Motor universal: por qué un motor de devanado serie funciona con CA y CC

Devanado serie: campo y armadura en un solo circuito

Un motor serie de CC conecta el devanado de campo en serie con la armadura a través del colector y las escobillas. El flujo Φ lo produce la corriente de campo, y el par es el producto del flujo por la corriente de armadura:

T = k × Φ × I

Por debajo de la saturación magnética Φ es proporcional a I, de modo que

T ∝ I²

Por tanto, el par no depende del signo de la corriente. Si se invierte la polaridad de la alimentación de un motor serie de CC, el flujo y la corriente de armadura se invierten a la vez, así que el sentido de giro no cambia. Lo mismo ocurre en CA en cada semiciclo.

Por qué también funciona con corriente alterna

En CA la corriente invierte su sentido 100 veces por segundo a 50 Hz. Como el flujo y la corriente de armadura se invierten en el mismo instante, cada semiciclo produce par en el mismo sentido. El par instantáneo es proporcional a i(t)², por lo que nunca es negativo. Pulsa entre cero y el doble de su valor medio a 2f, es decir, 100 Hz con una red de 50 Hz, y por eso estos motores zumban; la inercia del rotor suaviza la velocidad resultante.

Para funcionar en CA, además del colector, la máquina necesita un núcleo de campo laminado que limite las pérdidas por corrientes de Foucault del flujo alterno. Los devanados también tienen reactancia en CA, que no tienen en CC, de modo que con la misma tensión eficaz queda menos tensión para equilibrar la fcem. Por eso un motor universal gira más despacio en CA que en CC con la misma tensión, y el factor de potencia es inferior a 1. Muchos motores llevan un devanado de campo con tomas para compensarlo.

Velocidad: muy alta, y la característica serie

La fuerza contraelectromotriz (fcem) es E = k × Φ × ω. En régimen estacionario E es aproximadamente la tensión de alimentación menos la caída resistiva, así que

ω ≈ (V − I × R) / (k × Φ)

Cuando aumenta la carga, sube la corriente, sube el flujo y la velocidad cae bruscamente: un motor serie tiene un par elevado a baja velocidad, y por eso es adecuado para herramientas que necesitan fuerza para arrancar. Sin carga la corriente disminuye, el flujo se debilita y la velocidad tiene que aumentar para producir la misma fcem. No hay nada en la máquina que la limite salvo el rozamiento y las pérdidas del ventilador, así que un motor serie en vacío puede embalarse hasta velocidades destructivas.

Ilustración. Con una alimentación de 230 V, un motor a plena carga gira a 15 000 rpm con Φ = 1 y E ≈ 200 V (una caída resistiva de 30 V). Si el par de carga baja a 1/16 de ese valor, la corriente baja a 1/4 y (sin saturación) el flujo a 1/4, mientras que la caída resistiva baja a 7,5 V y E sube a unos 222 V. La velocidad pasa a ser de unas 15 000 × (222 / 200) / 0,25 ≈ 67 000 rpm. En la práctica, la resistencia del aire y el ventilador de una herramienta pequeña limitan la velocidad, y los motores universales nunca se hacen funcionar en vacío ni se acoplan con una correa que pueda salirse.

Esa misma propiedad explica las velocidades tan altas, de 10 000 a 30 000 rpm, en las herramientas: para una potencia dada, un motor más rápido es más pequeño y ligero, y un reductor o un ventilador lo cargan.

Control de la velocidad con un triac

Como la velocidad aumenta con la tensión eficaz, los motores universales son fáciles de controlar con un circuito tipo regulador de luz con triac. El triac se dispara con un ángulo α después de cada cruce por cero, y la tensión eficaz en el motor es

V_ef = V × √(1 − α / π + sin 2α / (2π))

Con α = 0 el motor recibe la tensión completa, con α = 90° recibe cerca del 71 % de V (162 V con una red de 230 V) y con α = 180° no recibe nada. Muchos taladros de velocidad variable, batidoras y máquinas de coser funcionan así, a menudo con realimentación de un tacómetro para mantener la velocidad bajo carga. El precio es un factor de potencia menor y algo de ruido eléctrico en la red.

