Máquinas eléctricas

Electricidad. Motores: compuestos, corriente contínua y paso a paso

  • Enviado por: Juan Pablo Estay Lara
  • Idioma: castellano
  • País: Chile Chile
  • 39 páginas

publicidad
cursos destacados
Ejercicios resueltos de Química General
Ejercicios resueltos de Química General
Serie de ejercicios resueltos de Química General 

Este curso va ligado al curso actual de...
Ver más información

Aritmética
Aritmética
En este curso de Aritmética se estudian temas necesarios y básicos de esta área. Se muestran las...
Ver más información


INDICE

Introducción.........................................................................................1

Motores de c.c.....................................................................................3

Principio de funcionamiento.................................................................3

El motor shunt......................................................................................5.

Principio de funcionamiento.................................................................5

Caracteristicas tipicas de un motor shunt............................................7

Conexión del motor shunt....................................................................8

Caracteristicas de velocidad................................................................9

Motor serie..........................................................................................12

Principio de funcionamiento................................................................12

Conexión motor serie..........................................................................12

Caracteristicas tipicas de un motor serie............................................14

Motor excitado en serie.......................................................................17

Efecto de la conmutacion....................................................................17

Motor compuesto................................................................................19

Motor compuesto aditivo.....................................................................22

Motor compuesto diferencial...............................................................24

Motor paso a paso..............................................................................28

Principio de funcionamiento................................................................28

Tipo de motores paso a paso..............................................................30

Motores de iman permanente.............................................................32

Motor de reluctancia variable..............................................................33

Conclusion..........................................................................................35

Bibliografía..........................................................................................36

INTRODUCCIÒN

En general, los motores de corriente continua son similares en su construcción a los generadores. De hecho podrían describirse como generadores que funcionan al revés. Cuando la corriente pasa a través de la armadura de un motor de corriente continua, se genera un par de fuerzas por la reacción magnética, y la armadura gira. La acción del conmutador y de las conexiones de las bobinas del campo de los motores son exactamente las mismas que usan los generadores. La revolución de la armadura induce un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto en la dirección al voltaje exterior que se aplica a la armadura, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o fuerza contraelectromotriz. Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido aumenta hasta que es casi igual al aplicado. La corriente entonces es pequeña, y la velocidad del motor permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo carga y tenga que realizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para mover la armadura. Bajo carga, la armadura gira más lentamente, reduciendo el voltaje inducido y permitiendo que fluya una corriente mayor en la armadura. El motor puede así recibir más potencia eléctrica de la fuente, suministrándola y haciendo más trabajo mecánico.

Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en la armadura, deben usarse aparatos especiales para arrancar los motores de corriente continua. Cuando la armadura está parada, ésta no tiene realmente resistencia, y si se aplica el voltaje de funcionamiento normal, se producirá una gran corriente, que podría dañar el conmutador y las bobinas de la armadura. El medio normal de prevenir estos daños es el uso de una resistencia de encendido conectada en serie a la armadura, para disminuir la corriente antes de que el motor consiga desarrollar el voltaje inducido adecuado. Cuando el motor acelera, la resistencia se reduce gradualmente, tanto de forma manual como automática.

La velocidad a la que funciona un motor depende de la intensidad del campo magnético que actúa sobre la armadura, así como de la corriente de ésta. Cuanto más fuerte es el campo, más bajo es el grado de rotación necesario para generar un voltaje inducido lo bastante grande como para contrarrestar el voltaje aplicado. Por esta razón, la velocidad de los motores de corriente continua puede controlarse mediante la variación de la corriente del campo.

MOTORES COMPUESTOS

Cuando en los polos de la misma maquina de c.c se instala un derivado de excitación deriva con y otro en serie, la excitación en serie puede ser compoundada aditiva o diferencialmente. Sin embargo, independientemente del compoundaje, la corriente en el circuito de excitación en derivación y el flujo de exitacion, durante el arranque o la marcha es esencialmente constante. La corriente en la excitación serie es función de la corriente de carga absorbida por el inducido.

La ecuación del par para el funcionamiento del motor compuesto aditivo es T=K(Qf-Qs)I, en la que el flujo de excitación serie Qs, es función de la corriente del inducido I. Arrancando con un flujo igual al flujo de excitación derivación en vacío y con uno que aumenta con la corriente de inducido, el motor compuesto aditivo produce una curva par que siempre es mayor que la del motor derivación para la misma corriente del inducido.

Comparación de las características par-carga para una maq. De c.c

Sin embargo, para el motor compound, la ecuación anterior del par puede escribirse T=K(Qf-Qs)I, en la que Qf es aun función de I y Qf es probablemente constante. Arrancando con un flujo igual al flujo de excitación en derivación en vacío, cualquier valor de la corriente de inducido producirá una fmm de excitación en serie que reduce el flujo total en él entre hierro y en consecuencia el par. Por lo tanto, el motor compuesto diferencial produce una curva de par que es siempre menor que el motor de derivación.

Características de velocidad de los motores de corriente continua. La ecuación fundamental de velocidad, en la que S= (Va-Ia *Ra ) / K, proporciona un medio de predecir como varía la velocidad de cada uno de los motores indicado con la aplicación de carga. Se estudiara sucesivamente la característica Velocidad-Carga de cada motor. Para simplificar la discusión, se supone que la caída de tensión en las escobillas BD es 0.

Motores de derivación. Supongamos que el motor derivación a sido llevado hasta la velocidad nominal y funciona en vacío. Puesto que el flujo de excitación del motor (sin tener en cuenta la reacción de inducido) puede considerarse constante, la velocidad del motor puede expresarse según la expresión básica de la velocidad

S=(E/k*Qf)=K*(V-I*R/Qf)

Cuando el eje del inducido se aplica carga mecánica la fuerza contraelectronotriz disminuye y la velocidad lo hace proporcionalmente. Pero ya que la fuerza contraelectromotriz desde vacío hasta plena carga presenta una variación de aproximadamente el 20 % (o sea, desde 0.75 Va a plena carga hasta aproximadamente 0.95 Va en vacío), la velocidad del motor se mantiene esencialmente constante como se indica en la figura.

