Motor de corriente continua

Motor eléctrico:

Es una máquina que puede convertir la energía eléctrica en movimiento rotatorio, con efecto de que efectué un trabajo útil. Por lo tanto en motor eléctrico, es uno de los mayores avances logrados para controlar las fuerzas de la naturaleza y hacer que desarrollen un trabajo para el hombre.

     En un principio el hombre sustituyó su propia fuerza muscular con la de los animales y luego con la potencia que obtuvo de las fuerzas naturales qué tenía a su alcance. Después cuando Volta invento la primera pila o célula electrolítica se logró el control sobre otro nuevo tipo de energía; la eléctrica, con esto se dio paso a la invención del motor eléctrico.

Movimiento producido por electricidad

Una vez que la electricidad quedo al alcance de todos los hombres de ciencia pudieron hacer experimentos para ver si podían controlar la energía de corriente eléctrica. Uno de los descubrimientos más importantes efectuados en ese entonces fue el de los efectos magnéticos de la electricidad. En 1819 Hans Christian Oersted noto, que cuando colocaba una brújula magnética de rotación libre cerca de un conductor con corriente, la aguja se movía hasta quedar en un Angulo recto con el alambre, y cuando se invertía la corriente, la aguja giraba nuevamente alineándose  en dirección opuesta, siempre en  ángulo recto con el conductor. Las conclusiones que se Sacan del experimento de Oersted y sus resultados son los siguientes.

1.    Un conductor con corriente eléctrica produce un campo magnético; así pues la electricidad, se puede convertir en magnetismo, gracias a esta información los científicos de la época de Oersted inventaron el electroimán.

2.    El campo magnético originado por la corriente  eléctrica puede interactuar con el campo de un imán para producir movimiento. Por lo tanto la energía eléctrica también se puede convertir en energía mecánica. La invención  del motor eléctrico es el resultado de esta observación.

El motor de Faraday

Oersted descubrió que la electricidad se puede utilizar para producir movimiento. Aprovechando este descubrimiento Faraday construyo en 1821 el primer motor eléctrico del mundo y, 10 años más tarde, siguiendo el mismo razonamiento, pero en sentido inverso, descubrió el principio del generador eléctrico.

     Faraday trataba de hacer que el movimiento producido por el experimento de Oersted fuera continuo, en lugar de un simple desplazamiento giratorio de posición. En sus experimentos, Faraday pensaba en líneas de fuerza magnética. Visualizo la presencia de líneas de flujo alrededor de un conductor que lleva corriente y una barra magnética y, así pudo elaborar un aparato donde las diferentes líneas podían interactuar para producir una rotación continua. El motor básico de Faraday dispone de un conductor que puede girar libremente alrededor del extremo de un imán recto. El extremo inferior del conductor, se encuentra en un depósito de mercurio lo cual hace posible que el conductor gire y, al mismo tiempo mantengan un circuito eléctrico cerrado.

Principios del funcionamiento de los motores.

Aunque el motor de Faraday era ingenioso no se podía usar para efectuar trabajo práctico. Esto se debía a que su eje impulsor estaba encerrado y solo podía producir un movimiento orbital interno; no podía transferir su energía mecánica al exterior Para impulsar una carga externa. No obstante aquel motor sirvió para mostrar cómo se podía hacer que los campos magnéticos de un conductor  y un imán interactuaran para producir movimiento continuo. En el motor de Faraday, el rotor de alambre giraba fuera del campo del imán. En un motor practico, el rotor debe atravesar las líneas de fuerza del imán.

     Cuando se hace pasar una corriente a través del conductor se producen líneas de fuerzas circulares a su alrededor. La dirección de estas líneas de flujo es descrita por la regla de la mano izquierda. Las líneas de fuerza de un imán van  del polo N al polo S. obsérvese que en un lado del alambre, las líneas de fuerza magnética tienen la misma dirección que el campo  circular que rodea al conductor. Como las líneas de flujo siguen la trayectoria de menor resistencia, en el otro lado del conductor se concentran  un mayor número de ellas.

     La dirección en que se mueve el conductor se determina por la regla de la mano derecha. Si la corriente que fluye en el conductor siguiese la dirección opuesta, la dirección de las líneas de flujo se invertiría y el conductor seria impulsado en sentido opuesto.

Reglas de funcionamiento de los motores:

La regla de la mano izquierda indica las líneas de dirección de la línea de flujo que hay alrededor de un conductor que lleva corriente. Cuando el ´pulgar señala la dirección de la corriente eléctrica, los otros dedos señalaran la misma dirección que las líneas de fuerza mantica

     La regla de la mano derecha para motores indica la dirección en que un conductor con corriente se moverá en un campo magnético, cuando el índice señala en dirección de las líneas de campo magnético y el dedo cordial se alinea en la misma dirección que la corriente del conductor, el conductor señalara la dirección hacia donde se moverá el conductor.

Par y movimiento Rotatorio

Un motor práctico debe producir movimiento rotatorio continuo, para esto es necesario desarrollar fuerza de torsión llamada par.

     Si el conductor recto del motor básico se dobla en forma de espira, se podrá ver como se produce el par, si la espira se conecta a una batería, la corriente fluye en una dirección en un lado de la espira y en la dirección opuesta en el otro.

     Si la espira se monta en un campo magnético fijo y se alimenta corriente, las líneas de flujo de campo interactúan en ambos lados de la espira, haciendo que la espira funcione como una palanca como una fuerza que empuja sobre sus dos lados en direcciones opuestas.

     En un motor la espira que se mu3eve en el campo se llama armadura o rotor. La fuerza giratoria total del campo  depende de varios factores, incluyendo la intensidad del campo, intensidad de la corriente de armadura y la estructura física de la armadura, especialmente la distancia que hay entre los lados de la espira y las líneas del eje.

     En motores prácticos el par determina la cantidad de energía que puede aprovecharse para producir un trabajo útil. Cuanto mayor sea el par mayor será dicha ENERGIA. Si el motor no produce el par suficiente para impulsar su carga entonces se atasca.

Como se produce una rotación continua

Ya se explicó que la armadura gira cuando se produce un par y que este se producen mientras interactúan los campos del imán y la armadura. Cuando la espira esta perpendicular al campo, la interacción entre los campos cesa. Esta posición se conoce como plano neutro; en ella no se produce par y la reacción y la reacción de la armadura debe cesar; sin embargo la inercia hace que hace que el objeto que se mueve conserve su movimiento, aun después de que la fuerza motriz ha sido retirada, por lo cual la armadura sigue girando y pasa más allá del plano neutro.

     Para obtener una rotación continua, es necesaria que la armadura se mantenga girando en la misma dirección al pasar por el plano  neutro, lo cual se logra invirtiendo la dirección del campo polo, o bien, la dirección de corriente que pasa a través de la armadura en el instante que esta pasa por el plano neutro. Las inversiones  de este tipo suelen hacerse  mediante dispositivos de cambio de circuito.

     El dispositivo interruptor práctico que puede cambiar la dirección del flujo de corriente en una armadura para mantener la rotación continua se llama conmutador.

