MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS

CAPITULO 4

4.1 INTRODUCCION Y CLASIFICACION

Las máquinas eléctricas rotativas pueden ser generadores, que convierten energía

mecánica en energía eléctrica, y motores que convierten energía eléctrica en energía

mecánica.

Los generadores son muy importantes en la vida cotidiana, pues son los encargados de

generar la energía eléctrica para alimentar toda clase de equipos y artefactos eléctricos. Por su

parte los motores eléctricos se utilizan por las ventajas ante los de combustión interna, de que

producen un mínimo de ruido y de contaminación, son portables, así como económicos de

ahí la importancia de su uso. hay que anotar eso sí que las maquinas rotativas pueden

funcionar como motor o generador, la única diferencia es el sentido de flujo de la potencia.

Las máquinas Rotativas pueden clasificarse en:

M. en Derivación (Shunt)

M. de Excitación Independiente

C.C. M. de Imán Permanente

M. Serie

M. Compuesto

M. Brushless CC

Fase Partida

Jaula Condensador

Espira de sombra

Inducción

M. Monofásicos Rotor

Motores Devanado

Histéresis

C.A. Síncrono Reluctancia

Imán Permanente

Jaula de ardilla

Inducción

Rotor devanado

M. Polifásicos Síncronos

Brushless AC

M. Universales

G. en Derivación (Shunt)

Dinamo G. de Excitación Independiente

C.C. G. Compuesto

G. Serie

Generadores

G. Monofásico

Alternador G. Trifásico

C.A. G. Polos lisos

G. Polos salientes

G. Inducción

4.2 FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR EN CUATRO CUADRANTES

4.2.1 Principios Fundamentales de Conversión

1. Generador de voltaje.- un voltaje se induce en una bobina cuando existe un cambio en

el flujo que enlaza la bobina.

1. Fuerza sobre un material ferromagnético.- una fuerza mecánica se ejerce sobre un

material ferromagnético para alinearlo con la parte más densa del campo magnético.

3. Fuerza sobre un conductor.- una fuerza mecánica se ejerce sobre un conductor de

corriente i, que se encuentra bajo la influencia de un campo magnético (f = B.l.i).

Figura 4.1 Funcionamiento de un motor en los cuatro cuadrantes

I) Motor girando a derechas ( y n en el mismo sentido)

II) Generador girando a derechas ( en sentido contrario a n)

III) Motor girando a izquierdas ( y n en el mismo sentido)

IV) Generador girando a izquierdas ( en sentido contrario a n)

4.3 EFECTO MOTOR

4.3.1 Motor Lineal

Para comprender el funcionamiento de un motor lineal, es necesario partir del hecho

de que: un conductor que se encuentra en presencia de un campo magnético y por el cual

pasa una corriente, tiende a girar, como se observa en la figura 4.2.

F

Figura 4.2 Fundamento del motor Lineal

Por otra parte un campo magnético como se estudió en los capítulos anteriores, se

genera ya sea por un imán, o por la acción de un bobinado por el cual está pasando una

corriente.

Figura 4.3 Espira dentro de un campo magnético

El funcionamiento se puede expresar así: cuando fluye una corriente por el conductor,

alrededor de este se produce un flujo magnético, sumandose este flujo con el principal en un

lado y restándose en el otro, como resultado de esto se produce una fuerza en el conductor (F

= i.l.B), que vendrá dado según el sentido en el que fluya la corriente en el conductor.

Si tenemos una espira con una corriente I dentro de un campo magnético, se producirá un

torque. Pero qué pasaría si no fuera una sola espira, sino varias, por las cuales circule una

corriente, esto haría que se generen varias fuerzas que producirían un movimiento constante.

4.4 MOTORES DE CC

Se diferencian de los generadores solamente en que el flujo de la potencia es el

contrario, es decir, reciben energía eléctrica y se obtiene energía mecánica. Los motores de

CC se utilizan principalmente en la actualidad en los automóviles, camiones, aviación,

máquinas herramientas, etc. Estos tienen la ventaja principal presentar una gran variación de

velocidad.

Los motores en la práctica se los evalúa por la regulación de velocidad:

)1.4(%100pc

pcscSR

)2.4(%100pc

pcsc

n

nnSR

La regulación de velocidad da una medida aproximada de la característica Torque –

velocidad; la regulación de velocidad positiva significa que la velocidad de un motor

desciende ante el aumento de la carga, y una regulación de velocidad negativa significa que la

velocidad aumenta con el incremento de la carga.

