Debido a que los motores DC desarrollan altos torques de arranque y su velocidad es ajustable dentro de amplios limites, estos han predominado sobre los motores de inducción trifásicos, para usos de impulsión muy exigentes.
Los motores DC, ya sea el de serie o el de excitación independiente, se utilizan normalmente en propulsores de velocidad variable, aunque, tradicionalmente, los motores serie se han utilizado para las aplicaciones de tracción.
En un motor, la interacción de dos campos magnéticos da como resultado la generación de fuerza y la formación del torque; en un motor DC, se tiene un sistema fijo, usualmente el devanado del campo o excitación en el estator, y un sistema en movimiento en el devanado de armadura sobre un eje giratorio o rotor.
La armadura o inducido se encuentra alojada en el circuito magnético giratorio por lo que debe ser alimentada a través de contactos (escobillas) que inciden sobre un colector de delgas, las escobillas y el colector son una de las partes débiles del motor, lo que obliga a una atención especial, porque es el origen frecuente de averías, las escobillas se fabrican de aleaciones de grafito y cobre.
CONTROL DE MOTORES PEQUEÑOS
En motores pequeños, el campo de excitación frecuentemente es provisto por imanes permanentes, mientras que en motores grandes, se necesita una corriente de armadura y una corriente de excitación con el fin de crear los dos campos magnéticos.
El sistema de alimentación de un motor DC puede estar basado en una alimentación con corriente alterna AC, y mediante un rectificador NO CONTROLADO alimentar con corriente DC al campo y mediante un rectificador CONTROLADO alimentar con
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corriente DC variable a la armadura, y variando la corriente por la armadura se variará la velocidad del motor.
La idea central del control de velocidad, control de armadura, requiere la siguiente configuración.
DIAGRAMA DE CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTOR DC
RECTIFICADOR CONTROLADO MONOFÁSICO O TRIFÁSICO RECTIFICADOR NO CONTROLADO MONOFÁSICO O TRIFÁSICO C.a ARMADURA CAMPO
El circuito equivalente e un motor DC de excitación independiente se muestran a continuación.
CIRCUITO EQUIVALENTE DE MOTOR DC
VA Ia If Lf Rf W Cm Cl La Ra VF E + - Donde: Va : tensión de armadura (V) La : Inductancia de armadura (H)
Ra : Resistencia del circuito de armadura(Ω) E : FCEM (tensión de velocidad (V)
Ia : Corriente de armadura (A) Lf : Inductancia del campo (H) Rf : Resistencia del campo (Ω)
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Vf : Tensión del campo (V) If : Corriente del campo (A) w : Velocidad del motor (rad/s)
Cm : Par desarrollado por el motor (N-m) CL : Par motor de la carga (N-m)
FUNCIONAMIENTO
En el instante que aplicamos tensión DC al motor, la fcem es igual a cero, la armadura esta detenida y su corriente es limitada solamente por la resistencia de su circuito que generalmente es muy baja. Conforme el motor va incrementando su velocidad, fcem empieza a aumentar y la corriente a disminuir, debido a que la polaridad de la fcem es opuesta a la de la fuente de alimentación DC, a la tensión de bornes de la armadura se le conoce como fcem.
El valor de la tensión que realmente genera la corriente a través del motor es la tensión diferencial igual a la tensión de la fuente DC – fcem.
Cuando se aplica una carga mecánica al eje del motor, se origina una disminución proporcional de la velocidad y por lo tanto la fcem disminuye lo que trae como consecuencia que la tensión diferencial aumente y ello se traduce en un aumento de la corriente del motor.
Cuando un motor de excitación independiente es excitado mediante una corriente del campo If y en el circuito de armadura fluye una corriente de armadura Ia, el motor desarrolla una fcem. (E) y un par motor (Cm) a una velocidad determinada (w) para equilibrar el par motor de la carga (CL).
La corriente del campo If de un motor de excitación separada es independiente de la corriente de armadura Ia, por lo que cualquier modificación en la corriente de armadura no tiene efecto sobre la corriente de campo, la corriente del campo es, por lo general, mucho menor que la corriente de armadura.
