Motores de corriente continua (Parte 1ª)

Finalidad

Los motores eléctricos de corriente continua, convierten una energía eléctrica de entrada en una energía mecánica en su giro.

La energía eléctrica de entrada es corriente continua que puede ser suministrada mediante una batería.

Figura1: Esquema de la transformación de energía eléctrica en mecánica

de un motor de c.c.

Funcionamiento - Excitación del devanado inductor

El devanado inductor al ser excitado crea un campo magnético cuyas líneas de inducción atraviesan el entrehierro o espacio que separa los polos del rotor, de forma que la variación de la inducción a lo largo de la circunferencia del entrehierro presenta tantas alternancias como polos tiene la máquina.

Las generatrices de inducción nula, distribuidas regularmente a lo largo de la corona del entrehierro, se denominan líneas neutras de la máquina, siendo el número de éstas igual al de los polos.

Figura 2: Constitución de un motor de corriente continua

Leyenda de la figura 2:

(1) Piezas polares

Parte del circuito magnético de una máquina entre la culata y el entrehierro incluyendo el núcleo y, eventualmente, la expansión polar.

(2) Colector de delgas

Conjunto de láminas conductoras, aisladas unas de otras pero conectadas a las secciones de un devanado y sobre las cuales frotan las escobillas.

(3) Eje longitudinal

Árbol sobre el que va montado el inducido de las máquinas de corriente continua.

Figura 3: Eje longitudinal del motor de c.c.

(4) Culata o yugo

Pieza de sustancia ferromagnética no rodeada por devanados y destinada a unir los núcleos de los polos de una máquina.

(5) Bobina inductora

Devanado inductor. Destinado a conducir una corriente continua de excitación.

(6) Bobina de conmutación

Bobina destinada a mejorar la conmutación.

(7) Entrehierro

Distancia entre rotor y estator.

(8) Escobilla

Pieza conductora destinada a asegurar, por contacto deslizante, la conexión eléctrica de un órgano móvil con un órgano fijo.

Su posición coincide con la de una línea neutra.

(9) Polo auxiliar

Polo magnético suplementario provisto de uno o varios devanados y destinado a mejorar la conmutación.

(10) Núcleo del polo auxiliar

Parte de un circuito magnético principal rodeado por un devanado.

(11) Devanado inducido

Devanado conectado al circuito exterior y en el que tiene lugar la conversión principal de energía.

Curva de inducción

Figura 4: Curva de inducción en el entrehierro de una máquina de 4 polos

Al hacer girar el inducido mediante una máquina motriz cualquiera (agua, en una central hidroeléctrica; viento, en una eólica; etc.), los conductores del devanado cortarán las líneas de inducción del campo y en virtud del principio de inducción se nos inducirá en cada uno de ellos una f.e.m. cuya variación en el tiempo, supuesta una velocidad de giro constante, será proporcional a la inducción y cuya distribución en el espacio, a una escala determinada, coincidirá con la de la inducción.

Al situarnos sobre un conductor y seguir con un voltímetro, la variación de su f.e.m. en el tiempo, encontraremos una onda de variación de la función similar a la onda de inducción, es decir una onda alternativa, cuyo número de períodos por segundo o frecuencia de rotación  será igual al número de vueltas por segundo que dé la máquina multiplicado por el número de pares de polos de la misma.

Pese a que la f.e.m. que individualmente se tiene en cada bobina es alternativa, cambiando de sentido cada vez que la bobina pasa de un lado al otro de la línea neutra, la tensión que se recoge entre las escobillas es una tensión unidireccional y casi constante.

Figura 5: Onda de la f.e.m. inducida en el conjunto del inducido,

recogida por las escobillas

Es evidente que si conectamos a las escobillas un circuito de carga cualquiera, esta tensión originará el paso de una corriente a través del mismo que partiendo de la escobilla positiva recorrerá el circuito exterior y volverá a la máquina por la escobilla negativa.

