b) Motores
de c.c. con excitación en derivación
Es un motor autoexcitado, es decir, provee su
propia corriente de excitación del devanado de excitación a los terminales del
inducido. El comportamiento, para una tensión constante, es el mismo que el del
motor con excitación independiente. Al igual que el motor de excitación
independiente, se utiliza en aplicaciones que requieren una gran regulación de
la velocidad.
Figura 17: Esquema de un motor de
corriente c.c. con excitación en derivación
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 18: Curva característica
Par-velocidad del motor de c.c. con excitación en derivación
Leyenda de la figura 18:
(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:
SOBRECARGAS:
En un motor derivación si se duplica el par
aplicado al eje del motor, la velocidad prácticamente no se altera
(insensibilidad ante la carga), pero en cambio, el motor consumirá el doble de
la corriente inicial.
Figura 19: Curva característica
Velocidad-Par de un motor derivación de c.c.
Figura 20: Variación del Par en un
motor derivación con la corriente por el inducido
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 en
derivación 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 21: 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.
Posibles soluciones
En motores con cambios de carga y ciclos de
servicio muy severos, el problema del debilitamiento de flujo, puede resolverse
instalando devanados de compensación.
En motores comunes la solución de los devanados
de compensación es muy costosa. En estos motores la solución es proporcionar
una espira o dos de composición acumulativa en los polos del motor. A medida
que aumenta la carga, la f.m.m. proveniente de las espiras en serie aumenta, lo
cual contrarresta la f.m.m. desmagnetizante de la reacción de inducido. Un
motor equipado con esta solución se dice Motor en derivación estabilizado
c) Motores
de c.c. con excitación en serie
Es aquel motor cuyo devanado de excitación está
conectado en serie con el devanado del inducido. Por tanto, el flujo de la
máquina depende de la corriente del inducido Ii y en consecuencia de la carga.
Figura 22: Esquema de un motor de
corriente c.c. con excitación en serie
El motor c.c. serie, tiene un par de arranque muy
alto. Cuando aumenta su velocidad, su par disminuye, por lo que resulta una
característica de potencia constante. Por esta razón, es ideal para ser
aplicado en tracción eléctrica (trenes, tranvías, trolebuses), en automóviles
eléctricos y otras aplicaciones parecidas, porque se eliminan las diferentes
relaciones de engranajes necesarias para las diferentes velocidades.
Curva característica Par-Velocidad
Figura 23: Curva característica
Par-Velocidad del motor de c.c. con excitación serie
Leyenda de la figura 23:
(1) El par de arranque es proporcional al
cuadrado de la tensión que alimenta al motor y, por tanto, una disminución en
la misma suele representar una disminución importante en el par de arranque.
(2) En el momento del arranque, el par es muy grande, pero va
disminuyendo a medida que la intensidad disminuye como consecuencia de ir
aumentando la velocidad. Este par de arranque tan elevado hace que este tipo de
motores sea utilizado como motor de arranque para motores térmicos.
Condiciones de funcionamiento
SOBRECARGAS
El motor en serie puede soportar elevadas
sobrecargas aumentando con ello sólo moderadamente la corriente por el
inducido.
Figura 24: Variación del Par de un
motor de c.c. con excitación serie con
la corriente consumida
Despreciando la reacción de inducido y la
saturación magnética, se puede considerar que al duplicar el par aplicado al
eje del motor, la corriente consumida por el mismo aumenta un 140% del valor
original y el número de revoluciones cae hasta un 70% del valor primitivo.
EN VACÍO
Al disminuir el par resistente, el motor reduce
lentamente su consumo de corriente, aunque su velocidad se eleva rápidamente y,
para cargas inferiores al 25% de la nominal, esta velocidad adquiere valores
peligrosos para la integridad del motor. Por esta razón el motor serie no debe
ser arrancado en vacío o con una carga pequeña.
Figura 25: Curva característica
Par-Velocidad de un motor de c.c. con excitación serie
Peligro:
Nunca debe descargarse completamente un motor
serie, y nunca debe conectarse a una carga mediante una correa de transmisión u
otro mecanismo que pueda romperse.
Ecuaciones eléctricas y mecánicas
El flujo en el motor se establece a partir de Ie
d) Motores
de c.c. con excitación compuesta o compound
Para aprovechar las características que tiene
cada uno de los dos motores anteriores, se recurre al montaje de un sistema de
excitación que los combina, es llamado de excitación compuesta o compound, y puede
ser larga o corta, según que el devanado derivación comprenda o no al devanado
serie.
Conexión corta
Figura 26: Conexión corta
Conexión larga
Figura 27: Conexión larga
Curva característica Par-Velocidad
En el motor de c.c. compuesto hay un componente
de flujo que es constante y otro componente que es proporcional a su carga.
Este motor tiene mayor par de arranque que el
motor en derivación (cuyo flujo es constante) pero menor para de arranque que
un motor serie (que tiene la totalidad del flujo proporcional a la corriente de
inducido).
Figura 28: Característica
Par-Velocidad de un motor de c.c. con excitación compuesta comparado con un
motor serie y uno derivación con la misma
proporción de carga total
El motor compound se utiliza para servicios duros,
ha desplazado al tradicional motor serie en aplicaciones como en tracción
eléctrica donde existen trayectos sinuosos y con frecuentes pendientes, por
permitir obtener una velocidad media más elevada.
Sistemas
de arranque de los mototes de c.c.
En el momento de arrancar un motor de corriente
continua, la intensidad que absorbe de la red es muy grande. Esta intensidad
puede hacer que se quemen las escobillas y el colector de delgas, e incluso el
propio devanado del inducido.
Para evitar este riesgo, se usan dispositivos
especiales llamados arrancadores que, además sirven para acelerar y regular la
velocidad del motor.
En el proceso de arranque lo que más importa es
reducir la intensidad que circula por el inducido al tiempo que el motor
adquiere paulatinamente la velocidad de régimen.
La manera de reducir la tensión aplicada al
inducido puede obtenerse mediante resistencias intercaladas entre la red de
alimentación y el inducido, bien por medio de grupos rotativos especiales, de
variadores de tensión, o tambien con equipos electrónicos basados en
tiristores, transistores, etc.
Figura 29: Arranque con reóstatos de
motores de c.c.
Reóstatos
de arranque
Las resistencias variables, utilizadas para
reducir la tensión aplicada al inducido, son las denominadas reostatos de
arranque, que están constituidos por varias resistencias metálicas y un número
determinado de contactos fijos llamados plots.
Figura 30: Dispositivo de control de
velocidad
Arranque
automático de un motor de c.c. por eliminación de resistencias
El arranque de un motor de c.c. suele hacerse hoy
en día mediante contactores temporizados con diferentes resistencias colocadas
en serie, que van cortocircuitándose escalonadamente hasta eliminar la última
resistencia, de manera que el inducido queda directamente conectado a la red en
un tiempo prefijado, una vez eliminadas las resistencias.
Figura 31: Arranque automático de un
motor de c.c. por eliminación de resistencias
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