TIPOS DE MOTORES D.C

Los motores D.C se clasifican de acuerdo al tipo de bobinado del campo como motores Serie, Shunt, Shunt estabilizado, o Compuesto (Compound). Sin embargo algunos de ellos pueden ser auto excitados o de excitación separada o pueden tener campos de imán permanente.

Ellos muestran curvas muy diferentes de torque-velocidad y se conectan en diferentes configuraciones para diferentes aplicaciones.

Algunos motores D.C utilizan imán permanente como campo principal, especialmente los de potencia (HP) fraccionada (1/4,1/2,3/4) y baja potencia.

Los motores de imán permanente tienen la ventaja de no requerir una fuente de potencia para el campo, pero tienen la desventaja de ser susceptibles a la desmagnetización por cargas de choque eléctricas o mecánicas. Los campos de imán permanente no se pueden ajustar para entonar el motor para ajustarse a la aplicación, como pueden los de campo bobinado.

MOTOR SHUNT

En un motor shunt, el flujo es constante si la fuente de poder del campo es fija. Asuma que el voltaje de armadura Et es constante. A medida que la corriente de la carga disminuye desde plena carga a sin carga, la velocidad debe aumentar proporcionalmente de manera que la fuerza contra electromotriz Ec aumentará para mantener la ecuación en balance. A voltaje nominal y campo completo, la velocidad del motor shunt aumentará 5% a medida que la corriente de carga disminuya de plena carga a sin carga. La reacción de armadura evita que el flujo de campo permanezca absolutamente constante con los cambios en la corriente de la carga. La reacción de armadura, por lo tanto causa un ligero debilitamiento del flujo a medida que la corriente aumenta. Esto tiende a aumentar la velocidad del motor. Esto se llama “inestabilidad” y el motor se dice que está inestable.

MOTOR SERIE

En un motor serie, el flujo del campo es una función de la corriente de la carga y de la curva de saturación del motor. A medida que la corriente de la carga disminuye desde plena carga, el flujo disminuye y la velocidad aumenta. La rata de incremento de velocidad es pequeña al principio pero aumenta a medida que la corriente se reduce. Para cada motor serie, hay una mínima carga segura determinada por la máxima velocidad de operación segura.

MOTOR COMPUESTO (COMPOUND)

Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt como se ve en la figura. Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de armadura.

El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de armadura varia, y es directamente proporcional a la carga. El campo serie se conecta de manera tal que su flujo se añade al flujo del campo principal shunt. Los motores compound se conectan normalmente de esta manera y se denominan como compound acumulativo.

Esto provee una característica de velocidad la cual no es tan “dura” o plana como la del motor shunt, no tan “suave” como un motor serie. Un motor compound tiene un limitado rango de debilitamiento de campo, la debilitación del campo puede resultar en exceder la máxima velocidad segura del motor sin carga. Los motores D.C compound son algunas veces utilizados donde se requiera una respuesta estable de torque constante a través de un amplio rango de velocidad.

MOTOR SHUNT ESTABILIZADO

Para vencer la potencial inestabilidad de un motor recto shunt y reducir la “caída” de velocidad de un motor compound, un ligero devanado serie es arrollado sobre el devanado shunt. El flujo del devanado serie aumenta con la corriente de carga y produce un motor estable con una característica de caída de velocidad para todas las cargas.

El devanado serie es llamado un campo estabilizador o “stab” y el motor un motor shunt estabilizado. La regulación de velocidad de un motor shunt estabilizado es típicamente menor al 15%.

La mayoría de los motores Reliance Super RPM y RPM III son shunt estabilizados. Cuando el campo shunt del motor es debilitado para aumentar la velocidad a un nivel de operación mas alto, el flujo del devanado serie llega a ser un porcentaje mayor del flujo total, de manera que a medida que la corriente aumenta, la caída de velocidad es un porcentaje mayor que antes.

En aplicaciones donde la instabilidad resultante pudiera afectar seriamente el funcionamiento de la maquina (movida por el motor), el campo serie puede desconectarse. En aplicaciones donde los efectos de estabilidad nos son críticos, como en un frenado regenerativo, el campo serie puede utilizarse para mejorar el rendimiento que el provee.

Cuando el campo serie no se conecta, el fabricante del control debe asegurar que la máxima velocidad segura del motor no es excedida y debe reconocer la perdida de torque que resulta de la operación del motor shunt estabilizado sin el devanado serie.

CONCEPTOS BÁSICOS

Velocidad, Torque y Potencia (HP)

Las características velocidad - torque dan al motor D-C una versátil aplicación. El torque de régimen de un motor D.C es dado a una velocidad específica llamada Velocidad Base.

