MOTORES DC

Los motores dc son, claro está, accionados por una fuente de potencia dc. A menos que se especifique otra cosa, se supone que el voltaje de entrada es constante, puesto que esta suposición simplifica el análisis de los motores y la comparación entre los diferentes tipos de ellos. Hay cinco clases principales de motores dc de uso general:

El motor dc de excitación separada. El motor dc con excitación en derivación. El motor dc de imán permanente. El motor dc serie. El motor dc compuesto.

CIRCUITO EQUIVALENTE DEL MOTOR DC

Circuito equivalente de un motor dc. b) Circuito equivalente simplificado en que se elimina la caída de voltaje en la escobilla y se combina Radj con la resistencia de campo.

En la figura se muestra el circuito equivalente de un motor de. En esta figura, el circuito del inducido está representado por una fuente ideal de voltaje EA y una resistencia RA. Esta represen-tación es el equivalente Thevenin de la estructura total del rotor, incluidas las bobinas del rotor, los interpolos y los devanados de compensación, si los hay. La caída de voltaje en la escobilla está representada por una pequeña batería Vesc opuesta en dirección al flujo de corriente de la máquina. Las bobinas de campo que producen el flujo magnético en el generador están representadas por la inductancia LF y la resistencia RF La resistencia separada Radj representa una resistencia exterior variable, utilizada para controlar la cantidad de corriente en el circuito de campo.

Existen algunas variantes y simplificaciones de este circuito equivalente básico. Con frecuencia, el voltaje de caída en la escobilla es sólo una pequeña fracción del voltaje generado en una máquina. En casos en los cuales no es demasiado crítico, el voltaje de caída en la escobilla puede despreciarse o incluirse aproximadamente en el valor de RA. A veces, la resistencia interna de las bobinas de campo también se agrupa con la resistencia variable y a este total se le llama RF (véase figura b). Una tercera variante es aquella en la cual los generadores tienen más de una bobina de campo, todo lo cual aparecerá en el circuito equivalente.

El voltaje interno generado en esta máquina está dado por la ecuación

Y el par inducido desarrollado por la máquina está dado por

Estas dos ecuaciones, la correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff del circuito del inducido y la curva de magnetización de la máquina, son las herramientas necesarias para analizar el comportamiento y el funcionamiento de un motor dc.

MOTORES DC CON EXCITACIÓN SEPARADA Y MOTORES DC EN DERIVACIÓN

La figura a muestra el circuito equivalente de un motor dc con excitación separada; la figura b, el de un motor dc en derivación. Un motor dc con excitación separada es un motor cuyo circuito de campo es alimentado por una fuente de potencia separada de voltaje constante, mientras que un motor dc en derivación es aquel cuyo circuito de campo obtiene su potencia directamente de los terminales del inducido del motor. Si se supone que el voltaje de alimentación al motor es constante, no hay casi diferencia de comportamiento entre estas dos máquinas. A menos que se especifique lo contrario, siempre que se describe el comportamiento de un motor en derivación, también se incluye el motor de excitación separada.

a) Circuito equivalente de un motor dc con excitación separada. b) Circuito equivalente de un motor dc en derivacion.

La ecuación correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff (KVL) para el circuito del inducido de estos motores es

Característica de los terminales de un motor de en derivación.

La característica de salida de un motor de en derivación se puede deducir de las ecuaciones del voltaje inducido y del par del motor, junto con la ecuación correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff. Para estas características la ecuación en base a la velocidad del motor es:

Esta ecuación representa una línea recta con pendiente negativa.

Es importante tener en cuenta que, para una variación lineal de la velocidad del motor con respecto al par, los otros términos de esta expresión deben permanecer constantes cuando cambia la carga. Se supone que el voltaje en los terminales, suministrado por la fuente de potencia dc, es constante; si no es constante, las variaciones de voltaje afectarán la forma de la curva par- velocidad.

La reacción del inducido es otro efecto interno del motor que también puede afectar la forma de la curva par-velocidad. Si un motor presenta reacción del inducido, el efecto de debilitamiento del flujo reduce el flujo en la máquina a medida que aumenta la carga. Como muestra la ecuación de velocidad, la reducción del flujo aumenta la velocidad del motor, a cualquier carga dada, más allá de la velocidad a que podría girar si no se presentara la reacción del inducido.

Si un motor de en derivación tiene devanados de compensación tal que su flujo es constante, independientemente de la carga, y se conocen la velocidad y la comente del inducido del motor para cualquier valor de la carga, es posible calcular su velocidad para cualquier otro valor de ésta, mientras se conozca o pueda determinarse la corriente del inducido.

