motores de corriente continua

INSTITUTO NACIONAL TECNOLOGICO
DIRECCION GENERAL DE FORMACION PROFESIONAL
DEPARTAMENTO DE CURRICULUM
MANUAL PARA EL PARTICIPANTE
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
INSTRUCTOR:
Roberto José Oviedo Díaz
ESPECIALIDAD:
Electricidad
AGOSTO 2008
INSTITUTO NACIONAL TECNOLÓGICO (INATEC)
DIRECCION GENERAL DE FORMACION PROFESIONAL
DEPARTAMENTO DE CURRÍCULUM
Unidad de Competencia:
• Instalador de motores eléctricos
Elementos de Competencias:
• Motores de Corriente Continua.
AGOSTO 2008
INDICE
INTRODUCCION ............................................................................................................. 1
OBJETIVO GENERAL ..................................................................................................... 1
OBJETIVOS ESPECIFICOS ............................................................................................. 1
RECOMENDACIONES GENERALES ............................................................................. 2
UNIDAD I: MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA ................................................... 3
1- INTRODUCCION A LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA ........................ 3
- 1.1-Introducción .......................................................................................................... 3
1.2 -Partes principales de un motor de cc........................................................................ 3
1.3-Núcleo de armadura y eje ......................................................................................... 4
1.4- Armadura devanada en tambor ................................................................................ 5
1.5-Conmutador ............................................................................................................. 6
1.6- Conjunto de escobillas ............................................................................................ 7
1.7- Principios básicos de funcionamiento ...................................................................... 9
1.8- Fuerza contraelectromotriz de un motor de C.C ..................................................... 10
1.9- Clasificación según el servicio .............................................................................. 11
1.10- Rendimiento ........................................................................................................ 11
2- CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE C.C ........................................................ 11
2.1-Motor serie............................................................................................................. 12
2.2- Motor de derivación o SHUNT ............................................................................. 14
2.3-Motores compound de C.C .................................................................................... 16
2.4 Motor Eléctrico sin escobilla ................................................................................. 19
3- Potencia nominal de los motores .............................................................................. 20
EJERCICIOS DE AUTO EVALUACIÓN ....................................................................... 23
GLOSARIO ..................................................................................................................... 24
BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................. 25
INTRODUCCION
El manual del participante “Motores de corriente continua” pretende que los(as)
participantes adquieran las destrezas y habilidades necesarias para la conexión y
puesta en funcionamiento de Motores de corriente continua.
El manual contempla una unidad modular, donde sus contenidos se desarrollan en
orden lógico desde los elementos más sencillos hasta llegar a los más complejos.
El manual del participante esta basado en sus módulos y normas técnicos
respectivas y corresponde a la unidad de competencia “Instalador de Motores
Eléctricos” de la especialidad de técnico en electricidad.
Se recomienda realizar las actividades y los ejercicios de auto evaluación para
alcanzar el dominio de la competencia: Instalador de Motores Eléctricos, para
lograr los objetivos planteados, es necesario que los(as) y las participantes tengan
en cuenta las normas de seguridad, para prevenir accidentes eléctricos al instalar
motores de corriente continúa.
OBJETIVO GENERAL
§
Realizar eficientemente, montaje, conexión y puesta en funcionamiento de
Motores de corriente continúa, tomando en cuenta normas de seguridad.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
§
Explicar correctamente el funcionamiento del motor de CC partiendo de los
principios físicos.
§
Enumerar correctamente diferentes partes del motor de corriente continua
de acuerdo a su clasificación.
§
Clasificar correctamente motores de corriente continua.
§
Realizar correctamente arranque del motor eléctrico de corriente continua.
1
RECOMENDACIONES GENERALES
Para iniciar el estudio del manual, debe estar claro que siempre su dedicación y
esfuerzo le permitirá adquirir la Unidad de competencia a la cual responde el
Módulo Formativo de motor de corriente continua.
• Al iniciar el estudio de los temas que contiene el manual debe estar claro
que su dedicación y esfuerzo le permitirá adquirir la competencia a la cual
responde el Módulo formativo.
• Al comenzar un tema debe leer
recomendaciones generales.
detenidamente los objetivos
y
• Trate de comprender las ideas y analícelas detenidamente para
comprender objetivamente los ejercicios de auto evaluación.
• Consulte siempre a su docente, cuando necesite alguna aclaración.
