Motor de corriente continua

Máquinas de corriente continua . 1
Motor de corriente continua
El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en
mecánica.
Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria. Su fácil
control de posición, paro y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en
aplicaciones de control y automatización de procesos. La llegada de la electrónica ha
supuesto que los motores de corriente alterna sean controlados de igual forma,
sustituyendo a los de continua. A pesar de esto los motores de corriente continua se siguen
utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas,
micro motores, etc.)
La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la
velocidad desde vacío a plena carga.
Principio de funcionamiento
Esquema del funcionamiento de un motor de c.c.
elemental de dos polos con una sola bobina y dos delgas
en el rotor. Se muestra el motor en tres posiciones del
rotor desfasadas 90º entre sí. 1, 2: Escobillas; A, B:
Delgas; a, b: Lados de la bobina conectados
respectivamente a las delgas A y B.
Cuando un conductor por el que pasa una corriente
eléctrica se sumerge en un campo magnético, el
conductor sufre una fuerza perpendicular al plano
formado por el campo magnético y la corriente,
siguiendo la regla de la mano derecha, con módulo F =
B·l·I (F: Fuerza en newtons, I: Intensidad que recorre
el conductor en A, l: Longitud
del conductor en metros y B:
Densidad de campo magnético
en teslas).
La cruz indica intensidad entrante (alejándose de observador), el punto saliente.
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Regla de la mano derecha: si colocamos el dedo anular en el
sentido de las líneas de fuerza del campo magnético, el dedo
índice en el sentido de la corriente, el dedo pulgar marcara el
sentido de la fuerza que aparece sobre el conductor.
Esa fuerza hace que el conductor se desplace, pero al estar
fijo sobre un eje al que solo se le permite girar se produce un
movimiento giratorio de velocidad angular Ω.
Debido a las delgas, que captan la corriente mediante las escobillas que friccionan sobre
ellas, cuando el conductor se sitúa enfrente de otro polo distinto, se produce un cambio de
polaridad y el movimiento sigue en la misma dirección, produciéndose un giro completo.
Partes de un motor de cc
Estator. Es la parte que no gira del motor, comprende la carcasa y los polos inductores,
junto con sus bobinados, así como las conexiones exteriores.
Polos. Son los electroimanes que crean el campo magnético estático, siempre se encuentran
en número par. En motores muy pequeños pueden sustituirse por imanes permanentes.
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Rotor. Es la parte que gira del motor, comprende los bobinados inducidos, las delgas, el eje,
etc.
Colector de delgas. Son el conjunto de delgas, separadas y aisladas entre s si y dispuestas
en forma de anillo que están conectadas a cada una de las bobinas del rotor y les aportan
corriente a través de las escobillas.
Escobillas. Formadas de grafito, son las piezas estáticas que rozan sobre las delgas y les
transmiten por contacto la energía eléctrica.
Bobinado o devanado del inducido. Son las bobinas dispuestas en el rotor, que forman el
campo magnético que produce el giro del motor, debido a las fuerzas electromagnéticas que
se crean entre estas bobinas y las del estator.
Otros elementos del motor son el eje, los cojinetes o rodamientos, el ventilador y la placa
de conexiones o de bornes.
Generador de corriente continua
También llamado dinamo, el generador es en realidad la misma máquina que el motor
eléctrico, salvo que si este último transforma energía eléctrica en mecánica, el generador
produce energía eléctrica a partir de energía mecánica.
Cuando un conductor está sometido a un campo magnético variable, se genera en él una
corriente eléctrica. Si el campo magnético es constante pero es el conductor el que se
desplaza dentro de él, se consigue el mismo efecto ya que la intensidad del campo que
afecte al conductor será diferente en cada momento.
La diferencia de potencial que se genera en un conductor de longitud l que se desplaza en
un campo magnético de densidad de campo B, a una velocidad v, recibe el nombre de fuerza
electromotriz, y viene determinada por la expresión:
E=B·l·v
E se mide en voltios
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BALANCES ENERGÉTICOS

Perdidas mecánicas: Debidas al rozamiento y a la dedicada a la refrigeración
(ventilador).

Perdidas electro-magnéticas: Debidas a corrientes de Foucauld, al entrehierro y al
ciclo de histéresis.