Comparación de las características para una maq. De c.c.

Motor serie. La ecuación básica de la velocidad, modificada para el circuito de motor serie, es evidentemente

S= (( V-I( Ra-Rs ))/K

En la que V es la tensión aplicada a los bornes del motor y puesto que el flujo en él entre hierro producido por la excitación serie es proporcional ala corriente del inducido solamente, la velocidad puede escribirse en la forma

S=K` V-I (Ra+Rs)/ I

La ecuación nos proporciona una indicación de las características velocidad- carga de un motor serie. Si se aplica, una carga mecánica relativamente pequeña al eje del inducido del motor serie, la corriente de inducido es pequeña, lo que él hace que el numerador de la fracción en la ecuación sea grande y su denominador pequeño, determinando una velocidad anormalmente elevada. Por consiguiente, en vacío, con un flujo de excitación y una corriente de inducido pequeñas, la velocidad es realmente excesiva. Por esta razón, los motores serie siempre se accionan acoplados o engranados con una carga, como en ascensores, grúas o servicios de tracción de corriente continua. Sin embargo, al aumentar la carga, el numerador de fracción en (4-10) disminuye mas rápidamente que lo que aumenta el denominador y la velocidad diminuye rápidamente como se le indica en la figura anterior. La línea discontinua representa la parte de carga ligera de la característica en la que no se hacen funcionar los motores serie.

La velocidad excesiva en los motores serie no determina una corriente de inducido elevada (como en los motores de inducción compuesto) que provocaría la fusión de un fusible o en disparo de un interruptor automático y separando el inducido de red. Debe utilizarse algún otro método de protección contra el empalamiento. En general los motores serie están equipados con interruptores centrífugos normalmente cerrados en la zona de funcionamiento y que se abren a velocidades de aproximadamente 150% de la velocidad nominal.

Motor compuesto aditivo. La ecuación básica de la velocidad para este motor puede escribirse en la forma.

S=K*((V-I(Ra-RS))/Qf-Qt

Y simplificarse mas en la forma

S=K((E/Qf-Qt)

Al comparar el motor compuesto aditivo con S= KE / flujo para el motor derivación. Es evidente que, al aumentar la carga y la corriente de inducido, el flujo producido por la excitación serie también aumenta en tanto que la fuerza contraelectromotriz disminuye. Por consiguiente, el denominador aumenta mientras que el numerador disminuye proporcionalmente mas que para un motor compuesto aditivo disminuirá mas rápidamente que el motor shunt con la aplicación de carga, como se indica en la figura anterior

Motor compuesto diferencial. Para el motor compuesto aditivo puede modificarse ligeramente para indicar el efecto de la fmm de excitación opuesta, con lo que la velocidad se expresa

S= KE/ Kf-Ks

Al aumentar la carga e I, el numerador de la fracción disminuye ligeramente pero el denominador disminuye mas rápidamente. La velocidad puede disminuir ligeramente con pequeñas cargas, pero al aumentar la carga la velocidad aumenta. Esta condición es causa de una inestabilidad dimamica. Al aumentar la velocidad, la mayoría de cargas mecánicas aumentan automáticamente determinando un aumento de corriente, una disminución de flujo total y una velocidad mayor, originando aun más carga. Debido a esta inestabilidad inherente, los motores diferenciales se usan en raras ocasiones. En un laboratorio de maquinaria en que se ensayan estos motores, el estudiante puede ocasionalmente observar una condicion en la que un motor diferencial empieza a embalarse y súbitamente disminuye su velocidad e invierte su sentido. Al disminuir la fuerza electromotriz debido a la disminución del flujo mutuo, la corriente del inducido y el par aumentan de forma tal que el flujo de excitación serie supera al flujo de excitación derivación, con lo que el motor invierte su sentido. Es por esta razón que, cuando se arranca un motor diferencial, para finalidades de ensayo en el laboratorio, debe tenerse cuidado de eliminar la excitación serie de modo que la elevada corriente de arranque y de inducido no ocasione el arranque del motor en sentido opuesto.

Comparación de las características de par y velocidad-carga a la carga nominal

Las curvas se desarrollan para la maquina de corriente continua funcionando a partir del mismo punto en vacío.pero ya que toda la maquinaria eléctrica se especifica en función de sus valores nominales, la comparación entre las características par-carga y velocidad-carga debe realizarse a la carga nominal. Si se comparasen motores de corriente continua de la misma tensión, potencia y velocidad nominales obtendrían las curvas.

Nótese que el motor derivación desarrolla una potencia ligeramente superior que motor compuesto debido a que gira a una velocidad superior a la nominal. Nótese también que el par del motor compuesto es mayor del par del motor shunt debido a la adicción del flujo de excitación serie. Es precisamente a causa de este flujo adicional que la velocidad del motor compuesto disminuye.

Obsérvese que el 50% de la reducción de la corriente de excitación serie, debido a la corriente que circula por la resistencia en derivación sin pasar por el debando de excitación, ha determinado una brusca elevación de velocidad de orden del 200% de los valores originales

Regulación de velocidad. La regulación de velocidad de un motor se define como “ la variación de velocidad desde la carga nominal a carga nula, expresada en tanto por ciento de la velocidad a la carga nominal. En forma de ecuación la regulación de velocidad se convierte en

Regulación de velocidad en %=(Sin-Sfl/Sfl)*100

A través del examen de las curvas, es evidente que los motores derivación pueden clasificarse como motores de velocidad bastante constante, cuya regulación de velocidad es buena. La regulación de velocidad del motor compuesto aditivo es más pobre que la del motor derivacion; su regulación de velocidad tiene el valor mas alto; la regulación de velocidad del motor serie es muy pobre. Tanto el motor aditivo como el motor serie se consideraba como, motores de velocidad variable.

El motor compuesto diferencial tiene una regulación de velocidad negativa, que siempre puede asociare a inestabilidad en la carga.