Existen básicamente 5 tipos de motores de CC:

1. Motor en Derivación (Shunt)

2. Motor de Excitación Independiente

3. Motor de Imán Permanente

4. Motor Serie

5. Motor Compound

4.4.1 Circuito Equivalente de un Motor de CC

Figura 4.4 Circuito equivalente de un motor de CC

El voltaje generado en el interior del motor viene dado por:

)3.4(KEA

Y el momento de torsión desarrollado por el motor es:

)4.4(Aind IK

Además de estas ecuaciones, para el análisis del motor, es necesario conocer la ley de

Voltajes y corriente de Kirchhoff, la curva de magnetización de la máquina, curva de la

carga, etc.

4.4.2 Motor En Derivación (Shunt)

El motor en Derivación (figura 4.5), es aquel cuyo circuito de campo está conectado

con el paralelo con el inducido.

Figura 4.5 Motor de CC en Derivación

La corriente de excitación viene dada por:

)5.4(RfRvRR

VI F

F

TF

Según la ley de voltajes de Kirchhoff, para el circuito del inducido:

VT = EA + IA .RA (4.6)

El voltaje inducido viene dado por la ecuación 4.1, que reemplazándola en la relación

4.6 resulta:

VT = K + IA .RA (4.7)

Así mismo, despejando la ecuación 4.4, IA se expresa como:

)8.4(

KI ind

A

Reemplazando 4.8 en 4.7:

)9.4(ind

A

TK

RKV

Despejando la velocidad del motor se tiene:

)10.4(

2 ind

AT

K

R

K

V

Ecuación que al graficarla da como resultado la curva de la figura 4.6, en la cual se

puede apreciar que la velocidad del motor no varía mucho con las variaciones de la carga

aplicada al motor.

m

ind

Figura 4.6 Curva característica Momento de torsión – Velocidad

Existe un efecto que puede modificar la forma de la curva mostrada en la figura 4.6, y

esta se produce cuando el motor posee reacción del inducido, esta hace que cuando la carga

del motor aumenta, se produce un efecto de debilitamiento del flujo, y como consecuencia,

aumenta la velocidad del motor a cualquier carga más allá de la velocidad que tendría de no

poseer reacción del inducido (figura 4.7). Este efecto es contrarrestado si el motor tiene

bobinados de compensación, pues así el flujo no se debilitará.

m

ind

Figura 4.7 Reacción del inducido y Curva característica Momento de torsión – Velocidad con

Reacción del inducido

Ya en funcionamiento, el motor presenta ciertas reacciones, las cueles deben ser

explicadas matemáticamente, para un mejor entendimiento. Es así que, si la carga en el motor

aumenta, el torque de la carga carga, supera al momento de torsión inducido ind, y la

velocidad disminuye, y en consecuencia el voltaje generado disminuye (EA = K), por

tanto, la corriente del inducido aumenta (IA= (VT - EA)/RA), y a medida que se eleva esta

corriente, el torque producido por el motor aumenta también.(ind = KIA), con lo que el

este torque producido iguala al de la carga pero a otra velocidad.

Control de Velocidad de los Motores de CC en derivación

Existen algunas maneras de controlar la velocidad de un motor Shunt ya sea por

medios tradicionales como los que se enumeran a continuación o por medios electrónicos los

mismos que se verán más adelante.

1. Ajustando la resistencia de campo RF (y con ello el flujo de campo)

Al hacer esto la corriente de campo disminuye (IF = VT/RF), al suceder esto,

se reduce el flujo , y con ello se reduce el voltaje interno generado (EA= K).

Esto ocasiona un incremento de la corriente de inducido, y por tanto del Torque

inducido.(IA= (VT - EA)/RA), (ind = K..IA), y siendo ind mayor carga, la

velocidad del motor crece.

2. Ajustando el voltaje terminal aplicado al inducido

Esto se hace sin cambiar el voltaje aplicado al campo. Es decir haciendo al

motor similar a un motor de excitación independiente. De este modo si aumenta VA, la

corriente del inducido IA, se eleva (IA = (VA– EA)/RA), como consecuencia el

Torque producido crece por la misma razón que en control de velocidad anterior,

dando como consecuencia el aumento de la velocidad.