El conmutador

Consiste en un anillo conductor que se divide en dos segmentos, cada uno de los cuales está conectado a un extremo de la armadura de la espira de armadura. La potencia para la armadura procede de una fuente externa de energía, por ejemplo una batería, y llega a los segmentos del conmutador por medio de escobillas. La disposición es idéntica a la del generador básico de C-C.

El conmutador (cont.) 

La armadura que se muestra en la figura B de la página 7 está en el plano neutro; teórica mente no se produce par, pero la armadura sigue girando y pasa más allá del plano neutro debido a la inercia. Nótese que en la posición neutra el conmutador esta desconectado de las escobillas. Una vez que la armadura rebasa el plano neutro, como se ilustra en la figura C, los lados de la espira han invertido sus posiciones, pero, debido a estas inversiones del conmutador, la dirección en la corriente en la armadura se mantiene igual que como la muestra la figura A. la corriente sigue entrando por el lado de armadura que ahora está más próximo al polo sur.

     Como la dirección del campo del imán permanente invariable, la interacción de los campos después de la conmutación mantiene el par en la dirección original; de este modo, la rotación continúa en la misma dirección original

     Según se aprecia en la figura D, la inercia impulsa  nueva mente a la armadura, la cual pasa más allá del plano neutro y alcanza la posición ilustrada en la figura A de la página 7 mientras tanto, el conmutador hace que la corriente siga fluyendo en tal dirección que se manténgala rotación en un mismo sentido. De esta manera, el conmutador continúa invirtiendo la corriente que fluye en la espira, de manera que el campo producido por ella siempre interactúa con el del polo y se produce un par continuo en la misma dirección.

Motor elemental de C-C

Hasta este punto se han estudiado los cuatro elementos principales que constituyen el motor elemental C-C. Estos elementos son iguales a los del generador básico de C-C que se estudió en el volumen 6, a saber un campo magnético, un conductor móvil, un conmutador y escobillas. En la práctica, el campo magnético puede proporcionarlo un imán permanente o un electroimán. Para la mayor parte de las descripciones de los diversos principios del funcionamiento se supondrá que se usa un imán permanente. En otros casos, cuando se deba hacer énfasis en que el campo del motor se produce eléctricamente se mencionara que se usa un electroimán. En todo caso el campo electromagnético en sí, consta de líneas de flujo magnético que forman un circuito magnético cerrado. Las líneas del flujo salen del polo norte del imán cruzan el entrehierro que hay entre los polos del imán, entran el polo sur y luego atraviesan el propio imán, regresando de nuevo al polo norte. Generalmente, el conductor móvil es una espira llamada armadura la cual se coloca en el entrehierro que hay entre los polos del imán. Por lo tanto la aradura está dentro del campo magnético.

     Cuando se suministra potencia C-C a la armadura a través de las escobillas y el conmutador, también se origina un flujo magnético alrededor de la armadura. Este flujo de armadura es la que interactúa con el campo magnético donde está suspendida la armadura para producir el par que hace conducir al motor.

Limitaciones del motor elemental de C-C

Se puede construir un motor elemental de C-C como el que se ha estudiado aquí, pero, aun que funcione, tiene dos importantes limitaciones que restringen su utilidad, en primer lugar, no siempre puede arrancar por si solo y, una vez que está funcionando, lo hace en forma muy irregular.  El motor elemental de C-C tiene su armadura con una sola espira y cuando esta última está en el plano neutro, el motor no puede arrancar por sí solo. En el plano neutro no hay corriente en la armadura, ya que las escobillas están desconectadas del conmutador. Sin embargo, aunque se podría hacer que circule corriente en la armadura, debe recordarse que en el plano neutro, los flujos no interactúan. Como resultados no se podría producir par y la inercia mantendría al motor en reposo.

Limitaciones del motor elemental de C-C

Para poner en marcha el motor, es necesario quitar su armadura del plano neutro; al ponerla en cualquier otra posición, las escobillas se conectan nuevamente al conmutador; de este modo, fluye corriente en la armadura y se produce un par. Una vez que ha arrancado el motor continúa funcionando hasta que se desconecta de la fuente de potencia. Lo anterior se relaciona con la segunda limitación: cuando un motor elemental de C-C funciona, lo hace en forma irregular por que produce un par que también es irregular el par máximo se produce solo cuando el plano de la armadura de una sola espira es paralelo al del campo. Esta forma ángulo recto con el plano neutro. Una vez que la armadura pasa este plano de par máximo se produce un par cada vez menor hasta que llega nuevamente al plano neutro donde obviamente no hay par. La inercia lleva a la armadura hacia adelante del plano neutro y, en esta forma, el motor continua girando. Sin embargo, por la irregularidad del par producido, no es factible que el motor elemental de c-c de una sola espira pueda tener aplicaciones prácticas.

Motor C-C armadura de dos espiras.

Se puede lograr que el motor elemental de C-C arranque por sí solo. Si se instala una armadura de dos o más espiras. En este tipo de armadura las espiras se colocan de modo que formen un ángulo recto entre sí; así, cuando una de ellas está en el plano neutro, la otra está en el plano de par máximo. En este caso, el conmutador está dividido en dos pares de segmentos, es decir, en cuatro partes; cada segmento está conectado con una terminal de cada espira de la armadura, con los que se obtienen los circuitos de espira en paralelo. Si se alimenta potencia a un conjunto de segmentos de anillo, por medio de un par de escobillas fijas, entonces habrá una sola espira conectada a la vez.

     En esta armadura de espiras múltiples, el conmutador tiene dos funciones: sirve para que la corriente fluya en la espira manteniendo siempre la misma dirección, además, cambia la línea de alineación de potencia, conectándola con la espira que se acerca a la posición de par máximo la espira 1 se acerca a la posición de mínimo par y el conmutador desconecta a la espira 1 conectando a la espira 2. La corriente fluye en la espira manteniendo la dirección que favorece la rotación continua, al poco tiempo conforme la espira 2 se aproxima al par mínimo, en tanto que la espira 1 nuevamente se aproxima al máximo el conmutador invierte las conexiones de la espira 2 hacia la espira 1. Para mantenerla dirección original de rotación.

     Con este tipo de armadura de espiras en paralelo, el motor arranca por si solo, pero sigue funcionando en forma irregular debido a que en un momento dado, solo una espira suministra al par que impulsa al motor. 

Cómo aumentar la eficiencia de la armadura

Según se ha estudiado al aumentar espiras a la armadura de un motor elemental de c-c solo se logra que este se ponga en marcha por sí solo, no necesaria mente que el motor funcione con la uniformidad requerida para que sea efectivo con carga. En un motor elemental con un sólo par de escobillas no importa cuántas espiras independientes se usen sólo una de ellas lleva corriente a la vez y produce par para mover el motor. Por ejemplo, en un motor de tres espiras la espira que produce el par debe mover el peso muerto de las dos espiras restantes. Para un funcionamiento realmente mejor, la corriente debe ser alimentada al mismo tiempo a todas las espiras de la armadura excepto, naturalmente, a cualquiera de las espiras que esté en el plano neutro.

