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• Generalidades conceptuales de las máquinas
eléctricas rotativas
• Partes que la conforman.
• Principios funcionales
• Datos técnicos de placa y hoja de datos.
• Grado de protección IP (norma internacional CEI
60529)
• Nociones de sistemas de enfriamiento de
máquinas eléctricas.
• Conexionado y designaciones normadas para los
bornes de las máquinas eléctricas.
• Simbología
• Motores de C.C.
• Serie
• Paralelo
• Mixto
• Motores de C.A.
• Síncrono
• Monofásicos
• Asíncronos
Universales
Fase partida
• Trifásicos
• Generadores y alternadores
• Definición
• Principio de funcionamiento
• Símbolo normalizado
• Mantenimiento básico:
• Rodamientos
• Engrase
• Desarme básico
• Limpieza y soplado
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
En los motores de corriente continua (cc) concurren
una serie de características que les hace
especialmente indicados para ciertas aplicaciones,
por lo que cada día son más empleados en el ámbito
industrial.
La amplia gama de velocidad que ofrecen, su fácil
control y la gran flexibilidad de las curvas par-
velocidad de este tipo de motores, así como el que
presentan un alto rendimiento para un amplio
margen de velocidades, junto a su elevada capacidad
de sobrecarga, los hace más apropiados que los
motores de corriente alternan para muchas
aplicaciones.
DESARROLLO DEL PLAN DE PRÁCTICA PEDAGÓGICA CUADERNILLO # 1-3-AUTOMATISMO-2023
TEMA: Motores de corriente directa
Institución Educativa: COLEGIO TECNICO DE SAN SEBASTIAN Curso lectivo: 2023 Nivel: Undécimo
Nombre del Docente (autor del documento): JUAN ERNESTO ARIAS TENORIO Especialidad: ELECTRONICA INDUSTRIAL
Modalidad: INDUSTRIAL Subárea: Automatismo Industrial Unidad de Estudio: Mantenimiento de Máquinas
Eléctricas
Competencias para el desarrollo humano: Capacidad de negociación Tiempo estimado: Horas/semana:
Campo detallado: 0714 Eje Política Educativa: Educación para el desarrollo sostenible
Resultados de aprendizaje 3. Desarrollar procedimientos de mantenimiento en máquinas eléctricas rotativas monofásicas y
trifásicas con seguridad y acorde a la normativa vigente.
Otra ventaja significativa es la facilidad de inversión
de giro de los grandes motores con cargas elevadas,
al tiempo que son capaces de actuar de modo
reversible, devolviendo energía a la línea durante los
tiempos de frenado y reducción de velocidad.
Además de que tienen un tamaño muy reducido y no
contaminan el medio ambiente. Son convertidores
electro-mecánicos rotativos de energía que debido a
los fenómenos de inducción y de par
electromagnético, transforman energía eléctrica, de
naturaleza continua, en energía mecánica.
Los primeros motores eléctricos construidos en el
siglo XIX por Michael Faraday y Zénobe Gramme,
fueron de corriente continua.
La corriente continua captada de la red recupera los
devanados del motor, generando campos
magnéticos que dan lugar a fuerzas que provocan el
movimiento rotativo del motor.
Diremos que el motor trabaja en vacío cuando no
tenga acoplado en su eje ningún objeto y no realice
por lo tanto ningún trabajo útil, ya que no arrastra
ninguna carga, en esas condiciones la potencia
eléctrica absorbida de la red es mínima, ya que
solamente sería la necesaria para producir el campo
magnético inductor, puesto que en vacío el par
motor sería cero y también sería nula la intensidad
del inducido.
Se dice que un motor funciona con carga cuando
está arrastrando algún objeto que le obliga a
absorber energía mecánica.
La idoneidad de este tipo de motores para arrastrar
máquinas que precisan una amplia gama de
mecanismos de velocidad con un preciso y ajustado
control de las mismas, han provocado que
últimamente, estos motores tendrán más presencia
en diversos procesos industriales que requieren de
esta característica.
Igualmente son los motores de elección en el ámbito
de la juguetería, del tipo de imanes permanentes se
pueden conseguir potencias desde algún watio a
hasta cientos de watios.
Así como en los equipos de lectura de CD, en los
giradiscos y en las unidades de almacenamiento
magnético, donde se utilizan motores de imán fijo y
sin escobillas, estos motores proporcionaron un
control eficaz de la velocidad y un elevado par de
arranque.
PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
Para conocer la dirección de la fuerza se aplica la
regla de la mano izquierda, tal y como vemos en la
figura, si colocamos los dedos de la mano izquierda
índice, corazón y abiertos pulgar y perpendiculares
entre sí, de modo el índice coincide con el sentido de
la inducción magnética; el corazón coincide con el de
la corriente eléctrica que recupera el conductor, el
pulgar indicará el sentido de la fuerza que se ejerce
sobre el conductor.
La fuerza tendrá el valor máximo cuando el campo
magnético sea perpendicular al conductor y será
nula cuando el campo sea paralelo al sentido de la
corriente eléctrica.
CONSTITUCIÓN
Estator:
E s una corona de material ferromagnético, llamado
carcasa, culata o yugo, en cuyo interior y
regularmente distribuidos se encuentran, en
número par, los polos inductores, sujetos mediante
tornillos a la carcasa, están fabricados por un núcleo
y por unas expansiones en sus extremos. Alrededor
de los polos se encuentran unas bobinas, que
constituyen el inductor devanado, generalmente de
hilo de cobre aislado que, al ser alimentados por una
corriente continua, generan el campo inductor de la
máquina, presentando alternativamente
polaridades norte y sur (siempre debe haber un
número par de polos).
En las máquinas de potencia cierta se encuentran
distribuidores alternativamente entre éstos, otros
polos auxiliares o de conmutación, macizos y sin
expansiones, cuya misión es facilitar la conmutación
y evitar la generación de chisporroteo en el contacto
entre las delgas del colector y las escobillas.
Entrehierro:
Así se llama al espacio que hay entre el estator y el
rotor, es imprescindible que exista para evitar el
rozamiento entre ambos, aunque debe ser lo menor
posible, ya que el aire presenta una elevada
reluctancia magnética, y si el entrehierro fuera muy
amplio se debilitaría el campo magnético inductor.
