motores de Cd

Version 2 EE IIT, Kharagpur

Módulo9

Máquinas de CD


Lección39

Motores de CD


Contenido1. Motor CD tipo SHUNT 2. Metas de la lección3. Introduccion4. Ideas importantes5. Arranque de un motor de CD tipo shunt

Problemas con arranque a voltaje total. Un simple arrancador Arrancador de tres puntos

6. Control de velocidad de un motor tipo SHUNT Control de velocidad variando la resistencia de la armadura Control de velocidad variando la corriente de campo Control de velocidad al variar el voltaje de armadura Metodo Wrd Leonard:combinación de Va y If control

7. Motor tipo Serie8. Caracteristicas del motor tipo serie

Control de velocidad del motor tipo serie Control de velocidad debajo de la velocidad base Control de velocidad arriba de la velocidad base

9. Frenado de un motor tipo SHUNT:idea básica Frenado Reostatico Frenado dinamico Frenado regenerativo

10. Escoja la respuesta correcta11. Conteste lo siguiente

Metas de la lecciónEn esta lección, aspectos del arranque y control de velocidad de un motor de CD son disctutidos y explicados.Al final los principios del frenado eléctrico de un motor tipo shunt es discutido.Despues de ir por la lección, se espera que el elctor tenga ideas claras de lo siguiente:

Los problemas de arranque de un motor de dc a voltaje ciompleto. Uso y selección de una resistencia variable como un simple arrancador en la armadura del motoro de DC. Superioridad del motor comercial(arrancador de tres puntos, contra el arrancador resistivo.Varias

protecciones incorporadas en el arrancador comercial. Varias estrategias(control de resistencia de armadura,control de voltaje de armadura y control de corriente

en el campo)son utilizados en el control de velocidad en motores DC.


Importancia de las características como velocidad contra corriente de armadura y velocidad y torque, son tan relevantes para entender las técnicas de control de velocidad.

Principios del frenado eléctrico.

Introduccion

Aunque en esta sección disutiremos básicamente del motor SHUNT, haremos una breve descripcio del motor SHUNT, exitado por separado y motores tipo serie, eslo que se vera al inicio.

Los bobinados de armadura y campo están conectados en paralelo en un motor shunt como se muestran en la figura 1 y la combinación en paralelo es suministrada con voltaje V,IL,Ia y Ifson respectivamente la corriente tomada de la fuente, la corriente de armadura y la corriente del campo respectivamente.Las siguientes ecuaciones se pueden escribir al aplicar KCL y KVL en el circuito del campo y KVL en el circuito de la armadura.

aplicando KCL

de KVL en el circuito del campo

de KVL en el circuito de armadura

Figura 39.1: Motor DC conexion Shunt y la representacion del circuito

+

-

V(suministro)

If

Ia IL

EB

RARF

If

Ia IL

+

-

V(suministro)

n rps

TcTl

+

-


39.3 Ideas Importantes

Aprendimos en la lectura anterior que para la operación del motor:

1.Torque electromagnético desarrollado por el motor actua hacia la dirección de la rotación.

2. El torque de la carga actua en la dirección opuesta de rotación o en contra de .

3. Si , el motor opera a velocidad constante.

4. Si en cualquier tiempo , el motor acelerara.

5. Si en cualquier tiempo , el motor desacelerara.

Aunque nuestro enfoque de estudio será la operación del motor sobre una condicin estable, un conocimiento de como los motores se mueven de una posición estable hacia otro punto de operación es una nota importante.Para iniciar el estudio de como un motor de una condición de reposo llega a un punto

final de operación.Asumamos que el motor esta sobre una carda, lo que significa que y que hay

friccion presente.Asi que cuando la fuente se enciende ambos y se establecerán desarrollando

.Como =0, el motor debería de obtener una velocidad por la aceleración.Mientras la velocidad del

motor incrementa, la corriente de armadura decrementa porque la fuerza electromotriz negativa será la

misma corriente en la armadura =0.Ahora se hace cero y la aceleración se detiene y el motor continua

a correr a una velocidad constante dada por y no tomando corriente de armadura.Note que la potencia de entrada a la armadura es cero, y la potencia mecánica de salida es 0.

Traigamos un poro de realidad a la discusión anterior.No negemos la friccion de torque durante la

aceleración en el periodo de reposo.Asumamos que la friccion de torque sea constante e igual a .Como

se definirá el punto final de operación en este caso?Cuando se suministra la fuente , se desarrollara y la

maquina acelerara si > .Con el tiempo decrementara e también.Eventualmente, llegara un

tiempo donde sea igual que y el motor anduviera a una velocidad sin carga constante .El motor en

el estado final constante sin embargo seguirá tomandouna corriente de armadura que producirá

suficiente para estar balanceado con .

Supon que el motor esta corriendo constante a una velocidad sin carga ,extrayendo nada de carga de

armadura y produciento un torque = .Ahora imagina, a un torque de carga constante es de

pronto impuesto por el motor t=0.Ya que la velocidad no puede cambiar instantáneamente , a t=0+,


(t=0+)= y .Como a ,el torque opositorio es .Por eso, el motor

debe de empezar a desacelerartomando mas corriente de armadura y desarrollando mas .

