MOTORES DE CORREINTE CONTNUA Los Motores elctricos son mquinas que convierten la energa elctrica en energa mecnica. Su funcionamiento depende de la fuerza que se ejerce sobre un conductor que lleva corriente y se encuentra sometido a un campo magntico. Consideramos el campo magntico de una mquina en la que no hay corriente en los conductores de la armadura: las lneas de fuerza se distribuirn como se indica en la figura 9.1. Si ahora los conductores que estn en la armadura transportan corriente, se producir en cada uno e ellos un campo magntico que, al superponerse al campo principal, causar una distribucin de las lneas de fuerza, en la forma indicada en la figura 9-2. Se dice que el campo magntico es distorsionado, puesto que las lneas de fuerza ya no siguen trayectorias aproximadamente rectilneas. Ahora bien, estas lneas de fuerza tienden a acortar su trayectoria, por lo que se pueden considerar como si estuviesen sometidas a tensin. Cada conductor que se muestra en la figura 9.2 estar sometido a una fuerza anloga a la que ejerce una catapulta sobre una piedra. Pero como los conductores estn encerrados en las ranuras de la armadura, se produce un giro de sta en sentido de las manecillas del reloj. Cuando la armadura gira, los conductores que contiene cortan las lneas de fuerza del campo magntico principal, de tal forma que se induce una fem en la armadura. La fem acta en oposicin a la corriente y por tanto, en contra del voltaje aplicado, por lo que es costumbre referirse a este voltaje denominndolo fuerza contraelectromotriz. Por la ley de Lenz se puede comprobar que este fenmeno se produce; recordemos que esta ley dice que la direccin de una fem inducida es tal que se opone a la causa que la produce, y en nuestro caso sta es el voltaje aplicado. La magnitud de la fuerza contralectromotriz se puede calcular utilizando la frmula de la fem inducida en un generador, y es importante en el caso del motor tener en cuenta que es proporcional el producto del flujo y de la velocidad. As, si llamamos E a la fuerza

contraelectromotriz, al flujo y N a la velocidad, escribiremos que E= k. .N, en donde k es un nmero que depende del tipo de devanado de la armadura. Valor de la fuerza contraelectromotriz.- La f-contra-em es siempre de un valor menor que el voltaje que se aplica al motor, aunque la diferencia sea pequea cuando la mquina est trabajando en condiciones normales. Es la diferencia entre estas dos cantidades la que hace que pase corriente a travs de la resistencia del circuito de la armadura. Si representamos esta resistencia por R, la f-contra-em por E y el voltaje aplicado a la mquina por V, podremos escribir que: V = E + IR En donde I es la corriente que pasa por el circuito de la armadura. Si p. ej., la resistencia del circuito de la armadura de un motor a 200 V es de 0.5 ohmios, cuando la armadura tome una corriente de 20, la cada de voltaje de la armadura ser de 20 x 0.5 = 10 V; por tanto, la fcontra-em es de 200 10 = 190V. Hay tres tipos principales de motores caracterizados por la forma en que tienen conectados los devanados del campo en relacin con la armadura. Estos son: 1) el motor en paralelo, derivacin o shunt, en el que el devanado del campo est conectado en paralelo con la armadura; 2) el motor serie, en el cual la armadura y el devanado del campo estn conectados en serie; 3) el motor compound, que tiene los dos tipos anteriormente mencionados de devanados de campo, uno de los cuales est conectado en paralelo con la armadura y el otro en serie. Las conexiones de un motor de tipo shunt son las de la figura 9-3, en la que se puede ver, a primera vista, que la corriente del campo es constante, ya que ste se halla conectado directamente a la fuente de voltaje que consideramos constante. Por tanto, el flujo es aproximadamente constante y la f-contra-em es, en condiciones normales, prcticamente constante, de donde resulta que la velocidad es casi tambin constante. Esto no es estrictamente cierto, como veremos ms adelante, pero no hay inconveniente en considerar los motores shunt como mquinas de velocidad constante. Por tanto, se emplean en trabajos

que requieran una velocidad uniforme e independiente de la carga. La velocidad se puede tambin variar cuando sea necesario, lo que se consigue incluyendo una resistencia variable o restato, que se pone en serie con el devanado del campo magntico, como se puede ver en la figura 9-3. En la figura 9-4 estn representadas las conexiones del motor de tipo serie. La corriente que pasa por los devanados del campo es la misma que la que pasa por la armadura, y as la corriente del campo aumenta al mismo tiempo que lo hace la corriente de la armadura, la cual crece al aumentar la carga mecnica en el eje del motor. De lo anterior resulta que el flujo de campo magntico aumenta, por lo que se produce una reduccin de la velocidad, segn se deduce de la siguiente frmula. E = kN o bien, N = E k