     Una solución aparentemente sencilla seria hacer un motor de tres espiras con una escobilla para cada segmento del conmutador. Con seis escobillas, sería posible alimentar corriente al mismo tiempo a todas las espiras de armadura. Como resultado todas las espiras producirían par simultáneamente, mejorando el funcionamiento del motor. Sin embargo el uso de seis escobillas no es una solución práctica, ya que el motor seria caro, voluminoso y su mantenimiento sería complicado. Por lo tanto la solución más conveniente a este problema sería aquella en que se conservara un solo par de escobillas. Si se conectan las espiras de la armadura de tal modo que estén dispuestas como circuito en serie, entonces se podrá usar un solo par de escobillas, para que simultáneamente se alimente corriente a todas las espiras. Como resultado todos los devanados originaran par al mismo tiempo favoreciendo el funcionamiento del motor. Según se explicara más adelántela mayor parte de los motores de c-c tienen un solo juego de escobillas y muchas espiras de armadura conectadas en varias disposiciones en serie-paralelo

Motor de c-c  con armadura de cuatro espiras

En la figura se muestra el diagrama de un motor práctico de cuatro espiras. Dicho diagrama sirva para que el lector comprenda como está dispuesto el circuito eléctrico. Primero, note que las espiras están conectadas con segmentos adyacentes del conmutador. Así mismo observe que las conexiones están dispuestas de tal manera que la combinación de espiras y segmento del conmutador constituyen un gran circuito en serie en la armadura de dos espiras en paralelo que se estudió antes, cada extremo de las espiras estaban conectadas con segmentos compuestos del conmutador. Como resultado donde se necesita un par de segmentos por cada espira, ahora solo se necesita un segmento por cada espira.

     En el caso de la armadura de cuatro espiras, esto significa que solo se necesita cuatro segmentos de conmutador para el devanado en serie. El devanado en paralelo requería otros segmentos. Si ahora se agregan escobillas al conmutador en segmentos opuestos A y C, la armadura quedara dividida en dos circuitos en serie, que están en paralelo entre si un circuito en serie constituido por el segmento A, la espira  1, el segmento B, la espira 2 y el segmento C este circuito está en paralelo con el circuito en serie que forma el circuito C la espira 3 el segmento D la espira 4 y el segmento A. Así pues, cuando la corriente  fluye en el circuito como se ilustra en el dibujo, los cuatro devanados llevaran la corriente y cooperarán para facilitar el funcionamiento del motor. En este tipo de armadura, las escobillas son más anchas que las separaciones entre los segmentos del conmutador, de manera que el circuito nunca se abre cuando las escobillas pasan de un segmento al siguiente.

Funcionamiento

Si se examina detalladamente la ilustración del motor practicó de C-C, se observara la armadura aparece en una posición en la cual ninguno de sus devanados se encuentra en el plano neutro; por lo tanto, todos los devanados  pueden contribuir al par del motor. Naturalmente, para todos los devanados  produzcan par, deben estar alimentados con corriente simultáneamente Si sigue la trayectoria  que se describirá a continuación, se comprenderá como se logra esto. Comenzando en la terminal negativa de la fuente de potencia, la corriente atraviesa la escobilla negativa  pasa a los dos juegos en paralelo de devanados en serie, luego ala escobilla positiva  y regresa nuevamente a la terminal positiva de la fuente de  energía. Nótese que hay un circuito completo para que la corriente fluya a través de todos los devanados, igual que en el diagrama de la página anterior. En realidad, ambos circuitos son idénticos.

     Cuando se produce un par la armadura gira y no tarda en tomar una posición donde  una de sus espiras que en su plano neutro  en este punto debe producirse la conmutación.  La técnica de conmutación en el motor práctico de C-C difiere del motor elemental de C-C.

Conmutación

En el estudio de la conmutación en el motor elemental del C-C de una sola espira, se explicó que el conjunto de conmutador y la escobilla funcionan como un interruptor de inversión, abriendo y cerrando. Primero, se desconectan las escobillas del segmento de conmutador cuando la espira entra al plano neutro, antes de ser reconectada a segmentos opuestos cuando la espira pasa por el plano neutro. En esta operación, primero se abría un circuito de corriente y luego se completaba nuevamente. Estas acciones de interrupción producen un arco en el punto de interrupción. Así pues, en el motor elemental, generalmente hay mucho arqueo y chisporroteo, lo que produce puntos de quemadura en el conmutador y que las escobillas se desgasten rápidamente. La vida útil de este motor, entre reparaciones, se acortaría.

     En motores de prácticos de C-C la interrupción en el conmutador quita la corriente de la espira que atraviesa el plano neutro con mínimo de arqueo, lo cual se logra, en parte, mediante una escobilla que conecte en corto la espira en el instante en que se encuentra en el plano neutro. Debido a que la espira se encuentra en el plano neutro durante la conmutación y existe interacción mínima o nula con el flujo del campo, la diferencia de potencial  a través de la espira también es mínima. Esto significa que, cuando la escobilla se conecta en corto con la espira que está en plano  neutro y luego se reestablece en el circuito con flujo de corriente en nueva dirección, las operaciones de cerrar y abrir se hacen en puntos de potencial casi idéntico, de manera que la conmutación ocurre con un mínimo de arqueo y chisporroteo. Manteniendo el periodo de duración del corto a un mínimo absoluto, se asegura que el par solo se pierda durante el instante en que la espira se encuentra en el plano neutro y que el motor funcione a la mayor velocidad de funcionamiento posible.

Conmutación en la armadura de cuatro espiras

La conmutación en un motor práctico de C-C con armadura de cuatro espiras se lleva a cabo haciendo que las escobillas se conecten en cortos segmentos contiguos del conmutador para interrumpir el flujo de corriente en una espira de armadura asociada, cuando esta pasa por plano neutro. Cuando la conmutación se lleva a cabo debidamente, el motor funciona a la máxima velocidad posible y con el mínimo chisporroteo. Según se ilustra, en el sistema aplicado en motores prácticos, cuando un par de espiras, por ejemplo 1 y 3, llegan al plano neutro, estas se conectan en corto de manera que dejan de transmitir corriente. Al mismo tiempo, las otras dos espiras, 2 y 4, siguen conectadas en este circuito y siguen llevando corriente.

     Nótese que, debido a la disposición simétrica y al funcionamiento del conmutador y las escobillas, dos de los devanados de armadura siempre están en corto circuito en un instante determinado. Como resultado, en práctica, las armaduras  se devanan intencionalmente de manera que los pares de devanados afectados por la acción de las escobillas lleguen al plano neutro simultáneamente.

Plano neutro

En el estudio de la conmutación en el motor practico C-C, se recordara que el arqueo producido durante el funcionamiento del motor se mantiene al mínimo, debido a que hay una diferencia de potencial mínima en una espira de armadura cuando se encuentra en el plano neutro. Como lo indica la figura que representa un motor de dos polos, el plano neutro debe encontrarse en eje que forme ángulo recto con las líneas de flujo de campo y debe de estar a la mitad de las piezas polares. A veces, a este eje se le llama plano neutro geométrico del motor. El plano neutro en motor es el  mismo para todas las espiras de la armadura. Cada espira atraviesa el plano neutro dos veces por cada revolución completa de la armadura.

     Teóricamente, pues, para lograr la conmutación perfecta, el plano donde se colocan las escobillas del motor, llamado eje de escobillas, debe coincidir idealmente con el eje del plano neutro del motor. Sin embargo, en la práctica, la posición del plano neutro real tiende a desplazarse del eje geométrico neutro cuando el motor funciona. 

