Motores electricos de corriente continua

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Clasificacin de los motores elctricos

Los motores elctricos se pueden clasificar segn la corriente empleada en: motores de corriente continua, motores de corriente alterna y motores universales (sirven para los dos tipos de corriente).

Los motores de corriente continua, a su vez se pueden clasificar segn el tipo de excitacin en: independiente, serie, derivacin, compuesta y de imanes permanentes (el campo magntico lo producen imanes en lugar de electroimanes).

Los motores de corriente alterna se clasifican segn los siguientes criterios: velocidad de giro (sncronos, asncronos), tipo de rotor (bobinado, en cortocircuito o jaula de ardilla), nmero de fases (monofsicos universales y de bobinado auxiliar y condensador y trifsicos).

Motores de corriente continua.

A Constitucin de un motor de corriente continua

Los motores de corriente continua (CC) se basan en los principios de fuerza electromagntica y de fuerza electromotriz inducida, tal como se ha visto. Para llevar a cabo estos principios, los motores constan del inductor e inducido. La Figura 23 muestra la perspectiva explosionada de un pequeo motor de CC.

Fig. 23. Elementos de un pequeo motor de corriente continua.

Inductor: Tiene como misin crear el campo magntico y se encuentra alojado en la parte fija del motor o estator. El inductor est formado por unas bobinas de hilo de cobre colocadas alrededor de una expansin polar de material ferromagntico.

Por la bobina circular una corriente elctrica, de cuyo sentido depender el signo del campo magntico creado. En la Figura 23 aparecen los componentes del inductor.Tambin puede ser de imanes permanentes.

Inducido: Tiene como misin crear campos magnticos que se opongan a los del motor. Est formado por conductores de cobre dispuestos en forma de bobinas.

Las bobinas estn alojadas en ranuras practicadas en un paquete de chapas cilndrico de material ferromagntico, el cual est sujeto al eje de giro del motor y constituye la parte mvil o rotor de la mquina.

Los principios y finales de las distintas bobinas estn conectados elctricamente a una pieza de cobre denominada colector de delgas, que gira con el eje. Las delgas son las partes en las que se divide el colector y estn aisladas unas de otras. La Figura 23 muestra el inducido de una mquina de corriente continua.

Para introducir la corriente en los conductores del inducido se utilizan las escobillas, que son piezas de grafito que estn en contacto con el colector de delgas y que, por tanto conectan el circuito exterior con el interior de la mquina. En la Figura 23 se pueden ver las escobillas y las portaescobillas de una mquina de corriente continua.

En la Figura 23 se aprecia el aspecto que tiene un motor de corriente continua completamente montado.

B Magnitudes fundamentales de los motores de corriente continua

Como hemos sealado, el proceso de conversin de energa se deriva de los principios fundamentales de la fuerza electromagntica, cuya caracterstica es Mi y de la fuerza electromotriz inducida cuya caracterstica es E..

La expresin que toma el par interno, Mi, es sta:

Donde:

Mi = par interno (N m).

p = nmero de pares de polos de la mquina. Las mquinas elctricas contienen un nmero par de polos que se designan por 2p.

a = nmero de ramas en paralelo del inducido. Al colocar las escobillas sobre el colector, los conductores del inducido se conectan formando una serie de ramas en paralelo.

N = nmero total de conductores.

= flujo magntico (Wb).

Ii = intensidad que recorre los conductores del inducido (A).

Cuando la mquina est ya construida, la mayora de las magnitudes son constantes, por lo que la expresin que toma el par interno es la siguiente: Mi = K Ii.

En ella se puede observar que el par que desarrolla la mquina es proporcional al flujo magntico y a la intensidad de corriente en los conductores del inducido.

La expresin de la fuerza electromotriz E., es la siguiente:

Donde:

Eb= fuerza contraelectromotriz inducida (V).

p = nmero de pares de polos.

a = nmero de ramas en paralelo del inducido.

N = nmero total de conductores.

= flujo magntico (Wb).

n = velocidad de giro de la mquina (rpm).

Cuando la mquina est ya construida, la mayora de las magnitudes son constantes, por lo que la expresin que toma la Eb es sta:

Eb = Kb n Recuerda

El flujo magntico , a travs de una superficie, representa el nmero total de lneas del campo magntico que atraviesan esa superficie. Observa que este flujo es mayor si la superficie aumenta o si aumenta el campo magntico. Sin embargo, disminuye desde el valor mximo cuando las lneas del campo magntico atraviesan perpendicularmente la superficie, hasta el valor nulo, cuando las lneas de fuerza no atraviesan la superficie por haberse colocado las lneas de fuerza paralelas a la superficie. As, durante el giro del rotor nos encontraremos con estas situaciones de forma peridica.