MOTOR DC DE IMÁN PERMANENTE

Un motor dc de imán permanente (PMDC) es un motor dc cuyos polos están hechos de imanes permanentes. En algunas aplicaciones, los motores dc de imán permanente ofrecen muchos más beneficios que los motores dc en derivación. Puesto que estos motores no requieren circuito de campo externo, no tienen las pérdidas en el cobre del circuito de campo asociadas con los motores dc en derivación. Debido a que no requieren devanados de campo, estos motores pueden ser más pequeños que los correspondientes motores dc en derivación. Los motores PMDC son muy comunes en tamaños pequeños de caballaje fraccional y subfraccional, en los cuales no puede justificarse el costo y espacio de un circuito separado de campo.

Sin embargo, los motores PMDC tienen algunas desventajas porque los imanes permanentes no pueden producir tan alta densidad de flujo como la de un campo externo en derivación. En consecuencia, el motor PMDC tendrá un par inducido, por amperio de corriente del inducido, menor que el de un motor en derivación del mismo tamaño y construcción. Además, los motores PMDC corren el riesgo de la desmagnetización.

Un motor dc de imán permanente es básicamente la misma máquina que un motor de en derivación, excepto que el flujo de un motor PMDC es fijo. Por tanto, no es posible controlar la velocidad de un motor PMDC variando la corriente o el flujo del campo. Los únicos métodos de control de velocidad disponibles para un motor PMDC son los de control de voltaje del inducido y control de la resistencia del inducido.

MOTOR DC SERIE

Un motor dc serie es un motor cuyo devanado de campo relativamente consta de unas pocas vueltas conectadas en serie con el circuito del inducido. El circuito equivalente de un motor dc serie se muestra en la figura. En un motor dc serie, la corriente del inducido, la corriente de campo y la comente de línea son iguales. La ecuación correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff para este motor es

La característica en terminales de un motor dc serie es muy diferente de la del motor de en derivación. El comportamiento básico de un motor de serie se debe al hecho de que el flujo es directamente proporcional a la corriente del inducido, al menos hasta llegar a la saturación. Cuando se incrementa la carga del motor, también aumenta su flujo. Un aumento de flujo en el motor ocasiona una disminución en su velocidad; el resultado es una caída drástica en la característica de par-velocidad de un motor en serie. El par inducido en esta máquina está dado por la ecuación:

En esta máquina, el flujo es directamente proporcional a la comente del inducido (al menos hasta que el metal se satura). Entonces, el flujo puede estar dado por

Donde c es una constante de proporcionalidad. En esta máquina el par inducido está dado por

En otras palabras, el par en el motor es proporcional al cuadrado de la corriente del inducido. Como resultado de esta relación, es fácil observar que un motor serie produce más par por amperio que cualquier otro motor dc. El motor serie se utiliza en aplicaciones que requieren pares muy altos. Ejemplos de tales aplicaciones son los motores de arranque en vehículos automotores, motores de elevadores y motores de tracción en locomotoras.

MOTOR DC COMPUESTO

Un motor de compuesto es aquel que tiene campo en derivación y campo en serie. Tal motor se muestra en la figura 9-24. Los puntos que se marcan en las dos bobinas de campo tienen el mismo significado que los marcados en un transformador: la corriente que fluye hacia dentro, por el punto, produce una fuerza magnetomotriz positiva. Si la corriente fluye hacia dentro por los puntos marcados en las dos bobinas de campo, las fuerzas magnetomotrices resultantes se suman para producir una fuerza magnetomotriz total mayor. Esta situación se conoce como composición acumulativa. Si la corriente de una bobina de campo fluye hacia dentro por el punto, mientras que la corriente de la otra bobina de campo sale por el punto, las fuerzas magnetomotrices se restan. En la figura 9-24 los puntos redondos corresponden a la composición acumulativa del motor y los cuadrados, a la composición diferencial.

La ecuación correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff para un motor de compuesto es:

La corriente en el motor compuesto está relacionada por:

La fuerza magnetomotriz neta y la corriente efectiva del campo en derivación en el motor compuesto están dadas por

Característica par-velocidad de un motor de compuesto acumulativo.

En el motor de compuesto acumulativo hay una componente de flujo que es constante y otra componente que es proporcional a la corriente del inducido (y, por tanto, a su carga). Por consiguiente, el motor compuesto acumulativo tiene un par de arranque mayor que un motor en derivación (cuyo flujo es constante), pero menor par de arranque que un motor serie (cuyo flujo total es proporcional a la corriente del inducido).

En algún grado, el motor de compuesto acumulativo combina las mejores características del motor en derivación y del motor serie. Como en el motor serie, tiene par extra para el arranque; como en un motor de en derivación, no se desboca en vacío.

