Cap4.Motor DC

1. Cap4.Motor DC Máquinas Eléctricas Prof. Andrés J. Díaz Castillo PhD

2. Contenido • Voltaje EMF • Clasificación de los motores DC • Arrancando motores DC • Característica de velocidad • Control de velocidad • Aplicaciones de los motores DC Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

3. La función del motor DC es convertir energía eléctrica en mecánica. Es decir la entrada es voltaje y corriente y la salida es torque y velocidad. Sin embargo durante la motorización se produce también la generación que es la reacción eléctrica a la carga mecánica conectada a el. Este voltaje inducido es proporcional a la velocidad flujo magnético y constante K del motor. También se puede calcular restando el voltaje en los terminales menos la caída en la resistencia de armadura. Voltaje inducido en el motor DC Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

4. Ejemplo de voltaje inducido Ec • Un motor DC a 1800RPM consume 28A y 230V, cual será su velocidad sin carga si la resistencia de armadura es .25ohm. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

5. El torque desarrollado viene dado por la formula del cap2. La potencia mecanica desarrollada sera igual a : Torque y potencia desarrollada Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

6. Ejemplo de torque y potencia • En el ejemplo anterior calcule la potencia y el torque desarrollado. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

7. Clasificación de los motores DC • Los motores DC al igual que los generadores se clasifican de acuerdo a la configuración entre los campos serie y paralelo y la armadura. • Paralelo shunt • Serie • Compuesto Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

8. Arrancando el motor DC • Cuando un motor arranca la corriente es muy grande • Ia=Va/Ra • Para limitarla se usan resistencias. • A medida que la velocidad aumenta se va reduciendo la resistencia hasta llegar a cero. Las resistencias se conectan en serie con un interruptor selector que va seleccionando una resistencia total más pequeña cada vez. La coriente como se ve en la grafica se mantiene dentro de cierto limites. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

9. Ejemplo arranque con resistencia • Encuentre el valor de resistencia requerido para un arrancador de 4 paso para limitar la corriente a 150% del valor nominal. Asuma que todos los cuatros pasos tengan la misma resistencia. El motor es 25Hp, 240V, 860r/min y tiene una resistencia de armadura de 0.08ohm con una eficiencia de de 89%. Determine a cual velocidad habría que hacer los cambios en el motor para mantener la corriente bajo el limite especificado. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

10. Arranque automático de motor DC • Para eliminar la necesidad de tener cambiar la resistencia manualmente se puede colocar un contacto de un relay que cortocircuite las resistencias de arraque una vez que el motor ha alcanzado cierta velocidad. • Para esto la bobina del relay se conecta en paralelo con la armadura del motor. Cuando el motor alcanza cierta velocidad el voltaje de la armadura crece a un valor que activa la bobina del relay cerrando los contactos y sacando la resistencia limitadora (cortocicutitandola). Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

11. Característica de velocidad • El motor shunt mantiene la mejor regulación de velocidad vs carga. Esta solo cambia debido al efecto la corriente de armadura. • El motor compuesto sin embargo la velocidad sin carga es mayor debido a que el campo es menor. • El motor serie no debe operarse sin carga ya que la velocidad puede llegar a ser peligrosamente grande. Esto se debe a que sin carga el flujo es bien pequeño. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

12. Caracteristica de torque Vs carga El torque en el motor shunt no depende linealmente de la corriente ya que esta no afecta el flujo. En el motor compuesto este aumente un poco mas con la carga debido que el flujo aumenta. En el motor serie el torque depende con el cuadrado de la corriente ya que el flujo depende totalmente de esta corriente. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

13. Ejemplo Torque Vs Flujo • Un Motor DC shunt de 240V tienen una resistencia de armadura de .25ohm. Consume 24 A con carga. Cual es el efecto inmediato sobre el torque generado si el flujo se reduce 2.5%. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

14. Ejemplo Velocidad flujo • En el ejemplo anterior encuentre la velocidad nueva del motor en la cual se va a estabilizar si la original era 650RPM. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

15. Es la relación porcentual entre la velocidad sin carga a la velocidad a máxima carga. Una buena regulación de velocidad es cuando la velocidad se mantiene constante sobre todo el rango de carga de trabajo del motor. Esta características es importante en la selección del motor a utilizar para una determinada aplicación. Motores en pulidoras y tornos deben tener buena regulación de velocidad como el shunt mientras que en vehíiculos y herramientas es mejor tener un buen torque de arranque por lo que se usan el serie y compuesto. Regulación de velocidad. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

