Motor de corriente continua (cc) o directa (DC)
En esta guía de motores de corriente continua vas a poder descubrir qué es, algunas configuraciones comunes y ecuaciones correspondientes para su análisis.
¿Qué es un motor de corriente directa?
Los motores de Corriente Directa o motor DC(correspondiente a las iniciales en inglés “direct current”) es también conocidos como motor de Corriente Continua o motor CC, son muy utilizados en diseños de ingeniería debido a las características torque-velocidad que poseen con diferentes configuraciones eléctricas o mecánicas.
Una gran ventaja de los motores de CD se debe a que es posible controlarlos con suavidad y en la mayoría de los casos son reversibles, responden rápidamente gracias a que cuentan con una gran razón de torque a la inercia del rotor. Otra ventaja es la implementación del frenado dinámico, donde la energía generada por el motor se alimenta a un resistor disipador, y el frenado regenerativo donde la energía generada por el motor retroalimenta al suministro de potencia CD, esto es muy utilizado en aplicaciones donde se deseen frenados rápidos y de gran eficiencia.
Curva torque - velocidad
La siguiente gráfica es una representación de los torques que un motor puede proporcionar a diferentes velocidades a los voltajes nominales.
Para un dado torque proporcionado por el motor, se puede utilizar la curva corriente-torque para determinar la corriente requerida cuando se le aplica el voltaje nominal al motor.
Como regla general, los motores generan grandes torques a baja velocidad, y grandes torques implican una demanda mayor de corriente por parte del motor.
- El torque de arranque o torque crítico (Ts): Es el torque máximo que puede proporcionar un motor a velocidad cero, asociado con el arranque o sobrecarga del motor.
- La velocidad de no carga (WMáx): Es la máxima velocidad sostenida que puede lograr el motor. Esta velocidad sólo se puede lograr cuando no se aplica carga o torque al motor.
Clasificación de los motores de corriente directa
Los motores de corriente directa se pueden clasificar de acuerdo con la forma en que crean los campos magnéticos del estator.
Motores de imán permanente (PM)
En este tipo de motores, los campos del estator son generados mediante imanes permanentes que no requieren fuente de alimentación externa y por lo tanto no producen un calentamiento. Los motores PM son más ligeros y pequeños en comparación con otros motores de CD con algunas características equivalentes ya que la intensidad del campo del imán permanente es alta. También resulta sencillo invertir el sentido de giro al conmutar la dirección del voltaje aplicado, ya que la corriente y el campo cambian de dirección sólo en el rotor.
El motor de imán permanente es ideal en aplicaciones de control por computadora debido a su linealidad torque-velocidad, aunque únicamente se utilizan en aplicaciones de baja potencia pues su potencia nominal usualmente se limita a 5 hp (3278 W) o menos.
Los motores CD de imán permanente pueden ser motores con escobillas, sin escobillas o de pasos.
Motor shunt
Conformados por una armadura y devanados de campo conectados en paralelo que son activados mediante la misma fuente. Los motores shunt presentan velocidad casi constante sobre un gran rango de carga, cuentan con un torque de arranque de aproximadamente 1.5 veces el torque operativo nominal, tienen torque de arranque más bajo que cualquiera de los motores de CD y se puede convertir económicamente para permitir una velocidad ajustable al colocar un potenciómetro en serie con los devanados de campo. La corriente de carga total es la suma de las corrientes de armadura y campo.
Motor serie
Cuentan con devanados de armadura y campo conectados en serie, de modo que las corrientes de armadura y campo son iguales. Los motores en serie generan torques de arranque muy altos, velocidad extremadamente variable dependiendo de la carga, y gran velocidad cuando la carga es pequeña.
Los motores en serie grandes pueden fallar catastróficamente cuando se descargan súbitamente debido a la fuerza dinámica a altas velocidades, a esto se le llama sin control.
La curva torque-velocidad para un motor en serie tiene forma hiperbólica, lo que implica una relación inversa entre el torque y la velocidad, con una potencia casi constante.