3. Insertando una resistencia en serie con el circuito del inducido

El efecto que ocasiona esta resistencia, es aumentar la pendiente de la curva

torque – velocidad del motor, así este funciona más lentamente si está cargado

(ecuación 4.10), este método no es práctico, pues aumenta las pérdidas del motor.

Como consecuencia de estos controles, para el primer caso, si la resistencia de campo

aumenta (corriente de campo disminuye), la velocidad del motor aumenta, y si esta decrece

(corriente de campo aumenta), la velocidad disminuye también. Entonces, el aumento de la

corriente, disminuye la velocidad, pero a una máxima corriente hay una mínima velocidad.

De otro lado si un motor funciona a sus valores nominales de VT, Potencia y corriente, este

estará a velocidad nominal o velocidad base, y es así que, el control de la resistencia de

campo sirve solo para velocidades superiores a la velocidad base, pues si se quiere trabajar

bajo la velocidad base, posiblemente se quemará el bobinado de campo.

Para el control de voltaje en el inducido, se ve que si aumenta el voltaje aumenta la

velocidad del motor, y si este disminuye, la velocidad del motor disminuye también, pero

también hay una velocidad máxima la cual corresponde al voltaje máximo en el inducido.

Este control a diferencia del anterior funciona para velocidades inferiores a la velocidad base,

pues si se desea obtener una velocidad mayor a la velocidad base, para esto el voltaje debe

aumentar y esto quemaría el bobinado del inducido.

En consecuencia se ve que los dos métodos son complementarios, y conjuntamente

dan una gran variación de velocidad al motor en derivación.

No ocurre lo mismo para la potencia y el momento de torsión, El limitante para ellos

es el calentamiento de los conductores del inducido, es decir la corriente IA.

4.4.3 Motor de Excitación Independiente

Básicamente el motor de excitación independiente (figura 4.8), es aquel cuyo circuito

de campo lo abastece una fuente de alimentación independiente del circuito de inducido.

Figura 4.8 Motor de CC de Excitación Independiente

Como se ve en la figura la corriente de la rama de excitación viene dada por:

)11.4(F

FF

R

VI

Con RF = Rv + Rf

Este tipo de motor presenta las mismas características de un motor en derivación y las

ecuaciones desarrolladas, así como el análisis de su comportamiento es el mismo, además

que, para el análisis se asume al motor en derivación con el voltaje del inducido constante,

estudiándolo como motor de excitación Independiente.

Modelo Dinámico del Motor de Excitación Independiente

La modelación del motor de excitación independiente permite su análisis en régimen

transitorio. Es así que se distinguen dos partes fundamentales.

1. Modelo del Circuito Eléctrico

La ecuación del circuito eléctrico equivalente del motor es:

)12.4(. edt

diLRiV motor

motorAB

Donde:

R = resistencia del motor

L = inductancia del motor

e = f.e.m. del motor

VAB = tensión en bornes del motor

Figura 4.9 Modelo del Circuito eléctrico del motor

2. Modelo Mecánico

La ecuación del modelo mecánico del motor es:

)13.4(..arg JDacmotor

Donde:

=Torque

= velocidad angular

D = coeficiente viscoso

J = momento de inercia

= aceleración angular

Figura 4.10 Modelo Mecánico del motor

2. Modelo Electromecánico

Combinado las dos ecuaciones anteriores y además las relaciones (4.3) y (4.4):

dt

di

Figura 4.11 Modelo Electromecánico del motor

4.4.4 Motor de Imán Permanente

El motor de Imán permanente es aquel cuyos polos del estator están hechos de imanes

permanentes. Tienen la ventaja de que no existen pérdidas en los bobinados del circuito de

campo, ni ocupan energía para la alimentación de este bobinado, además que suelen ser más

pequeños que los motores en derivación del mismo tipo. Eso sí debido a que el campo

generado es producido por un imán este no es tan intenso, como si fuera generado por un

electroimán, por lo cual tiene un menor Torque producido. Estos motores presentan el riesgo

de desmagnetización del imán que puede ser causada por calentamiento, una f.e.m. de

polaridad opuesta, etc. Por lo cual este motor es una máquina delicada, ya que también si la

corriente del inducido supera un valor máximo este imán se desmagnetiza.

