MOTOR DC (1)
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Motor DC •
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Un motor DC transforma energía eléctrica de entrada en energía mecánica de salida. Esencialmente es un generador DC trabajando en régimen inverso. Los motores DC actualmente son muy usados en la industria debido a que se puede variar su velocidad en un amplio rango. Los motores DC son excelentes en las aplicaciones de regulación de velocidad. Los motores DC se han hecho populares debido a la amplia aplicación en carros, camiones, vehículos mineros de gran capacidad y aviones. Actualmente se construyen motores DC de hasta 6000 kW
Principio de operación de un Motor DC
Motores DC
Motor de CC para aplicaciones de robótica Pequeños motores de CC e imanes permanentes
Motor de CC de 6000 kW fabricado por ABB
Parámetros característicos
Antes de todo vamos a considerar los parámetros característicos comunes a todos los motores DC. • • • • • •
Velocidad. N (RPM), ω (Rad/seg) Torque al eje. T o (N-m) Par máximo en el arranque. Tmax (N-m) Corriente en el inducido. Ia ( Amperios) Rendimiento.η Potencia al eje. Pm (Watts, kW.)
Balance de Potencias en el motor DC
Velocidad
La fórmula fundamental es:
Donde: • • • •
es el flujo magnético, K una constante de proporcionalidad y Ec es la fuerza contraelectromotriz (fcem)que se induce en todo motor DC. La velocidad de un motor DC dependerá tanto de la tensión aplicada Ut como del flujo inducido ϕ
Velocidad
De la ecuación de la velocidad notamos que la velocidad puede variarse de dos formas: • •
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Controlando la tensión en terminales Ut . Controlando el campo magnético con la ayuda de la corriente de campo ϕ =f(Iexc) De ahí el peligro de desconectar el devanado de la excitación el ϕ = 0 y el motor se embala n =∞ Conectando en serie con la resistencia de armadura Ra una resistencia variable se puede variar la velocidad.
Par interno o Ecuación del Torque
De la fórmula:
se observa que el par Ti es función de la corriente de inducido o armadura Ia y del flujo de excitación
Par máximo en el arranque El par máximo en el arranque varia para cada tipo de motor, pero cumpliendo siempre la expresión anterior. Puede ser además de 1,5 a 2 veces superior al nominal, dependiendo de la velocidad de sobrecarga momentánea del motor.
Corriente del inducido
El valor de la corriente del inducido Ia, de un motor DC viene dado siempre por la expresión:
Donde: • • •
Ut es la tensión en los bornes del inducido, Ec la fuerza contraelectromotriz (fcem) Ra la resistencia del inducido.
Corriente de arranque
En el arranque la fuerza contraelectromotriz en el momento del arranque es cero. Ello provoca una elevada corriente en el momento del arranque que puede quemar al inducido; razón por la cual se inserta resistencias en el arranque a fin de limitar dicha corriente.
Ec = 0,
N=0
Con resistencia de arranque RARR
Sentido de giro
El sentido de giro de un motor DC puede invertirse cambiando el sentido de la corriente por la armadura o el de la corriente por el campo. Resulta más seguro el primer método.
Regulación de velocidad •
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Tal como los generadores se compararan por sus regulaciones de tensión, los motores de cc se comparan por sus regulaciones de velocidad. La regulación de velocidad de un motor (SR) se define por.
Sistemas de excitación de Motores DC Las distintas formas de conectar los arrollamientos de excitación de los motores DC constituyen la base para poder modificar ampliamente las formas de funcionamiento de estos motores. Según sea la conexión elegida, los motores reciben nombres especiales.
Sistemas de excitación A continuación se exponen los sistemas de excitación más utilizados en la práctica: Excitación por Imanes Permanentes.
Excitación Independiente. Autoexcitación:
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Excitación Serie. Excitación Shunt o Paralelo. Excitación Compuesta.
Excitación por imanes permanentes Ventajas: No necesitan corriente excitación, reduciéndose así el gasto energético de la misma al no producirse, en el circuito de excitación, pérdidas por efecto Joule.
Se consigue un abaratamiento en suque construcción, al primer suprimirse los conductores constituyen el devanado de excitación o campo. Poseen una excitación estable, el campo es constante El motor de imanes permanentes no tiene escobillas. Debe considerarse como un motor de excitación independiente.