Rotor:
Construido con chapas de acero con bajo contenido
en silicio de 0,5 mm de espesor, aisladas unas de
otras por una capa de barniz o de óxido, está
montada sobre el eje de la máquina. En su superficie
externa tiene practicadas unas ranuras de una cierta
inclinación respecto a su generatriz donde van
alojadas las bobinas del devanado inducido de la
máquina, generalmente de hilo de cobre
convenientemente aislado.
Colector de delgas:
Va montado sobre el eje de giro y debe disponer de
tantas delgas como bobinas tiene el devanado
inducido, cada delga está unida eléctricamente al
punto de conexión de una bobina con otra. Las
delgas están fabricadas de cobre elevado de pureza
y están separadas unas de otras por unas delgadas
películas de mica que las mantienen apartadas.
Escobillas:
Son los elementos que aseguran el contacto eléctrico
entre las delgas del colector y el circuito de corriente
continua exterior, están manufacturas de carbón
(grafito) y están permanentemente rozando sobre el
colector, van sujetas en un collarín porta escobillas
que mantiene la presión prevista mediante
elementos elásticos para asegurar que el contacto
sea el adecuado, por ello se produce un desgaste
progresivo que acorta su vida útil, teniendo que
sustituirlas cada cierto tiempo. Desde las escobillas
se conecta con la placa de bornes de la maquina
FASES DE FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR CC
Se distinguen claramente varias fases de
funcionamiento de los motores de cc
Arranque:
Es el momento inicial en el que, partiendo del
reposo, se conecta a la red, en ese instante el motor
debe vencer el par resistente que se le opone
fabricado por las resistencias debidas a la inercia y
los rozamientos de los órganos móviles del motor,
este par resistente debe ser inferior al par de
arranque del motor, porque de no ser así el motor
no arrancaría.
Este régimen es crucial para el motor ya que la
intensidad captada de la línea alcanza picos muy
elevados que pueden ocasionar graves daños a la
línea y quemar los bobinados del motor.
Aceleración:
Es el periodo en que el motor va ganando velocidad
hasta alcanzar el régimen nominal, por ello el par
motor debe ser muy potente en esta fase, ya que
además de vencer el par resistente debe acelerar el
motor hasta alcanzar la velocidad de funcionamiento
normal.
Régimen nominal:
Es cuando el motor ha alcanzado su marcha nominal
y se mantienen todos los parámetros, en este
instante el par motor debe ser igual al par resistente
y de signo opuesto.
Estabilidad en los motores de cc:
Tras alcanzar el régimen nominal, pueden
modificarse los parámetros del motor de forma
inesperada, debido a pérdidas de carga,… para que
el motor se comporte de modo estable es preciso
que responda a estas variaciones de modo que trate
de anularlas, para recuperar el régimen nominal, de
no ser así, se dice que el sistema es inestable, es
decir, cuando tras
Por lo tanto, cuando se produce un aumento brusco
de velocidad, el motor estable responde con un par
motor inferior al resistente, para tratar de reducir la
velocidad y así recuperar el régimen nominal. Si el
motor fuera inestable, el par motor sería mayor que
el resistente con lo que aumentaría progresivamente
la velocidad, embalándose el motor.
Si las variaciones de régimen son en el sentido de
disminuir la velocidad, un motor estable responde
amentando su par motor frente al resistente para
tratar de corregir la velocidad y recuperar el régimen
nominal de trabajo.
Inversión del sentido de giro:
El motor puede funcionar en ambos sentidos de giro,
para lo que es necesario intercambiar las conexiones
de ambos devanados.
Recordemos que el sentido del par motor depende
de la polaridad del campo magnético y del sentido de
la corriente del inducido; si invertimos las
conexiones del inducido, invertimos el sentido de la
corriente en él, y si lo hacemos en el inductor
invertiremos la polaridad del campo magnético. Si se
cambia el sentido de giro con el motor detenido, no
importa cuál sea el devanado en el que se permutan
las conexiones, pero si el cambio de sentido de giro
se realiza con el motor en marcha, es necesario que
sea el devanado inducido el que cambie de conexión,
porque si se hizo con el bobinado del inductor,
durante un instante quedará la máquina sin
excitación, lo que provocaría el embalamiento del
motor.
Frenado de un motor de cc:
para detener un motor no es suficiente con
desconectarlo de la red, ya que por inercia éste
continuaría girando. Existen tres procedimientos
distintos para frenar un motor:
Frenado dinámico, se hace funcionar al motor como
generador, transformando la energía mecánica de
rotación en energía eléctrica, que puede ser
inmediatamente consumida en unas resistencias
conectadas al efecto (frenado reostático), o bien se
cedea la red de alimentación eléctrica (frenado
regenerativo).
Frenado en contramarcha, para lo que se precisa
invertir el sentido del par electromagnético mientras
el motor está en marcha.
ARRANQUE DE MOTORES CC
El arranque de un motor es el instante en que se
conecta a la red. En ese momento, el par motor debe
ser mayor que el par resistente que opone la carga.
En el instante del arranque, al estar parado el motor
su velocidad es nula, por lo que la fuerza
contraelectromotriz que es proporcional a la
velocidad también es nula. Esto provoca que toda la
tensión de alimentación caiga en el devanado del
inducido, por lo que en el instante del arranque la
intensidad que recorre el motor es muy elevado,
pudiendo alcanzar valores de hasta diez veces la
intensidad nominal en régimen de funcionamiento
estable y más aún para motores de gran potencia,
que es cuando el motor ha alcanzado una velocidad
que se mantiene constante, ya que el par motor y el
par resistente de la carga están equilibrados.
La intensidad que registra el inducido tiene por
expresión:
Como en el arranque E=0, ya que ω=0, la expresión
anterior resulta
Por lo que para limitar la corriente de arranque a
valores compatibles con los requisitos del trabajo, y
que no provoque efectos perjudiciales para los
devanados se introduzca una resistencia en serie con
el inducido, que consistirá en un reostato de
arranque de varios escalones, que en el momento
del arranque estará totalmente introducido y que
durante el proceso de cebado del motor hasta
alcanzar el régimen nominal se va extrayendo, bien
manualmente, o bien automáticamente mediante
dispositivos electrónicos, el número de saltos o
“plots” que presente el reóstato de arranque de la
suavidad que precisa el arranque y de la potencia del
motor.
