Motor eléctrico de CC con escobillas

En una dinamo real, el campo nunca es perfectamente uniforme. En cambio, a medida que el rotor gira, induce efectos de campo que arrastran y distorsionan las líneas magnéticas del estator exterior no giratorio.

Cuanto más rápido gira el rotor, mayor es la distorsión del campo. Dado que la dinamo funciona con la máxima eficiencia cuando el campo del rotor forma un ángulo recto con el campo del estator, es necesario retrasar o adelantar la posición de las escobillas para que el campo del rotor quede en la posición correcta y forme un ángulo recto con el campo distorsionado.

Estos efectos de campo se invierten al cambiar la dirección de giro. Por lo tanto, es difícil construir una dinamo conmutada reversible eficiente, ya que para obtener la máxima intensidad de campo es necesario desplazar las escobillas al lado opuesto del plano neutro normal.

El efecto puede considerarse similar al avance de encendido en un motor de combustión interna. Generalmente, una dinamo diseñada para funcionar a una velocidad fija determinada tendrá sus escobillas fijas permanentemente para alinear el campo y lograr la máxima eficiencia a esa velocidad. ^{[ 1 ]}

Las máquinas de CC con estatores bobinados compensan la distorsión con bobinados de campo de conmutación y bobinados de compensación .

Los motores de corriente continua con escobillas están construidos con rotores bobinados y estatores bobinados o de imanes permanentes.

Las bobinas de campo han existido tradicionalmente en cuatro formatos básicos: excitadas por separado ( sepex ), bobinadas en serie , bobinadas en derivación y una combinación de las dos últimas, bobinadas en compuesto .

En un motor de excitación en serie , las bobinas de campo están conectadas eléctricamente en serie con las bobinas de armadura (a través de las escobillas). En un motor de excitación en derivación, las bobinas de campo están conectadas en paralelo, o en derivación, a las bobinas de armadura. En un motor de excitación independiente (sepex), las bobinas de campo se alimentan desde una fuente independiente, como un motor-generador , y la corriente de campo no se ve afectada por las variaciones de la corriente de armadura. El sistema sepex se utilizaba a veces en motores de tracción de CC para facilitar el control del deslizamiento de las ruedas .

Los tipos de imanes permanentes tienen algunas ventajas de rendimiento sobre los tipos síncronos de corriente continua excitados , y se han vuelto predominantes en aplicaciones de baja potencia. Son más pequeños, ligeros, eficientes y fiables que otras máquinas eléctricas de alimentación única . ^{[ 2 ]}

Originalmente, todos los grandes motores industriales de CC utilizaban imanes de campo o de rotor bobinados. Los imanes permanentes tradicionalmente solo se han utilizado en motores pequeños debido a la dificultad de encontrar un material capaz de mantener un campo magnético de alta intensidad. Solo recientemente los avances en la tecnología de materiales han permitido la creación de imanes permanentes de alta intensidad, como los de neodimio , lo que ha posibilitado el desarrollo de motores compactos de alta potencia sin el volumen adicional de las bobinas de campo y los sistemas de excitación. Sin embargo, a medida que estos imanes permanentes de alto rendimiento se aplican con mayor frecuencia en sistemas de motores y generadores eléctricos, surgen otros problemas (véase Generador síncrono de imanes permanentes ).

Tradicionalmente, el campo se ha aplicado radialmente, acercándose y alejándose del eje de rotación del motor. Sin embargo, algunos diseños presentan el campo fluyendo a lo largo del eje del motor, con el rotor cortando las líneas de campo al girar. Esto permite campos magnéticos mucho más intensos, especialmente si se emplean conjuntos de Halbach . Esto, a su vez, proporciona potencia al motor a velocidades más bajas. No obstante, la densidad de flujo focalizado no puede superar la densidad de flujo residual limitada del imán permanente, a pesar de su alta coercitividad, y, como en todas las máquinas eléctricas, la densidad de flujo de saturación del núcleo magnético constituye la limitación de diseño.

El control serie-paralelo era el método estándar para controlar los motores de tracción ferroviaria antes de la llegada de la electrónica de potencia . Una locomotora o tren eléctrico normalmente tenía cuatro motores que podían agruparse de tres maneras diferentes:

• Los cuatro en serie (cada motor recibe un cuarto de la tensión de línea), velocidad más baja
• Dos grupos paralelos de dos en serie (cada motor recibe la mitad del voltaje de línea).
• Los cuatro en paralelo (cada motor recibe la tensión de línea completa), velocidad máxima

Esto proporcionaba tres velocidades de funcionamiento con mínimas pérdidas por resistencia. Para el arranque y la aceleración, se utilizaban resistencias para un control adicional. Este sistema ha sido reemplazado por sistemas de control electrónico.

