resumen motores corriente continua - V.Espino

RESUMEN MOTORES CORRIENTE CONTINUALos motores eléctricos convierten la energía eléctrica en energía mecánica. Así, lacorriente eléctrica tomada de la red recorre las bobinas o devanados del motor, encuyo interior se crean campos magnéticos que generan fuerzas que impulsan elmovimiento de rotación de la parte móvil del motor (rotor).En los motores de corriente continua distinguimos dos partes fundamentales:a) devanado inductor o excitador, localizado en el estator, al que se aplica unacorriente continua, que genera un campo magnético definido por el vectorinducción magnética ( B ) yb) un devanado inducido, localizado en el rotor, al que se aplica una corrientecontinua y en el que se genera una fuerza electromagnética de valorF = l * I * B . Así, el par que experimenta el eje del rotor vendrá dado por laexpresión: M = K I * Φ , siendo Φ el flujo magnético generado en el* iΦ = K'*Iey M K''* I i* Ieinductor y por tanto= , siendo Iie Ielas corrientesque recorren el devanado inducido e inductor respectivamente y K, K’ y K’’constantes.Por otro lado, el movimiento del rotor, genera una fuerza contraelectromotriz ( ε ' ),que representa “el consumo de energía eléctrica por unidad de carga” del motor yque depende de la velocidad de la velocidad de giro del rotor y del flujo magnéticocreado en el inductor, según la expresión: ε ' = K * n * Φ .En corriente continua, el devanado inductor lo podemos sustituir por una resistenciay el devanado inducido por una fuerza contraelectromotriz y una resistencia interna.De esta forma, si suponemos que inductor e inducido está conectados a dos circuitoseléctricos diferentes, la relación entre las diferentes magnitudes eléctricas sería:InductorInducidoI eI iU’ ReRiε’UU’=Ie*ReU = ε '+ Ri * ICuando el motor trabaja en vacío (sin que su eje se acople a ningún mecanismo y portanto sin realizar trabajo útil), el consumo de energía eléctrica se reduce y por tanto laintensidad que recorre el inducido también. Idealmente, en vacío, el par motor seríacero y también la intensidad del inducido. (M o =0; M o =K * I io * Φ ⇒ I io =0 )1

POTENCIA Y RENDIMIENTOP u : potencia útil (la que se convierte en trabajo de rotación)P ab : potencia absorbida de la red eléctricaP e : potencia eléctricaP cu : potencia perdida por efecto Joule o pérdidas por calor en el hilo conductor (cobre)P Fe : potencia perdida por pequeñas variaciones del flujo magnético: a) por histéresis(desprendimiento de calor al imantarse los materiales férricos del motor) o b) porcorrientes parásitas o de Foucault (producidas en el núcleo de hierro sobre el que searrollan las bobinas del inducido).P mec : potencia perdida por rozamiento (cojinetes, escobillas,....)η: rendimiento del motor η =Pu = M *ω (M = par motor)Pab = U * IPuPabRiε’IUPe = ε '*IPcu = Ri * I2LuegoPab = Pe +PcuU = ε '+ Ri * IU * I = ε '* I + Ri * I2Pu = Pab − Pcu − Pfe − PmecPu = Pe − Pfe − PmecUn esquema de lo expuesto sería:P ab =U*I P e =ε’*I P u =M*ωP Cu P Fe P mecEn el vacío (sin carga) la potencia útil del motor es 0 (P u = 0) y por tanto:P = P − P − P ⇒ P − P = P − PaboCuoFemecLuego podemos conocer las pérdidas en el hierro y las pérdidas mecánicas si tenemosel dato de la potencia absorbida en vacío o sin carga (P abo ) y en su caso, las pérdidaspor efecto Joule en vacío (P Cuo ).FemecaboCuoARRANQUE Y RÉGIMEN ESTABLEEl arranque es el momento en que conecta el motor a la red. En ese instante, elpar desarrollado por el rotor (M o par motor) debe vencer la resistencia que oponga lacarga o par resistente (Mr) de modo que debe cumplirse que M>Mr. En el arranque, laintensidad que absorbe el motor de la red puede ser hasta 6 veces la intensidad enrégimen estable o intensidad nominal.En el instante del arranque, la velocidad del motor es 0 y por tanto también lafuerza contraelectromotriz (ε’=0) ya que ε ' = K * n * Φ , de forma que U = Ri * I.Se dice que el motor ha alcanzado su régimen estable cuando su velocidad semantiene constante, en ese instante el par motor y par resistente son iguales (M=Mr) yel motor absorbe de la red la intensidad nominal.2