Par externo, potencia nominal y velocidad. Debe notarse que, al comparar los motores, la comparación se hizo en función de los valores de la potencia de salida (es decir, 1HP=33000 pie-lb/min) como medida de la capacidad del motor para efectuar trabajo mecánico. Los valores de la potencia nominal para un motor son más significativos que la potencia interna desarrollado por el inducido por las rezasen descritas en el aparato. Por consiguiente, al especificar y seleccionar motores, puede plantearse la cuestión de la cantidad de par externo disponible en la polea o el eje del motor para realizar trabajo útil a una determinada velocidad nominal. La ecuación que expresa la ecuación entre el par externo, la velocidad y la potencia se deduce como sigue:

Sea F la fuerza útil desarrollada por todos los conductores de inducido que producen electromagnético, r el radio del inducido en pies, n el numero de revoluciones del inducido y t el tiempo ( 1 min ) necesario para que el inducido gire n veces.

El trabajo realizado por revolución del inducido es, pues

W=F*2*pi*r pie lb/revolución

Y la potencia o ritmo de realización de trabajo de un inducido giratorio es, en pie lb/min

P=W/t=(2*F*pi*r pies lb/rev)*n/t rpm

Pero ya que el par T=Fr y la velocidad S=n/t por definición, entonces

P=W/t=2*pi*T*S pies lb/min

Hp=(2*pi*T*S pies lb/min)/(33000 pies lb/min/hp)

Hp=T*S/5252

La relación anterior permite él calculo del par electromagnético interno a una velocidad determinada. También permite él calculo del par disponible en la polea, dadas las velocidades y potencias nominales de un motor.

Inversión del sentido de giro. A fin de invertir el sentido de giro de cualquier motor de corriente continua, es necesario invertir el sentido de la corriente que circula a través del inducido con respecto al sentido del campo magnético. Tanto para el motor derivación como para el motor serie, esto se realiza simplemente invirtiendo o bien el circuito del inducido con respecto al circuito de excitación o viceversa. La inversión de ambos circuitos producirá el mismo sentido de giro.

Podría parecer que ya por el circuito de excitación circula menos corriente que por el inducido, el primero sería elegido para la inversión. Sin embargo, al proyectar arrancadores y el equipo de control automático, el circuito de inducido, se elige generalmente para la inversión debido a: (1) la excitación es un circuito altamente inductivo y las inversiones frecuentes producen fem. Inducida elevada y picado de los contactos del interruptor que se utiliza para conseguir la inversión del circuito de excitación (2) si la excitación derivación se invierte, la excitación serie también debe invertirse ya que de otra manera un generador compuesto aditivo quedaría conectado diferencialmente, (3) las conexiones del circuito de inducido están normalmente abiertas a fin de hacer posible el frenado dinámico o degenerativo y como estas conexiones existen pueden utilizarse para la inversión, y (4) si el interruptor de inversión falla y el circuito de excitación no se cierra, el motor puede embalarse.

En el caso del motor compuesto por consiguiente, con la inversión de solo las conectes de, inducido, se sigue una inversión de sentido de giro tanto para las conexiones en derivación larga como en derivación corta como se indica en la figura sgte. , Sin variación del sentido de la corriente en los devanados de excitación.

Por las razones anteriores, por consiguiente, la inversión del sentido de giro impone la inversión de las conexiones del inducido unicamente, como se indica en la figura.

Inversión del sentido del sentido de un motor compuesto con derivación larga o corta.

Motores de Corriente Continua

Los motores trabajan sobre el principio de que un conductor por el que circula una corriente y que se encuentra en un campo magnético tienda a moverse en ángulo recto con respecto al campo. La dinamo ordinaria funcionara de manera totalmente satisfactoria como motor y tendrá la misma capacidad nominal. Los conductores del motor giran en un campo magnético y por lo tanto, deben desarrollar una f.e.m justamente como lo hacen en la dinamo. La f.e.m inducida es:

E=K*Flujo*N

Donde K es una constante, el Flujo que entra en el inducido procedente de un polo norte, y N la velocidad en r.p.m. Esta f.e.m esta en oposición a la tensión aplicada en los terminales y tiende a oponerse a la corriente que entra en el inducido. Su valor es:

E=V-(I*R)

Donde V es el voltaje en los terminales, I la intensidad de la cte en el inducido, y R la resistencia del mismo. De la formula se ve que velocidad es:

N=K*E/Flujo

Donde K=1/K. Esta es la ecuación fundamental de la velocidad de un motor. Eliminando E entre la formula.

N=(V-(I*R)/Flujo

Que es la ecuación general de la velocidad de un motor.

El momento del par de la rotación interno o electromagnético desarrollado por un inducido es proporcional al flujo y a la intensidad de la cte del inducido.

Cuando K es una constante. El momento del par de rotación en la polea es ligeramente menor que el del par interno por el momento necesario para vencer las perdidas por rotación, tales como rozamiento, corriente de aire, perdidas por corrientes parásitas e hitéresis, que tienen lugar en el fierro del inducido y en las caras de los polos.

La potencia mecánica total desarrollada interiormente es:

P=EI vatios=EI / 735 caballos métricos=EI / 746 caballos ingl.

El momento par interno de torsión, en m-Kg, se transforma en consecuencia, en:

T=EI 4500/2*3.1416*735N=0.975EI / N

Sea VI el consumo del motor. La producción del motor es Vin, donde n es el rendimiento. La potencia en caballos es.

Pn=Vin / 735

Y el momento de par o motor de rotación es:

T=4500 Ph / 2*3.1416*N=716.6 Ph / N m-Kg

Donde N es la velocidad en r.p.m.

El MOTOR SHUNT

En el motor shunt el flujo es substancialmente constante e IR es el 2 al 6 por ciento de V. Por tanto según la formula la velocidad varia solo ligeramente con la carga, de manera que el motor se adapta a los trabajos que requieran velocidad constante. La regulación de velocidad de los motores de velocidad constante es definida por las American Definition of Electrcal Terms C como sigue:

La regulación de un motor de corriente continua y velocidad constante, es cambio de velocidad cuando la carga se reduce gradualmente desde su valor nominal a cero, con voltaje aplicado y disposición del reóstato de campo constantes, expresado en porcentaje de la velocidad a la carga nominal.