La velocidad de un motor de CC puede incrementarse mediante el debilitamiento del campo magnético. Para reducir la intensidad del campo, se insertan resistencias en serie con un campo en derivación o alrededor de un devanado de campo conectado en serie, disminuyendo así la corriente en dicho devanado. Al debilitarse el campo, la fuerza contraelectromotriz disminuye, lo que permite que circule una mayor corriente por el devanado de la armadura y, en consecuencia, aumenta la velocidad. El debilitamiento del campo no se utiliza de forma aislada, sino en combinación con otros métodos, como el control serie-paralelo.

En un circuito conocido como chopper , la tensión media aplicada al motor se varía conmutando rápidamente la tensión de alimentación. Al variar la relación de encendido / apagado para modificar la tensión media aplicada, la velocidad del motor también varía. El porcentaje de tiempo de encendido multiplicado por la tensión de alimentación proporciona la tensión media aplicada al motor. Por lo tanto, con una alimentación de 100 V y un tiempo de  encendido del 25 % , la tensión media en el motor será de 25 V. Durante el tiempo de apagado , la inductancia de la armadura provoca que la corriente continúe circulando a través de un diodo de retroceso , en paralelo con el motor. En este punto del ciclo, la corriente de alimentación será cero, por lo que la corriente media del motor siempre será superior a la corriente de alimentación, a menos que el tiempo de encendido sea del 100 %. Con un tiempo de encendido del 100 % , la corriente de alimentación y la del motor son iguales. La conmutación rápida consume menos energía que las resistencias en serie. Este método también se denomina modulación por ancho de pulso (PWM) y suele estar controlado por un microprocesador. En ocasiones, se instala un filtro de salida para suavizar la tensión media aplicada al motor y reducir el ruido del mismo. 

Dado que el motor de CC de excitación en serie desarrolla su par máximo a baja velocidad, se utiliza con frecuencia en aplicaciones de tracción , como locomotoras eléctricas y tranvías . Otra aplicación son los motores de arranque para motores de gasolina y diésel pequeños. Los motores en serie nunca deben utilizarse en aplicaciones donde la transmisión pueda fallar (como las transmisiones por correa). A medida que el motor acelera, la corriente de la armadura (y, por lo tanto, la corriente de campo) disminuye. Esta disminución de la corriente de campo provoca que el motor acelere, y en casos extremos, incluso puede autodestruirse, aunque esto es mucho menos problemático en motores con ventilador (con ventiladores autoaccionados). Esto puede ser un problema en los motores ferroviarios en caso de pérdida de adherencia, ya que, a menos que se controlen rápidamente, pueden alcanzar velocidades mucho mayores que en circunstancias normales. Esto no solo puede causar problemas a los propios motores y a los engranajes, sino que, debido a la velocidad diferencial entre los raíles y las ruedas, también puede provocar daños graves a los raíles y a las bandas de rodadura de las ruedas, ya que se calientan y enfrían rápidamente. El debilitamiento de campo se utiliza en algunos sistemas de control electrónico para aumentar la velocidad máxima de un vehículo eléctrico. La forma más sencilla emplea un contactor y una resistencia de debilitamiento de campo. El sistema de control electrónico monitoriza la corriente del motor y activa la resistencia cuando esta disminuye por debajo de un valor preestablecido (cuando el motor alcanza su velocidad máxima de diseño). Una vez activada la resistencia, el motor aumenta su velocidad por encima de la normal a su tensión nominal. Al aumentar la corriente del motor, el sistema de control desconecta la resistencia y se libera el par motor a baja velocidad.

