04-Motores de CC

El funcionamiento de todo motor se basa en la fuerza de Lorentz:

Para tener el momento de giro siempre en el mismo sentido, la corriente que se introduce a la espira debe entrar siempre por el mismo extremo. Ésto se consigue de forma idéntica a como se hacía con la dínamo, es decir, mediante un colector formado por delgas (pulsa para ver la animación):

A este principio básico se aplican varias mejoras. La primera de ellas es instalar varios juegos de espiras para contar siempre con el momento máximo. De esta forma, los colectores están formados por varias delgas:

Y así obtenida, esta parte giratoria se llama rotor o inducido.

La segunda variación es eliminar los imanes permanentes, que sólo se usan en motores de potencia mínima, e instalar electroimanes. A esta parte fija se le denomina estátor, inductor o excitación.

Para entender el funcionamiento de los motores, debemos tener en cuenta tres hechos:

1º El momento de giro que se obtiene es tanto mayor cuanto mayor sea la intensidad de corriente que pasa por la espira y cuanto mayor sea el flujo magnético (más fuerza) de los imanes:

2º El hecho de que un conductor se mueva por el interior de un campo magnético provoca en él una fuerza electromotriz que, en el caso de los motores, es un voltaje que se opone a la corriente que se le da. Por tanto, existe una fuerza contraelectromotriz o f.c.e.m., que se suele representar con la letra griega ε. Esta fuerza contraelectromotriz, como en cualquier generador, es tanto mayor cuanto mayor sea la el flujo magnético (la fuerza) de los imanes y más rápido sea el giro:

3º La intensidad que consuma el motor dependerá de esta f.c.e.m. Si R_INDUCIDO es el valor de resistencia del cableado del rotor inducido, se puede aplicar la ley de Ohm (V = I · R) esta intensidad vendrá dada por:

V - fcem = I · R_INDUCIDO

Con todo ésto, ya estamos preparados para analizar los distintos tipos de motores de corriente continua:

MOTOR DE IMANES PERMANENTES

En estos motores el flujo magnético es fijo y sólo se puede variar la corriente suministrada al motor. Es un motor muy barato y de giro estable, por lo que se usa en juguetes o en lectores de discos compactos y DVD.

MOTOR DE EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

En este caso, la excitación se produce mediante electroimanes, y la corriente que absorben éstos es independiente de la corriente que se de al rotor. Son motores cuya velocidad y momento se regulan bien, pero son poco frecuentes por su complicación.

MOTOR SHUNT O EN DERIVACIÓN

La excitación de estos motores está en paralelo con el inducido:

por lo tanto, cada bobinado consume una intensidad independiente, y al motor hay que suministrarle la suma de ambas:

Como la corriente de la excitación I_EXC es un valor constante, el campo magnético inductor será también constante. Esto significa que podemos operar para obtener la relación entre velocidad de giro e intensidad:

Esta gráfica indica que la velocidad apenas varía aunque se suministre más o menos intensidad, es decir, aunque haya alguna variación en el voltaje.

Cuando se analiza la relación entre el momento y la velocidad de giro, se obtiene la llamada curva característica del motor, que para los motores en derivación tiene este aspecto:

Esta curva indica, en primer lugar, que el motor no tiene par cuando n= 0, es decir, en el arranque. Además, la zona de la izquierda representa unas condiciones de trabajo inestables, pues si se produce un frenado imprevisto del motor por el cual la velocidad disminuya, el par que dará el motor será menor que el que tenía y no podrá vencer la causa del frenado. Por contra, la curva de la derecha es la zona estable de funcionamiento: un frenado que reduzca la velocidad de giro produce un aumento del par para vencer la causa de frenado.

Este tipo de motores se utiliza en aplicaciones donde se requiera una velocidad muy estable, por ejemplo en las rotativas de los periódicos donde una diferencia de velocidad entre unos rodillos y otros significaría la rotura del papel.

Para su uso es necesario un sistema de embrague que desconecte mecánicamente al motor de la carga durante el arranque del mismo. Para la regulación de la velocidad se utilizan reóstatos que regulan la corriente de la excitación.

