Relación entre la velocidad del motor y la tensión
Funcionamiento de un motor eléctrico con escobillas con un rotor bipolar (inducido) y un estator con imanes permanentes. Los signos “N” y “S” designan las polaridades en las caras interiores del eje de los imanes; las caras exteriores tienen polaridades opuestas. Los signos + y – indican dónde se aplica la corriente continua al conmutador que suministra corriente a las bobinas del inducido
El tren de rodaje de la locomotora de la clase DD1 de los Ferrocarriles de Pensilvania era un par semipermanente de motores eléctricos de corriente continua de tercer carril construidos para la electrificación inicial del área de Nueva York cuando se prohibieron las locomotoras de vapor en la ciudad (aquí se ha eliminado la cabina de la locomotora).
Un motor de corriente continua es cualquiera de una clase de motores eléctricos rotativos que convierte la energía eléctrica de corriente continua (CC) en energía mecánica. Los tipos más comunes se basan en las fuerzas producidas por los campos magnéticos. Casi todos los tipos de motores de CC tienen algún mecanismo interno, electromecánico o electrónico, para cambiar periódicamente la dirección de la corriente en parte del motor.
Función de transferencia del motor de corriente continua
La velocidad, el par, la potencia y la tensión son consideraciones importantes a la hora de elegir un motor. En este blog de dos partes, nos adentraremos en los detalles de las velocidades de los motores. En la primera parte, hablaremos de las diferencias de velocidad entre los distintos tipos de motores y, en la segunda, veremos cuándo hay que considerar la posibilidad de añadir una caja de cambios a la aplicación.
Los motores de CA son únicos porque están construidos para funcionar a velocidades específicas, independientemente de su diseño o fabricante. La velocidad de un motor de CA depende del número de polos que tenga y de la frecuencia de la línea de alimentación, no de su tensión. Las unidades de motor de CA comunes se construyen con dos o cuatro polos. Se crea un campo magnético en los polos del estator que induce campos magnéticos resultantes en el rotor que siguen la frecuencia del campo magnético cambiante en el estator. Los motores de CA de dos polos que operan a 60 Hz siempre funcionarán a aproximadamente 3600 rpm, y los motores de CA de cuatro polos tendrán velocidades de alrededor de 1800 rpm.
Tenga en cuenta que la velocidad de un motor de CA no funcionará a estos números exactos -y será ligeramente inferior- porque hay una cierta cantidad de deslizamiento que debe estar presente para que el motor produzca par. El rotor siempre girará más despacio que el campo magnético del estator y está jugando constantemente a ponerse al día. Esto produce el par para que un motor de CA funcione. La diferencia entre las velocidades síncronas del estator (3600 y 1800 rpm) y la velocidad real de funcionamiento se denomina deslizamiento. (Para más información sobre el deslizamiento, consulte nuestro blog Motores síncronos y de inducción: Descubriendo la diferencia).
Motor de corriente continua de excitación independiente
La velocidad del motor es un parámetro de un motor de CC que suele medirse y controlarse, normalmente mediante sensores adicionales y con retroalimentación de bucle cerrado. Este método de control de la velocidad requiere algún tipo de sensor de velocidad, normalmente montado en el eje del motor. Algunos de nuestros motores de CC y motorreductores tienen ejes traseros precisamente para este fin, como el 212-109.
Los sensores Hall y los sensores ópticos se utilizan habitualmente con los controladores digitales, mientras que los circuitos analógicos suelen utilizar tacogeneradores. Con el control PWM es posible conseguir una buena precisión, flexibilidad y reducir las pérdidas de potencia. Sin embargo, esto tiene el coste de un componente adicional y, potencialmente, de una modificación del diseño mecánico si se pretende utilizarlo en un producto existente.
Un motor de CC se modela como una conexión en serie de la resistencia interna y la fuente de tensión de retroemisión. La tensión en los terminales del motor es la suma de la FEM de retorno y la tensión que cae sobre la resistencia de la bobina.
La caída de tensión sobre la resistencia interna del inducido depende de la corriente del motor (y, por tanto, del par de carga). Es imposible medir la velocidad directamente midiendo sólo la tensión en los terminales del motor.
Regulador de velocidad del motor de corriente continua
La contrafase Eb de un motor de corriente continua no es más que la contrafase inducida en los conductores de la armadura debido a la rotación de la armadura en el campo magnético. Así, la magnitud de Eb puede ser dada por la ecuación de EMF de un generador de CC.
Para controlar el flujo, se añade un reóstato en serie con el devanado de campo, como se muestra en el diagrama del circuito. Si se añade más resistencia en serie con el devanado de campo, aumentará la velocidad al tiempo que se reduce el flujo. En los motores shunt, como la corriente de campo es relativamente muy pequeña, la pérdida Ish2R es pequeña. Por lo tanto, este método es bastante eficiente. Aunque la velocidad puede aumentarse por encima del valor nominal reduciendo el flujo con este método, pone un límite a la velocidad máxima ya que el debilitamiento del flujo de campo más allá de un límite afectará negativamente a la conmutación.
La velocidad de un motor de corriente continua es directamente proporcional a la contrafase Eb y Eb = V – IaRa. Es decir, cuando la tensión de alimentación V y la resistencia del inducido Ra se mantienen constantes, entonces la velocidad es directamente proporcional a la corriente del inducido Ia. Por lo tanto, si añadimos una resistencia en serie con el inducido, Ia disminuye y, por lo tanto, la velocidad también disminuye. Cuanto mayor sea la resistencia en serie con el inducido, mayor será la disminución de la velocidad.