Además de estos reóstatos también se utilizan otros
equipos, como variadores electrónicos de tensión,
generalmente de tiristores (SCR), se alimentan con
corriente alterna que se definen en tensión continua
variable, permitiendo el arranque por aplicación
creciente de tensión, limitando la corriente y el par
de arranque.
El criterio para elegir el uso de los diferentes
sistemas de arranque suelen ser soluciones de
compromiso de tipo técnico-económico.
SISTEMAS DE SALIDA
El enlace entre el sistema eléctrico y mecánico se
produce mediante el campo magnético inductor y
este puede detectarse mediante imanes
permanentes, solución que solo se emplea en
motores de muy poca potencia, o lo que es más
común por electroimanes alimentados por corriente
continua, constituyendo el devanado inductor de la
máquina, según sea la alimentación de estas
bobinas, las máquinas pueden ser de excitación
independientes o autoexcitadas.
Excitación independiente:
Cuando la corriente continua que alimenta el
inductor devanado proviene de una fuente de
alimentación independiente de la máquina, (un
generador de cc un rectificador, una batería,...).
Autoexcitación:
dando lugar a que se mantenga constante la
corriente de excitación y por lo tanto también el
inductor de flujo. Este punto de estabilidad se
alcanza debido a que los materiales magnéticos
presentan un codo de saturación, a partir del cual
aunque se aumente la corriente de excitación, no
puede aumentarse la magnetización del núcleo
magnético.
Motor con excitación independiente
Son aquellos que obtienen la alimentación del rotor y del
estator de dos fuentes de tensión independientes o sea
el devanado de excitación se conecta a una fuente de
tensión diferente a la aplicada al inducido Con ello, el
campo del estator es constante al no depender de la
carga del motor, y el par de fuerza es entonces
prácticamente constante. Las variaciones de velocidad al
aumentar la carga se deberán sólo a la disminución de la
fuerza electromotriz por aumentar la caída de tensión en
el rotor. Sus características de funcionamiento son
parecidas a las del motor derivación, pero, la separación
de la excitación, aporta mayores ventajas para la
regulación de velocidad.
Los motores de excitación independiente tienen como
aplicaciones industriales el torneado y taladrado de
materiales, trefilación, extrusión de materiales plásticos
y goma, ventilación de horno, retroceso rápido en vacío
de ganchos de grúas, desenrollado de bobinas y
retroceso de útiles para serrar. El motor de excitación
independiente es el más adecuado para cualquier tipo de
regulación, por la independencia entre el control por el
inductor y el control por el inducido. El sistema de
excitación más fácil de entender es el que supone una
fuente exterior de alimentación para el arrollamiento
inductor. En general, en las máquinas autoexcitadas
debe existir magnetismo remanente en el campo. En las
máquinas de excitación separada, el devanado de campo
es usualmente de un gran número de espiras y conductor
delgado, por lo que se precisa una pequeña corriente de
excitación para su operación. Una corriente pequeña
controla una mucho mayor. Sus curvas características
tienen similar comportamiento a las del motor shunt.
Motor de excitación derivación shunt o paralelo
La excitación se conecta en paralelo con el inducido. Si
existen devanados de polos auxiliares, se colocan en
serie con el inducido. La intensidad total absorbida de la
red por el motor se divide en dos, una que alimenta la
excitación y otra que pasa por el inducido
Los devanados: inducido e inductor están conectados en
paralelo y alimentados por una fuente común. También
se denominan máquinas shunt, y en ellas un aumento de
la tensión en el inducido hace aumentar la velocidad de
la máquina. Luego:
Característica de velocidad del motor shunt o derivación
Según la ecuación de velocidad, manteniendo constante
el campo magnético y la tensión en bornes, al aumentar
la intensidad de carga la velocidad tiende a disminuir un
poco debido al término Ri·Ii (curva c). Por otro lado, al
aumentar la intensidad de inducido, lo hace también la
reacción de inducido, disminuyendo el flujo total y con
ello la velocidad (curva a). El resultado es que la
velocidad de un motor de excitación en derivación se
mantiene prácticamente constante para cualquier
régimen de carga (curva b).
La regulación de velocidad entre amplios límites se
consigue mediante un reóstato en serie con la excitación.
Son motores con velocidad casi constante (la velocidad
apenas disminuye al aumentar la carga). Son motores
estables y de precisión, muy utilizados en máquinas
herramientas: fresadoras, tornos, taladradoras, etc.
Característica del par y mecánica de un motor shunt La
característica de par relaciona el par motor con la
corriente de inducido. Para un determinado flujo
constante el par motor es directamente proporcional a la
corriente de inducido e inversamente proporcional a la
velocidad:
La característica mecánica relaciona el par motor con la
velocidad. Es importante porque nos indica la velocidad
a la que girará el motor al aplicar un determinado par
resistente. Considerando el flujo constante la velocidad
también lo es para cualquier par resistente. El par
aumentará incrementando la intensidad de inducido
para conseguir igualar el par resistente.
En resumen, para un motor shunt se tiene:
 Velocidades aproximadas constante, del orden de 5%
de variación entre vacío y plena carga.
 Cp y Cmáx, limitados por Ia.
 Fácil control de velocidad, mediante la inserción de un
reóstato en el circuito de campo, obteniéndose un gran
margen de variación de velocidad (5:1).
 También es posible variar la velocidad, variando Vt.
Motor con excitación en serie
La excitación está en serie con el inducido. La
particularidad más importante es que la corriente de
excitación y de inducido es la misma. Los devanados de
inducido y el inductor están colocados en serie y
alimentados por una misma fuente de tensión. En este
tipo de motores existe dependencia entre el par y la
velocidad; son motores en los que, al aumentar la
corriente de excitación, se hace disminuir la velocidad,
con un aumento del par.
En este tipo de máquina los devanados son de pocas
espiras y gruesas, por lo que la resistencia de los mismos
es muy pequeña y la caída de tensión en los mismos se
puede despreciar.
Característica de velocidad del motor serie
Como el flujo del campo magnético inductor es
proporcional a la corriente de excitación, este depende
directamente de la intensidad de carga del inducido.
