MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA

Introducción

Los motores eléctricos de corriente continua son el tema de base que se amplía 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 más.

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 motor, 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.

Se Utilizan en casos en los que es de importancia el poder regular continuamente la velocidad del eje y en aquellos casos en los que se necesita de un toque de arranque elevado.Además, utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente continua, como es el caso de trenes y automóviles eléctricos, motores para utilizar en el arranque y en los controles de automóviles, motores accionados a pilas o baterías, etc.

Para funcionar, el motor de corriente continúa o directa precisa de dos circuitos eléctricos distintos: el circuito de campo magnético y el circuito de la armadura.

El campo (básicamente un imán o un electroimán) permite la transformación de energía eléctrica recibida por la armadura en energía mecánica entregada a través del eje. La energía eléctrica que recibe el campo se consume totalmente en la resistencia externa con la cual se regula la corriente del campo magnético. Es decir ninguna parte de la energía eléctrica recibida por el circuito del campo, es transformada en energía mecánica. El campo magnético actúa como una especie de catalizador que permite la transformación de energía en la armadura.

La armadura consiste en un grupo de bobinados alojados en el rotor y en un ingenioso dispositivo denominado colector mediante el cual se recibe corriente

continua desde una fuente exterior y se convierte la correspondiente energía eléctrica en energía mecánica que se entrega a través del eje del motor. En la transformación se pierde un pequeño porcentaje de energía en los carbones del colector, en el cobre de los bobinados, en el hierro (por corrientes parásitas e histéresis), en los rodamientos del eje y la fricción del rotor por el aire.Leyes fundamentales

Todas las máquinas eléctricas, tanto las de corriente continua como las de corriente alterna, funcionan según los mismos principios básicos y sólo unas pocas leyes fundamentales gobiernan el comportamiento de estas máquinas. Es conveniente tener un conocimiento sobre estas leyes fundamentales para el estudio de las máquinas eléctricas.

1.- Ley de inducción de Faraday.

2.- Ley de Kirchhoff del circuito eléctrico.

3.- Ley del circuito del campo magnético (ley de Ampere).

4.- Ley de la fuerza ejercida sobre un conductor en un campo magnético (ley de Biot y Savart).

1.- Ley de inducción de Faraday. Fuerza electromotriz inducida en un circuito conductor cerrado debido al flujo producido por un imán. La ley de inducción de Faraday establece: si el flujo magnético concatenado con un circuito conductor cerrado varía, se induce una fuerza electromotriz en el circuito.

Si φ representa el flujo concatenado con el circuito y dφ la variación de flujo durante el tiempo dt entonces el valor de la f.e.m. inducida es proporcional a la

velocidad de variación del flujo, dφdt .

Descripción y componentes de las máquinas de corriente directa

La corriente directa es una corriente casi unidireccional en las que todos son valores positivos o negativos y en la que los cambios de valor son nulos o tan pequeños que pueden despreciarse Una máquina de corriente directa es la que genera o aprovecha una corriente continua. La genera un generador también llamado dinamo y la aprovecha un motor. La misma máquina eléctrica puede operar como generador o como motor. Para que opere como generador es necesario accionarlo con una maquina motriz y conectarlo debidamente a un tablero de control, conectándolo a un reóstato de excitación para regular el voltaje entre terminales. Para operarlo como motor hay que acoplar una carga en un eje y alimentarlo con energía eléctrica a base de un dispositivo que se llama reóstato de arranque o arrancador. De lo anterior podemos establecer que un generador de corriente continua es una máquina eléctrica que sirve para transformar energía

mecánica en energía eléctrica en forma de corriente continua y un motor es una máquina que convierte la energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica.

Características de los motores de corriente directa

La diferencia fundamental entre un generador y un motor de corriente continua es simplemente el tipo de conversión de energía que realizan porque los componentes son básicamente los mismos.

Los diversos tipos de excitación de motores de corriente directa con los mismos que se utilizan para los generadores, lo que implica que una misma máquina funcione como generador o como motor.

Par electromagnético de una máquina de corriente directa. Los conductores del inducido de una máquina de corriente directa se encuentran sometidos a fuerzas que hacen que gire en sentido contrario a las agujas del reloj debido a que por ellos circula una corriente eléctrica.

Par electromagnético de un generador (izquierda), par electromagnético de un motor (derecha).