La regulación de velocidad, en porcentaje bajo cada condición es a 100(ac-bc) / bc. El motor es capaz de desarrollar el par de plena carga y aun

La regulación de velocidad, en porcentaje bajo cada condición es a 100(ac-bc) / bc. El motor es capaz de desarrollar el par de plena carga y aun mayor en el arranque, pero el arrancador ordinario no esta calculado para soportar la corriente necesaria para arrancar con carga, el arrancador debe ser provisto de resistencias adaptadas para soportar la cte. necesaria sin recalentarse; para el mismo objeto de arrancar con carga se adapta también un regulador.

El motor shunt se conecta de la misma manera que el generador shunt. Es decir que su circuito inductor se une directamente a la línea de alimentación y en derivación con el inducido.

Si aumenta el par resistente en cualquier aparato rotatorio transformador de potencia, las reacciones resultantes deben ser tales que provoquen un aumento del par desarrollado. De otra manera, el aparato no marcharía.

Si se aplica una carga en el motor, éste tiende inmediatamente a moderar su marcha. En el motor shunt, el flujo inductor permanece prácticamente constante y la reducción de velocidad disminuye la f.c.e.m.

Si la f.c.e.m. decrece, afluye mas corriente al inducido hasta que su aumento produce un par suficiente para equilibrar la demanda correspondiente al aumento de carga. Por lo tanto, el motor shunt esta siempre en condiciones de equilibrio estable, puesto que ante las variaciones de la carga reacciona siempre adoptando la potencia absorbida a dichas variaciones.

La adaptación a una utilización definida la determinan casi exclusivamente dos factores: la variación del par con la carga y la variación del de la velocidad, con la carga.

En el motor shunt, el flujo inductor es prácticamente constante. Por lo tanto el par electromagnético variará casi en proporción directa con la intensidad de la corriente del inducido. Por ejemplo:

Par en Kgm

20

16

14

10

6

4

2

0

0 10 20 30 40 50 60 70

Amperios

Características par-corriente de un motor con excitación en serie y otro en derivación.

Cuando la corriente en el inducido es de 30 amperios, el motor desarrolla 5.53 mKg; y cuando la corriente es de 60 amperios, 11.1mKg. Es decir que el par se duplica cuando lo hace la cte.

La velocidad de un motor varía de acuerdo a una formula de la que se deduce que:

S=K*(V-I*R / Q)

En los motores shunt, K, V, R y Q son sensiblemente constantes. Por lo tanto, la única variable es I. Cuando la carga del motor aumenta, I crece y el numerador de la fracción decrece. En general el denominador varia muy poco. La velocidad del motor disminuirá al aumentar la carga. Como I R es ordinariamente del 2 al 6% de V, el porcentaje de reducción de velocidad del motor es del mismo orden de magnitud. Por este motivo se considera que el motor shunt es de velocidad constante, aun cuando la velocidad disminuya ligeramente con el aumento de la carga.

Debido a la reacción del inducido, el flujo decrece ordinariamente un poco cuando crece la carga y esto tiende a mantener la velocidad constante.

Características tipicas de un motor shunt.

Excepcionalmente, la reacción del inducido debería ser suficientemente grande para que la característica de velocidad fuera ascendente al aumentar la carga.

En los motores de corriente continua y especialmente los de velocidad prácticamente constante, como los shunt, la variación de velocidad producida cuando funciona en carga y en vacío da una base de criterio para definir sus características de funcionamiento

Los polos de conmutación han mejorado la conmutación de los dinamos de tal manera que es posible usar un entrehierro mucho más estrecho que antiguamente

CONEXIONES DE LOS MOTORES SHUNT Y SUS ARRANCADORES

Como con él entre hierro más estrecho se requieren mas amperios vuelta inductores, el inducido se magnetiza intensamente respecto al inductor. Por tanto, una sobrecarga súbita podría debilitar el campo por la reacción del inducido, causando, en consecuencia, un incremento de velocidad, y si el efecto se vuelve acumulativo se embalará el motor. Para impedirlo los motores shunt modernos van provistos ordinariamente de un bobinado estabilizador, que consiste en unas cuantas vueltas devanadas sobre el inductor en serie con el inducido y que ayudan al inductor en derivación. El incremento de los amperios vuelta compensará cualquier debilitamiento del inductor por reacción del inducido. El motor shunt arboles de transmisiones de velocidad constante, para maquinas herramientas, etc. Como su velocidad puede variarse eficientemente es muy útil cuando sé necesitan velocidades regulables, como en el accionamiento individual de maquinas herramientas.

Arrancadores para motores shunt. Cuando el motor esta parado, su fuerza contra electromotriz es nula y la resistencia del inducido es muy baja. Por tanto, excepto los motores de tamaño muy pequeño, se necesita para el arranque conectar una resistencia en serie con el circuito del inducido. Por el contrario, tiene que conectarse en derivación a la línea para que pueda obtener excitación plena.

Característica de velocidad y el momento del par de los motores de corriente continua.

En la fig. anterior representa una caja de arranque de tres puntos usados en los motores shunt. La resistencia del inducido solo permanece en el circuito durante el arranque. En la caja de tres puntos se mantiene la palanca de arranque en la posición de marcha venciendo la fuerza de un resorte, con un electroimán conectado en serie al circuito inductor, de manera que, si se interrumpe este circuito o baja demasiado la tensión de línea se libera la palanca y el circuito del inducido se abre automáticamente.