En este caso la velocidad viene dada por la expresión:
La característica de velocidad tiene forma de hipérbola.
Según aumenta la intensidad del motor, este va
perdiendo velocidad, a la vez que aumenta su par. Para
corrientes muy pequeñas el motor tiende a alcanzar
velocidades muy elevadas que pueden llegar a ser
peligrosas (enbalamiento), por lo que no conviene hacer
funcionar estos motores en vacío o sin carga conectada
al eje.
Característica de par motor del motor serie
En esta máquina el flujo es directamente proporcional a
la corriente del inducido (Al menos hasta que el metal se
satura). Entonces, el flujo puede estar dado por:
Donde c es una constante de proporcionalidad. En esta
máquina en par inducido está dado por:
En otras palabras, el Par del motor es proporcional al
cuadrado de la corriente del inducido. Esta ecuación
representa una parábola. El par crece con el cuadrado de
la intensidad. Como resultado de esta relación, es fácil
observar que un motor DC serie produce más par por
amperios que cualquier otro. El motor serie tiene un
elevado par de arranque debido al alto valor de la
intensidad de arranque El motor serie se utiliza en
aplicaciones que requieren pares muy altos. Ejemplo de
tales aplicaciones son los motores de arranque de los
vehículos automotores, motores de elevadores, grúas y
motores de tracción en locomotoras.
Característica mecánica del motor serie: Torque vs
velocidad
Al aumentar el par resistente el motor reduce su
velocidad a la vez que consume más intensidad
generando el par suficiente. Si el par resistente es
excesivo, el motor no puede con la carga y tiende a
pararse. Si el par resistente disminuye mucho el motor se
embala ( ).
Para controlar la velocidad de los motores serie se coloca
un reóstato en paralelo con la excitación. Se consigue así
un control sobre el flujo inductor y, con él, sobre la
velocidad. Estos motores se caracterizan, por tanto, por
tener un elevado par de arranque, lo que les permite
iniciar el movimiento con carga, pero su velocidad no se
mantiene constante, sino que disminuye al aumentar la
carga o aumenta al disminuir ésta. Se utilizan en
ferrocarriles, funiculares, .
Con las ecuaciones anteriores en posible calcular el
torque de partida para este motor, además, es posible
determinar que la curva tiene un par de asíntotas que
corresponden a
Esto significa que el motor serie no tiene transición de
motor a generador y si el motor se hace operar en vacío
(sin carga mecánica) se embala.
Debido a su alto torque de partida, se emplea en equipos
que deben partir con carga nominal. Puede ser sometido
a grandes sobrecargas de torque, pues responde bajando
su velocidad.
Motor de excitación compuesta o compound
En este caso el devanado de excitación tiene una parte
de él en serie con el inducido y otra parte en paralelo.
Estos motores presentan características intermedias
entre el motor serie y derivación, de forma que mejoran
la precisión del primero y el par de arranque del segundo
El arrollamiento en serie con el inducido está constituido
por pocas espiras de gran sección, mientras que el otro
está formado por un gran número de espiras de pequeña
sección. Permite obtener por tanto un motor con las
ventajas del motor serie, pero sin sus inconvenientes.
Sus curvas características serán intermedias entre las
que se obtienen con excitación serie y con excitación en
derivación.
Existen dos tipos de excitación compuesta. En la llamada
compuesta adicional o acumulativa, el sentido de la
corriente que recorre los arrollamientos serie y paralelo
es el mismo, por lo que sus efectos se suman, a diferencia
de la compuesta diferencial, donde el sentido de la
corriente que recorre los arrollamientos tiene sentido
contrario y por lo tanto los efectos de ambos devanados
se restan. Se caracteriza por tener un elevado par de
arranque, pero no corre el peligro de ser inestable
cuando trabaja en vacío, como ocurre con el motor serie,
aunque puede llegar a alcanzar un número de
revoluciones muy alto.
Con el devanado en derivación se consigue evitar el
peligro de enbalamiento del motor por reducción de
flujo, por lo que estos motores se comportan en vacío
como los motores en derivación. En carga, el devanado
en serie hace que el flujo aumente, por lo que la
velocidad tiende a disminuir, aunque no en la misma
medida que lo hace un motor serie. Los motores
compuestos se utilizan en aquellos casos en los que el
par de arranque de los motores con excitación derivación
no son capaces de mover la carga, como, por ejemplo, en
dispositivos de elevación.
Motor con imán permanente
Existen motores de imán permanente (PM, permanent
magnet), en tamaños de fracciones de caballo y de
números pequeños enteros de caballos. Tienen varias
ventajas respecto a los del tipo de campo devanado. No
se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para
excitación ni el devanado asociado. Se mejora la
confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del
campo que fallen y no hay probabilidad de que se
presente una sobre-velocidad debida a pérdida del
campo. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la
eliminación de pérdida de potencia en un campo
excitador. Así mismo, la característica par contra
corriente se aproxima más a lo lineal. Un motor de imán
permanente (PM) se puede usar en donde se requiere un
motor por completo encerrado para un ciclo de servicio
de excitación continua.
Del motor de iman permanente se puede decir: El campo
está hecho con imán permanente. Para conseguir la
densidad de flujo deseada se utilizan materiales como: o
Tierras raras: Samariun cobalt, Boron iron o Cerámica o
Alnico Ventajas de los motores DC de iman permanente
• Como estos motores no requieren un circuito de campo
externo, no tienen las pérdidas de cobre del circuito de
campo que corresponden a los motores de c.c. en
derivación.
• Puesto que no requieren embobinados de campo,
pueden ser más pequeños que los correspondientes
motores de c.c. en derivación. Se utilizan en caballajes
pequeños donde es necesario un ahorro de espacio.
• La mayor ventaja de este tipo de motor, con respecto
a los motores de inducción y sincrónicos convencionales,
es la ausencia de pérdidas de deslizamiento y la natural
habilidad de suministrar corriente reactiva, dependiendo
de las condiciones de excitación tanto del imán como de
la armadura,
• Presenta un aumento general de la eficiencia de
conversión de energía como también de la disminución
de los costos de mantenimiento, y pérdidas asociadas a
la refrigeración del motor.