La velocidad base se define como las RPM de un motor D.C cuando opera a:

1.- Corriente de campo de régimen

2.- Voltaje de armadura de régimen

3.- Carga de régimen (Corriente de Armadura)

La velocidad base (RPM) se muestra en la placa del motor. Típicas velocidades base para motores D.C son: 850, 1150, 1750 y 2500 RPM. A velocidad base, un motor D.C entrega la velocidad, torque y HP de régimen (nominales). La tolerancia de la NEMA para la velocidad base es de  7½ % .

La combinación de velocidad y torque desarrolla los HP de régimen de acuerdo con la siguiente relación:

H.P = (1)

5250

Donde:

Torque (T): libra-pie

Velocidad (N): r.p.m

Esta fórmula establece los HP del motor a un torque y velocidad específicos. Los motores se acoplan a reductores, correas y poleas, y otros dispositivos modificadores de velocidad, para producir torque y/o velocidades mayores que las de placa, pero esta combinación nunca debe exceder el valor de los HP de placa. Dicho de otra manera, pueden obtenerse torques mayores, pero solo a proporcionalmente velocidades menores, o se disponen de velocidades mayores (hasta la máxima velocidad de placa con debilitamiento del campo) si proporcionalmente se acepta un menor torque.

ECUACION GENERAL DEL MOTOR

Con la excepción de los controladores que también regulan la corriente de campo, el voltaje de armadura Et es el único parámetro que el controlador puede directamente cambiar o regular. Los sistemas de control pueden clasificarse como reguladores de voltaje, velocidad, corriente (torque), tensión o posición. Todos estos sistemas utilizan un dispositivo de realimentación apropiado para permitir al controlador regular la función deseada.

La ecuación general del motor define el funcionamiento del motor bajo diferentes condiciones de voltaje y carga

Et = Ec + Ia.Ra (2)

Donde:

Et: Voltaje en los terminales de la armadura

Ec: Fuerza contra electromotriz

Ia: corriente de la armadura

Ra: resistencia de la armadura

Ec = K..N (3)

Siendo:

: el flujo magnético

N: velocidad (rpm)

El voltaje Ec se opone al voltaje aplicado a la armadura Et, y por esta razón es llamado fuerza contra electromotriz (FCM). Este voltaje es el resultado del corte del campo magnético al girar los conductores de la armadura, produciendo así un voltaje generado. Bajo condiciones normales de operación, este término (Ec) es mucho mayor que el termino Ia.Ra. La velocidad del motor es proporcional al voltaje aplicado en los terminales, el cual es el voltaje que se muestra en la placa del motor.

Típicamente, la resistencia de la armadura (Ra), está en el orden de 1 Ohm, o menos, y la corriente de armadura (Ia), es función de la carga mecánica del motor. Por ejemplo, considere un motor de 20 HP:

Voltaje en los terminales: Et = 240 V

Corriente de armadura: Ia = 71 Amp. A plena carga

Resistencia de armadura:Ra = 0.15 Ohm

Caída de voltaje en la resistencia de armadura:Ia.Ra = 10.65 V

a plena carga.

De la ecuación (2) se deduce:

Ec = Et - Ia.Ra

Ec = 240 - 10.65 = 229.35 VDC

Los motores D.C generan torque a través de la interacción de los campos magnéticos. El campo magnético principal es desarrollado por los polos del motor. El campo magnético que interactúa con el campo magnético principal es producido por la armadura y su amplitud está determinada por la corriente de armadura.

El torque desarrollado en un motor D.C es función del radio de la armadura, el número de conductores y la fuerza ejercida sobre los conductores. La fuerza depende del flujo, la corriente y la longitud de los conductores de la armadura. Expresado matemáticamente como:

T = K..Ia (4)

Donde el torque (T) es medido en libra-pié, K es una constante determinada por el número de polos en la máquina y el número de arreglos de los conductores en la armadura,  es el flujo total por polo en el entrehierro, y Ia es la corriente de armadura en amperios.

Por lo tanto, el torque de un motor shunt con excitación constante varia directamente con la corriente de armadura.

Para un motor serie, el flujo varia con la corriente de la carga excepto por efectos de saturación así que el torque varia aproximadamente con el cuadrado de la corriente de la carga..

La característica de torque de un motor compound está entre el shunt y el serie.

Para observar el efecto del voltaje y la corriente sobre la velocidad y el torque, la tabla # 1 será útil. Se utilizará como ejemplo un motor de 5 HP con los siguientes datos de placa:

Et = 180 VDC

Ia = 24 Amp, a plena carga

Ra = 0.591Ohm

Velocidad Base: 1750 rpm

Asumiendo una carga del 75% de la nominal = 18 Amp.

Calculemos la relación Volts/RPM de la Ec.

Et = Ec + Ia.Ra Ec = Et - Ia.Ra = 180 VDC - (24 x 0.591)

Ec = 180 - 14.184 = 165.81 VDC

Volts./ RPM = 165.816/1750 = 0.094752 VDC/RPM