Motores y generadores eléctricos

INTRODUCCIÓN:
Los Motores y generadores eléctricos, son un grupo de aparatos que se utilizan para convertir la energía
mecánica en eléctrica, o a la inversa, con medios electromagnéticos. A una máquina que convierte la energía
mecánica en eléctrica se le denomina generador, alternador o dínamo, y a una máquina que convierte la
energía eléctrica en mecánica se le denomina motor.
Dos principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los
motores. El primero es el principio de la inducción descubierto por el científico e inventor británico Michael
Faraday en 1831. Si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las
proximidades de un circuito de conducción fijo cuya intensidad puede variar, se establece o se induce una
corriente en el conductor. El principio opuesto a éste fue observado en 1820 por el físico francés André Marie
Ampère. Si una corriente pasaba a través de un conductor dentro de un campo magnético, éste ejercía una
fuerza mecánica sobre el conductor.
La máquina dinamoeléctrica más sencilla es la dinamo de disco desarrollada por Faraday, que consiste en un
disco de cobre que se monta de tal forma que la parte del disco que se encuentra entre el centro y el borde
quede situada entre los polos de un imán de herradura. Cuando el disco gira, se induce una corriente entre el
centro del disco y su borde debido a la acción del campo del imán. El disco puede fabricarse para funcionar
como un motor mediante la aplicación de un voltaje entre el borde y el centro del disco, lo que hace que el
disco gire gracias a la fuerza producida por la reacción magnética.
El campo magnético de un imán permanente es lo suficientemente fuerte como para hacer funcionar una sola
dinamo pequeña o motor. Por ello, los electroimanes se emplean en máquinas grandes. Tanto los motores
como los generadores tienen dos unidades básicas: el campo magnético, que es el electroimán con sus
bobinas, y la armadura, que es la estructura que sostiene los conductores que cortan el campo magnético y
transporta la corriente inducida en un generador, o la corriente de excitación en el caso del motor. La
armadura es por lo general un núcleo de hierro dulce laminado, alrededor del cual se enrollan en bobinas los
cables conductores.
Generadores de CC. Dinamos
Si una armadura gira entre dos polos de campo fijos, la corriente en la armadura se mueve en una dirección
durante la mitad de cada revolución, y en la otra dirección durante la otra mitad. Para producir un flujo
constante de corriente en una dirección, o continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un
medio para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución. En las máquinas
antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el
eje de una armadura. Las dos mitades del anillo se aislaban entre sí y servían como bornes de la bobina. Las
escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contra del conmutador, que al girar conectaba
eléctricamente la bobina a los cables externos. Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto
de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la
corriente invertía su dirección dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de una
dirección en el circuito exterior al que el generador estaba conectado. Los generadores de corriente continua
funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y
el conmutador a voltajes altos. El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de
1.500 V. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia
electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo.
Los generadores modernos de corriente continua utilizan armaduras de tambor, que suelen estar formadas por
un gran número de bobinas agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura y
conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador múltiple. Si una armadura tiene un solo circuito de
cable, la corriente que se produce aumentará y disminuirá dependiendo de la parte del campo magnético a
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través del cual se esté moviendo el circuito. Un conmutador de varios segmentos usado con una armadura de
tambor conecta siempre el circuito externo a uno de cable que se mueve a través de un área de alta intensidad
del campo, y como resultado la corriente que suministran las bobinas de la armadura es prácticamente
constante. Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o más polos electromagnéticos que
aumentan el tamaño y la resistencia del campo magnético. En algunos casos, se añaden interpolos más
pequeños para compensar las distorsiones que causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico
del campo.
Los generadores de corriente continua se clasifican según el método que usan para proporcionar corriente de
campo que excite los imanes del mismo. Un generador de excitado en serie tiene su campo en serie respecto a
la armadura. Un generador de excitado en derivación, tiene su campo conectado en paralelo a la armadura. Un
generador de excitado combinado tiene parte de sus campos conectados en serie y parte en paralelo. Los dos
últimos tipos de generadores tienen la ventaja de suministrar un voltaje relativamente constante, bajo cargas
eléctricas variables. El de excitado en serie se usa sobre todo para suministrar una corriente constante a voltaje
variable. Un magneto es un generador pequeño de corriente continua con un campo magnético permanente.