• Amplíe sus conocimientos con la bibliografía indicada u otros textos que
estén a su alcance.
• A medida que avance en el estudio de los temas, vaya recopilando sus
inquietudes o dudas sobre éstos, para solicitar aclaración durante las
sesiones de clase.
• Resuelva responsablemente los ejercicios de auto evaluación.
2
UNIDAD I: MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
1- INTRODUCCION A LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
- 1.1-Introducción
La 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
selecciones en aplicaciones de control y automatización de procesos. Pero con el
advenimiento de la electrónica han caído en desuso pues los motores de corriente
alterna del tipo asíncrono, pueden ser controlados de igual forma a precios más
accesibles para el consumidor promedio de la industria. A pesar de esto el uso de
motores de corriente continua (motores c.c.) sigue y se usan en aplicaciones de
trenes o tranvías.
El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica
en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotativo. En la actualidad
existen algunas nuevas aplicaciones con motores que no convierten el movimiento
en rotación, si no que con algunas modificaciones, ejercen la tracción sobre un
riel. Estos motores se conocen como motores lineales.
La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de
regulación de su velocidad desde vacío a plena carga.
Un motor de corriente continua está compuesto de un estator y un rotor. En
muchos motores c.c., generalmente los más pequeños, el estator está compuesto
de imanes para crear un campo magnético. En motores c.c. más grandes este
campo magnético se logra con devanados de excitación de campo.
El rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor y está compuesto de
arrollamientos de cable conductores de corriente continua. Esta corriente continua
es suministrada al rotor por medio de las "escobillas" generalmente fabricadas de
carbón.
1.2 -Partes principales de un motor de cc
Existen diferentes tipos de motores, pero de entre todos tal vez sean los llamados
“motores de corriente continua” los que permiten ver de un modo más simple
cómo obtener movimiento gracias al campo magnético creado por una corriente.
El elemento situado en el centro es la parte del motor que genera el movimiento.
Se la llama armadura o rotor, y consiste en un electroimán que puede girar
libremente entorno a un eje. Dicho rotor está rodeado por un imán permanente,
cuyo campo magnético permanece fijo. (Figura 1 )
3
Figura 1 Partes principales de un motor
El elemento situado en el centro es la parte del motor que genera el movimiento.
Se la llama armadura o rotor, y consiste en un electroimán que puede girar
libremente entorno a un eje. Dicho rotor está rodeado por un imán permanente,
cuyo campo magnético permanece fijo.
1.3-Núcleo de armadura y eje
El termino armadura o rotor (Figura 2 ) se aplica a la parte giratoria del motor.
Cuando se observa un motor en marcha, generalmente se ve el eje que gira. el eje
es una extensión externa de la armadura que pasa a través de la cubierta y
coraza del motor, se encuentra en el lado opuesto al extremo del conmutador del
motor.
Figura 2 Núcleo y eje
Un núcleo de armadura típico es un cilindro sólido que tiene ranuras y esta hecho
de metal. En realidad, el núcleo esta formado por delgadas muescas en la orilla;
están revestidas con un barniz aislante y comprimido para formar el núcleo. En el
proceso de formación, las muescas se alinean de manera que el núcleo acabado
tiene una serie de ranuras longitudinales en todo su perímetro. Las laminaciones
se usan en el núcleo con objeto de reducir pérdidas por corrientes parásitas.
4
Las corrientes parásitas son las que se inducen en una material conductor cuando
este corta líneas de flujo magnéticas.
Las laminaciones reducen el área donde pueden existir corrientes parásitas y, en
consecuencia, aumenta la resistencia relativa del material; así pues, se reducen
las pérdidas de potencia debidas a corrientes parásitas.
El uso de acero dulce como material del núcleo reduce las perdidas por histéresis
que, las cuales ocurren cuando las inversiones de magnetización del material del
núcleo están atrasadas con respecto a las inversiones de la corriente. (Figura 3)
Las ranuras del núcleo ya formado sirven para alojar las espiras de alambre de
cobre o devanados de la armadura. El núcleo de armadura esta montado sobre el
eje del motor, el cual generalmente es una barra de acero duro con superficie
interna de contacto muy bien pulida. El método de montaje del núcleo sobre el eje
varía considerablemente, según los distintos motores.