Esta propiedad resulta muy til para muchos trabajos en los que s desea que un aumento en la carga tenga como consecuencia una reduccin de la velocidad de giro. Igualmente que en el caso del motor en derivacin la velocidad puede variarse independientemente de la carga, por medio de una resistencia variable que se incluye en el circuito del campo. En este caso, sin embargo, se conecta en paralelo con el devando serie, segn se puede ver en la figura 9-4, y se designa con el nombre de restato o derivador. El motor de tipo compound tiene adems del devanado serie un devanado en derivacin, de tal forma que el nmero de las lneas magnticas que producen sus polos es una combinacin del flujo producido por el campo derivado y por el campo serie. El flujo as obtenido no slo depende de la corriente y del nmero de vueltas de cada bobina, sino tambin de la direccin que tengan las bobinas del campo derivado en relacin con las del campo serie. Cuando las lneas de fuerza se ayudan unas a otras, la mquina es de tipo compound acumulativo; cuando se oponen las unas a las otras, se dice que es de tipo compound diferencial. 9-2. Reaccin de la armadura. Ya hemos visto que el campo principal se distorsiona cuando pasa corriente por la armadura, y si nos fijamos en la figura 9-1 se

apreciar que el campo es ms intenso en las partes de las aristas de los polos y se debilita en la zona central. Como el efecto de debilitamiento es de ordinario ms fuerte que el de intensificacin, debido a la saturacin magntica, el efecto que ejerce en general la corriente de la armadura es debilitar ligeramente el campo magntico principal. Otro efecto originado por la corriente que pasa por la armadura, o debido a la reaccin de armadura, como se le llama, es que la direccin de las lneas magnticas de la armadura est girada hacia atrs, es decir, en direccin opuesta al sentido de rotacin. A causa de este fenmeno las escobillas deben ser desplazadas ligeramente hacia atrs, para prevenir as el chispeo en las mismas. 9-3. Polos auxiliares o de conmutacin.- La mayor parte de los motores llevan polos de conmutacin. Estos son polos pequeos auxiliares, que pueden ser dos o ms y que van montados entre los polos principales. Su funcin es impedir chispeo en las escobillas, y para conseguirlo es importante que vayan correctamente montados. Van conectados en serie con la armadura, y los devanados estn hechos de tal forma que cada polo auxiliar tiene la misma polaridad que el polo principal anterior, segn se puede ver en la figura 9-5. Utilizando los polos de conmutacin resulta posible emplear motores con escobillas fijas en todas las condiciones de carga y para las dos direcciones de rotacin, lo cual constituye una ventaja importante en el caso de los motores reversibles. En las mquinas multipolares que tengan dos circuitos en el devanado de la armadura y dos juegos de escobillas, como ocurre en los motores de traccin, se necesitan solamente dos polos de conmutacin. As, las mquinas de cuatro polos de esta clase tienen generalmente dos polos auxiliares, que se montan sobre el dimetro horizontal. Este tipo de construccin permite la sujecin de una caja terminal en la parte superior del yugo o culata, dejando libre el espacio inferior en donde suele depositarse polvo o aceite. Ya hemos definido el motor como una mquina que convierte energa elctrica en energa mecnica. La cantidad de potencia mecnica que una mquina es capaz de desarrollar est determinada, para una velocidad dada, por el momento de giro o par motor ejercido sobre el eje. La unidad de par motor es la libra-pie (kilogramo-metro) y est representada por el momento de giro que ejerce una fuerza de una libra (un kilo) con un radio de un pie (un metro). El par motor est determinado por la expresin

T=

1.17 kIZ 1000

en donde Z es el nmero de conductores en la armadura, I es la corriente de la armadura en amperios, es el flujo por polo en megalneas o millones de lneas y k es igual a la unidad para el caso de un devanado imbricado o igual al nmero de pares de polos si se trata de un devanado ondulado. Lo importante en esta frmula es que el par motor es proporcional al producto de la corriente de la armadura por el flujo. 9-4. Par de carga.- Estamos ya en condiciones de examinar la dependencia del par de carga con la corriente tomada por la mquina; consideremos en primer lugar un motor de tipo shunt. Cuando el motor est girando sin carga, pasa una pequea corriente por la armadura para alimentar el campo magntico y vencer las resistencias de rozamiento y otras prdidas que tiene la mquina. Cuando se aplica la carga al motor y sta va aumentando, el par crece ms o menos proporcionalmente al aumento de la corriente. Decimos que ms o menos porque hay que tener en cuenta que hemos considerado el flujo constante, si bien ste decrece ligeramente debido a la reaccin de la armadura. El efecto que esto produce se refleja en la curva que representa el par en funcin de la corriente, la cual se inclina ligeramente como se puede ver en la figura 9-6. El par de arranque de un motor est determinado por la resistencia de arranque, que a su vez determina la corriente inicial que pasa por la mquina cuando se cierra el interruptor principal. En ese momento la velocidad es cero, as que la f-contra-em es tambin nula, y la corriente de arranque I estar dada por la frmula V= IR, en donde V es voltaje de la fuente de alimentacin, y R, la resistencia total, que incluye la resistencia la armadura y la resistencia de arranque. Si la corriente arranque est limitada por razones del calentamiento a un valor doble del valor normal a plena carga, el par de arranque un motor shunt, alimentado con su voltaje normal, ser doble del par que tiene a plena carga. Sin embargo, si el voltaje de alimentacin es menor que el voltaje normal, el flujo tambin ser menor que el flujo normal y el par de arranque es menor que el doble del par a plena carga. La importancia que tiene lo que acabamos de decir se ver cuando se compare el par de arranque de un motor serie con el que tiene una mquina de tipo shunt.