Con cargas ligeras, el campo serie tiene un efecto muy pequeño de modo que el motor se comporta casi como un motor en derivación. Cuando la carga llega a ser muy grande, el flujo del devanado serie es muy importante y la curva par-velocidad comienza a parecerse a la característica del motor serie. La figura muestra una comparación de las características par-velocidad de cada uno de los tipos de estas máquinas.

a) Característica par-velocidad de un motor dc compuesto acumulativo, comparado con los motores serie y en derivación de la misma capacidad a plena carga, b) Característica par-velocidad de un motor dc compuesto acumulativo, comparado con un motor en derivación con la misma velocidad en vacío.

Característica par-velocidad de un motor de compuesto diferencial.

En un motor de compuesto diferencial, las fuerzas magnetomotrices del campo en derivación y del campo en serie se restan una de otra. Esto significa que cuando la carga aumenta en el motor IA se incrementa y el flujo en el motor disminuye. Como el flujo disminuye, la velocidad del motor aumenta. Este aumento de velocidad causa otro incremento en la carga, el cual eleva más a IA, disminuye más el flujo e incrementa de nuevo la velocidad. Como resultado de esto, el motor compuesto diferencial es inestable y tiende a embalarse. Esta inestabilidad es peor que la de un motor en derivación con reacción del inducido. Es tan mala que un motor compuesto diferencial es inadecuado para cualquier aplicación.

Para agravar la situación, es imposible arrancar tal motor. En condiciones de arranque la corriente del inducido y la corriente del campo serie son muy grandes. Puesto que el flujo serie se resta del flujo en derivación, el campo serie puede invertir la polaridad magnética de los polos de la máquina.

El motor permanecerá típicamente quieto o girará con lentitud en dirección contraria mientras se quema debido a la excesiva corriente del inducido. Cuando va a arrancar este tipo de motor, su campo serie debe cortocircuitarse de modo que se comporte como un motor común en derivación durante el periodo de arranque.

Debido a los problemas de estabilidad del motor dc compuesto diferencial, no es utilizado intencionalmente casi nunca. Sin embargo, al invertir la dirección del flujo de potencia en un generador compuesto acumulativo, puede resultar un motor compuesto diferencial.

GENERADORES DC

Los generadores dc son máquinas de corriente continua utilizadas como generadores. Cabe destacar que, no hay diferencia real entre un generador y un motor excepto por la dirección del flujo de potencia. Existen cinco tipos principales de generadores dc, clasificados de acuerdo con la manera de producir su flujo de campo:

Generador de excitación separada. En un generador de excitación separada, el flujo de campo se obtiene de una fuente de potencia separada del generador en sí mismo.

Generador en derivación. En un generador en derivación, el flujo de campo se obtiene conectando el circuito de campo directamente a través de los terminales del generador.

Generador serie. En un generador serie, el flujo de campo se produce conectando el circuito de campo en serie con el inducido del generador.

Generador compuesto acumulativo. En un generador compuesto acumulativo están presentes tanto un campo en derivación como un campo serie, y sus efectos son aditivos.

Generador compuesto diferencial. En un generador compuesto diferencial están presentes tanto un campo en derivación como un campo serie, pero sus efectos se restan.

Estos tipos de generadores de difieren en su característica en terminales (voltaje-corriente) y, por tanto, en las aplicaciones para las cuales son adecuados.

Los generadores dc son comparados por sus voltajes, potencias nominales, eficiencias y regulaciones de voltaje. La regulación de voltaje (VR) está definida por la ecuación:

Donde Vnl es el voltaje en los terminales del generador en vacío y VR es el voltaje en los terminales del generador a plena carga. Es una medida aproximada de la forma de la característica voltaje- corriente del generador: una regulación de voltaje positiva significa una característica descendente y una regulación de voltaje negativa significa una característica en ascenso.

Todos los generadores están accionados por una fuente de potencia mecánica denominada motor primario del generador. Un motor primario para un generador de puede ser una turbina de vapor, un motor diesel o también un motor eléctrico. Puesto que la velocidad del motor primario afecta el voltaje de salida del generador, y las características de velocidad de los motores primarios pueden variar ampliamente, es costumbre suponer que la velocidad de los motores primarios es constante para comparar la regulación de voltaje y las características de salida de los diferentes generadores.

Los generadores dc son muy escasos en los sistemas de potencia modernos. Incluso sistemas de potencia de como los de los automóviles utilizan generadores ac más rectificadores para producir la potencia dc.

El circuito equivalente de un generador de se muestra en la figura; en la figura. Es similar a los circuitos equivalentes de un motor dc, excepto que la dirección del flujo de corriente y las pérdidas en las escobillas se invierten.

Circuito equivalente de un motor dc.