Entre las desventajas se encuentran:
o Los imanes permanentes no pueden producir una
densidad de flujo tan alta como un campo en derivación
suministrando externamente.
ferrumycuprum@gmail.com Tecnología Eléctrica 23/25
o Tendrán un menor momento inducido por amperio de
corriente inducida que un motor en derivación del
mismo tamaño e iguales características.
o Los CCIP presentan riesgos de desmagnetización.
o La corriente de inducido Ia de una máquina de c.c.
produce su propio campo magnético inducido.
o La fuerza magnetomotriz de inducido se sustrae de la
fuerza magnetomotriz de los polos bajo porciones de las
superficies polares, reduciendo el flujo neto total de la
máquina. (efecto reacción de inducido)
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Motores CC

  • 1. • Generalidades conceptuales de las máquinas eléctricas rotativas • Partes que la conforman. • Principios funcionales • Datos técnicos de placa y hoja de datos. • Grado de protección IP (norma internacional CEI 60529) • Nociones de sistemas de enfriamiento de máquinas eléctricas. • Conexionado y designaciones normadas para los bornes de las máquinas eléctricas. • Simbología • Motores de C.C. • Serie • Paralelo • Mixto • Motores de C.A. • Síncrono • Monofásicos • Asíncronos Universales Fase partida • Trifásicos • Generadores y alternadores • Definición • Principio de funcionamiento • Símbolo normalizado • Mantenimiento básico: • Rodamientos • Engrase • Desarme básico • Limpieza y soplado MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA En los motores de corriente continua (cc) concurren una serie de características que les hace especialmente indicados para ciertas aplicaciones, por lo que cada día son más empleados en el ámbito industrial. La amplia gama de velocidad que ofrecen, su fácil control y la gran flexibilidad de las curvas par- velocidad de este tipo de motores, así como el que presentan un alto rendimiento para un amplio margen de velocidades, junto a su elevada capacidad de sobrecarga, los hace más apropiados que los motores de corriente alternan para muchas aplicaciones. DESARROLLO DEL PLAN DE PRÁCTICA PEDAGÓGICA CUADERNILLO # 1-3-AUTOMATISMO-2023 TEMA: Motores de corriente directa Institución Educativa: COLEGIO TECNICO DE SAN SEBASTIAN Curso lectivo: 2023 Nivel: Undécimo Nombre del Docente (autor del documento): JUAN ERNESTO ARIAS TENORIO Especialidad: ELECTRONICA INDUSTRIAL Modalidad: INDUSTRIAL Subárea: Automatismo Industrial Unidad de Estudio: Mantenimiento de Máquinas Eléctricas Competencias para el desarrollo humano: Capacidad de negociación Tiempo estimado: Horas/semana: Campo detallado: 0714 Eje Política Educativa: Educación para el desarrollo sostenible Resultados de aprendizaje 3. Desarrollar procedimientos de mantenimiento en máquinas eléctricas rotativas monofásicas y trifásicas con seguridad y acorde a la normativa vigente.
  • 2. Otra ventaja significativa es la facilidad de inversión de giro de los grandes motores con cargas elevadas, al tiempo que son capaces de actuar de modo reversible, devolviendo energía a la línea durante los tiempos de frenado y reducción de velocidad. Además de que tienen un tamaño muy reducido y no contaminan el medio ambiente. Son convertidores electro-mecánicos rotativos de energía que debido a los fenómenos de inducción y de par electromagnético, transforman energía eléctrica, de naturaleza continua, en energía mecánica. Los primeros motores eléctricos construidos en el siglo XIX por Michael Faraday y Zénobe Gramme, fueron de corriente continua. La corriente continua captada de la red recupera los devanados del motor, generando campos magnéticos que dan lugar a fuerzas que provocan el movimiento rotativo del motor. Diremos que el motor trabaja en vacío cuando no tenga acoplado en su eje ningún objeto y no realice por lo tanto ningún trabajo útil, ya que no arrastra ninguna carga, en esas condiciones la potencia eléctrica absorbida de la red es mínima, ya que solamente sería la necesaria para producir el campo magnético inductor, puesto que en vacío el par motor sería cero y también sería nula la intensidad del inducido. Se dice que un motor funciona con carga cuando está arrastrando algún objeto que le obliga a absorber energía mecánica. La idoneidad de este tipo de motores para arrastrar máquinas que precisan una amplia gama de mecanismos de velocidad con un preciso y ajustado control de las mismas, han provocado que últimamente, estos motores tendrán más presencia en diversos procesos industriales que requieren de esta característica. Igualmente son los motores de elección en el ámbito de la juguetería, del tipo de imanes permanentes se pueden conseguir potencias desde algún watio a hasta cientos de watios. Así como en los equipos de lectura de CD, en los giradiscos y en las unidades de almacenamiento magnético, donde se utilizan motores de imán fijo y sin escobillas, estos motores proporcionaron un control eficaz de la velocidad y un elevado par de arranque. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO Para conocer la dirección de la fuerza se aplica la regla de la mano izquierda, tal y como vemos en la figura, si colocamos los dedos de la mano izquierda índice, corazón y abiertos pulgar y perpendiculares entre sí, de modo el índice coincide con el sentido de la inducción magnética; el corazón coincide con el de la corriente eléctrica que recupera el conductor, el pulgar indicará el sentido de la fuerza que se ejerce sobre el conductor.