Volvamos nuevamente a considerar la relacin que existe entre el par en carga y la corriente en un motor de tipo serie, y recordemos que el par motor es proporcional al producto del flujo por la corriente de la armadura, de lo que fcilmente se deduce que el par motor aumenta mucho ms rpidamente que lo hace la corriente de la armadura. Esto se debe a que el flujo tambin crece con la corriente de la armadura, aunque, debido al magnetismo remanente, ambos no son estrictamente proporcionales. Sin embargo, se puede decir que para todas las cargas, con excepcin de las cargas fuertes que tienden a producir saturacin del campo magntico, el par es aproximadamente proporcional al cuadrado de la corriente de carga. Por tanto, si la ltima es aumentada al doble, el par casi se cuadruplica; y la relacin entre estas dos cantidades se puede representar por el grfico de la figura 9-7, en el cual la corriente comienza en los valores sin carga, aumenta, siguiendo al comienzo una parbola, y despus crece ms despacio, a medida que se hace apreciable el efecto de la reaccin de la armadura y el de la saturacin magntica. 9.5. Influencia en el arranque.-Esta propiedad del motor serie, a saber, que una corriente fuerte da lugar a un par muy elevado, influye sobre sus caractersticas en el arranque. Ya vimos en relacin con los motores de tipo shunt que la corriente en el momento de arrancar puede alcanzar hasta dos veces el valor de la corriente a plena carga; pero, en el caso de un motor serie, si tenemos en cuenta la curva de magnetizacin y el pequeo efecto que tiene la reaccin del inducido, y suponemos que el flujo es de 1,5 veces su valor a plena carga, llegaremos a la conclusin de que el par de arranque es tres veces el par a plena carga. Adems, si el voltaje de alimentacin disminuye, conseguiremos que la corriente se mantenga a un valor doble del que tiene a plena carga si quitamos algunas de las resistencias de arranque, de tal forma es posible seguir manteniendo el par motor con su elevado valor. Segn se puede comprender, este tipo de motor es ms adecuado que el motor derivado para trabajos en los cuales la mquina deba arrancar y acelerar estando completamente cargada, como sucede en los equipos de traccin. 9.6. Motores de tipo compund.- Ya hemos hablado de los motores con compound, pero antes de tratar de las caractersticas del par de este tipo de motores es necesario que

comprendamos muy bien la diferencia que existe entre los de tipo acumulativo y los de tipo diferencial. En la figura 9-8 se muestra el devanado de campo de un motor compund diferencial. La polaridad de cada polo est determinada por el devanado shunt, el cual est hecho con un gran nmero de vueltas de conductor fino. El campo serie consta de bobinas que tienen relativamente pocas vueltas de conductor grueso y que estn devanadas en oposicin o sentido contrario al de las bobinas del campo derivado, de tal forma que el flujo resultante se debe a la diferencia entre los amperios-vueltas de los dos devanados. Para cargas ligeras, la mquina funciona como un motor derivado, ya que la corriente que pasa por el campo serie es pequea y, por ello, tiene poca influencia. Sin embargo, para cargas grandes aumenta la influencia de las bobinas del campo serie, y como estn en oposicin al devanado shunt, se produce una reduccin del flujo y, consecuentemente, una disminucin en el par. Para sobrecargas grandes, o cuando arranca con carga, el devanado serie puede ser tan fuerte como el devanado shunt, o incluso puede tener un efecto predominante, en cuyo caso el par se reducir a cero, o hasta puede ser invertido. En el ltimo caso, el motor tratar de arrancar de nuevo en una direccin contraria a la que haya tenido anteriormente. Es evidente que estas caractersticas pueden dar lugar a consecuencias peligrosas, por lo que los motores compound de tipo diferencial tienen un campo de aplicacin prctica pequeo. En la figura 9-9 se puede ver la relacin que existe entre el par y la corriente, en esta clase de motores. En el motor compound, tipo acumulativo, los dos tipos de devanado de campo se ayudan uno a otro, como se ve en la figura 9-10. Los polos de conmutacin o auxiliares son adecuados para estas mquinas, que se hacen con devanados de tipo ondulado, en cuyo caso slo se necesitan dos polos auxiliares, ya que cada escobilla pone en corto circuito dos bobinas en serie y el valor correcto de la fem de conmutacin puede ser inducido solamente en una de ellas.

Las mquinas de este tipo que utilicen devanado imbricado deben tener igual nmero de polos de conmutacin que de polos principales. En esta clase de mquinas el flujo sin carga es el que proporciona el devanado derivado, mientras que, cuando se hallan cargadas, tanto el flujo como el par aumentan con la corriente de carga. Por tanto, el par crece ms rpidamente que en las mquinas de tipo derivado, y cuando tienen cargas fuertes, su aumento es semejante al de los motores serie. En la figura 9-11 se pueden ver las caractersticas de par-corriente de los cuatro tipos de motores; resulta as posible comparar sus propiedades en lo que al par se refiere. 9-7. Variacin de velocidad.- Siendo muy importante conocer el par que un motor puede proporcionar para una determinada corriente, la velocidad a la cual se proporciona este par es tambin de importancia fundamental. Ahora bien, la velocidad a la cual gira una mquina en determinadas condiciones de carga depende de la f-contra-em y del flujo que corresponde a esta carga. La f-contra-em decrece al aumentar la corriente de carga y est dada por la expresin E = V - IR. La velocidad aumenta, para una determinada f-contra-em inducida, si el flujo decrece; esto se puede deducir de la frmula dada ya anteriormente, es decir,

