Motores de Corriente Directa Fuerza Contraelectromotriz.unlocked

8/18/2019 Motores de Corriente Directa Fuerza Contraelectromotriz.unlocked

1/19

U N I D A

D 2

MO TO R E S D E C O R R I EN T E D I R EC T A .

Objetivo: Comprenderá y aplicará el principio de operación de las máquinas

eléctricas de corriente directa.

2.1 Generalidades en motores de corriente directa.

Un motor de corriente directa es otra forma de conectar la máquina de cd, en este caso se

utiliza una fuerza eléctrica para transformarla en energía mecánica. esde !ace muc!osa"os los motores de cd se !an utilizado en diferentes aplicaciones industriales.

#a precisión en su control de $elocidad los !ace indispensa%le en muc!as aplicaciones.

&lgunos e'emplos de su utilización son( ele$adores, malacates, $entiladores, %om%as, prensas y aplicaciones marinas) tam%ién son utilizados en industrias como la del papel,

plástico, aceros, minas, automotriz y te*tiles por mencionar algunas.

#a construcción de un motor de cd, es similar a la de un generador de cd por tratarse de la

misma máquina.

+u principio de funcionamiento se %asa en la aplicación de diferentes leyes tales como laley de inducción electromagnética de araday, ley de #enz y la ley de &mpere.

-l motor de cd tiene tam%ién dos circuitos principales para su funcionamiento( el circuito

de campo o estator y el circuito de la armadura o rotor. -l $olta'e es suministrado a la

armadura a tra$és de las esco%illas y el conmutador /er figura 2.10 134.

igura 2.1 Características de un motor de corriente directa.+iemens, Components in C motors5-lectrical 6raining Courses( 7o8er distri%ution, motor 9 Controls, &daptado por el autor.0.

Ing. Héctor García Melchor


2/19

1:;nstituto 6ecnológico de la Costa Grande

Departamento de Metal-Mecánica Academia de Metal-Mecánica

Ing. Héctor García

-l giro o rotación de un motor de corriente directa o%edece a la interacción de los doscircuitos magnéticos que tiene, es decir al campo magnético del estator) el cual puede ser

producido por imanes permanentes o %ien por un de$anado de campo y al campo magnético

de la armadura, el cual es producido por la corriente resultante al aplicar una tensión atra$és de las esco%illas y el conmutador. Como sa%emos siempre que fluye una corriente

por un conductor, se genera un campo magnético alrededor del mismo /er figura 2.20.

igura 2.2 Campo magnético del estator de un motor de corriente directa.+iemens, Components in C motors5-lectrical 6raining Courses( 7o8er

distri%ution, motor 9 Controls, &daptado por el autor.0.

2.1.1


3/19

2.2 escripción de la relación entre par y fuerza.

#os términos fuerza y par electromagnéticos, son muy comunes en el estudio de máquinas

eléctricas, sin em%argo no tienen el mismo significado.#a relación entre la fuerza que act=a so%re un conductor y el par que se produce en este, se

muestra en la figura 2.>.

Como se muestra en la figura 2.4 una %o%ina de una sola espira montada so%re una

estructura que le permita mo$erse, conduce corriente en un campo magnético -n la figura2.>a tam%ién se o%ser$a este comportamiento0. e acuerdo con la ley de ?iot +a$art, se produce una fuerza f 1 ortogonal en el lado 1 de la %o%ina, lo mismo ocurre en lado 2 de la %o%ina desarrollándose una fuerza f 2 como se aprecia en la figura 2.>%. #as fuerzas f 1 y f 2se desarrollan de tal forma que tienden a producir un mo$imiento o giro de la armadura delmotor, este sentido de rotación como se indicó antes queda determinado por la regla de lamano derec!a para motores >3@.

igura 2.> 7roducción de par en una %o%ina de una espira. ;. #. Aoso8, Báquinas eléctricas y

transformadores, pág.110.

-l par, tam%ién conocido como momento de torsión, se define como la tendencia de una

fuerza y su distancia radial al e'e de rotación a pro$ocar un giro. +e indica en unidades defuerza por longitud y no de%e ser confundido con tra%a'o.

-l par producido en la máquina es el producto del flu'o y la corriente en la máquina,

multiplicado por una constante que representa la construcción mecánica de la máquina.

