clase07 motores dc av

15/04/2016

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Motores DC

� Motor serie

� Motor derivación

� Motor compuesto

Objetivos

Identifica las partes constructivas y las característicasdefuncionamiento de los motores de corriente directa.

Evalúa el rendimiento de la operación de las máquinas decorriente directa.

Principio de las máquinas DC

• Importancia• La máquina de CDpuede utilizarse comomotor o como

generador. Sin embargo, en virtud de que losrectificadores semiconductores generan voltaje de CD apartir de CA con fuentes electrónicas de energía,losgeneradores de CD son innecesariossalvo paraoperaciones remotas. Incluso en el automóvil, elgenerador de CD ha sido sustituido por el alternador, ungenerador síncrono con diodos para rectificar lacorriente. Por otra parte, es necesarioconsiderar laoperación de generador, porque losmotores operancomogeneradoresen elfrenadoy la inversión.

Motores DC

• Principales características

� Máquinas versátiles en la conversión electromecánica de

energía.

� Costos de adquisición y mantenimiento más elevados de que en

máquinas equivalentes CA.

� Especial aplicación cuando se requiere una característica

torque-velocidad de calidad superior y con elevada

eficiencia para una gama amplia de velocidad.

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Motores DC

• Principales aplicaciones

� Velocidad variable, laminadoras o máquinas de tracción (papel),

donde la posibilidad de controlar la velocidad y el

posicionamiento son importantes.

� Aplicación en tracción.

� Momentáneamente operados como generadores para

freno eléctrico.

Motores DC

En el funcionamiento como motor, elsentido de las corrientes es contrario alsentido como generador.

GENERADOR

MOTOR

AAAT RIEV +=

FAL III +=

INDAT

K

R

K

V τφφ

ω2)(

−=

Tipos de motores DC

� Motores DC de excitación separada

� Motor DC paralelo (shunt)

� Motor DC serie

� Motor compuesto

� Aditivo o acumulativo

� Substractivo o diferencial

� Motor DC de imanes permanentes

Circuito equivalente – motor DC

• El inducido se representa por una fuente de voltaje ideal Ea yun resistor Ra

• La caída de voltaje en las escobillas se representa por Vesc

• Las bobinas de campo están representadas por Rf y Lf

φωKEA =

AIND IKφτ =

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Motor DCExcitación separada

Motor DC – Excitación separada

• Los devanados de armadura (inducido) y de campo (excitación)

están eléctricamente separados, y son alimentados por fuentes

distintas.

– Permite un control total de la corriente de excitación y de la

corriente de armadura.

Motor DC – Excitación independiente y shunt

• Los circuitos equivalentes del motor CD con excitaciónindependiente y shunt tienen un comportamiento similar.

Fig. Motor cc, excitación independiente Fig. Motor c.c. excitación shunt

AAAT RIEV +=

F

TF

R

VI =

FAL III +=

INDAT

K

R

K

V τφφ

ω2)(

−=

Motor DC – Excitación independiente y shunt• Rendimiento es bajo para cargas pequeñas.• La frecuencia de giro se gobierna mediante la tensión Vt o

variando If mediante un reóstato. Uso para casos donde serequiera una frecuencia de giro uniforme (herramientas).

• Los motores de excitación independiente se emplea cuando sedesea controlar la frecuencia de giro (máquinas/herramientas,excavadoras, etc.)

Fig. Frecuencia de giro/par de motor shunt

AAAT RIEV +=

F

TF R

VI =

FAL III +=

INDAT

K

R

K

V τφφ

ω2)(

−=

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Velocidad del motor- Proporcional a la tensión

aplicada.- Inversamente proporcional al

flujo por polo.

INDAT

K

R

K

V τφφ

ω2)(

−=Torque del motor - Velocidad

- El aumento de torque hace descender la

velocidad.

- Si If =cte, la velocidad apenas depende de la

corriente del inducido.

- El torque máximo es controlado limitando la

corriente del inducido.

