Conceptos Basicos de Motores DC

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Universidad Nacional Experimental del Táchira

Departamento de Ingeniería Electrónica

Núcleo de Electricidad Unidad Curricular Tecnología Eléctrica

Conceptos Básicos deMáquinas de corriente continua

Profesor Marino A. Pernía

San Cristóbal septiembre 2011



[email protected] Tecnología Eléctric2/25

Máquinas de corriente continua (DC)

INTRODUCCIÓN:

La primera máquina eléctrica que se empleó en aplicaciones de potencia fue la máquina de corriente continua (C.C.) ela segunda mitad del siglo XIX. La razón de ello fue que, en un principio, no se pensó que la corriente alterna tuviera laventajas que hoy se le conocen, especialmente en la transmisión de energía eléctrica a grandes distancias. De hecho primeros sistemas de potencia fueron sistemas de C.C.

La máquina de C.C. fue ideada por el belga Gramalrededor de 1860 y empleaba un enrollado de rotespecial (anillo de Gramme) para lograr laconmutación o rectificación del voltaje alternogenerado. Posteriormente, el físico W. Siemens yotros, contribuyeron al desarrollo de estas máquinrealizando mejoras en su construcción, hasta llega la máquina de CC que se conoce hoy.

Pese a las mejoras que han sido desarrolladas endiseño, la máquina de corriente continua esconstructivamente más compleja que las máquinade corriente alterna, el empleo de escobillas,

colector, etc., la hace comparativamente menosrobusta, requiere mayor mantenimiento y tiene unmayor volumen y peso por kilo-watt de potencia.

No obstante lo anterior, la máquina de C.C. tiene múltiples aplicaciones, especialmente como motor, debidoprincipalmente a:

Amplio rango de velocidades, ajustables de modo continuo y controlables con alta precisión,

Característica de torque-velocidad variable,

Rápida aceleración, desaceleración y cambio de sentido de giro, y

Posibilidad de frenado regenerativo.

Máquina DC o de corriente continua

Tanto los motores como los generadores tienen dos unidades básicas: el campo magnético, que es elelectroimán con sus bobinas, y la armadura, que es la estructura que sostiene los conductores que cortan ecampo magnético y transporta la corriente inducida en un generador, o la corriente de excitación en el casodel motor. La armadura es por lo general un núcleo de hierro dulce laminado, alrededor del cual se enrollanen bobinas los cables conductores.

Una dinamo o generador dces una máquina eléctrica queproduce energía eléctrica en formade corriente continuaaprovechando el fenómeno de

inducción electromagnética. Losmotores son máquinas eléctricasrotativas que transforman laenergía eléctrica en mecánica.Para ello están dotadas de unarmazón fijo (estator) encargadode crear el campo magnético encuyo interior gira un cilindro (rotor)donde se crearán las fuerzas

electromotrices inducidas. Estructura de una Máquina DC o de corriente continua

mailto:[email protected]






Despiece de una máquina de corriente continua

Estator (Inductor)

Consta de un electroimán encargado de crear el campo magnético fijo conocido por el nombre de inductor. Formado puna corona de material ferromagnético denominada culata o yugo en cuyo interior, regularmente distribuidos y ennúmero par, van dispuestos unos salientes radiales con una expansión en su extremo, denominados polos, sujetos potornillos a la culata. Rodeando los polos, se hallan unas bobinas de hilo, o pletina de cobre aislado, cuya misión es, alser alimentadas por corriente continua, crear el campo magnético inductor de la máquina, el cual presentaráalternativamente polaridades norte y sur. Salvo las máquinas de potencia reducida, en general de menos de 1 kW,encontramos también en el estator, alternando los polos antes citados, otros llamados polos de conmutación,compensación o auxiliares

Inductor (estator) y sus partes







Rotor (Inducido)Es un cilindro donde se enrollanbobinas de cobre, que se hace girar auna cierta velocidad cortando el flujoinductor y que se conoce comoinducido. Formado por una columna dematerial ferromagnético, a base de chapasde hierro, aisladas unas de las otras por

una capa de barniz o de óxido. La coronade chapa magnética presenta en susuperficie externa un ranurado donde sealoja el devanado inducido de la máquina.Este devanado está constituido porbobinas de hilo o de pletina de cobreconvenientemente aislados, cerrado sobresi mismo al conectar el final de la últimabobina con el principio de la primera.

Colector y Escobillas.

El inducido suele tener muchas más espiras y el anillo colector estádividido en un mayor número de partes o delgas, aisladas entre sí, el

colector esta constituido esencialmente por piezas planas de cobre durode sección trapezoidal, llamadas delgas, separadas y aisladas unas deotras por delgadas láminas de mica, formando el conjunto un tubocilíndrico aprisionado fuertemente. El colector tiene tantas delgas comobobinas posee el devanado inducido de la máquina. Las escobillas son de grafito o carbón puro montado sobre porta-escobilque mediante un resorte aseguran un buen contacto que establecerán eenlace eléctrico entre las delgas y el colector y el circuito de corrientecontinua exterior.Al aumentar el número de delgas, la tensión obtenida tiene menorondulación acercándose más a la tensión continua que se desea obteneAl girar el rotor, las escobillas van rozando con las delgas, conectando l

bobina de inducido correspondiente a cada par de delgas con el circuitoexterior.