TIPOS DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA SEGÚN LA FORMA DECONEXIÓN DE LAS BOBINAS O DEVANADOSMOTOR DERIVACIÓNEn estos motores, el devanado inductor se conecta en paralelo con eldevanado inducido, según el siguiente esquema eléctrico:IEn el devanado inducido:U = ε '+ Ri *Luego,I iEn el devanado inductor:U = R e* I e(I e es independiente de I i )ε’22* I = U * ( Ii+ Ie) = ´* Ii+ Ri* IiRe* Ie+ Pcu( R iRe)Pab = Uε+Pab = Pe +RiI iI eUReCurvas características del motor derivaciónVelocidad n = f(I i ) Par M = f (I i )nMiI iε ' = K * n * Φ = K1* n * I eM = K2* Ii* Φ = K3* Ii* Ieε ' = U − R i* I iComo Iees casi constante:LuegonU − R * IIi i= M = K4* IiK1* IeSon motores con velocidad casi constante (la velocidad apenas disminuye al aumentarla carga). Son motores estables y de precisión, muy utilizados en máquinasherramientas:fresadoras, tornos, taladradoras, etc.3

MOTOR SERIEEn estos motores, el devanado inductor o excitador se coloca en serie con eldevanado inducido. Corresponde a estos motores el siguiente esquema eléctrico:En este caso, la intensidad que recorre ambos devanados es la misma:I = I i= I eY la tensión tomada de la red será igual a las caídas de tensión de los diferenteselementos:IU = ε ' + Ri * I + R * eILuego,Pab = U * I = ε ´* I + ( R R ) * IPab = Pe + Pcu +( R iRe)i+e2Riε’ReUCurvas características del motor serieVelocidad n = f(I i ) Par M = f (I i )nMI iI iε ' = K * n * Φ = K1* n * IM = K2* Ii* Φ = K3* Ii* Ie' = U − ( Ri + Re ) * II = I i= IεeU − ( Ri+ Re) * In =K * I1M = K * I 24Ahora, al variar la carga, varía I, el denominador no es constante y por tanto lacaracterística de velocidad de estos motores es una hipérbola. En el caso del par, lacurva característica es una parábola, ya que las intensidades son iguales.Estos motores se caracterizan, por tanto, por tener un elevado par de arranque, lo queles permite iniciar el movimiento con carga, pero su velocidad no se mantieneconstante, sino que disminuye al aumentar la carga o aumenta al disminuir ésta. Seutilizan en ferrocarriles, funiculares, .....MOTOR COMPOUNDEn estos motores, parte del devanado excitador se coloca en serie y 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.4

PROBLEMAS MOTORES ELÉCTRICOS1. La instalación de un montacargas tiene un rendimiento del 80 %. Si el montacargastiene una masa de 500 kg, sube 10 pisos en un minuto y cada piso tiene una altura de3 m y admite una carga máxima de 10.000 kg. Calcular:a) La energía que consume cuando sube descargadob) La potencia que absorbe descargadoc) La potencia que necesita para subir a plena carga2. Un motor eléctrico tiene las siguientes características nominales: Potencia útil 5 CV,velocidad: 1450 rpm y rendimiento 85 %. Determinar:a) Potencia absorbida de la red eléctricab) Si se quisiera mover un sistema mecánico con un par resistente de 30 N m,¿se podría utilizar este motor?. Razona la respuesta.MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA3. Un motor de corriente continua está conectado a una tensión de 24 v y consume 2 Agirando a una velocidad de 2600 rpm. Su rendimiento es del 90 % y su resistenciainterna de 0,5 Ω. Calcular:a) La potencia absorbidab) La fuerza contraelectromotrizc) La potencia útild) El par motor en el ejee) La intensidad en el momento de arranque4. Un motor de corriente continua de excitación en serie, de 230 v, 115 A, 1500 rpm,Ri=0,21 Ω, Re= 0,12 Ω. Calcular: a) Fuerza contraelectromotriz y par nominal. b)calcula la velocidad cuando la intensidad sea el doble y la mitad que la nominal ydibuja la característica de velocidad n=f(I)5.- Un motor serie posee una resistencia en el inducido de 0,2 Ω y la resistencia deldevanado de excitación vale 0,1 Ω. La tensión de línea es de 220 v y la fcem es de215 v. Determinar: a) la intensidad que absorbe en el arranque, b) la intensidad nominal, c) laresistencia a conectar en serie para reducir la intensidad de arranque al doble de la nominal.6. Un motor de corriente continua derivación de 15 CV de potencia útil y 120 V gira a1000 rpm, siendo su rendimiento del 82 %. La resistencia del inducido es 0,08 y lacorriente de excitación de 3 A. Hallar:a) Potencia suministrada por el motorb) Potencia absorbida por el motorc) Intensidad de corriente en el inducidod) Par de frenadoe) Fuerza contraelectromotriz7. Un motor de c.c. de excitación en derivación se conecta a una línea de 230 V paraaccionar una bomba. Con ella conectada, consume de la red 20 A a 1200 rpm. Laresistencia del inducido es de 1 Ω y la del devanado inductor de 46 Ω. Las pérdidas enel hierro y las mecánicas se han estimado en 50 W y 175 W, respectivamente.a) Calcula las corrientes en el inductor y en el inducido.b) Determina la potencia en pérdidas del motor, la potencia útil para la bomba y el rendimiento.c) Calcula la fcem en el rotor.d) Halla el par proporcionado a la bomba. ¿Cuál sería si las pérdidas en el hierro ymecánicas fuesen nulas?.e) Determina el par en el arranque y la velocidad en vacío del motor, suponiendo quela pérdidas mecánicas y en el hierro son nulas. Con los valores determina lacaracterística mecánica T(n) del motor.