El valor de la fuerza que impulsa el motor está dado por la siguiente ecuación:

F=B∗L∗I∗N

Donde:

B:Densidad media de flujo para el radio r del inducido.

L: longitud activa de los conductores en metros.

I: intensidad en amperios.

N: número total de los conductores.

El par está dado por la siguiente ecuación:

Me=k∗Φ∗Ιι

En donde k es una constante y su valor depende de cada tipo de máquina y su composición.

Componentes de las máquinas de corriente directa

Las partes principales que forman el generador de corriente directa son el estator y el rotor o armadura.

LOS TIPOS DE MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA PUEDEN SER:

Motores de corriente continúa de imán permanente:

Existen motores de imán permanente (PM, permanent magnet), en tamaños de fracciones de caballo y de números pequeños enteros de caballos. Tienen varias ventajas respecto a los del tipo de campo devanado. No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado asociado. Se mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del campo que fallen y no hay probabilidad de que se presente una sobre velocidad debida a pérdida del campo. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la eliminación de pérdida de potencia en un campo excitador. Así mismo, la característica par contra corriente se aproxima más a lo lineal. Un motor de imán permanente (PM) se

puede usar en donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación continua.

Excitación Independiente:

Los motores de excitación independiente tienen como aplicaciones industriales el torneado y taladrado de materiales, extrusión de materiales plásticos y goma, ventilación de horno, retroceso rápido en vacío de ganchos de grúas, desenrollado de bobinas y retroceso de útiles para serrar. El motor de excitación independiente es el más adecuado para cualquier tipo de regulación, por la independencia entre el control por el inductor y el control por el inducido. El sistema de excitación más fácil de entender es el que supone una fuente exterior de alimentación para el arrollamiento inductor. En la siguiente figura, se representa el inducido por un círculo; la flecha recta interior representa el sentido de la corriente principal y la flecha curva, el sentido de giro del inducido; el arrollamiento inductor o de excitación, se representa esquemáticamente, y el sentido de la corriente de excitación, por medio de una flecha similar.

Autoexcitación:

El sistema de excitación independiente, solamente se emplea en la práctica en casos especiales debido, sobre todo, al inconveniente de necesitar una fuente independiente de energía eléctrica. Este inconveniente puede eliminarse con el denominado principio dinamoeléctrico o principio de autoexcitación, que ha hecho posible el gran desarrollo alcanzado por las máquinas eléctricas de corriente continúa en el presente siglo.

MOTOR SERIE: es un tipo de motor eléctrico de corriente continua en el cual el devanado de campo (campo magnético principal) se conecta en serie con la armadura. Este devanado está hecho con un alambre grueso porque tendrá que soportar la corriente total de la armadura.

Debido a esto se produce un flujo magnético proporcional a la corriente de armadura (carga del motor). Cuando el motor tiene mucha carga, el campo de serie produce un campo magnético mucho mayor, lo cual permite un esfuerzo de torsión mucho mayor. Sin embargo, la velocidad de giro varía dependiendo del tipo de carga que se tenga (sin carga o con carga completa). Estos motores desarrollan un par de arranque muy elevado y pueden acelerar cargas pesadas rápidamente.

MOTOR SHUNT O MOTOR PARALELO: es un motor de corriente continua cuyo bobinado inductor principal está conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducidos e inductor auxiliar. Al igual que en las dinamos shunt, las bobinas principales están constituidas por muchas espiras y con hilo de poca sección, por lo que la resistencia del bobinado inductor principal es muy grande.

MOTOR COMPOUND: es un motor de corriente continua cuya excitación es originada por dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducido, inductor serie e inductor auxiliar.

Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt. Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de armadura.

El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de armadura varía, y es directamente proporcional a la carga. El campo serie se conecta de manera tal que su flujo se añade al flujo del campo principal shunt. Los motores compound se conectan normalmente de esta manera y se denominan como compound acumulativo.

Esto provee una característica de velocidad que no es tan "dura" o plana como la del motor shunt, ni tan "suave" como la de un motor serie. Un motor compound tiene un limitado rango de debilitamiento de campo; la debilitación del campo puede resultar en exceder la máxima velocidad segura del motor sin carga. Los motores de corriente continua compound son algunas veces utilizados donde se requiera una respuesta estable de par constante para un rango de velocidades amplio.

