Tema 13: “ Motores eléctricos de corriente continua”.

Tema 13: “ Motores eléctricos de corriente continua”.
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Principio básico de funcionamiento.
Partes básicas de una máquina de CC.
Funcionamiento en vacío carga y cortocircuito.
Tipos de excitación magnética.
4.1 Independiente.
4.2 Autoexcitados: serie, paralelo, compound.
F.c.e.m. obtenida.
Par electromagnético obtenido.
Potencia.
Expresión y regulación de la velocidad.
Estudio y análisis de las curvas características en las distintas
configuraciones: serie, paralelo y compound.
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1.Principio básico de funcionamiento.
El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía
eléctrica en mecánica.
Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria.
Su fácil control de posición, paro y velocidad la han convertido en una de las
mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos. La
llegada de la electrónica ha supuesto que los motores de corriente alterna sean
controlados de igual forma, sustituyendo a los de continua. 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 motores, etc.)
La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de
regular la velocidad desde vacío a plena carga
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Principio de funcionamiento
Esquema del funcionamiento de un
motor de c.c. elemental de dos polos
con una sola bobina y dos delgas en
el rotor.
Se muestra el motor en tres
posiciones del rotor desfasadas 90º
entre sí.
1, 2: Escobillas; A, B: Delgas; a, b:
Lados de la bobina conectados
respectivamente a las delgas A y B.
Cuando un conductor por el que pasa
una corriente eléctrica se sumerge en
un campo magnético, el conductor
sufre una fuerza perpendicular al
plano formado por el campo
magnético y la corriente, siguiendo la
regla de la mano derecha, con módulo
F = B·l·l (F: Fuerza en newtons, I:
Intensidad que recorre el conductor
en A, l: Longitud del conductor en
metros y B: Densidad de campo
magnético en teslas).
La cruz indica intensidad entrante
(alejándose de observador), el punto
saliente.
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Regla de la mano derecha FBI
2. Partes básicas de un motor de cc
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Estator. Es la parte que no gira del motor, comprende la carcasa y los
polos inductores, junto con sus bobinados, así como las conexiones
exteriores.
Polos. Son los electroimanes que crean el campo magnético estático,
siempre se encuentran en número par. En motores muy pequeños
pueden sustituirse por imanes permanentes.
Rotor. Es la parte que gira del motor, comprende los bobinados
inducidos, las delgas, el eje, etc.
Colector de delgas. Son el conjunto de delgas, separadas y aisladas
entre s si y dispuestas en forma de anillo que están conectadas a cada
una de las bobinas del rotor y les aportan corriente a través de las
escobillas.
Escobillas. Formadas de grafito, son las piezas estáticas que rozan
sobre las delgas y les transmiten por contacto la energía eléctrica.
Bobinado o devanado del inducido. Son las bobinas dispuestas en el
rotor, que forman el campo magnético que produce el giro del motor,
debido a las fuerzas electromagnéticas que se crean entre estas bobinas
y las del estator.
Otros elementos del motor son el eje, los cojinetes o rodamientos, el
ventilador y la placa de conexiones o de bornes.
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3. Funcionamiento en vacío carga y cortocircuito.
Generador de corriente continua.
También llamado dinamo, el generador es en realidad la misma máquina que el
motor eléctrico, salvo que si este último transforma energía eléctrica en
mecánica, el generador produce energía eléctrica a partir de energía mecánica.
Cuando un conductor está sometido a un campo magnético variable, se genera
en él una corriente eléctrica. Si el campo magnético es constante pero es el
conductor el que se desplaza dentro de él, se consigue el mismo efecto ya que
la intensidad del campo que afecte al conductor será diferente en cada
momento.
La diferencia de potencial que se genera en un conductor de longitud l que se
desplaza en un campo magnético de densidad de campo B, a una velocidad v,
recibe el nombre de fuerza electromotriz, y viene determinada por la expresión:
E = B · l · v E se mide en voltios
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BALANCES ENERGÉTICOS
Perdidas mecánicas: Debidas al rozamiento y a la dedicada a la
refrigeración (ventilador).
Perdidas electro-magnéticas: Debidas a corrientes de Foucault, al
entrehierro y al ciclo de histéresis.
Perdidas eléctricas: debidas al efecto Joule.