Una dinamo es una máquina eléctrica que produce energía
eléctrica en forma de corriente continua aprovechando el
fenómeno de inducción electromagnética. Para ello está
dotada de un armazón fijo (estator) encargado de crear el
campo magnético en cuyo interior gira un cilindro (rotor)
donde se crearán las fuerzas electromotrices inducidas.
Estator
Consta de un electroimán encargado de crear el campo
magnético fijo conocido por el nombre de inductor.
Rotor
Es un cilindro donde se enrollan bobinas de cobre,
que se hace girar a una cierta velocidad cortando el
flujo inductor y que se conoce como inducido.
Principio de funcionamiento
Haciendo girar una espira en un campo magnético se
produce una f.e.m. inducida en sus conductores. La tensión
obtenida en el exterior a través de un anillo colector y una
escobilla en cada extremo de la espira tiene carácter
senoidal.
Conectando los extremos de la espira a unos semianillos
conductores aislados entre sí, conseguiremos que cada
escobilla esté siempre en contacto con la parte de inducido
que presenta una determinada polaridad.
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Durante un semiperiodo se obtiene la misma tensión alterna pero, en el semiperiodo siguiente, se invierte la
conexión convirtiendo el semiciclo negativo en positivo.
El inducido suele tener muchas más espiras y el anillo colector
está dividido en un mayor número de partes o delgas, aisladas
entre sí, formando lo que se denomina el colector.
Las escobillas son de grafito o carbón puro montado sobre
portaescobillas que mediante un resorte aseguran un buen
contacto.
Al aumentar el número
de delgas, la tensión
obtenida tiene menor
ondulación acercándose
más a la tensión continua
que se desea obtener.
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:
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E = f.e.m. (V).
N = nº conductores del inducido.
n = velocidad (r.p.m.).
ð = flujo por polo (Wb).
p = nº de pares de polos.
a = pares de circuitos del inducido.
Como los términos 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
Reacción del inducido
El flujo principal de una dinamo está producido por
las bobinas de la excitación colocadas en las masas
polares. Este flujo lleva dirección norte−sur y da
lugar a una línea neutra perpendicular al eje de los
polos.
Cuando los conductores del inducido son recorridos
por una corriente eléctrica, producen un campo
magnético que, según la regla del sacacorchos, es
perpendicular al flujo principal.
El campo transversal debido a la reacción de
inducido se suma vectorialmente al flujo principal,
dando como fruto un campo magnético resultante
cuya línea neutra queda desviada de la original.
Para evitar los efectos perjudiciales de la reacción
de inducido existen dos posibilidades:
• La desviación de las escobillas en el mismo sentido de giro de la dinamo. Tiene el inconveniente de
variar el ángulo para cada corriente de inducido, por lo que sólo será adecuada para una corriente
determinada.
• Disponer polos de conmpensación en la culata del generador haciendo circular por ellos la corriente
de inducido, de tal forma que se produzca un campo transversal del mismo valor y sentido contrario al
de la reacción de inducido.
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En máquinas de gran potencia, aparte de los polos de conmutación se coloca en ranuras de los polos
principales un devanado compensador en serie con el inducido para eliminar las distorsiones del campo
principal debidas al flujo transversal.
Dinamo de excitación independiente
La corriente de excitación con la que se alimenta a las bobinas
inductoras se proporciona mediante una fuente de energía exterior,
como una batería de acumuladores o una fuente de alimentación.
A la fuerza electromotriz, para dar la tensión en bornes, se le han
considerado las siguientes caídas de tensión:
• En la resistencia de contacto de las escobillas.
• En la resistencia (en caliente) del inducido.
• En la resistencia (en caliente) de los polos auxiliares.
No se ha tenido en cuenta la reacción de inducido.
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En la característica en carga de esta dinamo para una cierta
velocidad, puede verse como la tensión disminuye al aumentar la
intensidad de carga.
También puede comprobarse que la tensión disminuye al reducir
la corriente de excitación del inductor.
La ventaja de este sistema es que se puede variar libremente el
flujo, tanto en vacío como en carga.
Su inconveniente es el de necesitar una fuente independiente de
tensión para obtener la excitación
DESIGNACIÓN DE TERMINALES
INDUCIDO
A−B
Tanto para generadores como para motores la primera letra
indica el extremo por el que entra la intensidad (+) y la segunda
letra el extremo por el que sale (−), con la única salvedad del
inducido de una dinamo o generador de corriente continua que
hace salir la corriente por el extremo A, ya que éste se
comporta como un generador.
