como estos y con unos precios más bajos, pues el principal inconveniente de este tipo de motores es un mantenimiento muy caro y laborioso. A pesar de eso aún lo podemos encontrar haciendo funcionar trenes y tranvías.
Corriente alterna:
Motor universal: Se utiliza en multitud de pequeños aparatos domésticos como batidoras, taladros, ventiladores o utensilios de cocina y baño. Pueden ser de corriente continua o alterna, pero en todos los casos se requieren altas velocidades y escasa fuerza. Estos motores cuentan con un par de arranque arr anque excelente, pero no funcionan bien si se le da un uso continuado e intensivo ya que tienden a recalentarse. Otr a pega es que suelen producir interferencias electromagnéticas debido al chisporroteo de las e scobillas.
Automóvil de juguete
Síncrono.
Son motores de velocidad constante. El rotor gira a las mismas revoluciones que lo hace el cam po magnético del estator, lo que garantiza un par motor constante. La velocidad a la que rota también es constante y depende de la frecuencia de la corriente alter na. Para una frecuencia de 60 Hz el motor rotará de forma constante a 3.600 rpm, o 3000 rpm si la frecuencia de la corriente es de 50 Hz. Eso lo hace idóneo para mover las manecillas de los relojes pues siempre mar can el tiempo exacto. Aunque cuando se para, hay que arrancarlo a mano, porque este tipo de motor no es capaz de arrancar por si mismo.
Asíncrono o de inducción.
Los motores asíncronos o de inducción son aquellos motores eléctricos e n los que el rotor nunca llega a girar en la misma frecuencia con la que lo hace el campo magnético del estator. Cuanto mayor es el par motor mayor es esta diferencia de frecuencias. frecue ncias. Hay multitud de variaciones sobre este tipo de motores con aplicaciones específicas.
Las ventajas del motor eléctrico frente al motor de combustión.
En muchas ocasiones surgen dudas sobre la idoneidad de usar un motor e léctrico o continuar con un motor de combustión. Es un debate abierto que e stá candente actualmente como consecuencia del intenso incremento de los precios del pet róleo y las pocas proyecciones para un futuro inmediato. Es por tanto importante que conozcamos con cierto detalle cuales son las diferencias fundamentales entre ambos tipos de motores desde el punto de vista de la eficiencia energética. Empezamos conociendo las diferencias entre un motor eléctrico y un generador. En principio, cualquier motor eléctrico también puede generar e lectricidad. Sin embargo, las unidades eléctricas están muy por delante de los motor es de combustión, ya que, por desgracia, aún no se ha inventado un motor de coc he que aspire los gases de escape durante los frenados y descensos, y los convierta en combustible y aire fresco. El motor eléctrico puede ofrece r esto, aunque durante su primer siglo de existencia, est a aplicación ha sido en gran parte obstaculizada por dos inconvenientes: Un motor eléctrico no tiene pedal del acelerador. Cuando un motor eléctrico está funcionando, genera una t ensión con una polaridad opuesta a la tensión de alimentación Y la corriente es demasiado alta en los primeros momentos del encendido cuando el motor no está operando en régimen estacionario. Si usamos motores gr andes, o varios motores arrancan simultáneamente, deberemos tener cuidado ante las elevadas corrientes que se generan durante el arranque. Cuando el motor se ace lera, se incrementa el voltaje inducido. De hecho, cuando se excede la velocidad donde se aplicó el voltaje y la tensión aplicada y la tensión de red son iguales, el motor va a gener ar una tensión superior a la que encuentra e n la línea. La corriente fluirá al revés, y el motor invierte su función actuando como un generador. Las ventajas en eficiencia energética
Este fenómeno ofrece unas interesantes ventajas de eficiencia energética, especialmente para máquinas tales como grúas, elevadores, etc; ya que podemos transformarlas en generadores eléctricos durante los movimientos de descenso. Lo que no es tan bueno es que la línea siempre tiene aproximadamente la misma tensión, pero con respecto a otras cargas; por ejemplo, las luce s, esto tiene que ser así. Esto debe tenerse en cuenta de nuevo si la velocidad del motor se varía. Antiguamente, las soluciones disponibles eran ineficientes y caras. Había que utilizar transformadores con tomas múltiples, como en las locomotoras, pero que e ran voluminosos y caros; o limitar la corriente con resistencias, como en los tranvías, que era una solución ineficiente.