En general usaremos la expresión en porcentaje:
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Balance de potencias
La fuerza electromotriz (E), también conocida por f.e.m., generada en el interior
del generador responde a la siguiente ecuación:
Donde:
 2p es el número de polos de la máquina, siendo p el número de pares de
polos.
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Z es el número de conductores activos por rama.
es el flujo por polo.

n es la velocidad en revoluciones por minuto (rpm) de la máquina.

2ª es un parámetro que depende del tipo de bobinado. Bobinado
imbricado 2a=2p, bobinado ondulado 2a=2.
La potencia interna de la máquina será por lo tanto
Pinterna = E·Ii (Ii= corriente por el inducido).
Dado que la fuerza electromotriz es consecuencia directa de la transformación
mecánica interna, se puede decir que
Pinternab = Minterno·W
Donde w es la velocidad angula en rad/s y Minterno es el par interno que es el
par aplicado en el eje menos las perdidas mecánicas. Por lo tanto:
Minterno = , siendo , n en rpm. tenemos que:
Fuerza contraelectromotriz (E’). En un motor, por el hecho de tener unos
conductores girando dentro de un campo magnético, se genera en ellos una
fuerza electromotriz, en este caso llamada contraelectromotriz, ya que es de
polaridad opuesta a la tensión aplicada en bornes del motor (Vb). Por lo tanto
en un motor tenemos que la potencia interna es:
Pinterna = E’·Ii = Minterno·W
Tanto la fuerza contraelectromotriz, como el par se obtienen con las mismas
ecuaciones que en caso del generador.
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El balance de potencias en un motor y en un generado serían los expresados
en el siguientes gráficos, donde Ii es la intensidad por el devanado inducido, Iex
es la que circula por el inductor o de excitación, Rex es la resistencia del
devanado de excitación o del estator, Ri es la resistencia del devanado del
inducido o rotor. Vb es la tensión en bornes del motor o del generador y E y E’
son la fem y la fcem respectivamente en generador y motor.
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Conexión serie.
El devanado del inductor se conecta en serie con el del inducido, para que
haya poca caída de tensión en el devanado inductor, este, está constituido con
un devanado de pocas espiras y de gran sección, dado que la intensidad que lo
recorre es elevada se consigue una buena intensidad de campo en los polos de
la máquina.
En general un motor de corriente continua en excitación serie suele tener un
buen par de arranque, pero puede tender a acelerarse en vacío. Para evitar
intensidades elevadas durante el arranque se puede recurrir a un reóstato de
arranque, cuya resistencia (Ra) se coloca en serie con el inducido y se va
eliminando a medida que el motor adquiere velocidad.
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Del análisis del circuito se desprenden las siguientes ecuaciones:
Vb = E’ + Ri·Ii + Rex·Iex
Dado que en este tipo de motor solamente existe una intensidad, tenemos que:
Vb = E’ + Ri·It + Rex·It
O lo que es lo mismo:
Vb = E’ + (Ri + Rex)·It
En este tipo de motor, la intensidad absorbida es en todo momento:
Dado que E’ depende de la velocidad de giro, a bajas vueltas, es prácticamente
cero. Por lo que en el momento del arranque la intensidad será muy elevada ya
que hemos dicho que la resistencia de los devanados es baja.
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Conexión paralelo o derivación
En este tipo de conexión el devanado del estator o de excitación se conecta en
paralelo con el del inducido. El devanado de excitación tiene muchas vueltas y
poca sección, para conseguir al mismo tiempo una gran resistencia y una
buena intensidad de campo.
Del circuito se desprende:
Vb = E’ + Ri·Ii
También:
Vb = Rex·Iex
La intensidad total vendrá dada por: It = Ii+Iex
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Este tipo de motor no se acelera en vacío ya que su intensidad de arranque
nunca es muy elevada, ya que Iex es consatante.
Por contrapartida es un motor que no posee el elevado par de arranque que
tiene el de conexión serie.
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Conexión compound o compuesta.
Se trata de la búsqueda del equilibrio entre ambos tipos de conexión por lo que
se dividió el bobinado de excitación en dos partes, una de gran resistencia y
muchas vueltas colocada en paralelo y otra de pocas vueltas y gran sección
colocada en serie.
