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• Vazquez J Manu

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1.1Generalidades de motores de corriente directa.

En magnetismo se conoce la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un motor para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. De acuerdo con esto, todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los polos magnéticos iguales se repelen, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así el movimiento de rotación.

Un motor eléctrico opera primordialmente en base a dos principios: El de inducción, descubierto por Michael Faraday en 1831; que señala, que si un conductor se mueve a través de un campo magnético o está situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. Y el principio que André Ampere observo en 1820, en el que establece: que si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica o f.e.m. (fuerza electromotriz), sobre el conductor.

El movimiento giratorio de los motores de C.C. se basa en el empuje derivado de la repulsión y atracción entre polos magnéticos. Creando campos constantes convenientemente orientados en estator y rotor, se origina un par de fuerzas que obliga a que la armadura (también le llamamos así al rotor) gire buscando "como loca" la posición de equilibrio.

Gracias a un juego de conexiones entre unos conductores estáticos, llamados escobillas, y las bobinas que lleva el rotor, los campos magnéticos que produce la armadura cambian a medida que ésta gira, para que el par de fuerzas que la mueve se mantenga siempre vivo. Utilización de los motores de corriente directa [C.D.] o corriente continua [C.C.] Se utilizan en casos en los que es importante el poder regular continuamente la velocidad del motor, además, se utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o baterías. Este tipo de motores debe de tener en el rotor y el estator el mismo número de polos y el mismo número de carbones. LOS MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA PUEDEN SER DE TRES TIPOS: SERIE PARALELO COMPOUND 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. Este devanado está hecho con un alambre grueso porque 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 de serie produce un campo magnético mucho mayor, lo cual permite un esfuerzo de torsión mucho mayor. Sin embargo, la velocidad de giro varía dependiendo del tipo de carga que se tenga (sin carga o con carga completa). Estos motores

desarrollan un par de arranque muy elevado y pueden acelerar cargas pesadas rápidamente

MOTOR SHUNT O MOTOR PARALELO: es un motor de corriente continua cuyo bobinado inductor principal está conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducidos e inductor auxiliar. Al igual que en las dinamos shunt, las bobinas principales están constituidas por muchas espiras y con hilo de poca sección, por lo que la resistencia del bobinado inductor principal es muy grande.

MOTOR COMPOUND: es un motor de corriente continua cuya excitación es originada por dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducido, inductor serie e inductor auxiliar. 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. El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de armadura varía, 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 componed se conectan normalmente de esta manera y se denominan como componed acumulativo.

Esto provee una característica de velocidad que no es tan "dura" o plana como la del motor shunt, ni tan "suave" como la de un motor serie. Un motor componed 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 de corriente continua componed son algunas veces utilizados donde se requiera una respuesta estable de par constante para un rango de velocidades amplio.

LAS PARTES FUNDAMENTALES DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA SON: ESTATOR: Es el que crea el campo magnético fijo, al que le llamamos Excitación. En los motores pequeños se consigue con imanes permanentes. Cada vez se construyen imanes más potentes, y como consecuencia aparecen en el mercado motores de excitación permanente, mayores.

ROTOR: También llamado armadura. Lleva las bobinas cuyo campo crea, junto al del estator, el par de fuerzas que le hace girar.

Inducido de C.C. ESCOBILLAS: Normalmente son dos tacos de grafito que hacen contacto con las bobinas del rotor. A medida que éste gira, la conexión se conmuta entre unas y otras bobinas, y debido a ello se producen chispas que generan calor. Las escobillas se fabrican normalmente de grafito, y su nombre se debe a que los primeros motores llevaban en su lugar unos paquetes hechos con alambres de cobre dispuestos de manera que al girar el rotor "barrían", como pequeñas escobas, la superficie sobre la que tenían que hacer contacto. COLECTOR: Los contactos entre escobillas y bobinas del rotor se llevan a cabo intercalando una corona de cobre partida en sectores. El colector consta a su vez de dos partes básicas: DELGAS: Son los sectores circulares, aislados entre sí, que tocan con las escobillas y a su vez están soldados a los extremos de los conductores que conforman las bobinas del rotor. MICAS: Son láminas delgadas del mismo material, intercaladas entre las delgas de manera que el conjunto forma una masa compacta y mecánicamente robusta.

Visto el fundamento por el que se mueven los motores de C.C., es fácil intuir que la velocidad que alcanzan éstos dependen en gran medida del equilibrio entre el par motor en el rotor y el par antagonista que presenta la resistencia mecánica en el eje. EXCITACIÓN.