Vistas del inducido de una máquina de corriente continua







Estructura de una Máquina DC o de corriente continua 2

Fuerza electromotriz de una dinamo La f.e.m. se obtiene por inducción electromagnética, por lo que dependerá del flujo cortado por los conductores, de su

velocidad y del número de ellos:

E = f.e.m. (V).

N = nº conductores del inducido.

η = velocidad (r.p.m.).

= flujo por polo (Wb).

p = nº de pares de polos.

a = pares de circuitos del inducido.

N, p y a son constantes para una cierta máquina:

La f.e.m. es directamente proporcional al flujo inductor y a la velocidad de giro







Desempeño de máquinas de c.c. reales

En la práctica, existen varios efectos que impactan la eficiencia y el funcionamiento de las máquinas de C.CLas más relevantes son la característica de saturación del material ferromagnético, la reacción de armaduralas pérdidas eléctricas y mecánicas.

Flujo magnético principal en una máquina de C.C .

Saturación del material ferromagnético

Puesto que las máquinas de corriente continua están constituidas de material ferromagnético con características noideales, es conveniente analizar el efecto de la saturación del material en las relaciones de voltaje y corriente dearmadura y de campo.Para ello, se usa la llamada característica de excitación de la máquina de C.C o curva de saturación en vacío , la cual, la misma para la máquina actuando como generador o como motor.Para un material ferromagnético, la relación entre la densidad de flujo y la intensidad de campo no es constante debidoalineamiento de los dipolos que conforman el material (curva de magnetización). El mismo efecto se aprecia al observla curva de flujo vs corriente de campo debido a las relaciones de proporcionalidad involucradas, es decir, e (véase curva de excitación).

Desde un punto de vista práctico, las máquinas de C.C se diseñan de modo de lograr una máxima potencia por unidadde peso. Esto se consigue al situar el punto de operación nominal de la máquina cercano al codo de la curva desaturación del material ferromagnético, con lo cual, cualquier aumento del voltaje generado en torno a este puntova a requerir de un aumento importante de la corriente de campo que se está proporcionando a la máquina.

Zona

Zona

(~

Ic(~

Curva de Excitación de una má uina DC







Reacción del inducido o reacción de armadura

Una corriente circulando por el estator o campo de una máquina de C.C. produce un flujo magnético que permite lageneración de una tensión en el inducido, E , cuya magnitud depende del valor de la corriente de campo y de la velocid

de giro del eje .Si los bornes del rotor (armadura) son conectados a una carga eléctrica (generador), una corriente circulará por la

armadura de la máquina (I a = Ii) generando un flujo magnético (a .=i) Este flujo de armadura se suma al flujomagnético producido por el campo, produciendo un efecto de distorsión denominado reacción de armadura o reaccióninducido .

La reacción de armadura afecta el desempeño de la máquina de C.C. tanto en el voltaje inducido como en el proceso conmutación que ocurre en el colector. Por una parte, la reacción de armadura cambia la distribución del flujo magnéti

en el entrehierro, existiendo zonas en que la resultante total de flujo (Total = c + a ) es de mayor magnitud que la

componente de flujo de campo (c ) y otras en que la magnitud es notoriamente menor.

La figura (a) muestra la distribución del flujo magnético en el entrehierro cuando la corriente por la armadura es nula. Eeste caso, la forma de la distribución se explica por la geometría de las cabezas o caras polares. La figura (b) muestraflujo producido por la corriente de armadura cuando la máquina está sometida a carga y la figura (c) muestra el resultade la distribución del flujo magnético por efecto de la reacción de armadura.

a) b)

c)

Distribución del flujo magnético en el inducido o armadura

En general el plano neutro se desplaza en la dirección del movimiento en un generador y en sentido contrario a ladirección del movimiento en un motor. Además, la magnitud del desplazamiento depende de la cantidad de corriente eel rotor y por tanto de la carga que tenga la máquina.El resultado final es la formación de un arco de chispas en las escobillas. Este es un problema delicado, puesto queconduce a la disminución de la vida útil de las escobillas, picadura de los segmentos del colector (delgas) e incrementode los costos de mantenimiento.El problema que se origina con la Reacción de Armadura es el debilitamiento del flujo del campo magnético del estatoCon los generadores, para cualquier carga dada, el efecto de debilitar el flujo reduce el voltaje entregado por elgenerador. En los motores, el efecto puede ser más serio, cuando el flujo en un motor disminuye, su velocidad aumen







Pero aumentar la velocidad de un motor se puede aumentar la carga, lo que se traduce en un mayor debilitamiento deflujo.Por otro lado, para que el proceso de conmutación sea óptimo, el paso de las escobillas de una delga a otra deberealizarse en el momento en que la diferencia de tensión entre las delgas vecinas sea nula. Esto debido a que existe uinstante en que cada escobilla está en contacto con ambas delgas vecinas y si existiese una diferencia de potencial enellas habría un cortocircuito y se producirían arcos eléctricos en el colector.