2)( φK

RA Pendiente negativa

AIND IKφτ =


• Debilitamiento de campo� La velocidad máxima es limitada por las consideraciones

mecánicas.� Usado con frecuencia en tracción eléctrica.

� Baja velocidadEl flujo es mantenido constante (elevado) y controlase latensión inducida, para un torque máximo, se consigue elmáximo de aceleración y freno

� Alta VelocidadSe reduce el flujo con tensión de alimentación constante,con consecuente reducción del torque inducido.

INDAT

K

R

K

V τφφ

ω2)(

−= φωKEA = AIND IKφτ =


Formas de variar la velocidad� Por variación de tensión� Por variación de resistencia

del inducido� Por variación de flujo

Motor DC – Excitación independiente y shuntPor variación de tensión

1. Un aumento en la tensión eleva IA

2. El aumento de IA incrementa el Tind

3. El aumento del Tind hace que Tind>Tcarga, y aumenta la velocidad

4. El aumento de w incrementa a EA

5. El aumento de EA hace que disminuya IA

6. La disminución de IA reduce Tind hasta que sean iguales a una mayor

velocidad

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Motor DC – Excitación independiente y shunt• Por variación de tensión1. Un aumento en la tensión eleva IA2. El aumento de IA incrementa el Tind3. El aumento del Tind hace que

Tind>Tcarga, y aumenta la velocidad4. El aumento de w incrementa a EA

5. El aumento de EA hace quedisminuya IA

6. La disminución de IA reduce Tindhasta que sean iguales a una mayorvelocidad

El control de voltaje del inducidopuede regular la velocidad del motorpara velocidades inferiores a lanominal pero no para velocidadessuperiores a ella. Para velocidadesmayores se requiere excesivo voltajeinducido que podría dañar el circuito.


Por variación de resistencia del inducidoSi se inserta una resistencia en serie con el circuito del inducido , seproduce un aumento drástico de la pendiente (par-velocidad), que lo haceoperar con mas lentitud.La inserción de una resistencia es un método antieconómico de controlarla velocidad puesto que las pérdidas en la resistencia insertada son muygrandes.

INDAT

K

R

K

V τφφ

ω2)(

−=

Válido para motores con excitación en derivación como para motores con excitación independiente .


Limites de potencia y torque como función de la velocidad de un motor enderivación bajo control por voltaje inducido y por resistencia campo.

En el control por voltaje del inducido , el flujo en el motor es constante , de modo que el torque máximo del motor es :

La potencia máxima del motor a cualquier velocidad, bajo control de voltaje inducido es Pmax=Tmax.w


Limites de potencia y torque como función de la velocidad de un motor enderivación bajo control por voltaje inducido y por resistencia campo.

Control por resistencia de campo , el aumento de velocidad se produce por una disminución del flujo .

La máxima potencia de salida de un motor DC es constan te mientras que el torque máximo varía con el inverso de la velocidad .

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Motores DCExcitación serie

Motor DC – Excitación serie

• El motor cd conexión serie se caracteriza por presentar un gran parde arranque y por tener una frecuencia de giro que depende de lacarga.

• Los motores cd en serie deben ponerse en marcha a través de unreóstato de arranque para limitar la intensidad de su corriente.

Fig. Motor c.c. con conexión serie

)( SAAAT RRIEV ++= ajFS RRR +=

LFA III ==

2Aind KcI=τ

AIc

φ=

Kc

RR

Kc

V SA

ind

T +−=τ

ω 1

El motor serie no debe ser arrancado en vacío o con una carga pequeña.Para cargas inferiores al 25% de la asignada la velocidad adquiere valorespeligrosos.


• El flujo es directamente proporcional a la corriente de armadura hastaalcanzar saturación (característica par-velocidad). A medida que seincrementa la carga también se incrementa el flujo y esto causa undecremento en la velocidad.

• Si el par es cero, la velocidad tiende al infinito (figura). Esto no sucede, sinembargo velocidades muy altas pueden dañar el motor, por lo que nunca sedebe arrancar sin carga.