     El desplazamiento depende de la velocidad y dirección del funcionamiento del motor. Por lo tanto, el eje de escobillas se moverá hacia la nueva posición del plano neutro, o bien, tendrán que tomarse medidas para evitar que el plano se desplace. La causa principal de este desplazamiento del plano neutro cuando el motor funciona es un efecto que se conoce como reacción de armadura. 

Reacción de armadura

Cuando la armadura de un motor lleva corriente, se establece un flujo magnético del alrededor de los conductores del devanado de la armadura. Así pues, se tiene dos campos magnéticos en el espacio que hay entre las piezas polares del campo: el campo magnético principal y el campo producido por la armadura. Estos dos campos se combinan para producir un nuevo campo magnético resultante. En este caso, el campo resultante se distorsiona de tal manera que se desplaza en sentido opuesto a la dirección de rotación de la armadura. Esta distorsión de campo original se llama reacción de armadura. Como el plano neutro del motor está en ángulo recto con el flujo del campo, resulta que este también se desplaza en dirección opuesta a ala de rotación de la armadura. 

     La magnitud de reacción de armadura determina la cantidad de desplazamiento del plano neutro. La reacción de armadura varía según la cantidad de corriente que circula por ella. Cuanto mayor sea la corriente, mayor será el desplazamiento del plano neutro con respecto al plano neutro geométrico. En forma similar, la dirección de desplazamiento depende de la dirección del flujo de la corriente en la armadura.

     Si el motor debe funcionar a velocidad constante y en una sola dirección, las escobillas pueden ubicarse en la nueva localización del plano neutro y quedar en esa posición para obtener una conmutación efectiva. Pero si el motor ha de funcionar a diferentes velocidades, direcciones y con cargas variables, la corriente en la armadura varía considerablemente. En consecuencia, la reacción de armadura también variara con ella la posición del plano neutro. Esto significa que, para una conmutación efectiva, la escobilla debe cambiar de posición cada vez que cambie el plano neutro. Es obvio que esto constituiría un procedimiento sumamente complicado.

Interpolos

Cuando un motor funciona con varias velocidades, en diferentes direcciones contra cargas variables, la corriente de armadura y la reacción de armadura también varían. Para que un motor como este funcione con conmutación eficiente, se requerirá un cambio en la posición de las escobillas para cada desplazamiento del plano neutro. Como este realineamiento constante de escobillas es poco práctico, los motores necesitan alguna forma de mantener el plano neutro en una posición y que no se desplace como resultado de la reacción de armadura. Una solución a este problema es usar devanados especiales llamados polos de conmutación o interpolos.

     Los interpolos son piezas polares de electroimanes especiales colocadas en el eje del plano neutro, entre las piezas polares principales. Los devanados de los interpolos  se conectan en serie con el devanado de armadura, de manera que  la corriente de armadura establece campos magnéticos entre ellos. Las direcciones de los campos son tales que anulan los campos magnéticos producidos alrededor de las bobinas de armadura a desplazar el plano neutro. Como resultado, el plano neutro geométrico para todas las modalidades en que funcione el motor.

     El hecho que los  devanados de los interpolos estén en serie con la armadura hace que se autorregulen; los interpolos proporcionaran la cantidad apropiada de campo de anulación para cada serie distinta de condiciones. Por ejemplo, en el caso de altas corrientes de armadura, en las cuales la reacción de armadura es grande y, también es grande la tendencia a desplazar el plano neutro, entonces el campo de interpolos que anula el desplazamiento también será fuerte. Lo contrario ocurre en bajos niveles de corriente de armadura.

Estructura del motor de C-C

En lo que se ha estudiado hasta ahora, se han introducido los principios del funcionamiento de los motores de C-C. Al estudiar el funcionamiento eléctrico del motor de c-c, también se inició el estudio de la mayor parte de los elementos físicos principales del motor C-C. Estos elementos son la armadura y el conmutador, el conjunto de escobillas y el imán del campo. A continuación se describirán los detalles referentes a la estructura de los motores de C-C, lo cual permitirá identificar las diferentes partes de motores reales. También se estudiara la estructura del motor analizando sus partes materiales y los métodos que se usan para construirlas. Finalmente se evaluaran algunos de los métodos empleados para el mantenimiento de motores.

Núcleo de armadura y eje

El termino armadura o rotor se aplica a la parte giratoria del motor. Cuando se observa un motor en marcha, generalmente se ve el eje que gira. El eje es una   extensión externa de la armadura que pasa a través de la cubierta y coraza del motor, se encuentra en el lado opuesto al extremo del conmutador del motor.

     Un núcleo de armadura típico es un cilindro sólido que tiene ranuras y está hecho de metal. En realidad, el núcleo está formado por delgadas muescas en la orilla; están revestidas con un barniz aislante y comprimido para formar el núcleo. En el proceso de formación, las muescas se alinean de manera que el núcleo acabado tiene una serie de ranuras longitudinales en todo su perímetro. Las laminaciones se usan en el núcleo con objeto de reducir pérdidas por corrientes parásitas.

     Las corrientes parásitas son las que se inducen en una material conductor cuando este corta líneas de flujo magnéticas. Las laminaciones reducen el área donde pueden existir corrientes parásitas y, en consecuencia, aumenta la resistencia relativa del material; así pues, se reducen las pérdidas de potencia debidas a corrientes parásitas. El uso de acero dulce como material del núcleo reduce las perdidas por histéresis que, las cuales ocurren cuando las inversiones de magnetización del material del núcleo están atrasadas con respecto a las inversiones de la corriente.

     Las ranuras del núcleo ya formado sirven para alojar las espiras de alambre de cobre o devanados de la armadura. El núcleo de armadura está montado sobre el eje del motor, el cual generalmente es una barra de acero duro con superficie interna de contacto muy bien pulida. El método de montaje del núcleo sobre el eje varía considerablemente, según los distintos motores.

Devanado anular de gramme

Devanar armadura es toda una ciencia. Se señalaran algunos aspectos importantes del tema.

Los devanados de armadura de c-c se clasifican en devanados de anillo y devanados de tambor, según la forma que tenga el núcleo de la armadura. Los primeros motores prácticos tenían el llamado devanado de anillo de Gramme. En el devanado de Gramme el núcleo de armadura es un anillo de hierro, alrededor del cual se embobina un devanado continuo y cerrado que se conecta con segmentos del conmutador a intervalos regulares. Este tipo de armadura es ineficiente debido a que los conductores de la mitad interior del anillo están blindados magnéticamente por el hierro y, en consecuencia, no pueden interactuar con el campo. Debido a esta y otras desventajas, actualmente la armadura de anillo de Gramme es poco menos que una curiosidad de laboratorio.

   

Armadura devanada en tambor

Las espiras o bobinas que constituyen la armadura devanada en tambor se hallan alrededor del núcleo de la armadura, alojando los lados de las bobinas en las ranuras del núcleo. Las ranuras suelen estar aisladas con papel de pescado para proteger los devanados. En muchas armaduras, las bobinas son formadas previamente para darles su forma definitiva y luego se colocan en las ranuras del núcleo. A esto se le llama devanado de formas y se lleva a cabo ya sea conformando las bobinas sobre un molde de madera o doblándolas en una prensa antes de colocarlas sobre el tambor. Cada devanado siempre es igual que otro en la armadura y, al final, la armadura devanada siempre debe ser perfectamente simétrica.