Finalmente el punto de operación estacionario se alcanzara cuando y el motor correra a una nueva velocidad mas baja que la velocidad sin carga pero extrayendo mas corriente que la corriente extraida sin carga.

En esta sección, hemos aprendido el mecanismo de como un motor de DC se carga.Para descubrir el punto de operación estacionario, uno debe lidiar con ecuaciones de estado estacionario involucrando torque y corriente.Para un motor tipo shunt, el punto de operación puede cambiar por 1.cambio de la corriente de

campo ,2.cambio en el torque de la carga o 3.cambio en ambas.Asumamos que el punto inicial de operación será:

Corriente en armadura:

Corriente de campo:

Flujo por polo:

Velocidad en rps:

Torque de la carga:

=

=

Ahora, suponga, que hemos cambiado la corriente de flujo y el torque de carga a nuevos valores y respectivamente.Nuestro problema es encontrar en nuevo estado estable de la corriente de armadura y velocidad.

Nuevo corriente de armadura =

Nueva corriente de campo=

Nuevo flujo por polo=

Velocidad en rps=


Nuevo torque de carga=

De la ecuación, uno puede calcular la nueva corriente de armadura , al saber las otras cosas.

39.4 Arrancando el motor DC tipo Shunt.

39.4.1 Problemas de arrancar con voltaje al máximo

Sabemos que la corriente de armadura en un motor de Dc esta dado pr:

Al instante de arranque, la velocidad del rotor es 0, asi que la corriente de armadura al arrancar es .Ya que la resistencia en la armadura es muy pequeña, la corriente de arranque podría ser algo alta(muchas veces mas alta que la corriente establecida).Una maquina grande, caracterizada por la gran inercia del rotor(J), va a tomar velocidad lentamente.Ya que el nivel de una corriente de arranque alta, puede mantenerse por algo de tiempo, que podría llegar a causar serios daños a las escobillas, o conmutador y al bobinado de la armadura,Tambien la fuente debe de ser capaz de suministrar esos golpes de corrientes.Las otras cargas que ya están conectadas a la misma fuente, van a experimentar una baja de voltaje cada ver que el motor de DC intenta arrancar con todo el voltaje de golpe.Esta baja en la fuente es causada por el repentino rizo en el voltaje de la resisntencia interna de la fuente.La duración de la baja de voltaje puede persistir, dependiendo de la inercia o tamaño del motor.

39.4.2 Arrancador Simple

Para limitar la corriente de arranque, una buena resistencia externa R es conectada en serie a la armadura

para que .Al momento de arranque, para tener suficiente torque, el campo de corriente es maximizado al mantener la resistencia de campo externa a un valor 0.Cuando el motor comienza a tomar velocidad, el valor de la resistencia externa comienza a descender su valor gradualmente, para que al final se remueva esa resistencia y el motor gire a su valor máximo.


+

-

V(suministro)

If

IL

Resistencia de Campo al minimo

(inicio maximo)

(a) Máxima resistencia de la armaduraexterna en el arranque

+

-

V(suministro)

If

IL

Resistencia de Campo al minimo

(cero durante el arranque)

(b) Resistencia de la armadura externaCero durante el arranque

Figura 39.2: Un arranque sencillo en forma de resistencia de la armadura externa

Ahora, si la fuente se apaga (por algun problema de lado de la fuente) m el motor va a detenerse.De repente, imaginemos, que se restaura la fuente.Esto no es nada mas que un arranque a voltaje pleno.En otras palabras, uno debería alertar constantemente y colocar la resistencia externa cada vez que el motor se detiene.Esto es una limitación del arranqcador resotatico.

39.4.3. Arrancador de tres puntos.

Un arrancador de tres puntos es utilizado ampliamente en un motor de DC tipo Shunt,NO solo supera la dificultad de una resistencia de arranque, sino que también tiene funciones protectoras como protección contra sobrecarga o protección contra voltaje cero.El diagrama del arrancador de tres puntos conectado a un motor tipo shunt se muestra a continuación.Aunque el circuito es algo malo a primera vista, demuestra el rincipio básico del arrancador.

El arrancador es mostrado encerrado en una caja rectangular teniendo tres terminales mostradas como A, L, y F para conexiones externas.La terminal A es conectada a una terminal de armaduraA1 del motor.La terminal F se conecta a una terminal del campo F1 del motor y L se conecta a una terminal de la fuente.La terminal F2 del boniado del campo se conecta a A2 por una resistencia de campo variable y a un punto en común conectado a la fuente (-ve).

Las resistencias de armadura externas consisten en varias resistencias conectadas en serie y están mostradas en forma de arco.Las conexiones son terminales marcadas como 1, 2, 3, 4, 5, 6etc….Justo debajo de las resistencias esta una tira de cobre como en forma de arco.