El control Ward Leonard se utiliza habitualmente para controlar un motor de CC con excitación en derivación o compuesta, y se desarrolló como método para proporcionar un motor con control de velocidad a partir de una fuente de alimentación de CA, aunque también presenta ventajas en sistemas de CC. La fuente de alimentación de CA se utiliza para accionar un motor de CA, generalmente un motor de inducción que acciona un generador o dinamo de CC . La salida de CC del inducido se conecta directamente al inducido del motor de CC (a veces, pero no siempre, de construcción idéntica). Los devanados de campo en derivación de ambas máquinas de CC se excitan independientemente mediante resistencias variables. Se puede obtener un control de velocidad extremadamente preciso, desde la parada hasta la velocidad máxima, y ​​un par constante, variando la corriente de campo del generador y/o del motor. Este método de control fue el método estándar desde su desarrollo hasta que fue reemplazado por los sistemas de tiristores de estado sólido . Se utilizó en prácticamente cualquier entorno donde se requiriera un buen control de velocidad, desde ascensores de pasajeros hasta grandes equipos de devanado de cabezales de minas e incluso maquinaria de procesos industriales y grúas eléctricas. Su principal desventaja era que se requerían tres máquinas para implementar un esquema (cinco en instalaciones muy grandes, ya que las máquinas de CC a menudo se duplicaban y se controlaban mediante una resistencia variable en tándem). En muchas aplicaciones, el grupo motor-generador solía dejarse en funcionamiento permanente para evitar los retrasos que se producirían al arrancarlo cuando fuera necesario. Aunque los controladores electrónicos (de tiristores) han reemplazado a la mayoría de los sistemas Ward-Leonard pequeños y medianos, algunos de gran tamaño (de miles de caballos de fuerza) siguen en servicio. Las corrientes de campo son mucho menores que las corrientes de armadura, lo que permite que una unidad de tiristores de tamaño moderado controle un motor mucho más grande del que podría controlar directamente. Por ejemplo, en una instalación, una unidad de tiristores de 300 amperios controla el campo del generador. La corriente de salida del generador supera los 15 000 amperios, lo que resultaría prohibitivamente caro (e ineficiente) para controlar directamente con tiristores.

Definir

• E _b , fuerza contraelectromotriz ( V )
• I _a , corriente de armadura ( A )
• k _b , constante de la ecuación de la fuerza electromotriz contraria
• k _n , constante de la ecuación de velocidad
• k _T , constante de la ecuación de torque
• n , frecuencia de la armadura ( rpm )
• R _m , resistencia del motor ( Ω )
• T , par motor ( Nm )
• V _m , tensión de entrada del motor (V)
• Φ , flujo total de la máquina ( Wb )
• El coeficiente de Carter ( kC ) es un parámetro que se usa frecuentemente para estimar el paso efectivo de la ranura en la _armadura de un motor con ranuras abiertas (o semicerradas). ^{[ 6 ]}

La fuerza contraelectromotriz del motor de CC es proporcional al producto de la intensidad del flujo total de la máquina y la velocidad de la armadura:

E _b = k _b Φ n ^{[ 7 ]}

La tensión de entrada del motor de CC debe superar la fuerza contraelectromotriz, así como la caída de tensión creada por la corriente de armadura a través de la resistencia del motor, es decir, la resistencia combinada a través de las escobillas, el devanado de armadura y el devanado de campo en serie, si lo hubiera:

V _m = E _b + R _m I _a ^{[ 8 ] [ 9 ]}

El par del motor de CC es proporcional al producto de la corriente de armadura y la intensidad del flujo total de la máquina: ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}T&={\frac {1}{2\pi }}k_{b}I_{a}\Phi \\&=k_{T}I_{a}\Phi \end{aligned}}}$

dónde

k _T = ⁠ k _b / 2π ⁠

Desde

n = ⁠ E _b / k _b Φ ⁠ y

V _m = E _b + R _m I _a

tenemos ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}n&={\frac {V_{m}-R_{m}I_{a}}{k_{b}\Phi }}\\&=k_{n}{\frac {V_{m}-R_{m}I_{a}}{\Phi }}\end{aligned}}}$

dónde

k _n = 1 / k _b​​

Con el devanado de campo de alta resistencia del motor de excitación en derivación conectado en paralelo con la armadura, V _m , R _m y Ø son constantes de tal manera que la regulación de velocidad desde vacío hasta plena carga rara vez supera el 5%. ^{[ 16 ]} El control de velocidad se logra de tres maneras: ^{[ 17 ]}

• Variación del voltaje de campo
• Debilitamiento del campo
• Resistencia variable en el circuito de campo.

El motor en serie responde al aumento de carga disminuyendo su velocidad; la corriente aumenta y el par aumenta proporcionalmente al cuadrado de la corriente, ya que la misma corriente fluye tanto en el inducido como en los devanados de campo. Si el motor se bloquea, la corriente está limitada únicamente por la resistencia total de los devanados y el par puede ser muy alto, pero existe el peligro de que los devanados se sobrecalienten. Los motores de excitación en serie se utilizaron ampliamente como motores de tracción en el transporte ferroviario ^{[ 18 ]} de todo tipo, pero se están eliminando gradualmente en favor de los motores de inducción de CA alimentados por inversores de potencia . La fuerza contraelectromotriz ayuda a la resistencia del inducido a limitar la corriente a través del inducido. Cuando se aplica energía por primera vez a un motor, el inducido no gira, la fuerza contraelectromotriz es cero y el único factor que limita la corriente del inducido es la resistencia del inducido. ^{[ 19 ]} Como la corriente potencial a través del inducido es muy grande, surge la necesidad de una resistencia adicional en serie con el inducido para limitar la corriente hasta que la rotación del motor pueda generar la fuerza contraelectromotriz. A medida que aumenta la velocidad de rotación del motor, la resistencia se va eliminando gradualmente.

