Comprendiendo los Principios de Operación de los Motores de Corriente Continua

Los motores de corriente continua (CC) son comúnmente utilizados en dispositivos alimentados por batería como equipos móviles, arrancadores mecánicos y herramientas portátiles. Ofrecen un alto par de arranque y un control preciso de la velocidad, lo que los hace ideales para aplicaciones como cabrestantes.

Los dispositivos modernos de estado sólido pueden convertir fácil y económicamente la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC), permitiendo el uso generalizado de motores de CC en diversas aplicaciones.

En un motor de corriente continua, el rotor gira y ejerce torque a medida que los polos del rotor interactúan con los polos del estator. El estator, conocido como el campo, genera polos utilizando imanes permanentes o corriente en zapatos de polo.

Un motor de corriente continua tiene un inducido, el cual incluye polos generados por la corriente en los devanados, conectado a un conmutador compuesto por barras de cobre aisladas. Las escobillas montadas en el conmutador conducen corriente a los devanados del inducido.

Un motor de corriente continua real tiene múltiples devanados de armadura, cada uno produciendo su conjunto de polos. Estos devanados se agrupan para combinar polos similares y alinearse con los polos del campo para maximizar la producción de par.

Mientras el inducido gira, los polos del inducido permanecen casi fijos en la posición óptima para generar el máximo par motor. Esta posición garantiza un funcionamiento eficiente del motor.

En un motor de dos polos simple con seis devanados de armadura, el flujo de corriente a través de los devanados crea polos que se combinan para formar un polo norte y un polo sur, creando efectivamente un electroimán para el funcionamiento del motor.

Cuando el cepillo entra en contacto con el siguiente segmento del conmutador, cortocircuita la bobina 6 para evitar el flujo de corriente. El polo norte del inducido retrocede a medida que la corriente se divide entre las bobinas 1 y 5. El polo del inducido gira hasta que la siguiente barra del conmutador pasa por el cepillo, cambiando la dirección de la corriente en la bobina 6.

Hay cuatro tipos principales de motores de corriente continua: serie, derivación, excitación compuesta y imán permanente. Cada tipo tiene características de funcionamiento específicas en términos de par, potencia en caballos a diferentes velocidades y consumo de corriente, lo que los hace adecuados para diversas aplicaciones.

En un motor de corriente continua, el par motor depende de la fuerza del campo magnético, que es influenciada por la corriente que fluye a través de las bobinas del motor. Tanto la corriente como el par disminuyen a medida que el motor acelera y aumentan al desacelerar. Esta relación se explica en términos de la fuerza electromotriz de retroceso que se opone al voltaje aplicado.

La fuerza electromotriz inversa es un voltaje generado en las bobinas del inducido cuando giran en el campo magnético. Este voltaje inducido se opone al voltaje aplicado, afectando el flujo de corriente a través del inducido. El voltaje efectivo que empuja la corriente a través del inducido es el voltaje aplicado menos la fuerza electromotriz inversa.

La fuerza electromotriz de retroceso no es constante y varía con la velocidad del inducido. Antes de que el inducido comience a girar, no hay fuerza electromotriz de retroceso ya que las bobinas del inducido no están cortando las líneas del campo magnético. La corriente a través del inducido de un motor de corriente continua está determinada por el voltaje aplicado menos la fuerza electromotriz de retroceso dividida por la resistencia del inducido.

La corriente que pasa a través del inducido de un motor CESC es alta a medida que aumenta su velocidad, lo que conduce a un aumento en la fuerza electromotriz y una reducción en el voltaje efectivo. Esto resulta en un menor consumo de corriente del inducido a velocidades más altas. La velocidad y la corriente del motor también son influenciadas por la fuerza de los imanes del campo.

Ajustar la corriente en las bobinas de campo afecta la fuerza electromotriz inducida. Disminuir la corriente en las bobinas de campo reduce la fuerza electromotriz, mientras que aumentarla mejora la fuerza electromotriz. Estos principios son cruciales para entender el funcionamiento de diferentes tipos de motores CESC, cada uno bobinado de manera diferente con características distintas de corriente, torque y velocidad.

En un motor en serie, las bobinas del inducido y del campo están conectadas en serie, lo que hace que circule la misma corriente por ambas. La fuerza electromotriz afecta las características del motor, proporcionando un par excepcionalmente alto al arrancar y a bajas velocidades. Sin embargo, los motores en serie carecen de una velocidad en vacío estable y pueden acelerar de forma incontrolable cuando la carga se reduce.

Si un motor en serie gira demasiado rápido, puede ser destruido por fuerzas centrífugas, causando que el inducido se desintegre o explote. Mientras que los motores en serie pequeños tienen suficiente fricción en las escobillas y cojinetes para evitar esto, los más grandes como los de las montacargas deben ser cuidadosamente gestionados para evitar un fallo catastrófico.

En motores conectados en serie, las bobinas de campo están conectadas en serie con el inducido, lo que hace que la corriente en ellas se vea afectada por la fuerza electromotriz de retroceso. Esta configuración puede hacer que el motor funcione a una velocidad excesiva si la carga se desconecta. Por otro lado, en un motor en derivación, las bobinas de campo están conectadas en paralelo con el inducido, lo que resulta en una corriente de campo casi constante. Los motores en derivación ofrecen la ventaja de mantener una velocidad constante incluso con cargas variables.