• La frecuencia de giro puede gobernarse mediante resistores en serie.• El motor se emplea para accionar grandes cargas (vehículos, ascensores,

etc.)

Fig. Característica par-velocidad

)( SAAAT RRIEV ++= ajFS RRR +=

LFA III ==

2Aind KcI=τ

AIc

φ=

Kc

RR

Kc

V SA

ind

T +−=τ

ω 1


• Control de velocidad• El único modo de controlar la velocidad de un motor DC serie

es por variación de la tensión terminal , desde que lavelocidad del motor es directamente proporcional a la tensiónterminal para algún torque dado.

Kc

RR

Kc

V SA

ind

T +−=τ

ω 1

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• Motor Universal• Motor que funciona tanto en corriente continua cuanto en

corriente alterna. Motor con conexión serie, cuyos devanadosde campo y armadura están conectados en serie, pudiendopor tanto, ser alimentados por una única fuente que puedeser AC o DC.

Motor DC Excitación compuesta

Motor DC – Excitación compuesta

• Reúne las propiedades de los motores serie y shunt. Siguiendo laconvención de puntos se puede conectar de dos formas:– Conexión compuesta acumulativa.– Conexión compuesta diferencial.

Fig. Conexión larga Fig. Conexión corta

El devanado de excitación serie puede conectarse de forma que refuerce elcampo derivación (aditivo) o que se oponga (diferencial). La corriente deldevanado derivación es constante, mientras que la del serie aumenta conla carga.

Motor DC – Excitación compuesta acumulativa

• Reúne las propiedades de los motores serie y shunt

)( SAAAA RRIEV ++=

FLA III −=

F

TF

R

VI =

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• Para cargas pequeñas el campo serie tiene poca influencia, por tanto se

asemeja al motor c.c. shunt, cuando la carga es considerable su

comportamiento se asemeja al motor serie.

• El motor de excitación compuesta acumulativa de cc combina los mejores

rasgos del motor serie y derivación. Al igual que un motor serie, tiene un par

extra para arrancar, y como el motor en derivación no embala sin carga.

Fig. Conexión larga

Fig. Característica par-velocidad del motor cc compuesto acumulativo


• Control de velocidad• Cambio de la resistencia de campo RF

• Cambio del voltaje aplicado en los terminales• Cambio de la resistencia del inducido RA


FLA III −=

F

TF

R

VI =

)( SAAAA RRIEV ++=

Mayor torque de arranque que un motor en derivación, pero

pobre regulación de velocidad.

Motores DCArranque

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Arranque de motoresPara que el motor DC funcione adecuadamente, debe tener incorporadoalgún equipo de control y protección especial, con la finalidad de:

- Proteger el motor contra daños debido a cortocircui tos,- Proteger el motor contra daños por sobrecargas prol ongadas- Proteger el motor contra daño por corrientes de arr anque

excesiva,- Proporcionar la forma adecuada de control de veloci dad.

Arranque de motoresEl arranque de motores de c.c. no debe ser realizado aplicandodirectamente toda la tensión a sus bornes. Si esto fuese realizado lacorriente instantánea consumida seria muy elevada. Para reducir lacorriente existen tres posibilidades:

- Tensión reducidaDisponer de una fuente de tensión regulable

- Utilizando un reóstato de arranqueInsertar resistencias en serie en el circuito del inducido. Estasresistencias serán sucesivamente corto-circuitadas a medida que elmotor aumente su velocidad.

- Por procesos automáticosUtilizar elementos de electrónica o relés electromecánicos.

Arranque de motores

• Después que se cierra la llave como la velocidad y la tensión no son

nominales, la corriente de armadura sufre otro pico (que

generalmente es elevado también).

Arranque de motores

• Con todo el resistor puede ser dividido en etapas, las cuales serán retiradas a medida que el motor acelere.

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Motores DCRendimiento

Rendimiento de motores

• No toda la potencia eléctrica es convertida a potencia mecánicapara un motor.

• La eficiencia de un máquina DC es:

100%out

in

P

Pη = ⋅

100%in loss

in

P P

Pη −= ⋅


Hay cinco categorías de pérdidas ocurridas en máquinas DC.