Circuito equivalente

Figura 6: Circuito equivalente de un motor de corriente continua

Leyenda de la figura 6:

(1) Circuito de excitación (estator)

El devanado de excitación está formado por los arrollamientos de todos los polos de excitación conectados en serie a los que se aplica una tensión continua Ve que produce una circulación de corriente Ie que da lugar a una f.m.m. que origina el flujo Φ en el entrehierro de la máquina.

(1.1) Raj

La resistencia Raj representa una resistencia variable externa que se usa para controlar la cantidad de corriente en el circuito de excitación.

(1.2) Le, Re

El circuito de excitación, que produce el flujo magnético en el generador, se representa por la inductancia Le y la resistencia Re.

(2) Circuito del inducido (rotor)

El circuito del inducido se representa por el equivalente de toda la estructura del rotor, incluyendo las bobinas del inducido, los polos de conmutación y las bobinas de compensación, si las hay.

Esta equivalente incluye una fuente de voltaje ideal E, correspondiente a la tensión de vacío del generador, una resistencia Ri y una pequeña batería Vescob que representa la caída de tensión en los contactos escobillas-colector.

(2.1) La polaridad de Vescob. está en sentido contrario a el flujo de corriente del inducido ya que representa una caída de tensión.

(2.2) El devanado inducido del rotor gira dentro del campo de excitación movido por el momento de torsión desarrollado por el motor cuando se alimenta con una corriente su inducido.

Γ= K · Φ · li

A su vez, el movimiento de rotor inducirá una f.e.m. en el devanado inducido dado por:

E = K · Φ · ω

K : constante propia de la máquina

Φ : flujo de excitación

ω : velocidad de giro

Ii : corriente por el inducido

(2.3) Ii es la corriente que circula por los devanados del rotor cuando se conecta a una fuente de corriente de tensión V.

Ecuaciones del motor c.c. en régimen permanente

Excitación (estátor): Ve = (Re+Raj) · Ie

Inducido:                   Vmotor = E + Ri · li + Vescob

                                   Γ = K · Φ · li         

                                   E = K · Φ · ω 

Circuito simplificado

En general se agrupan la resistencia interna de las bobinas de campo, Re, con la resistencia externa variable, Raj, bajo el nombre Re.

También, la caída de tensión de las escobillas se incluye en el valor de la resistencia de inducido.

Figura 7: Circuito equivalente simplificado

Balance energético

Figura 8: Representación del balance energético del motor de c.c

Leyenda de la figura 8:

(1) P1 Potencia eléctrica de entrada

·         Si el motor tiene excitación independiente será igual a la potencia que llega al inducido:

P1 = Pi

·         Si el motor es autoexcitado, P1 debe compensar las pérdidas del circuito de excitación Pexc:

P1 = Pi+Pexc

(2) Pi

Potencia electromagnética desarrollada por la máquina:

Pa = E – Ii

(3) Pexc.

Pérdidas en el circuito de excitación Pexc debidos al efecto Joule en el cobre de excitación.

Pexc = Ve · Ie = Re · Ie²

(4) Pescob.

Pérdidas debidas a la resistencia de contacto de las escobillas con el colector:

Pescob = Vescob · Ii

(5) Pcu_i

Pérdidas en el cobre de los devanados del inducido (rotor).

Pcu_i = Ri · Ii²

(6) Pfe

Pérdidas en el hierro, que incluyen las pérdidas por histéresis y las pérdidas por corriente de dispersión en los diversos circuitos magnéticos, principalmente el núcleo del rotor y las caras de los polos de excitación.

(7) Pa

·         Si el motor tiene excitación independiente esta potencia coincide con la entrada:

P i= P1

·         Si el motor es autoexcitado deben descontarse las pérdidas del circuito de excitación de la potencia de entrada para obtener Pi :

Pi = P1 - Pexc.

(8) Pmec.

Pérdidas mecánicas debidas al rozamiento en rodamientos y sistemas de ventilación.

(9) P2

Potencia mecánica útil en el árbol del motor.