Un motor en derivación, por ejemplo, presenta una buena regulación de velocidad, donde incluso duplicar la carga solo causa una ligera disminución en la velocidad. En contraste, un motor en serie deceleraría significativamente bajo las mismas condiciones. Además, los motores en derivación tienen una velocidad en vacío más alta y no se descontrolan debido al campo constante a medida que aumenta la velocidad del inducido.

Grandes motores industriales a menudo utilizan configuraciones de devanado compuesto, combinando devanados en serie y en derivación en los mismos núcleos de campo. Estos motores ofrecen características tanto de motores en derivación como en serie, proporcionando un mayor par de arranque que los motores en derivación, manteniendo al mismo tiempo una buena regulación de velocidad y una velocidad en vacío estable.

Los motores de imanes permanentes no tienen devanados de campo; en su lugar, dependen de imanes permanentes para crear un campo magnético constante. Estos motores exhiben una curva de par casi lineal, lo que resulta en una producción constante de potencia independientemente de la velocidad. Máquinas como equipos de bobinado de carretes se benefician de este tipo de curva de par.

Una de las principales ventajas de los motores de velocidad variable como los motores CEE es su control preciso y relativamente fácil sobre la velocidad y el par. Al ajustar los parámetros del motor, como el voltaje y la corriente, los operadores pueden modular de manera efectiva la velocidad y el par de salida del motor para adaptarse a requisitos operativos específicos.

Al ajustar el voltaje en el inducido de un motor, el voltaje y la corriente efectivos disminuyen, lo que conduce a una disminución en el par y la velocidad del motor. Esto resulta en una situación inestable donde el motor lucha por impulsar la carga a una velocidad reducida. Por el contrario, reducir el voltaje de campo disminuye la fuerza del campo magnético, provocando un aumento en la corriente del inducido y la aceleración del motor hasta que la fuerza electromotriz sea suficiente para impulsar la carga a una velocidad más alta.

Un regulador de motor en un motor de devanado compuesto ajusta el voltaje al inducido o al campo para controlar la velocidad del motor. Aumentar el voltaje del inducido o disminuir el voltaje del campo acelera el motor, mientras que disminuir el voltaje del inducido o aumentar el voltaje del campo lo ralentiza. La función principal de la mayoría de los reguladores de motor es arrancar el motor a un voltaje reducido para evitar un consumo excesivo de corriente durante el arranque.

Los reguladores de motor en motores de devanado compuesto también evitan condiciones de sobrevuelo conocidas como 'cargas descontroladas'. En tales casos, donde la carga intenta rotar más rápido que la velocidad en vacío del motor, el motor actúa como un generador debido a la fuerza electromotriz inducida que excede el voltaje de suministro. Esto genera un efecto de frenado, limitando la velocidad de la carga descontrolada.

Para intensificar el frenado del motor, se desconecta la fuente de voltaje del inducido, permitiendo que la corriente inversa aumente y fortalezca el par de frenado. Esto se logra al completar un circuito a través de las bobinas del inducido cuando se activa el interruptor de freno, conectando resistencias en paralelo con los terminales del inducido para disipar energía y detener el motor.

A medida que la velocidad del motor disminuye, la corriente y el par de frenado también disminuyen, lo que eventualmente lleva al motor a detenerse sin ningún frenado. Los frenos mecánicos se activan a bajas velocidades para completar el proceso de frenado. Revertir un motor es un proceso simple de invertir el flujo de corriente en las bobinas del inducido o las bobinas de campo, invirtiendo efectivamente los polos magnéticos y el par motor. La mayoría de los motores de devanado en serie se invierten invirtiendo la corriente del inducido.

Los interpolar son polos instalados entre los polos principales del campo en un motor y enrollados con alambre grueso en serie con el inducido. Están presentes en la mayoría de los motores en derivación, compuestos y de imán permanente por encima de medio caballo de fuerza. Los interpolar evitan chispas en las escobillas bajo condiciones de carga variables, pero solo pueden funcionar correctamente si su polaridad coincide con la dirección de rotación del motor. Revertir el motor requiere cambiar las conexiones del campo para garantizar el correcto funcionamiento del interpolar.

Al comprender los componentes clave de un motor, como los cepillos, conmutadores, bobinas del inducido e interpolar, se puede entender cómo trabajan juntos en diferentes tipos de motores. El conocimiento de cómo los cepillos y conmutadores cambian la corriente en las bobinas del inducido, el impacto de la fuerza electromotriz de retroceso en la velocidad del motor y las características de par, y el papel de los interpolar en mantener una operación estable es crucial para comprender el comportamiento del motor.

En episodios futuros, la serie profundizará en las especificaciones del motor, los procedimientos de instalación, las prácticas de mantenimiento y las técnicas de solución de problemas. Estas discusiones proporcionarán información detallada para optimizar el rendimiento del motor, garantizar una configuración adecuada y abordar de manera efectiva cualquier problema relacionado con el motor que pueda surgir.