Motor AC
Los motores de corriente alterna
Las cosas complican un poco cuando tratamos con motores de c orriente alterna, ya sean monofásicos o trifásicos. El principio de un motor eléctrico es siempre crear un movimiento de rotación a partir de las fuerzas de atracción y repulsión magnética. Los motores de corr iente alterna se pueden construir de una forma más simple que en los motores de corriente continua debido a que el cambio periódico de polaridad ocurre de todas formas, y no tiene que ser se r generado dentro de la máquina. Los motores de corriente continua
Pero es obvio que la variación de la velocidad de rotación es difícil para los motores de cor riente continua, ya que depende en gran medida de la tensión de suministro, es decir, aproximadamente estable. En los motores AC el cambio c ambio de la velocidad es imposible ya que debe ser c oherente con la frecuencia de la red, que es en términos técnicos totalmente estable. Ahora cualquier tipo de motor eléctrico t iene que ser diseñado de manera que a la velocidad nominal deseada, la tensión generada en el motor será casi la misma que la aplicada al voltaje de operación (nominal). Con motores de corriente continua el voltaje inducido tiene que ser algo menor que en la línea. Cuando se carga, el motor de corriente continua perderá un poc o de velocidad, produciendo una nueva caída de la tensión del voltaje inducido y por lo t anto una diferencia superior respecto a la tensión de línea y a una entrada de corriente más alta. De esta forma se acoplará la carga más elevada. Así adaptan (más o menos) por su propia naturaleza para tratar con cargas variables.
Motor DC
Esto es una ventaja en un motor de combustión, y una de las diferencias sustanciales en el comportamiento operativo que se ha discutido aquí. Un motor eléctrico, puede trabajar en todo el voltaje sin carga - eximiendo tal vez un tipo particular, la máquina con colector conectada en serie. Las grandes unidades pueden en realidad ser destruidas por las fuerzas ce ntrífugas cuando se alimentan a pleno voltaje y sin carga aplicada. Las unidades pequeñas, como las utilizadas en aparatos de cocina y, por ejemplo ejem plo para el limpiaparabrisas de un coche, tienen pérdidas de fricción suficientes como para prevenir esto. Pero a un voltaje de alimentación fijo, aplicar una cierta velocidad siempre estará vinculada a una entrada y salida de potencia fijas. El control del flujo de la electricidad, la regulación de la potencia y/o la velocidad de un motor eléctrico ha sido una tarea demandada en los días anteriores a la invención de la electrónica de potencia. Esto se aplica más aún a los motores de CA. La velocidad de una máquina sincrónica es absolutamente estable, siendo la máquina utilizada como motor o como generador. Pierde un poco de velocidad durante un tiempo muy limitado, cuando, por ejemplo, pasa de operación del motor a neutral, justo hasta que el ángulo de fase entre la fase eléctrica e léctrica y la posición del rotor ya no estén "en fase". Después de este corto período de transición de velocidad del motor y la frecuencia de la red e stará sincronizada de nuevo. Podríamos imaginar el proceso de la siguiente forma: Cuando la máquina está funcionando en condiciones sin carga, la tensión alterna que genera es alta cuando el voltaje de línea es alto, y es bajo cuando el voltaje de línea es bajo. Están en fase entre sí, así que prácticamente no circula corriente en ningún sentido (ignorando la energía reactiva). Por otra parte, en la potencia eléctrica (también sus valores instantáneos) la inversión de voltaje o corriente implica un cambio de signo, y por lo tanto una reversión del flujo de energía. Ahora,
cuando la máquina está funcionando como un motor, la tensión alterna que gener a un retraso detrás del voltaje aplicado. Es todavía algo menor cuando el voltaje de la línea alcanza su pico, por lo que la corriente fluirá de la red a la máquina; por lo que actúa como un motor. En el momento en el que cambia su polaridad, el voltaje de línea también se ha cambiado, por lo que se están multiplicando dos veces por -1 y se queda pegado con el funcionamiento del motor. Cuando el eje de la máquina se utiliza para hacer funcionar la máquina como un generador de corriente alterna, la propia máquina genera el voltaje aplicado. Cae de nuevo cuando el voltaje de la línea alcanza su punto máximo, por lo que la c orriente fluirá de la máquina a la red. En e l momento actual la corriente cambia su polaridad ... y así suce sivamente.