MOTOR SERIE

En estos motores la excitación está en serie con el inducido:

La intensidad que se suministra al motor pasa por los dos bobinados, y tiene un valor:

es decir, la intensidad que circula por las bobinas inductoras no es constante, y varía con la velocidad de giro, pues la f.c.e.m. también lo hace. Analizando las expresiones matemáticas:

En este caso, hay una fuerte variación de velocidad de giro cuando se produce un cambio en la alimentación. Por su parte, la curva característica de momento en relación con la velocidad de giro tiene este aspecto:

La curva muestra que este tipo de motores tiene momento en el instante del arranque. Además, la zona inestable de la izquierda es menos pronunciada que en motor shunt.

Por ello, los motores serie se utilizan en aplicaciones donde se requiera un elevado par de arranque, como en ascensores o en el encendido de motores de explosión de los vehículos. También se utiliza con frecuencia en el ferrocarril suburbano.

Aunque no necesitan sistema de embrague para el arranque, a veces se le instala. Para la regulación de la velocidad de giro se instala un reóstato que también sirve para aumentar progresivamente la intensidad de arranque. Este reóstato también se puede utilizar para el frenado del motor, eliminando la corriente del rotor y haciendo funcionar al motor como una dínamo, y disipar la corriente en dicho reóstato (frenado por disipación) o devolverla a la red de alimentación (frenado por regeneración).

MOTORES DE EXCITACIÓN COMPUESTA O COMPOUND

En estos últimos casos se aprovechan las ventajas de los motores serie y shunt. Para ello, la excitación tiene dos juegos de bobinas, una en serie con el inducido y otra en paralelo. Ahora bien, la disposición de estas dos bobinas da lugar a dos tipos de motores, en los que predominan uno u otro efecto:

Aunque la conexión eléctrica de los bobinados inductores se aprecia muy bien en los esquemas simbólicos anteriores, en realidad están enrollados sobre los mismos núcleos que, por cierto, se denominan masas polares:

CÁLCULOS EN MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

Además de las expresiones que corresponden a cada tipo de motor, se debe tener en cuenta otra serie de consideraciones (como despreciar para un primer cálculo las corrientes de la excitación en derivación con los motores compound cuando no se conocen), las ecuaciones importantes que son comunes a todos los motores son:

La potencia absorbida por el motor viene dada por:

El rendimiento del motor es la relación entre la potencia útil y la potencia absorbida:

Esta potencia útil es el resultado de restar a la potencia absorbida todas las potencias perdidas, que son:

• pérdidas en los conductores de la excitación por efecto de su resistencia eléctrica,

• pérdidas en los conductores del inducido, denominadas, junto con las anteriores, pérdidas en el cobre (P_Cu). Cada una de ellas se puede evaluar mediante la expresión: P=I²·R, pues es potencia que se pierde en forma de calor

• pérdidas en el hierro, por la energía perdida en los campos magnéticos y en las corrientes parásitas que aparecen en las piezas de hierro (P_Fe)

• pérdidas mecánicas por rozamientos y ventilación (P_Mec)

y para obtener los valores de las pérdidas en el hierro y mecánicas se suelen hacer ensayos de funcionamiento del motor en vacío, es decir, funcionando sin arrastrar nada, con lo cual la potencia que consume el inducido es despreciable, y la potencia absorbida se gasta únicamente en las pérdidas en el cobre (que se pueden calcular), y en las pérdidas en el hierro más las mecánicas, obteniendo así el valor de estas dos últimas en conjunto, valor que se mantiene con el motor funcionando bajo carga.

Cuando a la potencia absorbida se le resta las pérdidas en el cobre se obtiene un valor denominado potencia electromagnética, que es igual al producto de la fuerza contraelectromotriz por la intensidad que pasa por el inducido. La idea es aplicar el giro del motor a un duplicado de sí mismo, que se comportará como un generador. Si añadimos al nuevo generador la potencia necesaria para generar los campos magnéticos y las pérdidas por rozamiento, tenderá a crear una potencia igual a lo que estuviera generando el inducido del motor: un voltaje igual a la fuerza contraelectromotriz y una intensidad igual a la intensidad del inducido:

Para el motor: P_ÚTIL = P_ABSORBIDA - P_Cu - P_Fe+Mec

Para el generador: P_ÚTIL + P_Fe+Mec = P_{ELECTROMAGNÉTICA}

Con lo cual: P_{ELECTROMAGNÉTICA} = P_ABSORBIDA - P_Cu . Resumiendo, y para verlo de una forma gráfica, tendríamos el siguiente balance de energías:

Por lo tanto, cuando no se facilitan o son despreciables las pérdidas en el hierro y mecánicas, la potencia útil será igual a esta potencia electromagnética, mediante la expresión:

Para saber más:

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