La característica más destacada del motor de CC de excitación en serie es que su velocidad depende casi por completo del par necesario para accionar la carga. Esto resulta adecuado para grandes cargas inerciales, ya que el motor acelera desde el par máximo, y este disminuye gradualmente a medida que aumenta la velocidad.

Como la velocidad del motor en serie puede ser peligrosamente alta, los motores en serie a menudo se conectan mediante engranajes o directamente a la carga. ^{[ 20 ]}

Un motor de CC de imán permanente se caracteriza por una relación lineal entre el par de arranque (cuando el par es máximo con el eje en reposo) y la velocidad en vacío (sin par aplicado al eje) y la velocidad máxima de salida. Existe una relación de potencia cuadrática entre estos dos puntos del eje de velocidad. ^{[ 21 ]}

Cuando se desarrolló la tecnología de motores eléctricos y de corriente continua, gran parte del equipo requería la supervisión constante de un operario capacitado en el manejo de sistemas de motores. Los primeros sistemas de gestión de motores eran casi completamente manuales: un operario se encargaba de arrancar y parar los motores, limpiar el equipo, reparar cualquier avería mecánica, etc.

Los primeros arrancadores de motores de CC también eran completamente manuales, como se muestra en esta imagen. Normalmente, el operador tardaba unos diez segundos en mover lentamente el reóstato a través de los contactos para aumentar gradualmente la potencia de entrada hasta alcanzar la velocidad de funcionamiento. Existían dos tipos de reóstatos: uno para el arranque y otro para el arranque y la regulación de la velocidad. El reóstato de arranque era menos costoso, pero tenía resistencias más pequeñas que se quemaban si se requería mantener el motor a una velocidad reducida constante.

Este arrancador incluye una función de retención magnética sin tensión, que hace que el reóstato salte a la posición de apagado si se pierde la alimentación, de modo que el motor no intente reiniciarse posteriormente en la posición de tensión completa. También dispone de protección contra sobrecorriente que activa la palanca a la posición de apagado si se detecta una corriente excesiva por encima de un valor preestablecido. ^{[ 27 ]}

Los cables de alimentación se denominan L1 y L2. Como su nombre indica, el arrancador solo tiene tres conexiones: una a la alimentación, una al inducido y una al campo. Las conexiones al inducido se denominan A1 y A2. Los extremos de la bobina de campo (excitación) se denominan F1 y F2. Para controlar la velocidad, se conecta un reóstato de campo en serie con el campo en derivación. Un extremo del cable se conecta al brazo del arrancador. El brazo tiene un resorte que le permite regresar a la posición de "apagado" cuando no se mantiene en ninguna otra posición.

• En el primer paso del brazo, se aplica la tensión de línea completa al campo en derivación. Dado que el reóstato de campo normalmente está ajustado a la resistencia mínima, la velocidad del motor no será excesiva; además, el motor desarrollará un par de arranque elevado.
• El arrancador también conecta un electroimán en serie con el campo de derivación. Este mantendrá el brazo en posición cuando haga contacto con el imán.
• Mientras tanto, ese voltaje se aplica al campo en derivación, y la resistencia de arranque limita la corriente que llega a la armadura.
• A medida que el motor acelera, se acumula una fuerza contraelectromotriz; el brazo se mueve lentamente hacia adelante.

El arrancador de cuatro puntos elimina la desventaja del arrancador de tres puntos. Además de los tres puntos que se utilizaban en el arrancador de tres puntos, el otro extremo del cable, L1, constituye el cuarto punto que se conecta al arrancador cuando se mueve el brazo desde la posición de "apagado". La bobina del imán de retención está conectada a través del cable. El imán de retención y las resistencias de arranque funcionan de forma idéntica a como lo hacen en el arrancador de tres puntos.

• La posibilidad de que se abra accidentalmente el circuito de campo es muy remota. El arrancador de cuatro puntos proporciona protección contra la falta de tensión al motor. Si se interrumpe el suministro eléctrico, el motor se desconecta de la red.