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7.3 Motor de Corriente Continua
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Aspectos constructivos
Principio de funcionamiento
F.E.M. inducida
Par electromagnético
Sistemas de excitación
Reacción de inducido
Conmutación
Funcionamiento generador
Funcionamiento motor
7.3.1 Aspectos Constructivos
Estructura
mecánica
Circuito
Eléctrico
Cilindro que puede girar sobre su eje (rótor)
en el interior de otro cilindro hueco fijo (estátor)
Estátor
Inductor
Creación
del campo B
Espiras de hilo o
pletina de cobre
arrolladas sobre los
polos inductores
Estátor: Parte fija
Rótor: Parte giratoria
Alimentación con
corriente continua
Colector de delgas y escobillas
Rótor
Espiras de hilo o
Rectificador mecánico
Inducido
pletina de cobre
que convierte las FF.E.MM.
Asiento de las
conectadas entre si
alternas inducidas en las
FF.E.MM. inducidas
y a las delgas
espiras en C.C. en las escobillas
Estátor: macizo o de chapa
Paq. Mag. Estátor
magnética (total-parcialmente)
Cilíndrico hueco
Circuito Rótor: chapa magnética de acero al con piezas radiales
silicio apiladas y eléctricamente
Magnético
Rótor
aisladas unas de otras
Paquete magnético
Entrehierro
cilíndrico
Polos
(inductores)
salientes
Ranuras
en la superficie
externa
7.3.1 Aspectos constructivos
1.
2.
3.
4.
Yugo o culata
Núcleo del polo inductor
Expansión polar
Núcleo del polo auxiliar o de
conmutación
5. Extremo del polo auxiliar o
de conmutación
6. Paquete magnético del rótor
7. Arrollamiento del inducido
8. Arrollamiento inductor o de
excitación
9. Devanado de conmutación
10.Colector de delgas
11. - 12. Escobillas
1
9
8
2
12
10
3
6
11
5
7
4
 M. F. Cabanas
Cabanas::
Técnicas para el
mantenimiento y
diagnó
diagn
óstico de
máquinas elé
eléctricas
rotativas
7.3.1 Aspectos constructivos
Motor de C.C. para
aplicaciones
de robótica
Pequeños motores de C.C.
de imán permanente
Fotografíía realizada en los talleres de ABB Service Gij
Fotograf
Gijó
ón
Motor de C.C. de 6 MW fabricado por ABB
7.3.2 Principio de funcionamiento
Fuerza externa que
hace girar la espira
Imanes o electroimanes alimentados con C.C.
para la creación del campo magnético
N
N
S
Escobillas
Anillos
rozantes
S
Osciloscopio
Instrumento de medida
 M. F. Cabanas
Cabanas::
Técnicas para el
mantenimiento y
diagnó
diagn
óstico de
máquinas elé
eléctricas
rotativas
La F.E.M. que se induce en la espira es alternativa (variable con el tiempo).
La FEM que se obtiene a la salida de la máquina (escobillas) es la misma que se
induce en la espira (alternativa y variable en el tiempo), debido a la conexión
entre los extremos de la espira y las escobillas, a través de los anillos.
7.3.2 Principio de funcionamiento
dφ = B ⋅ darea
area
dφ = B ⋅ l ⋅ r ⋅ dα
φ=
ππ−−α
α
∫ B ⋅ l ⋅ r ⋅ dα
α
α
φ = B ⋅ l ⋅ (π − 2α )
Si la espira gira con velocidad
angular ω=dα/dt mientras los
conductores se muevan bajo
la superficie polar se inducirá
en ella una F.E.M.:
E=−
dφ
dα 

= −B ⋅ l ⋅ r  − 2

dt
dt


E = 2⋅B ⋅l⋅ V
dα
E
+
-
 L. Serrano:
Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas
rotativas
V = R ⋅ω
7.3.2 Principio de funcionamiento
Con la máquina girando a una
cierta velocidad V, la F.E.M.
que se induce en la espira es
alterna: cambia de signo cada
vez que se pasa por debajo
de cada polo.