El momento óptimo de conmutación ocurre cuando las escobillas se sitúan en la llamada línea de neutro magnético olínea neutra , cuando no existe corriente en la armadura, la línea de neutro magnético se sitúa en el plano perpendiculaal flujo originado por el campo, coincidiendo con la posición física de las escobillas, por lo cual, la conmutación se llevacabo sin problemas.

Desplazamiento de la línea de neutro magnético causada por la reacción del inducido

El desplazamiento de las escobillas produce un adelanto suplementario (en el sentido de la rotación) alcorrespondiente a la linea neutra en carga , tal que, produzca en la sección en conmutación una fem de sentidoopuesto. A consecuencia de la reacción del inducido la línea neutra (línea que une los conductores que no producen

fem) en carga, adelanta respecto del sentido de giro un ángulo , tomada como referencia la línea neutra en vacío.

Antiguamente se trataba de ajustar físicamente la posición de las escobillas de modo de hacerlas coincidir con la líneaneutra, sin embargo, la línea neutra se desplaza con la variación de carga, lo cual obliga a estar ajustandoconstantemente la posición de las escobillas. Actualmente, este sistema sólo se utiliza en motores muy pequeños don

se sabe que la carga no varía y donde otras soluciones son económicamente inviables.

Para evitar los efectos perjudiciales de la reacción de inducido también se puede disponer polos de compensación (poauxiliares o interpolos) en la culata del generador haciendo circular por ellos la corriente de inducido (bobinas en serie)de tal forma que se produzca un campo transversal del mismo valor y sentido contrario al de la reacción de inducido. Asituarlos a 90º grados eléctricos de las caras polares, coincidiendo con el eje del flujo de armadura, producen un flujo qanula el efecto de la reacción de armadura.

Polos de compensación o interpolos en una máquina C.C

Polos auxiliaresPolos principales







Disposición física de los interpolos Esquema de conexión Diagrama fasorial de los flujos

En la figura se muestra la disposición física de los interpolos en una máquina de C.C.; un esquema de la conexión delos interpolos donde se aprecia que son recorridos por la corriente de armadura. Finalmente, un esquema de cómo secancela la reacción de armadura al ser sumada con los flujos de los interpolos

Los polos de conmutación o auxiliares anulan el flujo transversal sobre la línea neutra teórica y además producen ela sección de conmutación una fem de sentido opuesto a Era (fem por reacción de armadura).

La ventaja de usar interpolos radica principalmente en que no es necesario ningún ajuste con la variación de carga,puesto que la corriente de armadura crece o decrece consecuentemente y lo mismo ocurre con los flujos generados elos polos de compensación. Para máquinas de más de 1[kW], se prefiere utilizar los llamados polos de conmutación ointerpolos.

En la práctica, el efecto del flujo de los interpolos es suficiente para evitar los problemas en la conmutación de lasescobillas; sin embargo, para máquinas de altas potencias y ciclos de trabajo pesados, es necesario mejorar el efecto debilitamiento del flujo y menor voltaje inducido.

Esquema de conexión de los devanados de compensación y de polos auxiliares en una máquina CC

En este último caso, la estrategia consiste en colocar los llamados enrollados de compensación , los cuales sondevanados que se encuentran colocados en ranuras talladas en las cabezas polares (en forma paralela a las bobinas rotor) y conectadas en serie con la armadura.Al estar en las cabezas polares, los enrollados de compensación producen un flujo de magnitud mayor al de losinterpolos, que permite anular los efectos de debilitamiento de campo producido por la reacción de armadura. Estemétodo, al igual que los interpolos, se adapta automáticamente al tipo de operación (motor o generador) y a lasdiferentes condiciones de carga, sin embargo, su uso se encuentra limitado a grandes máquinas de C.C., principalmendebido al alto costo que suponen los enrollados de compensación.

Interpolos

ra

C = T

Interpolos

Polosprincipales

E

Ia

Dev. Interpolos

Dev polos princ.







Pérdidas y Eficiencia en máquinas de c.c.

Las máquinas de C.C. son conversores de energía eléctrica a mecánica y viceversa muy eficientes, sin embargo surendimiento no alcanza el 100% debido a la no-idealidad de los elementos que la constituyen.Esto implica que, en la práctica, es necesario definir un parámetro de eficiencia a partir de la siguiente relación:

∑

Los objetivos de diseño se encuentran orientados a maximizar la eficiencia de cada máquina para las característicasnominales a las cuales ha sido diseñada, sin embargo, existen pérdidas que no son factibles de eliminar: pérdidaseléctricas, pérdidas mecánicas y pérdidas magnéticas.

Pérdidas eléctricas.

Las pérdidas eléctricas son aquellas producto de las resistencias de los enrollados (pérdidas en el cobre) y pérdidas elos contactos eléctricos (pérdidas en las escobillas).Las pérdidas en el cobre se producen tanto en el campo como en el inducido y se pueden calcular como:

Donde:

P campo , P inducido : son las pérdidas en el campo e inducido respectivamente. I c , I a : son las corrientes de campo e inducido respectivamente.

R c , R a : son las resistencias de campo e inducido respectivamente

Por su parte, las pérdidas en las escobillas se calcula como: Dónde:

P esc : es la potencia perdida en las escobillas.

