Motores de control de velocidad; servomotores, motores de inducción de AC o motores sin escobillas (motores de DC sin escobillas)

Cuando se trata de control de la velocidad, quizás piense que las opciones consisten en un motor trifásico accionado por inversor o un servomotor, pero, ¿sabía que los motores sin escobillas se especializan en control de la velocidad? La popularidad de los motores sin escobillas está en aumento en el mundo del control de la velocidad. Sin embargo, no todos están familiarizados con la potencia y la relación costo/desempeño de los motores sin escobillas. Incluso en situaciones de uso en las que ha demostrado sus capacidades, está por detrás de los dos jugadores principales, el motor trifásico accionado por inversor y el servomotor. Este artículo presenta las capacidades de los motores sin escobillas, y los puntos a considerar al elegir un motor de control de velocidad compacto.

Inversor o servomotor: ¿Cuál debería usarse para controlar la velocidad?

Cuando se trata de control de la velocidad, la elección común es un motor de inducción trifásico que controla la velocidad mediante el uso de un inversor de uso general. Para muchos, esta podría ser la opción natural porque le permite configurar libremente una velocidad de accionamiento temporal que puede cambiar en el futuro. Ciertamente, el inversor se usa comúnmente, pero, ¿de verdad cumple con las necesidades básicas o resuelve las quejas habituales?

  • ¿Es conveniente cambiar la velocidad cada vez que la tarea (el peso o la viscosidad) cambian?
  • ¿Qué sucede si desea operar la cinta transportadora a una alta velocidad mientras transporta productos, y luego a una baja velocidad durante la inspección?
  • Al sincronizar la velocidad de más de dos cintas transportadoras, la velocidad debe ajustarse, ¿esta operación puede realizarse de manera simple?

Si se necesita velocidad, par o controles mejorados, sin duda, una opción es cambiarse a un servomotor. Sin embargo, al considerar el costo relativamente bajo de los motores trifásicos accionados por inversor, al cambiarse a un servomotor enfrentará el problema de un mayor gasto.

Una manera sencilla de sincronizar la velocidad de dos motoresCuando la velocidad de la cinta transportadora no es constanteara mezclar a una velocidad constantePara operar la cinta transportadora a una alta velocidad mientras se transportan productos, pero a baja velocidad durante la inspección

Los servomotores estabilizan la velocidad y resuelven el problema de la sincronización de múltiples cintas transportadoras, pero al considerar el costo, sin duda será necesario hacer concesiones en su configuración. ¿Existe algún producto que sea fácil de usar que no lleve a un incremento en los costos?

De hecho, existe una tercera alternativa efectiva. La estructura de los motores sin escobillas es similar a los servomotores. Sin embargo están específicamente diseñados para controlar la velocidad.

Desempeño de servomotor a precios de inversor: Motores sin escobillas, la tercera alternativa

Los motores sin escobillas se encuentran, en términos simples, entre los inversores y los servomotores. Son motores dedicados al control de la velocidad, y lo hacen de manera tan efectiva como un servomotor pero a un menor precio, más cercano al de un inversor. Permítanos que le expliquemos más.

Sistema de circuito abierto: Las desventajas del control mediante inversor en los motores de inducción de AC

La mayoría de los inversores de motores de inducción de AC no se comunica con el motor. Sin embargo, recientemente, esto se ha vuelto una opción al agregar, de forma separada, codificadores o dispositivos de señal analógica adicionales al motor o a las piezas móviles. La desventaja es los costos adicionales y los ajustes que deben hacerse a una solución que normalmente es de bajo costo. La mayoría de los inversores modernos aún opera en un circuito abierto. Bajo el sistema de circuito abierto, cuando la carga cambia, la velocidad real no sigue el comando. Esta es la razón por la cual la velocidad cambia (más lenta cuando se agrega más carga) y, según la carga, la razón por la cual se dificulta la sincronización en múltiples ejes.

Motores de inducción de AC - Tabla de velocidad/par

Además, debido a que el par es menor en un motor de AC a velocidades altas o bajas respecto de la velocidad nominal (lo cual es una característica inherente del par de los motores trifásicos) es difícil obtener la velocidad y el par que desea a la vez. El inversor es efectivo cuando la operación continua a velocidades fijas, pero no es ideal para operaciones con múltiples velocidades. La alta temperatura también es un componente común en los motores de inducción de AC. Para combatir esto, hay un ventilador conectado a la parte trasera del motor. Debido al diseño de los motores de inducción de AC, el calor aumenta cuando el motor se opera a baja velocidad y el ventilador funciona más lento. De manera inversa, cuando el motor funciona a alta velocidad, el calor de los devanados también aumenta.

