INTRODUCCIÓN

Los motores eléctricos de corriente continua son el tema de base que se amplia en el siguiente trabajo, definiéndose en el mismo los temas de más relevancia para el caso de los motores eléctricos de corriente continua, como lo son: su definición, los tipos que existen, su utilidad, distintas partes que los componen, clasificación por excitación, la velocidad, la caja de bornes y otros mas.

Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, par y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos. Pero con la llegada de la electrónica su uso ha disminuido en gran medida, pues los motores de corriente alterna, del tipo asíncrono, pueden ser controlados de igual forma a precios más accesibles para el consumidor medio de la industria. 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.)

Motor de corriente continúa

Un motor eléctrico de Corriente Continua es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos.

MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA

Generalidades en motores de corriente directa.

Un motor de corriente directa es otra forma de conectar la máquina de cd, en este caso se utiliza una fuerza eléctrica para transformarla en energía mecánica. Desde hace muchos años los motores de cd se han utilizado en diferentes aplicaciones industriales. La precisión en su control de velocidad los hace indispensable en muchas aplicaciones. Algunos ejemplos de su utilización son: elevadores, malacates, ventiladores, bombas, prensas y aplicaciones marinas; también son utilizados en industrias como la del papel, plástico, aceros, minas, automotriz y textiles por mencionar algunas. La construcción de un motor de cd, es similar a la de un generador de cd por tratarse de la misma máquina. Su principio de funcionamiento se basa en la aplicación de diferentes leyes tales como la ley de inducción electromagnética de Faraday, ley de Lenz y la ley de Ampere. El motor de cd tiene también dos circuitos principales para su funcionamiento: el circuito de campo o estator y el circuito de la armadura o rotor. El voltaje es suministrado a la armadura a través de las escobillas y el conmutador (Ver figura 2.1) [1]-[3].

Figura 2.1 Características de un motor de corriente directa.

El giro o rotación de un motor de corriente directa obedece a la interacción de los dos circuitos magnéticos que tiene, es decir al campo magnético del estator; el cual puede ser producido por imanes permanentes o bien por un devanado de campo y al campo magnético de la armadura, el cual es producido por la corriente resultante al aplicar una tensión a través de las escobillas y el conmutador. Como sabemos siempre que fluye una corriente por un conductor, se genera un campo magnético alrededor del mismo (Ver figura 2.2).

Figura 2.2 Campo magnético del estator de un motor de corriente directa.

Regla de la mano derecha para motores.

La regla de la mano derecha para motores muestra la relación entre el devanado de campo y el devanado de la armadura que son los dos circuitos principales del motor, determinando la dirección de rotación o giro del conductor o armadura. Si la mano derecha es colocada como se indica en la figura 2.3, con el dedo índice apuntando en la dirección del campo principal y el dedo medio apuntando en la dirección del flujo de corriente en el conductor, el dedo pulgar indicará la dirección de movimiento o giro del conductor o armadura.

Figura 2.3 Regla de la mano derecha para motores.

Descripción de la relación entre par y fuerza.

Los términos fuerza y par electromagnéticos, son muy comunes en el estudio de máquinas eléctricas, sin embargo no tienen el mismo significado. La relación entre la fuerza que actúa sobre un conductor y el par que se produce en este, se muestra en la figura 2.4. Como se muestra en la figura 2.3 una bobina de una sola espira montada sobre una estructura que le permita moverse, conduce corriente en un campo magnético (En la figura 2.4a también se observa este comportamiento). De acuerdo con la ley de Biot Savart, se produce una fuerza f1 ortogonal en el lado 1 de la bobina, lo mismo ocurre en lado 2 de la bobina desarrollándose una fuerza f2 como se aprecia en la figura 2.4b. Las fuerzas f1 y f2 se desarrollan de tal forma que tienden a producir un movimiento o giro de la armadura del motor, este sentido de rotación como se indicó antes queda determinado por la regla de la mano derecha para motores [4]-[6].