     Después de que las bobinas de armadura se han colocado sobre el núcleo, en la ranura del núcleo se ponen cuñas de material aislante para fijar las bobinas. Después de esto, se usan bandas adhesivas de acero para asegurase las bobinas de manera que no sean expulsadas por la fuerza centrífuga producidas durante la rotación de la armadura.

     Básicamente, hay dos formas en que se dispone el devanado de los tambores   en uso: Devanados imbricados y devanados ondulados. El imbricado se usa para motores de baja tensión y alta corriente. El ondulado se usa en motores que requieren alta tensión y baja corriente.

Devanados imbricados

El devanado imbricado tiene ese nombre por la forma en que el devanado recorre hacia adelante y hacia atrás la armadura del tambor. En este devanado, un elemento de bobina va hacia adelante y se coloca bajo un poco de campo sur.

     Para comprender en que consiste el devanado imbricado, observe el siguiente diagrama.

     Empezando por la bobina dibujada en línea más gruesa, la cual sale del segmento 1 del conmutador, pasa por la ranura1, luego atraviesa la ranura 4 y regresa en el segmento 2. Note que la bobina empieza y termina en segmentos adyacentes del conmutador; pero, al hacerlo, pasa por otras ranuras que se encuentran bajo polos opuestos. 

Devanados imbricados (cont.)

Las cuatro trayectorias paralelas en la armadura son:

1.    De la escobilla que esta sobre el segmento 1 en la terminal negativa hacia los devanados de la trayectoria 2-3 y, luego, a la escobilla que esta sobre el segmento 4 en el lado positivo.

2.    De la escobilla que esta sobre el segmento 1, hacia los devanados de la trayectoria 12-11 y, luego, a la escobilla que esta sobre el segmento 10, en el lado positivo.

3.    De la escobilla que esta sobre el segmento 7, en el lado negativo, hacia los devanados de la trayectoria 6-5 y, luego, a la escobilla que esta sobre el segmento 4, en el lado positivo.

4.    De la escobilla que esta sobre el segmento 7, en el lado negativo, hacia los devanados de la trayectoria 8-9 y, luego, a la escobilla que esta sobre el segmento 10, en el lado positivo.

     Esto demuestra que los doce devanados llevan corriente simultáneamente y, por lo tanto, todos contribuyen al mismo tiempo al movimiento del motor.

     Aunque actualmente se usan muchas clases de devanados imbricados, hay dos características comunes por las que se pueden distinguir todos ellos, cuando se encuentran en motores prácticos:

1.    Los motores con armadura imbricada generalmente tienen el mismo número de escobillas que de polos.

2.    En los motores con armadura imbricada, esta generalmente tiene el mismo número de trayectorias paralelas que de polos.

Estas reglas pueden verificarse hacienda referencia a las ilustraciones de estas dos.

Devanados ondulados

El devanado ondulado debe su nombre de la apariencia de los devanados en el tambor. Como en el caso del devanado imbricado, se pueden encontrar muchas variaciones de devanados ondulados. Sin embargo, hay dos características comunes a todos ellos.

1.    Los motores con armaduras de devanado ondulado solo requieren un mínimo de dos escobillas. Sin embargo, en algunas variaciones, pueden tener el mismo número de escobillas que de polos, igual que el motor de armadura imbricada.

2.    En armaduras de devanados ondulados, solo hay dos trayectorias paralelas a lo largo de un devanado ondulado completo, independientemente del número de escobillas o polos que se usen.

Motor de derivación o Shunt

El motor de derivación debe su nombre al hecho de que su devanado de campo está conectado a la línea de alimentación de potencia en paralelo con el   devanado   de   armadura,   lo   cual   significa   que   existe   una   trayectoria independiente para el flujo de corriente a través de cada devanado. En un motor de derivación la corriente de campo puede mantenerse constante y el circuito de armadura sólo sirve para controlar al motor. Así, una de las principales características de este tipo de motor es que puede mantener una velocidad constante al alimentar una carga variable y la carga puede quitarse totalmente sin peligro para el motor.

     Al aumenta la carga de un motor de derivación. El efecto inmediato es reducir la velocidad de armadura. La reducción de la velocidad de la armadura reduce la fcem, produciendo un aumento en la cantidad de corriente de armadura que fluye, lo cual tiene el efecto de aumentar el para acelerar nuevamente la armadura. El fenómeno se  presenta  en  forma  inversa  cuando  se  quita  carga  de  un  motor derivado.

Control de velocidad

El motor de derivación puede funcionar a varias velocidades mediante un control reostático ya sea en serie con el devanado de campo, el devanado de armadura o ambos. El uso de un reóstato en serie con el devanado de campo es el método más común de variar la velocidad de un motor derivado. Esto es preferible a usar un reóstato de armadura debido a que la corriente de campo es menor que la corriente de armadura y, en consecuencia, la pérdida de potencia en el reóstato es mucho menor cuando éste está en el circuito de campo. Como resultado, se dispone de mayor cantidad de corriente para el funcionamiento real del motor.

     Al agregar una resistencia en serie con el campo, fluye menos corriente de campo, la intensidad de campo disminuye y el motor se acelera. Esto sucede debido a que, cuando la armadura giratoria corta menos líneas de flujo, la fcem tiende a disminuir.

     Esto hace posible que fluya más corriente en la armadura, lo que ocasiona un aumento de par fuera de proporción con la cantidad requerida. Como resultado, el motor se acelera rápidamente y la fcem aumenta a un valor en el cual la corriente se reduce hasta que produce la cantidad correcta de par.

     Si se agrega menos resistencia en serie con el campo, la intensidad del campo aumenta y la marcha del motor se vuelve más lenta.

Sensibilidad o fluctuaciones de corriente

Téngase presente que una de las características notables del motor de derivación es que acelera cuando disminuye la corriente en el devanado de campo. Esta característica se aprovecha para controlar la velocidad del motor de derivación con un reóstato de campo en serie. El aumento de velocidad y la disminución en la intensidad del campo se deben a una reducción de fcem y un aumento correspondiente en la corriente de armadura. Cuando sucede esto, el aumento en corriente de armadura produce a su vez un aumento en el par fuera de toda proporción con la reducción de la intensidad del campo.

     Así pues si la intensidad de campo repentinamente se vuelve muy débil, como cuando se abre un devanado de campo y solo el magnetismo residual mantiene el campo, el motor de derivación empezara a funcionar muy rápidamente, y se dice que se desboca. El funcionamiento desbocado puede destruir completamente al motor, que, en la mayor parte de los casos, no se ha construido para resistir el esfuerzo físico de trabajar a esta velocidad. De la misma manera, cuando el circuito de campo de un motor de derivación está completamente abierto, el motor probablemente se quemara debido a la elevada corriente de armadura que toma.

Motor de serie

El motor de serie debe su nombre al hecho de que su devanado de campo está conectado en serie con la armadura, lo cual significa que fluye una corriente común a través de ambos devanados. Lo que suceda a la corriente de armadura a causa del impulso de una carga se “siente” automáticamente en el devanado de campo.

