Guía de estudio 4º Bimestre (TC) PDF

Motor eléctrico sin escobillas o motor Brushless: Un motor eléctrico sin escobillas o motor brushless es un motor eléctrico que no emplea escobillas para realizar el cambio de polaridad en el rotor. Los motores eléctricos solían tener un colector de delgas o un par de anillos rozantes. Estos sistem...

Motor eléctrico sin escobillas o motor Brushless: Un motor eléctrico sin escobillas o motor brushless es un motor eléctrico que no emplea escobillas para realizar el cambio de polaridad en el rotor. Los motores eléctricos solían tener un colector de delgas o un par de anillos rozantes. Estos sistemas, que producen rozamiento, disminuyen el rendimiento, desprenden calor y ruido, requieren mucho mantenimiento y pueden producir partículas de carbón que manchan el motor de un polvo que, además, puede ser conductor. Los primeros motores sin escobillas fueron los motores de corriente alterna asíncronos. Hoy en día, gracias a la electrónica, se muestran muy ventajosos, ya que son más baratos de fabricar, pesan menos y requieren menos mantenimiento, pero su control es mucho más complejo. Esta complejidad prácticamente se ha eliminado con los controladores electrónicos de velocidad ESC (Por sus siglas en inglés). Otros motores sin escobillas, que sólo funcionan con corriente continua son los que se usan en pequeños aparatos eléctricos de baja potencia, como lectores de CD-ROM, ventiladores de ordenador, casetes, etc. Su mecanismo se basa en sustituir la conmutación (cambio de polaridad) mecánica por otra electrónica sin contacto. En este caso, la espira sólo es impulsada cuando el polo es el correcto, y cuando no lo es, el sistema electrónico corta el suministro de corriente. Para detectar la posición de la espira del rotor se utiliza la detección de un campo magnético. Este sistema electrónico, además, puede informar de la velocidad de giro, o si está parado, e incluso cortar la corriente si se detiene para que no se queme. Tienen la desventaja de que no giran al revés al cambiarles la polaridad (+ y -). Para hacer el cambio se deberían cruzar dos conductores del sistema electrónico. Un sistema algo parecido, para evitar este rozamiento en los anillos, se usa en los alternadores. En este caso no se evita el uso de anillos rozantes, sino que se evita usar uno más robusto y que frenaría mucho el motor. Actualmente, los alternadores tienen el campo magnético inductor en el rotor, que induce el campo magnético al estator, que a la vez es inducido. Como el campo magnético del inductor necesita mucha menos corriente que la que se va generar en el inducido, se necesitan unos anillos con un rozamiento menor. Esta configuración la usan desde pequeños alternadores de coche hasta los generadores de centrales con potencias del orden del megavatio. Ventiladores de ordenador desmontados. Se muestra el circuito impreso que controla el motor. Partes: El motor cuenta con tres enrollados de cable de cobre con conexión estrella, y dependiendo de cada tipo de motor, determinado número de polos para sí mismas. Comúnmente los polos de las bobinas se encuentran en el estator y a su alrededor un número acorde a las bobinas de pequeños imanes que al energizarse cada una de las bobinas, o mejor dicho, cada par de bobinas hace girar al rotor para generar movimiento mecánico. Funcionamiento: La manera de operar de estos motores llega a ser un poco diferente a cualquier otro motor de DC y AC. El principio del funcionamiento de los motores brushless consiste en que, al momento de energizar dos polos de las tres bobinas que contiene, induzca un campo magnético en las mismas para así ser repelido por los imanes en el interior. Al girar el rotor un paso hacia una dirección, es al mismo tiempo repelido por un imán y atraído por otro. Es ahí cuando se induce potencial eléctrico en otra terminal del embobinado para soltarse de una de las previamente conectadas. Es ligeramente complicado controlar la velocidad de giro de este tipo de motor ya que es imposible hacer los cambios de conexiones entre las terminales de los embobinados a mano, es por ello que se utiliza un ESC (controlador electrónico de velocidad, por sus siglas en inglés) para poder variar las velocidades de giro por medio de modulación por ancho de pulsos ya sea suministrado por un microcontrolador o por un transmisor de control remoto. ESC (Electronic Speed Controller): Es el dispositivo electrónico capaz de controlar el motor brushless permitiendo hacer el intercambio de conexiones o polaridades en los embobinados. Se controla por medio de pulsos o PWM. El ESC cuenta con una serie de componentes electrónicos que en conjunto son capaces de hacer los movimientos necesarios para hacer funcionar el motor. Dependiendo del motor y de la potencia del mismo se pueden utilizar distintos tipos de controladores. Los más comunes y comerciales son los de circuitos integrados que puede hacerlo funcionar con una potencia baja pero con una facilidad de instalación y funcionamiento. Básicamente están compuestos por transistores encargados de la etapa de potencia y a