&sí la fuerza electromagnética producida en un conductor dado de armadura portador de

corriente queda definido por(

F D Bil

onde(

B = campo magnético

i = intensidad de corriente eléctrica en el conductor

l= longit ud del conductor


4/19

E el par electromagnético desarrollado por cualquier conductor en la superficie de laarmadura(

F D rF senG

onde(

r = distancia radial al eje de rotación.

F= fuerza por conductor.

= ángulo entre r y F.

2.4 &nálisis de la fuerza contraelectromotriz en el motor.

Cuando un conductor se mue$e y corta las líneas de campo magnético, de acuerdo con la

ley de araday se induce un $olta'e en el conductor. -n un motor de corriente directa, losconductores de la armadura cortan las líneas de flu'o del campo magnético. -l $olta'e

inducido en el conductor siempre es opuesto al $olta'e aplicado a la máquina. 7or lo tantoel $olta'e inducido se encuentra en oposición al $olta'e aplicado, a este fenómeno se leconoce como fuerza contra electromotriz. #a fcem

1reduce el $olta'e resultante en la

armadura sin em%argo nunca podrá ser igual al $olta'e aplicado en las terminales de la

armadura.

& pesar de lo anterior, la fcem tiene una función importante en el funcionamiento del motor

de%ido a que nos permite limitar la corriente en la armadura de la máquina 1, @3H.

-n la figura 2.I se muestra este efecto. #a magnitud del $olta'e inducido depende de $ariosfactores entre los cuales están(

J K=mero de $ueltas en el de$anado de campo.

J K=mero de $ueltas de la %o%ina de armadura.

J ensidad de flu'o.

J /elocidad con la que se cortan las líneas de flu'o.

1 Fuerza contraelectromotriz.


5/19

2;nstituto 6ecnológico de la Costa Grande


igura 2.I uerza contraelectromotriz producida en el motor de corriente directa. +iemens, Componentsin C motors5-lectrical 6raining Courses( 7o8er distri%ution, motor 9 Controls, &daptado por el autor0.

2.> -studio de la relación entre par y $elocidad.

#a relación entre el par y la $elocidad de un motor, está relacionada con el tipo de

e*citación de la máquina) al igual que ocurrió con el generador el motor dc puede e*citarsede diferentes formas, las cuales dan características propias en cuanto a su $elocidad y su

par.

-n la figura 2.@ se muestran las gráficas de par $ersus $elocidad para cada uno de los

diferentes tipos de e*citación del motor dc.

igura 2.@ 7ar $s /elocidad en el motor de corriente directa.+iemens, Components in C motors5-lectrical 6raining Courses( 7o8er

distri%ution, motor 9 Controls, &daptado por el autor0.

-n el punto de equili%rio el par producido por el motor es igual al par requerido por la carga para mantener una $elocidad constante.

+i el motor es frenado por el aumento de carga, el par del motor es superior al par

demandado por la carga. -l motor acelerará regresando al punto de equili%rio. +i la carga


6/19

disminuye y aumenta la $elocidad del motor !asta arri%a del punto de equili%rio, la fuerzade torsión del motor será menor que la fuerza de torsión requerida por la carga. -l motor

desacelerará !asta llegar al punto de equili%rio 1, >31.

2.I &nálisis de las características operati$as del motor.

#os motores de corriente directa se clasifican de acuerdo a la forma en que se conectas sus

de$anados de campo con la fuente de e*citación.

-*isten cinco tipos de motores de cd de uso general(

J Botor de cd de e*citación independiente.

J Botor de cd en deri$ación2.

J Botor de cd de imán permanente.

J Botor de cd en serie.

J Botor de cd compuesto.

7ara fines de este curso =nicamente se analizarán los motores con e*citación serie, en

deri$ación y compuesto 1, @314.

2.I.1 Botor de cd con e*citación serie.

-n este tipo de motor el de$anado de campo es conectado en serie con el de$anado

de la armadura como se muestra en la figura 2.:. -l cali%re del alam%re delde$anado de campo serie es grande de%ido a que tiene que soportar la corriente

demandada por la armadura. &l ser de cali%re mayor, solo son necesarias unascuantas $ueltas.

igura 2.: Botor serie de corriente directa. +iemens, Components inC motors5-lectrical 6raining Courses( 7o8er distri%ution, motor 9

Controls, &daptado por el autor0.