Hay una manija que se puede mover hacia las manecilas del reloj contra un resorte.El resorte mandiente la manija en un estado OFF cuando nadie intena moverlo.Ahora veamor el circuito desde la terminal L(fuente +ve).El cable de L pasa por un pequeño electroimán llamado OLRC, y entra por la manija.al final de la camnia hay dos tiras de cobre firmemente conectadas con el cable.La tira mas lejana se muestra en forma circular y la tora en forma rectangular.cuando la manija se mueve hacia la derecha, la tira circular hace contacto con las resistencias 1, 2, 3, etc, progrsivamente.Del otro lado la tira rectangular hace contacto constante con la tira de cobre de arco.La otra punta de esta tira llega a la termial F después de pasar por el bobinado del electroimán NVRC.


Principos de trabajo

Vamos a explicar la operación del arrancador.Inicialmente la manija esta en un estado OFF.Ni la armadura ni el campo tiene energía.Ahora la manija se mueve ala resistencia 1.En esta posisicon la armadura y todas las resistencias en serie se energizan.El bobniado del campo se energiza compeltamente mientras que la tira rectangular hace contacto con la tira de cobre de arco.Mientras que la maquina comienza a tomar velocidad, la manija se mueve hacia la resistencia dos, ahora la resistencia externa es menor que antes.Continuandoa si, todas las resistencias se desactivan cuando la manija llega al la 12.En esta posición, el eletroiman NVRC va a atraer la pieza de hierro que esta unida ala manija.Aun si el operador remueve sus manos de la manija, esa seguirá en la posisiocn ON mientras la fuerza del resorte se balancea por la fuerza de atracción entre el NVRC y la pieza de hierro de la manija.El NVRC lleva la misma corriente que el alambre del campo.En caso de que la fuente de voltaje se apague, la corriente del alambre de campo se va a cero.Aunque el NVRC este desenergizado y no será capar de aplicar una fuerza sobre la pieza de hierro de la manija.La fuerza restauradora del resorte va a regresar la manija de regreso a la posición OFF.

El arrancador también provee protección contra sobre carga del motor.El otro electroimán OLRC junto con la pieza de hierro colocada debajo de este, se utilizan para conseguir esto.La corriente fluyendo sobre el

OLRC es la corriente de línea que toma el motor.Mientras el motor este cargado, con

incrementa.Entonces es la medición de la carga del motor.Supongamos que queremos que el motor no se sobrecarge arriba de esa corriente.Ahora el espacio entre el electroimán y la pieza de hierro esta

ajustada para < , la pieza de hierro no va a subir, pero si > entonces la fuerza de atracción será suficiente apra atraer el iman y desenergizar el motor en caso de sobrecarga.

El arrancador de tres puntos tiene una desventaja.Si queremos correr la maquina a una velocidad mayor de


la establecida por debilitar el campo( al reducir la corriente de campo), la fuerza del NVRC podría llegar a ser tan débil que fallaría en sostener la manija en estado ON y el resorte lo mandaria a OFF.

39.5 Control de velocidad del motor shunt

Sabemos que la velocidad del motor shunt está dado por:

n= Va - Ia ra

kdónde, Va s la tensión aplicada a través de la armadura y es el flujo por polo y es proporcional a la corriente de campo If. Como se explicó anteriormente, el inducido corriente Ia es decidido por la carga mecánica presente en el eje. Por lo tanto , variandoVa e If podemos variar n. Para tensión de alimentación fija y el motor conectado como shunt podemos variar Va conrolando una resistencia extrerna conectada en serie con la armadura. If por supuesto se puede variar mediante el control de la resistencia de campo externo Rf conectado con el circuito de campo Así, para motor shunt tenemos esencialmente dos métodos para controlar la velocidad , es decir, por:

1. variando la resistencia del inducido.2. variando la resistencia de campo.

39.5.1 Control de velocidad mediante la variación de la resistencia del inducido

The inherent armature resistance ra being small La inherente Resistencia de la armadura ra siendo pequeña, la velocidad n contra la corriente de la armadura Ia la caracteristica será una líena recta con pendiente negativa como se muestra en la figura 39.4. En la discusión que sigue no vamos a molestar a la corriente de cmpo de su valor nominal. Sin carga (i.e., Ia = 0) la velocidad es alta.

Nótese que para la tensión del motor shunt aplicado al campo y la armadura circuito son iguales e igual a la tensión de alimentación V. Sin embargo, como el motor está cargado, Iara la caída aumenta la velocidad de la toma de un poco menos de la velocidad sin carga n0. Para un motor shunt bien diseñado esta caída en la velocidad es pequeña y de aproximadamente 3 a 5% con respecto a la velocidad sin carga . Esta disminución de la velocidad desde sin carga a condición de plena carga expresada como un porcentaje de la velocidad sin carga se llama la regulación de la velocidad inherente del motor.

Inherent % speed regulation =n - n0 100

n0

n


n Vel n0 = sin cargan = a carga plena

0

n

Ia

Figure 39.4: Característica de la velocidad contra corriente

De armadura

Te Torque

(Nominal)

Figure 39.5: Caracteristica de

Velocidad contra par

Es por esta razón que, un motor shunt de corriente continua se dice que es prácticamente un motor de velocidad constante ( sin resistencia de la armadura externa conectada ), ya que las gotas de velocidad por una pequeña cantidad de sin carga a condición de plena carga .