9-8. Caractersticas de carga-velocidad.- Otro punto de vista para enjuiciar una mquina se basa en que, para una determinada f-contra-em inducida, la mquina debe aumentar su velocidad de giro cuando disminuye el flujo, debido a que ha de inducir la misma fem. Tambin cabe decir, en forma inversa, que si aumenta el flujo, tendr que disminuir la velocidad para que se induzca el voltaje necesario. Podemos combinar las ecuaciones dadas ms arriba para obtener la ecuacin fundamental de los motores elctricos,

de la que se puede deducir la caracterstica velocidad-carga de los varios tipos de motor. En los motores de tipo derivado el campo se conecta directamente a la fuente de energa, por lo que la corriente de excitacin permanece constante mientras sea tambin constante la temperatura de la mquina y no se haya ajustado el regulador del campo. Cuando la mquina se calienta la resistencia del campo aumenta y la corriente de excitacin disminuye alrededor

del 4 % por cada 10 C de aumento de la temperatura. Si despreciamos este efecto y tambin el de la reaccin de la armadura, se puede ver que la velocidad de la mquina shunt disminuye ligeramente al aumentar la carga. La disminucin en la velocidad es proporcional a la cada de voltaje, IR, en el circuito de la armadura. Como ejemplo consideramos el caso de un motor derivado de 500 V, que gira a una velocidad de 750 rpm en vacio, y que tiene una resistencia en la armadura de 0,2 ohmios. Si el motor toma una corriente de 60 A a plena carga, la cada de tensin en el circuito de la armadura ser de 60 X 0,2 12 V. Esto significa 12 V de calda para 500 V de tensin aplicada, por lo que la velocidad disminuir en la misma proporcin lo que corresponde a 18 rpm en 750 rpm, es decir, que la velocidad a plena carga caer de 750 a 732 rpm. No obstante, si consideramos el efecto de la reaccin de la armadura, un aumento en la carga causa una pequea disminucin del flujo, a menos de que la mquina tenga devanados compensadores. Este debilitamiento del campo tiende a que velocidad, as quela disminucin real menor de la que hemos calculado teniendo en consideracin solamente la cada de tensin en los devanados de la armadura. En conjunto, debemos considerar el motor derivado como un motor en el que la velocidad es aproximadamente constante, con una ligera disminucin cuando aumenta la carga, segn se indica en la figura 9-12. Es importante recordar esta caracterstica cuando consideremos los motores desde el punto de vista de su adecuacin a las diferentes necesidades. Es necesario advertir en relacin con la velocidad de los motores derivados que puede aumentarse por la insercin de resistencias en el campo, lo que se consigue por medio de un regulador o restato de campo. Esto debilita el campo y hace que el motor gire a mayor velocidad, para que pueda generar la fuerza- contra-em necesaria. Naturalmente, resulta imposible reducir la velocidad por este mtodo por debajo de la que tiene cuando no est insertada ninguna resistencia en el circuito. Si volvemos nuevamente a los motores de tipo serie veremos que la situacin es muy diferente. El flujo ya no es constante, ni siquiera de manera aproximada porque el devanado del campo est en serie con la carga, de forma que si la carga aumenta, tambin aumenta la intensidad del campo magntico. Al principio el flujo aumenta en la misma proporcin que la

carga, pero cuando el campo magntico se aproxima al estado de saturacin debido a una mayor carga, el aumento de flujo ya no es tan rpido. El efecto que tienen los cambios de la temperatura, as como la reaccin de la armadura, pueden ser despreciados en relacin con los antes mencionados. 9-9. Caractersticas serie.- Si nos fijamos en la ecuacin fundamental de los motores, podemos apreciar que la f-contra- em disminuye a medida que aumenta la corriente en la armadura, como en el caso del motor derivado; sin embargo, en ste, la disminucin se debe a la cada de tensin en la armadura, mientras que en los motores de tipo serie la prdida en voltios se produce en el campo y en la armad.ura, ya que ambos estn en serie. La f-contraem en un motor serie disminuye ms rpidamente que en una mquina que en una mquina de tipo shunt. La velocidad es, sin embargo, proporcional a la f-contra-em dividida por el flujo; aqulla disminuye, mientras que el ltimo aumenta cuando crece la carga, en tal forma que la velocidad decrece rpidamente cuando la corriente de la armadura aumenta. Esta propiedad tiene mucha importancia para trabajos en los que es necesario que la velocidad se ajuste por s misma para compensar los cambios en la carga. Un tranva o una locomotora elctrica tomarn una corriente creciente cuando inicien una subida, y as reducen automticamente su velocidad. Esto evita a los motores sufrir sobrecargas mecnicas excesivas y tambin impide que en determinados momentos se tome una potencia excesiva, como ocurrira si un vehculo que subiera una pendiente no disminuyese su velocidad. En la figura 913 se pueden ver las caractersticas de velocidad de un motor serie en funcin de la corriente. A ttulo de ejemplo consideremos un motor serie que gira a una velocidad de 960 rpm tomando una corriente de 10 A de una fuente alimentadora de 500 V. Las resistencias de la armadura y del campo son de 1,2 y 0,8 ohmios, respectivamente. El flujo del campo, cuando la corriente es de 10 A, es el 64 % del flujo a plena carga. Es evidente que la resistencia total del motor ser de 1,2 + 0,8 2 ohmios. La cada de voltaje en esta resistencia cuando pasan los 10 A es de 10 x 2 = 20 V, por lo que la f-contra-em ser de 500- 20= 480 V. Supongamos ahora que la corriente aumenta a 25 A, lo que ocasiona que el flujo alcance su valor de 100 %. La cada ser entonces de 25 x 2 = 50 V, por lo que la f-contra-em es de 500 50 = 450 V. Ahora bien, la velocidad vara directamente con la f-contra-em, pero

inversamente al flujo. Si escribimos las cantidades correspondientes en forma de tabla, obtendremos: Corriente 10 F-contra-em. 480 Flujo 64 100 Velocidad 960 N