Como se revisó en el capítulo 1, se recordará que se habló de las características de los

materiales ferromagnéticos. Pero principalmente es necesario que se recuerde que cuando se

aplica una fuerza magnetomotriz externa a este tipo de materiales, en el material queda un

flujo residual Bres cuando esta fuerza desaparece. Este flujo residual debe ser lo más grande

posible para fabricar los polos de un motor de imán permanente, así como también la

intensidad magnetizante coercitiva Hc (lo cual hace que se necesita una intensidad de la

misma magnitud para desmagnetizar este material).

Figura 4.12 Curva de magnetización de un material ferromagnético para uso en imanes

permanentes

Un material utilizado como imán permanente es el Alnico (AL-NI-Co). Las parte de la

curva de histéresis que interesa para este tipo de materiales es la que está en el segundo

cuadrante, pues esta es la que permite ver la forma de desmagnetización. La figura 4.13-a

muestra la característica de un imán permanente. Se define la recta de retorno (de la

desmagnetización), como la recta tangente a la característica del imán en el punto de máxima

inducción. Un aumento del entrehierrro o bien una corriente de inducido excesiva puede

desplazar el punto de operación del imán hasta el punto (1), punto de mínima inducción

aprovechable. Al reducirse el entrehierro o reducirse la corriente de inducido la característica

del imán retornará siguiendo una recta paralela a la de retorno (2). Es preciso magnetizar de

nuevo el imán para que este sea operativo. La figura 4.13-b muestra la característica de varios

tipos de imán. Las primeros imanes son de Ticonal-Tc y Ticonal 900, después vino el Alnico,

y luego vinieron las ferritas. El Pt-Co mejora las características, pero luego aparece el Sm-Co,

ampliamente utilizados en la actualidad. Últimamente ha aparecido el Neodimio-Hierro-Boro

que al igual que los dos último no presenta desmagnetización

Figura 4.13 Curva de histéresis para diversos materiales utilizados como imanes permanentes

El motor de imán permanente es igual al motor en derivación, en cuanto a su

funcionamiento, la única diferencia es que el flujo en el motor de imán permanente es

constante. Los métodos de control de velocidad en este motor son: variando el voltaje del

inducido, y mediante el control de resistencia del inducido (no práctico). Las aplicaciones de

los motores de imán permanente son: en el control numérico o robótica.

4.4.5 Motor Serie

El motor en serie es aquel cuyo bobinado de campo es de pocas espiras de alambre de

sección un tanto gruesa, y como su nombre lo indica el circuito de campo está en serie con el

bobinado del inducido.

Figura 4.14 Circuito equivalente de un Motor Serie

El voltaje aplicado a este motor viene dado por:

VT = EA + IA (RA + RS) (4.14)

En el motor serie a diferencia del motor en derivación, el flujo es directamente

proporcional a la corriente inducida, mientras no se supere la saturación.

= c.IA (4.15)

Donde c es una constante de proporcionalidad. Por lo tanto si la carga aumenta, el

flujo aumenta también, y la velocidad disminuye. Esto hace que la curva Torque - velocidad

tenga una caída brusca. El Torque producido por el motor serie viene dado por la ecuación

(4.4) ind = K..IA, en dónde reemplazando la ecuación (4.15) se tiene que:

ind = K.c.(IA)2 (4.16)

En donde se observa que un motor serie da mayor momento de torsión por amperio

que cualquier otro motor de CC; de ahí su utilización para aplicaciones que requieren

momentos de torsión muy altos. Un ejemplo son los motores de arranque de los automóviles,

Tranvias, etc.

Para obtener la curva característica momento de torsión – velocidad del motor, en

primer lugar se despeja la corriente inducida de la relación (4.16):

KcI ind

A

Como EA = K, al sustituir estas dos relaciones en la ecuación (4.14) se tiene:

)17.4()( SAind

T RRKc

KV

Se puede eliminar el flujo de esta relación al despejar IA de la relación (4.15):

cI A

Entonces la ecuación (4.16) puede rescribirse como:

)18.4(2c

Kind

De esta ecuación, despejando el flujo y reemplazándolo en la ecuación (4.17) se tiene:

)(. SA

ind

indT RRKcK

cKV

En donde se despeja la velocidad angular :

)19.4(.

)(

.. cK

RR

cK

V SA

ind

T

Esta ecuación se grafica en la figura 4.14.

f1

f1 inicial

Figura 4.15 Curva característica Torque – velocidad de un motor serie

Al analizar la ecuación (4.19), se podrá ver que en ningún caso el momento de este

motor debe tender a cero, pues de ser así la velocidad tendería a infinito. En la práctica esto

nunca se cumple, pues el motor tiene pérdidas mecánicas. Sin embargo si no se conecta una

carga al motor, este tiende a marchar velozmente pudiendo dañarse; además se recomienda

que nunca se conecte a una carga por medio de un sistema de transmisión que pudiera

romperse (bandas o cadenas), pues si esto pasa cuando el motor esta en funcionamiento, este

se dañaría seriamente.