I a : es la corriente de armadura.

V esc : es el voltaje que cae en las escobillas, el cual es, en general, constante para un amplio rango de operació

(se asume en un valor de 2 volt.)

Pérdidas mecánicas.

Las pérdidas mecánicas están asociadas a las pérdidas por concepto de roce entre las partes móviles de la máquina(rodamientos, etc.) y entre la máquina y el aire. Las pérdidas mecánicas son una función cúbica de la velocidad derotación de la máquina.

Pérdidas magnéticas.

Las pérdidas en el núcleo (estudiadas en capítulos anteriores) se manifiestan principalmente en las pérdidas por el cicde histéresis del material ferromagnético y por corrientes parásitas de Focault.

Adicionalmente a las pérdidas anteriores, existen otros tipos de pérdidas cuyos orígenes no se explican necesariamen

por los efectos ya mencionados. En general estas pérdidas se agrupan como pérdidas adicionales o perdidas misceláneas y se les asigna un valor cercano al 1% de la potencia nominal de la máquina.

Balance Energético de un motor de CC

POTENCIAABSORBIDA

Los motores absorben de la red una potencia que es el producto de la tensión por la

intensidad absorbida. PERDIDAS JOULE De la potencia absorbida por el motor de la red, una parte se pierde por efecto Joule en cad

uno de los bobinados de la máquina.







POTENCIA INTERNA Descontadas estas pérdidas queda la llamada potencia interna que es aquella potenciaeléctrica que es transformada en potencia mecánica.

PERDIDAS DELNUCLEO

Potencia perdida por pequeñas variaciones del flujo magnético: a) por histéresis(desprendimiento de calor al imantarse los materiales férricos del motor) o b) porcorrientes parásitas o de Foucault (producidas en el núcleo de hierro sobre el que searrollan las bobinas del inducido).

PERDIDASMECANICAS

De la potencia mecánica interna desarrollada una parte se pierde como pérdidas mecánicaspor rozamientos, ventilación, etc. Normalmente varían con el cubo de la velocidad.

POTENCIA UTIL La potencia restante es la potencia útil, transmitida por el eje a la carga, cuya relación con la

potencia absorbida nos da el rendimiento o eficiencia ε de la máquina.

Potencia y rendimiento

( ) Un esquema de lo expuesto sería:

En el vacío (sin carga) la potencia útil del motor es 0 (Pu= 0) y por tanto: La potencia absorbida en vacío será:

Luego podemos conocer las pérdidas en el hierro y las pérdidas mecánicas si tenemos el dato de la potencia absorbiden vacío o sin carga (Pabo) y en su caso, las pérdidas por efecto Joule en vacío (PCuo).

V

I

ERi

Flujograma de potencias de una máquina de corriente continua

Pab Pu

PCu(ex) PFe Pmec

Pi

PCu(i)







Motores de CC

Son máquinas eléctricas rotativas que transforman la energía eléctrica en mecánica. Los motores de corriente continua presentan el inconveniente de ser más complejos que los de CA y de que sópueden ser alimentados a través de equipos rectificadores. En contrapartida, poseen un par de arranque elevado, y velocidad se puede regular con facilidad entre amplios límites, lo que los hace ideales para aplicaciones donde simportante el control y la regulación.

Principio de funcionamientoCuando un conductor de longitud l está inmerso en el seno de un campo magnético B y hacemos circularpor él una corriente eléctrica i, aparecen unas fuerzas de carácter electromagnético F que tienden adesplazarlo. o ∫ ⃗ ⃗

Fuerza producida en una espira inmersa dentro de un campo magnético

Haciendo circular una corriente por una espira situada en un campo magnético, cada conductor se verá sometido a unfuerza de direcciones contrarias, por serlo el sentido de la corriente. El par de fuerzas generado hará girar la espira que, al disponer de un colector de delgas, hará que la corriente circulesiempre en el mismo sentido manteniendo el sentido del par y por tanto del giro.

Se obtendrá el valor máximo de fuerza cuando el campo magnético sea perpendicular al conductor y se tendrá unafuerza nula cuando el campo sea paralelo al flujo de corriente eléctrica donde 'l' es la longitud del conductor. El parmotor o torque M=T=C que se origina tiene un valor.

Que para el caso de la espira de la figura

Donde w es el ancho de la espira, α es el ángulo que forma la espira con respecto al campo B







Par, torque o momento producido en una espira que conduce corriente dentro de un campo magnético

Esa fuente de campo magnético proviene del devanado inductor. Este es recibido por el devanado inductor, este

inductor hace girar el rotor, el cual recibe la corriente eléctrica de la fuente mediante un colector y sistema de escobillaEl colector es básicamente un conmutador sincronizado con el rotor, que conmuta sus bobinas provocando que elángulo relativo entre el campo del rotor y el del estator se mantenga, al margen de si el rotor gira o no, permitiendo deesta forma que el par motor sea independiente de la velocidad de giro de la máquina.