Motor compuesto
Estor motores incluyen tanto devanados de campo en derivación como en serie, lo que resulta en características combinadas de motores en derivación y en serie.
Parte de la corriente de carga pasa a través de los devanados de armadura y serie, la corriente de carga restante pasa sólo a través de los devanados en derivación. La velocidad máxima de un motor compuesto es limitada, su regulación de velocidad no es tan buena como la de un motor en derivación. El torque producido por los motores compuestos es un poco menor que el de los motores en serie de similar tamaño.
Nota: A diferencia del motor de imán permanente, cuando cambia la polaridad de la alimentación para un motor CD en derivación, en serie o compuesto, el sentido de rotación no cambia (lo que significa que dichos motores no son reversibles). La razón de esto es la polaridad del estator y el rotor cambia debido a que los devanados de campo y armadura son excitados por la misma fuente.
Ecuaciones eléctricas y dinámicas de un motor de corriente continua
El modelo eléctrico del motor más representativo para obtener las ecuaciones mencionadas se muestra a continuación, se debe de tener en consideración que todo lo mencionado en este tema son conceptos básicos. Si usted utiliza las fórmulas debe de tener en consideración que la relación velocidad-torque de un motor de corriente continua de excitación de campo constante tendrá una variación en su curva característica dependiendo del tipo de conexión del campo.
Ecuaciones eléctricas para motor de CD
La impedancia de la armadura del motor de CD se puede indicar como una resistencia R en serie con la combinación en paralelo de una inductancia L y una segunda resistencia RL. Conforme la armadura conductora comienza a rotar en el campo magnético producido por el estator, un voltaje llamado contra-fem Vfem se induce en los devanados de la armadura en oposición al voltaje aplicado. La contra-fem es proporcional a la velocidad del motor ω en rad/s:
Donde la constante de proporcionalidad ke se llama constante eléctrica del motor.
La pérdida resistiva en el circuito magnético(RL), es usualmente en orden de magnitud mayor que R, la resistencia de los devanados, y se puede despreciar. Si el voltaje aplicado a la armadura es Vent, la corriente a través de la armadura es Ient, y si se supone que RL = 0, la ecuación eléctrica para el motor es:
Ecuaciones dinámicas para motor de CD
Para este caso se analizará un motor de CD de imán permanente ya que es más fácil de entender y analizar, se pueden observar con mayor detalle sus ecuaciones gobernantes. Debido a la interacción entre el campo del estator y la corriente de armadura, el torque generado por un motor PM de CD es directamente proporcional a la corriente de armadura:
Donde ki se define como la constante de torque del motor.
La constante eléctrica ke y la constante de momento de torsión kt de un motor de imán permanente son parámetros muy importantes y con frecuencia se reportan en las especificaciones del fabricante. Cuando se consideran las dinámicas del motor y de su carga, el torque generado del motor T está dada por:
Donde Ja y JL son los momentos de inercia polares de la armadura y la carga unida, Tf es el torque fraccionario que se opone a la rotación de la armadura y Tl es el torque disipado por la carga.
Al aplicar algún voltaje a un motor de CD de imán permanente, el rotor se acelera hasta que se logra una condición operativa de estado estacionario. La ecuación en estado estacionario sería:
La potencia entregada por el motor a diferentes velocidades se puede expresar como:
La máxima potencia de salida ocurre cuando derivamos e igualamos nuestra ecuación a cero:
La velocidad para lograr máxima potencia de salida de un motor de imán permanente es, la mitad de la velocidad de no carga.
La corriente crítica Is, en términos de la resistencia de armadura y suministro de voltaje es:
Está ecuación para corriente es válida sólo cuando el rotor del motor no gira; de otro modo, la corriente del rotor es afectada por la contra-fem inducida en los devanados del motor. La corriente crítica es la máxima corriente a través del motor para una fuente de voltaje dada.