La forma de conectar las bobinas del estator es lo que se define como tipo de excitación. Podemos distinguir entre: INDEPENDIENTE: Los devanados del estator se conectan totalmente por separado a una fuente de corriente continua, y el motor se comporta exactamente igual que el de imanes permanentes. En las aplicaciones industriales de los motores de C.C. es la configuración más extendida. SERIE: Consiste en conectar el devanado del estator en serie con el de la armadura. Se emplea cuando se precisa un gran par de arranque, y precisamente se utiliza en los automóviles. Los motores con este tipo de excitación se embalan en ausencia de carga mecánica. Los motores con esta configuración funcionan también con corriente alterna. PARALELO: Estator y rotor están conectados a la misma tensión, lo que permite un perfecto control sobre la velocidad y el par. COMPOUND: Del inglés, compuesto, significa que parte del devanado de excitación se conecta en serie, y parte en paralelo. Las corrientes de cada sección pueden ser aditivas o sustractivas respecto a la del rotor, lo que da bastante juego, pero no es este el lugar para entrar en detalles al respecto. Velocidad del motor de corriente continúa Como ya hemos dicho, la configuración más popular es la de excitación independiente, y a ella se refieren las dos expresiones que vienen a continuación: 1. La velocidad es proporcional al valor de la tensión media de C.C. esto es válido siempre que se mantengan constantes, las condiciones de excitación y el par mecánico resistente. 2. El valor de la tensión media aplicada a las conexiones de la armadura del motor se distribuye fundamentalmente de la forma: (1) U: Tensión media aplicada. RxI: Caída de tensión debida a la corriente que circula por el inducido. E: Fuerza contra electromotriz inducida (velocidad). Según el punto (1), la velocidad se puede variar empleando rectificadores controlados para proporcionarle en todo momento la tensión media adecuada. Para medir su velocidad podemos emplear, según el punto (2), un método alternativo a la dinamo taco métrica y que consiste en restar a la ecuación (1) la caída de tensión (RxI) en la resistencia de las bobinas de armadura, (con amplificadores operacionales) quedándonos solo con el valor

correspondiente a la fuerza contra electromotriz (E), muestra directa de la velocidad. En nuestro entorno, tendemos a pensar que allá donde encontremos motores de corriente continua es muy posible que sea debido a la necesidad de tener que poder variar la velocidad de forma sencilla y con gran flexibilidad. Caja de bornes El bornero de un motor de C.C. suele proporcionar dos parejas de conexiones, una para la excitación, y otra para la armadura. Al tratarse de devanados para corriente continua sus bornes estarán coloreados, habitualmente de rojo y negro.

Las tomas de estator y rotor deben ir debidamente diferenciadas, pero aún sin señales puede distinguirse entre unas y otras porque las de la armadura son de sección sensiblemente mayor. Conclusión Un motor eléctrico de corriente continua es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos, que para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales: - Rotor - Estator Dentro de éstas se ubican los demás componentes como: - Escobillas y porta escobillas - Colector - Eje - Núcleo y devanado del rotor

- Imán Permanente - Armazón -Tapas o campana Los motores de corriente continua son de menos utilización que los motores de corriente alterna en el área industrial, debido que los motores de corriente alterna se alimentan con los sistemas de distribución de energías "normales".

1.2 Descripción de la relación entre par y fuerza.

Los términos fuerza y par electromagnéticos, son muy comunes en el estudio de máquinas eléctricas, sin embargo, no tienen el mismo significado. La relación entre la fuerza que actúa sobre un conductor y el par que se produce en este, se muestra en la figura 2.4. Como se muestra en la figura 2.3 una bobina de una sola espira montada sobre una estructura que le permita moverse, conduce corriente en un campo magnético (En la figura 2,4a también se observa este comportamiento), De acuerdo con la ley de Biot Savart, se produce una fuerza fi ortogonal en el lado I de la bobina, Io mismo ocurre en lado 2 de la bobina desarrollándose una fuerza como se aprecia en la figura 2,4b, Las fuerzas fi y f: se desarrollan de tal forma que tienden a producir un movimiento o giro de la armadura del motor, este sentido de rotación como se indicó antes queda determinado por la regla de la mano derecha para motores [41-[61].

El par, también conocido como momento de torsión, se define como la tendencia de una fuerza y su distancia radial al eje de rotación a provocar un giro. Se indica en unidades de fuerza longitud y no debe ser confundido con trabajo, El par producido en la máquina es el producto del flujo y la corriente en la máquina, multiplicado por una constante que representa la construcción mecánica de la

máquina. Así la fuerza electromagnética producida en un conductor dado de armadura portador de corriente queda definido por: 𝐹 = 𝐵𝑖𝑙 Donde: 𝐵 = campo magnético 𝑖 = intensidad de corriente eléctrica 𝑙= longitud del conductor.