LAS PARTES FUNDAMENTALES DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA SON:

ESTATOR: Es el que crea el campo magnético fijo, al que le llamamos Excitación. En los motores pequeños se consigue con imanes permanentes. Cada vez se construyen imanes más potentes, y como consecuencia aparecen en el mercado motores de excitación permanente, mayores.

 

ROTOR: También llamado armadura. Lleva las bobinas cuyo campo crea, junto al del estator, el par de fuerzas que le hace girar.

 

Inducido de C.C.

ESCOBILLAS: Normalmente son dos tacos de grafito que hacen contacto con las bobinas del rotor. A medida que éste gira, la conexión se conmuta entre unas y otras bobinas, y debido a ello se producen chispas que generan calor. Las escobillas se fabrican normalmente de grafito, y su nombre se debe a que los primeros motores llevaban en su lugar unos paquetes hechos con alambres de cobre dispuestos de manera que al girar el rotor "barrían", como pequeñas escobas, la superficie sobre la que tenían que hacer contacto.

COLECTOR: Los contactos entre escobillas y bobinas del rotor se llevan a cabo intercalando una corona de cobre partida en sectores. El colector consta a su vez de dos partes básicas:

DELGAS: Son los sectores circulares, aislados entre sí, que tocan con las escobillas y a su vez están soldados a los extremos de los conductores que conforman las bobinas del rotor.

MICAS: Son láminas delgadas del mismo material, intercaladas entre las delgas de manera que el conjunto forma una masa compacta y mecánicamente robusta.

Visto el fundamento por el que se mueven los motores de C.C., es fácil intuir que la velocidad que alcanzan éstos dependen en gran medida del equilibrio entre el par motor en el rotor y el par antagonista que presenta la resistencia mecánica en el eje.

Componentes de las máquinas de corriente directa.

Parámetros característicos

Clase

NEMA

Par de arranque

Corriente de

Arranque

Regulación de

Velocidad (%)

Nombre de clase

Del motor

A

B

C

D

F

1.5-1.75

1.4-1.6

2-2.5

2.5-3.0

1.25

5-7

4.5-5

3.5-5

3-8

2-4

2-4

3.5

4-5

5-8 , 8-13

mayor de 5

Normal

De propósito general

De doble jaula alto par

De alto par alta resistencia

De doble jaula.

Ventajas de los motores de corriente continua

Aunque el precio de un motor de corriente continua es considerablemente mayor que el de un motor de inducción de igual potencia, existe una tendencia creciente a emplear motores de corriente continua en aplicaciones especiales.

La gran variedad de la velocidad, junto con su fácil control y la gran flexibilidad de las características par-velocidad del motor de corriente continua, han hecho que en los últimos años se emplee éste cada vez más con máquinas de velocidad variable en las que se necesite amplio margen de velocidad y control fino de las mismas.

Existe un creciente número de procesos industriales que requieren una exactitud en su control o una gama de velocidades que no se puede conseguir con motores de corriente alterna. El motor de corriente continua mantiene un rendimiento alto en un amplio margen de velocidades, lo que junto con su alta capacidad de sobrecarga lo hace más apropiado que el de corriente alterna para muchas aplicaciones.

Los motores de corriente continua empleados en juguetes, suelen ser del tipo de imán permanente, proporcionan potencias desde algunos vatios a cientos de vatios. Los empleados en giradiscos, unidades lectoras de CD, y muchos discos de almacenamiento magnético son motores en los que el rotor es de imán fijo y sin escobillas. En estos casos el inductor, está formado por un juego de bobinas fijas, y un circuito electrónico que cambia el sentido de la corriente a cada una de las bobinas para adecuarse al giro del rotor. Este tipo de motores proporciona un buen par de arranque y un eficiente control de la velocidad.

Una última ventaja es la facilidad de inversión de marcha de los motores grandes con cargas de gran inercia, al mismo tiempo que devuelven energía a la línea actuando como generador, lo que ocasiona el frenado y la reducción de velocidad.

Son fáciles de controlar, tanto el arranque/paro, como su posición y velocidad, lo que los ha extendido profusamente para multitud de aplicaciones industriales.

Aunque con la llegada dela electrónica, los motores de corriente alterna (asíncronos) han llegado a ser tan controlables como estos y con unos precios más bajos, pues el principal inconveniente de este tipo de motores es un mantenimiento muy caro y laborioso. A pesar de eso aún lo podemos encontrar haciendo funcionar trenes y tranvías