Figura 2.4 Producción de par en una bobina de una espira

El par, también conocido como momento de torsión, se define como la tendencia de una fuerza y su distancia radial al eje de rotación a provocar un giro. Se indica en unidades de fuerza por longitud y no debe ser confundido con trabajo. El par producido en la máquina es el producto del flujo y la corriente en la máquina, multiplicado por una constante que representa la construcción mecánica de la máquina. Así la fuerza electromagnética producida en un conductor dado de armadura portador de corriente queda definido por:

F = Bil

Donde:

B = campo magnético

i = intensidad de corriente eléctrica en el conductor l= longitud del conductor.

Y el par electromagnético desarrollado por cualquier conductor en la superficie de la armadura:

τ = rFsenθ

Donde:

r = distancia radial al eje de rotación. F= fuerza por conductor.

θ = ángulo entre r y F.

FUERZA ELECTROMOTRIZ

Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.

La unidad cgs de la fuerza electromotriz y el voltio

En el sistema cgs de unidades, la unidad de fuerza electromotriz se define como la fuerza electromotriz que actúa sobre un circuito cuando al circular una corriente de una unidad cgs electromagnética de intensidad, la potencia desarrollada en un ergio por segundo. La unidad práctica de fem, denominada voltio, se define como 108 unidades cgs electromagnéticas.

Métodos para producir una fuerza electromotriz

Por acción química. Por acción térmica. Por inducción electromagnética.

Todas las grandes centrales hidroelécticas y térmicas producen fem por inducción electromagnética. Cuando se requieren grandes cantidades de energía, el coste de la energía eléctrica obtenida utilizando la inducción electromagnética es muy inferior al de la obtenida por acción química en cualquiera de las baterías construidas.

Se produce una fem por acción térmica cuando se calienta dos soldaduras de dos materiales distintos, y se denomina par termoeléctrico al dispositivo que produce una fem por este procedimiento. La fem que produce un par termoeléctrico es muy pequeña para poderla utilizar con fines energéticos, pero los pares termoeléctricos son muy útiles como como instrumentos de medida.

Inducción Electromagnética

Cuando se mueve un conductor en un campo magnético, en dirección tal que corte las líneas de fuerza, se engendra o induce en el conductor una fem. Si se invierte el sentido de la corriente, la aguja se desviará en sentido opuesto, de modo que el amperímetro indica tanto el sentido como la magnitud de la corriente.

Si el conductor de la figura 1 se mueve hacia abajo a través del campo magnético, se engendra en el conductor una fem en el sentido indicado. Si el conductor se mueve hacia arriba, la fem engendrada es de sentido opuesto. Si se mueve paralelamente a las líneas de fuerza, no se engendra fem en el conductor. Es un hecho experimental que la fem engendrada es proporcional a la cantidad de líneas de fuerza cortadas en la unidad de tiempo.

El fenómeno representado en la figura 1 y 2, son manifestaciones de este principio fundamental, esto es, que cuando un electrón o protón se mueven en un campo magnético en dirección perpendicular al campo, están sometidos a una fuerza que es a la vez perpendicular al campo y a la dirección del movimiento en el mismo.

El conductor de la figura 1 contiene billones de protones y electrones. Cuando este conductor se mueve hacia abajo a través del campo, los electrones experimentan una fuerza que tienden a moverlos a lo largo del conductor en un sentido, mientras que los protones están sometidos a una fuerza que tiende a moverlos a lo largo del conductor en sentido opuesto.

Los protones quedan fijos en el conductor, pero algunos al menos de los electrones son libres de moverse y, por tanto, se acumularán en uno de los extremos del conductor. Si el conductor se remplazase por un aislador, no se moverían ni los protones ni los electrones, pero las fuerzas seguirían siendo exactamente las mismas.

Obsérvese que lo que produce es una fem y no una corriente. De que la corriente circule o no depende de que el circuito esté o no completo, y la intensidad de la corriente, caso de producirse, depende de la resistencia del circuito; pero la fem existe siempre, ya que permite o no que la corriente circule.

La rueda de Barlow (Fig. 3) puede utilizarse como generador. Si se sustituye la batería por un aparato para medir fem, y se hace girar la rueda, mediante algún dispositivo mecánico, a distintas velocidades, el aparato indicará que se engendra una fem cuyo valor es proporcional a la velocidad de la rueda y cuyos sentidos se invierten si se invierten los sentidos de rotación o del campo magnético.