Basado en el circuito equivalente y después de simplificaciones para condiciones de régimen permanente, para los cálculos de los parámetros del circuito se deben usar las formulas: Vf = Rf x If Va = Ra x Ia + E E = Kv x w x If Va = Ra x Ia + Kv x w x If ω = If Kv Ia Ra Va . . − = Rf Vf Kv raIa Va− Cm = Kt x If x Ia Y la potencia desarrollada Pd = Cm x w
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Podemos afirmar; ahora que la velocidad del motor DC puede variarse mediante 1.- El control de la tensión de armadura (Va) y se conoce como control por armadura. 2.- El control de la corriente del campo (if) conocido como control por campo.
3.- La demanda del par motor que corresponde a una corriente de armadura Ia, para una corriente de campo fijo.
La velocidad que corresponde a la tensión especificada de la armadura, a la corriente especificada del campo y a la corriente especificada de la armadura se conoce como velocidad base.
Para una velocidad menor que la velocidad base, la corriente de campo se mantiene constante y a fin de controlar la velocidad del motor, se varía la tensión de armadura. Para velocidades mayores que la velocidad base, la tensión de armadura se mantiene constante y, a fin de controlar la velocidad del motor, se varía la corriente del campo If. sin embargo, la potencia desarrollada por el motor se mantiene constante.
Potencia = Par motor x velocidad
CONTROL DE MOTORES GRANDES
Un motor grande generalmente es alimentado por corriente alterna trifásica y así consideramos en este manual.
En el gráfico se presenta un circuito para el control de velocidad de un motor DC en lazo abierto.
CIRCUITO DE CONTROL DE LAZO ABIERTO
CIRCUITO DE DISPARO
L1 L1
L2 L2
L3 L3
Para potencias menores de 2 Kw, es típico usar rectificadores monofásicos y para potencias mayores se debe emplear rectificadores trifásicos.
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En el circuito de disparo, mediante una tensión CC a través de un potenciómetro, ajustamos el ángulo de disparo de los SCR para obtener la velocidad deseada, disparando los SCR con el ángulo adecuado, el rectificador controlado proporcionara la tensión promedio necesaria para la armadura.
La tensión para el campo o excitación se obtiene a través de un rectificador no controlado, pero si se desea el control de la tensión del campo puede usarse un rectificador controlado.
No siempre los requisitos de accionamiento, como la regulación de la velocidad, puede ser alcanzado por un sistema en lazo abierto, en ciertos casos debe usarse el sistema en lazo cerrado.
En El sistema de control de velocidad de lazo cerrado, la velocidad del motor es detectada por medio de la extracción de una señal DC proporcional a la velocidad, esta señal proviene de un circuito que detecta la fem de la armadura o es proporcionada por un dinamo tacométrico.
Con el circuito de la fem de la armadura se logra capacidades de regulación de ± 2%, y con el dínamo tacométrico, que proporciona una tensión de referencia proporcional a la velocidad de rotación, se obtiene ± 0,1% de regulación.
Para mejorar esta capacidad de regulación, en la actualidad, se usa técnicas digitales para sensar la velocidad, y se puede obtener regulaciones de velocidad de ± 0,002% con el sistema PLL.
En el sistema PLL, la evolución del motor se convierte en un tren de pulsos digitales, mediante un codificador de velocidad, que se compara con el tren de pulsos de referencia (o frecuencia) generando una tensión de salida en PWM proporcional a la diferencia de fases o frecuencias de ambos trenes de pulsos, que irá al convertidor de potencia, modificando por lo tanto, la velocidad del motor.
APLICACIONES
Artefactos y equipos pequeños que trabajan con motor de corriente continua, con control de velocidad por SCR, teniendo la velocidad dependiente del nivel de tensión. Para la propulsión de los materiales en los talleres de laminado, se utilizan los motores de corriente continua con control de velocidad por SCR.
Los Vehículos que trabajan con electricidad utilizan motores de corriente continua, por solo disponer de energía DC y por que el control de la velocidad es mas simple en DC, solo depende de nivel de la tensión.
Los motores DC se utilizan cuando se requiere altos torques de arranque y la velocidad debe variar dentro de amplios limites, principalmente para usos de impulsión muy exigentes; y los motores DC en serie, tradicionalmente, se han utilizado para las aplicaciones de tracción.
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