En un principio esta conexión aporta mas estabilidad en el arranque, al mismo
tiempo que se obtiene un buen par de arranque. El problema es que al tener
doble bobinado en cada uno de los polos la maquina crece tanto en tamaño
como en presupuesto.
Del análisis del circuito se desprenden las siguientes ecuaciones:
Vb = E’ + (Ri + Rex Serie)·Ii
O también:
Vb = Rex Paral.·Iex
It = Ii + Iex
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GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA O DINAMOS
Las posibles conexiones internas de una dinamo son las mismas que en el
caso de los motores. En esos casos la corriente fluye desde dentro, siendo la
f.e.m. superior a la tensión en bornes, ya que se produce una caída de tensión
en los devanados. En función del tipo de conexión las ecuaciones son las
siguientes:
Generador serie
Vb = E - Ri·Ii - Rex·Iex
Vb = E - (Ri + Rex)·It
Conexión paralelo o derivación
Del circuito se desprende:
Vb = E - Ri·Ii
También:
Vb = Rex·Iex
It = Ii-Iex
Conexión compound o compuesta.
Vb = E - (Ri + Rex Serie)·Ii
También: Vb = Rex Paral.·Iex
It = Ii - Iex
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Conexión en paralelo o derivación
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Conexión compuesta o compound
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EJERCICIOS MAQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA
1. Un motor derivación de 440V, 20A, 10Cv y 1500 rpm, tiene una resistencia
de inducido de 0,2Ω y de excitación de 440Ω. Calcular funcionando a plena
carga: a)f.c.e.m b)Intensidad de arranque c)Valor de la resistencia del reóstato
de arranque que habría que colocar para que la intensidad de arranque no sea
superior a dos veces la nominal.
2. Una dinamo tetrapolar de devanado imbricado y 400 conductores activos,
gira a 1200 rpm. Calcular la fuerza electromotriz generada si el flujo útil por
polo es de 0,03Wb.
3. Una dinamo serie de 5 Kw y 125V tiene una resistencia del inducido de 0,1 Ω
y del devanado de excitación de 0,05Ω. Calcular la f.e.m. a plena carga.
4. Una dinamo serie suministra a una carga de 20Ω una intensidad de 10A,
sabiendo que la resistencia del inducido es de 0,15Ω y la de excitación es de
0,05Ω. Calcular a)La tensión en bornes b)potencia útil c)valor de la f.e.m d)
Potencia perdida por efecto Joule
5. Un motor con bobinado imbricado, tiene 700 conductores, gira a 800 rpm, el
flujo por polo es de 0,09Wb y la intensidad por el inducido es de 216A.
Calcular: a) fuerza contraelectromotriz b) Potencia interna c)Par útil si
consideramos despreciables las perdidas mecánicas.
6. Un motor serie de corriente continua de 20Cv, 230V, 900 rpm y un
rendimiento del 84,2%, tiene una resistencia de inducido de 0,02Ω y de
excitación de 0,05Ω. Calcular cuando función a plena carga: a) Intensidad que
consume b) Valor de la f.e.m. c) Momento de rotación útil d)Potencia interna
e)Potencia perdida por efecto Joule d)Resistencia del reostato de arranque
para que la intensidad de arranque no sea superior a 1,5 veces la nominal.
7. Un motor derivación tiene una resistencia de excitación de 600Ω y de
inducido de 0,1Ω. En la placa de características figuran los siguientes datos:
600V, 100Cv, 138 A, 1200 rpm. Calcular para estos valores nominales:
a)rendimiento a plena carga b) Intensidad de corriente de inducido c) valor de
la f.c.e.m d) Potencia electromagnética (interna) e) Par útil f)Intensidad de
corriente por el inducido en el momento del arranque g) valor de la resistencia
del reóstato de arranque que habría que colocar en serie con el inducido para
que la intensidad de arranque no superes 1,5 veces la nominal.
8. Un motor compound de 25Cv, 240V, 89A, 600 rpm tiene una resistencia de
inducido de 0,8Ω, de excitación serie de 0,02Ω y de excitación paralelo o
derivación de 160Ω. Calcular: a)Intensidad por el devanado de derivación.
b)Intensidad por el inducido c)Rendimiento d)valor de la f.c.e.m e)Par interno
f)par útil.