EXCITACIÓN EN DERIVACION
C−D
EXCITACIÓN EN SERIE
E−F
POLOS AUXILIARES
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G−H
EXCITACIÓN INDEPENDIENTE
J−K
Dinamo de excitación serie
El devanado inductor se conecta en serie con el
inducido, de tal forma que toda la corriente que
el generador suministra a la carga fluye por
igual por ambos devanados.
Dado que la corriente que atraviesa al devanado
inductor es elevada, se construye con pocas
espiras de gran sección.
Tiene el inconveniente de no excitarse al
trabajar en vacío. Así mismo se muestra muy
inestable por aumentar la tensión en bornes al
hacerlo la carga, por lo que resulta poco útil
para la generación de energía eléctrica.
Para la puesta en marcha es necesario que el
circuito exterior esté cerrado.
A partir de una tensión máxima, el aumento de intensidad hace
decrecer la tensión en bornes. Ello es debido a que la reacción de
inducido empieza a ser importante, las caídas de tensión van
aumentando y, sobre todo, los polos inductores se van saturando
con lo que el flujo no crece en la misma proporción que la
intensidad.
Como en el resto de las máquinas autoexcitadas, se necesita un
cierto magnetismo remanente que permita la creación de
corriente en el inducido al ponerse en movimiento los
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conductores.
El sentido de giro de la máquina siempre ha de ser tal que el
campo creado refuerce al del magnetismo remanente, de lo
contrario, lo anularía y la dinamo no funcionará.
Dinamo de excitación paralelo
Aquí se conecta el devanado inductor en
paralelo con el inducido.
Conviene que la mayor parte de la intensidad
producida por la dinamo circule por la carga y
que sea pequeña la intensidad por la excitación,
por ello las bobinas inductoras están formadas
por un gran número de espiras de pequeña
sección.
Para la puesta en marcha de esta máquina es
necesario abrir el circuito exterior, ya que de no
hacerse la intensidad generada se iría hacia la
carga, cuya resistencia puede ser mucho menor
que la de la excitación, siendo casi nula e
insuficiente la intensidad de excitación.
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La tensión que proporciona el generador a la carga se reduce más
drásticamente con los aumentos de corriente de carga que en la
dinamo con excitación independiente, debido a que al aumentar
la caída de tensión en el inducido con la carga, se produce una
disminución de la tensión en bornes, que provoca, a su vez, una
reducción de la corriente de excitación. Esto hace que la f.e.m.
inducida se vea reducida, pudiéndose llegar a perder la excitación
total de la dinamo para corrientes de carga muy elevadas.
A partir del punto de máxima intensidad el funcionamiento de la
máquina es inestable (la carga reduce su resistencia solicitando
mucha más intensidad, la intensidad de excitación se reduce y
con ello la fuerza electromotriz y la intensidad generada).
Cuando la dinamo llega al cortocircuito, la tensión en bornes es
cero y la intensidad de cortocircuito es menor que la intensidad
máxima de la máquina.
Dinamo de excitación compuesta
En la dinamo con excitación mixta o compuesta el
circuito inductor se divide en dos partes
independientes, conectando una en serie con el
inducido y otra en derivación.
Existen dos modalidades, la compuesta corta que
pone el devanado derivación directamente en
paralelo con el inducido (EAC) y la compuesta
larga que lo pone en paralelo con el grupo formado
por el inducido en serie con el otro devanado (FC).
El devanado serie aporta sólamente una pequeña
parte del flujo y se puede conectar de forma que su
flujo de sume al flujo creado por el devanado
paralelo (aditiva) o de forma que su flujo disminuya
el flujo del otro devanado (diferencial).
Así mismo, en función del número de espiras del
devanado serie su aportación de flujo será mayor o
menor, dando lugar a los tipos: hipercompuesta,
normal, hipocompuesta y diferencial.
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(Considerando CD los extremos de
Rd)
(Considerando CD los extremos de
Rd)
Gracias a la combinación de los efectos serie y derivación en la
excitación de la dinamo se consigue que la tensión que suministra
el generador a la carga sea mucho más estable para cualquier
régimen de carga.
La gran estabilidad conseguida en la tensión por éstas dinamos las
convierte, en la práctica, en las más utilizadas para la generación
de energía.