Perdidas eléctricas: debidas al efecto Joule.
Rendimiento de la máquina = energía útil / energía absorbida
En general usaremos la expresión en porcentaje:
η=
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Balance de potencias
La fuerza electromotriz (E), también conocida por f.e.m., generada en el interior del
generador responde a la siguiente ecuación:
Donde:

2p es el número de polos de la máquina, siendo p el número de pares de polos.

Z es el número de conductores activos por rama.
es el flujo por polo.


n es la velocidad en revoluciones por minuto (rpm) de la máquina.

2ª es un parámetro que depende del tipo de bobinado. Bobinado imbricado 2a=2p,
bobinado ondulado 2a=2.
La potencia interna de la máquina será por lo tanto
Pinterna = E·Ii
(Ii= corriente por el inducido).
Dado que la fuerza electromotriz es consecuencia directa de la transformación mecánica
interna, se puede decir que
Pinternab = Minterno·W
Donde w es la velocidad angula en rad/s y Minterno es el par interno que es el par aplicado en
el eje menos las perdidas mecánicas. Por lo tanto:
Minterno =
,
siendo
, n en rpm. tenemos que
Fuerza contraelectromotriz (E’). En un motor, por el hecho de tener unos conductores
girando dentro de un campo magnético, se genera en ellos una fuerza electromotriz, en
este caso llamada contraelectromotriz, ya que es de polaridad opuesta a la tensión aplicada
en bornes del motor (Vb). Por lo tanto en un motor tenemos que la potencia interna es:
Pinterna = E’·Ii = Minterno·W
Tanto la fuerza contraelectromotriz, como el par se obtienen con las mismas ecuaciones
que en caso del generador.
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El balance de potencias en un motor y en un generado serían los expresados en el siguientes
gráficos, donde Ii es la intensidad por el devanado inducido, Iex es la que circula por el
inductor o de excitación, Rex es la resistencia del devanado de excitación o del estator, Ri
es la resistencia del devanado del inducido o rotor. Vb es la tensión en bornes del motor o
del generador y E y E’ son la fem y la fcem respectivamente en generador y motor.
Conexión serie.
El devanado del inductor se conecta en serie con el del inducido, para que haya poca caída
de tensión en el devanado inductor, este, está constituido con un devanado de pocas espiras
y de gran sección, dado que la intensidad que lo recorre es elevada se consigue una buena
intensidad de campo en los polos de la máquina.
En general un motor de corriente continua en excitación serie suele tener un buen par de
arranque, pero puede tender a acelerarse en vacío. Para evitar intensidades elevadas
durante el arranque se puede recurrir a un reóstato de arranque, cuya resistencia (Ra) se
coloca en serie con el inducido y se va eliminando a medida que el motor adquiere velocidad.
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Del análisis del circuito se desprenden las
siguientes ecuaciones:
Vb = E’ + Ri·Ii + Rex·Iex
Dado que en este tipo de motor solamente existe
una intensidad, tenemos que:
Vb = E’ + Ri·It + Rex·It
O lo que es lo mismo:
Vb = E’ + (Ri + Rex)·It
En este tipo de motor, la intensidad absorbida es
en todo momento:
Dado que E’ depende de la velocidad de giro, a
bajas vueltas, es prácticamente cero. Por lo que
en el momento del arranque la intensidad será
muy elevada ya que hemos dicho que la
resistencia de los devanados es baja.
Conexión paralelo o derivación
En este tipo de conexión el devanado
del estator o de excitación se
conecta en paralelo con el del
inducido. El devanado de excitación
tiene muchas vueltas y poca sección,
para conseguir al mismo tiempo una
gran resistencia y una buena
intensidad de campo.
Del circuito se desprende:
Vb = E’ + Ri·Ii
También:
Vb = Rex·Iex
La intensidad total vendrá dada por: It = Ii+Iex
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Este tipo de motor no se acelera en vacío ya que su intensidad de arranque nunca es muy
elevada, ya que Iex es consatante.
Por contrapartida es un motor que no posee el elevado par de arranque que tiene el de
conexión serie.
