Física - Electrotécnia

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Apunte de electrotécnia: Motores de Corriente Continua.

Motores de Corriente Continua

En general, los motores de corriente continua son similares en su construcción a los generadores. De hecho podrían describirse como generadores que funcionan al revés. Cuando la corriente pasa a través del rotor de un motor de corriente continua, se genera un par de fuerzas por la reacción magnética, y el rotor gira. La acción del conmutador y de las conexiones de las bobinas del campo de los motores son exactamente las mismas que usan los generadores. La revolución del rotor induce un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto en la dirección al voltaje exterior que se aplica a el rotor, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o fuerza contraelectromotriz. Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido aumenta hasta que es casi igual al aplicado. La corriente entonces es pequeña, y la velocidad del motor permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo carga y tenga que realizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para mover el rotor.

Bajo carga, el rotor gira más lentamente, reduciendo el voltaje inducido y permitiendo que fluya una corriente mayor en el rotor. El motor puede así recibir más potencia eléctrica de la fuente, suministrándola y haciendo más trabajo mecánico.

Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en el rotor, deben usarse aparatos especiales para arrancar los motores de corriente continua. Cuando el rotor está parada, ésta no tiene realmente resistencia, y si se aplica el voltaje de funcionamiento normal, se producirá una gran corriente, que podría dañar el conmutador y las bobinas del rotor. El medio normal de prevenir estos daños es el uso de una resistencia de encendido conectada en serie a el rotor, para disminuir la corriente antes de que el motor consiga desarrollar el voltaje inducido adecuado. Cuando el motor acelera, la resistencia se reduce gradualmente, tanto de forma manual como automática.

La velocidad a la que funciona un motor depende de la intensidad del campo magnético que actúa sobre el rotor, así como de la corriente de ésta. Cuanto más fuerte es el campo, más bajo es el grado de rotación necesario para generar un voltaje inducido lo bastante grande como para contrarrestar el voltaje aplicado. Por esta razón, la velocidad de los motores de corriente continua puede controlarse mediante la variación de la corriente del campo.

Ver esquema

Los carbones cierran el circuito de la fuente con las dos delgas y la espira conectada a ellas, de esta forma circula corriente por las espiras, como esto ocurre dentro de un campo magnético, aparecen fuerzas sobre las espiras y el rotor comienza a girar.

Como la espira gira dentro del campo lo hace cortando líneas de campo, lo mismo ocurre con las fuerzas, pero esto induce una fuerza electromotriz que se opone a la de la fuente y se denomina fuerza contra electromotriz (fcem) según la ley de Lenz.

V = f _cem + I.R_i

Donde: V: tensión de la fuente.

fcem: fuerza contra electromotriz (E).

R_i: resistencia interna de la máquina (resistencia de las espira más resistencia de los carbones).

Multiplicando ambos términos por la corriente:

V.I = I.E + I ².R_i

Donde: V.I: Potencia absorbida.

I.E: Potencia mecánica.

I ².R_i: Potencia disipada en el cobre.

Si:

E = k.Φ.n

Donde:

Φ: Flujo del campo.

n: velocidad de giro (rpm)

Se tiene la fórmula principal de la máquina:

V = k.Φ.n + I ².R

De donde se deduce que para cualquier máquina de corriente continua disminuye el campo disminuyendo el número de vueltas.

n = (V - I.R_i).(k.Φ)

En cuanto a la potencia mecánica tenemos:

P _mec = 1,027.T(kgm).n(rpm) = 0,104.T(Nm).n(rpm)

Donde la constante k depende de las unidades que se usen. Con respecto al torque (T) o cupla o par tenemos:

T = k´.P _mecánica/n

T = k´.E.I/n

T = k´.k.Φ.n.I/n

T = k´.k.Φ.I

Finalmente:

T = k₂.Φ.I

Para el momento del arranque de la máquina n = 0.

I = (V - k.Φ.n)/R_i

I = V/R_i

Como R_i es pequeña la corriente sería muy grande, por lo tanto se debe agregar una resistencia para el arranque lo suficientemente grande como para que la corriente este dentro de valores admisibles.

I = (V - k.Φ.n)/R_i

I _arranque = V/(R_i + R _arranque)

Esta resistencia es variable y su valor se reduce a medida que aumentan las vueltas del motor.