En los motores grandes y en muchos pequeños, se usan frecuentemente arrancadores automáticos. Las ventajas de los arrancadores automáticos son que la corriente se mantiene entre ciertas intensidades máxima y mínima, de manera que el circuito no se abre por un arranque demasiado rápido, como puede ocurrir con los de accionamiento manual; la aceleración es suave y casi uniforme; los relés o relevadores de máxima intensidad no son difíciles de proyectar ; las resistencias y sus contactos pueden colocarce en un lugar conveniente ; solo se calculan para soportar las pequeñas intensidades de cte necesaria para accionar los relés o relevarles. En los arrancadores automáticos modernos, las resistencias en serie con el inducido se va poniendo sucesivamente en corto circuito por contactos auxiliares por relés. Ninguno de los relés puede accionar y quitar más resistencias hasta que la cte. haya bajado a una intensidad predeterminada. Como los operarios pueden arrancar y parar un motor por simple opresión de un motor, se obtiene una economía considerable parando al motor cuando no se necesita. Los arrancadores automáticos son esenciales en los motores de ascensores o elevadores para que se pueda obtener una aceleración rápida y suave en los arranques y paradas frecuentes . También es muy necesario el arranque automático en el accionamiento de unidades múltiples de coche o vagones de ferrocarriles eléctricos y en motores de laminadores, siempre sometidos a rápidas aceleraciones paradas e inversiones de movimiento. Conmutación. Las escobillas que van sobre el conmutador de un motor deben asentarse en una posición tal que la f.e.m. inducida en las bobinas de inducido en que esta realizando la conmutación, ya ha sido puesta, por tanto, en coto circuito por dichas escobillas, sea nula. En la practica, esta condición solo puede realizarse aproximadamente en el mejor de los casos; con frecuencia, las circunstancias son tales que dicha condición esta lejos de verificarse. Sin carga, las escobillas deben colocarse en coincidencia con el eje geométrico neutro de la maquina, porque bajo estas condiciones la f.e.m. inducida en las bobinas puestas en corto circuito por las escobillas es nula. A medida que se aplica carga, dos factores producen chisporroteo bajo las escobillas. La f.e.m. del inducido, o reacción del mismo, distorsiona el flujo cuando se invierte la corriente que pasa por las bobinas en que sé esta realizando la conmutación, una f.e.m. de autoinducción tiende a prolongar, la circulación de la corriente lo que produce el chisporroteo. En un motor las escobillas se desplazan hacia atrás de modo correspondiente, en sentido contrario a la rotación.

Teóricamente, las escobillas deberían desplazarse en cada cambio de carga; pero prácticamente todos los dinamos tienen ahora polos de conmutación (o interpolos) y, con ellos, las escobillas pueden permanecer en plano neutro correspondiente a sin carga y obtenerse una buena conmutación en todo el intervalo de carga. Los polos de conmutación son polos pequeños y son excitados por un devanado conectado en serie con el inducido. Su función es neutralizar la distorsión del flujo en el plano neutro producida por la reacción del inducido y suministrar además un flujo que induzca una f.e.m. en los conductores en que se verifica la conmutación. Los polos de conmutación han posibilitado la construcción de motores de corriente continua de voltaje mucho más alto, de mayores velocidades y de mayores capacidades nominales en Kw lo que no seria posible sin ellos. En un motor, siguiendo desde un polo principal el sentido de rotación del inducido, se deberá encontrar un polo de conmutación. La prueba se efectúa fácilmente.

Aunque las f.e.m. inducidas en las bobinas en las que se realiza la conmutación es relativamente pequeña, la resistencia de las propias bobinas es baja, manera que, de no introducir resistencia adicional, las corrientes de cortocircuito serán intensas. Por tanto, se usan casi siempre escobillas de carbón que tienen resistencia de contacto relativamente elevada.

MOTOR SERIE

En los motores con excitación en serie, el inductor esta conectado en serie con el inducido. El inductor tiene un número relativamente pequeño de espiras de hilo, que debe ser de sección suficiente para que se pase por él la corriente de régimen que requiere el inducido.

Conexión de un motor serie

En los motores serie, el flujo depende totalmente de la intensidad de la corriente del inducido. Si el hierro del motor se mantiene a saturación moderada, el flujo será casi directamente proporcional a dicha intensidad. Por lo tanto la expresión del par T=K*I*Flujo puede escribirse

T= K * I * (2)

Si se supone que el flujo es proporcional a I siendo K una constante.

El par es pues proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente en el inducido cuando la corriente es de 30 amperes, el par es de 2.75 mKg; y a 60 amperes, el par es de11 mKg. Es decir que, al duplicarse la intensidad de la corriente del inducido, el par se cuadruplica. Puede observarse que cuando la corriente es de intensidad superior a 60 amperes, el par aumenta muy rápidamente. Esta característica del motor serie hace su empleo muy conveniente cuando se requiere un gran aumento del par para un aumento moderado de la intensidad de la corriente. En la práctica, la saturación y la reacción del inducido tienden a oponerse a que el par aumente con la misma rapidez que el cuadro de la intensidad de la corriente.

Cuando se aplica la fórmula:

S = K * (((V-I*(Ra+Rs)) / Flujo

En esta expresión, K es una constante, V la tensión entre los terminales, I la intensidad de la corriente en el motor, Ra la resistencia del inducido, Rs la resistencia del inductor serie y el flujo es el que penetra en el inducido desde un polo N. La resistencia del inductor serie se suma, en este caso, a la resistencia del inducido para dar la resistencia del motor. Tanto la intensidad de la corriente como el flujo vario con la carga.

Al creer la carga, la caída de tensión en el inductor y en el inducido aumentan, siendo dicha caída proporcional a la intensidad de la cte. Por lo tanto, la f.c.e.m y el numerador de la formula ya indicada disminuyen, con lo que la velocidad tiende a decrecer, aunque, como en el motor shunt, el porcentaje de disminución debido a este factor es muy reducido. No obstante, el aumento de flujo en denominador, es casi directamente proporcional al de la intensidad de la cte. Resulta de ello que si aumenta la intensidad se reduce el numerador y aumenta el denominador de la formula indicada, y la velocidad del motor disminuirá cuando aumente la carga. La caída de tensión debida a la resistencia es del 3 al 8% de la tensión entre terminales V, de manera que su influencia en la disminución de la velocidad es del mismo orden. La velocidad es inversamente proporcional al flujo y una determinada variación de flujo da origen a una misma variación proporcional de la velocidad.

