Fundamentos y Control de Máquinas Eléctricas de Corriente Continua: Motores y Generadores

Fundamentos y Control de Máquinas Eléctricas de Corriente Continua

Los motores y generadores de corriente continua (CC) son máquinas eléctricas rotativas cuya finalidad es transformar la energía eléctrica en mecánica (motores) y la energía mecánica en eléctrica (generadores). Su principal característica es su reversibilidad, permitiéndoles funcionar tanto como motor como generador.

Principios Fundamentales de Operación

Inducción Electromagnética

La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (FEM) en un medio expuesto a un campo magnético variable. La magnitud de la tensión inducida es proporcional a la variación del flujo magnético; es decir, cuando movemos un conductor en el interior de un campo magnético, cortando sus líneas de fuerza, se genera en este conductor una fuerza electromotriz.

Fuerza Electromotriz (FEM) Inducida

La fuerza electromotriz (FEM) inducida es directamente proporcional a:

• La inducción magnética (densidad de flujo).
• La velocidad de desplazamiento del conductor.
• La longitud del conductor expuesto al campo.

Este es el Principio de Funcionamiento del Generador de Corriente Continua.

Principio de Funcionamiento del Motor de Corriente Continua

El principio de un motor de corriente continua se basa en que, cuando un conductor por el que circula una corriente se sitúa en el interior de un campo magnético, se genera una fuerza sobre él que provoca su movimiento. Esta fuerza es la base del par motor.

Regulación de Velocidad en Motores de Corriente Continua

La capacidad de controlar la velocidad es crucial en muchas aplicaciones de motores de CC. A continuación, se describen los métodos principales:

Regulación por Excitación

Dependiendo de la conexión entre el devanado inductor (campo) y el inducido (armadura), varía el par motor y la velocidad de la máquina. Este método permite ajustar la velocidad y el par motor al modificar el flujo magnético.

Regulación Reostática

Si conectamos reóstatos en serie o en paralelo con el campo inductor o el inducido, podemos conseguir, por caída de tensión, una variación de la tensión en las propias bobinas. De esta manera, se logra variar la velocidad de giro en función de la resistencia añadida en el circuito del inducido o del campo.

Regulación Electrónica (Convertidores Chopper)

El sistema más importante para el control preciso del par y la velocidad en motores de Corriente Continua (CC) es por medio de convertidores chopper (troceadores). Este sistema de regulación electrónico, mediante convertidores estáticos, se basa en la conmutación rápida de la tensión de alimentación, 'troceándola' en ciclos para variar la tensión promedio aplicada al motor. Generalmente, se emplea un transistor de potencia como elemento conmutador para controlar el flujo de corriente.

Acoplamientos y Secuencias de Motores de Corriente Continua

En aplicaciones como los trenes, donde se utilizan varios motores, el tipo de conexión y la secuencia de acoplamiento entre ellos ofrecen una amplia gama de posibilidades para el control del par y la velocidad.

Tipos de Acoplamientos de Motores

La sincronización de todos los motores se consigue alimentándolos con la misma tensión y bajo las mismas circunstancias operativas. Hay varios tipos de acoplamientos:

• En Serie: La tensión de alimentación se reparte entre los motores, lo que permite un alto par de arranque y tracción.
• En Serie-Paralelo: Combina características de ambos, dividiendo la tensión y la corriente según la configuración de ramas, optimizando el rendimiento en rangos intermedios de velocidad.
• En Paralelo: Cada motor recibe la tensión nominal, y la corriente total se divide entre ellos, ideal para altas velocidades.

Secuencias de Acoplamiento para Control de Velocidad

Para optimizar el rendimiento y la eficiencia, especialmente en vehículos de tracción, se utilizan secuencias de acoplamiento:

• Secuencia de Arranque: Los motores se conectan inicialmente en serie para limitar la corriente de arranque y repartir la tensión de la catenaria, proporcionando un arranque suave y de alto par.
• Secuencia de Conexión Serie: A medida que la velocidad aumenta, las resistencias de arranque se van reduciendo progresivamente hasta eliminarse, permitiendo que los motores operen con la tensión máxima disponible en esta configuración.
• Transición Serie a Serie-Paralelo: Una vez alcanzado el régimen máximo en conexión serie y si se requiere mayor velocidad, se realiza una transición a una configuración serie-paralelo. Esto permite que cada grupo de motores reciba una mayor tensión, incrementando la velocidad.
• Shuntado de Motores (Debilitamiento de Campo): Una vez alcanzado el régimen máximo en serie-paralelo, es posible aumentar aún más la velocidad debilitando el campo magnético de los devanados inductores. Esto se logra conectando resistencias en paralelo con las bobinas inductoras, lo que reduce la corriente de excitación y, por ende, el flujo magnético, incrementando la velocidad del motor.