Excitación por imanes permanentes
Inconvenientes: que hacen limitado su uso exclusivamente en máquinas de muy baja potencia, los cuales pasamos a enumerar: •
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Poseen un campo magnético fijo sin posibilidad de regulación.(No se puede disminuir ni aumentar el campo) El campo magnético es relativamente débil, presentando la máquina unas elevadas dimensiones con relación a la potencia desarrollada. Como el flujo es constante su velocidad no puede ser controlada por un reóstato de campo, solo podemos variar la velocidad por variación de la tensión de armadura y resistencia de armadura.
Aplicaciones
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Se usa mucho en la construcción de juguetes, carros, aviones, bomberos, etc.
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En ventiladores de las PCs (fan)
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El motor que acciona el limpiaparabrisas del carro.
Motor DC con Excitación Independiente
Motor DC con Excitación Independiente
El circuito de excitación es completamente independiente del circuito de inducido, y la
red de alimentación del inducido puede ser distinta de la red de alimentación de la excitación. Las características son similares al motor con excitación en derivación o Shunt.
Motor DC con Excitación Independiente
Este tipo de excitación presenta una gran ventaja sobre el resto de sistemas de excitación, dado que al poder ser la corriente inductora totalmente independiente de la tensión de red que alimenta al motor, permite una amplia gama de regulaciones del motor. Sin embargo, la necesidad de una fuente exterior limita las aplicaciones de la excitación independiente.
Características Tiene la mejor regulación de velocidad de los motores DC. Para reducir la velocidad se reduce la tensión
en la armadura y para elevar la velocidad se reduce la corriente de campo. No se embalan en vacío. Se emplea cuando se requiere variar la velocidad en amplios rangos, por ejemplo en accionamientos de rectificadoras, fresadoras y otras máquinas herramientas de precisión
Motor DC Shunt
Motor DC Shunt
El devanado de campo de muchas espiras de sección delgada (elevada resistencia eléctrica) se conecta en paralelo a la armadura.
La variación de a velocidad cuando varia la carga. La ecuación que rige esta variación es:
Características
Su regulación de velocidad es bastante buena, aunque mayor que el excitación independiente.
Su de arranque es bueno. Su par corriente de arranque es alta. El torque desarrollado es directamente proporcional a la corriente de la armadura. Si en operación normal, se abre el campo se embala.
Aplicación El motor shunt o paralelo se emplea en todos aquellos casos en que sea preciso una velocidad de giro uniforme, por ejemplo, para accionar máquinas herramientas. Tornos y fresadoras El motor DC que acciona a un taladro eléctrico
Curvas características del par y potencia en función de la velocidad
Motor DC Excitación serie
Motor DC Excitación serie
El devanado de excitación está conectado en serie con la armadura, que es de sección gruesa y de pocas espiras (baja resistencia).
Características
El par desarrollado es proporcional al cuadrado de la corriente por la armadura, de allí que su par de arranque es muy alto,
resultando una de sus principales ventajas. Cuando la carga es muy pequeña o nula, la corriente por la armadura y el campo es también reducida, provocando embalamiento de la máquina.
Características Por el contrario, cuando la carga se eleva, también lo hace la corriente de campo, reduciéndose notoriamente la velocidad. En otras palabras, su regulación de velocidad es alta y dependiente de la carga. Se acoplan directamente a la carga, no emplean fajas, para evitar el riesgo de embalamiento. Se emplean en vehículos de tracción eléctrica, ascensores, etc.
Aplicación •
El arrancador de un automóvil es un motor DC serie
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El arrancador de equipos pesados Cargador Frontal, Motoniveladora y Tractor son motores DC Serie.
. Motores de tracción de los trenes, mueven las llantas, son motores DC Serie
Característica de velocidad de un motor DC Serie con la corriente de armadura
Motor de excitación compuesta conexión corta
Motor compuesto
Posee los devanados de campo serie y shunt, conectados a la armadura.
Posee las características de ambos motores
Características Elevado par de arranque, aunque menor que la de un serie. Su regulación de velocidad es mayor que la del shunt pero menor que la del serie. No corre el riesgo de embalarse en vacío. Si el devanado serie es contrario al campo shunt corre el riesgo de invertirse el sentido de giro en el arranque, así mismo con el aumento de carga la velocidad se vuelve excesiva
Características Su torque se mejora con el aumento de la corriente por la armadura. El vacío o con poca carga se comporta
como unpredomina shunt, mientras paradel cargas grandes el efecto serie. Se aplica en equipos de elevación y donde se requiere no tener el problema de embalamiento que tiene el serie
Aplicaciones •
Los motores DC compuesto se usan : laminadoras, dobladoras, plegadoras.
Comparación
Par - corriente del inducido
Velocidad - corriente del inducido
Velocidad - potencia al eje