     Ahora se examinara el efecto que esto tiene en el funcionamiento de un motor. Supóngase que se aumenta la carga de un motor de serie. Como se sabe, en el caso del motor de derivación, esto hace más lento el funcionamiento del motor, haciendo bajar la fcem; entonces, la armadura toma más corriente para aumentar el par, como primer paso para producir mayor velocidad y fcem. Sin embargo, en el motor de serie, esta corriente adicional de armadura también fluye en el devanado en serie del campo. Así pues, el flujo del campo aumenta y restaura la fcem, de tal manera que esto evita que el motor cobre velocidad, como ocurriría en el motor de derivación.

     Por lo tanto, el motor serie no funciona a velocidad constante. En el motor en derivación, cuando el par aumenta, la velocidad también aumenta y viceversa. En el motor serie, sucede lo contrario, es decir: el par y la velocidad son inversamente proporcionales. Esto significa que, cuando el par es elevado, la velocidad es baja; y cuando el par es bajo, la velocidad es alta.

Sensibilidad a carga nula

La relación carga-velocidad del motor serie, la cual se acaba de describir, hace que el motor de serie tenga una tendencia a “desbocarse” si se le pone en marcha o se le deja funcionar sin carga. Esto se debe al hecho de que cuando el motor no tiene carga, se necesita un par muy bajo para hacer que gire la armadura. En consecuencia, la velocidad del motor de serie aumenta notablemente, tratando de producir una fcem que reduzca la corriente de armadura y mantener bajo el par. Desgraciadamente, cuando el motor funciona más rápidamente para reducir la corriente de armadura, el flujo del campo también se reduce lo mismo que la fcem. Por lo tanto, el motor funciona más de prisa y produce aún más fcem. La velocidad continúa aumentando hasta que la simple fuerza física de rotación destruya el motor, combinándose el calentamiento por fricción y la fuerza centrífuga.

Capacidad de arranque

El motor de serie puede dar un par de arranque muy elevado y, por lo tanto, satisfacer la necesidad de tener un par grande para sobrecargas intensas súbitas. Esto se debe a que el par del motor de serie varía casi en la misma forma que el cuadrado de la corriente que pasa por él. Si la corriente de la armadura se triplicara súbitamente por una sobrecarga, la corriente que fluya en el campo y, en consecuencia, la intensidad del flujo, el par resultante sería nueve veces mayor que el original.

     Debido a esta característica, los motores serie se usan siempre que se necesita un par de arranque alto contra cargas intensas que deben permanecer acopladas a él durante una operación completa. Los motores de serie son especialmente efectivos cuando es probable que en la operación se produzca una sobre carga súbita muy intensa. Sin embrago, no conviene usar el motor de serie para aplicaciones en que se requiere una velocidad relativamente constante, tanto sin carga como a plena carga.

Rotación en motores de C-C

Para invertir la dirección de rotación de un motor de c-c, debe invertirse ya sea el campo o la corriente de armadura, pero no ambos al mismo tiempo. En la fig. Se ilustra este principio. En (A) existen condiciones en las que se produce la rotación en sentido contrario al de las manecillas del reloj. En (B) se ha invertido solo la corriente de campo y, ahora, el motor gira en el mismo sentido que las manecillas del reloj. En (c) se ha invertido a corriente de armadura y el motor gira en el mismo sentido que las manecillas del reloj. Finalmente, en (D) están invertidas tanto la corriente de campo como la de armadura, de manera que ahora el motor girara en sentido inverso al de las manecillas del reloj.

     Es importante comprender este principio para entender porque cambia la polaridad de la fuente de energía no basta para invertir la rotación de los motores de c-c prácticos. En la mayor parte de los motores prácticos el campo es producido por un electroimán y tanto el vanado de campo como la armadura son alimentados por las mismas terminales de la fuente de energía de c-c. En consecuencia, la inversión de la polaridad de la fuente de energía hace que cambien simultáneamente la dirección de la corriente tanto en la armadura como en el campo. Así pues, el motor continúa girando en la dirección que tenía originalmente.

Rotación en el motor de serie

El elemento más importante para invertir la dirección de un motor de serie c-c, es un interruptor del tipo llamado de dos polos, doble tiro; es importante porque con él pueden cambiar simultáneamente dos conductores en uno de los dos circuitos.

     El diagrama ilustra lo que sucede en el circuito. Primero, para comprobar que se tiene un motor de serie, se sigue el flujo de electrones en (A): del lado negativo al lado positivo de la fuente de energía. Note que la corriente atraviesa tanto el devanado de campo como el de la armadura, lo cual, a su vez, prueba que están en serie. La corriente también atraviesa el interruptor: sus dos polos están conectados con los contactos 1 y 2. Cuando la corriente sigue la dirección indicada en (A), la armadura gira en el mimo sentido que las manecillas del reloj, según se muestra en la figura.

     Ahora observe el circuito que ilustra en (B). Primero compruebe rápidamente que el campo y la armadura siguen en serie. Ahora siga en detalle la trayectoria del flujo electrónico, note que la corriente atraviesa el devanado del campo en la misma dirección que en (A). Sin embargo, esta vez el polo del interruptor que antes hacía contacto con 1, ahora hace contacto con 2; y el polo que estaba en el contacto 2, se encuentra ahora en el contacto 3. Como resultado, al seguir más adelante la trayectoria de los electrones, se encuentra que la corriente que pasa por la armadura toma una nueva dirección, yendo hacia el lado positivo de la fuente de energía. Cuando la corriente de campo fluye en la misma dirección que en (A) y la corriente de armadura esta invertida, el motor gira en dirección opuesta (contra las manecillas del reloj).

La rotación en el motor de derivación

La experiencia obtenida al seguir la trayectoria de un circuito puede aplicarse a los mostrados aquí. Primeramente, se traza rápidamente la trayectoria de corriente para ambos circuitos. Se empieza en el lado negativo de la batería y se siguen las flechas a través del devanado de campo y luego a través de la armadura. Cabe notar que en cada circuito hay una trayectoria paralela independiente para la corriente, de manera que se trata de un motor de derivación.

     Después se vuelve a seguir la trayectoria del circuito (A), ahora con más detalle y primero se establece la dirección de la corriente a través del campo, y luego, a través de la armadura. Nótese que el interruptor esta solo en el circuito de la armadura. Cuando el interruptor hace contacto con 2 y 3, como se ilustra en (A), el motor gira en el mismo sentido que as manecillas del reloj.

     A continuación se analizara el circuito (B). El interruptor está ahora en la otra posición, donde hace contacto con 1 y 2. El circuito del devanado de campo no ha cambiado y la corriente sigue atravesando el campo en la misma dirección que en (A). Sin embargo, al seguir la trayectoria de la armadura se encuentra que debido a la nueva posición del interruptor, la corriente atraviesa la armadura en una nueva dirección. Como resultado, el motor gira en dirección opuesta (contraria a las manecillas del reloj).

Motores Compound

La característica de velocidad constante del motor de derivación no se encuentra en el motor serie y la excelente característica de alto par en el motor de serie no se encuentra en el motor de derivación. Estas características se pueden combinar dando al motor dos devanados de campo: uno en serie con la armadura y el otro en paralelo con ella. A este tipo de motor de corriente continua se le llama motor compound.