El motor asíncrono
La explicación se complica un poco si discutimos la máquina eléctrica más ampliamente utilizada, el motor asíncrono, ya que los procesos de circulación de la corriente son más difíciles de imaginar en una manera ilustrativa. El motor síncrono tiene imanes eléctricos a cada lado, en el estator y el rotor. Los devanados del rotor están en cortocircuito y actúan como el secundario de un transformador. El campo magnético giratorio en el estator induce una corriente en los bobinados del rotor en cortocircuito, que a su vez genera su propio campo magnético. Como en una máquina síncrona, los polos de los campos del estator, impulsado por la frecuencia de red, se mueven en círculo y persiguen a los polos del campo del rotor por delante de ellos. e llos. Así el rotor comienza a girar. Un motor asíncrono siempre girará un poco más lento de lo que los polos magnéticos lo hacen en el estator. Esta pequeña diferencia, e l deslizamiento, es necesaria para mantener la corriente en las bobinas del rotor y así mantener el magnetismo del rotor. La frecuencia de deslizamiento puede ser tan baja como 1 Hz o incluso menos en una gran máquina, así que si e n un motor asíncrono de 2 polos alimentado con 50 Hz los polos del estator girar a 3000/min, 3000/ min, el rotor girará a 2940/min. Cuando se ac elera actuará como un generador. A 3 060/min, por ejemplo, con el mismo deslizamiento con signo inverso, la corriente de salida será la misma que la corriente de entrada a 2940/min. Junto con los motores de corriente continua, incluyendo motores de conmutador que puedan operar tanto en AC como DC; el motor asíncrono trifásico se pondrá en marcha sólo c uando se aplica la tensión de la red. Además, según lo explicado anteriormente, lo hará muy abruptamente con varias veces el par nominal y la corriente de admisión. Esta es la siguiente diferencia respecto al motor de combustión, que requiere un pequeño motor de corriente continua para ponerlo en marcha. Una máquina síncrona como tal no puede ponerse en marcha solo. Por esta y otras razones, generalmente estas máquinas se usan solamente como generador. Como anotación al margen, la máquina de conmutación serie es por principio una máquina DC, pero debido que su estator y rotor están conectados en serie, invertirán la polaridad cuando lo hace la corriente, por lo que el sentido de giro es e l mismo. Por lo tanto, también puede funcionar como un motor de corriente alterna, pero cuando se utiliza como un generador, generará
corriente continua. Si no se define por una bobina suplementaria dedicada, la polaridad será función del magnetismo residual accidental.
Inversores y rectificadores
La conversión AC/DC y viceversa se consigue actualmente con componentes electrónicos con pérdidas adicionales muy pequeñas. La salida AC puede controlarse tanto en amplitud como en frecuencia para adaptarse a las exigencias de cualquier motor en cualquier punto de operación deseado. La velocidad y el par ahora pueden controlarse independientemente el uno del otro. Por lo tanto, el inversor supera casi todas las desventajas del motor eléctrico respecto a cualquier motor de combustión, mientras que las ventajas siguen siendo relevantes, incluyendo el r etorno de la energía (inversión del flujo de ener gía), si se utiliza un inversor de cuatro cuadrantes (2 sentidos de giro, 2 direcciones de flujo de energía). Simplificando, los inversores crearán una conexión entre el voltaje directo en el enlace DC cuando el voltaje alterno instantáneo en la línea es superior al voltaje DC en el enlace, e nlace, permitiendo así la entrada de energía, y se desconecta tanto del uno como otro cuando la te nsión de fuera es más baja. Este es el principio de funcionamiento del motor. Para alimentar de nuevo en el modo de generador de energía del inversor, y justificando su nombre, hace lo inverso: Se conecta cuando la tensión de línea es baja y se desconecta cuando es alta. De esta manera, la energía puede ir en cualquier dirección, incluso aunque el voltaje de línea es constante - y, dependiendo del diseño, la tensión DC en el circuito de enlace también se puede mantener e n un nivel constante, En el otro extremo, el lado del motor del convertidor electrónico de potencia, es algo más sofisticado. Simplificando de nuevo, el principio es encender y apagar el motor muy rápidamente, mucho más rápidamente de lo que puede conseguir un inter ruptor mecánico. Al variar continuamente la relación de tiempo encendido/apagado, la corriente promedio del motor puede variar continuamente, incluso si la tensión DC en el c ircuito de enlace se mantiene a una amplitud constante. El principio es mucho más sofisticado y bastante más caro que el c ontrol del flujo de agua en el baño con un grifo gr ifo de agua, pero las ventajas son tan notables que este principio es el que firmemente abre el camino a los accionamientos eléctricos.
Los inversores también se pueden utilizar en redes de corriente continua.