Al recibir la corriente eléctrica e iniciar el giro comienza a producirse una variación en el tiempo del flujo magnético polos devanados, produciendo una Fem inducida EB que va en sentido contrario a la Fem introducida por la fuente, ej, ubatería.Esto nos da como resultado un valor de intensidad resultante:

Cuando el motor inicia su trabajo, este inicialmente está detenido, existiendo un valor de EB nulo, y teniéndose así unvalor de intensidad rotórica muy elevada que puede afectar el rotor y producir arcos eléctricos en las escobillas. Paraello se conecta una resistencia en serie en el rotor durante el arranque, excepto en los motores pequeños. Estaresistencia se calcula para que el motor del par nominal en el arranque.

Si se invierte el sentido de la corriente cambiando la polaridad de la alimentación, se conseguirá cambiar el sentido degiro.

Reacción de inducido en el motor

Al circular corriente por el inducido, da lugar a un flujo magnético transversal que, al igual que ocurría en las dinamos,modifica el flujo principal. Para evitar los efectos perjudiciales que esto produce, también se utilizan polos deconmutación, devanados amortiguadores o se decalan las escobillas.

Si se opta por desviar las escobillas habrá que hacerlo en sentido contrario al giro del motor.

Devanados de compensación

Para neutralizar la fuerza magnetomotriz (f.m.m.) del inducido, en máquinas que están sujetas a grandes sobrecargascargas que varían con rapidez, o funcionamiento con campo principal débil, se recurre a oponerle otra f.m.m. que debeser igual en magnitud y de sentido opuesto a la de la armadura. Esto se consigue con la ubicación del “devanadodecompensación” que va alojado en ranuras de la cara polar, de modo tal que por él circula la corriente de armadura, selogra así que el efecto de la Reacción de Armadura (R.A.) sea compensado, anulándose en la cara polar la f.m.m. de laarmadura.







Fuerza contra-electromotriz

Cuando el motor gira, los conductores del inducido cortan las líneas decampo magnético del inductor, lo que hace que se induzca en ellos una f.e.m. Esentido de dicha tensión es tal que, según la ley de Lenz, se opone a la causaque la produce. Es decir, a la corriente del inducido.

Esta f.e.m. llamada contraelectromotriz tiene un valor:

En las escobillas tiene lugar una caída de tensión que se opone a la intensidaddel inducido. Su valor aproximado es de unos 2V.Así mismo, se debe tener en cuenta la resistencia óhmica de cada devanado (dinducido y de los inductores).

Corriente en el arranque

En el momento del arranque el motor parte de una posición de reposo. Al estar parado el rotor, los conductoreno se mueven respecto al campo inductor y la fuerza contraelectromotriz es cero.

En esta circunstancia la intensidad del inducido sólo se ve limitada por la pequeña caída de tensión en las escobillas ypor las resistencias de los devanados que suelen ser muy pequeñas. Esto hace que la intensidad absorbida en elarranque pueda ser muy alta, aunque disminuya a medida que el rotor gana velocidad y crece la f.c.e.m. inducida.El arranque directo sólo está permitido para potencias inferiores a 5,5 kW.Para limitar la corriente de arranque se pueden colocar resistencias en serie con el inducido, disminuyendo su valor amedida que el motor aumenta su velocidad.

Designación de terminales

Estos terminales de conexión se encuentran identificados de acuerdo con distintas normas, tal como muestra la tabla 5De acuerdo con las normas VDE tanto para generadores como para motores la primera letra indica el extremo por el qentra la intensidad (+) y la segunda letra el extremo por el que sale (-), con la única salvedad del inducido de una dinamo generador de corriente continua que hace salir la corriente por el extremo A, ya que éste se comporta como ungenerador

Tabla 5.1: Designación de terminales de conexión de acuerdo a la norma.

Elemento Terminales de conexión según Norma

VDE ASA BS IEC

Armadura A-B A1-A2 AA-A A1-A2

Campo shunt C-D F1-F2 Z-ZZ E1-E2

Campo serie E-F S1-S2 Y-YY D1-D2

Interpolos G-H - HH-H B1-B2

Interpolo simétricamente distribuidoen el lado A

GA-HA - - 1B1-1B2

Interpolo simétricamente distribuido

en el lado B GB-HB - - 2B1-2B2

Campo de excitación separada (7) I-K F1-F2 X-XX F1-F2

A







Par Motor (C , T o M) Nw-m

El par motor desarrollado en el eje es la relación entre la potencia útil y la velocidad angular. Si expresamos la potenen vatios y la velocidad en rad/s obtenemos el par en N· m.

El par motor que desarrollan los conductores del rotor al serrecorridos por una corriente depende, según la ley de Laplace,del valor de dicha corriente y del flujo desarrollado por el campoinductor.

Como los términos N, p y a son constantes:

El par motor es proporcional a la corriente del inducido y al flujodel campo magnético inductor.

Velocidad de giro (rpm)

La velocidad de giro de un motor de corriente continua se puede determinar combinando las ecuaciones de f.e.m. y deintensidad de corriente:

la velocidad de giro de un motor de CC aumenta con la tensión aplicaal disminuir la corriente de inducido y al disminuir el campo inductor.El método más empleado, por su sencillez, es el de regular el flujoinductor mediante un reóstato en serie con el devanado inductor.

Inversión del sentido de giro

Existen dos formas de cambiar el sentido de giro de los motores de CC:

Cambiando la polaridad del inducido.

