Unidad 7: Motores eléctricos de corriente continua I. Los motores eléctricos se pueden clasificar según la corriente empleada en:

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1 INTRODUCCIÓN Los motores eléctricos se pueden clasificar según la corriente empleada en: PARTES DE UN MOTOR ELÉCTRICO Hemos visto que el generador es una máquina reversible. Es decir, puede actuar también como motor, transformando la energía eléctrica en energía mecánica. Así pues, esencialmente, ambas máquinas son semejantes. Los componentes fundamentales son: Como en la actualidad la producción de energía eléctrica se lleva a cabo casi en su totalidad bajo la forma de corriente alterna, la máquina eléctrica de CC es más utilizada como motor que como generador. MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE CONTÍNUA Un motor elemental de CC dispone de una espira conductora rectangular, por el que circula una corriente eléctrica, situada en el seno de un campo magnético uniforme. Éste ejerce sobre la espira un par de fuerzas electromagnéticas que la hacen girar produciendo un trabajo mecánico. Como los extremos de la espira están conectados a un colector de delgas (piezas cilíndricas conductoras), el

2 sentido de la corriente se invierte media vuelta y el par de fuerzas hace girar a la espira siempre en el mismo sentido. PARTES DE UN MOTOR Todos los motores eléctricos tienen dos partes: El estator (El inductor): Es la parte fija del motor y está unido a la carcasa. El estator contiene el devanado inductor que es el elemento necesario para crear el campo magnético. El rotor (El inducido): Es la parte que gira dentro del estator. Según su función se podría establecer esta otra clasificación: Inductor o estator: Es el que crea el campo magnético. Puede estar formado por uno o varios imanes fijos o bien por electroimanes. Inducido o rotor: Formado por una o varias bobinas de cable que están situadas dentro del campo magnético creado por el inductor. Colector: Se encarga de llevar la corriente a las bobinas. En el caso de funcionar el motor con corriente continua el colector está formado por un anillo metálico separado en dos mitades (delgas) Escobillas: Transmiten la corriente al colector, están apoyadas sobre él y evitan que el cable se enrede al girar.

3 PARTES DE UN MOTOR ELÉCTRICO DE CORRIENTE CONTÍNUA En un motor de CC las partes principales son: 1. El devanado inductor o de excitación: Dos bobinas de hilo de cobre enfrentadas. Están arrolladas a los polos que crean el campo magnético. En esencia se trata de un electroimán. Esta parte del motor se encuentra en el estator (la parte fija del motor) 2. El devanado inducido: Consiste en una serie de espiras abiertas que están conectadas al colector de delgas. Forma parte del rotor o parte móvil del motor. 3. El colector de delgas: Conjunto de láminas de cobre aisladas entre sí por finas láminas de mica casi pura y que giran solidariamente con el motor. Cada delga está eléctricamente unida al punto de conexión de dos bobinas del devanado inducido, de forma que habrá tantas delgas como bobinas simples tenga el inducido. 4. Las escobillas: Piezas de grafito (material conductor de la electricidad) que están conectadas con el colector de delgas. Aseguran el contacto eléctrico.

4 RESUMEN DEL FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR ELÉCRICO Y LAS PARTES QUE LO COMPONEN Los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en energía mecánica. Así, la corriente eléctrica tomada de la red recorre las bobinas o devanados del motor, en cuyo interior se crean campos magnéticos que generan fuerzas que impulsan el movimiento de rotación de la parte móvil del motor (rotor). En los motores de corriente continua distinguimos dos partes fundamentales: a) El devanado inductor o excitador, localizado en el estator, al que se aplica una corriente continua, que genera un campo magnético definido por el vector inducción magnética ( B ) b) El devanado inducido, localizado en el rotor, al que se aplica una corriente continua y en el que se genera una fuerza electromagnética de valor: F = L. I. B. Debido a esta fuerza, el eje del rotor experimenta un par que hace que gire produciendo energía mecánica Por otro lado, el movimiento del rotor, genera una fuerza contraelectromotriz (E '), que representa el consumo de energía eléctrica por unidad de carga del motor y que depende de la velocidad de giro del rotor y del flujo magnético creado en el inductor. En corriente continua, el devanado inductor lo podemos sustituir por una resistencia y el devanado inducido por una fuerza contraelectromotriz y una resistencia interna. Figura: Esquema de funcionamiento de un motor de corriente continua