1. Pérdidas eléctricas o del cobre – son las pérdidas resistivas enlos devanados de armadura y campo

2A A AP I R=

2F F FP I R=

Pérdidas en la armadura

Pérdidas en


2. Pérdidas en las escobas – las pérdidas de potencia a través delpotencial contacto en las escobas de la máquina

BD BD AP V I=

La caída de tensión a través del conjunto de escobas esaproximadamente constante sobre un amplio rango de la corrientede armadura y esto es usualmente asumido cerca de 2 V.

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• 3. Pérdidas en el núcleo – pérdidas por histéresis y pérdidaspor corrientes Eddy. Estas pérdidas varían con B2 y con n1.5.

• 4. Pérdidas mecánicas – pérdidas asociadas con efectosmecánicos fricción y rozamiento. Estas pérdidas varían con elcubo de la velocidad n3.

• 5. Pérdidas extrañas – pérdidas que no pueden serclasificadas en ningunas de las categorías antesmencionadas. Son usualmente debido a inexactitudes en elmodelamiento. Para muchas máquinas estas pérdidas sonasumidas como 1% de las pérdidas totales.

Cuadro comparativo de motores DC

TIPO TORQUE DE ARRANQUE

VELOCIDAD APLICACIÓN

Excitación

separada

Débil Constante Taladros

Adecuado para cualquier tipo

de regulación

Serie Elevado Variable

(embala en

vacio)

Elevadores, grúas

Tracción mecánica

Cuadro comparativo de motores DC

TIPO TORQUE DE ARRANQUE

VELOCIDAD APLICACIÓN

Derivado Débil Constante Máquinas de

herramientas

Compuesto

aditivo

Elevado Poco variable Elevadores,

laminadoras.

Compuesto

diferencial

Débil Constante -

Motores DC

Tabla – Designación de terminales de conexión de acuerdo a la norma

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Control de velocidad

La velocidad de los motores DC de excitación separada, en

derivación y compuestos, se pueden variar de tres maneras:

- Cambiando la resistencia de campo.

- Cambiando el voltaje inducido o la resistencia del inducido.

De estos métodos, quizás el más útil sea el control de voltaje

inducido.

Sistema Ward- Leonard y controladores de velocidad

Sistema Ward – LeonardEn este sistema, el voltaje inducido del motor puede ser controladovariando la corriente de campo del generador DC.Este voltaje inducido permite que la velocidad varíe de maneramoderada, entre un valor muy pequeño y la velocidad nominal.La velocidad se ajusta por encima de la wn, variando la corriente decampo.


Sistema Ward – LeonardLas ventajas de este sistema, permite control de cuatro cuadrantes.Las desventajas, es que el usuario está forzado a comprar tresmáquinas de capacidad igual, y además la eficiencia del sistema esmenor.


Controlador de dos o cuatro cuadrantes con SCR

Se suministra voltaje con una polaridad.

No es posible que fluya corriente del

inducido hacia fuera de los terminales,

por lo que no puede regenar.

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Controlador de dos o cuatro cuadrantes con SCR

Suministra voltaje con cualquier

polaridad. Permite que fluya corriente

del inducido hacia fuera de los

terminales.

Motores DC

• Aplicaciones industriales de motores DC

Motores DC

• Aplicaciones industriales de motores DC

Sistema de propulsión de un vehículo eléctrico

Motores DC• Aplicaciones industriales de motores DC - Transporte

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Bibliografía

• Kosow, Yrving L. (1993) Máquinas eléctricas y transformadores.México D.F.: Prentice Hall. (621.3MO/K77/1993)

• Chapman Stephen (2005) Máquinas eléctricas. México D.F.: McGraw-Hill. (621.3MO/CH523/2005)

• Enriquez Harper, Gilberto (2007). El ABC de las máquinas eléctricasI transformadores. México D.F.: Limusa. (621.3MO/E64E/2007)

• UFRGS – Laboratorio de máquinas elétricas (Brasil)

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