Cambiando la polaridad de la excitación.

Se suele elegir el primer método por los problemas que plantea la alta inductancia de la excitación y por el magnetismremanente de las piezas polares.







Motor con excitación independiente

Son aquellos que obtienen la alimentación del rotor y del estator de dos fuentes de tensión independientes o sea el

devanado de excitación se conecta a una fuente de tensión diferente a la aplicada al inducido Con ello, el campo delestator es constante al no depender de la carga del motor, y el par de fuerza es entonces prácticamente constante. Lavariaciones de velocidad al aumentar la carga se deberán sólo a la disminución de la fuerza electromotriz por aumentla caída de tensión en el rotor.. Sus características de funcionamiento son parecidas a las del motor derivación pero, lseparación de la excitación, aporta mayores ventajas para la regulación de velocidad.

Los motores de excitación independiente tienen como aplicaciones industriales el torneado y taladrado de materiales,trefilación, extrusión de materiales plásticos y goma, ventilación de horno, retroceso rápido en vacío de ganchos degrúas, desenrollado de bobinas y retroceso de útiles para serrar. El motor de excitación independiente es el másadecuado para cualquier tipo de regulación, por la independencia entre el control por el inductor y el control por elinducido. El sistema de excitación más fácil de entender es el que supone una fuente exterior de alimentación para el

arrollamiento inductor. En general, en las máquinas autoexcitadas debe existir magnetismo remanente en el campo.En las máquinas de excitación separada, el devanado de campo es usualmente de un gran número de espiras yconductor delgado, por lo que se precisa una pequeña corriente de excitación para su operación. Una corriente pequecontrola una mucho mayor. Sus curvas características tienen similar comportamiento a las del motor shunt.







Motor de excitación derivación shunt o paralelo

La excitación se conecta en paralelo con el inducido. Si existen devanados de polos auxiliares, se colocan en serie coel inducido. La intensidad total absorbida de la red por el motor se divide en dos, una que alimenta la excitación y otraque pasa por el inducido

En el devanado del inducido se tiene:

( )

En el dev ddel inductor

Los devanados: inducido e inductor están conectados en paralelo y alimentados por una fuente común. También sedenominan máquinas shunt, y en ellas un aumento de la tensión en el inducido hace aumentar la velocidad de lamáquina.Luego:

( ) Característica de velocidad del motor shunt o derivación

Según la ecuación de velocidad, manteniendo constante el campomagnético y la tensión en bornes, al aumentar la intensidad de carga la velocitiende a disminuir un poco debido al término Ri·Ii (curva c). Por otro lado, alaumentar la intensidad de inducido, lo hace también la reacción de inducido,disminuyendo el flujo total y con ello la velocidad (curva a). El resultado es quevelocidad de un motor de excitación en derivación se mantiene prácticamenteconstante para cualquier régimen de carga (curva b).

La regulación de velocidad entre amplios límites se consigue mediante unreóstato en serie con la excitación. Son motores con velocidad casi constantevelocidad apenas disminuye al aumentar la carga). Son motores estables y deprecisión, muy utilizados en máquinas herramientas: fresadoras, tornos,taladradoras, etc.

Característica del par y mecánica de un motor shunt

La característica de par relaciona el par motor con la corriente de inducido. Para un determinado flujo constante el parmotor es directamente proporcional a la corriente de inducido e inversamente proporcional a la velocidad:

La característica mecánica relaciona el par motor con la velocidad. Es importante porque nos indica la velocidad a laque girará el motor al aplicar un determinado par resistente. Considerando el flujo constante la velocidad también lo epara cualquier par resistente. El par aumentará incrementando la intensidad de inducido para conseguir igualar el paresistente.







En resumen para un motor shunt se tiene:

Velocidad aproximadas constante, del orden de 5% de variación entre vacío y plena carga.

Cp y Cmáx, limitados por Ia.

Fácil control de velocidad, mediante la inserción de un reóstato en el circuito de campo, obteniéndose un gran

margen de variación de velocidad (5:1). También es posible variar la velocidad, variando Vt.

Motor con excitación en serie

La excitación está en serie con el inducido. La particularidad más importante es que la corriente de excitación y deinducido es la misma.Los devanados de inducido y el inductor están colocados en serie y alimentados por una misma fuente de tensión. Eneste tipo de motores existe dependencia entre el par y la velocidad; son motores en los que, al aumentar la corriente dexcitación, se hace disminuir la velocidad, con un aumento del par.

( )

Motor con excitación serie En este tipo de máquina los devanados son de pocas espiras y gruesas, por lo que la resistencia de los mismos es mpequeña y la caída de tensión en los mismos se puede despreciar.







Característica de velocidad del motor serie

Como el flujo del campo magnético inductor es proporcional a la corriende excitación, este depende directamente de la intensidad de carga delinducido.

En este caso la velocidad viene dada por la expresión:

( )

La característica de velocidad tiene forma de hipérbola. Según aumenta la intensidad del motor, este va perdiendovelocidad, a la vez que aumenta su par.Para corrientes muy pequeñas el motor tiende a alcanzar velocidades muy elevadas que pueden llegar a ser peligrosa(enbalamiento), por lo que no conviene hacer funcionar estos motores en vacío o sin carga conectada al eje.