Figura 3 Proceso de armado de un motor CC
1.4- Armadura devanada en tambor
Las espiras o bobinas que constituyen la armadura devanada en tambor se hallan
alrededor del núcleo de la armadura, alojando los lados de las bobinas en las
ranuras del núcleo. Las ranuras suelen estar aisladas con papel de pescado para
proteger los devanados. En muchas armaduras, las bobinas son formadas
previamente para darles su forma definitiva y luego se colocan en las ranuras del
núcleo. A esto se le llama devanado de formas y se lleva a cabo ya sea
conformando las bobinas sobre un molde de madera o doblándolas en una prensa
antes de colocarlas sobre el tambor.
Cada devanado siempre es igual que otro en la armadura y, al final, la armadura
devanada siempre debe ser perfectamente simétrica. Después de que las bobinas
5
de armadura se han colocado sobre el núcleo, en la ranura del núcleo se ponen
cuñas de material aislante para fijar las bobinas.
Después de esto, se usan bandas adhesivas de acero para asegurase las bobinas
de manera que no sean expulsadas por la fuerza centrifuga producidas durante la
rotación de la armadura. Básicamente, hay dos formas en que se dispone el
devanado de los tambores en uso: Devanados imbricados y devanados
ondulados. El imbricado se usa para motores de baja tensión y alta corriente. El
ondulado se usa en motores que requieren alta tensión y baja corriente. (Figura 4 )
Figura 4 Devanado en tambor
1.5-Conmutador
El conmutador consta de segmentos conductores particulares(Figura 5 ) hechos
de cobre y aislados entre sí con láminas delgadas de mica. Cada segmento, con
sus separadores de mica, se monta en un molde cilíndrico y se sujeta a las demás
por medio de una brida de sujeción. Los segmentos se aíslan de la brida de
sujeción mediante anillos de mica.
6
Figura 5 Conmutador
Las puntas de las bobinas de armadura se conectan a las partes sobresalientes de
los segmentos de conmutador, las cuales se conocen como colas. Algunos
segmentos del conmutador se fabrican sin colas y, en su lugar, tienen ranuras en
los extremos, a los cuales se conectan las puntas de la bobina de armadura.
Después de armado el conmutador, se tornea la superficie en forma
perfectamente cilíndrica y se pule hasta darle un acabado muy terso, lo cual
asegura que la fricción entre la superficie de conmutación y las escobillas sea al
mínimo finalmente, esto es de gran importancia, el aislamiento de mica entre los
segmentos se recorta de modo que quede ligeramente abajo de la superficie de
los segmentos del conmutador, a fin de que no interfiera el paso de las escobillas.
Generalmente, después de que el motor a estado en servicio durante algún
tiempo, la superficie de cobre del conmutador se desgasta. Para que el motor
funcione satisfactoriamente, siempre que el cobre se desgaste hasta el nivel de la
mica, es necesario recortarlo nuevamente, al mismo tiempo es necesario tornear
el conmutador, para que mantenga su forma cilíndrica.
1.6- Conjunto de escobillas
El conjunto de escobillas está formado por las escobillas o carbones, (Figura 6a)
sus sujetadores y resortes de escobillas. Las escobillas propiamente dichas están
hechas de carbón suave que contiene una gran proporción de grafito (Figura 6b).
Este material tiene dos objetivos:
•
•
Es lo suficientemente suave como para que el conmutador sólo se
desgaste al mínimo.
Al mismo tiempo es lo suficientemente duro para que la escobilla no se
desgaste con demasiada rapidez.
Nunca debe aplicarse lubricación entre las escobillas y el conmutador, pues la que
pudiera necesitarse la proporciona el grafito de las escobillas.
7
Figura 6 a Escobilla y carbones
Generalmente las escobillas están montadas cada una pieza llamada porta
escobilla. Estas piezas mantienen una posición fija y están montadas en la
cubierta del motor, aunque aisladas de ella. La escobilla se coloca holgadamente
en el porta escobilla y un resorte la empuja para que no pierda contacto con el
conmutador. El ajuste flojo y la presión del resorte hacen posible que las escobillas
tengan cierta libertad de movimiento en sus sujetadores, de manera que puedan
ajustarse a las pequeñas irregularidades de la superficie del conmutador.
En muchos motores la presión del resorte se puede ajustar según la especificación
del fabricante. Si la presión es excesiva, las escobillas se desgastarán demasiado
rápidamente. Si es insuficiente, se hará mal contacto, lo cual también producirá
chisporroteo y operación irregular del motor.