Control de velocidad en los motores serie de CC

La única manera de controlar la velocidad de un motor serie es variar el voltaje

terminal VT, pues como se verá en la ecuación (4.19), un aumento del voltaje para cualquier

Torque, da como consecuencia el aumento de la velocidad. Se podría por otro lado controlar

la velocidad insertando resistencias en serie pero esto causaría una pérdida de energía grande.

Hasta hace poco tiempo este era el único método utilizado, pero con el desarrollo de la

electrónica esto ha cambiado, sin embargo este método se usa hoy para el arranque de algunos

motores.

4.4.6 Motor Compuesto (Compound)

El motor compuesto no es más que la unión del motor en derivación y el motor serie,

es decir posee los dos campos magnéticos. Las conexiones se ilustran en la figura 4.16.

Como se recordará en los transformadores se definió la polaridad de un bobinado y su

representación, y como para el motor compuesto son dos los bobinados que trabajan y se

encuentran conectados es importante, saber cual es la polaridad de estos. En la figura 4.16 se

ve que cuando la polaridad viene representada por puntos circulares en los bobinados se tiene

la composición acumulativa, y si se representa con puntos cuadrados la composición es

diferencial.

Figura 4.16 Circuito equivalente de un Motor Compuesto a)Conexión en derivación

larga, b)Conexión en derivación corta

En el motor de composición acumulativa hay un componente de flujo que es

constante, y otro que es proporcional a la corriente del inducido, por ello este motor tiene un

mayor momento de torsión en el arranque que un motor en derivación, pero uno menor que el

motor serie. Como consecuencia de ello se tiene un motor que combina las mejores

características de los dos motores

Figura 4.17 Curva característica Torque – velocidad de un motor serie, en derivación, y

compuesto (en derivación acumulativa)

En un motor compuesto de composición diferencial, las fuerzas magnetomotrices de

los dos bobinados se sustraen, y esto da como consecuencia que al aumentar la corriente IA

(aumenta la carga), el flujo en el motor disminuya, con lo que la velocidad aumenta

desbocándose el motor y volviéndose inestable. Este tipo de motor no tiene una aplicación

práctica.

4.4.7 Motor Brushless DC

Este al igual que el motor de imán permanente utiliza imanes para su funcionamiento,

solo que estos ahora van en el rotor y no en el estator que es lo clásico; es por ello que el

inducido está en el estator. Se caracteriza por no tener escobillas, ni colector, lo que hace que

la velocidad máxima que puede alcanzar es muy superior a la que pueden desarrollar todos

los motores vistos anteriormente, y además se puede obtener el máximo par a velocidad

nominal. La inercia para el motor Brushless puede llegar a ser 10 veces inferior comparado

con un motor de CC cualquiera, y para una misma potencia, este puede ser 25% menor en

tamaño.

El principio básico de funcionamiento de este motor es el ir conmutando las bobinas

del estator en función de la posición del rotor.

Figura 4.18 Esquema del motor Brushless CC

La figura 4.18 muestra la configuración básica del motor Brushless CC. En ella, las

células de efecto Hall, determinan la posición del rotor y los transistores conmutan la bobina

correspondiente.

Como se dijo antes, en este motor los imanes permanentes están en el rotor,

normalmente tienen 6 polos. El estator tiene 3 devanados y se conectan en estrella. De estos,

solo dos fases operan simultáneamente, así la corriente que entra por la una sale por la otra,

mientras la tercera está desconectada. Cada 60o eléctricos es preciso conmutar los devanados

para conseguir que el motor gire con un par uniforme.

El circuito de alimentación del motor brushless se muestra en la figura 4.19:

Figura 4.19 Circuito de alimentación del motor Brushless CC

F

FN

Figura 4.19ª Principio de funcionamiento

La interacción del flujo producido por los imanes permanentes del rotor y la corriente

del estator, produce una fuerza sobre los conductores (F = B.I.L). Al estar el estator fijo,

aparece una fuerza de reacción de sentido contrario en el rotor, provocando su giro. Al girar

los polos, el sistema de control debe hacer circular la corriente por los conductores del estator

que se encuentren frente a un polo en cada instante. Se trata de ir conmutando los bobinados

del estator en función de la posición del rotor. La figura 4.20 muestra la posición del rotor en

un instante determinado. Como se dijo en cada momento solo operando fases

simultáneamente (las que se encuentren justo delante de un polo).

