Motores de corriente continua
EL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
El
generador de cc es una máquina reversible. Es decir, puede actuar también como
motor, transformando la energía eléctrica de una línea de cc en energía
mecánica. Así pues, esencialmente, ambas máquinas son semejantes.
Como
en la actualidad la producción de energía eléctrica se lleva a cabo casi en su
totalidad bajo la forma de corriente alterna, la máquina de cc es más utilizada
como motor que como generador.
2.1. FUNCIONAMIENTO DE UN
MOTOR ELEMENTAL
Un
motor elemental de cc dispone de una espira conductora rectangular, por la que
circula una corriente eléctrica, situada en el seno de un campo magnético
uniforme. Éste ejerce sobre la espira un par de fuerzas electromagnéticas que
la hacen girar produciendo un trabajo mecánico.
Los
cuatro lados de la espira experimentan fuerzas magnéticas. Puede comprobarse,
aplicando la regla de la mano izquierda, que las fuerzas sobre los lados AB y
CD son iguales y de sentido contrario, por lo que su resultante es nula. Sin
embargo, sobre los lados BC y AD se crea un par de fuerzas que hace girar a
la espira alrededor del eje 00'. Como los extremos de la espira están
conectados a un colector de delgas, el sentido de la corriente se invierte
cada media vuelta y el par de fuerzas hace girar a la espira siempre en el
mismo sentido.
2.2. MOTOR REAL
Dada
la reversibilidad del generador de cc, los componentes fundamentales de un
motor real son los mismos que los de la dinamo:
El
estator, en el que se sitúa el
devanado inductor.
El
rotor, o parte giratoria, aloja el
devanado inducido y se conecta con el circuito exterior mediante el colector y
las escobillas.
Fuerza contraelectromotriz
Cuando
el rotar gira, los conductores del inducido cortan las líneas de fuerza del
campo magnético y se induce en ellos una fem. Su sentido es tal que, de acuerdo
con la ley de Lenz, se opone a la causa que la genera, es decir, a la corriente
del inducido y a la de excitación de las bobinas inductoras, responsables del
giro del rotor. Por ello, esta fem recibe el nombre de fuerza
contraelectromotriz, fcem.
La
fcem ε' se calcula mediante la misma
expresión matemática utilizada para el cálculo de la fem producida en el inducido
de la dinamo. Es proporcional a la velocidad de giro y al flujo inductor por
polo:
Tensión aplicada.
Funcionamiento en vacío y en carga
La
tensión de red aplicada al inducido, cuando el motor funciona en carga
suministrando energía mecánica al exterior, debe contrarrestar la fcem el motor
y las caídas de tensión en el inducido y las escobillas:
Cuando
funciona en vacío (no suministra energía mecánica a pesar de girar a su
velocidad nominal), la tensión aplicada es aproximadamente igual a la fcem si
se desprecian las caídas de tensión:
Par motor
La
acción de las fuerzas electromagnéticas sobre los conductores del inducido
dentro del campo magnético produce un par de giro en la periferia el rotor.
Este par es la suma de los pares que actúan sobre cada espira, su unidad es el
N·m y su valor es:
El
par motor en un motor de cc es directamente proporcional al flujo magnético
inductor por polo y a la corriente en el inducido.
A
los usuarios e instaladores, lo que les interesa es el par nominal en función de la potencia
nominal o útil de la máquina:
Sustituyendo:
Velocidad de giro
La
velocidad de giro del rotor n, en revoluciones por minuto, se despeja de la
expresión de la fcem:
Se
observa que la velocidad de rotación del motor es directamente proporcional a
la fcem e inversamente proporcional al flujo inductor por polo.
Corriente absorbida por el
motor
La
intensidad de corriente absorbida por el inducido del motor se obtiene a partir
de la expresión de la tensión aplicada al motor:
en vacío Ii= 0 por lo tanto ε’ = Vb si despreciamos Ve
en
cortocircuito o frenado mecánico ε’ = 0, el
inducido no gira
En
el momento del arranque, la fcem es nula y la corriente absorbida de la red, la
intensidad de arranque, es:
Como
la resistencia Ri del devanado inducido es muy pequeña (inferior a 1
Ω, Ia toma un valor
excesivamente elevado. Para limitar esta corriente y proteger el inducido,
puede intercalarse una resistencia de arranque Ra en serie con el
inducido hasta que el motor adquiera su velocidad nominal. Entonces:
Potencia y rendimiento
El
rendimiento industrial del motor es
el cociente entre la potencia útil mecánica Pu que suministra y la
potencia eléctrica Pa absorbida de la red:
donde IL
intensidad de corriente en la línea
El
rendimiento eléctrico del inducido
es el cociente entre la potencia útil Pu suministrada por el
inducido y la potencia absorbida por el mismo, Pai.
El
rendimiento eléctrico del inducido es siempre mayor que el rendimiento
industrial del motor, ya que el primero tiene en cuenta todas las pérdidas,
mientras que el segundo sólo considera las pérdidas eléctricas en el inducido.