25 450 De aqu calculamos la nueva velocidad:

Se ve as que la velocidad se ha reducido de 960 rpm a 576 rpm, cuando la corriente ha aumentado de 10 a 25 A. Supongamos que la corriente se reduce al valor de 4 A, para el cual el flujo es solamente el 32 % del valor del mismo a plena carga. La cada de voltaje es de 4 x 2 8 y, y la correspondientes, obtenemos: Corriente 10 4 De donde, F-contra-em. 480 492 Flujo 64 32 Velocidad 960 N fcontra-em ser de 500 8 = 492 V. Si tabulamos una vez ms las cantidades

Es decir, que cuando la corriente del circuito es muy baja, el motor serie gira a una velocidad elevada o tiende a acelerarse, como se dice. Esto es peligroso, ya que la mquina puede destruirse por efecto de la fuerza centrfuga que acta en las partes giratorias. Por esta razn, cuando se instala un motor serie debe conectarse a su carga directamente o por medio de engranajes, y en ningn caso mediante correas de transmisin. Adems, su carga mnima debe ser lo suficientemente grande para que mantenga la velocidad dentro de lmites seguros, como en el caso, p. ej., de los motores para los trenes de laminacin, gras, etc. 9-10. Abertura del circuito del campo.- Es necesario tambin tener en cuenta que es peligroso abrir el circuito del campo de una mquina shunt o derivada cuando est funcionando. Normalmente, esto hace que la mquina se detenga, debido a que los fusibles saltarn por el exceso de corriente, o bien la manija de arranque retroceder al punto abierto

(off), movida por la bobina o rel de retencin. Si fallan estos dos dispositivos protectores, entonces la mquina comenzar a ganar velocidad para generar, en su dbil campo debido al magnetismo remanente, una f-contra-em aproximadamente igual al voltaje que tiene aplicado, y este aumento de velocidad continuar hasta que la mquina se destruya a s misma. Un motor compound gira en vaco a una velocidad que est determinada por su devanado derivado, ya que su campo serie contribuye muy poco a establecer el flujo total. En una mquina compound de tipo acumulativo, el devanado serie, cuando est cargada, fortalece el campo derivado, por lo que la velocidad disminuye lo mismo que en una mquina serie. Como, para cualquier carga, el flujo es igual a la suma de los flujos debidos al devanado serie y al devanado derivado, la velocidad de giro es menor de la que sera si girase solamente en uno de estos campos. La caracterstica velocidad-corriente de este tipo de mquinas se muestra en la figura 9-14. Tal caracterstica ofrece dos ventajas importantes. En primer lugar, la mquina tiene la accin compensadora de reducir su velocidad cuando soporta cargas fuertes, como en el caso de las mquinas serie. En segundo lugar, la mxima velocidad en vaco est limitada por el devanado derivado, que, incluso sin carga, produce una cantidad determinada de flujo. Por tanto, tales motores son adecuados para impulsar mquinas que operen de acuerdo con un ciclo consistente en una carga fuerte seguida de un perodo de carga dbil. El devanado serie produce una disminucin de la velocidad durante el perodo de carga fuerte, mientras que el devanado derivado hace que la aplicacin de la carga dbil se haga a una velocidad suficientemente elevada, pero no peligrosa. Un dispositivo importante para estos tipos de trabajo consiste en colocar en el motor un volante para que sirva de compensador de la carga. 9-11. Motores diferenciales.- En un motor compound de tipo diferencial, en el que el devanado serie se opone al devanado en derivacin, el flujo resultante disminuye cuando la carga aumenta, por lo que la mquina gira a una velocidad mayor de lo que girara si trabajase slo como motor shunt. Si el devanado serie es relativamente dbil, esta reduccin del flujo puede ser suficiente para compensar la disminucin de velocidad ocasionada por la cada de tensin en la mquina. Tales

motores tienen una aplicacin til para mover cargas a una velocidad constante. Si el campo serie fuese fuerte, un aumento de la carga tendra como resultado una disminucin del flujo magntico, y sobrevendra un aumento de la velocidad (vase Fig. 9-1.4), y cuanto mayor fuese la carga ms rpidamente girara el motor. Esta propiedad tiene a veces consecuencias peligrosas, ya que una sobrecarga fuerte dar lugar a una velocidad tan elevada que puede destruir el motor. Una vez que hemos examinado la variacin de velocidad y del par motor con las variaciones en la corriente para cada tipo de motor, podemos estudiar las caractersticas que relacionan la velocidad y el par motor de estas mquinas. Estas caractersticas se llaman caractersticas mecnicas y son de gran ayuda para determinar qu tipo de motor es el ms adecuado para un servicio determinado. En la figura 9-1.5 se pueden ver las caractersticas mecnicas. de los cuatro tipos de motores. Podemos resumir sus propiedades principales de la manera siguiente: Motor derivado o shunt. - La velocidad disminuye ligeramente cuando aumenta el par motor, pero se puede considerar que la mquina es un motor de velocidad constante. Se emplea: a) Cuando se necesita que la velocidad permanezca aproximadamente constante desde vaco a plena carga. b) Cuando la carga hay que impulsarla a un nmero diferente de velocidades, y se requiere que cualquiera de ellas permanezca constante. Motores serie. - La velocidad disminuye rpidamente a medida que aumenta la carga; cuando la carga es pequea, la velocidad es muy elevada y la mquina tiende a embalarse, Estos motores se utilizan: a) Cuando se necesitan pares de arranque fuertes, como en los motores de traccin. b) Cuando la carga est sujeta a grandes fluctuaciones y se quiere una velocidad reducida para compensar el gran par, siempre y cuando no exista posibilidad de que la mquina pierda su carga. Motores comound acumulativos.- La velocidad decrece notablemente cuando el par aumenta; pero, para pares pequeos, la velocidad est limitada a valores aceptables. Estos motores se usan:

a) Cuando se necesita un par de arranque grande, pero la carga puede llegar a valores tan bajos que sera peligroso un motor de tipo serie. b) Cuando la carga flucta y es deseable una pequea velocidad para las cargas fuertes. En general, se monta en estos casos un volante, en tal forma que, cuando se reduce la velocidad, la energa cintica almacenada en el volante cuando gira a gran velocidad, la cede para ayudar al motor, si ste se encuentra sometido a cargas fuertes instantneas.

c) Cuando el voltaje de alimentacin est sujeto a fluctuaciones, como sucede en los sistemas de traccin.

Motores compound> de tipo diferencial.- La velocidad con un par pequeo est limitada por el devanado derivado, como en las mquinas acumulativas compound. Para pares elevados es posible conseguir que la velocidad permanezca constante o, si se utiliza un campo serie potente, aqulla puede aumentar al mismo tiempo que aumenta la carga; cuando las cargas son muy fuertes, la mquina tendr tendencia a embalarse. Su empleo est limitado a aquellos casos en que es necesaria una velocidad, constante. A continuacin damos ejemplos de aplicaciones industriales en las que cabe utilizar los tipos de motores antes mencionados.

Motores derivados o shunt. - Arboles de transmisin; tornos, taladradoras y fresadoras; rectificadoras y cepilladoras; mquinas para trabajar la madera y pequeas prensas de imprimir; mquinas herramientas para trabajos ligeros. Motores serie.Para traccin; tranvas y trenes; gras, puentes-gras, ascensores y elevadores; grandes rodillos de curvar; ventiladores y compresores de aire; mquinas de hacer el vaco, secadores de pelo, mquinas de tipo universal y maquinillas de afeitar. Motores compound acumulativos.- Ascensores, bombas y grandes ventiladores; laminadoras, prensas de estampado y grandes prensas de imprenta; trolebuses. Motores compound diferenciales.trabajos de investigacin. Si se observan ciertas precauciones, cualquier generador de CC puede ser utilizado como motor. Si la mquina tiene polos auxiliares de conmutacin, es posible que no sea necesario alterar la posicin de las escobillas; pero en el caso de que no tenga polos auxiliares ser preciso girar hacia atrs las escobillas para que una mquina que haya sido utilizada como generador pueda funcionar como motor, siempre y cuando se mantenga el mismo sentido de giro. 9-12. Funcionamiento como motor.- Si a un generador tipo serie se le hace funcionar como motor sin cambiarle las conexiones, girar en sentido contrario a aquel en que lo haca como generador, independientemente de la polaridad que tenga la fuente de energa. Esto se puede ver en la figura 9-16, en la que (a) muestra las condiciones de la mquina cuando trabaja como generador, mientras que (b) indica las condiciones de la mquina cuando funciona como motor manteniendo la misma polaridad y sin que se hayan cambiado las conexiones internas; en (e) se puede observar el efecto que se produce al cambiar la polaridad. En (a) el par motor tiene sentido contrario al del giro de las manecillas del reloj, mientras que el par electromagntico, que se opone al anterior, gira en el sentido de las manecillas del reloj. Es este par electromagntico el que produce la rotacin en el motor; por tanto, en (e), donde el campo y la corriente de la armadura son los mismos que en (a), el par motor y la direccin Grupos elevadores de potencial con batera; para

de rotacin tienen el mismo sentido de las manecillas del reloj. En (b), tanto la corriente de la armadura como el campo se han invertido, por lo que la direccin del giro seguir siendo en el sentido de las manecillas del reloj. El mismo resultado se podr conseguir si utilizamos la regla de la mano. En (a) y en (c), los campos y las corrientes de la armadura estn, respectivamente, en la misma direccin, por lo