16. Ejemplo de regulación de velocidad • Un motor DC corre a plena carga a 1680RPM. Cual es su regulación de velocidad cuando corre a 1733. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

17. Control de velocidad cambiando Resistencia de armadura • Si aumentamos la resitencia de la armadura la caida aumenta y el voltaje EMF se reduce, reduciendo con esta la velocidad. Sim embargo este metodo tiene serias desventajas: • Solo sirve para reducir la velocidad • No funciona sin carga • Aumenta las perdidas por I^2R (joule) • La variación de la velocidad con la carga es mayor limitando este metodo a solo 50% del rango de la velocidad. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

18. Ejemplo: Control de velocidad con Ra • Un motor DC de 240V corre 850RPM con una carga de 170A. Ra=0.10. Calcule la resistencia que hay que añadir a Ra para reducir la velocidad a 650RPM cuando la corriente de armadura es 50A. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

19. Cambiando la velocidad con el flujo • Otro método de cambiar la velocidad es cambiando el flujo magnético. Esto se hace añadiendo resistencia en serie con el campo. Este método es mas eficiente debido a que la corriente en el campo es menor. • Sin embargo una reducción en el flujo aumenta la velocidad pero disminuye el torque por lo que una corriente adicional es requerida para mantener la misma carga. Esto puede llevar a sobrecargar el motor. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

20. Ejemplo de Control de velocidad con flujo • Un motor shunt de 240V corre a 800RPM sin carga. Determine la resistencia que hay que colocar en serie con el campo para que el motor corra a 950RPM con una corriente de 20A . La resistencia del campo es 160ohm y la de la armadura es 0.4ohm. Asuma que el flujo es proporcional a la corriente y considere la perdida de rotación despreciable. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

21. Cambiando la velocidad con el voltaje de armadura • El método mas utilizado para cambiar la velocidad de un motor DC es cambiando el voltaje aplicado en la armadura. • Con este método se puede variar la velocidad desde cero hasta su máxima velocidad. • Para cambiar el voltaje de armadura se utilizan dispositivos de estado sólidos, como diodos y tiristores. Estos se estudiaran mas adelante. V1<V V2<V1 Torque Speed Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

22. Los motores DC tienen mayor aplicación donde se requiere un buen control de velocidad: conveyors Herramientas Maquinas cortadoras Trenes Una de las desventajas del motor DC es el mantenimiento requerido por las escobillas y el conmutador en general. Es por eso que con el desarrollo de los controladores de frecuencia variables estos han sido sustituidos en algunas aplicaciones por motores AC. Aplicación de los motores DC Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

23. Controladores de estados solidos • Shoppers. • Estos circuitos convierten voltaje DC en DC de una manera eficiente y ayudan grandemente al control de las maquinas DC. • El principio es utilizar un dispositivo de estado sóolido transistor FET,BJT o tiristor como interruptor de manera que la disipacion a travez de estos se reduce al mínimo. • Cambiando los tiempos de encendido y apagado se controla el promedio del voltaje de salida . Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

24. Ejemplo de Shopper • Un motor DC es controlado por una fuente de 120V y un dutyCycle is 50%, y la entrada de potencia es 5KW at 600RPM. La resistencia de armadura es .048ohm.Determine • La potencia desarrollada en el eje • La nueva velocidad y potencia en el eje si el dutycycle se incrementa a 0.6. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

25. Diodos y rectificadores • Los diodos son dispositivos semiconductores que permiten el paso de la corriente en una sola dirección. • Se utilizan para construir rectificadores que convierten corriente alterna en corriente directa. • Un rectificador de medio onda permite pasar un semiciclo de corriente y bloque el otro produciendo una corriente directa pulsante. Cuyo average es igual al valor pico entre pi. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

26. Tiristores (SCR Thyristor) • Los tiristores son diodos que conducen en una direccion pero solo cuando se le envia una señal al terminal del gate. • Se utilizan en manejadores de motores de alta potencia. • Para apagarlo se necesita que la corriente se haga cero. Es por eso que su mayor aplicaicon es la corriente alterna. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

27. Control usando SCR (thyristor) • Haciendo un delay en el encendido de SCR se controla el voltaje promedio aplicado a la carga. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz

28. Rectificación Trifásica • Cuando se usan sistemas de alimentación trifásica se utilizan rectificadores trifásicos compuestos por tres o seis diodos donde el rizado es mucho menor que el rectificador de onda completa de los sistemas monofásicos. Motores DC. Maquinas Electricas -Dr.. Andres Diaz