Figura 6b Tipos de carbones
8
En la mayor parte de los motores, la conexión eléctrica entre las escobillas y la
fuente externa de potencia es como sigue: las escobillas propiamente dichas están
conectadas eléctricamente a su porta escobillas respectivas (Figura 7 ) por medio
de alambres de cobre prensado, llamados “colas de puerco”. A su vez, los
sujetadores están conectados a pernos que van en el exterior de la cubierta del
motor. Tanto los porta escobillas como los pernos están aislados de la cubierta
misma. Los pernos constituyen los puntos de unión a los cuales se pueden
conectar las terminales de potencia al motor.
Aunque las escobillas están diseñadas para durar largo tiempo, siempre se hacen
de manera que se desgasten más rápidamente que el conmutador, debido a que
es más barato y fácil sustituir las escobillas que reparar una armadura.
Generalmente se hacen escobillas de bastante longitud, de manera que puedan
mantenerse en servicio durante un periodo relativamente largo antes de que
queden desgastadas hasta el punto en que sea necesario sustituirlas.
El resorte mantiene a la escobilla firmemente apoyada contra el conmutador
durante toda su vida útil.
Figura 7 Portaescobillas
1.7- Principios básicos de funcionamiento
Cuando un conductor por el que fluye una corriente continua es colocado bajo la
influencia de un campo magnético, se induce sobre él (el conductor) una fuerza
que es perpendicular tanto a las líneas de campo magnético como al sentido del
flujo de la corriente. (Figura 8 ).
Figura 8 Funcionamiento
Para tener una idea más clara se tiene que colocar este conductor con respecto al
eje de rotación del rotor para que exista movimiento. En este caso la corriente por
el conductor fluye introduciéndose en el gráfico. (Figura 9 )
9
Figura 9 Grafico de funcionamiento
Pero en el rotor de un motor de CC, no hay solamente un conductor, sino muchos.
Si se incluye otro conductor exactamente al otro lado del rotor y con la corriente
fluyendo en el mismo sentido, el motor no girará pues las dos fuerzas ejercidas
para el giro del motor se cancelan.
Es por esta razón que las corrientes que circulan por conductores opuestos deben
tener sentidos de circulación opuestos. Si se hace lo anterior el motor girará por la
suma de la fuerza ejercida en los dos conductores.
Para controlar el sentido del flujo de la corriente en los conductores se usa un
conmutador que realiza la inversión del sentido de la corriente cuando el conductor
pasa por la línea muerta del campo magnético.
La fuerza con la que el motor gira (el par motor) es proporcional a la corriente que
hay por los conductores. A mayor tensión, mayor corriente y mayor par motor.
1.8- Fuerza contraelectromotriz de un motor de C.C
Cuando un motor de corriente continua es alimentado, el voltaje de alimentación
se divide entre la caída que hay por la resistencia de los arrollados del motor y una
tensión denominada fuerza electromotriz (FEM). (Figura 10)
Figura 10 Fuerza Electromotriz
Donde:
Vm = tensión de entrada al motor (voltios)
Ra = resistencia del devanado de excitación (ohmios)
Ia = corriente de excitación (amperios / amperes)
Vb
= FEM debido al giro del motor (voltios)
Aplicando la ley de tensiones de Kirchoff:
10
Vm = Vb + (Ia x Ra)
o
Vb = Vm - (Ia x Ra)
Nota: Observar de la ultima ecuación que cuando sube el valor de Ia, disminuye el
Valor de Vb.
La FEM es proporcional a la velocidad del motor y a la intensidad del campo
magnético. Si el motor tiene rotor con imán permanente esta constante es:
K = Vb / Nd.
Donde:
- K = constante de FEM del motor y se expresa en Voltios / rpm.
- Nd = Velocidad de giro del motor en rpm.
1.9- Clasificación según el servicio
Es importante conocer la clase de servicio a la que estará sometida una máquina:
•
Servicio continuo: Corresponde a una carga constante durante un tiempo
suficientemente largo como para que la temperatura llegue a estabilizarse.
•
Servicio continuo variable: Se da en máquinas que trabajan constantemente
pero en las que el régimen de carga varía de un momento a otro.
•
Servicio intermitente: Los tiempos de trabajo están separados por tiempos
de reposo. Factor de marcha es la relación entre el tiempo de trabajo y la
duración total del ciclo de trabajo.
•
Servicio uní horario: La máquina está una hora en marcha a un régimen
constante superior al continuo, pero no llega a alcanzar la temperatura que
ponga en peligro los materiales aislantes. La temperatura no llega a
estabilizarse.