Fuerza contraelectromotriz

La tensin, en voltios, que produce un generador se denomina fuerza electromotriz.

Cuando un motor gira, al aplicarle una diferencia de potencial, tambin se comporta como un generador; sin embargo, una fuerza electromotriz que se opone a la diferencia de potencial aplicada, se dice fuerza contraelectromotriz. El voltaje disponible para suministrar la corriente es la diferencia entre la tensin aplicada y la fuerza contraelectromotriz.

En la ecuacin anterior podemos observar que la fuerza contraelectromotriz es directamente proporcional a la velocidad de giro y al flujo inductor. En la Figura 24 se representa el diagrama de bloques de una mquina de corriente continua que acta como motor.

Fig. 24. Mquina de corriente continua funcionando como motor.

La tensin aplicada U y la Eb alcanzan su equilibrio, con lo que aparece la intensidad Ii.

Un motor elctrico de corriente continua, si exceptuamos el circuito del inductor, se puede representar por un generador en oposicin con la red a la cual se conecta de fuerza contraelectromotriz Eb. En serie con l, colocaremos una resistencia ri, tal como podemos apreciar en la Figura 25.

Fig. 25. Smil elctrico de un motor de corriente continua.

Un motor de corriente continua est conectado a una red de 250 V de tensin, gira a una velocidad de 1 500 rpm y desarrolla una fuerza contraelectromotriz de Eb = 230 V. Si la resistencia interna es de 2 , halla la intensidad en el motor.

Solucin

Por un motor de corriente continua circula una intensidad de 7,5 A. Sabemos que la tensin de la red a la cual se ha conectado es de 150 V y que la resistencia interna es de 2 . Determina la fuerza contraelectromotriz Eb.

Solucin

Despejando la ecuacin anterior obtenemos:

Eb = U r i I i = 150 2 7,5 = 135 V

C Tipos de motores de corriente continua

En los apartados anteriores comentamos que, para constituir un motor de corriente continua, necesitamos un circuito inductor y un circuito inducido; en funcin de cmo se conecten ambos, obtendremos los distintos tipos de motores de corriente continua.

Motores de excitacin independiente

En la Figura 26 se representa el esquema de un motor de corriente continua de excitacin independiente y su circuito elctrico equivalente.

Fig. 26. Esquema de conexiones de un motor de corriente continua excitacin independiente y circuito elctrico equivalente.

El devanado inducido (A, B) y el devanado inductor (J, K) estn alimentados con fuentes de tensin distintas e independientes. El flujo ser constante porque Iex tambin lo es. La intensidad que el motor absorbe de la red se determina con la siguiente expresin:

Motor derivacin

En la Figura 27 se representa el esquema de conexiones de un motor de corriente continua excitacin derivacin y su circuito elctrico equivalente.

Fig. 27. Esquema de conexiones de un motor de corriente continua excitacin derivacin y circuito elctrico equivalente.

El motor derivacin es prcticamente igual al motor de excitacin independiente, la nica diferencia estriba en que el devanado de excitacin (C, D) est conectado a la misma fuente de tensin que el inducido (A, B).

En este tipo de motor se cumple lo siguiente:

El flujo es constante porque la Iex tambin lo es:

La intensidad del inducido I i toma la siguiente expresin:

La intensidad que el motor absorbe de la red vale: I = Ii + Iex.

Un motor derivacin est conectado a una red de tensin U = 200 V; la resistencia de excitacin tiene un valor Rd = 200 y la resistencia interna ri = 4 . La Eb en condiciones nominales de trabajo tiene un valor de 160 V. Determina las intensidades en los diferentes circuitos.

Solucin

En primer lugar hallamos la intensidad de excitacin:

A continuacin calculamos la corriente en el circuito del inducido:

Por ltimo, obtenemos la intensidad que absorbe de la red:

I = Ii + Iex = 10 + 1 = 11 A

Motor serie

La Figura 28 representa el esquema de conexiones de un motor de corriente continua excitacin serie y su esquema elctrico equivalente.

Fig. 28. Esquema de conexiones de un motor de corriente continua excitacin seriey circuito elctrico equivalente.

En este tipo de motor el inductor (E, F) est en serie con el inducido (A, B), lo que implica que el flujo magntico va a depender de la carga. Si sta es variable, el flujo tambin lo ser:

Existen otros tipos de motores de corriente continua que mezclan las caractersticas del motor serie y del motor derivacin, pero no vamos a estudiarlos porque exceden los objetivos previstos.

Un motor serie conectado a una red de 200 V de tensin tiene las siguientes caracterstic