Y el par electromagnético desarrollado por cualquier conductor en la superficie de la armadura: 𝜏 = 𝑟𝐹 sin 𝜃 Donde: 𝑟= distancia radial al je de rotación. 𝐹= fuerza del conductor s 𝜃= Angulo entre r y F

1.3 Análisis de la fuerza contra electromotriz en el motor. Cuando un conductor se mueve y corta las líneas de campo magnético, de acuerdo con la ley de Faraday se induce un voltaje en el conductor. En un motor de corriente directa, los conductores de la armadura cortan las líneas de flujo del campo magnético. El voltaje inducido en el conductor siempre es opuesto al voltaje aplicado a la máquina. Por lo tanto, el voltaje inducido se encuentra en oposición al voltaje aplicado, a este fenómeno se le conoce como fuerza contra electromotriz. La fcem reduce el voltaje resultante en la armadura sin embargo nunca podrá ser igual al voltaje aplicado en las terminales de la A de lo anterior, la fcem tiene una función importante en el funcionamiento del motor debido a que nos permite limitar la corriente en la armadura de la máquina I], En la figura 2.5 se muestra este efecto. La magnitud del voltaje inducido depende de varios factores entre los cuales están: 

Número de vueltas en el devanado de campo.



Número de vueltas de la turbina de armadura.



Densidad de flujo.



Velocidad con la que se cortan las líneas de flujo.

1.4 Estudio de la relación entre par y velocidad. La relación entre el par y la velocidad de un motor, está relacionada con el tipo de excitación de la máquina; al igual que ocurrió con el generador el motor de puede excitarse de diferentes formas, las cuales dan características propias en cuanto a su velocidad y su. En la figura 2.6 se muestran las gráficas de par versus velocidad para cada uno de los diferentes tipos de excitación del motor de.

En el punto de equilibrio el par producido pr el motor es igual al par requerido pr la carga para mantener una velocidad constante. Si el motor es frenado por el aumento de carga, el par del motor es superior al par demandado por la carga. El motor acelerará regresando al punto de equilibrio. Si la carga disminuye y

aumenta la velocidad del motor hasta arriba del punto de equilibrio, la fuerza de torsión del motor será menor que la fuerza de torsión requerida por la carga. El motor desacelerará hasta llegar al punto de equilibrio [I l, [41-[101.

1.5 Análisis de las características operativas del motor. Los motores de corriente directa se clasifican de acuerdo con la forma en que se conectas sus devanados de camp con la fuente de excitación. Existen cinco tipos de motores de cd de uso general: 

Motor de cd de excitación Independiente.



Motor de cd en derivación.



Motor de cd de imán permanente.



Motor de cd en serie.



Motor de cd compuesto.

Para fines de este curso únicamente se analizarán los motores con excitación serie, en derivación y compuesto Motor de cd con excitación serie. En este tipo de motor el devanado de campo es en serie con el devanado de la armadura como se muestra en la figura 2.7. El calibre del alambre del devanado de campo serie es grande debido a que tiene que soportar la corriente demandada por la armadura. Al ser de calibre mayor, solo son necesarias unas cuantas vueltas.

Los motores serie tienen como característica principal que desarrollan un gran par de arranque, sin embargo, su velocidad varía considerablemente cuando se operan a plena carga y en vacío, llegando incluso a desbocarse si se trabajará sin carga, provocando con ello la destrucción del mismo, de ahí que se sugiere operarlo siempre con carga conectada, aunque esta sea ligera. Por lo tanto, este tipo de motor no se recomienda utilizar cuando se desea tener velocidad constante ante una variación en la carga. En la figura 2.8 se muestra el circuito equivalente para este tipo de motor serie, en la se aprecia que, si aplicamos la ley de Voltajes de Kirchhoff, se obtiene:

𝑉1 = 𝐸𝐴 + (𝑅𝐴 + 𝑅𝑆 ) En la figura se representa las características típicas de par velocidad y par corriente en un motor serie.

1.6 Regulación de la velocidad del motor. Una de las razones las cuales hoy día se utilizan los motores de cd es pr la facilidad con que su desempeño se adapta para satisfacer las demandas de la industria. La facilidad en el control de su velocidad a cualquier par demandado por la carga y sin tener que realizar ningún cambio en su construcción Io mantienen vigente en sus diferentes aplicaciones [II, [61-[131. La regulación de velocidad en un motor es una medida del cambio de veltxidad desde su operación en vacio hasta su operación a plena carga, expresada generalmente en porciento de la velocidad correspondiente a la carga nominal esto es:

𝑅𝑉% =

𝑛𝑠𝑐 − 𝑛𝑝𝑐 𝑥 100 𝑛𝑠𝑐

Donde:

𝑛𝑠𝑐 = velocidad sin carga del motor 𝑛𝑝𝑐 = velocidad a plena carga del motor Regulación de velocidad en un motor con excitación serie. La regulación de velocidad en un motor serie es muy mala debido a que en vacío su velocidad se incrementa a infinito, llegando a autodestruirse. Una forma de regular la velocidad es el motor serie consiste en insertar una resistencia extrema en serie con el circuito del motor, sin embargo, este método resulta un gran desperdicio de potencia y solo es utilizado en el arranque de algunos motores. Otra manera de controlar la velocidad es este motor es mediante la variación del voltaje en las terminales de la máquina. En la figura 2.14 se puede apreciar el comportamiento de este motor ante diferentes comentes en la armadura.