Figura 4.20 Generación del par electromagnético del Motor Brushless CC

En esta situación el inversor alimenta al bobinado‘a’ con una corriente entrante y al

bobinado ‘c’ con una corriente saliente: La corriente entrante en U y en Z se encuentra frente

a un polo norte magnético, mientras que las corrientes salientes en X y en W se sitúan frente a

un polo sur, las fuerzas generadas en los 4 conductores originan un par en el mismo sentido

(horario). El par generado es directamente proporcional a la corriente.

Un instante después el rotor se encontrará en otra posición. Cuando haya avanzado

60o ocupará la posición de la figura 4.20-a, repitiéndose todo el proceso nuevamente, solo

cambiando las fases que son alimentadas, pues ya han cambiado los conductores que están

frente al polo. Entonces el inversor conmutará, tomando la corriente la distribución mostrada

en la figura 4.20-b. Esta función la cumple el detector de posición que será el que designe el

polo que funciona y genera el campo magnético (figura 4.18). Este detector de posición

funciona en base al efecto Hall. La alimentación para este motor es mediante una fuente de cc

y la onda de f.e.m es trapezoidal.

4.4.8 Propiedades importantes de los motores de CC

El sentido de giro de un motor de CC puede invertirse cambiando el sentido de la

corriente que circula por el inducido o por el estator pero no de los dos a la vez.

Un motor en derivación (Shunt) tiene la propiedad de que presenta una ligera

variación de la velocidad cuando la carga aumenta.

Un motor serie tiene la particularidad de tener un gran par de arranque, y la velocidad

va en dependencia de la carga.

Un motor compuesto (Compound) serie aditiva se caracteriza por tener una velocidad

constante con variaciones bruscas de carga.

Un motor compuesto (Compound) serie diferencial no tiene ninguna utilidad, pues un

motor demasiado inestable.

4.4.9 Rectificación Controlada

Uno de los métodos de variación de la velocidad de motores de CC, es variar el voltaje

terminal VT, pero ¿cómo lograr este objetivo?. Antiguamente se utilizaba un sistema

denominado Ward – Leonard, el cual consistía en dos motores: uno de inducción de ca, que

proporcionaba la energía mecánica a un segundo motor de CC, que hacía las veces de

generador (en el cual se variaba el voltaje VT), y este finalmente alimentaba al motor de CC

(en el que se variaba la velocidad).

Actualmente con el desarrollo de la electrónica, se ha desarrollado circuitos

rectificadores controlados que pueden variar el voltaje más fácilmente, como el que se tiene

en la figura 4.21.

Figura 4.21 Rectificador trifásico con SCRs

Este rectificador controla el voltaje promedio aplicado al inducido del motor de CC, y

por tanto la velocidad del motor. Este voltaje es controlado al ajustar el ángulo de activación

de los SCR, de este modo el voltaje aplicado depende de la fracción de tiempo que el voltaje

de alimentación se aplica al inducido. En este rectificador se verifica la siguiente ecuación:

Ed = 1.35x Eefx cos (4.22)

Por medio de circuitos rectificadores se puede hacer funcionar al motor en los cuatro

cuadrantes, variando solamente el ángulo de disparo, así:

0o < < 90o Ed (+), (Ia 0)

90o < < 180o Ed (-), (Ia = 0)

Al funcionar como rectificador, el ángulo de disparo está comprendido entre 0o y 90o,

pudiendo la carga ser activa o pasiva. En la modalidad de inversor, el ángulo está

comprendido entre 90o y 180o, pero es necesaria una fuente de CC de polaridad apropiada:

Como:

Ea = K

Ea > Ed

Por lo que si Ea no cambia de polaridad los tiristores no conducen, con lo que Ia = 0, y

entonces = 0 ( = K..Ia).

Control Electrónico para un motor de CC

Para lograr un mejor control de un motor de CC, se suele añadir una inductancia al

rectificador de la figura 4.21, para que funcione como un filtro de corriente (figura 4.22),

siempre y cuando la corriente sea baja. Si en cambio la corriente es muy alta puede

prescindirse de ella.