  • 3. La fuerza tendrá el valor máximo cuando el campo magnético sea perpendicular al conductor y será nula cuando el campo sea paralelo al sentido de la corriente eléctrica. CONSTITUCIÓN Estator: E s una corona de material ferromagnético, llamado carcasa, culata o yugo, en cuyo interior y regularmente distribuidos se encuentran, en número par, los polos inductores, sujetos mediante tornillos a la carcasa, están fabricados por un núcleo y por unas expansiones en sus extremos. Alrededor de los polos se encuentran unas bobinas, que constituyen el inductor devanado, generalmente de hilo de cobre aislado que, al ser alimentados por una corriente continua, generan el campo inductor de la máquina, presentando alternativamente polaridades norte y sur (siempre debe haber un número par de polos). En las máquinas de potencia cierta se encuentran distribuidores alternativamente entre éstos, otros polos auxiliares o de conmutación, macizos y sin expansiones, cuya misión es facilitar la conmutación y evitar la generación de chisporroteo en el contacto entre las delgas del colector y las escobillas. Entrehierro: Así se llama al espacio que hay entre el estator y el rotor, es imprescindible que exista para evitar el rozamiento entre ambos, aunque debe ser lo menor posible, ya que el aire presenta una elevada reluctancia magnética, y si el entrehierro fuera muy amplio se debilitaría el campo magnético inductor. Rotor: Construido con chapas de acero con bajo contenido en silicio de 0,5 mm de espesor, aisladas unas de otras por una capa de barniz o de óxido, está montada sobre el eje de la máquina. En su superficie externa tiene practicadas unas ranuras de una cierta inclinación respecto a su generatriz donde van alojadas las bobinas del devanado inducido de la máquina, generalmente de hilo de cobre convenientemente aislado. Colector de delgas: Va montado sobre el eje de giro y debe disponer de tantas delgas como bobinas tiene el devanado inducido, cada delga está unida eléctricamente al punto de conexión de una bobina con otra. Las delgas están fabricadas de cobre elevado de pureza y están separadas unas de otras por unas delgadas películas de mica que las mantienen apartadas.
  • 4. Escobillas: Son los elementos que aseguran el contacto eléctrico entre las delgas del colector y el circuito de corriente continua exterior, están manufacturas de carbón (grafito) y están permanentemente rozando sobre el colector, van sujetas en un collarín porta escobillas que mantiene la presión prevista mediante elementos elásticos para asegurar que el contacto sea el adecuado, por ello se produce un desgaste progresivo que acorta su vida útil, teniendo que sustituirlas cada cierto tiempo. Desde las escobillas se conecta con la placa de bornes de la maquina FASES DE FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR CC Se distinguen claramente varias fases de funcionamiento de los motores de cc Arranque: Es el momento inicial en el que, partiendo del reposo, se conecta a la red, en ese instante el motor debe vencer el par resistente que se le opone fabricado por las resistencias debidas a la inercia y los rozamientos de los órganos móviles del motor, este par resistente debe ser inferior al par de arranque del motor, porque de no ser así el motor no arrancaría. Este régimen es crucial para el motor ya que la intensidad captada de la línea alcanza picos muy elevados que pueden ocasionar graves daños a la línea y quemar los bobinados del motor. Aceleración: Es el periodo en que el motor va ganando velocidad hasta alcanzar el régimen nominal, por ello el par motor debe ser muy potente en esta fase, ya que además de vencer el par resistente debe acelerar el motor hasta alcanzar la velocidad de funcionamiento normal. Régimen nominal: Es cuando el motor ha alcanzado su marcha nominal y se mantienen todos los parámetros, en este instante el par motor debe ser igual al par resistente y de signo opuesto. Estabilidad en los motores de cc: Tras alcanzar el régimen nominal, pueden modificarse los parámetros del motor de forma inesperada, debido a pérdidas de carga,… para que el motor se comporte de modo estable es preciso que responda a estas variaciones de modo que trate de anularlas, para recuperar el régimen nominal, de no ser así, se dice que el sistema es inestable, es decir, cuando tras
  • 5. Por lo tanto, cuando se produce un aumento brusco de velocidad, el motor estable responde con un par motor inferior al resistente, para tratar de reducir la velocidad y así recuperar el régimen nominal. Si el motor fuera inestable, el par motor sería mayor que el resistente con lo que aumentaría progresivamente la velocidad, embalándose el motor. Si las variaciones de régimen son en el sentido de disminuir la velocidad, un motor estable responde amentando su par motor frente al resistente para tratar de corregir la velocidad y recuperar el régimen nominal de trabajo. Inversión del sentido de giro: El motor puede funcionar en ambos sentidos de giro, para lo que es necesario intercambiar las conexiones de ambos devanados. Recordemos que el sentido del par motor depende de la polaridad del campo magnético y del sentido de la corriente del inducido; si invertimos las conexiones del inducido, invertimos el sentido de la corriente en él, y si lo hacemos en el inductor invertiremos la polaridad del campo magnético. Si se cambia el sentido de giro con el motor detenido, no importa cuál sea el devanado en el que se permutan las conexiones, pero si el cambio de sentido de giro se realiza con el motor en marcha, es necesario que sea el devanado inducido el que cambie de conexión, porque si se hizo con el bobinado del inductor, durante un instante quedará la máquina sin excitación, lo que provocaría el embalamiento del motor. Frenado de un motor de cc: para detener un motor no es suficiente con desconectarlo de la red, ya que por inercia éste continuaría girando. Existen tres procedimientos distintos para frenar un motor: Frenado dinámico, se hace funcionar al motor como generador, transformando la energía mecánica de rotación en energía eléctrica, que puede ser inmediatamente consumida en unas resistencias conectadas al efecto (frenado reostático), o bien se cedea la red de alimentación eléctrica (frenado regenerativo). Frenado en contramarcha, para lo que se precisa invertir el sentido del par electromagnético mientras el motor está en marcha. ARRANQUE DE MOTORES CC El arranque de un motor es el instante en que se conecta a la red. En ese momento, el par motor debe ser mayor que el par resistente que opone la carga. En el instante del arranque, al estar parado el motor su velocidad es nula, por lo que la fuerza contraelectromotriz que es proporcional a la velocidad también es nula. Esto provoca que toda la tensión de alimentación caiga en el devanado del inducido, por lo que en el instante del arranque la intensidad que recorre el motor es muy elevado, pudiendo alcanzar valores de hasta diez veces la intensidad nominal en régimen de funcionamiento estable y más aún para motores de gran potencia, que es cuando el motor ha alcanzado una velocidad que se mantiene constante, ya que el par motor y el par resistente de la carga están equilibrados. La intensidad que registra el inducido tiene por expresión: Como en el arranque E=0, ya que ω=0, la expresión anterior resulta