2.3. TIPOS DE MOTORES SEGÚN
SU EXCITACIÓN
Como
sucede con las dinamos, los motores de cc, dependiendo del conexionado del
devanado inductor respecto del inducido, pueden ser de excitación
independiente, en derivación, en serie y compuesta.
Motores de excitación
independiente y en derivación
Aunque
en el motor de excitación independiente el devanado de excitación utiliza una
fuente de alimentación externa y en el motor en derivación el devanado de
excitación está conectado en paralelo con el inducido, ambos tipos de motores
tienen características semejantes de funcionamiento y diseño.
Tensión
en bornes: Vb = ε' + Ii
(Ri + Rp) + 2Ve
Corriente
por el inducido en el arranque:
Corriente
en el devanado inducido (excitación en derivación): li = I – Id
Corriente
en el devanado derivación (excitación en derivación): 
Motor de excitación
en serie
El
devanado de inductor está conectado en serie con el inducido.
Intensidad
de corriente: I = li = Is
Tensión
en bornes:
Vb = ε' + Ii
(Ri + Rp + Rs) + 2Ve
Corriente
en el arranque:
Intensidad
de corriente: I = li = Is
Motor de excitación
compuesta
Este
motor dispone de dos devanados de excitación (figura di, uno en serie con el
inducido y otro en derivación. La tensión en bornes y la corriente en el
arranque se calculan como en el motor de excitación en serie.
Corriente
en el devanado inducido: li
= I – Id
2.4. ENSAYOS DE MOTORES.
CURVAS CARACTERÍSTICAS.
Las
condiciones de funcionamiento de los motores de cc se estudian mediante el
análisis de sus curvas características, obtenidas en los ensayos de laboratorio.
Éstas curvas relacionan las magnitudes fundamentales del motor:
Característica de velocidad:
representa la velocidad del motor en función de la corriente del inducido: n =
f (Ii).
Característica del par motor:
representa el par motor en función de la corriente del inducido: M = f (Ii).
Característica mecánica:
representa el par motor en función de la velocidad: M = f (n).
Al
efectuar los ensayos de máquinas eléctricas, es importante disponer de la
documentación adecuada: procedimiento normalizado, conexionado, etc.
Motor de excitación
independiente y en derivación
Las
condiciones de funcionamiento de ambos tipos son semejantes, ya que el devanado
de excitación está alimentado en ambos casos por una red de tensión constante:
Característica de velocidad (figura
a). La velocidad del motor se mantiene prácticamente constante para cualquier
intensidad en el inducido, es decir, para cualquier carga (curva 1), pero
tiende a disminuir algo (curva 2) al aumentar la carga por la caída de tensión
en el inducido. En motores de gran potencia, en los que resulta muy elevado el
efecto de la reacción de inducido, la velocidad aumenta ligeramente con la
carga (curva 3).
El
motor en derivación es un motor autorregulador
de la velocidad.
Característica del par motor
(figura b). Si el flujo inductor permanece
constante, el par es directamente proporcional a la corriente del inducido: M =
k'. Ф .Ii
Característica mecánica (figura
c). Es la característica más interesante. Si permanece constante el flujo, la
velocidad disminuye muy ligeramente cuando aumenta el par. La abscisa para
valor nulo del par corresponde a la velocidad en vacío.
Ventajas:
el motor de excitación independiente permite una gran flexibilidad en el control
del inducido y de la excitación; en cuanto al de excitación en derivación, hay
que destacar su velocidad constante para cualquier régimen de carga y la
proporcionalidad entre par motor y corriente del inducido.
Inconvenientes: el
motor de excitación independiente necesita dos fuentes de alimentación.
Aplicaciones:
ambos se utilizan en torneado y taladrado de materiales, extrusión de plásticos,
ventilación de hornos, retroceso rápido en vacío de ganchos de grúa,
desenrollado de bobinas; además, el motor de excitación en derivación se usa en
máquinas que no precisan atención permanente debido a su velocidad constante:
ventiladores, bombas, etc.
Motor de excitación
en serie
Característica de velocidad
(figura d). Es aproximadamente una hipérbola equilátera.
A
medida que aumenta la corriente absorbida, disminuye la velocidad del motor.
Para corrientes absorbidas muy pequeñas, la velocidad alcanza valores muy
elevados y el motor se embala con riesgo de deterioro mecánico.
Característica del par motor
(figura e). La curva característica
correspondiente a esta función es una parábola. El par motor crece a medida
que aumenta la corriente absorbida.
Característica mecánica
(figura f). La curva se aproxima a una hipérbola equilátera, de modo que la
velocidad disminuye conforme el par aumenta. Para valores del par por debajo de
M', el motor tiende a embalarse, mientras que, para valores del par superiores
a M", el motor tiende a pararse.
Por
otra parte, como el producto (M. n) resulta aproximadamente constante para cualquier
carga, la potencia también lo es. Por eso decimos que este motor es autorregulador
de la potencia, propiedad interesante especialmente en las máquinas de
tracción.