Cuando el par resistente aumenta, las reacciones que se producen son las siguientes: debe reducirse la velocidad por lo menos momentáneamente, puesto que el par resistente supera el valor del par electromagnético y, por el momento ni la cte ni el flujo han variado. Con ello se reduce la f.c.e.m. y aumenta su diferencia con la tensión entre terminales. Por consiguiente la intensidad de la cte crece y produce un aumento del flujo y del par electromagnético. Los valores de la velocidad y la intensidad de la cte se reajustaran por si mismos hasta que el par electromagnético sea igual a la suma del par resistente y del par de fuerzas pasivas o perdidas y se conseguirá el equilibrio. Como el par electromagnético crece aprox como el cuadrado de la intensidad, el aumento de esta y del par correspondiente es menor que en el motor shunt.

Cuando el par resistente decrece, el inducido se acelera, momentaneamenta por lo menos, aumentando la f.c.e.m., puesto que del primer instante la cte y el flujo no sufren variación. En consecuencia, la intensidad de la cte y el flujo inductor decrecerá y también lo hará el par electromagnético. La velocidad y la intensidad se irán corrigiendo por si misma hasta alcanzar el equilibrio.

Si se suprime totalmente la carga, el flujo se reduce extremadamente, con lo que la velocidad se hace muy grande. Es peligroso dejar sin carga los motores serie, porque es casi seguro que sus inducidos alcanzaran velocidades para las cuales la fuerza centrifuga puede llegar a hacerlos saltar en pedazos.

Características típicas de un motor serie.

La figura anterior representa las curvas características de un motor serie de 5 caballos en las que se ha tomado la potencia útil como la abscisa. La curva de par tiene la concavidad hacia arriba, por las razones mas arriba señaladas. La velocidad varia prácticamente en sentido inverso al de la intensidad de la corriente. A intensidades de corriente elevadas, la velocidad es pequeña y para intensidades pequeñas la velocidad es grande. Las características no pueden determinarce para intensidades pequeñas de la corriente, por que las velocidades hace peligrosamente grande.

El rendimiento crece rápidamente al principio, alcanza un máximo, y luego decrece, lo que se debe al hecho de que, para pequeñas cargas, las resistencias pasivas y las perdidas y las perdidas del hierro son grandes en comparación con la carga, y la influencia relativa de esta perdidas se reduce al aumentar la carga. Las perdidas en el inductor y el inducido varían con el cuadrado de la intensidad de la corriente ( I *R), de manera que crecen rápidamente con la carga. El rendimiento máximo corresponde al momento en que las perdidas por resistencia pasivas y en el hierro son prácticamente iguales a las perdidas en el cobre. Estas curvas características deben compararse detenidamente con las correspondientes al motor shunt.

Los motores series se utilizan para los casos en que se exige un gran par de arranque, como en los tranvías, locomotoras y grúas. Además del gran par de arranque, tienen otras características que los hace especialmente adecuados para la tracción. Supongamos que se emplea en un motor shunt para un tranvía. Cuando el coche asciende por una rampa, el motor shunt mantiene la velocidad del mismo a un valor aproximadamente igual al que tendría si el tranvía se moviera sobre un piano horizontal. El motor tiende, por lo tanto, a absorber una corriente excesiva. Un motor serie, en cambio, ya mas despacio en la rampa, debido a la mayor intensidad de la corriente de4mandada, y, por lo tanto, desarrolla un par mayor a velocidad menor. La reducción de la velocidad permite al motor desarrollar un gran par con un aumento moderado de potencia. Por consiguiente, la potencia de un motor shunt en las mismas condiciones.

Cuando se trazan las características de los motores de tracción, las curvas se refieren a la potencia en la llanta de las ruedas y no en el eje del motor. La figura siguiente representa una de estas características para u motor General Electrice a 500 volees y de 75 caballos, para servicios ferroviarios. Obsérvese que la característica se refiere al esfuerzo de tracción y no al par. La velocidad del tren reemplaza el r.p.m. del inducido. Estas curvas difieren de las del par referido a las revoluciones obtenidas en la polea en una constante de proporcionalidad, determinada por la relación de engranajes y por el diámetro de las ruedas. Hay una ligera pérdida de par en los engranajes. La curva de rendimiento se refiere a la llanta de la rueda en contacto con el carril. Estas curvas características se parecen mucho a las de la figura mencionada anteriormente.

Caracteristcas típicas de un motor serie ferroviario de 75 caballos..

Motor excitado en serie. En el motor en serie, el inducido y el inductor están conectados en serie. Por tanto, se desprecia la saturación, el flujo es proporcional a la intensidad de la corriente y al momento del par de rotación varia como el cuadrado de dicha intensidad. En consecuencia, cualquier incremento de la intensidad producirá un incremento mucho mayor que proporcional del momento del par. Esto hace que este motor se adapte particularmente bien a los trabajos de tracción, grúas, malacates, servicio de ascensores y otros tipos de labores que requieran grandes pares de arranque. Un estudio muestra que con un incremento de la intensidad de la corriente el numerador solo varia ligeramente, mientras que la variación del denominador es casi proporcional a la de la intensidad. Por tanto, la velocidad del motor en serie varía prácticamente en razón inversa de la intensidad de la corriente. Con sobrecargas, la velocidad cae a valores muy bajos. Cuando disminuye la carga, la velocidad tiende a infinito, teóricamente. Por eso el motor en serie debe estar conectado siempre a su carga por un mecanismo directo, como por ejemplo por engranajes, de manera que no pueda alcanzar velocidades inseguras.