Conexión compound o compuesta.
Se trata de la búsqueda del
equilibrio entre ambos tipos
de conexión por lo que se
dividió el bobinado de
excitación en dos partes, una
de gran resistencia y muchas
vueltas colocada en paralelo
y otra de pocas vueltas y
gran sección colocada en
serie.
En un principio esta conexión
aporta mas estabilidad en el
arranque, al mismo tiempo
que se obtiene un buen par
de arranque. El problema es
que al tener doble bobinado
en cada uno de los polos la
maquina crece tanto en
tamaño como en presupuesto.
Del análisis del circuito se desprenden las siguientes ecuaciones:
Vb = E’ + (Ri + Rex Serie)·Ii
O también:
Vb = Rex Paral.·Iex
It = Ii + Iex
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GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA O DINAMOS
Las posibles conexiones internas de una dinamo son las
mismas que en el caso de los motores. En esos casos la
corriente fluye desde dentro, siendo la f.e.m. superior a la
tensión en bornes, ya que se produce una caída de tensión en
los devanados. En función del tipo de conexión las ecuaciones
son las siguientes:
Generador serie
Vb = E - Ri·Ii - Rex·Iex
Vb = E - (Ri + Rex)·It
Conexión paralelo o derivación
Del circuito se desprende:
Vb = E - Ri·Ii
También:
Vb = Rex·Iex
It = Ii-Iex
Conexión compound o compuesta.
Vb = E - (Ri + Rex Serie)·Ii
También: Vb = Rex Paral.·Iex
It = Ii - Iex
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EJERCICIOS MAQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA
1. Un motor derivación de 440V, 20A, 10Cv y 1500 rpm, tiene una resistencia de inducido
de 0,2Ω y de excitación de 440Ω. Calcular funcionando a plena carga: a)f.c.e.m
b)Intensidad de arranque c)Valor de la resistencia del reóstato de arranque que habría que
colocar para que la intensidad de arranque no sea superior a dos veces la nominal.
2. Una dinamo tetrapolar de devanado imbricado y 400 conductores activos, gira a 1200
rpm. Calcular la fuerza electromotriz generada si el flujo útil por polo es de 0,03Wb.
3. Una dinamo serie de 5 Kw y 125V tiene una resistencia del inducido de 0,1 Ω y del
devanado de excitación de 0,05Ω. Calcular la f.e.m. a plena carga.
4. Una dinamo serie suministra a una carga de 20Ω una intensidad de 10A, sabiendo que la
resistencia del inducido es de 0,15Ω y la de excitación es de 0,05Ω. Calcular a)La tensión
en bornes b)potencia útil c)valor de la f.e.m d) Potencia perdida por efecto Joule
5. Un motor con bobinado imbricado, tiene 700 conductores, gira a 800 rpm, el flujo por
polo es de 0,09Wb y la intensidad por el inducido es de 216A. Calcular: a) fuerza
contraelectromotriz b) Potencia interna c)Par útil si consideramos despreciables las
perdidas mecánicas.
6. Un motor serie de corriente continua de 20Cv, 230V, 900 rpm y un rendimiento del
84,2%, tiene una resistencia de inducido de 0,02Ω y de excitación de 0,05Ω. Calcular
cuando función a plena carga: a) Intensidad que consume b) Valor de la f.e.m. c) Momento
de rotación útil d)Potencia interna e)Potencia perdida por efecto Joule d)Resistencia del
reostato de arranque para que la intensidad de arranque no sea superior a 1,5 veces la
nominal.
7. Un motor derivación tiene una resistencia de excitación de 600Ω y de inducido de 0,1Ω.
En la placa de características figuran los siguientes datos: 600V, 100Cv, 138 A, 1200 rpm.
Calcular para estos valores nominales: a)rendimiento a plena carga b) Intensidad de
corriente de inducido c) valor de la f.c.e.m d) Potencia electromagnética (interna) e) Par
útil f)Intensidad de corriente por el inducido en el momento del arranque g) valor de la
resistencia del reóstato de arranque que habría que colocar en serie con el inducido para
que la intensidad de arranque no superes 1,5 veces la nominal.
8. Un motor compound de 25Cv, 240V, 89A, 600 rpm tiene una resistencia de inducido de
0,8Ω, de excitación serie de 0,02Ω y de excitación paralelo o derivación de 160Ω.
Calcular: a)Intensidad por el devanado de derivación. b)Intensidad por el inducido
c)Rendimiento d)valor de la f.c.e.m e)Par interno f)par útil.