Característica de par motor del motor serie

En esta máquina el flujo es directamente proporcional a la corriente del inducid(Al menos hasta que el metal se satura). Entonces, el flujo puede estar dado po Donde c es una constante de proporcionalidad. En esta máquina en par inducidestá dado por:

En otras palabras el Par del motor es proporcional al cuadrado de la corriente dinducido. Esta ecuación representa una parábola. El par crece con el cuadradode la intensidad. Como resultado de esta relación, es fácil observar que un motDC serie produce más par por amperios que cualquier otro.El motor serie tiene un elevado par de arranque debido al alto valor de laintensidad de arranque

El motor serie se utiliza en aplicaciones que requieren pares muy altos. Ejemplo de tales aplicaciones son los motoresde arranque de los vehículos automotores, motores de elevadores, grúas y motores de tracción en locomotoras.

Característica mecánica del motor serie: Torque vs velocidad

Al aumentar el par resistente el motor reduce su velocidad a la vez que consume más intensidad generando el parsuficiente. Si el par resistente es excesivo, el motor no puede con la carga y tiende a pararse. Si el par resistentedisminuye mucho el motor se embala .

Para controlar la velocidad de los motores serie se coloca un reóstato en paralelo

con la excitación. Se consigue así un control sobre el flujo inductor y, con él, sobrla velocidad. Estos motores se caracterizan, por tanto, por tener un elevado par de arranque, loque les permite iniciar el movimiento con carga, pero su velocidad no se mantieneconstante, sino que disminuye al aumentar la carga o aumenta al disminuir ésta. Sutilizan en ferrocarriles, funiculares, .

( )







( )

( )

[ ( )]

Con las ecuaciones anteriores en posible calcular el torque de partida para este motor, además, es posible

determinar que la curva tiene un par de asíntotas que corresponden a

() y al eje T = 0.

Esto significa que el motor serie no tiene transición de motor a generador y si el motor se hace operar en vacío (sin

carga mecánica) se embala. i)

Debido a su alto torque de partida, se emplea en equipos que deben partir con carga nominal.

Puede ser sometido a grandes sobrecargas de torque, pues responde bajando su velocidad.

Motor de excitación compuesta o compound

En este caso el devanado de excitación tiene una parte de él en serie con el inducido y otra parte en paralelo. Estosmotores presentan características intermedias entre el motor serie y derivación, de forma que mejoran la precisión delprimero y el par de arranque del segundoEl arrollamiento en serie con el inducido está constituido por pocas espiras de gran sección, mientras que el otro estáformado por un gran número de espiras de pequeña sección. Permite obtener por tanto un motor con las ventajas delmotor serie, pero sin sus inconvenientes. Sus curvas características serán intermedias entre las que se obtienen conexcitación serie y con excitación en derivación.

Existen dos tipos de excitación compuesta. En la llamada compuesta adicional o acumulativa, el sentido de la corrienteque recorre los arrollamientos serie y paralelo es el mismo, por lo que sus efectos se suman, a diferencia de lacompuesta diferencial, donde el sentido de la corriente que recorre los arrollamientos tiene sentido contrario y por lotanto los efectos de ambos devanados se restan.Se caracteriza por tener un elevado par de arranque, pero no corre el peligro de ser inestable cuando trabaja en vacíocomo ocurre con el motor serie, aunque puede llegar a alcanzar un número de revoluciones muy alto.

Motor dc con excitación compuesta y derivación CORTA







Motor dc con excitación compuesta y derivación LARGA

Con el devanado en derivación se consigue evitar el peligro de enbalamiento del motor por reducción de flujo, por lo qestos motores se comportan en vacío como los motores en derivación. En carga, el devanado en serie hace que el fluaumente, por lo que la velocidad tiende a disminuir, aunque no en la misma medida que lo hace un motor serie. Losmotores compuestos se utilizan en aquellos casos en los que el par de arranque de los motores con excitaciónderivación no son capaces de mover la carga, como, por ejemplo, en dispositivos de elevación.

Características de los motores con excitación compuesta

Características externas de comportamiento de velocidad vs torque de motores de c.c.

Estas curvas, que representan la velocidad en función del torque, se expresan en porcentaje o en por unidad (pu) de lcaracterísticas nominales de la máquina.







Motor con imán permanente

Existen motores de imán permanente (PM, permanent magnet), en tamaños de fracciones de caballo y de númepequeños enteros de caballos. Tienen varias ventajas respecto a los del tipo de campo devanado. No se necesitan laalimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado asociado. Se mejora la confiabilidad, ya que noexisten bobinas excitadoras del campo que fallen y no hay probabilidad de que se presente una sobre-velocidad debida pérdida del campo. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la eliminación de pérdida de potencia en un campoexcitador. Así mismo, la característica par contra corriente se aproxima más a lo lineal. Un motor de imán permanente(PM) se puede usar en donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación

continua.

motor de imán permanente Del motor de iman permanente se puede decir:

El campo está hecho con imán permanente. Para conseguir la densidad de flujo deseada se utilizan materiales como

o Tierras raras: Samariun cobalt, Boron iron

o Cerámica

o Alnico

Ventajas de los motores DC de iman permanente

• Como estos motores no requieren un circuito de campo externo, no tienen las pérdidas de cobre del circuito de

campo que corresponden a los motores de c.c. en derivación.