2 A este tipo de motor tami!n se le conoce como motor s"unt.


7/19

#os motores serie tienen como característica principal que desarrollan un gran par de arranque, sin em%argo su $elocidad $aría considera%lemente cuando se operan a

plena carga y en $acío, llegando incluso a des%ocarse si se tra%a'ará sin carga,

pro$ocando con ello la destrucción del mismo, de a!í que se sugiere operarlosiempre con carga conectada aunque esta sea ligera.

7or lo tanto este tipo de motor no se recomienda utilizar cuando se desea tener

$elocidad constante ante una $ariación en la carga.

-n la figura 2.L se muestra el circuito equi$alente para este tipo de motor serie, en la

cual se aprecia que si aplicamos la ley de /olta'es de Airc!!off, se o%tiene(

t

D ! A

M " A

# A

M # s

0

.

-n la figura 2.H se presentan las características típicas de par3$elocidad y par3

corriente en un motor serie.

" A D " $ D "

%

&

D ! A

M " A

# A

M #%0

igura 2.L Circuito equi$alente de un motor de cd con e*citación serie.+. N. C!apman, Má'uinas eléctricas, pág. I@40.


8/19

igura 2.H Cur$a características típicas de par3$elocidad y par3corriente de un motor serie.6. Oildi, Báquinas eléctricas y sistemas de potencia, pág.1I0.

2.I.2 Botor de cd con e*citación en deri$ación.

-n un motor s!unt el de$anado de campo es conectado en paralelo con el de$anado

de la armadura. -ste tipo de motor ofrece una %uena regulación de $elocidad, siendo

esta su principal característica. -l de$anado de campo puede ser de e*citación

independiente o conectarse a la misma fuente de $olta'e que e*cita a la armadura taly como se muestra en la figura 2.1.

igura 2.1 Botor en deri$ación de corriente directa. +iemens, Components in C motors5-lectrical 6rainingCourses( 7o8er distri%ution, motor 9 Controls, &daptado por el autor0.


9/19

-n este tipo de motor cuando se le aplica una carga de manera repentina al e'e, la peque"a corriente sin carga que circula por la máquina no es suficiente para

producir un par suficiente para soportar la carga y como consecuencia el motor

tiende a desacelerar. #o cual pro$oca que la fcem disminuya dando como resultadouna corriente mayor y un par tam%ién más alto. Cuando el par o momento de torsión

del motor es igual al par demandado por la carga, la $elocidad permanece constante.

7or consiguiente cuando la carga mecánica se incrementa, la corriente en el

inducido se incrementa y la $elocidad disminuye. -n la figura 2.11 se puedeo%ser$ar las características típicas de par3$elocidad y par3corriente de un motor en

deri$ación.

igura 2.11 Cur$a características típicas de par3$elocidad y par3corriente de un motor en deri$ación.6. Oildi, Báquinas eléctricas y sistemas de potencia, pág.140.

-n la figura 2.12 se muestra el circuito equi$alente del motor en deri$ación, del cual

se deduce que si aplicamos la ley de $olta'es de Airc!!off para el circuito de la

armadura del motor, se o%tiene( &

D ! A

M " A #

A


10/19

igura 2.12 a0 Circuito equi$alente de un motor de cd con e*citación separada.

?0 Circuito equi$alente de un motor de cd en deri$ación.+. N. C!apman, Má'uinas eléctricas, pág. I4L0.

2.I.4 Botor de cd con e*citación compuesta.

-ste tipo de motor tiene conectada la %o%ina de campo serie y el de$anado decampo s!unt con e*citación independiente. -l de$anado serie pro$ee al motor un

%uen par de arranque mientras el de$anado en deri$ación le permite una muy %uena

regulación de $elocidad.

-l de$anado decampo serie se puede conectar de forma tal que el flu'o producidoapoye al flu'o esta%lecido por la %o%ina de campo s!unt constituyendo lo que se

conoce como motor compuesto acumulati$o.

Cuando el de$anado de campo serie produce un flu'o que se opone al flu'o de la

%o%ina de campo s!unt, el motor se conoce como motor compuesto diferencial.

6am%ién es con$eniente recordar que este tipo de motor se puede conectar enderi$ación corta o deri$ación larga, seg=n donde se conecte la rama en deri$ación.

-n la figura 2.14 se muestran estas cone*iones.