Como Te = kIa para la operación constant de , Te se convierte simplemente proporcional a Ia. Por lo tanto, la velocidad contra la característica de par es también similar a la velocidad contra la caracteristica de la corriente del inducido como se muestra en la figura 39.5.

La pendiente de n contra Ia o n contra Te dicha caracteristica puede ser modificada por deliberadamente contectar una resistenca externa rext el cicuito inducido. Uno puede conseguir una familia de velocidad frente a las curvas de la armadura como se muestra en las figuras 39.6 y 39.7 para varios valores rext. A partir de estas características que se explica cómo se logra el control de velocidad . Supongamos que el par de carga TL es constante y la corriente de campo también se mantiene constante . Por lo tanto , ya que las demandas de funcionamiento en estado estacionario Te = TL, Te =kIa

También se mantendrá constante, lo que significa que Ia no cambiará. Suponga que rext = 0, entonces en calificación, el punto de trabajo del par de carga estará en C y la velocidad del motoso será n. Si la Resistencia adicional rext1 se introduce en el circuito inducido, una nueva velocidad de operación en estado estacionario será n1 correspondiente al punto de operación D. De esta manera se puede obtener una velocidad de n2 correspondiente al punto E de funcionamiento , cuando rext2 se introduce en el circuito del inducido . Este mismo par de carga se suministra a diferentes velocidades . Variación de la velocidad es suave y la velocidad disminuirá sin problemas si se aumenta rext . Obviamente , este método es adecuado para el control de velocidad por debajo de la velocidad base y para el suministro de par de carga nominal constante que asegura la corriente nominal de inducido siempre . Aunque , este método proporciona control de velocidad gama amplia lisa (de velocidad de base hacia abajo hasta la velocidad cero ), tiene un empate grave de nuevo ya que la pérdida de energía tiene lugar en la resistencia externa Rext la reducción de la eficiencia del motor.

Vel

ocid

ad

Corriente de Armadura


39.5.2 Control de la velocidad variando la corriente del campo

En este campo método de la resistencia del circuito se varía para controlar la velocidad de un motor shunt de corriente continua . Vamos a reescribir .la ecuación básica para entender el método.

n V - Ia

ra

k

Si variamos If, el flujo de cambiará, la velocidad cambiará. Para cambiar If una resistencia


externa está conectada en serie con los devanados de campo . La bobina de campo produce flujo nominal cuando ninguna resistencia externa está conectada y tensión nominal se aplica a través de la bobina de campo. Se debe entender que sólo podemos disminuir el flujo de su valor nominal agregando resistencia externa . Así, la velocidad del motor aumentará a medida que disminuimos se logrará el campo de control de corriente y la velocidad por encima de la velocidad base.

Velocidad frente a la armadura característica actual se muestra en la figura 39.8 para dos valores

de flujos y Como la velocidad no cargada para el flujo es mayor que la

velocidad no cargada correspondiente a Sin embargo , este método no será adecuado para par de carga constante. Para aclarar este punto , supongamos que el par de carga es constante a su valor nominal. Así que desde el estado

estacionario inicial , tenemos Si el par de carga permanece constante y el

flujo se reduce a , la nueva corriente de armadura se obtiene de

Pero la fracción, hace que, la nueva corriente de armadura sea mayor que el inducido por la puntuación actual y el motor será sobrecargado. Este método por lo tanto, será adecuado para una carga cuya demanda de par disminuye con el aumento de mantener constante la potencia de salida de velocidad como se muestra en la figura 39.9 . Obviamente, este método se basa en el debilitamiento de flujo del campo principal. Por eso a la mayor velocidad de flujo principal puede llegar a estar tan debilitado, ese efecto de reacción de armadura será más pronunciado causando problemas en la conmutación.



39.5.3 Control de la velocidad por medio de la variacion del voltaje de la armadura

En este método de control de velocidad, la armadura se suministra desde una fuente de voltaje de corriente continua variable separada , mientras que el campo es de excitación independiente con tensión nominal fija como se muestra en la figura 39.10. Aquí la Resistencia de la armadura

y la corriente del campo no varian.Como la velocidad no cargada,

La velocidad contra Ia la característica se desplazará en paralelo como se muestra en la figura 39.11 para diferentes valores de Va.

+

-

VariableFuente Dc

Va

+ -V

figura 39.10: Control de velocidad controlado por el voltaje de armadura


Como el flujo se mantiene constante , este método es adecuado para cargas de par constante. En una forma método de control de la tensión de inducido es similar a la del método de control de la resistencia de la armadura , excepto que la anterior es muy superior como ninguna pérdida de potencia adicional se lleva a cabo en el circuito del inducido . Método de control de tensión del inducido se adopta para controlar la velocidad de la velocidad base a muy pequeña velocidad que no se debe aplicar en toda la armadura de una tensión que es superior a la tensión nominal.