5 MAGNITUDES FUNDAMENTALES EN LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Par interno: es el par que experimenta el eje del rotor. Viene dado por la expresión: siendo: M i = K. I i. el flujo magnético generado en el inductor (en weber, Wb) I i es la intensidad del inducido (en amperios, A) K una constante que depende de la configuración del motor. Fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m): Es la caída de voltaje que se produce en el circuito inducido. Su expresión es la siguiente: E = K. n. es el flujo magnético generado en el inductor (en weber, Wb) n la velocidad de giro del rotor (en rpm) K es una constante que depende de la configuración del motor 1. En un motor de corriente continua el voltaje disponible para suministrar la corriente es la diferencia entre la tensión aplicada (U) y la f.c.e.m. (E ) 2. Una vez que la tensión aplicada, U, y la f.c.e.m, E, se equilibran aparece la intensidad por el inducido, I i. U E ri. Ii U es el voltaje de alimentación (en V) E es la f.c.e.m. (en V) I i es la intensidad de inducido (en A) R i es la resistencia de inducido () Un motor eléctrico de corriente continua, si exceptuamos el circuito del inductor, se puede representar por un generador en oposición con la red a la cual se conecta de fuerza contraelectromotriz E. En serie con él, colocaremos una resistencia ri, tal como podemos apreciar en la figura. Ejemplo 1: Un motor de corriente continua está conectado a una red de 250 V de tensión, gira a una velocidad de rpm y desarrolla una fuerza contraelectromotriz de 230 V. Si la resistencia interna es de 2, halla la intensidad en el motor.

6 Ejemplo 2: Por un motor de corriente continua circula una intensidad de 7,5 A. Sabemos que la tensión de la red a la cual se ha conectado es de 150 V y que la resistencia interna es de 2. Determina la fuerza contraelectromotriz TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE CONTINUA En los apartados anteriores comentamos que, para constituir un motor de corriente continua, necesitamos un circuito inductor y un circuito inducido; en función de cómo se conecten ambos, obtendremos los distintos tipos de motores de corriente continua. A) Motores de excitación independiente En la figura se representa el esquema de un motor de corriente continua de excitación independiente y su circuito eléctrico equivalente. El devanado inducido (A, B) y el devanado inductor (J, K) están alimentados con fuentes de tensiones distintas e independientes. El flujo será constante porque I ex también lo es. La intensidad que el motor absorbe de la red se determina con la siguiente expresión: U E I Ii ri U es el voltaje de alimentación (en V) E es la f.c.e.m. (en V) I i es la intensidad de inducido (en A) R i es la resistencia de inducido () Ejemplo 3: Calcula la fuerza contraelectromotriz característica en un motor de excitación independiente que consume 10 A, cuya resistencia interna vale 1 y que está conectado a una línea de 240 V

7 B) Motores de excitación en derivación En la figura se representa el esquema de conexiones de un motor de corriente continua excitación derivación y su circuito eléctrico equivalente. El motor derivación es prácticamente igual al motor de excitación independiente, la única diferencia estriba en que el devanado de excitación (C, D) está conectado a la misma fuente de tensión que el inducido (A, B). En este tipo de motor se cumple lo siguiente: El flujo es constante porque la Iex también lo es: U Iex Rd La intensidad del inducido I i toma la siguiente expresión: U E Ii ri La intensidad que el motor absorbe de la red vale: I = I i + I ex. U es el voltaje de alimentación (en V) Las ecuaciones anteriores se pueden escribir también: E es la f.c.e.m. (en V) I es la intensidad del motor (en A) U = E + r i.i i I i es la intensidad de inducido (en A) U = R ex. I ex Iex es la intensidad del circuito de excitación (en A) I = I i + I ex r i es la resistencia del devanado inducido (en ) R d (también se puede expresar como R ex )es la resistencia del devanado de excitación (en ) Ejemplo 4: Un motor derivación tiene las siguientes características: U = 240 V, E = 220 V, Ri = 1 y R ex = 200. Halla I ex, I i e I total

8 Ejemplo 5: Un motor derivación está conectado a una red de tensión U = 200 V; la resistencia de excitación tiene un valor Rd = 200 y la resistencia interna ri = 4. La E en condiciones nominales de trabajo tiene un valor de 160 V. Determina las intensidades en los diferentes circuitos. C) Motores excitación en serie La figura representa el esquema de conexiones de un motor de corriente continua excitación serie y su esquema eléctrico equivalente. En este tipo de motor el inductor (E, F) está en serie con el inducido (A, B), lo que implica que el flujo magnético va a depender de la carga. Si ésta es variable, el flujo también lo será: U E I Ii Iex r i r s U es el voltaje de alimentación (en V) E es la f.c.e.m. (en V) I es la intensidad del motor (en A) I i es la intensidad de inducido (en A) Iex es la intensidad del circuito de excitación (en A) r i es la resistencia del devanado inducido (en ) r s (también r ex es la resistencia del devanado de excitación (en ) Existen otros tipos de motores de corriente continua que mezclan las características del motor serie y del motor derivación, pero no vamos a estudiarlos porque exceden los objetivos previstos. Ejemplo 6: Un motor de corriente continua de excitación serie tiene las siguientes características: U = 240 V, E = 210 V, ri = 1, R ex = 2. Halla I ex, I i e I total

9 Ejemplo 7: Un motor serie conectado a una red de 200 V de tensión tiene las siguientes características: ri = 2 ; rs = 4. En condiciones nominales la E tiene un valor de 170 V. Halla las intensidades de excitación, inducido y carga.