su vez sirven como interruptores de dos vías que permiten alternar la polaridad. La otra parte importante es la de los Half-Bridge Drivers que son los que reciben las respuestas de los pulsos para hacer el cambio de polaridad en los transistores. La parte más importante en este tipo de controladores es la del controlador, ya que sin esta parte sería imposible hacer el movimiento del motor, no se puede hacer solamente mecánicamente, necesita una manipulación electrónica. Ventajas, desventajas y aplicaciones: Los motores tiene la característica de que no emplean escobillas en la conmutación para la transferencia de energía; en este caso, la conmutación se realiza electrónicamente. Esta propiedad elimina el gran problema que poseen los motores eléctricos convencionales con escobillas, los cuales producen rozamiento, disminuyen el rendimiento, desprenden calor, son ruidosos y requieren una sustitución periódica y, por lo tanto, un mayor mantenimiento. Los motores Brushless tienen muchas ventajas frente a los motores CC con escobillas y frente a los motores de inducción. Algunas de estas son: mayor relación velocidad-par motor mayor respuesta dinámica mayor eficiencia mayor vida útil menos ruido mayor rango de velocidad Dron impulsado con motores brushless Además, la relación par motor-tamaño es mucho mayor, lo que implica que se pueden emplear en aplicaciones donde se trabaje con un espacio reducido. El principal impedimento en la implementación de este tipo de motor es el coste del mismo ya que tiende a ser más elevado que cualquier otro motor; el otro es el control del mismo, ya que como se mencionó, es imposible controlarlo manualmente por lo que necesita la ayuda electrónica para funcionar. Actualmente, los motores brushless se emplean en sectores industriales tales como: Automóvil, Aeroespacial, Consumo, Médico, Equipos de automatización e instrumentación. Nomenclatura: Cada motor tiene una numeración correspondiente que abarca sus características esenciales, y que define de manera clara su comportamiento y capacidades. Ejemplo: XXXX-XXXXKV. Las primeras cuatro cifras se leen de dos en dos y corresponden a la longitud del motor y a su altura, respectivamente. Las cuatro siguientes cifras hacen mención al coeficiente KV, que es una medida de la característica física que define la calidad del motor. El valor expresado en KV se refiere a la constante de revoluciones del motor, en resumen el número de RPM Revolución por minuto que será capaz de ofrecer el motor cuando se le aplique 1 V (un voltio) de tensión. No se debe confundir los KV del motor con kV (Prefijo «kilo» que expresa la multiplicación por 1000 de la unidad). En los motores con KV bajos indica que el número de espiras es mayor, por lo tanto el hilo de cobre es más fino. El total de amperios que circulan por el motor es inferior a otros con KV más alto. Se utilizan en drones que necesitan mucho par y poca velocidad. En los motores con KV altos indica que el número de espiras es menor, por lo tanto el hilo de cobre es más grueso. El total de amperios que circulan por el motor es superior a otros con KV más bajo. Se utilizan en drones de carreras, aparatos que necesitan poco par y mucha velocidad. La inducción electromagnética es un fenómeno que se produce cuando un campo magnético cercano se mueve a través de un conductor eléctrico. Esto genera un flujo eléctrico en el conductor, el cual puede entonces resultar en una corriente eléctrica. El fenómeno de la inducción fue descubierto por primera vez en 1831 por el físico escocés, Michael Faraday. Desde entonces, se ha convertido en un tema muy importante para la electricidad y la electrónica. En este artículo abordaremos los conceptos básicos de la inducción electromagnética, así como sus aplicaciones en el mundo de la electricidad y la electrónica. Los conceptos básicos de la inducción electromagnética incluyen descubrir cómo los conductores se ven afectados cuando están expuestos a un campo magnético cercano. Además, una gran parte del trabajo sobre esta área se centra en entender cómo la inyección de energía mecánica (como por ejemplo la rotación de un motor eléctrico) puede generar una corriente eléctrica a través de un conductor. Por lo tanto, es importante entender cómo la fuerza electromotriz, o EMF, generada por la inducción se relaciona con la cantidad de energía mecánica de entrada, así como el nivel de resistencia al flujo de corriente en el cable. También es importante comprender el compromiso entre el nivel de corriente y la fuerza magnética que se producirá en las bobinas, lo que se conoce como "efecto Hall". Aplicaciones de la inducción electromagnética: ○ Motores de inducción ○ Generadores de inducción ○ Transformadores ○ Bajas tensiones ○ Interruptores eléctricos ○ Sensores de movimiento Como puedes ver, hay muchas aplicaciones prácticas que pueden realizarse mediante el uso de inducción electromagnética. Algunas de ellas son: ○ La inducción se usa comúnmente en motores de inducción, que se usan para obtener energía mecánica a partir de energía eléctrica. ○ Los generadores de inducción