1.10- Rendimiento
De manera general, se define como la relación entre la potencia útil y la potencia
absorbida expresada en %.
2- CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE C.C
Los motores de corriente continua se clasifican según la forma como estén
conectados, en:
•
•
•
•
Motor serie
Compound
Shunt
Sin escobillas
11
2.1-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. (Figura
11a )
Lo cual significa que fluye una corriente común a través de ambos devanados. Lo
que suceda a la corriente de armadura a causa del impulso de una carga se
“siente” automáticamente en el devanado de campo. Este devanado está hecho
por un alambre grueso, ya que 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 serie
produce un campo magnético mucho mayor, lo cual permite un esfuerzo de torsión
ó par mucho mayor, y este tipo de motores desarrolla un torque muy elevado en el
arranque.
Sin embargo, la velocidad varia extensamente dependiendo el tipo de carga que
se tenga, por ejemplo sin carga (no-load) (Figura 11b)
o con carga completa (full-load). (Figura 11c)
Estos motores desarrollan un par de arranque muy elevado y pueden acelerar
cargas pesadas rápidamente. Manejan cargas pesadas muy por encima de su
capacidad completa.
Por lo tanto, el motor serie no funciona a velocidad constante. Ya que si el par es
elevado, la velocidad es baja; y cuando el par es bajo la velocidad es alta. Por
tanto podemos decir que el par y la velocidad son inversamente proporcionales.
Figura 11 a ,b Funcionamiento motor serie sin carga
12
Figura 11 c Funcionamiento motor serie con carga
Capacidad de arranque
El motor de serie puede dar un par de arranque muy elevado y, por lo tanto,
satisfacer la necesidad de tener un par grande para sobrecargas intensas súbitas.
Esto se debe a que el par del motor de serie varía casi en la misma forma que el
cuadrado de la corriente que pasa por él. Si la corriente de la armadura se
triplicara súbitamente por una sobrecarga, la corriente que fluya en el campo y, en
consecuencia, la intensidad de flujo automáticamente también se triplicaría. Como
el par es el producto de la corriente de armadura por la intensidad del flujo, el par
resultante seria nueve veces mayor que el original.
Figura 12 Capacidad de arranque
Los motores serie son útiles cuando se aplica al motor cargas muy variables. En la
industria, los motores de serie se usan para efectuar trabajo rudo en grúas, trenes
subterráneos, locomotoras etc. (Figura 12)
Debido a esta característica, los motores serie se usan siempre que el necesita un
par de arranque alto contra cargas intensa que deben permanecer acopladas a el
durante una operación completa. Los motores de serie son especialmente
efectivos cuando es probable que en la operación se produzca una sobrecarga
súbita muy intensa. Sin embargo, no conviene usar el motor de serie para
aplicaciones en que se requiere una velocidad relativamente constante, tanto sin
carga como a plena carga.
13
2.2- Motor de derivación o SHUNT
El motor de derivación debe su nombre al hecho de que su devanado. (Figura 13)
De campo esta conectado a la línea de alimentación de potencia en paralelo con
el devanado de armadura, lo cual significa que existe una trayectoria
independiente para el flujo de corriente a través de cada devanado. En un motor
de derivación la corriente de campo puede mantenerse constante y el circuito de
armadura sólo sirve para controlar al motor. Así, una de las principales
características de este tipo de motor es que puede mantener una velocidad
constante al alimentar una carga variable y la carga puede quitarse totalmente sin
peligro para el motor.
Figura 13 Motor de derivación
El recorrido del devanado indicará que el circuito de campo y el circuito de
armadura son independientes. Por lo tanto, éste es un motor de derivación. Se
notara que los polos intermedios están en serie con el circuito de armadura para
hacer que respondan a cambios de corrientes de armadura.
Al aumenta la carga de un motor de derivación. El efecto inmediato es reducir la
velocidad de armadura. La reducción de la velocidad de la armadura reduce la
fcem, produciendo un aumento en la cantidad de corriente de armadura que fluye,
lo cual tiene el efecto de aumentar el para acelerar nuevamente la armadura. El
fenómeno se presenta en forma inversa cuando se quita carga de un motor
derivado.