A medida que aumenta la intensidad de consumo, la excitación en
paralelo disminuye, pero la excitación en serie aumenta. De este
modo puede conseguirse una tensión de salida prácticamente
constante a cualquier carga.
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
sólo pueden ser alimentados a través de equipos rectificadores. En contrapartida, poseen un par de arranque
elevado, y su velocidad se puede regular con facilidad entre amplios límites, lo que los hace ideales para
aplicaciones donde sea importante el control y la regulación.
Principio de funcionamiento
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Cuando un conductor está inmerso en el seno de un
campo magnético y hacemos circular por él una corriente
eléctrica, aparecen unas fuerzas de carácter
electromagnético que tienden a desplazarlo.
Haciendo circular una corriente por una espira situada en
un campo magnético, cada conductor se verá sometido a
una fuerza 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
circule siempre en el mismo sentido manteniendo el
sentido del par y por tanto del giro.
Si se invierte el sentido de la corriente cambiando la
polaridad de la alimentación, se conseguirá cambiar el
sentido de giro.
Reacción de inducido
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 de conmutación o se decalan las escobillas.
Si se opta por desviar las escobillas habrá que hacerlo en sentido contrario al giro del motor.
Fuerza contraelectromotriz
A
Cuando el motor gira, los conductores del inducido cortan las líneas
del campo magnético del inductor, lo que hace que se induzca en
ellos una f.e.m. El sentido de dicha tensión es tal que, según la ley
de Lenz, se opone a la causa que 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
intensidad del inducido. Su valor aproximado es de unos 2V.
Así mismo, se debe tener en cuenta la resistencia óhmica de cada
devanado (del inducido y de los inductores).
B
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Corriente en el arranque
En el momento del arranque el motor parte de una posición de reposo. Al
estar parado el rotor, los conductores no 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 y por las resistencias de los
devanados que suelen ser muy pequeñas. Esto hace que la intensidad
absorbida en el arranque 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 a medida que el motor aumenta su velocidad.
Par motor
POTENCIA
ABSORBIDA
Los motores absorben de la red una potencia que es el producto de la tensión por
la intensidad absorbidas.
PERDIDAS JOULE
De la potencia absorbida por el motor de la red, una parte se pierde por efecto
Joule en cada uno de los bobinados de la máquina.
POTENCIA INTERNA
Descontadas estas pérdidas queda la llamada potencia interna que es aquella
potencia eléctrica que es transformada en potencia mecánica.
PERDIDAS
MECANICAS
POTENCIA UTIL
De la potencia mecánica interna desarrollada una parte se pierde como pérdidas
mecánicas, por rozamientos, ventilación, etc.
La potencia restante es la potencia útil, transmitida por el eje a la carga, cuya
relación con la potencia absorbida nos da el rendimiento de la máquina.
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Siendo el
rendimiento:
El par motor desarrollado en el eje es la
relación entre la potencia útil y la velocidad
angular.
Si expresamos la potencia en vatios y la
velocidad en rad/s obtennemos el par en N· m.
para pasar la velocidad en r.p.m. a rad/s:
ð = n · 2· ðððð
El par motor que desarrollan los conductores del rotor al ser recorridos por una corriente depende, según la ley
de Laplace, del valor de dicha corriente y del flujo desarrollado por el campo inductor.
Como los términos N, p y a son constantes:
El par motor es proporcional a la corriente del inducido y al flujo del campo magnético inductor.
Velocidad de giro
La velocidad de giro de un motor de corriente continua se puede determinar combinando las ecuaciones de
f.e.m. y de intensidad de corriente:
La velocidad de giro de un motor de CC aumenta con la
tensión aplicada, al disminuir la corriente de inducido y al
disminuir el campo inductor.
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El método más empleado, por su sencillez, es el de regular
el flujo inductor mediante un reóstato en serie con el
devanado inductor.
Motor con excitación independiente
El devanado de excitación se conecta a una fuente
de tensión diferente a la aplicada al inducido.
Sus características de funcionamiento son
parecidas a las del motor derivación pero, la
separación de la excitación, aporta mayores
ventajas para la regulación de velocidad.
En la figura se muestra, a modo de ejemplo, el
sistema de regulación de un motor de CC de
excitación independiente por dinamo
independiente.