que, como utilizamos la mano izquierda para un caso y la mano derecha para el otro, los sentidos de rotacin sern opuestos. En (b) la mano izquierda se utiliza en la misma forma que en (e), pero como el campo y la corriente de la armadura estn ambos invertidos, la direccin de giro se mantiene igual que en (e). Si consideramos ahora en idntica forma un generador shuiit, comprobaremos que girar en la misma direccin como motor que la que tiene cuando trabaja como generador, manteniendo inalteradas las conexiones internas, independientemente de la polaridad que se tenga en los terminales de la mquina. Esto se puede ver en la figura 9-17, en la que (a) representa el generador y (b) el motor con la misma polaridad. En (b) la corriente del campo se mantiene en igual direccin que en (a), pero la corriente de la armadura se ha invertido, por lo que el par electromagntico se ha invertido tambin. Este se ejerce en el sentido de las manecillas del reloj en el caso de (a), ya que se opone al par motor, y, por tanto, tiene sentido contrario al de las manecillas del reloj en el caso de (b). En (c) se representa el motor con polaridad inversa, en cuyo caso tanto la corriente del campo como la corriente de la armadura estn invertidas, por lo que el par se ejerce en la misma direccin. 9-13. Freno dinmico.Se utiliza esta propiedad que tiene el motor derivado para conseguir un freno dinmico y un control de tiporegenerativo. El primero se usa cuando los motores que mueven cargas como las de un ascensor o una laminadora necesitan pararse con rapidez. Esto se consigue utilizando la energa cintica de la carga para que mueva al motor como generador durante el perodo de bajada, y la energa que ste genera se consume en una resistencia conectada a la armadura. Un freno regenerativo se utiliza en los sistemas de traccin cuando el vehculo desciende una pendiente: se hace que la mquina genere y d energa al circuito de alimentacin. Las mquinas serie no pueden ser utilizadas como frenos dinmicos o regenerativos sin cambiar previamente las conexiones, lo que generalmente se hace con una excitacin separada del campo. Cuando un generador de tipo compound acumulativo (figura 9-18 a) funciona como motor con la misma polaridad en sus terminales, la corriente del campo derivado circula en la misma direccin; sin embargo, en el campo serie circula en sentido contrario, segn se puede ver en (b). Si, como suele ocurrir, el campo derivado predomina sobre el serie, el campo

resaltante tiene la misma direccin que anteriormente, pero es ms dbil; por tanto, la mquina contina girando en igual direccin que antes, como si fuese un motor compound de tipo diferencial. Si la polaridad de la fuente de alimentacin de energa se invierte, como en (c), cada uno de los campos est tambin invertido, as como la corriente de la armadura, de tal forma que la mquina contina girando en la misma direccin, como si fuese un motor diferencial compound. Ya se ha sealado la caracterstica inestable que tiene un motor compound de tipo diferencial, por lo que no es conveniente utilizar un generador compound de tipo acumulativo para la carga de bateras. Si el elemento motriz falla, el generador se transformar en un motor de tipo compound que estar alimentado por la batera. Esto producir una fuerte corriente de des- carga de la misma y un funcionamiento muy inestable de la mquina. Para impedir que esto se pueda producir, el devanado serie se pone en corto circuito cuando la mquina funciona como motor serie con la misma direccin de giro, o viceversa, el devanado serie puede ser invertido, segn se indica en (d). En este caso el motor funcionar como un motor compound de tipo acumulativo

con la misma direccin de giro que la que tena cuando funcionaba como generador,, independientemente de la polaridad de la fuente alimentadora. Cuando se instala un motor, sucede con cierta frecuencia que gira en sentido contrario del que deba de hacerlo. Teniendo en cuenta la regla de la mano izquierda, se observar que para cambiar el sentido de giro es necesario invertir o bien la corriente de la armadura o bien la corriente del campo, pero en ningn caso las dos simultneamente. Como regla general es aconsejable cambiar las conexiones de la armadura, dejando las conexiones

del campo magntico sin alterar. En la figura 9-19 se puede ver el mtodo que se debe utilizar para el caso de un motor serie; para realizar la inversin de giro se une F1 a A1 en lugar de a A2, mientras que el polo positivo se conecta a A2 en vez de hacerlo a A1. 9-14. Intercambio de conexiones.- En igual forma, en el caso del motor derivado, F1 se une a A2 en lugar de a A1, mientras que F2 se conecta a A2 en lugar de a A2, como se puede ver en la figura 9-20. Se advertir que la lnea positiva se conecta a F1 y la negativa a F5, en cada uno de los casos, de tal forma que la corriente del campo no sufre alteracin de ningn tipo. Si tenemos en cuenta el caso de un motor de tipo compound, es evidente la ventaja que se obtiene al invertir los alimentadores de la armadura, porque de lo contrario sera necesario invertir tanto los devanados de tipo serie como los derivados. Si no se hace as, la mquina se transformar de tipo acumulativo en otra de tipo diferencial. Las conexiones en este caso se ven en la figura 9-21, que corresponde a un motor comounc1 con polos auxiliares de conmutacin. Las conexiones del campo permanecen inalteradas, tanto una en relacin con la otra como con la fuente alimentadora, mientras que los alimentadores de la armadura se cambian.

Se observar que los devanados de los polos de conmutacin se consideran como parte del circuito de la armadura, y las conexiones entre ellos y la armadura no deben ser modificadas. Ya hemos dicho que un motor elctrico convierte la energa elctrica en energa mecnica. Sin embargo, no toda la energa elctrica que la fuente de alimentacin proporciona al motor se convierte en energa mecnica til, ya que se producen algunas prdidas en este proceso de conversin. Las prdidas en un motor pueden ser divididas en las prdidas producidas en el cobre y las que se producen por la rotacin. Las primeras estn originadas por el calentamiento que produce la corriente que circula a travs de los conductores;. son proporcionales al cuadrado de la corriente circulante y a la resistencia que tenga el conductor. Estas prdidas se producen en las bobinas del campo y en el devanado de la armadura; llegan a ser de un 20 a un 30 % de todas las prdidas a plena carga, mientras que las ltimas incluyen las prdidas debidas a la resistencia de contacto de las escobillas y alcanzan un valor comprendido entre el 30 y el 40 % del total. Las prdidas debidas al giro de la mquina, como su nombre indica, comprenden todas las prdidas ocasionadas por la rotacin de la armadura y pueden ser divididas en las prdidas en el hierro y las prdidas mecnicas. Las primeras son alrededor de un 20 a un 30 % de las prdidas totales y se deben a las corrientes parsitas y a las prdidas por histresis que se producen en el campo y en los ncleos de la armadura. Las prdidas mecnicas, que pueden alcanzar de un