Escobillas, chispas y dónde se usa

El colector invierte la corriente de armadura en cada bobina cuando esta pasa por las escobillas. La bobina que se conmuta tiene inductancia, así que la corriente no se detiene de golpe y la escobilla y la delga chispean. El chispeo crece con la corriente de armadura y con la velocidad, y en CA aparece además una fem de transformador en la bobina conmutada. El resultado es desgaste de las escobillas, ennegrecimiento del colector, interferencias de radio y, en el peor caso, un anillo de fuego alrededor del colector. Los supresores de interferencias (condensadores y bobinas de choque) son habituales en los electrodomésticos.

Las escobillas son la pieza de desgaste de un motor universal y marcan su vida útil, desde unos cientos de horas en herramientas de uso intensivo hasta varios miles en electrodomésticos. Los diseños sin escobillas con motor de conmutación electrónica los están sustituyendo donde el coste lo permite.

• Herramientas eléctricas: taladros, amoladoras angulares, sierras circulares, fresadoras de mano, donde importan el par elevado en el arranque y el poco peso
• Aspiradoras: la alta velocidad mueve el ventilador y un triac puede ajustar la succión
• Electrodomésticos de cocina: batidoras, amasadoras, procesadores de alimentos
• Secadores de pelo, máquinas de coser y pequeñas herramientas de jardín

Las potencias típicas van desde unos pocos vatios hasta cerca de 1 kW (algunos más). Para un servicio continuo de alta potencia, los motores de inducción y los motores sin escobillas son más eficientes y silenciosos.

Cómo modela el simulador el motor universal

El simulador resuelve un circuito serie con una única corriente eficaz I y una fcem en fase con ella (el colector hace que el motor se comporte como una resistencia). Con resistencia de devanado R y reactancia X (cero en CC, escalada con la frecuencia en CA), la tensión de alimentación cumple

V² = (R × I + E)² + (X × I)²

El flujo usa la misma función de saturación que el simulador del motor serie de CC. El modelo se calibra para que la placa de características dé exactamente la velocidad y la corriente nominales con la tensión y la carga nominales. La corriente para una carga dada se halla por búsqueda, y la velocidad se deduce de la fcem. La corriente de rotor bloqueado es V / √(R² + X²).

El triac usa la fórmula de V_ef anterior. La gráfica de rizado de par usa T(t) = T_medio × (i(t) / I_ef)², y el indicador de chispeo de escobillas es un número cualitativo calculado a partir de la corriente y la velocidad. Si la velocidad bruta supera 1,5 veces la nominal, el modelo señala embalamiento, y la velocidad mostrada se limita a 3 veces la nominal.

Límites: el flujo instantáneo no sigue a la corriente (se usa una aproximación eficaz), y no se modelan las corrientes de conmutación ni los armónicos en la red.

Pruébelo en el simulador del motor universal

En el simulador del motor universal, elija una plantilla: taladro (600 W), aspiradora (1000 W) o batidora de cocina (300 W).

• Ponga Tipo de alimentación en CC, anote la velocidad y cambie después a CA con la misma tensión. La velocidad es menor y el factor de potencia baja de 1; la gráfica Velocidad–par: CA frente a CC con la misma tensión dibuja ambas curvas.
• Observe la gráfica Corriente y par durante dos ciclos de red: en CA la corriente se invierte, pero el par (proporcional a i²) sigue siendo positivo y pulsa a 2f. La lectura Rizado de par (2f) da su frecuencia. En CC ambas líneas son planas.
• Baje la Carga mecánica hacia 0 %. La velocidad sube y después aparece el aviso de embalamiento, con la velocidad mostrada limitada.
• En CA, suba el Ángulo de disparo del triac de 0° hacia 180°. Su indicación da la tensión del motor (eficaz) y su porcentaje de la alimentación, y la velocidad baja. El control está oculto en CC.
• Suba la carga y vea cómo el indicador Chispeo de escobillas pasa de Bajo a Moderado y a Intenso, con chispas en las escobillas en la escena 3D.

La misma máquina, con el mismo sentido de par, funciona con ambas alimentaciones; solo cambian la velocidad y el factor de potencia.

Pruébalo en el simulador