P2 = Pa – Pfe – Pmec

A tener en cuenta: Balance para motores de excitación independiente

Este diagrama energético es válido para todos los motores de c.c. autoexcitados, es decir donde la potencia de excitación proviene de la potencia de entrada.

Si el motor es de excitación independiente entonces la Pexc no interviene en el balance de la máquina puesto que la potencia de excitación proviene de una fuente exterior.

Figura 9: Balance energético para motores de c.c.

con excitación independiente

Reacción de inducido

Es la variación del flujo de la máquina debido a la fuerza magnética. Las bobinas inductoras, colocadas en los polos principales de la máquina, crean un campo magnético.

Figura 10: Reacción del inducido en una máquina de c.c.

Pero los conductores del inducido también originan otro campo magnético debido a la corriente que los atraviesa.

La composición de ambos campos, produce un nuevo campo resultante, o sea, aparece un flujo de la máquina modificado. A esto se le denomina reacción de inducido.

Problemas originados por la reacción de inducido

La reacción de inducido origina los siguientes problemas:

·         Provoca la desviación de las escobillas.

·         Aumenta la inducción en la mitad de un polo y lo disminuye en la otra mitad.

·         Disminuye el flujo principal.

·         Determina una caída de tensión.

·         Aumenta las pérdidas en el hierro.

·        Aumenta la tensión entre dos delgas continuas en el colector, orginando chispas en el propio colector.

·         La reducción del flujo comporta una disminución de la fuerza electromotriz inducida.

El fenómeno de la conmutación

La línea de escobillas establece una barrera de forma que la corriente del inducido a un lado de la escobilla tiene un sentido y en el otro el sentido opuesto. Como la máquina gira, cada vez que una bobina pasa de uno a otro lado de una escobilla se invertirá en ella el sentido de la corriente. Esta inversión y los fenómenos que acompañan a la misma, definen de una forma general el proceso de la conmutación.

El proceso de la conmutación es el más complejo y delicado en el funcionamiento de las máquinas de colector, por cuanto en él intervienen fenómenos electromagnéticos, térmicos, mecánicos y electromecánicos, íntimamente relacionados.

Tipos de motores de corriente continua

a) Motores de c.c. con excitación independiente

Es un motor cuya potencia de excitación la abastece una fuente de alimentación de tensión constante externa. La excitación también puede ser suministrada mediante imanes permanentes sin necesidad de fuentes externas.

Es el tipo de motor más adecuado (junto con el de excitación en derivación) cuando se requiere un accionamiento eléctrico de velocidad ampliamente regulable (por ejemplo del orden de 30 a 1), ya que permite el control mediante la tensión del inducido y mediante la corriente de excitación de un modo independiente.

Figura 11: Esquema del motor de corriente continua con excitación independiente

El circuito de excitación establece el flujo de excitación:

Ecuaciones eléctricas y mecánicas

Las ecuaciones eléctricas y mecánicas para este motor son:

Curva característica Par-Velocidad

Debido a la gran insensibilidad que presenta la velocidad del motor frente a variaciones de la carga (del par), se dice que es un accionamiento eléctrico a velocidad constante.

Figura 12: Curva característica Par-velocidad del motor de c.c. con excitación independiente

Leyenda de la figura 12:

(1) La curva característica es prácticamente una recta vertical. La pequeña caída de tensión proviene de la resistencia del inducido Ri, que suele ser muy pequeña (del orden de mΩ). Esto permite considerar de forma aproximada que este tipo de motor c.c. tiene una velocidad prácticamente constante con la carga.

(2) El punto de trabajo se obtiene por intersección de la curva del motor con la del par resistente.

Condiciones de funcionamiento

EN VACÍO:

Puede funcionar en vacío. En ese caso:

CON CARGA INFINITA (Bloqueando el motor)

No puede funcionar en estas condiciones pues la corriente por el inducido llegaría a ser excesiva y tendería quemarse por sobrecorriente.

Es importante proteger los motores de excitación independiente contra sobreintensidades.