Fig.39.11: Familia de n contra Ia caracteristico

39.5.4 Método de Ward Leonard: combinación de control de Va y If

En este esquema, tanto de campo y de control de la armadura se integran como se muestra en la figura 39.12. Un arreglo bastante simple para el control de campo. Se tiene que conectar simplemente un reóstato apropiado en el circuito de campo para este propósito. Sin embargo, en la era electrónica de potencia previa, la obtención de una fuente de corriente continua variable no fue fácil y un generador de corriente continua con excitación separada fue utilizado para suministrar la armadura del motor. Obviamente para funcionar este generador, se requiere un motor primario. Un motor de inducción trifásico se utiliza como el motor primario que se suministra desde un suministro trifásico. Controlando la corriente de campo del generador, la FEM generada, por lo tanto, Va puede ser variada. La conexión de divisor de potencial utiliza dos reóstatos en paralelo para facilitar la inversión de la corriente de campo del generador. En primer lugar el motor de inducción se inicia con el campo de corriente del generador en cero (mediante el ajuste de las posiciones de jockey de los reóstatos). El suministro de campo del motor se enciende con reóstato de campo del motor a cero.El voltaje aplicado al motor Va puede ahora ser aumentado hacía el valor clasificado por medio un lento incremento del campo de corriente del generador.En este esquema, no se requiere de arranque para el motor de corriente continua ya que el voltaje aplicado a la armadura se incrementa gradualmente. Para controlar la velocidad del motor de corriente continua por debajo de la velocidad base por voltaje inducido, la excitación del generador de corriente continua es variada, mientras que para controlar la velocidad por encima de la velocidad de campo de corriente base del motor de corriente continua variada manteniéndose constante. La inversión de la dirección de rotación del motor se puede conseguir mediante el ajuste de los jockeys del reóstato del generador de campo. Aunque, se logra una amplia gama de control suave de velocidad, el costo implicado es bastante alto ya que se requiere un generador de corriente continua adicional y un motor de inducción trifásico de clasificación similar a la del motor de corriente continua cuya velocidad está destinado a ser controlado. Hoy en día, el suministro de corriente continua variable, fácilmente se puede obtener del


suministro de corriente alterna mediante el uso de rectificadores controlados de este modo evitando el uso de un motor de inducción adicional y generador para implementar el método Leonard Ward.

39.6 Motor SerieEn este motor el devanado de campo está conectado en serie con el inducido y la combinación se suministra con tensión de corriente continua como se representa en la figura 39.13. A diferencia de un motor shunt, aquí la corriente de campo no es independiente de la corriente del inducido. De hecho, las corrientes de campo y la armadura son iguales es decir, If = Ia. Ahora el par producido en un motor D.C es:

T∝φ a I∝ I a I f

∝ I a2antes de la saturaciónen i . e . , φ∝ I a

∝ I a

después de la saturacióna lolargo I a

Dado que el par es proporcional al cuadrado de la corriente de la armadura, el par de arranque de un motor en serie es bastante alta en comparación con un motor de similar clasificación shunt de corriente continua.

39.6.1 Características de un motor en serie

Par vs Caracteristicas de corriente de armaduraDado T∝ I a

2 en la zona lineal y T∝ I a

en la zona de saturación, la característica T vs. Ia

es como se muestra en la figura 39.14

Velocidad vs Corriente de armaduraDe la ecuación KVL del motor, la relación entre la velocidad y la corriente de la armadura se puede obtener lo siguiente:

V=I a

( ra+r se )+Eb

¿ I ar+k φ n

ó , n=V−I a r

φ n

Enla zonalineal n=V−I a r

K ' I a

¿ Vk ' I a

− rk '

Enla zonade saturaciónn=V −I ar

k ' φ sat

La relación es por naturaleza inversa haciendo velocidad peligrosamente alta como Ia → 0. Recuerde que el valor de Ia, es una medida del grado de carga. Por lo tanto, un motor de la serie nunca se debe operar bajo


ninguna condición de carga. A diferencia de un motor shunt, un motor de serie no tiene velocidad finita sin carga. La característica de la velocidad contrala corriente de armadura se muestra en la figura:

Velocidad vs Caracteristicas del Par

Dado I a ∞√T en la zona lineal, la relación entre la velocidad y el par es:V

k ' ' √T− r

k '

k '' k 'representan constantes apropiadas para tener en cuenta la proporcionalidad que existe entre la corriente, el par y flujo en la zona lineal. Esta relación también es inversa en la naturaleza que indica una vez más la condición que a carga ligera o sin carga (T → 0); velocidad del motor en serie se aproxima a un valor peligrosamente alto. Por esta razón, un motor en serie nunca está conectado a la carga mecánica a través de transmisión por correa. Si el cinturón se rompe, el motor queda sin carga y como consecuencia la velocidad sube causando daños mecánicos al motor.

39.7 Speed control of series motor

39.7.1 Speed control below base speed

Para un par de carga constante, la corriente de armadura permanece constante, por lo tanto el flujo también permanece constante. Dado que la resistencia de la máquina ra+r se es muy pequeña, la FEM es aproximadamente igual al voltaje en terminales de la armadura Va. Por lo tanto, la velocidad es proporcional a V a. Si V a se ve reducida, la velocidad también se verá reducida. Esta V a puede ser controlada de dos formas, conectando una resistencia externa en serie o cambiando la fuente de voltaje

Conexión en Serie-paralelo de motores

Si para un drive dos o más (número par) motores idénticos son usados, los motores puede que los motores se conecten de forma que se pueda aplicar un voltaje variable a través de los motores para controlar la velocidad. Cuando los motores están conectados en serie como en la figura 39.17, el voltaje aplicado a través de cada motor es V/2 mientras que en conexión paralela, mostrada en la 39.18, el voltaje aplicado a través de cada motor es V. La FEM en el caso anter ior será aproximadamente la mitad que en el otro caso . Para la misma corriente de armadura en ambos casos (lo cual quiere decir que el flujo por polo es el mismo), la velocidad será la mitad en la conexión en serie comparada a la conexión en paralelo.