11/19

igura 2.14 Circuito equi$alente de los dos motores compuestos. a0 con cone*ión de deri$ación larga) %0 con cone*ión de deri$ación corta.+. N. C!apman, Má'uinas eléctricas, pág. I@H0.

2.@


12/19

onde(

nsc D $elocidad sin carga del motor

n pc D $elocidad a plena carga del motor

[email protected]


13/19

igura 2.1I Característica de $elocidad $ersus corriente de la armadurade un motor s!unt.?. +. Gur=, Má'uinas eléctricas y transformadores, pág.4@>0.

[email protected]


14/19

2.: -fecto de la reacción de armadura so%re el flu'o del campo.

#a reacción de armadura no es otra cosa que el efecto de la fmm de la armadura so%re la

distri%ución del campo. -sto ocurre de%ido a que la corriente que fluye en el de$anado dearmadura crean una fuerza magnetomotriz que distorsiona y de%ilita el flu'o el flu'o

pro$eniente de los polos. -ste fenómeno ocurre tanto en motores como en generadores.

7ara comprender me'or lo anterior o%ser$emos la figura 2.1: la cual muestra como cuando

un motor funciona en $acío la peque"a corriente que fluye en el inducido no afecta de

manera significati$a el flu'o S1 pro$eniente de los polos. +in em%argo cuando la armadura

transporta su corriente nominal produce una fmm, la cual si actuara sola, produciría un flu'o

S2 tal como se o%ser$a en la figura 2.1L @3H.

igura 2.1: istri%ución de flu'o en un motor que funciona sin carga.6. Oildi, Báquinas eléctricas y sistemas de

potencia, pág.1140.

igura 2.1L lu'o creado por la corriente en laarmadura a plena carga.6. Oildi, Báquinas eléctricas y sistemas de potencia,

pág.1140.

+i superponemos los flu'os S1 y S2 encontramos el flu'o resultante S4 $er figura 2.1H0

-n donde como puede o%ser$arse la densidad de flu'o aumenta de%a'o de la mitad izquierdadel polo y disminuye en la de%a'o de la mitad derec!a.

igura 2.1H istri%ución de flu'o resultante enun motor que funciona a plena carga.6. Oildi, Báquinas eléctricas y sistemas de potencia,

pág.1140.

igura 2.2 esplazamiento del plano neutrocomo consecuencia de la reacción de armadura.T. Bileaf, -lectricidad siete, pág.>10.


15/19

4;nstituto 6ecnológico de la Costa Grande


-sta distri%ución del flu'o resultante pro$oca dos grandes efectos en la máquina(

1. -l plano neutro se desplaza !acia la izquierda como se muestra en la figura 2.2contrario a la dirección de giro de la máquina0, pro$ocando c!isporroteo en las

esco%illas, lo cual indica una deficiente conmutación.

2. &l ser mayor la densidad de flu'o en el punto &, pro$oca saturación. -n máquinas

de gran capacidad esto puede pro$ocar un funcionamiento inesta%le.

-n resumen, al poner a funcionar un motor de cd no importa el tipo de e*citación que

tenga, el efecto dela reacción de armadura es reducir el flu'o del entre!ierro y, dependiendo

del grado de saturación aumentar la $elocidad en la máquina.

2.L &nálisis para la compensación de la reacción de armadura.

-n la sección anterior se analizó el efecto de la reacción de armadura, como pudoe$idenciarse de ninguna manera este efecto es =til para el %uen 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 máquina0 e*isten

$arios métodos que se analizan enseguida :, L, H, 11 y 1>.

2.L.1 esplazamiento de las esco%illas.

-ste método consiste en desplazar las esco%illas mo$iéndolas de su posición neutra

sin carga e'e neutro geométrico0. 7ara que cuando el motor entre en operación y aldesplazarse el plano neutro se compense por el adelante que pre$iamente se le !izo

a las esco%illas.-sta medida es la menos cara, sin em%argo solo resulta con$eniente cuando la

máquina se opera con una carga constante.

2.L.2 7olos o interpolos de conmutación.

-ste método consiste en la utilización de polos estrec!os denominados interpolos o polos de conmutación, estos se colocan en la región interpolar centrados a lo largo

del e'e neutro de la máquina.

#os de$anados interpolares se conectan en serie con el de$anado de la armadura

para ofrecer mayor efecti$idad en condiciones de carga $aria%le.