  • 6. Por lo que para limitar la corriente de arranque a valores compatibles con los requisitos del trabajo, y que no provoque efectos perjudiciales para los devanados se introduzca una resistencia en serie con el inducido, que consistirá en un reostato de arranque de varios escalones, que en el momento del arranque estará totalmente introducido y que durante el proceso de cebado del motor hasta alcanzar el régimen nominal se va extrayendo, bien manualmente, o bien automáticamente mediante dispositivos electrónicos, el número de saltos o “plots” que presente el reóstato de arranque de la suavidad que precisa el arranque y de la potencia del motor. Además de estos reóstatos también se utilizan otros equipos, como variadores electrónicos de tensión, generalmente de tiristores (SCR), se alimentan con corriente alterna que se definen en tensión continua variable, permitiendo el arranque por aplicación creciente de tensión, limitando la corriente y el par de arranque. El criterio para elegir el uso de los diferentes sistemas de arranque suelen ser soluciones de compromiso de tipo técnico-económico. SISTEMAS DE SALIDA El enlace entre el sistema eléctrico y mecánico se produce mediante el campo magnético inductor y este puede detectarse mediante imanes permanentes, solución que solo se emplea en motores de muy poca potencia, o lo que es más común por electroimanes alimentados por corriente continua, constituyendo el devanado inductor de la máquina, según sea la alimentación de estas bobinas, las máquinas pueden ser de excitación independientes o autoexcitadas. Excitación independiente: Cuando la corriente continua que alimenta el inductor devanado proviene de una fuente de alimentación independiente de la máquina, (un generador de cc un rectificador, una batería,...). Autoexcitación: dando lugar a que se mantenga constante la corriente de excitación y por lo tanto también el inductor de flujo. Este punto de estabilidad se alcanza debido a que los materiales magnéticos presentan un codo de saturación, a partir del cual aunque se aumente la corriente de excitación, no puede aumentarse la magnetización del núcleo magnético. Motor con excitación independiente Son aquellos que obtienen la alimentación del rotor y del estator de dos fuentes de tensión independientes o sea el devanado de excitación se conecta a una fuente de tensión diferente a la aplicada al inducido Con ello, el campo del estator es constante al no depender de la carga del motor, y el par de fuerza es entonces prácticamente constante. Las variaciones de velocidad al aumentar la carga se deberán sólo a la disminución de la fuerza electromotriz por aumentar la caída de tensión en el rotor. Sus características de funcionamiento son parecidas a las del motor derivación, pero, la separación de la excitación, aporta mayores ventajas para la regulación de velocidad.
  • 7. Los motores de excitación independiente tienen como aplicaciones industriales el torneado y taladrado de materiales, trefilación, extrusión de materiales plásticos y goma, ventilación de horno, retroceso rápido en vacío de ganchos de grúas, desenrollado de bobinas y retroceso de útiles para serrar. El motor de excitación independiente es el más adecuado para cualquier tipo de regulación, por la independencia entre el control por el inductor y el control por el inducido. El sistema de excitación más fácil de entender es el que supone una fuente exterior de alimentación para el arrollamiento inductor. En general, en las máquinas autoexcitadas debe existir magnetismo remanente en el campo. En las máquinas de excitación separada, el devanado de campo es usualmente de un gran número de espiras y conductor delgado, por lo que se precisa una pequeña corriente de excitación para su operación. Una corriente pequeña controla una mucho mayor. Sus curvas características tienen similar comportamiento a las del motor shunt. Motor de excitación derivación shunt o paralelo La excitación se conecta en paralelo con el inducido. Si existen devanados de polos auxiliares, se colocan en serie con el inducido. La intensidad total absorbida de la red por el motor se divide en dos, una que alimenta la excitación y otra que pasa por el inducido Los devanados: inducido e inductor están conectados en paralelo y alimentados por una fuente común. También se denominan máquinas shunt, y en ellas un aumento de la tensión en el inducido hace aumentar la velocidad de la máquina. Luego: Característica de velocidad del motor shunt o derivación Según la ecuación de velocidad, manteniendo constante el campo magnético y la tensión en bornes, al aumentar la intensidad de carga la velocidad tiende a disminuir un poco debido al término Ri·Ii (curva c). Por otro lado, al aumentar la intensidad de inducido, lo hace también la reacción de inducido, disminuyendo el flujo total y con ello la velocidad (curva a). El resultado es que la velocidad de un motor de excitación en derivación se mantiene prácticamente constante para cualquier régimen de carga (curva b). La regulación de velocidad entre amplios límites se consigue mediante un reóstato en serie con la excitación. Son motores con velocidad casi constante (la velocidad apenas disminuye al aumentar la carga). Son motores estables y de precisión, muy utilizados en máquinas herramientas: fresadoras, tornos, taladradoras, etc.
  • 8. Característica del par y mecánica de un motor shunt La característica de par relaciona el par motor con la corriente de inducido. Para un determinado flujo constante el par motor es directamente proporcional a la corriente de inducido e inversamente proporcional a la velocidad: La característica mecánica relaciona el par motor con la velocidad. Es importante porque nos indica la velocidad a la que girará el motor al aplicar un determinado par resistente. Considerando el flujo constante la velocidad también lo es para cualquier par resistente. El par aumentará incrementando la intensidad de inducido para conseguir igualar el par resistente. En resumen, para un motor shunt se tiene:  Velocidades aproximadas constante, del orden de 5% de variación entre vacío y plena carga.  Cp y Cmáx, limitados por Ia.  Fácil control de velocidad, mediante la inserción de un reóstato en el circuito de campo, obteniéndose un gran margen de variación de velocidad (5:1).  También es posible variar la velocidad, variando Vt. Motor con excitación en serie La excitación está en serie con el inducido. La particularidad más importante es que la corriente de excitación y de inducido es la misma. Los devanados de inducido y el inductor están colocados en serie y alimentados por una misma fuente de tensión. En este tipo de motores existe dependencia entre el par y la velocidad; son motores en los que, al aumentar la corriente de excitación, se hace disminuir la velocidad, con un aumento del par.