Ventajas:
su elevado par de arranque y la constancia en la potencia suministrada. Inconvenientes:
es muy inestable debido a la gran variación de la velocidad en función de la
carga, con el riesgo de que el motor se embale si se trabaja con poca carga.
Aplicaciones:
tracción eléctrica en tranvías y locomotoras, grúas, bombas hidráulicas de
pistón.
Motor de excitación
compuesta
Característica de velocidad
(figura a). Al aumentar la corriente del inducido, el flujo producido por el devanado
en serie aumenta y, por lo tanto, el flujo total, disminuyendo la velocidad,
principalmente a plena carga. La forma de la curva depende de la relación entre
los flujos: si predomina el flujo derivación sobre el flujo serie, se obtiene
la curva 1; en caso contrario, resulta la curva 2.
Característica del par motor
(figura b). Cuando aumenta la carga, también aumenta el flujo y el par. Por lo
común, la curva es aproximadamente una parábola.
Característica mecánica
(figura c). La velocidad disminuye con la carga y el grado de variación depende
de la relación entre los devanados en serie y en derivación. La curva 1
corresponde a un motor con predomino de la excitación en derivación, mientras
que la curva 2 corresponde a un motor en el que están repartidos por igual los
efectos de los devanados en serie y en derivación.
Ventajas:
las mismas que en los motores en derivación y en serie. Inconvenientes:
presenta, aunque atenuados en mayor o menor grado, los inconvenientes de los
motores en derivación y en serie.
Aplicaciones:
tanto en máquinas herramientas como en máquinas de tracción, grúas, bombas de
pistón, ventiladores, compresores, laminadoras, limadoras
2.5. ¿CÓMO PODEMOS REGULAR Y
CONTROLAR LOS MOTORES DE CC?
Las
posibilidades de uso del motor de cc aumentan notablemente al disponer de una
regulación precisa de su velocidad y de otras características, lo que resulta
de gran utilidad en muchas aplicaciones prácticas.
Si
observamos la expresión de la velocidad de giro del motor, ésta depende fundamentalmente
de la tensión aplicada al inducido y del flujo magnético inductor: aumenta con
aquélla y disminuye con éste. Los otros términos de la expresión de la
velocidad son pequeños y contribuyen poco a su valor.
La
velocidad del motor puede regularse, entre otros, por estos métodos:
Control reostático en el
inducido. Si se mantiene constante el flujo, puede
regularse la tensión del inducido mediante una resistencia regulable en serie
con el inducido, o bien mediante gobierno electrónico.
Regulación del flujo
inductor. Si se mantiene constante la tensión aplicada
al inducido, puede variarse el flujo inductor mediante gobierno electrónico o
a través de la corriente de excitación de la que depende dicho flujo. Para
ello, en el motor en derivación se intercala un reóstato regulador en serie
con el devanado de excitación y, en el motor se ríe, en paralelo con aquél.
Los
sistemas electrónicos permiten regular y controlar el funcionamiento del motor
de cc: regulación de la velocidad, limitación de la corriente máxima en el
arranque, regulación del par, inversión del sentido de giro, frenado, etc.
La
velocidad de giro, se deduce de la
expresión de la fcem:
Motor
excitación independiente y en derivación:
Motor
de excitación serie:
Motor
compuesto (aditivo):
Фs flujo del devanado serie
Inversión del sentido de
giro
A
veces, es necesario que los motores de cc puedan girar indistintamente en un
sentido o en el contrario. Esta posibilidad es interesante en los motores de
tracción de las locomotoras, las grúas, etc.
Existen
dos formas de llevar a cabo la inversión del giro, ya sea de forma manual o
automática:
Cambiar
el sentido de la corriente en el inducido mediante la inversión de las
conexiones, como muestra la figura.
Cambiar
el sentido de la corriente en el circuito de excitación invirtiendo las
conexiones.
En
la práctica, la corriente que se invierte es la del devanado inducido. La
inversión en el circuito de excitación tiene algunas dificultades, debido
especialmente al elevado coeficiente inductivo del devanado.
2.6. BALANCE DE POTENCIAS
La
potencia eléctrica absorbida por el motor de la red de corriente continua, es
igual a la potencia eléctrica transformada en potencia mecánica en el motor más
las pérdidas en el hierro (debidas a la histéresis y a las corrientes de Foucoult) y por
rozamiento o mecánicas.
Vb.
IL = ε' Ii + PFe + Pm
Vb.
IL = Pa potencia absorbida (potencia suministrada al
motor)
ε'
Ii = Pi potencia interna o potencia mecánica (eléctrica
transformada en mecánica por el motor)
A
su vez la potencia mecánica interna es la potencia útil más la suma de pérdidas
por efecto Joule en los devanados inducido y de excitación, además de las
pérdidas en escobillas.
ε' Ii
= Pu + Ri Ii2 + Re Iex2
+ Pescobillas
Pescobillas
= pérdidas por contacto de escobillas
Ri
Ii2 pérdidas por efecto Joule en el devanado del inducido
Re
Iex2 pérdidas por efecto Joule en el devanado de
excitación (hay que tener en cuenta el tipo de excitación en el motor)
RESUMEN
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