-n la figura 2.21 se muestra la distri%ución del flu'o en el de$anado de inducido con polos de conmutación.


16/19

igura 2.21 e$anado de los interpolos en una máquina de cd.?. +. Gur=, Má'uinas eléctricas y transformadores, pág.41>0.

2.L.4 e$anados de compensación.

-n este método se colocan unos de$anados de compensación en serie con la %o%ina de laarmadura. -stán u%icados en las ranuras poco profundas cortadas en las caras de los polos

del campo principal tal como se muestra en la figura 2.22. &l igual que los interpolos, estos

de$anados producen un flu'o igual y opuesto al que esta%lece la fmm de la armadura.

Con este tipo de de$anados la distri%ución de campo permanece sin distorsión al pasar lamáquina del funcionamiento en $acío a plena carga, conser$ando de esta manera la forma

general que se mostró en la figura 2.1:.

-l uso de de$anados de compensación se recomienda cuando se tienen motores de gran

capacidad sometidos a ciclos de tra%a'o se$ero.

igura 2.22 e$anado compensador en una máquina de cd.?. +. Gur=, Má'uinas eléctricas y transformadores, pág.41>0.


17/19

2.H -studio del efecto de la reacción de inducido so%re la regulación de

$elocidad.

#a reacción de armadura como se descri%ió en el punto 2.:, es el efecto de la fuerzamagnetomotriz por los conductores en el de$anado del inducido al reducir y distorsionar el

flu'o mutuo en el entre!ierro resultado de la interacción con los de$anados de campo con

e*citación serie y5o s!unt.

&l aumentar la carga en cualquier tipo de motor 4 de corriente directa, el efecto de la

reacción de inducido será de%ilitar las líneas de flu'o en un e*tremo de los polos y saturarlo

en el otro e*tremo, dependiendo de esta saturación se tendrá como consecuencia una

inesta%ilidad en la máquina aumentando su $elocidad.

Un análisis de las cur$as $elocidad3carga $er figuras 2.@, 2.11, 2.1>, 2.1I y 2.1@0 para cada

tipo de motor demuestra que la regulación de $elocidad de cada uno de los diferentes tipos

comerciales de motores de corriente directa, me'orarían ligeramente de%ido a este efectosino llegase a ser tan pronunciado que pudiera pro$ocar una regulación negati$a de$elocidad.

# No importa si tiene e$citaci%n serie& s"unt o compuesto.


18/19

uentes de consulta

1 +iemens, Components in C motors5-lectrical 6raining Courses( 7o8er

distri%ution, motor 9 Controls. ;nternet0. 311.

4 T. Bileaf, Botores prácticos de ccV, en !lectricidad ) , Bé*ico( #imusa, 2, pp

12322.

> N. W -d., Bé*ico( Bc. Gra8 Till, 2I, Cap. L, pp. >:43I2:.

@ ;. #. Aoso8, , pp. 1H31>2.

: +. N. C!apman, Botores y generadores de corriente directaV, en

Má'uinas eléctricas, >W -d., Bé*ico( Bc. Gra8 Till, 2I, Cap. H, pp. I443@2.

L ?.+. Gur=, Botores de corriente continuaV, en Má'uinas eléctricas y

transformadores, Bé*ico( R*ford Uni$ersity 7ress, 24, Cap. @, pp. 4I134H2.

H 6. Oildi, Botores de corriente directaV, en Má'uinas eléctricas y sistemas de potencia. @W -d., Bé*ico( 7earson, 2:, Cap. I, pp. H@311L.

1 T. Bileaf, 6a%la comparati$a de motores de ccV, en !lectricidad ) , Bé*ico(#imusa, 2, pp @L.

11 N. N. Cat!ey, Báquinas de cdV, en Má'uinas eléctricas*Análisis y dise+o aplicando

Matl , Bé*ico( Bc. Gra8 Till, 22, Cap. I, pp. 22H341.

12 B. C. C!erta, #a máquina de corriente continua como motorV, en Curso moderno

de máquina eléctricas rotati$as, 6omo ;; Báquinas de corriente continua, -spa"a(


19/19

+itios 8e% de apoyo

1 -lectrical engineering training series, Direct current . ;nternet0.

Documents

Motores de Corriente Directa Fuerza Contraelectromotriz.unlocked