Motores De Corriente Directa Y Alterna.

2.1.1. Motores de corriente directa y alterna.

Los motores eléctricos con frecuencia se emplean como elemento de control final en los sistemas de control por posición o de velocidad. Los motores se pueden clasificar en dos categorías principales: motores de cd y motores de ca. La mayoría de los motores que se emplean en los sistemas de control modernos son motores de cd. Los principios básicos del funcionamiento de un motor son los siguientes:

1- Cuando en un campo magnético, una corriente pasa por un conductor, se ejerce una fuerza sobre el conductor. Para conducir de longitud L que lleva una corriente I en un campo magnético que tiene una densidad de flujo B y es perpendicular al conductor, la fuerza ejercida F es igual a BIL.

2- Cuando un conductor se desplaza dentro de un campo magnético, sobre él se induce una f.e.m. la f.e.m inducida e, es igual a la velocidad con la que cambia el flujo magnético P (el flujo magnético es igual al producto a la densidad de flujo por el área) que cubre el conductor (ley faraday), es decir, e=-dp/dt. El signo menos indica que la dirección de la dirección de la f.e.m. es en sentido opuesto al cambio que la produce (ley de Lenz), es decir, la dirección de la f.e.m. inducida es tal que produce una corriente que crea campos magnéticos que tienden a neutralizar el cambio en el flujo magnético asociado al devanado que produjo la f.e.m. por ellos, con frecuencia se le conoce fuerza contraelectromotriz.

Principios básicos:

La figura 2.21 muestra el principio básico de un motor de cd; una espiral de alambre que gira de manera libre en medio del campo de un imán permanente. Cuando por el devanado para una corriente, las fuerzas resultantes ejercidas en sus lados y en ángulo recto al campo provocan fuerzas que actúan a cada lado produciendo una rotación. Sin embargo, para que ésta continúe, cuando el devanado pasa por la posición vertical se debe invertir la dirección de la corriente.

Los motores de corriente directa son de los elementos más empleados para aplicaciones en las que debe ajustarse la velocidad, así como para aplicaciones en las que se requiere un par grande.

Motores de C.D. cuya potencia es de una fracción de caballo, en la industria del transporte como: automóviles, trenes y aviones, donde impulsan ventiladores, y accionan el levantamiento de asientos y ventanas. También son muy útiles para arrancar motores de gasolina y diesel en autos, camiones, autobuses, tractores, lanchas y para una infinidad de aplicaciones.

En un motor de cd convencional, los devanados de alambre se montan en las ranuras de un cilindro de material magnético conocido como armadura. La armadura está montada en cojinetes y puede girara. Ésta se monta en el campo magnético producido por los polos de campo que pueden ser, en pequeños motores, por ejemplo, imanes permanentes o electroimanes, cuyo magnetismo se obtiene mediante una corriente que circula por los devanados de campo. La figura 7.22 muestra el principio básico del funcionamiento de un motor de cd de 4 polos, cuyo campo magnético se produce por devanados que transportan corriente. Los extremos de los devanados de la armadura se conectan con los segmentos adyacentes de un anillo segmentado conocido como conmutador y el contacto eléctrico con los segmentos se logra mediante contactos de carbón conocidos como escobillas.

Conforme la armadura gira, el conmutador invierte la corriente de cada uno de los devanados al desplazarse por los polos de campo. Esto es necesario a fin de que las fuerzas que actúan en el devanado sigan actuando en la misma dirección y la rotación continúe, la dirección de rotación del motor de cd se invierte al invertir la corriente de armadura o la corriente de campo.

Motor de cd de imán permanente

Considere el caso de un motor de cd con un imán permanente, que tiene una densidad de flujo de valor constante. Para un conductor de armadura de longitud L y una corriente i, la fuerza producida por una densidad de flujo magnético B perpendicular al conductor es vil (figura 7.23). Si hay N conductores, la fuerza producida es NBIL. Las fuerzas dan por resultado un par de rotación T en el eje del devanado con un valor de Fb, siendo b el ancho de la espira. Por lo tanto:

Par de rotación T = NbbLi = Kt i

Donde Kt es la constante del par de rotación. Dado que la espiral de una armadura en un campo magnético, se produce una inducción electromagnética y se induce una fuerza contraelectromotriz. Esta Vb, es proporcional a la velocidad de cambio del flujo vinculado a la espira y, por lo tanto, en un campo magnético constante, es proporcional a la velocidad angular de la rotación, w. por lo tanto:

Fuerza contra electromotriz vb = kvw

En donde kv es la constante de la fuerza contra electromotriz. Ahora podemos considerar que el circuito equivalente de un motor de cd es como el que ilustra la figura. 7.24, es decir, a la espiral de la armadura la representa una resistencia, R, en serie con una inductancia, L, que está en serie con una fuente de fuerza contraelectromotriz. Si se deprecia la inductancia de la espira de la armadura, el voltaje que origina la corriente, i, que circula por la resistencia es igual al voltaje aplicado, V, menos la fuerza contraelectromotriz, es decir, V-vb. Por lo tanto:

Motores de Cd con devanados de campo

Los motores de Cd con devanados de campo se dividen en: motores en serie, en paralelo, compuestos y de excitación independiente, dependiendo de la manera como se encuentran conectados los devanados de campo y los devanados de la armadura (fig. 7.26).

2. Motor (con excitación) en serie

En el motor en serie, los devanados de la armadura y de los campos están en serie. Este motor produce el par de rotación de arranque de mayor intensidad y alcanza la mayor velocidad sin carga, con cargas ligeras existe el riesgo de que el motor alcance velocidades muy altas. La inversión de la polaridad de la alimentación eléctrica de los devanados no tiene efecto en la dirección de rotación del motor; éste sigue girando en la misma dirección dado que tanto las corrientes de campo como armadura quedaron invertidas.

3. Motor en derivación (en paralelo)

En éste, los devanados de armadura y de campo están en paralelo; genera el par de rotación de menor intensidad, en el arranque tiene una velocidad sin carga mucho menor y permite una buena regularización de la velocidad. Debido a esta velocidad casi constante, independiente de la carga, estos motores se utilizan mucho. Para invertir la dirección de giro, hay que invertir la armadura o el campo de excitación independiente.

4. Motor de excitación compuesta

Este motor tiene dos

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