Conmutación. Las escobillas que van sobre el conmutador de un motor deben asentarse en una posición tal que la f.e.m. inducida en las bobinas de inducido en que esta realizando la conmutación, ya han sido puestas, por tanto, en coto circuito por dichas escobillas, sea nula. En la practica, esta condición solo puede realizarse aproximadamente en el mejor de los casos; con frecuencia, las circunstancias son tales que dicha condición esta lejos de verificarse. Sin carga, las escobillas deben colocarse en coincidencia con el eje geométrico neutro de la maquina, porque bajo estas condiciones la f.e.m. inducida en las bobinas puestas en corto circuito por las escobillas es nula. A medida que se aplica carga, dos factores producen chisporroteo bajo las escobillas. La f.e.m. del inducido, o reacción del mismo, distorsiona el flujo cuando se invierte la corriente que pasa por las bobinas en que sé esta realizando la conmutación, una f.e.m. de autoinducción tiende a prolongar, la circulación de la corriente lo que produce el chisporroteo. En un motor las escobillas se desplazan hacia atrás de modo correspondiente, en sentido contrario a la rotación.

Teóricamente, las escobillas deberían desplazarse en cada cambio de carga; pero prácticamente todos los dinamos tienen ahora polos de conmutación (o interpolos) y, con ellos, las escobillas pueden permanecer en plano neutro correspondiente a sin carga y obtenerse una buena conmutación en todo el intervalo de carga. Los polos de conmutación son polos pequeños y son excitados por un devanado conectado en serie con el inducido. Su función es neutralizar la distorsión del flujo en el plano neutro producida por la reacción del inducido y suministrar además un flujo que induzca una f.e.m. en los conductores en que se verifica la conmutación. Los polos de conmutación han posibilitado la construcción de motores de corriente continua de voltaje mucho más alto, de mayores velocidades y de mayores capacidades nominales en Kw lo que no seria posible sin ellos. En un motor, siguiendo desde un polo principal el sentido de rotación del inducido, se deberá encontrar un polo de conmutación. La prueba se efectúa fácilmente.

Aunque las f.e.m. inducidas en las bobinas en las que se realiza la conmutación es relativamente pequeña, la resistencia de las propias bobinas es baja, manera que, de no introducir resistencia adicional, las corrientes de cortocircuito serán intensas. Por tanto, se usan casi siempre escobillas de carbón que tienen resistencia de contacto relativamente elevada.

MOTORES PASO A PASO

Los motores paso a paso vienen a cerrar las descripciones dedicada a este amplio conjunto de dispositivos capaces de transformar la energía eléctrica en mecánica. Este tipo de motor, a pesar de tener una concepción bastante antigua, únicamente a podido emplearse en la practica a partir del momento en que la tecnología de semiconductores ha permitido el desarrollo de circuitos de actuación y control suficientemente rápidos y adecuados.

En definitiva, las aplicaciones fundamentales de este tipo de motor son aquellas en las que se precisa un sistema de posisionamiento seguro y fiable sin tener que recurrir a otros sistemas más complejos del tipo servomecanismo. Además, soluciona con relativa sencillez otros casos en los que la exigencia en cuanto a la velocidad de accionamiento determinados movimientos discontinuos exigirían complicados montajes basándose en motores ordinarios asociados a sistemas de frenado de gran seguridad y de muy problemática ejecución practica.

Lógicamente existen numerosos tipos de motores paso a paso para cubrir esta amplia gama de aplicaciones entre los que existen diferencias en cuanto a su principio de funcionamiento, además de las lógicas derivadas del tamaño y potencia mas adecuados para cada caso concreto.

Principio de funcionamiento.

El principio de funcionamiento esta basado en un estator constituido por varios arrollamientos independientes devanados sobre

En la figura se muestra el principio de funcionamiento de un motor paso a paso. Al hacer circular impulsos de corriente por las bobinas, el rotor se desplazara en forma discontinua a base de varios pasos angulares

Un material ferromagnetico y un rotor que puede girar libremente en el seno del estator.

Estos diferentes bobinados son alimentados uno a continuación del otro y causan un determinado desplazamiento angular que se denomina paso angular y que es la principal característica del motor. El sentido de rotación estará definido por la secuencia en la que se han excitado los diferentes arrollamientos.

Principio de funcionamiento de un motor paso a paso. Al hacer circular impulsos de cte por las bobinas, el rotor se desplazará en forma discontinua a base de varios pasos angulares.

Tipos de motores paso a paso.

Existen dos tipos básicos de motores paso a paso. El primero de ellos funciona por el efecto de reacción que se produce entre un campo electromagnético y un imán permanente. El segundo funciona mediante la acción de un campo electromagnético sobre un rotor de hierro, el cual, como es sabido, presenta un magnetismo remanente muy débil. A este tipo se le conoce4 como motor paso a paso de reluctancia variable.

En ambos casos se precisa de un circuito o equipo externo que distribuya la alimentación en forma secuencial a todos los arrollamientos del estator, de forma que únicamente se encuentren excitados uno cualquiera de ellos en cada momento. En consecuencia, el sistema de alimentación no será una corriente continua o alterna como en los tipos tratados con anterioridad, sino que estará formado por impulsos de tensión y corriente. Suponiendo una secuencia constante y uniforme de impulsos de excitación que se envían a los devanados con una frecuencia f y que el motor contiene un numero de bobinas n, se obtendrá una velocidad de giro V=f/n revoluciones por segundo, bien entendido que cada vuelta recorrida por el rotor se compondrá de tantos saltos como bobinas diferentes existan en el estator, cantidad en que en este caso se ha definido como n. El desplazamiento angular obtenido de cada paso se calculara dividiendo los 360 grados correspondientes a una vuelta por el numero de arrobamientos n, es decir, que D=360/n.

Esquema simplificado de un motor paso a paso de imán permanente compuesto por dos bobinados y un paso angular de 90 grados.

Motor paso a paso de reluctancia variable. Cada uno de los dientes del rotor da lugar al avance del paso angular.

Motores de imán permanente.