Control de circuito cerrado: Servomotores y motores sin escobillas, características de velocidad excelentes

Tanto los servomotores como los motores sin escobillas utilizan motores de imanes permanentes (los imanes permanentes se usan para el rotor) y están equipados de manera estándar con control de la velocidad de circuito cerrado, en el que el estado de la operación del motor se comunica al excitador. Esto garantiza que la velocidad del motor se mantenga constante al nivel comandado y permite sincronizar la velocidad de dos ejes de motores. De manera adicional, se produce par plano ya sea que se opere a alta o baja velocidad. Aunque la carga cambie, a la velocidad que se comande, se garantiza una velocidad de accionamiento estable. Esto significa que estos dos motores son altamente efectivos en situaciones en las que el inversor tiene dificultades.

Servomotores y motores sin escobillas - Tabla de velocidad/par

Un motor de todo uso costoso vs. un motor dedicado de bajo costo

La diferencia entre los servomotores y los motores sin escobillas:

Obviamente, los servomotores son diferentes de los motores sin escobillas. En líneas generales, la diferencia es que uno cuenta con un alto desempeño y un control general de la velocidad, y el otro está dedicado únicamente al control de la velocidad.

Ambos motores ofrecen control de circuito cerrado con retroalimentación de operación del motor

En los servomotores, hay un codificador montado en el motor, lo que hace posible el control altamente preciso de la posición, la velocidad y el par. Es un motor de uso general altamente eficiente. Un codificador preciso es una parte muy costosa del motor, aunque esto depende de la capacidad de resolución del codificador.

En cuanto a los motores sin escobillas, su función se centra en el control de la velocidad. Si el control de posición no es necesario, la velocidad puede controlarse con suficiente precisión con un CI de efecto Hall (sensor). Los CI de efecto Hall son más simples y económicos que los codificadores. En síntesis, debido a que se especializan en el control de la velocidad, los motores sin escobillas cuestan mucho menos que los servomotores de todo uso.

Esto también se aplica a los reductores de velocidad - un componente vital de las cintas transportadoras. En los motores sin escobillas puede usarse un engranaje recto estandarizado. Este es pequeño y en muchas situaciones es el mismo que se utiliza en los motores trifásicos.

Figura 4

En el caso de los servomotores, que pueden realizar posicionamiento y control de la velocidad de alta precisión, suelen usarse reductores con mecanismos de engranaje planetario. Esto naturalmente aumenta el costo del motor.

Figura 5

Características de los motores sin escobillas, independientemente del control de velocidad: No requieren ajustes, tamaño compacto del motor, ahorran energía

Figura 6El control de la velocidad altamente preciso a un precio razonable no es la única ventaja de los motores sin escobillas de control de velocidad. Comparado con el motor trifásico controlado por inversor, el motor sin escobillas es más delgado y presenta un par más alto. Ya que se usa un imán permanente en el rotor, el motor es más delgado y presenta mayor potencia. Al comparar con un motor de inducción trifásico con un tamaño de bastidor de 3.54 pulg (90 mm), un motor sin escobillas con las mismas especificaciones es 3.31 pulg (84 mm) más corto y ofrece 1.3 veces más potencia de salida. La estructura de motor compacto le permite reducir el tamaño de su equipo.

Ya que los motores sin escobillas están dedicados al control de la velocidad, pueden usarse de inmediato sin pasar por la configuración o el ajuste de parámetros, lo cual se requiere para los inversores y los servomotores. Esto ahorra tiempo y esfuerzo.

Los excitadores de los motores sin escobillas suelen estar disponibles en entrada de tensión AC o DC. Esto permite más flexibilidad en el diseño. Por ejemplo, si una máquina se usa en varios países diferentes donde la entrada de alimentación es diferente entre un país y el otro, si se prefiere una entrada de DC, o si se requiere una entrada de batería de 24 - 48 V DC. Si se requiere una entrada de AC simple, ya sea monofásica o trifásica de 115 V AC o 220 - 230 V AC, estos excitadores de tensión de entrada comunes están disponibles.