Control de velocidad
El motor de derivación puede funcionar a varias velocidades mediante un control
reostático ya sea en serie con el devanado de campo, el devanado de armadura o
ambos. El uso de un reóstato en serie (Figura 14) con el devanado de campo es el
método más común de variar la velocidad de un motor derivado. Esto es preferible
a usar un reóstato de armadura (Figura 15 ) debido a que la corriente de campo es
14
menor que la corriente de armadura y, en consecuencia, la pérdida de potencia en
el reóstato es mucho menor cuando éste está en el circuito de campo. Como
resultado, se dispone de mayor cantidad de corriente para el funcionamiento real
del motor.
Al agregar una resistencia en serie con el campo, fluye menos corriente de campo,
la intensidad de campo disminuye y el motor se acelera. Esto sucede debido a
que, cuando la armadura giratoria corta menos líneas de flujo, la fcem tiende a
disminuir.
Esto hace posible que fluya más corriente en la armadura, lo que ocasiona un
aumento de par fuera de proporción con la cantidad requerida. Como resultado, el
motor se acelera rápidamente y la fcem aumenta a un valor en el cual la corriente
se reduce hasta que produce la cantidad correcta de par.
Si se agrega menos resistencia en serie con el campo, la intensidad del campo
aumenta y la marcha del motor se vuelve más lenta.
Con cualquier parte del reóstato en el circuito, una porción del voltaje de
alimentación se reduce en él y fluye menos corriente a través del elemento del
motor que este en serie con él.
Figura 14 Reóstato en serie de campo
15
Figura 15 Reóstato de armadura
Sensibilidad a fluctuaciones de corriente
Una de las características notables del motor de derivación es que acelera cuando
disminuye la corriente en el devanado de campo. Esta característica se aprovecha
para controlar la velocidad del motor de derivación con un reóstato de campo en
serie.
El aumento de velocidad y la disminución en la intensidad del campo se deben a
una reducción de fcem y un aumento correspondiente en la corriente de armadura.
Cuando sucede esto, el aumento en corriente de armadura produce a su vez un
aumento en el par fuera de toda proporción con la reducción de intensidad del
campo.
Si la intensidad de campo repentinamente se vuelve muy débil, como cuando se
abre un devanado de campo y solo el magnetismo residual mantiene el campo, el
motor de derivación empezara a funcionar muy rápidamente, y se dice que se
desboca. El funcionamiento desbocado puede destruir completamente al motor,
que en la mayor parte de los casos, no se ha construido para resistir el esfuerzo
físico de trabajar a esta velocidad. De la misma manera, cuando el circuito de
campo de un motor de derivación esta completamente abierto, el motor
probablemente se quemará debido a la elevada corriente de armadura que toma.
2.3-Motores compound de C.C
El motor Serie tiene características especiales que no tiene el de Derivación y
viceversa. Por ejemplo:
• La característica de velocidad constante del motor de derivación no se
encuentra en el motor serie.
• La excelente característica de alto par en el motor serie no se encuentra en
el motor de derivación.
Es conveniente combinar las características de cada uno de ellos, en un solo
motor.
16
Estas características (Figura 16) se pueden combinar dando al motor dos
devanados de campo:
Uno de ellos en serie con la armadura y el otro en paralelo con ella. A este tipo de
motor de corriente continua se le denomina motor compound.
Figura 16 Características del motor compound
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.
17
El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de armadura
varia, 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 la cual
no es tan “dura” o plana como la del motor shunt, no tan “suave” como 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 DC compound son algunas veces utilizados donde se requiera una
respuesta estable de torque constante a través de un amplio rango de velocidad.
En consecuencia con la combinación se han agregado algunas de las cualidades
del motor de serie al de derivación.
Un motor serie al cual se le ha agregado un campo en derivación. El motor de
serie común se “desboca” cuando no tiene carga, debido, en parte, a que el flujo
de campo disminuye constantemente.
Al agregar un campo en derivación de flujo constante, la velocidad del motor
tiende a limitarse a un valor razonable, como en el caso del motor común de
derivación.
Si se disponen los devanados de campo del motor compound de manera que la
intensidad de uno sea mayor que la del otro, se logrará que el motor compound
se a semeje más al motor de serie o al de derivación.
En este control de la intensidad relativa de ambos campos se basa la clasificación
de los motores compound acumulativos y compound diferencial. La mayor parte
de estos motores son del tipo compound acumulativo.
