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viernes, 8 de marzo de 2019

Motores de corriente continua (y Parte 2ª)



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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