El colector es un dispositivo
que rectifica la F.E.M. para
obtener una tensión continua
(unidireccional) y positiva (sin
cambios de polaridad)
E
N
N
E = 2⋅B ⋅l⋅ V
E
N
S
2BlV
Polos inductores
de la máquina
π
0
2π
-2BlV
E
S
S
N
N
S
S
2BlV
2BlV
2BlV
2BlV
0
0
ππ
2π
2π
Colector elemental (2 delgas)
0
0
ππ
2π
2π
Colector real (muchas delgas)
7.3.2 Principio de funcionamiento
 M. F.
Cabanas:
Cabanas:
Técnicas para
el
mantenimient
oy
diagnó
diagn
ó stico
de má
máquinas
elé
el
éctricas
rotativas
Colector
Escobillas
Sentido de rotación
de la espira
Colector
real
Colector de dos
delgas
1
2
1
2
1
2
 M. F.
Cabanas:
Cabanas:
Técnicas
para el
mantenimi
ento y
diagnó
diagn
ó stico
de
máquinas
elé
el
éctricas
rotativas
- +
0
- +
Instante Inicial
Conmutación
Inversión de la polaridad
7.3.3 F.E.M. inducida
F.E.M.
F.E.M. en
en una
una espira
espira
F.E.M.
F.E.M. inducida
inducida en
en el
el
devanado
devanado de
de la
la máquina
máquina
{
E = 2 ⋅B ⋅l ⋅ V
2 VBl
E = N⋅
a
ϕ = B ⋅ Ap
Ap ≅
Ap = Área del
polo
N = Nº total de espiras
a = Nº de circuitos
(ramas) en paralelo
A Rotor
2π ⋅ r ⋅ l π ⋅ r ⋅ l
Rotor
=
=
Nºpolos
2p
p
polos
2V P ⋅ ϕ
⋅
a π⋅r
2π
V = ω⋅r = n⋅
⋅r
60
E = N⋅
B = ϕ⋅
{
E=4
N⋅p
n⋅ϕ
60a
P
π ⋅r ⋅l
n = Velocidad (rev.
(rev./min.)
/min.)
r = radio
E = K ⋅n⋅ϕ
7.3.4 Par electromagnético
Par electromagnético
creado por una espira
Par electromagnético
creado por el devanado
completo de la máquina
I
Tespira
= 2B ⋅ l ⋅ r ⋅ I espira
= 2B ⋅ l ⋅ r ⋅
espira
espira
a
a = Nº de circuitos en paralelo
I =Corriente de inducido (rótor)
I
TTOTAL
=
N
⋅
2
B
⋅
l
⋅
r
⋅
TOTAL
a
N = Nº total de espiras
P
B = ϕ⋅
π⋅r ⋅l
TTOTAL
TOTAL
TTOTAL = K ⋅ ϕ ⋅ I
I = Corriente de inducido
2P ⋅ N
=
⋅ϕ⋅I
π⋅a
7.3.5 Sistemas de excitación
•
El campo magnético de la máquina de CC puede obtenerse de dos formas,
mediante:
– Imanes permanentes
– Electroimanes, bobinas alimentadas con CC (caso habitual):
•
Según la fuente de alimentación de las bobinas se tienen dos tipos de
excitación:
– Excitación independiente (o separada): la corriente que alimenta al devanado
inductor procede de una fuente, independiente, externa.
– Autoexcitación: la corriente de excitación procede de la propia máquina. Según
la forma de obtener esta corriente existen tres tipos diferentes de MM. de C.C.:
• Excitación serie: devanado inductor en serie con el inducido
• Excitación derivación: devanado inductor conectado directamente a las
escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido.
• Excitación compuesta o mixta: una bobina en serie y la otra en derivación.