     Para comprender cómo funciona un motor compound, considere un motor de derivación con un campo en serie extra. Al aumentar la carga en este tipo de motor y aminorar su velocidad, el aumento resultante en la corriente de armadura hace que aumente la intensidad en el devanado de campo en serie. Como se obtiene mayor cantidad de flujo interactuante, el par aumenta.

     Ahora bien, considere un motor de serie al cual se le ha agregado un campo en derivación. El motor de serie común se "desboca" cuando no tiene carga, debido, a que el flujo de campo disminuye constantemente. Al agregar un campo en derivación de flujo constante, la velocidad del motor tiende a limitarse a un valor razonable.

     Si se disponen los devanados de campo del motor compound de manera que la intensidad de uno sea mayor que la del otro, se logrará que el motor compound se asemeje más al motor de serie o al de derivación. En este control de la intensidad relativa de ambos campos se basa la clasificación de los motores compound: compound acumulativo y compound diferencial.

     Si se conecta el devanado de campo en derivación con la armadura y con el devanado de campo en serie, se obtiene un motor compound acumulativo de derivación larga. Si el devanado de campo se conecta sólo con la armadura, entonces se tiene un motor compound acumulativo de derivación corta.

Motores Compound Acumulativos

Si un motor compound tiene el devanado campo en serie y el devanado de campo en derivación en la misma dirección, ambos devanados influirán para generar el flujo magnético. En este caso, se tiene un motor compound acumulativo esto indica que los flujos se combinan para formar un campo total más fuerte.

     Muchos motores compound acumulativos tienen sus devanados de tal manera que se da preferencia a la característica de par superior del motor de serie. Suelen ser de serie, con unas cuantas espiras derivadas para evitar que se desboquen cuando no tienen carga. A estos motores se les llama motores de serie-derivación.

     Por otra parte, hay motores compound acumulativos en los que la característica de alto par de arranque del motor de serie, sólo sirve para poner en marcha al motor.

Motor Compound Diferencial

El motor compound diferencial es esencialmente un motor de derivación con un devanado de campo serie. Los devanados de campo están colocados en direcciones opuestas de manera que la corriente en el devanado en serie se resta de la que fluye en la derivación. Este indica que el flujo resultante es la diferencia entre los dos.

     Existe una mejor regulación de velocidad constante debido a que, cuando un aumento de carga hace que el motor funcione más lentamente, además del proceso normal en el cual la disminución de la fcem hace circular mayor corriente, también ocurre un aumento en la corriente de los devanados del campo en serie. Este aumento de la corriente en el devanado en serie se opone a la que fluye en el devanado de campo en derivación y, en consecuencia, lo reduce. Esta disminución de la intensidad del campo hace también que el motor reacciona mucho más rápidamente para mantener su velocidad. Por lo tanto, se dice que el motor compound diferencial es más bien un regulador sensible de velocidad constante.

Reóstatos de arranque manual y controles de velocidad

La conexión repentina de una armadura grande de una línea de fuerza de corriente continua, causaría la circulación de una corriente anormalmente grande en la línea y en la armadura, ya que, en el momento de arrancar, no existe f.e.m. que limite la corriente. Sin la adición de una resistencia externa, esta elevada corriente sujetaría a un gran esfuerzo a los devanados de la armadura, quemaría escobillas y conmutadores y sería la causa de que la caída de voltaje interfiriera con otras máquinas conectadas a la línea.

     Para el arranque suave de los motores grandes se usa un "arrancador de motor". Consiste, simplemente, en una resistencia variable colocada en serie con la armadura. Su objeto principal es limitar la corriente de la armadura un valor seguro durante el periodo de arranque y aceleración. En combinación con el reóstato de arranque, existe algún dispositivo para desconectar automáticamente el motor, y dejarlo desconectado si falla el voltaje de la línea.

     Hay dos tipos de reóstatos manuales de arranque que se usan en los motores en paralelo y en los compound; 1) Reóstatos de arranque de tres terminales, 2) Reóstatos de arranque de cuatro terminales.

Reóstatos de arranque de tres terminales

El reóstato de arranque de tres terminales tiene un resistor con derivaciones encerrado en una caja ventilada. Botones de contacto situados en un tablero de pizarra montado al frente de la caja están conectados al resistor con derivaciones. Un brazo móvil con un botón de resorte puede moverse sobre los botones de contacto, para dejar fuera del circuito tramos del resistor con derivaciones.

     La resistencia de arranque está conectada en serie con el campo en paralelo, cuando el brazo está conectado, en la posición de funcionamiento normal al contacto B. Esta resistencia adicional es tan pequeña, cuando se compara con la del campo, que prácticamente no produce efecto en la intensidad del campo ni en la velocidad.

     Los reóstatos de arranque están proyectados para soportar la corriente de arranque solamente por un corto tiempo, y no para controlar la velocidad del motor. Si se trata de reducir la velocidad normal sujetando el brazo en un contacto intermedio, es probable que se queme el resistor de arranque.

     La caja de arranque de tres terminales no está hecha para usarse cuando se desean obtener velocidades superiores a la normal usando un reóstato de campo, porque al reducirse la corriente de campo puede soltarse la manivela y desconectar el motor. Para el control del campo se usa una instalación ligeramente diferente, que se llama caja de arranque de cuatro terminales.

Reóstato manual de arranque de cuatro terminales

Los reóstatos de cuatro terminales para el arranque manual tienen dos funciones que son también comunes al reóstato de arranque de tres terminales:

1. Acelerar un motor a la velocidad de régimen en una dirección de rotación.

2. Limitar la onda de la corriente de arranque de la armadura a una valor seguro.

Sin embargo, este reóstato de arranque puede usarse en combinación con un reóstato del campo, usando el control del campo para obtener velocidades superiores a la normal.

     En este arranque de cuatro terminales la bobina sujetadora, en serie con un resistor, está conectada directamente a la fuente de voltaje.

     La corriente de la bobina sujetadora es independiente de la del campo, pero también sirve para soltar la manivela cuando falta el voltaje. Si el voltaje de la línea baja, la atracción de la bobina sujetadora disminuye, y un resorte que no aparece en la figura devuelve el brazo móvil a la posición de "desconectado".

     Los motores se arrancan en la misma forma con los arrancadores de cuatro terminales que con los de tres. Cuando se desee obtener velocidades superiores a la normal se ajusta al reóstato del campo conectado en serie con el campo en paralelo.

Inversión del sentido de la rotación

Generalmente se obtiene la inversión del sentido de la rotación valiéndose de un interruptor inversor conectado de manera que solamente controle la corriente de la armadura. Invirtiendo la corriente en todo el motor (campo + armadura) no se obtiene ningún cambio porque, invirtiendo al mismo tiempo la corriente en el campo y en la armadura, la rotación continúa en el mismo sentido. Refiriéndonos a algunos tipos de sistemas de control para motores que requieren paradas rápidas, puede invertirse la corriente en la armadura, momentáneamente, para producir un par motor inverso que para el motor; a este método de parar bruscamente se le llama "frenar con contracorriente".