Los viejos tranvías bien podrían utilizar sus motores para el frenado, pero la energía eléctrica no podría alimentar de nuevo a las líneas debido a la tensión generada en el motor. En términos generales, es un poco más bajo que el voltaje en la línea, por lo que una inversión del flujo de potencia no era posible. La electricidad generada durante el frenado era absorbida en las resistencias y se perdía en forma de calor. Hoy en día los inversores pueden t ransformar la DC en AC, y la energía alterna puede transformarse a la frecuencia elegida, re ctificada a DC y pasar a una línea aérea.
Hoy en día, un motor de combustión tiene una potencia de salida determinada, y eso es t odo. Si tratamos de sacar un poco más de par de lo que ofrece la placa de características del motor, acabaremos ahogándolo.
Entonces tenemos que los Motores eléctricos:
Ventajas:
Tamaño y peso son más reducidos.
Se puede construir de cualquier tamaño.
Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente prác ticamente constante.
Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 80%, aumentando el mismo a medida que se incrementa la pote ncia de la máquina).
La gran mayoría de los motores eléctr icos son máquinas reversibles pudiendo operar como generadores, convirtiendo energía mecánica en eléctrica.
Son silenciosos, limpios y apenas vibran, por tener como medio de funcionamiento la electricidad.
Utilizan un intervalo de velocidades de rotación mucho mayor que los motores de combustión. Un ejemplo de ello: pueden lograr sin esfuerzo más de 12000 rpm.
Los motores de eléctricos (de CC y CA) son fáciles de manipular, siendo controlables tanto en el arranque como en el paro.
La ausencia de emisión de gases.
El motor de inducción, que es bastante simple y muy eficiente. La mayoría de los motores eléctricos puede ofrecer grandes potencias por tiempos cortos.
Desventajas:
Mantenimiento caro y laborioso
Incapacidad de funcionar a velocidades bajas.
El motor de rotor bobinado, a diferenc ia de uno de imán, tiene el problema e n que el embobinado necesita una corriente circulando a través de él para que se genere un campo magnético, con lo cual se provoca un desgaste tanto en el embobinado con en el aislamiento. El de imán no tiene este problema.
Los motores con imanes tienen limitaciones en cuanto a la potencia del motor, por la debilidad del imán.
Dependiendo del consumo, en motores trifásicos, se debe revisar la configuración con la que vienen, ya sea delta o estrella.
Otros motores. MOTORES DIESEL o Petroleros
Ventajas:
Consume menos combustible y son más económicos que los gasolineros .
Tienen menos problemas que los motores a gasolina .
Son más fáciles de operar que los motores gasolineros
Desventajas:
Generan grandes sonidos y vibraciones.
Tienen mayor carga por caballo de fuerza que los motores a gasolina.
Son más cotosas porque necesitan mantenimiento y servicio muy cuidadosos que los motores a gasolina.
Requieren de equipos como arrancadores y baterías de grandes capacidades porque tienen una relación de compresión alta.
MOTORES Gasolineros
Ventajas:
Buena relación de compresión.
Los motores gasolineros producen menos CO2
Desventajas:
Es más costoso ya que utiliza gasolina.
La vida útil puede ser menor a la un Diesel .
La mal mezcla del combustible puede un mal funcionamiento del motor
Motores Stirling
Para completar un poco más los datos sobre los motores Stirling, voy a relatar sus ventajas y desventajas (Traducción de la versión inglesa de Wikipedia) Ventajas:
El aporte de calor es externo, e xterno, por lo que las condiciones de combustión son flexibles.
Funciona con cualquier fuente de calor, no solo por combustión, por lo que se puede utilizar fuentes de calor como solar, geotér mica, nucleares, biológicas, etc.
Se puede usar un proceso de combustión continua, por lo cual se pueden reducir la mayor parte de las emisiones (NOx, hollines, hidrocarburos, …)
La mayoría de los motores Stirling tienen los mecanismos y juntas en el foco frío, y por tanto necesitan menos lubricación y duran más que otras máquinas alternativas.
Los mecanismos son más sencillos que en otras máquinas alternativas, estos es, no necesitan válvulas, el quemador puede simplificarse.
Una maquina Stirling usa un fluido de trabajo de una única fase, manteniendo las presiones internas cercanas a la presión de diseño y por tanto se reducen los riesgos de explosión. En comparación una máquina de vapor usa agua en estados líquido y vapor, por lo que un fallo en una válvula puede provocar una explosión peligrosa.
En algunos casos, las bajas presiones, permiten utilizar cilindros ligeros.
Se pueden construir para un funcionamiento silencioso y sin consumo de aire para propulsión de submarinos o en el espacio.
Arrancan con facilidad (despacio y después del calentamiento inicial) y funcionan mejor con temperaturas ambientales frías, en contraste con los de combustión interna que arrancan con facilidad en temperatura templada pero con problemas en temperaturas frías.