7.3.5 Sistemas de excitación
Resistencia del inducido
Resistencia
del inductor
Resistencia del
inducido
Rex
Uex
Lex
Tensión
excitación
Inductor
Motor
Motor de
de
excitación
excitación
derivación
derivación
Ri
Rex
E
Uex
Ui
Lex
Ri
E
Ui
FEM
Inducida
Inducido
Resistencia del
inducido
Inductor
Inductor
Inducido
Motor
Motor de
de excitación
excitación independiente
independiente
Motor
Motor de
de
excitación
excitación
serie
serie
Ri
E
Inducido
Rex
Lex
Ui
7.3.5 Sistemas de excitación
Resistencia
del inducido
Motor
Motor de
de excitación
excitación
compuesta
compuesta larga
larga
Ri
Inductor 1
Rex1
Lex1
Rex2
Inductor 2
E
Lex2
Inducido
Resistencia del
inducido
Ri
E
Inductor 2
Rex1
Inductor 1
Lex1
Inducido
Rex2
Lex2
Ui
Motor
Motor de
de excitación
excitación
compuesta
compuesta corta
corta
Ui
7.3.6 Reacción de inducido
Al circular corriente por
el inducido se va a crear
un campo que
distorsiona el campo
creado por los polos
inductores de la máquina
E
N
S
2BlV
FEM con reacción
de inducido
Desplazamiento de
la línea neutra
0
Esta distorsión del
campo recibe el nombre
de reacción de inducido
π
2π
-2BlV
Efectos
producidos por
la reacción de
inducido
Desplazamiento de la “plano o línea neutra” (plano en el
que se anula el campo
Disminución del valor global del campo de la máquina
7.3.7 Conmutación
Desplazamiento
de la “plano o
línea neutra”
 Mulukutla S.
Sarma : Electric
machines
Problemas durante la
conmutación
POLOS DE
CONMUTACIÓN
Reducción de par y aumento
de velocidad
Disminución del
valor global del
campo de la
máquina
Los polos auxiliares de conmutación compensan localmente
la reacción de inducido y mejoran la conmutación
7.3.8 Funcionamiento generador
Rex Iex
Uex
Lex
Se hace girar el inducido y se alimenta
el inductor. La tensión de excitación
controla la FEM (E) y, por tanto, la
tensión de salida Ui
Ri
E
Ui
FEM
Inducida
Inducido
Inductor
Generador de excitación independiente
La tensión de salida crece
proporcionalmente con la velocidad de
giro n
N⋅p
E=4
n⋅ϕ
60a
E = K ⋅n⋅ϕ
La relación entre la corriente de excitación y la FEM inducida no es
lineal: existe saturación
7.3.8 Funcionamiento generador
I
Ri
E
En la generador en derivación la propia
tensión de salida del generador se
utiliza para producir la excitación
Rex
Uex
Ui
Uex= Ui
Lex
Inducido
E
Inductor
Curva de magnetización
E2
Generador con excitación derivación
El generador “arranca” gracias al magnetismo
remanente siguiendo un proceso de
E1
E = I ⋅ [R ex
ex + R ii ]
AUTOEXCITACIÓN
Magnetismo
ϕR
remanente
Se repite hasta el
punto de equilibrio
ER
E2
I RR =
I1
ERR
R ex
ex + R ii
E1
Pto. de
equilibrio
ER
Iex
IR
I1
Resistencia
del inductor
7.3.9 Funcionamiento motor
Resistencia del
inducido
Rex
Uex
Lex
Tensión
excitación
Inductor
Resistencia del inducido
Ri
Ri
E
E
Ui
Rex
Uex
Ui
Lex
FEM
Inducida
Inducido
Inducido
Inductor
Motor
Motor de
de exc.
exc. derivación
derivación
Motor
Motor de
de exc.
exc. independiente
independiente
Desde el punto de vista funcional ambos motores son muy similares ya que el inducido está
sometido a una tensión constante
Uii = E − R ii ⋅Iii
Ecuación del motor
derivación e
independiente
E = K ⋅n⋅ϕ
T = K'⋅ϕ ⋅ Iii
Ecuación general máquina C.C.
n=
Uii
T
−
⋅ R ii
2
2
K ⋅ ϕ K ⋅ K'⋅ϕ
T
I ii =
K '⋅ϕ
Uii = K ⋅ ϕ ⋅ n +
T
⋅ R ii
K '⋅ϕ
7.3.9 Funcionamiento motor
Curva par-velocidad de los
motores de excitación
independiente y derivación
n=
Uii
T
−
⋅ R ii
2
2
K ⋅ ϕ K ⋅ K'⋅ϕ
n
n
Considerando
Ctes. Ui y ϕ
Característica de velocidad
n=f(Ii)
Uii = E − R ii ⋅Iii
E = K ⋅n⋅ϕ
Pendiente
Pendiente 22 –– 8%
8%
Aumento
Aumento de
de R
Rii
T
T
Característica dura
n
n
ϕ = cte
Ui
R i ⋅ Ii
n=
−⋅
K ⋅ϕ
K ⋅ϕ
IIii