Si se conecta el devanado de campo en derivación con la armadura y con el
devanado de campo en serie, se obtiene un motor compound acumulativo de
derivación larga. (Figura 17) Si el devanado de campo se conecta sólo con la
armadura, entonces se tiene un motor compound acumulativo de derivación corta.
(Figura 18)
18
Figura 17 Con derivación larga
Figura 18 Con derivación corta
La mayor parte de los motores compound prácticos que se usan actualmente son
de los tipos compound acumulativo en derivación larga y corta. Rara vez se
emplean motores de combinación diferencial.
2.4 Motor Eléctrico sin escobilla
Un motor sin escobillas es un motor que no emplea escobillas para realizar el
cambio de polaridad en el rotor.
Los motores eléctricos solían tener un colector de delgas o un par de anillos
rozantes. Estos sistemas, que producen rozamiento, disminuyen el rendimiento,
desprenden calor y ruido, requieren mucho mantenimiento y pueden producir
partículas de carbón que manchan el motor de un polvo que además puede ser
conductor.
Los primeros motores sin escobillas fueron los motores de corriente alterna
asíncronos. Hoy en día gracias a la electrónica, se mostraron muy ventajosos, ya
que son más baratos de fabricar, pesan menos y requieren menos mantenimiento,
pero su control era mucho más complejo. Esta complejidad prácticamente se ha
eliminado con los controles electrónicos.
19
El inversor debe convertir la corriente alterna en corriente continua y otra vez en
alterna de otra frecuencia. Otras veces se puede alimentar directamente con
continua
eliminado
el
primer
paso.
Por este motivo estos motores de corriente alterna se pueden usar en aplicaciones
de corriente continua con un rendimiento mucho mayor que un motor de corriente
continua
con
escobillas.
Algunas aplicaciones serian los coches y aviones con radio control que funcionan
con pilas.
Otros motores sin escobillas que solo funcionan con corriente continua son los que
se usan en pequeños aparatos eléctricos de baja potencia como Lectores de
CDROM,
ventiladores
de
ordenador,
Cassetes,
etc.
Su mecanismo se basa en sustituir la conmutación (Cambio de polaridad)
mecánica por una electrónica sin contacto. En este caso la espira solo es
impulsada cuando el polo es el correcto y cuando no lo es, el sistema electrónico
corta el suministro de corriente. Para detectar la posición de la espira del rotor se
utiliza la detección de un campo magnético.
Este sistema electrónico además puede informar de la velocidad de giro o si está
parado, e incluso cortar la corriente si se detiene para que no se queme.
Tienen la desventaja de que no giran al revés al cambiarles la polaridad (+ y -).
Para hacer el cambio se deberían cruzar dos conductores del sistema electrónico.
Un sistema algo parecido para evitar este rozamiento en los anillos se usa en los
alternadores. En este caso no se evita el uso de anillos rozantes sino que se evita
usar
uno
más
robusto
y
que
frenaría
mucho
el
motor.
Actualmente los alternadores tienen el campo magnético inductor en el rotor, que
induce el campo magnético al estator, que a la vez es inducido.
Como el campo magnético del inductor necesita mucha menos corriente que la
que se va generar en el inducido, se necesitan unos anillos con un rozamiento
menor.
Esta configuración la usan desde pequeños alternadores de coche hasta los
generadores de centrales con potencias del orden de los megavatios.
3- Potencia nominal de los motores
Los motores se clasifican según la carga que pueden impulsar y a lo cual se le
llama salida de potencia. También se clasifican por la potencia eléctrica que
toman de la línea, llamada la entrada de potencia, y por la calidad con que
transforman energía eléctrica en energía mecánica, a lo que se le llama eficiencia.
La salida de la potencia es una medida de la energía mecánica que el motor
transmite a plena carga y se indica en caballos de fuerza.
El caballaje es una forma de indicar la cantidad de trabajo que puede efectuar un
motor en determinado periodo de tiempo, en comparación con un caballo.
20
Un caballo de fuerza equivale a 33,000 libras –pies de trabajo por minuto. La
cantidad de libras-pie de trabajo que produce un motor es igual a su par
multiplicado por la velocidad a que funciona.
Puede calcularse el caballaje de cualquier motor si se conocen su par y su
velocidad. El par se puede medir directamente por medio de un dispositivo que se
llama freno de prony (Figura 19) y la velocidad se puede determinar mediante un
tacómetro, o contador de revoluciones por minuto, y un reloj Generalmente, en la
placa de datos del motor se indica el caballaje nominal del mismo.