8.- Un motor de c.c. de excitación en derivación se conecta a una línea de 230 V paraaccionar un montacargas. Con el montacargas funcionando, consume de la red 63,5 Aa 1200 rpm; y en vacío, para mantener el mismo número de revoluciones, el motorconsume 16,5 A, aplicando la misma tensión. La resistencia del inducido es de 0,15 Ωy la del devanado de excitación de 174 Ω. Considerando que las pérdidas en el hierroson nulas y que las mecánicas en ambos casos son las mismas, calcula:a) Las pérdidas por efecto Joule en condiciones nominales.b) Las pérdidas mecánicas y el rendimiento del motor con el montacargasfuncionando.c) El par electromagnético de arranque.d) La velocidad de giro cuando la intensidad consumida por el motor sea de 40 A.e) Si el montacargas tiene una masa de 1000 kg, sube doce metros en un minuto,calcula la carga máxima que puede subir despreciando las pérdidas porrozamiento del sistema mecánico.9.- Un motor de c.c. de excitación serie, con carga nominal gira a una velocidad de1200 rpm, absorbe una intensidad de 20 A con una tensión de línea de 220 V y tieneun par de 50 N·m. Si la resistencia del inducido es 0,8 Ω y la del devanado deexcitación de 1,2 Ω, calcula:a) La caída de tensión y la intensidad del inducido en el momento del arranque.b) calcula la velocidad cuando la intensidad sea el doble y mitad que la nominal ydibuja la característica de velocidad n = f(I).c) El valor de la resistencia de arranque que será necesario conectar en serie con eldevanado inducido para que la corriente inicial sea el doble que la nominal.PROBLEMAS MOTORES ELÉCTRICOS P.A.U.10.- CyL Septiembre 99Un motor eléctrico con rendimiento del 85% tiene que accionar un montacargas, cuyopeso en vacío es de 437 kg y que puede cargarse con 1537 kg más. El montacargasse eleva 24,6 metros de altura, tardando en ello 35 segundos. ¿ Cuál es la potenciadel motor (en cv) necesaria? ¿Cuál será la intensidad nominal absorbida, si el motorestá conectado a una red de 220 v?.11.- CyL Septiembre 99Un motor de corriente continua de 8 CV, tiene un rendimiento del 85 % cuando sealimenta a 400 V. Si se sabe, además, que sus pérdidas en el cobre son iguales a lasuma de las otras pérdidas, calcule:a) La intensidad que absorbe el motor.b) La suma de pérdidas en el hierro y mecánicas.c) La potencia eléctrica interna.12.- CyL Junio 2001.Un motor eléctrico se alimenta a 12 Voltios y consume 20 Amperios cuando gira a1200 r.p.m., siendo su resistencia interna Ri = 0.1 Ohmios. Calcula:a) La fuerza contraelectromotriz inducida.b) Potencia absorbida, potencia útil y rendimiento.c) Intensidad de arranque.d) Par nominal y par de arranque .

CUESTIONES MÁQUINAS ELÉCTRICAS PAU13.- CyL Septiembre 20001) Relacione las partes que constituyen una máquina eléctrica rotativa genérica,especificando la misión de cada una de ellas. En el caso del motor de corrientecontinua, indique la posición relativa de sus devanados y la naturaleza de lascorrientes que circulan por los mismos.2) Clasifique las posibles pérdidas de una máquina eléctrica indicando a qué se debecada una.14.- CyL Septiembre 2001¿Qué potencia eléctrica consume un motor eléctrico que acciona una bombaoleohidráulica que gira a 1.000 rpm., si el caudal suministrado es de 10 cm3 por cadarevolución y el manómetro a su salida indica 100 Kg/cm2.? Rendimiento global: 0.8.16.- CyL Junio 2003Enumera y describe las pérdidas de una máquina eléctrica17.- CyL Junio 2004En un motor de corriente continua:- Define corriente de excitación y corriente de inducido- ¿Cómo varía la curva característica de velocidad de un motor de corrientecontinua de excitación en derivación, al añadir una resistencia en serie con eldevanado inducido? Razona la respuesta.18.- CyL Septiembre 2006¿Qué tipos diferentes de excitación existen en los motores de corriente continua?Explica cada uno de ellos.TEMAS MÁQUINAS ELÉCTRICASCyL Junio 2000.Constitución y clasificación de las máquinas eléctricas rotativas.CyL Junio 2002.Constitución y principio de funcionamiento de los motores de corriente alterna:- Elementos constituyentes: definición y explicación de cada uno de ellos.- Explica con claridad como funciona un motor de corriente alterna.- Define y explica el concepto de “velocidad de giro del campo magnético”.CyL Septiembre 2003.Tipos de motores eléctricos de corriente continua en función de cómo se conecten eldevanado inductor y el devanado inducido:Describe cada uno de los tipos.Indica y explica una figura del esquema eléctrico de cada uno de los tipos