Además, trabajar con los excitadores de los motores sin escobillas tiende a ser muy simple, lo que hace que se mantengan fieles al concepto de un motor sin necesidad de ajustes. Controlar la velocidad puede ser tan simple como girar un potenciómetro de velocidad, o tan sencillo como una salida analógica de 0 - 10 V DC de un PLC o un sistema anfitrión. Los excitadores de muchos motores sin escobillas ahora vienen con comunicación integrada, lo que permite la opción de usar comunicaciones de red de plataforma común.

Si bien más arriba hablamos de esto brevemente, una ventaja significativa de los motores sin escobillas es el uso de reductores de engranajes rectos de menor costo. Debido a que no se necesita posicionamiento de alta precisión, ni se requiere el uso de cojinetes costosos para manejar cargas de momento o cargas de alto empuje, los motores sin escobillas suelen usar el mismo tipo de engranajes que los motores de inducción de AC. Esto permite que realizar mejoras sea más sencillo y elimina la necesidad de mantenimiento. Ya que reducir el espacio, especialmente en las cintas transportadoras, es importante, comúnmente se utilizan reductores de engranajes rectos paralelos. Donde puede requerirse más par, hay disponibles nuevos reductores de engranajes rectos planos de eje hueco. Estos aumentan el par permisible de manera significativa.

Hemos realizado un resumen (Tabla 1) que compara estas tres tecnologías en un formato simple de entender. También hemos incluido una reseña de las ventajas de los motores sin escobillas llamada "Guía breve sobre los aspectos básicos de los motores sin escobillas".

En resumen, si bien los motores sin escobillas no son nuevos en el mercado, sus ventajas están comenzando a ser más reconocidas a medida que más fabricantes de equipos originales escogen motores sin escobillas por sobre los motores de inducción de AC con inversores. Si bien los servomotores ofrecen muchas funciones de desempeño, si todo lo que se requiere es control de la velocidad, vale la pena evaluar los motores sin escobillas.

Comparación de motores de control de velocidad industriales de tamaño pequeño

Guía breve sobre los aspectos básicos de los motores sin escobillas

Estructura y principio

Los motores sin escobillas controlan la velocidad en un sistema de circuito cerrado. Basado en la señal detectada por el CI de efecto Hall (sensor) montado en el motor, el transistor en el circuito de accionamiento se enciende y se apaga, y el motor gira. Generalmente se los llama "motores de DC sin escobillas". El nombre refleja el trasfondo de la manera en que fueron creados: el contacto mecánico entre la escobilla y el conmutador, que era un punto débil en los motores de DC, se reemplazó con un tratamiento eléctrico, y el mantenimiento se volvió innecesario.

Estructura y principio


Características de los motores sin escobillas

Control de velocidades estable

Compara de manera constante la velocidad configurada y la señal de retroalimentación de la velocidad del motor y ajusta la tensión aplicada al motor. Aunque la carga cambie, puede mantener una operación estable de altas a bajas velocidades.

Control de velocidades estable

Compacto y potente

Comparado con el motor trifásico controlado por inversor, el motor sin escobillas es más delgado y presenta un par más alto. Ya que se usa un imán permanente en el rotor, el motor es más delgado y presenta mayor potencia.

Compacto y potente

 

Control de la velocidad de amplio rango

El control de la velocidad cubre un rango más amplio que el inversor. Cuando los motores de inducción trifásicos son accionados por el inversor, el par se vuelve restringido a bajas velocidades. Sin restricciones, los motores sin escobillas son adecuados para situaciones en las que se requiere una cantidad de par constante de altas a bajas velocidades.

Control de la velocidad de amplio rango

Control de la eficiencia en cuanto a la energía

Se utiliza un imán permanente para el rotor de los motores sin escobillas para eliminar la pérdida secundaria. En comparación con los motores de inducción trifásicos controlados por inversor*, el consumo de energía se reduce en alrededor de un 23%, lo que contribuye a hacerlos más eficientes en cuanto a la energía.

Control de la eficiencia en cuanto a la energía

Variaciones en la alimentación y la interfaz operativa

En nuestra serie de entrada de AC, con el circuito tipo caja como base, están disponibles los siguientes tipos de motores sin escobillas: uno que permite establecer la velocidad con un potenciómetro integrado y uno que se conecta a redes de Automatización Industrial (FA). En nuestra serie de entrada de DC, hay un motor con un sustrato de circuitos.

 

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