Análisis de la fuerza contra electromotriz en el motor.

Cuando un conductor se mueve y corta las líneas de campo magnético, de acuerdo con la ley de Faraday se induce un voltaje en el conductor. En un motor de corriente directa, los conductores de la armadura cortan las líneas de flujo del campo magnético. El voltaje inducido en el conductor siempre es opuesto al voltaje aplicado a la máquina. Por lo tanto el voltaje inducido se encuentra en oposición al voltaje aplicado, a este fenómeno se le conoce como fuerza contra electromotriz. La fcem1 reduce el voltaje resultante en la armadura sin embargo nunca podrá ser igual al voltaje aplicado en las terminales de la armadura.

A pesar de lo anterior, la fcem tiene una función importante en el funcionamiento del motor debido a que nos permite limitar la corriente en la armadura de la máquina [1], [6]-[9].

En la figura 2.5 se muestra este efecto. La magnitud del voltaje inducido depende de varios factores entre los cuales están:

• Número de vueltas en el devanado de campo.• Número de vueltas de la bobina de armadura.• Densidad de flujo.• Velocidad con la que se cortan las líneas de flujo.

Figura 2.5 Fuerza contra electromotriz producida en el motor de corriente directa.

Estudio de la relación entre par y velocidad.

La relación entre el par y la velocidad de un motor, está relacionada con el tipo de excitación de la máquina; al igual que ocurrió con el generador el motor dc puede excitarse de diferentes formas, las cuales dan características propias en cuanto a su velocidad y su par.

En la figura 2.6 se muestran las gráficas de par versus velocidad para cada uno de los diferentes tipos de excitación del motor dc.

Figura 2.6 Par vs Velocidad en el motor de corriente directa.

En el punto de equilibrio el par producido por el motor es igual al par requerido por la carga para mantener una velocidad constante.

Si el motor es frenado por el aumento de carga, el par del motor es superior al par demandado por la carga. El motor acelerará regresando al punto de equilibrio. Si la carga disminuye y aumenta la velocidad del motor hasta arriba del punto de equilibrio, la fuerza de torsión del motor será menor que la fuerza de torsión requerida por la carga. El motor desacelerará hasta llegar al punto de equilibrio [1], [4]-[10].

Análisis de las características operativas del motor.

Los motores de corriente directa se clasifican de acuerdo a la forma en que se conectas sus devanados de campo con la fuente de excitación.

Existen cinco tipos de motores de cd de uso general:

• Motor de cd de excitación independiente.• Motor de cd en derivación2.• Motor de cd de imán permanente.• Motor de cd en serie.• Motor de cd compuesto.

Para fines de este curso únicamente se analizarán los motores con excitación serie, en derivación y compuesto [1], [6]-[13].

CONCLUSIONES

Ahora que tenemos los conocimientos de como funciona un motor, y la manera en que la fuerza electromotriz se comporta en uno, deberíamos ser capaces de entender la manera de resolver problemas de este tipo. Después de haber realizado esta investigación conocemos ahora la forma en que estos dos trabajan y como se comporta la FEM dentro de los motores, y como esta misma puede ser aprovechada, por ahora podremos tener la idea mas clara para resolver problemas relacionados con los motores, y mas adelante poder realizar practicas para entender de una manera mas profunda como funciona un motor y la FEM dentro de un motor de corriente directa.

REFERENCIAS

http://www.ecured.cu/index.php/Fuerza_Electromotriz

http://www.academia.edu/8883838/III_UNIDAD_MOTORES_Y_GENERADORES_DE_CORRIENTE_DIRECTA_IV_UNIDAD_M%C3%81QUINAS_S%C3%8DNCRONAS

https://sites.google.com/site/maquinaselectricastec/home/unidad-iii

https://docs.google.com/viewer?a=v&pid=sites&srcid=ZGVmYXVsdGRvbWFpbnxtYXF1aW5hc2VsZWN0cmljYXN0ZWN8Z3g6MTFjOTI2OGZlYmFiYjcwOA

http://www.monografias.com/trabajos74/motores-corriente-directa/motores-corriente-directa.shtml