M1 M2

V/2 V/2

Suministro V

Figura 39.17: Motores conectados en Serie

+ -

M2

M1

Suministro V

Figura 39.18: Motores conectados en Paralelo


39.7.2 Control de velocidad basado en velocidad base

El control de flujo o corriente de campo es adaptado para controlar la velocidad sobre la velocidad base. En un motor en serie, el control de corriente de campo independiente no es tan evidente por que tanto las bobinas de armadura y campo están en serie. Sin embargo, esto puedo lograrse por los siguientes métodos:

1. Usar una resistencia derivadora conectada a través de la bobina de campo.En ese método mostrado en la figura 39.19, una porción de corriente de armadura es derivada a través de la resistencia derivadora. Por lo tanto la corriente de campo no es igual a la corriente de armadura; de hecho es menor a la corriente de armadura . Esto provoca la caída del flujo, elevando la velocidad del motor.

2. Changing number of turns of field coil provided with tapings.En este caso mostrado en la figura 39.20, tanto la corriente de campo como la de armadura son iguales. Sin embargo se deja un arreglo para poder cambiar el número de vueltas de la bobina de campo. Cuando el número de vueltas cambia, la fuerza magneto motriz cambia N se I f , cambiando el flujo magnético y por lo tanto la velocidad del motor

A1+

-A2

nIf

Suministro V

Se1 Se2

Resistencia Derivadora

Figura 39.19: Control de Campo con Resistencia Derivadora

A1

+

-A2

n

Suministro V

Tomas de Campo

Figura 39.20: Control de Campo con Tomas


3. Conectando bobinas de campo sobre cada polo en serie o en paralelo.Generalmente las terminales de campo de un motor de DC se sacan después de conectar las bobinas de campo en serie. Considere un motor en serie de 4 polos donde habrá 4 bobinas individuales colocadas encima de los polos. Si las terminales de la bobina individual se sacan, entonces hay múltiples opciones para conectarlas. Las cuatro bobinas podrían conectarse en serie como en la figura 39.21; las cuatro bobinas podrían conectarse en paralelo o en combinación de 2 en serie y dos en paralelo como en las figura 39.22. Para las conexión en serie de las bobinas (figure 39.21) el flujo magnético producido es igual a Ia y para una conexión en serie-paralelo (figure 39.22) el flujo producido es proporcional a I s.

Por lo tanto, para la misma corriente de armadura Ia, el flujo magnético se duplicara en el Segundo caso y naturalmente la velocidad seráaproximadamente el doble que la fem en ambos casos es cercanoal voltaje de alimentación V. Por lo tanto el control de velocidad en una proporción de 1:2 es posible para una conexión serie paralelo.

A1

A2

n

Suministro V

+

-

Ia

Figura 39.21:Bobinas en Serie

A1

A2

n

Suministro V

+

-

Ia/2

Figura 39.22:Bobinas en Serie-Paralelo

Ia/2

Ia

En una forma similar, el lector puede resolver la variación de velocidad posible entre (i) todas las bobinas conectadas en serie y (ii) todas las bobinas conectadas en paralelo.


39.8 Frenado de un motor de DC en configuración mixta (shunt): Idea básica

Usualmente en muchas aplicaciones es necesario detener un motor activo rápidamente. Sabemos que cualquier objeto moviéndose o rotando adquiere energía cinética. Por lo tanto, el tiempo que tomará para detener el objeto dependerá esencialmente de que tan rápido podemos extraer la energía cinética en él y disipar la energía a algún otro lado. Si dejas de pedalear tu bicicleta, eventualmente se detendrá después de recorrer cierta distancia. La energía cinética inicial almacenada, en este caso se disipa como calor con la fricción entre la rueda y el camino. Sin embargo, para hacer el frenado más rápido, se aplica el freno con la ayuda de un freno de goma en los rines de las ruedas. Ahora la energía cinética almacenada tiene dos formas para ser disipada, una en la interfaz entre el freno y la llanta (donde la mayoría de la energía es disipada) y la otra es en la interfaz entre la llanta y el camino. Sin duda este es un buen método, pero se necesita un mantenimiento continuo debido al desgaste de las gomas del freno.

Si un motor solo se desconecta de la fuente eventualmente se detendrá, pero tomará más tiempo particularmente para motores grandes que tengan una gran inercia rotacional. Por que en este caso la energía almacenada tiene que disiparse principalmente a través de la fricción del balero y la fricción del viento. La situación se puede mejorar, forzando el motor a funcionar como un generador durante el frenado. La idea se puede entender recordando que en el modo motor el par electromagnético actúa con la dirección de rotación mientras que en modo generador durante el frenado, un par opuesto a la dirección de rotación será impuesta en la flecha, por lo tanto ayudando a la máquina a detenerse más rápido. Durante la acción del frenado, la energía cinética almacenada en el rotor es disipada en la resistencia externa o retroalimentada a la fuente o ambas.