10 a un 15 % de las prdidas totales, estn originadas por la friccin de las escobillas y de los cojinetes, y por las corrientes de aire. La potencia desarrollada por la un motor viene dada por el producto de la fem generada por la corriente que circula por la armadura; es decir, que la potencia total que puede dar un motor es proporcional a la fem generada, que a su vez es directamente proporcional a la velocidad. Por tanto, la capacidad de un motor de un determinado tamao puede ser aumentada elevando su velocidad de funcionamiento. Si sta aumenta, mejora el efecto de ventilacin y de enfriamiento que se ejerce sobre la armadura; por otra parte, al aumentar la velocidad crecen las prdidas en el ncleo. Se puede considerar, sin embargo, que la capacidad de una mquina es aproximadamente proporcional a su velocidad. Tambin es fcil demostrar que el peso de un motor vara inversamente con su velocidad para una determinada capacidad. Una mquina de 60 CV puede pesar alrededor de 1000 Kg si est diseada para una velocidad de 100 rpm; pero si se disea para que funcione a 500 rpm pesar alrededor de 1500 Kg. Por otra parte, si el coste de una mquina es aproximadamente proporcional a su peso, se podr concluir que el coste de un motor es inversamente proporcional a su velocidad. Es mucho ms econmico utilizar motores de elevada velocidad, siempre que resulten fcilmente aplicables para el uso a que se les destina. Esto, naturalmente, slo es cierto dentro de lmites razonables, fuera de los cuales la fuerza centrfuga es tan grande que requiere que los motores se construyan con dispositivos especiales. Los motores de una potencia inferior a 1 CV adquieren cada vez mayor importancia para accionar pequeos aparatos, que se utilizan tanto en las fbricas como para usos domsticos.. Las aplicaciones de estas mquinas son muy numerosas y se pueden clasificar de acuerdo con la potencia que den. Los moto-- res que tienen aproximadamente 1 CV pueden ser utilizado para bombas, tornos, fresas y mquinas semejantes; los ventiladores montados en celdas suelen utilizar mquinas de una potencia media, que giran a pequea velocidad, mientras que los motores que giran a velocidad elevada se utilizan para el enfriamiento de devanados, para pulir, moler y para aspiradoras. Las mquinas de potencia muy pequea se emplean en los relojes y en los gramfonos. Estas mquinas, por lo general, son de tipo serie, y con pequeas modificaciones en su diseo pueden hacerse para utilizarlas indistintamente con una fuente de CA o de CC, en cuyo caso

se denominan motores universales. La mayor parte de los motores que tienen una potencia inferior a 1 CV pueden ser- conectados directamente a la fuente alimentadora, sin necesidad de utilizar resistencias de arranque o reguladores de velocidad.. 9-15. Grupo motor-generador.- Es frecuentemente necesario convertir la CC que se obtiene a un voltaje determinado en CC con otro voltaje mayor o menor que el original. Con este propsito, se puede utilizar un grupo motor-generador, que consiste en dos mquinas, generalmente montadas en una misma bancada. Una de ellas funciona como motor impulsado por la energa que facilita la fuente alimentadora, y est acoplada directamente a la segunda mquina, que trabaja como generador. En tal grupo la velocidad puede ser controlada regulando el campo magntico del motor, en tanto que el voltaje de generacin suele controlarse, independientemente de la velocidad, regulando el campo magntico del generador. El rendimiento de un grupo motor-generador est determinado por el producto de los rendimientos separados de las dos mquinas. Si el rendimiento del motor es de 0,85 u 85 % y el del generador es de 0,8 u 80 %, el rendimiento del grupo ser de 0,85 x 0,80 0,68 68 %. Esto significa que, en el caso de un grupo motor-generador utilizado para convertir un voltaje de 200 V y una corriente de 5 A en un voltaje de 1000 V, la corriente que se obtendr ser de 200 x 5 x 0.68 = 0.68A 1000 En lugar de utilizar dos mquinas, como en el caso del grupo motor-generador, es posible combinar las funciones de ambas en una mquina nica, que se conoce con el nombre de dnamo motor o transformador giratorio de CC. Esta mquina tiene slo un campo magntico y slo un ncleo para la armadura; este ltimo incluye dos devanados separados, cada uno con su correspondiente conmutador y escobillas. Un devanado est destinado al voltaje de la fuente alimentadora, mientras que en el otro, situado en las mismas ranuras que el primero, se genera el voltaje de salida necesario. Este tipo de mquina slo se construye en tamaos pequeos y medios. Tiene la desventaja de que el voltaje generado no puede ser regulado independientemente. Este voltaje est fijado por el voltaje de la fuente alimentadora y por la relacin que haya entre el nmero de conductores existentes en la armadura de los dos devanados. Por otra parte, la mquina tiene una serie de ventajas: El coste de su construccin es menor que el de un grupo motor-

generador, ya que se utiliza solamente un campo y un ncleo para la armadura. El rendimiento es mayor que el que da el grupo motor-generador, puesto que las prdidas en el campo slo se producen en un devanado, y las prdidas por friccin son reducidas.