  • 9. En este tipo de máquina los devanados son de pocas espiras y gruesas, por lo que la resistencia de los mismos es muy pequeña y la caída de tensión en los mismos se puede despreciar. Característica de velocidad del motor serie Como el flujo del campo magnético inductor es proporcional a la corriente de excitación, este depende directamente de la intensidad de carga del inducido. En este caso la velocidad viene dada por la expresión: La característica de velocidad tiene forma de hipérbola. Según aumenta la intensidad del motor, este va perdiendo velocidad, a la vez que aumenta su par. Para corrientes muy pequeñas el motor tiende a alcanzar velocidades muy elevadas que pueden llegar a ser peligrosas (enbalamiento), por lo que no conviene hacer funcionar estos motores en vacío o sin carga conectada al eje. Característica de par motor del motor serie En esta máquina el flujo es directamente proporcional a la corriente del inducido (Al menos hasta que el metal se satura). Entonces, el flujo puede estar dado por: Donde c es una constante de proporcionalidad. En esta máquina en par inducido está dado por: En otras palabras, el Par del motor es proporcional al cuadrado de la corriente del inducido. Esta ecuación representa una parábola. El par crece con el cuadrado de la intensidad. Como resultado de esta relación, es fácil observar que un motor DC serie produce más par por amperios que cualquier otro. El motor serie tiene un elevado par de arranque debido al alto valor de la intensidad de arranque El motor serie se utiliza en aplicaciones que requieren pares muy altos. Ejemplo de tales aplicaciones son los motores de arranque de los vehículos automotores, motores de elevadores, grúas y motores de tracción en locomotoras.
  • 10. Característica mecánica del motor serie: Torque vs velocidad Al aumentar el par resistente el motor reduce su velocidad a la vez que consume más intensidad generando el par suficiente. Si el par resistente es excesivo, el motor no puede con la carga y tiende a pararse. Si el par resistente disminuye mucho el motor se embala ( ). Para controlar la velocidad de los motores serie se coloca un reóstato en paralelo con la excitación. Se consigue así un control sobre el flujo inductor y, con él, sobre la velocidad. Estos motores se caracterizan, por tanto, por tener un elevado par de arranque, lo que les permite iniciar el movimiento con carga, pero su velocidad no se mantiene constante, sino que disminuye al aumentar la carga o aumenta al disminuir ésta. Se utilizan en ferrocarriles, funiculares, . Con las ecuaciones anteriores en posible calcular el torque de partida para este motor, además, es posible determinar que la curva tiene un par de asíntotas que corresponden a Esto significa que el motor serie no tiene transición de motor a generador y si el motor se hace operar en vacío (sin carga mecánica) se embala. Debido a su alto torque de partida, se emplea en equipos que deben partir con carga nominal. Puede ser sometido a grandes sobrecargas de torque, pues responde bajando su velocidad.
  • 11. Motor de excitación compuesta o compound En este caso el devanado de excitación tiene una parte de él en serie con el inducido y otra parte en paralelo. Estos motores presentan características intermedias entre el motor serie y derivación, de forma que mejoran la precisión del primero y el par de arranque del segundo El arrollamiento en serie con el inducido está constituido por pocas espiras de gran sección, mientras que el otro está formado por un gran número de espiras de pequeña sección. Permite obtener por tanto un motor con las ventajas del motor serie, pero sin sus inconvenientes. Sus curvas características serán intermedias entre las que se obtienen con excitación serie y con excitación en derivación. Existen dos tipos de excitación compuesta. En la llamada compuesta adicional o acumulativa, el sentido de la corriente que recorre los arrollamientos serie y paralelo es el mismo, por lo que sus efectos se suman, a diferencia de la compuesta diferencial, donde el sentido de la corriente que recorre los arrollamientos tiene sentido contrario y por lo tanto los efectos de ambos devanados se restan. Se caracteriza por tener un elevado par de arranque, pero no corre el peligro de ser inestable cuando trabaja en vacío, como ocurre con el motor serie, aunque puede llegar a alcanzar un número de revoluciones muy alto. Con el devanado en derivación se consigue evitar el peligro de enbalamiento del motor por reducción de flujo, por lo que estos motores se comportan en vacío como los motores en derivación. En carga, el devanado en serie hace que el flujo aumente, por lo que la velocidad tiende a disminuir, aunque no en la misma medida que lo hace un motor serie. Los motores compuestos se utilizan en aquellos casos en los que el par de arranque de los motores con excitación derivación no son capaces de mover la carga, como, por ejemplo, en dispositivos de elevación. Motor con imán permanente Existen motores de imán permanente (PM, permanent magnet), en tamaños de fracciones de caballo y de números pequeños enteros de caballos. Tienen varias ventajas respecto a los del tipo de campo devanado. No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado asociado. Se mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del campo que fallen y no hay probabilidad de que se presente una sobre-velocidad debida a pérdida del campo. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la eliminación de pérdida de potencia en un campo excitador. Así mismo, la característica par contra corriente se aproxima más a lo lineal. Un motor de imán permanente (PM) se puede usar en donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación continua.
  • 12. Del motor de iman permanente se puede decir: El campo está hecho con imán permanente. Para conseguir la densidad de flujo deseada se utilizan materiales como: o Tierras raras: Samariun cobalt, Boron iron o Cerámica o Alnico Ventajas de los motores DC de iman permanente • Como estos motores no requieren un circuito de campo externo, no tienen las pérdidas de cobre del circuito de campo que corresponden a los motores de c.c. en derivación. • Puesto que no requieren embobinados de campo, pueden ser más pequeños que los correspondientes motores de c.c. en derivación. Se utilizan en caballajes pequeños donde es necesario un ahorro de espacio. • La mayor ventaja de este tipo de motor, con respecto a los motores de inducción y sincrónicos convencionales, es la ausencia de pérdidas de deslizamiento y la natural habilidad de suministrar corriente reactiva, dependiendo de las condiciones de excitación tanto del imán como de la armadura, • Presenta un aumento general de la eficiencia de conversión de energía como también de la disminución de los costos de mantenimiento, y pérdidas asociadas a la refrigeración del motor. Entre las desventajas se encuentran: o Los imanes permanentes no pueden producir una densidad de flujo tan alta como un campo en derivación suministrando externamente. ferrumycuprum@gmail.com Tecnología Eléctrica 23/25 o Tendrán un menor momento inducido por amperio de corriente inducida que un motor en derivación del mismo tamaño e iguales características. o Los CCIP presentan riesgos de desmagnetización. o La corriente de inducido Ia de una máquina de c.c. produce su propio campo magnético inducido. o La fuerza magnetomotriz de inducido se sustrae de la fuerza magnetomotriz de los polos bajo porciones de las superficies polares, reduciendo el flujo neto total de la máquina. (efecto reacción de inducido)