Efecto desmagnetizante por reacción de inducido

En motores c.c. con excitación independiente sin devanados de compensación, puede producirse reacción de inducido a medida que aumenta la carga del motor. Los efectos de la reacción de inducido se resumen en un debilitamiento del flujo Φ que excita el motor, lo cual a su vez se traduce en un incremento importante de la velocidad del motor. La máquina puede envalarse peligrosamente y las fuertes corrientes que aparecen pueden llegar a quemar sus devanados de inducido.

Figura 12: Curvas Par – Velocidad con y sin reacción del inducido de un motor de c.c.

con excitación independiente

La mayoría se las cargas tienen curvas de Par-Velocidad cuyo momento aumenta con la velocidad.

De esta forma un incremento de la velocidad por motivos de la reacción del inducido provoca un nuevo incremento de la carga, esto eleva el efecto de la reacción del inducido debilitando nuevamente su flujo.

El flujo debilitado ocasiona un aumento adicional de la velocidad y esto un nuevo aumento de la carga, etc., hasta que el motor rebasa su velocidad límite. Esta condición se denomina desbocamiento del motor.

 Motor de c.c. con imanes permanentes

Un motor de c.c. de imanes permanentes es aquel cuyos polos de excitación están hechos de imanes permanentes de tal forma que el flujo de excitación Φ puede considerarse constante:

□ Ventajas

• No requieren circuito de excitación.
• No tienen pérdidas en el cobre del circuito de excitación.
• Al no requerir devanados de excitación son más pequeños.

□ Inconvenientes

• El flujo Φ no es regulable para el control de la velocidad del motor y solo puede actuarse sobre la tensión del inducido.
• Los imanes permanentes no pueden producir una densidad de flujo tan elevada como los devanados de excitación, por lo que el par motor por amperio de corriente de inducido será menor.
• Los imanes permanentes presentan el riesgo de desmagnetización, principalmente por motivo de la reacción de inducido o por un excesivo calentamiento en régimen de sobrecarga.

□ Aplicaciones

Accionamientos de automóviles (limpiadores de parabrisas, compresores de los calentadores y acondicionadores de aire, elevación y cierre de ventanillas, etc.). Sirven como motores de arranque de motores fuera borda y cortadoras de césped. Son muy usados con frecuencia en equipos que usan baterías como fuente de energía.

□ Ecuaciones para un motor de imanes permanentes

Como el flujo de excitación Φ es constante, las ecuaciones de la máquina son:

□ Materiales utilizados

Hay 3 clases de materiales magnéticos permanentes que se emplean en los motores de imanes permanentes:

• Álnicos: Se emplean en motores con especificación de 1 a 200 CV.
• Cerámicos (Ferritas): Son más económicos en los motores de fracciones de un C.V. y puede tener una ventaja económica sobre los de Álnico hasta unos 10 C.V.
• Magnéticos de Tierras raras: Son muy costosos, pero son la elección más económica en motores muy pequeños.

Las propiedades de un material ferromagnético se obtienen a partir de su curva de magnetización:

Figura 14: Material ferromagnético con Bres y Hc pequeños

Para aplicaciones normales de las máquinas, como rotores y estátores, interesa un material ferromagnético que tenga un Bres y un Hc tan pequeños como sea posible, ya que dicho material tendrá bajas pérdidas de histéresis, que es lo que interesa.

Figura 15: Material ferromagnético con Φres y Hc grandes

En cambio, para los polos de un motor de imanes permanentes, lo que interesa es un alto flujo residual (que es lo que determinará el flujo de excitación) y simultáneamente una intensidad magnetizante coercitiva Hc tan grande como se pueda (que es lo que determina la dificultad de desmagnetizarse).

Algunos materiales para ser usados como imanes permanentes:

Figura 16: Curvas de magnetización de algunos materiales magnéticos típicos.

Obsérvese que los imanes de tierras raras combinan un alto flujo residual y una alta intensidad de magnetización coercitiva.

Continua en: Motores de corriente continua (y Parte 2ª)
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