39.8.1 Frenado reostatico

Considere un motor de CD operando desde una Fuente de CD con el switch S conectado a la posición 1 mostrada en la figura 39.23. S es un switch de polo único y dos tiros y puede ser conectado a la posición 1 o a la posición 2. Una terminal de la resistencia externa Rb se conecta a la posición 2 del switch S como se muestra.

Empezamos con S en la posición 1, el motor corre a n rpm, generando una corriente de armadura I a y una fuerza contra-electromotriz es Eb = kn. Note que la polaridad de Eb la cual como usualmente ocurre en el modo motor esta en oposición a la fuente de voltaje. También note Te y n tienen una dirección igual a favor de las manecillas del reloj.

Ia 1 2+

If

ranr

+

If

1 S 2 Ia

ran

+ Ia Te Rb

- Eb

+ Ia Te Rb

- Eb

Figure 39.23: Maquina operando como motor

Figure 39.24: La maquina opera como generador durante el

D.C

sup

ply

D.C

sup

ply


frenado Ahora, si S se cambia a la posición 2 en un t = 0, la armadura se desconecta de la fuente y

se conecta a Rb con la bobina de campo aún energizada por la Fuente. Dado que la velocidad del rotor no puede cambiar instantáneamente, el valor de la fuerza contra electromotriz Eb se mantiene con la misma polaridad prevaleciente en t = 0-. Por lo tanto en t = 0+, la corriente de

armadura será I a=Eb

ra+rb y con una dirección opuesta comparada a la dirección prevaleciente

durante el modo motor en t = 0-.Obviamente para t > 0, la máquina esa operando como un generador disipando potencia a

Rb y ahora el par electromagnético Te debe actuar en la dirección opuesta a n dado que Ia cambio de dirección pero no lo hizo (Te Ia). Conforme el tiempo pasa después del switcheo n disminuye reduciendo la energía cinética como consecuencia de que tanto Eb y Ia

disminuyeron. En otras palabras el valor máximo del par de frenado estará en t = 0+, y disminuirá progresivamente y convirtiéndose en 0 cuando la máquina pare.

39.8.2 Frenado dinámico

Este método de frenado puede entenderse haciendo referencia a las figuras 39.25 y 39.26. Aquí S es un switch de dos polos y dos tiros. Para el modo común de motorizado, S se conecta a las posiciones 1 y 1'. A través de las terminales 2 y 2', una serie de combinaciones de una Resistencia externa Rb y una Fuente de voltaje con polaridad como la indicada se conectan. Sin embargo, durante el modo motor esta parte del circuito permanence inac


+

If

1 S 2 IaRb - +

If

ran

+ Ia Te

- Eb

1 S 2 Ia Rb -

ran

+ Ia Te

- Eb

- 1' S 2' + -1' S 2' +

Figure 39.25: Machine operates as motor

Figure 39.26: Machine operates as generator during braking (plugging).

Para iniciar el frenado, el switch se pasa a las posiciones 2 y 2' en t = 0, por lo tanto desconectando la armadura de la fuente de voltaje de la mano izquierda. Aquí en t = 0+, la armadura de corriente será Ia = (Eb + V)/(ra + Rb) como Eb y la fuente de voltaje de mano derecho tienen polaridades aditivas por el tipo de conexión. Aquí también Ia cambia su dirección produciendo Te en dirección opuesta a n. Ia disminuye mientras Eb disminuye con el tiempo mientras la velocidad disminuye. Sin embargo, Ia no puede volverse cero debido a la presencia de el voltaje de alimentación V. A diferencia del frenado reostático, una cantidad substancial de torque prevalece. Por lo tanto se espera que detener un motor de esta manera sea más rápido que en el frenado reostático. ¿Pero que pasa si S continua en la posición 1' y 2' aún cuando ya se consiguio que la velocidad este en cero? La respuesta es muy simple, la máquina empezara a ganar velocidad en la dirección opuesta operando como un motor. Por lo tanto se deben tomar medidas para desconectar el motor de la fuente en el momento en el que la velocidad de armadura se vuelve cero.

39.8.3 Frenado regenerativo

Una máquina operando como motor puede entrar en frenado regenerative si la velocidad se convierte lo suficientemente grande como para que la fuerza contra electromotriz sea más grande que la fuente de voltaje, Eb > V. Obviamente bajo esta condición la dirección de Ia empezara a imponer par en dirección opuesta a la dirección de rotación. La situación se explica en las figuras 39.27 y 39.28. La operación normal de un motor se muestra en la figura 39.27 donde la corriente de motorización de la armadura Ia se retira de la fuente y como usualmente Eb < V. Dado que Eb = kn1. La pregunta es, como la velocidad por si misma se convierte lo suficientemente grande como para hacer que Eb < V provocando un frenado regenerativo. Tal situación podría ocurrir en la práctica cuando la carga mecánica se vuelve active. Imagine que el motor de CD esta acoplado a la llanta de una locomotora que se mueve en un camino plano sin ninguna inclinación como se muestra en la figura 39.27. La máquina está corriendo a una velocidad de n1

rpm. Sin embargo, cuando el camino tiene una inclinación descendiente (mostrado en la figura 39.28), Se le agrega el component de la fuerza gravitacional junto al camino, el cual intentará acelerar el motor y puede aumentar la velocidad a n2 tal que Eb= k n2 > V. En ese caso, la dirección de Ia se invierte, retroalimentando potencia a la fuente. Aquí el frenado regenerativo no detendrá el motor pero ayudará a disminuir el riesgo de una alta velocidad.