Motor paso a paso de imán permanente esta formado por un estator de forma cilíndrica con un cierto numero de bobinas alimentados en secuencia que crean un campo magnético giratorio de manera discontinua. El rotor concéntrico con el estator y situado sobre el eje contiene un imán fuertemente magnetizado que en ceda instante tendera a alinearse con el campo magnético creado por la correspondiente bobina del estator. Como puede observarse su modo de operación no podría ser más simple ya que esta basado en las fuerzas de atracción desarrolladas entre dos imanes, uno permanente y el otro temporal.

Normalmente y a diferencia de los motores sincronías el imán del rotor es bipolar y los polos norte y sur se encuentran en los extremos opuestos de uno e los diámetros del cilindro del rotor.

Él numero de bobinados de que dispone en el estator este tipo concentro suele ser de dos o cuatro, con los que se obtiene cuatro pasos por cada vuelta, y el desplazamiento angular será de 90 grados. Las frecuencias de trabajo empleadas suelen ser bajas y el par motor elevado devido a la presencia del imán. Sin embargo es conveniente tener en cuenta algunas consideraciones a cerca del máximo par de accionamiento que puede ofrecer este motor supongamos un cierto modelo constituido por dos bobinados a los que se aplican impulsos con doble polaridad según la secuencia que se puede observar.

Cuando la alimentación alcance al bobinado, el imán permanente se va a alinear con el campo creado, de forma que justo en el momento en que ambos campos se encuentran exactamente en línea, el par motor se anulara. Si el motor esta acoplado a algun mecanismo externo, esta situación no podrá alcazarse ya que el par desarrollado deberá ser igual al necesario para mover la carga, por lo tanto, se formara un cierto ángulo entre los dos campos.

Este par será máximo cuando el ángulo citado sea de 90 grados pero al llegar la excitación al segundo bobinado el nuevo ángulo será de 180 grados, con lo que el par se anulará. Por lo tanto se deduce que un motor de este tipo no deberá nunca ser cargado con ,mecanismos que requieran un par cuyo ángulo de mantenimiento supere los 45 grados, aunque en la practica se reduce este valor a 30 grados aproximadamente.

Motor de reluctancia variable.

El motor paso a paso de reluctancia variable se desarrolla con objeto de poder conseguir unos desplazamientos angulares mas reducidos que en el caso anterior sin que de aumentarse considerablemente el numero de bobinados. El estator presentará la forma cilindrica habitual conteniendo generalmente un total de tres devanados distribuidos de tal forma que existirá un ángulo de 120 grados aproximadamente entre dos de ellos. El rotor esta formado por un núcleo de hierro dulce de estructura cilíndrica pero con una cierta cantidad de dientes tallados longitudinalmente a lo largo de su superficie lateral.

Para analizar su modo de operación se va a suponer un motor constituido por tres devanados. B1, B2 y B3, excitados secuencialmente y un rotor con cuatro dientes, D1, D2, D3 y D4. Cuando el primer arrollamiento(B1) recibe la alimentación, atraerá al rotor hasta que él diente mas cercano se alinee con el campo, por ejemplo, D1; al llegar la excitación a B2, el diente D2 será el mas próximo, con lo que el rotor girará 30 grado, de la misma forma, con el siguiente impulso aplicado a B3 será el diente D3 el alineado, con un segundo de paso de 30 grados y al volver la alimentación a B1 será atraído D4, avanzando un ángulo igual a los anteriores.

Secuencia de funcionamiento de un motor de imán permanente de dos bobinados: a). Excitación del bobinado 1 b). Excitación del bobinado 2 c). Excitación de 1 con polaridad invertida d). Nueva excitación del 2 con polaridad invertida, el ángulo que formara al rotor al cargar el motor con el máximo par.

Como fácilmente puede deducirse en este caso y a diferencia del anterior, la polaridad o sentido de circulación de la corriente en cada devanado es indiferente, ya que al no estar imantado el rotor siempre se desplazará hasta la posición en que la reluctancia del circuito magnético del estator sea minima.

Para obtener desplazamientos angulares de 15 grados será nescesario aumentar el número de dientes del rotor hasta ocho y esta cifra se hará tanto mayor cuanto mas reducido sea el avance de cada paso.

En este tipo de motores son también aplicables las consideraciones que sobre el par de accionamiento han sido exspuestas anteriormente.

La principal característica de estos motores de reluctancia variable es la elevada velocidad de accionamiento que permiten siendo normal la cifra de 1200 pasos por segundo.

Otra forma constructiva para este tipo de motor es de efectuar un agrupamiento de varios conjuntos rotor-estator alimentando a estos últimos secuencialmente. Los pasos se obtienen por el posesionado de los bobinados de cada estator, alineando los tres rotores y constituyendo un rotor único. Existe, por ultimo, un tercer tipo de motor paso a paso, denominado motor híbrido, que combina los diseños de ambos, obteniéndose importantes pares de accionamiento, un gran numero de pasos por vuelta y una frecuencia bastante elevada de trabajo.

CONCLUSIÓN

En este trabajo se han dado a conocer diversos tipos de motores de corriente continua. Los cuales pueden ser utilizados en distintas aras de trabajo, como por ejemplo, los usados en grúas, ascensores etc... y por otra parte tenemos el motor que hace funcionar la discketera de nuestra computadora. Estos dos ejemplos nos hacen darnos cuenta cuán útiles son estas máquinas y que sin darnos cuenta giran en torno a nosotros y simplifican nuestro diario vivir.

También nos interiorizamos en las partes principales de estas maquinas, ya que si estamos viviendo con ellas hay que saber como y porque funcionan. Ya que al asombrarnos de alguna maquina n general por su fuerza o eficacia, no debemos olvidar que tras ella hay un corazón que vendría siendo el motor, el cual siempre tiene que estar en perfectas condiciones.

BIBLIOGRAFÍA

  • MANUAL DEL INGENIERO DE MARKS.- Ingeniería eléctrica

  • RELACIONES DE PAR EN MAQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA- Motores de corriente continua.

  • MICROSOFT ENCARTA 99 - Generadores eléctricos

  • http:/ www.eupnt.com

  • MAQUINAS ELECTRICAS - Motores de corriente continua - shaptman.

  • MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA - El motor.