Se pueden usar para bombear agua, pudiendo diseñarse para utilizar el agua como refrigerante del foco frío, (a menor temperatura del agua mejor funcionamiento)
Son extremadamente flexibles pudiéndose utilizar para cogeneración en invierno y como refrigeración en verano.
Desventajas:
Los motores Stirling requieren intercambiadores de calor de entrada y salida, que tienen que contener el fluido de trabajo a alta temperatura, así como soportar los e fectos corrosivos de la fuente de calor y la atmósfera. Esto supone un encarecimiento de la máquina.
Los motores que funcionan con pequeños diferenciales térmicos son muy grandes en comparación al trabajo realizado por culpa de los intercambiadores. Aumentar la diferencia de temperatura o la presión permite motores mas pequeños.
La disipación de calor en el foco frío es complicada porque el refrigerante se mantiene a la temperatura mas baja posible para aumentar la eficiencia té rmica. Esto incrementa el tamaño de los radiadores, lo que dificulta los diseños compactos. Esto junto con los costes de materiales, ha sido uno de los principales factores limitantes a la hora de su uso en automoción, pero existen otros usos donde el ratio peso potencia no es tan crítico cr ítico como propulsión naval, cogeneración, …
Un motor Stirling no puede arrancar instantáneamente, tiene que primero “calentarse”.
Esto es cierto para todos los motore s de combustión externa, pero menor que otros como la máquina de vapor. Su mejor uso es e n motores que requieran una velocidad constante.
El trabajo realizado por un motor Stirling tiende a ser constante y para ajustarlo se requiere un diseño cuidadoso y mecanismos adicionales. Generalmente se hace variando el desplazamiento del motor o la cantidad de fluido de trabajo. Esta característica es menos crítica en el caso de motores de propulsión híbrida eléctrica o en la producción de electricidad de base de carga, donde esa producción constante es deseable.
El Hidrogeno por su baja viscosidad, alto calor especifico y conductividad térmica es el fluido de trabajo por excelencia en términos de termodinámica y dinámica de fluidos. Sin embargo presenta problemas de confinamiento y difusión a través de los metales. *…+. Por
ello se usa generalmente Helio con propiedades muy semejante s, que además es inerte, y no inflamable como el Hidrogeno. El aire comprimido presenta riesgo de explosión por la presencia de Oxigeno, por lo que la alternativa es eliminarlo por combustión o utilizar Nitrógeno.
Motores eólicos de eje horizontal.
Son los más extendidos. Exigen una orientación continua de su eje, que debe mantenerse paralelo a la dirección del viento permanente. Los pequeños motores eólicos de eje horizontal suelen estar equipados con gran número de palas. Estos motores tienen la ventaja de que pueden funcionar incluso con vientos flojos. Los grandes motores eólicos de eje horizontal suelen disponer de hélices, cada una con dos o tre s palas. Estos molinos de hélices se han beneficiado de los progresos técnicos de la aeronáutica para la realización de palas de gran tamaño. Pueden suministrar gran potencia pero sólo son productivos cuando funcionan con vientos de velocidad media o fuerte, en cuyo caso, o frecen un excelente rendimiento. - Motores eólicos de eje vertical:
Los motores de eje ve rtical son los más antiguos que se han utilizado, sin duda, por su sencillo funcionamiento que no requiere de la orientación del eje . Sin embargo, presentan el inconveniente de tener un rendimiento menos elevado que los de eje horizontal. Estaban prácticamente abandonados hasta que EEUU y Canadá pusieron a punto una nueva concepción de estos motores. En 1.923, el ingeniero francés, Derrieus diseñó un nuevo molino cuyos motores eran muy adecuados para la producción de pequeñas potencias inferiores a 50 KW. Otro tipo de clasificación, es fijándose en su potencia. Según esto los motores eólicos pueden ser:
Motores hidráulicos.
Ventajas:
Construcción compacta y robusta
Larga duración en condiciones de funcionamiento extremo
Piezas resistentes a la corrosión
Operación flexible a baja velocidad
Los motores hidráulicos son de hecho más pequeño a la potencia y el par idéntico especialmente. Su velocidad y la posición puede ser regulada muy bien, aunque no con tanta precisión como para motores eléctricos.
Desventajas:
Los motores hidráulicos son de hecho más pequeño a la potencia y el par idéntico especialmente. Su velocidad y la posición puede ser regulada muy bien, aunque no con tanta precisión como para motores eléctricos.