• Puesto que no requieren embobinados de campo, pueden ser más pequeños que los correspondientes motores

c.c. en derivación. Se utilizan en caballajes pequeños donde es necesario un ahorro de espacio.• La mayor ventaja de este tipo de motor, con respecto a los motores de inducción y sincrónicos convencionales, e

la ausencia de pérdidas de deslizamiento y la natural habilidad de suministrar corriente reactiva, dependiendo de

las condiciones de excitación tanto del imán como de la armadura,

• Presenta un aumento general de la eficiencia de conversión de energía como también de la disminución de los

costos de mantenimiento, y pérdidas asociadas a la refrigeración del motor.

Entre las desventajas se encuentran:

o Los imanes permanentes no pueden producir una densidad de flujo tan alta como un campo en derivaciónsuministrando externamente.







o Tendrán un menor momento inducido por amperio de corriente inducida que un motor en derivación del mismtamaño e iguales características.

o Los CCIP presentan riesgos de desmagnetización.o La corriente de inducido Ia de una máquina de c.c. produce su propio campo magnético inducido.o La fuerza magnetomotriz de inducido se sustrae de la fuerza magnetomotriz de los polos bajo porciones de la

superficies polares, reduciendo el flujo neto total de la máquina. (efecto reacción de inducido)

Aplicaciones y ventajas de los motores de corriente continua.

Aunque el precio de un motor de corriente continua es considerablemente mayor que el de un motor de inducción deigual potencia, existe una tendencia creciente a emplear motores de corriente continua en aplicaciones especiales.La gran variedad de la velocidad, junto con su fácil control y la gran flexibilidad de las características par-velocidad demotor de corriente continua, han hecho que en los últimos años se emplee éste cada vez más con máquinas develocidad variable en las que se necesite amplio margen de velocidad y control fino de las mismas. Existe un crecientnúmero de procesos industriales que requieren una exactitud en su control o una gama de velocidades que no se pueconseguir con motores de corriente alterna.

El motor de corriente continua mantiene un rendimiento alto en un amplio margen de velocidades, lo que junto con sualta capacidad de sobrecarga lo hace más apropiado que el de corriente alterna para muchas aplicaciones. Los motorde corriente continua empleados en juguetes, suelen ser del tipo de imán permanente, proporcionan potencias desdealgunos vatios a cientos de vatios. Los empleados en giradiscos, unidades lectoras de CD, y muchos discos de

almacenamiento magnético son motores en los que el rotor es de imán fijo y sin escobillas. En estos casos el inductoresta formado por un juego de bobinas fijas, y un circuito electrónico que cambia el sentido de la corriente a cada una las bobinas para adecuarse al giro del rotor. Este tipo de motores proporciona un buen par de arranque y un eficientecontrol de la velocidad.Una última ventaja es la facilidad de inversión de marcha de los motores grandes con cargas de gran inercia, al mismtiempo que devuelven energía a la l ínea actuando como generador, lo que ocasiona el frenado y la reducción develocidad.

Las principales aplicaciones del motor de corriente continua son:

• Trenes de laminación reversibles. Los motores deben de soportar una alta carga. Normalmente se utilizan varios

motores que se acoplan en grupos de dos o tres.

• Trenes Konti. Son trenes de laminación en caliente con varios bastidores. En cada uno se va reduciendo más la

sección y la velocidad es cada vez mayor.

• Cizallas en trenes de laminación en caliente. Se utilizan motores en derivación.

• Industria del papel. Además de una multitud de máquinas que trabajan a velocidad constante y por lo tanto se

equipan con motores de corriente continua, existen accionamientos que exigen par constante en un amplio marge

de velocidades.

• Otras aplicaciones son las máquinas herramientas, máquinas extractoras, elevadores, ferrocarriles.

• Los motores desmontables para papeleras, trefiladoras, control de tensión en máquinas bobinadoras, velocidad

constante de corte en tornos grandes

• El motor de corriente continua se usa en grúas que requieran precisión de movimiento con carga variable (cosa ca

imposible de conseguir con motores de corriente alterna).

Debido a su versatilidad en las aplicaciones, el motor de Corriente Continua posee una grande parcela del mercad

de motores eléctricos, destacándose:

• Máquinas operatrices en general; Bombas de pistón, Pares de fricción, Herramientas de avance, Tornos,

bobinadoras, Mandriladoras, Trituradoras, Máquinas textiles, Gañidos y grúas, Pórticos, Vehículos de tracción

• Prensas, Máquinas de papel, Industria química y petroquímica, Industrias siderúrgicas, Hornos, exhaustores,

separadores y cintas transportadoras para industria de cemento.







Esquemas de conexión de los distintos tipos de motores de corriente continua.

Representación esquemática y simbólica de un motor de corriente continua excitación serie

Representación esquemática y simbólica de un motor de corriente continua excitación

Representación esquemática y simbólica de un motor de corriente continua excitación shunt







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Conceptos Basicos de Motores DC