D.C

sup

ply,

V

D.C

sup

ply,

V

D.C

sup

ply,

V

D.C

sup

ply,

V

Electric loco


Ia+

-Eb < V

lain track without gradient

Figure 39.27: Machine operates as motor

Ia+

-Eb > V

Track with gradient

Electric loco

nra

Ia Te

Eb

+-

If

n1

D.C

sup

ply

D.C

sup

ply

P

n1ra

Ia Te

Eb

+-

If

n1


Figure 39.28: Machine enters regenerative braking mode.

39.9 Elige la respuesta correcta

1. Un motor CD en conexión shunt de 200 V, 1000 rpm, tiene una resistencia de armadura de 0.8 Ω y su corriente de armadura es de 20 A. La proporción de la corriente de inicio de la armadura a la corriente nominal con voltaje completo será

(A) 1 V (B) 12.5 V (C) 25 V (D) 16 V

2. 1.Un motor CD en conexión shunt de 200 V, 1000 rpm, tiene una resistencia de armadura de 0.8 Ω y corre consistentemente a 950 rpm desde una fuente de 200 V con una fuerza contra electromotriz de 190 V. La corriente de armadura es:

(A) 237.5 A (B) 10 A (C) 250 A (D) 12.5 A

3. Un motor de CD en conexión shunt de 220 V tiene una resistencia de armadura de 1 Ω y una resistencia de circuito de campo de 150 Ω. Mientras corre consistentemente de una fuente de 220 V, se encontró que su fuerza contra electromotriz es de 209 V. El motor t iene una corr iente de l ínea de :

(A) 11 A (B) 12.47 A (C) 221.47 A (D) 9.53 A

4. Un motor de CD de 220 V en conexión shunt, tiene una ra = 0.8 Ω y genera una corriente de armadura de 20 A mientras se le suministra un torque constante. Si el flujo de campo se reduce repentinamente en un 10, entonces inmediatamente la corriente de armadura se volverá:

(A) 45.5 A y la nueva corriente de armadura constante sería 22.2 A.(B) 20 A y la nueva corriente de armadura constante sería 22.2 A.(C) 22.2 A y la nueva corriente de armadura constante sería 45.5 A.(D) 20 A y la nueva corriente de armadura constante sería 25 A.

5. Un motor de CD de 220 V, tiene una ra = 0.8 Ω y genera una corriente de armadura de 20 A mientras se le suministra una carga de par constante. Si una resistencia de 4.2 Ω se inserta repentinamente en el circuito de la, entonces la corriente de armadura se volvería:

(A) 20 A y la nueva corriente de armadura constante sería 3.2 A.(B) 3.2 A y la nueva corriente de armadura constante sería 20 A.(C) 47.2 A y la nueva corriente de armadura constante sería 3.2 A.(D) 3.2 A y la nueva corriente de armadura constante sería 47.2 A.


6. Un generador de CD excitado por separado de 220 V, tiene una ra = 0.6 Ω ay mientras se le suministra una carga de par constante, genera una corriente de armadura de 30 A en el voltaje nominal. Si el voltaje de armadura suminitrado se reduce en un 20%, la nueva corriente estable de armadura sería:

(A) 24 A (B) 6 A (C) 30 A (D) 36 A

7. Un motor de CD en conexión shunt de 250 V, con una resistencia de armadura despreciable corre a 1000 rpm en voltaje nominal. Si la fuente de voltaje se reduce en un 25%, la nueva velocidad constant del motor sería:

(A) 750 rpm (B) 250 rpm (C) 1000 rpm (D) 1250 rpm

39.10 Resuelve lo siguiente

1. Un motor de corriente continua lleva una corriente de inducido de 50A a 220V. La resistencia de la armadura es 0.2Ω. El motor tiene 6 polos y la armadura es con 430 conductores. El flujo por polo es 0.03Wb. Calcular la velocidad a la que el motor está funcionando y el par electromagnético desarrollado.

2. Un motor shunt de d.c. de 10 KW, 250 V y 1200rpm tiene una eficiencia de carga completa de 80%, ra = 0.2Ωand Rf = 125Ω. La máquina está inicialmente operando a plena carga desarrollo par a plena carga.

i. ¿Qué resistencia adicional debe ser introducido es el circuito de la armadura si la velocidad del motor se reducirá a 960 rpm?

ii. ¿Qué resistencia adicional se va a insertar en el circuito de campo a fin de aumentar la velocidad a 1300 rpm?

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