Figura 19 Prueba de freno prony
La unidad del freno de prony se fija a una polea especial sobre el eje del motor. El
apriete de los pernos roscados hace que el freno gire junto con el motor. Sin
embargo, el brazo del freno está limitado por la escala de un resorte. El par es el
producto de lo que se lee en la escala (fuerza en Kilogramos) por la longitud del
brazo de par en metros
La potencia eléctrica que toma un motor de c-c de la línea de alimentación es
simplemente el producto de la corriente por el voltaje, y se expresa en watts.
Potencia = Voltaje x Corriente
PWatts = EVolts x IAmps
Desgraciadamente, no toda la potencia que llega a un motor es recuperada como
potencia mecánica útil para impulsar la carga. Parte de la potencia se consume
como calor en el devanado de campo, otra parte se consume en forma de calor en
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la armadura, y otra parte se utiliza para vencer los efectos de carga mecánica
debidos a la fricción, la resistencia del aire, etc. En todos estos casos se consume
una cantidad de potencia que no se transfiere a la carga como energía mecánica.
Esta potencia pedida recibe el nombre de pérdidas. (Figura 20) La salida de
potencia de un motor siempre es igual a su entrada de potencia menos todas las
perdidas de potencia.
Figura 20 Perdidas de calor en un motor
La eficiencia de un motor es una medida de la transformación de la entrada de
potencia en salida de potencia. Si las pérdidas son bajas, se dice que la eficiencia
es alta. La eficiencia se determina dividiendo la entrada de potencia entre la salida
de potencia y multiplicando por 100, para obtenerla en porcentaje, la entrada,
expresada en watts, se puede dividir entre la salida expresada en caballos de
fuerza(hp), debido a que existe una relación definida entra ambas, que es la
siguiente:
1hp = 746 Watts
La clasificación de la información en la placa de datos del motor generalmente
suministra la información suficiente para obtener o calcular todo lo que se necesita
conocer del motor.
Con frecuencia, los motores se clasifican según la entrada en caballos de fuerza
de acuerdo con esta clasificación un motor de ¼ hp, por ejemplo, tendrá una
salida algo menor de ¼ hp debido a las perdidas.
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EJERCICIOS DE AUTO EVALUACIÓN
Después del estudio de la unidad I, te sugiero que realices los siguientes ejercicios
de autoevaluación, lo que permitirá fortalecer tus conocimientos.
I. Responda la siguiente pregunta.
1. ¿Mencione las partes principales del motor?
2. ¿Que es el conmutador?
3. ¿Qué son los carbones?
4. ¿Mencione el principio básico de funcionamiento del motor de c.c.?
5. ¿Cómo se clasifican los motores de c.c?
6. ¿Mencione las características del motor serie?
7. ¿Mencione las características del motor Shunt?
8. ¿Mencione las características del motor Compound?
9. ¿Mencione las características del motor sin escobillas?
10. ¿Qué significa potencia nominal en los motores c.c.?
11. ¿Qué significa rendimiento?
II. Realice una práctica de puesta en funcionamiento de un motor de c.c.
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GLOSARIO
Devanado: es un arrollado compuesto de cables conductores que tiene un
propósito específico dentro de un motor
FEM: fuerza electromotriz
RPM: revoluciones por minuto
Corriente continua (c.c.): Es el flujo continuo de electricidad a través de un
conductor entre dos puntos de distinto potencial.
Par de giro: Es la fuerza con que gira un eje. Se mide en kilogramo*metro (MKS)
o newton*metro (S.I.).
Par motor: Es la fuerza con que gira un motor. El giro de un motor tiene dos
características: el par motor y la velocidad de giro. Por combinación de estas dos
se obtiene la potencia.
Eficiencia: La eficiencia o rendimiento de un motor eléctrico es una medida de su
habilidad para convertir la potencia eléctrica que toma de la línea en potencia
mecánica útil. Se expresa usualmente en por ciento de la relación de la potencia
mecánica entre la potencia eléctrica, esto es:
Placa de fábrica
Se dispone de placas de fábrica de acero inoxidable adicionales.
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BIBLIOGRAFIA
•
Motores de CA “Soluciones en las que sí se puede confiar”
Manual de Instrucciones B-3605-9S, Abril de 1999
Rockwell Automation Systems
Reliance Electric.
•
ABC Maquinas Eléctricas. Enríquez Harper
•
Maquinas Eléctricas.
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