Motores De Corriente Directa

Motores de corriente directa.

Introducción.

Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en otra energía, o bien, en energía eléctrica pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético, en este caso hablare de los motores electricos.

El motor de cd juega un papel de importancia creciente en la industria moderna porque puede operar a cualquier velocidad desde cero hasta un maximo de velocidad la caracteristica principal de un motor es que absorbe energía eléctrica y suministra energía mecánica.

2.1 Generalidades en motores de Corriente Directa

El principio de funcionamiento de los motores eléctricos de corriente directa o continua se basa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán permanente cuando, de acuerdo con la Ley de Lorentz, interactúan con los polos magnéticos de un electroimán que se encuentra montado en un eje. Este electroimán se denomina “rotor” y su eje le permite girar libremente entre los polos magnéticos norte y sur del imán permanente situado dentro de la carcasa o cuerpo del Motor.

Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina de este electroimán giratorio, el campo electromagnético que se genera interactúa con el campo magnético del imán permanente. Si los polos del imán permanente y del electroimán giratorio coinciden, se produce un rechazo y un torque magnético o par de fuerza que provoca que el rotor rompa la inercia y comience a girar sobre su eje en el mismo sentido de las manecillas del reloj en unos casos, o en sentido contrario, de acuerdo con la forma que se encuentre conectada al circuito la pila o la batería.

A menudo se comparan los motores de cd entre si con base en su regulación de velocidad. La regulación de velocidad (RV) de motor se define como:

SR= (ω_(m,sc)-ω_(m,pc))/n_(m,pc) x 100%

SR= (n_(m,sc)-n_(m,pc))/n_(m,pc) x 100%

RV es una medida aproximada de la forma de la característica par-velocidad de un motor: una regulación de velocidad positiva significa que la velocidad del motor cae cuando se incrementa la carga, mientras que una regulación de voltaje negativa implica que la velocidad del motor se incrementa cuando disminuye la carga.

La magnitud de la regulación de velocidad dicta aproximadamente la inclinación de la pendiente de la curva par-velocidad.

2.2 Descripción de la relación entre par y fuerza

Los términos de fuerza y par electromagnéticos, son muy comunes en el estudio de máquinas eléctricas, sin embargo no tienen el mismo significado. Una bobina de una sola espira montada sobre una estructura que le permite moverse, conduce corriente en un campo magnético. De acuerdo con la ley de BIOT SAVART se produce una fuerza (f1) ortogonal en el lado 1 de la bobina, lo mismo ocurre en el lado 2 de la bobina desarrollándose una fuerza (f2) las fuerzas f1 y f2 se desarrollan de tal forma que tienden a producir un movimiento o giro de la armadura del motor, este sentido de rotación como se indicó antes queda determinado por la regla de la mano derecha para motores.

El par, también conocido como momento de torsión, es la tendencia de una fuerza y su distancia radial al eje de rotación a provocar un giro. Se indica en unidades de fuerza por longitud y no debe confundirse con trabajo. El par producido en la maquina es el producto del flujo y la corriente en la maquina multiplicado por una constante que representa la construcción mecánica de la máquina.

La fuerza electromagnética producida en un conductor dado de armadura portador de corriente queda definida como:

F=BiL

B= campo magnético

i = intensidad de corriente eléctrica en el conductor

L= longitud del conductor

Y el par electromagnético desarrollado por cualquier conductor en la superficie de la armadura:

T=Rf senϴ

r = distancia radial al eje de rotación

F= fuerza por conductor

ϴ= Angulo entre r y F

2.3 Análisis de la fuerza contraelectromotriz en el motor

Cuando un conductor se mueve y corta las líneas de campo magnético, de acuerdo con la ley de Faraday se induce un voltaje en el conductor. En un motor de corriente directa los conductores de la armadura cortan las líneas de flujo del campo magnético.

El voltaje inducido en el conductor siempre es opuesto al voltaje aplicado a la máquina, por lo tanto el voltaje inducido se encuentra en oposición al voltaje aplicado, a este fenómeno se le conoce como fuerza contra electromotriz.

La fcem reduce el voltaje resultante en la armadura sin embargo nunca podrá ser igual al voltaje aplicado en las terminales de la armadura. La fcem tiene una función importante en el funcionamiento del motor debido a que nos permite limitar la corriente en la armadura de la máquina.