Figura 4.22 Rectificador con inductancia

Haciendo un análisis del comportamiento del rectificador se tiene que: si se inicia con

= 90o , implica que Ed = 0. Si disminuye, Ed aumenta, con lo que Ia 0, y el motor se va

acelerando (Ia siempre es controlada).

Durante el arranque existen 3 particularidades:

1. No se necesita una resistencia de arranque.

2. La pérdida de potencia en los tiristores es despreciable.

3. Ia no supera el valor de consigna.

Para que funcione como motor, Ed deberá ser mayor respecto a Ea. Para disminuir la

velocidad , se aumenta el ángulo y Ed disminuye, con lo que no existe circulación de

corriente, así el motor pierde velocidad y Eo disminuye hasta que Ed > Ea, con lo que gira el

motor a una velocidad menor. En el caso de que se quiera parar el motor alfa debe estar en

90o. En el momento en que es mayor, el rizado es mayor y se presenta una potencia reactiva

en el convertidor.

Control en dos cuadrantes (I y II)

En el caso de que el motor pierda velocidad por si solo, esto no es conveniente si se

desea tener una respuesta rápida. Una alternativa para evitar esto es modificar el circuito de

tal manera que el motor trabaje como generador también. Esto se puede hacer de 3 maneras:

1. Control por Inversión de campo

Figura 4.23 Control por inversión de campo

El convertidor actúa como inversor, para lo cual Ed cambia de polaridad, de tal

manera que Ed < Ea. Ed se invierte cuando > 90o, pero para cambiar Ea es necesario

cambiar el campo o el inducido.

Para la inversión del campo debe seguirse los siguientes pasos:

I) Desfasar hasta cerca 180o, con lo cual Ia = 0

II) Invertir el campo

III) Reducir hasta que Ed < Ea, esto implica que Ia 0.

Para que funcione como motor:

I) cercano a 180o (Ia = 0)

II) Invertir el campo

III) Reducir para que Ed > Ea.

2. Inversión del Inducido

Figura 4.24 Control por inversión del inducido

3. Inversión con dos convertidores

12

Figura 4.25 Control por inversión con dos convertidores

Si se quiere que la regulación de velocidad sea un poco más rápida se recurre a

dos convertidores idénticos conectados en paralelo y en oposición, eso si en cada

momento funciona uno a la vez. Así en la figura 4.26-a se ve al convertidor 1

funcionando, mientras que el convertidor 2 está bloqueado, con lo cual el motor

funciona en el primer cuadrante, Para la figura 4.26-b se tiene el convertidor 2

funcionando y el convertidor 1 bloqueado con lo cual se tiene un generador (II

Cuadrante).

1

2

1

2

Figura 4.26 Control por inversión con dos convertidores idénticos en antiparalelo.

4.10 Curvas según el tipo de carga

Se puede tener:

1. Accionamientos de avance, por ejemplo grúas (figura 4.27-a)

2. Esmeril y pulidoras (figura 4.27-b)

3. Bombas soplantes (figura 4.27-c)

4. Bobinadoras y desbobinadoras, fresadoras, platos de torno (figura 4.27-d)

Figura 4.27 Tipos de Carga.

4.11 Operación a par constante

Para este caso el flujo debe permanecer constante y se varía Vt de tal manera que:

Ia = (Vt – Ea) / Ra aquí Ia debe permanecer constante.

Al aumentar W , implica que Ea aumenta también (Ea=K W) y Vt debe subir en la

misma proporción para mantener la relación (Vt-Ea) constante, de esta manera se consigue

que el torque sea constante desde W=0, hasta la velocidad base (nominal).

T = K (cte) Ia(cte).

En la zona de W = 0 hasta W base , la potencia sube de una manera lineal.

P = Ea Ia = K W(aumenta) Ia

4.12 Operación a potencia constante

Para este caso se mantiene Vt constante y se disminuye el flujo, con lo que el motor

aumenta su velocidad, Ia debe permanecer constante todo el tiempo , entonces tenemos que:

P = Ea Ia = K (disminuye) W(aumenta) Ia = cte

T = K (disminuye) Ia.

Para que Ia sea constante con Vt constante implica que Ea = cte

max

max Pmax

max

Pmax=max

Pmax

Figura 4.28 Potencia y Torque en función de la velocidad de un motor de excitación

independiente, con controles de: voltaje en el inducido y Flujo de campo