se utilizan para producir energía eléctrica a partir de energía mecánica. ○ Los transformadores usan la inducción para transformar corrientes alternas a diferentes tensiones sin cambiar su frecuencia. ○ En dispositivos eléctricos de baja tensión, la inducción electromagnética se usa para regular la intensidad de corriente, así como para controlar el encendido y apagado de los dispositivos. ○ Los sensores de movimiento también hacen uso de la inducción electromagnética para detectar el movimiento. Como se ha podido ver, la inducción electromagnética juega un papel muy importante en muchas de las aplicaciones de la electricidad y la electrónica. Es por esto que un entendimiento profundo de los conceptos básicos de la inducción, así como de sus aplicaciones, es una parte clave del entendimiento general de la electricidad y la electrónica. ¿Cuáles son los conceptos básicos de la inducción electromagnética? Los conceptos básicos de la inducción electromagnética están relacionados con la ciencia que estudia las leyes de la producción y control de campos eléctricos y magnéticos. Estos conceptos se aplican para entender el funcionamiento, producción y uso de la electricidad. Esta ciencia se refiere principalmente a la energía electromagnética, su generación, propagación y absorción. De acuerdo con los conceptos básicos de la inducción electromagnética, podemos destacar lo siguiente:  ○ Principio de conservación de la energía: este principio se refiere a la idea de que la energía no se crea ni se destruye, solo se conserva de una forma a otra. Este principio se puede aplicar a la inducción electromagnética para estudiar la producción de energía eléctrica. ○ Ley de Faraday-Maxwell: esta ley establece que cuando hay un cambio en un campo magnético, asociado a un circuito cerrado, se genera una corriente eléctrica. ○ Campo magnético: un campo magnético es una región del espacio caracterizada por la presencia de fuerzas magnéticas. Un campo magnético se puede generar a partir de una bobina o corrientes eléctricas o permanentes. ○ Inductancia: La inductancia es una propiedad eléctrica que se produce cuando se aplica una corriente eléctrica a un circuito cerrado. Esta propiedad se relaciona con el flujo magnético en el circuito y su valor se mide en henrios (H). ○ Transformador: Los transformadores son dispositivos eléctricos utilizados para transformar el voltaje de un circuito a otro sin varias la corriente. Estos dispositivos también se usan para aumentar o disminuir la tensión en un circuito. ¿Cuáles son las principales aplicaciones de la inducción electromagnética? La inducción electromagnética es un fenómeno por el cual la energía eléctrica es generada o transmitida sin tener contacto directo entre dos conductores, y esto sucede a través de campos magnéticos. Esto significa que hay un cambio en los campos eléctricos sin necesidad de algún conductor. Esta tecnología es aplicada en diversos aspectos de nuestras vidas. A continuación explico las principales aplicaciones: Generación de electricidad: cuando un conductor es sumergido en un campo magnético cambiante, se genera una corriente eléctrica. Esta aplicación es utilizada en múltiples dispositivos como los generadores eléctricos. Motores Eléctricos: un motor eléctrico se basa en la inducción electromagnética para crear rotaciones. Esto se logra a través del magnetismo cambiante que genera movimiento dentro del motor. Los motores eléctricos son ampliamente usados en la industria, tanto en la fabricación de artículos como en robots. Transformadores: Los transformadores también trabajan con el principio de la inducción electromagnética y su uso principal es convertir la corriente a un voltaje diferente, ya sea incrementando o reduciendo el voltaje. Estos dispositivos son ampliamente usados en la transmisión de energía. Bobinas de Tesla: El consecuente aumento en el campo magnético dentro de una bobina de tesla es una de las principales aplicaciones de la inducción electromagnética. Estas bobinas son usadas como dispositivos experimentales, para el análisis de los patrones eléctricos y para la producción de luces. Otros: ○ Relojes automáticos ○ Detectores de metales ○ Sistemas de altavoces ○ Equipos de MRI ○ Aceleradores lineales La inducción electromagnética es una tecnología increíblemente versátil que tiene un gran número de aplicaciones en todos los aspectos de nuestra vida diaria. Desde generadores eléctricos hasta aparatos médicos, esta tecnología es fundamental para el funcionamiento de los sistemas tecnológicos modernos. ¿Qué elementos se requieren para generar un campo electromagnético rotatorio? El campo electromagnético rotatorio (CEMR) es uno de los componentes fundamentales para hacer funcionar muchos dispositivos eléctricos. Se usa en motores, bobinas, antenas y transformadores, entre otros. Para generar un CEMR, se necesitan algunos elementos específicos, que son: ○ Generador de corriente alterna: Es la fuente primaria de energía que genera una corriente eléctrica que está constantemente variando de dirección. ○ Bobina: La función de esta componente es la de crear una carga eléctrica que cambia cuando se modifica la dirección de circulación de la corriente alterna. ○ Capacitador: Utilizado para regular la frecuencia de la corriente eléctrica, de esta forma se evita el exceso de voltaje o la inestabilidad en el circuito. ○ Interruptor: Se encarga de controlar el paso de la corriente eléctrica al interior del circuito, permitiendo que ésta recorra la bobina y produzca un campo electromagnético.  ○ Conductor: Es el encargado de transmitir la corriente eléctrica desde el generador de corriente alterna hasta la bobina. Motor paso a paso El motor paso a paso (Stepper) conocido también como motor de pasos es un dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa que es capaz de girar una cantidad de grados (paso o medio paso) dependiendo de sus entradas de control. El motor paso a paso se comporta de la misma manera que un conversor digital-analógico (D/A) y puede ser gobernado por impulsos procedentes de sistemas digitales. Este motor presenta las ventajas de tener precisión y repetitividad en cuanto al posicionamiento del aparato. Entre sus principales aplicaciones destacan los robots, drones, radiocontrol, impresoras digitales, automatización, fotocomponedoras, preprensa, etc. Motor paso a paso Tipos de motores paso a paso Existen tres tipos fundamentales de motores paso a paso: el motor de reluctancia variable, el motor de magnetización permanente, y el motor híbrido.1​ El motor de pasos de reluctancia variable (VR): Tiene un rotor multipolar de hierro y un estátor devanado, opcionalmente laminado. Rota cuando el (o los) diente(s) más cercano(s) del rotor es (o son) atraído(s) a la(s) bobina(s) del estátor energizada(s) (obteniéndose por lo tanto, la ruta de menor reluctancia). La respuesta de este motor es muy rápida, pero la inercia permitida en la carga es pequeña. Cuando los devanados no están energizados, el par estático de este tipo de motor es cero. El motor de pasos de rotor de imán permanente: Permite mantener un par diferente de cero cuando el motor no está energizado. Dependiendo de la construcción del motor, es típicamente posible obtener pasos angulares de 7.5, 11.25, 15, 18, 45 o 90°. El ángulo de rotación se determina por el número de polos en el estátor. El motor de pasos híbrido: Se caracteriza por tener varios dientes en el estátor y en el rotor, el rotor con un imán concéntrico magnetizado axialmente alrededor de su eje. Se puede ver que esta configuración es una mezcla de los tipos de reluctancia variable e imán permanente. Este tipo de motor tiene una alta precisión y alto par, se puede configurar para suministrar un paso angular tan pequeño como 1.8° Motores paso a paso unipolares Estos motores suelen tener 5 o 6 cables de salida dependiendo de su conexión interna. Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar, estos utilizan un cable común a la fuente de alimentación y posteriormente se van colocando las otras líneas a tierra en un orden específico para generar cada paso, si tienen 6 cables es porque cada par de bobinas tienen un común separado, si tiene 5 cables es porque las cuatro bobinas tienen un polo común; un motor unipolar de 6 cables puede ser usado como un motor bipolar si se deja las líneas del común al aire. Motores paso a paso Bipolares Estos tienen generalmente 4 cables de salida. Necesitan ciertos trucos para ser controlados debido a que requieren del cambio de dirección de flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. Secuencia de rotación en un motor Bipolar: Obsérvese cómo la variación de la dirección del campo magnético creado en el estator producirá movimiento de seguimiento de parte del rotor del imán permanente, el cual intentará alinearse con el campo magnético inducido por las bobinas que excitan los electroimanes (en este caso A y B). Vcc es la alimentación de corriente continua (por ejemplo: 5V, 12V, 24V...)2 Puerta lógica Una puerta lógica o compuerta lógica, es un dispositivo electrónico con una función de tipo booleano u otros tipos (ej. «Trivalente»), como sumar o restar, incluir o excluir según sus propiedades lógicas. Se pueden aplicar a tecnología electrónica, eléctrica, mecánica, hidráulica y neumática. Componen los circuitos de conmutación integrados en un chip. Experimentada con relés o interruptores electromagnéticos para conseguir las condiciones de cada compuerta lógica, por ejemplo, para la función booleana Y (AND) colocaba interruptores en circuito serie, ya que con uno solo de estos que tuviera la condición «abierto», la salida de la compuerta Y sería = 0, mientras que para la implementación de una compuerta O (OR), la conexión de los interruptores tiene una configuración en circuito paralelo.1​ La tecnología microelectrónica actual permite la elevada integración de transistores actuando como conmutadores en redes lógicas dentro de un pequeño circuito integrado. El chip de la CPU es una de las máximas expresiones de este avance tecnológico. En nanotecnología se está desarrollando el uso de una compuerta lógica molecular, que haga posible la miniaturización de circuitos.