1.7 Efecto de la reacción de armadura sobre el flujo del campo. La reacción de armadura no es otra cosa que el efecto de la fmm de la armadura la distribución del campo. Esto ocurre debido a que la corriente que fluye en el devanado de armadura crea una fuerza magnetomotriz que distorsiona y debilita el flujo el flujo proveniente de los polos. Este fenómeno ocurre tanto en motores como en generadores. Para comprender mejor lo anterior observemos la figura 2.17 la cual muestra como cuando un motor funciona en vacío la pequeña comente que fluye en el inducido no afecta de manera significativa el flujo proveniente de los polos. Sin embargo, cuando la armadura transporta su corriente nominal produce una fmm, la cual, si actuara sola, produciría un flujo tal como se observa en la figura

Si suponemos los flujos encontraremos flujos resultantes. En donde como puede observarse la densidad de flujo aumenta debajo de la mitad izquierda del polo y disminuye en la debajo de la mitad derecha.

Esta distribución del flujo resultante provoca dos grandes efectos en la máquina:  El plano neutro se desplaza hacia la izquierda como se muestra en la figura 2.20 (contrario a la dirección de giro de la máquina), provocando chisporroteo en las escobillas, Io cual indica una deficiente conmutación.  Al ser mayor la densidad de flujo en el punto A, provoca saturación. En máquinas de gran capacidad esto puede provocar un funcionamiento inestable. En resumen, al poner a funcionar un motor de cd no importa el

tipo de excitación que tenga, el efecto de la reacción de armadura es reducir el flujo del entrehierro y, dependiendo del grado de saturación aumentar la velocidad en la máquina.

1.8 Análisis para la compensación de la reacción de armadura. En la sección anterior se analizó el efecto de la reacción de armadura, como pudo evidenciarse de ninguna manera este efecto es útil para el buen funcionamiento de la máquina ya sea que se trate de un generador o de un motor, y para atenuarlo (porque nunca podrá ser eliminado al ser algo normal que surge de la operación de la máquina) existen varios métodos que se analizan enseguida: Desplazamiento de las escobillas. Este método consiste en desplazar las escobillas moviéndolas de su posición neutra sin carga (eje neutro geométrico). Para que cuando el motor entre en operación y al desplazarse el plano neutro se compense pr el adelante que previamente se le hizo a las escobillas. Esta medida es la menos cara, sin embargo, solo resulta conveniente cuando la máquina se opera con una carga constante. Polos o Interpolos de conmutación. Este método consiste en la utilización de polos estrechos denominados interpolos o polos de conmutación, estos se colocan en la región interpolar centrados a lo largo del eje neutro de la máquina. Los devanados interpolares se conectan en serie con el devanado de la armadura para ofrecer mayor efectividad en condiciones de carga variable. En la figura 2.21 se muestra la distribución del flujo en el devanado de inducido con polos de conmutación.

1.9 Estudio del efecto de la reacción de inducido sobre la regulación de velocidad. La reacción de armadura como se describió en el punto 2.7, es el efecto de la fuerza magnetomotriz por los conductores en el devanado del inducido al reducir y distorsionar el flujo mutuo en el entrehierro resultado de la interacción con los devanados de campo con excitación serie y/o shunt. Al aumentar la carga en cualquier tipo de motor3 de corriente directa, el efecto de la reacción de inducido será debilitar las líneas de flujo en un extremo de los polos y saturarlo en el otro extremo, dependiendo de esta saturación se tendrá como consecuencia una inestabilidad en la máquina aumentando su velocidad. Un análisis de las cumas velocidad-carga (ver figuras 2.6, 2. I I , 2.14, 2.15 y 2.16) para cada tipo de motor demuestra que la regulación de velocidad de cada uno de los diferentes tipos comerciales de motores de corriente directa, mejorarían ligeramente debido a este efecto sino llegase a ser tan pronunciado que pudiera provocar una regulación negativa de velocidad.

Bibliografía http://perso.wanadoo.es/luis_ju/ebasica2/mcc_01.html http://www.unicrom.com/Tut_MotorCC.asp http:/,'uw.v.tpub.com/neets.'bookf/15_htm http: i/uww_waIter-fendt.de\ph14s\eIectricmotor s_htm http: h’hyperphysies. phy-astr.gsu.edu•'HBASEimagnetie'motdc_htmI#c I