La magnitud del voltaje inducido depende de varios factores entre los cuales están:

Numero de vueltas en el devanado de campo

Numero de vueltas de la bobina de armadura

Densidad de flujo

Velocidad con la que se cortan las líneas de flujo

2.4 Análisis de la relación entre par y velocidad.

2.4.1 Curva característica par – velocidad de los motores síncronos.

Los motores suministran potencia a cargas que son básicamente dispositivos de velocidad constante. Es normal que estén conectados a sistemas de potencia mucho más grandes que los motores individuales, por lo que los sistemas de potencia parecen buses infinitos de motores. Esto quiere decir que el voltaje en los terminales y la frecuencia del sistema serán constantes sin importar la cantidad de potencia que consuma el motor. La velocidad de rotación del motor está asociada a la tasa e rotación de los campos magnéticos, y la tasa de rotación de los campos magnéticos aplicados está asociada a la frecuencia eléctrica aplicada, por lo que la velocidad del motor síncrono será constante sin que importe la carga.

Esta velocidad fija de rotación está dada por:

nm = 120 fe / P

Donde nm es la velocidad mecánica de rotación, fe es la frecuencia eléctrica del estator y P es el número de polos en el motor.

En la figura se muestra la curva de característica de par – velocidad. La velocidad en estado estacionario del motor es constante desde el vacío hasta el par máximo que el motor puede suministrar llamado par máximo, por lo que la regularización de velocidad del motor es de 0%. La ecuación del par es:

El par máximo se presenta cuando el ángulo es igual a 90 grados. Sin embargo. Los pares normales a plena carga son mucho menos que este. De hecho el par máximo es por lo regular tres veces el par de la maquina a plena carga.

Cuando el par en el eje de un motor síncrono excede el par máximo, el rotor no puede seguir unido al campo magnético del estator y al campo magnético neto, sino que comienza a retrasarse en relación con ellos. Conforme el rotor pierde velocidad, el campo magnético del estator lo rebasa varias veces y la dirección del par inducido en el rotor se invierte con cada rebase. El enorme par resultante oscila primero hacia un lado y luego hacia el otro y provoca que todo el motor vibre con una fuerza, la perdida de sincronización una vez que se excede el par máximo se conoce como deslizamiento de polos. El par máximo del motor esta dado por:

Tind= k BR Bnet

Tmax= 3VΦ EA / ωm XS

Estas ecuaciones indican que mientras más grande sea la corriente de campo (y en consecuencia EA) más grande será el par máximo del motor. Por lo tanto, hay una ventaja en la estabilidad cuando se opera el motor con una gran corriente de campo o un gran EA.

Efecto de los cambios de carga en los motores síncronos

Si se fija una carga al eje de un motor síncrono, este desarrollara suficiente par como para mantener el motor y su carga a velocidad síncrona. ¿Qué pasa si la carga en un motor síncrono cambia?

Para encontrar la respuesta a esta pregunta, examínese un motor síncrono que opera inicialmente con un factor de potencia en adelanto, tal como se muestra en la figura:

¿Cuál es la forma del diagrama fasorial durante este proceso?

Para encontrar la respuesta a esta pregunta, examínense las restricciones sobre la maquina durante un cambio en la carga, en la figura se muestra el diagrama fasorial del motor antes de que se incrementen las cargas. El voltaje interno generado EA es igual a KΦω y por lo tanto solo depende de la corriente de campo en la máquina y de la velocidad de esta. La velocidad esta restringida a ser constante en función de la fuente de potencia de entrada y debido a que no se ha tocado el circuito de campo también es constante la corriente de campo. Por lo que l EA l debe de ser constante aun cuando la carga varié. Se incrementaran las distancias proporcionales a la potencia (EA sen Φ e IA cos Φ) pero la magnitud de EA debe ser constante. A medida que varía la carga EA se mueve hacia abajo como se muestra en la segunda imagen. Conforme EA se mueve hacia abajo cada vez más, se debe incrementar la cantidad de jXSIA para llegar de la punta de EA hasta VΦ y por lo tanto también se incrementa la corriente en el inducido IA. Nótese que el ángulo del factor de potencia también cambia, esto es cada vez menos en adelanto y más en retraso.

2.5 Análisis de las características operativas del motor

A menudo se comparan los motores de CD entre sí con base en

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