El equipo se alimenta mediante corriente alterna
trifásica que, a su vez alimenta con CC regulada
de forma separada al devanado inductor e
inducido del motor. Con el potenciómetro de
referencia (Pot) se fija la velocidad de
funcionamiento deseada. La tacodinamo (DT) es
un pequeño generador de CC que genera una
tensión proporcional a la velocidad de giro del
motor que la arrastra. El equipo analiza las
señales de estos dos elementos y proporciona a
los devanados de inducido e inductor la tensión y
corriente continua necesaria para adaptarse a la
velocidad de referencia prefijada.
En el arranque el equipo proporciona al motor en
todo momento del proceso y de una forma
automática los valores de tensión y corriente
requeridos.
Motor de excitación derivación
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La excitación se conecta en paralelo con el inducido. Si existen devanados de polos auxiliares, se colocan en
serie con el inducido.
La intensidad total absorbida de la red por el motor se divide en dos, una que alimenta la excitación y otra que
pasa por el inducido.
Característica de velocidad
Según la ecuación de velocidad, manteniendo constante el campo
magnético y la tensión en bornes, al aumentar la intensidad de
carga la velocidad tiende a disminuir un poco debido al término
Ri·Ii (curva c). Por otro lado, al aumentar 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 que
la velocidad de un motor de excitación en derivación se mantiene
prácticamente constante para cualquier régimen de carga (curva
b).
La regulación de velocidad entre amplios límites se consigue
mediante un reóstato en serie con la excitación.
Característica del par motor
Relaciona el par motor con la corriente de inducido. Para un
determinado flujo constante el par motor es directamente
proporcional a la corriente de inducido:
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Característica mecánica
Relaciona el par motor con la velocidad. Es importante porque nos
indica la velocidad a la que girará el motor al aplicar un
determinado par resistente.
Considerando el flujo constante la velocidad también lo es para
cualquier par resistente.
El par aumentará incrementando la intensidad de inducido para
conseguir igualar el par resistente.
Motor con excitación en serie
La excitación está en serie con el inducido. La particularidad más importante es que la corriente de excitación
y de inducido es la misma.
Característica de velocidad
Como el flujo del campo magnético inductor es proporcional a la
corriente de excitación, este depende directamente de la intensidad
de carga del inducido.
En este caso la velocidad viene dada por la expresión:
......................
En este tipo de máquina los devanados son de pocas espiras y gruesas, por lo que la resistencia de los mismos
es muy pequeña y la caída de tensión en los mismos se puede despreciar.
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La característica de velocidad tiene forma de hipérbola. Según aumenta la intensidad del motor, este va
perdiendo velocidad, a la vez que aumenta su par.
Para corrientes muy pequeñas el motor tiende a alcanzar velocidades muy elevadas que pueden llegar a ser
peligrosas, por lo que no conviene hacer funcionar estos motores en vacío.
Característica de par motor
El par motor depende del flujo y de la intensidad de inducido.
Como en estos motores el flujo también depende de la intensidad
de inducido:
Esta ecuación representa una parábola. El par crece con el
cuadrado de la intensidad.
El motor serie tiene un elevado par de arranque debido al alto
valor de la intensidad de arranque.
Característica mecánica
Al aumentar el par resistente el motor reduce su velocidad a
la vez que consume más intensidad generando el par
suficiente. Si el par resistente es excesivo, el motor no
puede con la carga y tiende a pararse. Si el par resistente
disminuye 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, sobre la velocidad.
Motor de excitación compuesta
En estos motores se divide el devanado de
excitación en dos partes. Una de ellas se conecta en
serie con el inducido y la otra en derivación.
Existen dos modelos según se conecten los
devanados serie y paralelo
En la figura puede verse la conexión llamada
CORTA.
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En la figura puede verse la conexión llamada
LARGA.
Con el devanado en derivación se consigue evitar el peligro de enbalamiento del motor por reducción de flujo,
por lo que estos motores se comportan en vacío como los motores en derivación. En carga, el devanado en
serie hace que el flujo aumente, por lo que la velocidad tiende a disminuir, aunque no en la misma medida que
lo hace un motor serie.
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Se utilizan en aquellos casos en los que el par de arranque de los motores con excitación derivación no son
capaces de mover la carga, como, por ejemplo, en dispositivos de elevación.
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
magnetismo remanente de las piezas polares.
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