     En la práctica, la inversión del sentido de la rotación se efectúa intercambiando las conexiones de las dos armaduras.

     En el circuito anterior, el interruptor D.P.D.T.,( doble polo-doble tirada) con las conexiones para un motor compound, se usa para invertir el sentido de rotación de la armadura, lo que se logra invirtiendo la corriente en la armadura, pero no se afecta la corriente en el campo en serie ni en el campo en paralelo. Por tanto, el motor opera como compound cumulativo en los dos sentidos, porque los dos circuitos de los campos están funcionando juntos. Sería posible invertir el sentido de la rotación instalando un circuito en la que la corriente de la armadura conservara la misma dirección y se invirtieran las corrientes en los campos. Como habría que invertir al mismo tiempo las conexiones del campo en paralelo y las del campo en serie, resultaría una mayor complicación en las conexiones del control remoto.

Aparatos para el control manual de la velocidad

Frecuentemente es necesario variar la velocidad de los motores de c.c. las velocidades superiores a la normal se obtienen intercalando una resistencia en el campo en paralelo, mientras que las inferiores pueden obtenerse aumentando las resistencias al circuito de la armadura.

     Se usan dos tipos de controles manuales de velocidad con los motores en paralelo y los compound cumulativos: 1) controles para velocidades superiores a la normal, y 2) controles para velocidades inferiores y superiores a la normal. La National Electrical Manufacturers´ Association define los controles manuales de la velocidad, como aparatos para acelerar un motor hasta su velocidad normal, con la función adicional de variar la velocidad. No deben confundirse los controles manuales de velocidad con los reóstatos manuales de arranque que, simplemente, aceleran el motor hasta que alcanza su velocidad normal.

Controlador de velocidades superiores a la normal

Este aparato de control combina las funciones de reóstato de arranque y de campo. Las resistencias de arranque se usan en el circuito de la armadura solamente durante el periodo de arranque, limitando la corriente de la armadura mientras el motor se acelera hasta la velocidad normal. El circuito de control de campo es efectivo solamente después que el motor ha alcanzado su velocidad normal, después de lo cual la intercalación de una resistencia debilita el campo, produciendo una velocidad mayor. El aparato de control ilustrado en la figura 23-6, por tanto, tiene tres funciones:

1.- Acelerar el motor hasta la velocidad de régimen, reduciendo la resistencia en el circuito de la armadura.

2.- Limitar la onda de la corriente en el circuito de la armadura de un valor seguro.

3.- Obtener el control en la velocidades superiores a la normal variando la resistencia  en serie con el campo en paralelo.

     Las dos hileras de contactos se montan en un tablero de pizarra. La hilera superior de pequeños botones de contacto conecta a las derivaciones de un resistor, que es el reóstato del campo. La hilera inferior de contactos mayores conecta con las derivaciones de un resistor en serie con la armadura. El brazo de control K hace conexión con ambos grupos de contactos. En la posición de “arranque”, el brazo sirve de desviación del reóstato del campo de manera que se aplica el voltaje completo de la línea al campo en paralelo. Cuando se mueve el brazo K en el sentido de las manecillas del reloj, disminuye la resistencia de arranque conforme el motor se acelera. Cuando el brazo K se aproxima a la posición de funcionamiento normal, el pasador C empuja al brazo B en el sentido contrario a las manecillas del reloj, hasta quedar sujeto por la bobina sujetadora. Para entonces, el motor debe haber alcanzado su velocidad normal.

Figura 23-6. Aparato de control para velocidades superiores a la normal (posición de arranque)

   

Figura 23-7. Aparato de control para velocidades superiores a la normal

     En el croquis anterior, nótese que el brazo B se ha quitado del circuito del campo, de manera que ya no pone en corto circuito al reóstato del campo. En vez de hacer eso, el brazo B ahora pasa la resistencia de arranque, proporcionando un camino directo de la línea de abastecimiento a la armadura. Si es necesario aumentar la velocidad del motor a algún valor superior al normal, se mueve el brazo K en sentido contrario al de las manecillas del reloj. Esto no afecta ahora la corriente de la armadura, pero si intercala resistencia en el circuito del campo en paralelo. La velocidad del motor aumenta ahora. El brazo K puede dejarse en cualquier posición intermedia para obtener la deseada velocidad superior a la normal. Cuando se abre el interruptor de la línea, la bobina sujetadora suelta el brazo B que, por un resorte, vuelve a su posición original de arranque. Se suelta ahora al pasador C y permite que el brazo K por el empuje de un resorte vuelva a la posición de desconectado. Puede usarse este tipo de aparato de control en un motor en paralelo o en un motor compound.

Aparato de control para velocidades superiores e inferiores a la normal

En algunas instalaciones para motores es necesario contar con gran amplitud en el control de la velocidad, abarcando velocidades inferiores y superiores a ala normal.

Figura 23-8. Aparato de control para velocidades superiores e inferiores a la normal (ajustado para velocidades inferiores a la normal).

     La figura 23-8 ilustra un aparato de control típico para velocidades superiores e inferiores a al normal. El brazo móvil conecta las dos hileras de contactos, conectando la hilera inferior a derivaciones del resistor de campo. Los contactos están montados en el frente de un tablero de pizarra, mientras que los resistores de la armadura y del campo están alojados en una caja ventilada en el respaldo del tablero. El movimiento progresivo en el sentido de las manecillas del reloj produce aumento continuo de la velocidad, primero disminuyendo la resistencia del circuito de la armadura, luego, intercalando resistencias en el circuito de campo. En la posición mostrada en la figura 23-8 existe una considerable resistencia en serie con la armadura. El brazo también hace contacto con el conductor radial D que conecta todo el eje de la línea al campo en paralelo. Con el brazo en esta posición la velocidad es inferior a la normal. Una vez que el brazo móvil se coloca en cualquier punto de contacto se quedara fija esa posición hasta que se mueva a otro punto.  Esto se hace con un sistema de engrane y cerrojo operado por medio de la bobina sujetadora.

             

Figura 23-9 aparato de control para velocidades superiores e inferiores a la normal (ajustado para superiores)

     Cuando el aparato se ajusta para controlar las velocidades superiores a la normal, el voltaje completo de la línea continúa aplicándose a la armadura, a través de la tira A-E. El extremo exterior del brazo de control hace ahora contacto con un punto del reóstato del campo, de manera que la resistencia entre el brazo y el punto B se ha intercalado en el circuito del campo. Si el brazo se mueve al punto C, se usa todo el reóstato del campo, produciendo la velocidad máxima al debilitarse al campo. Cuando se abre el interruptor de la línea, la bobina sujetadora suelta el cerrojo y el resorte vuelve al brazo a la posición de “desconectado”. Puede usarse este tipo de aparato de control en los motores en paralelo y en los compound; las conexiones para el motor en paralelo difieren solamente por la omisión del campo en serie.

Reóstatos para el arranque manual de los motores en serie

Los motores en serie requieren un tipo especial de reóstato para el arranque manual. Estos reóstatos de arranque sirven para el mismo objeto que los manuales de tres y cuatro terminales usados en los motores en paralelo y los compound. Sin embargo, los sistemas de arranque del motor en serie tienen diferentes conexiones internas y externas. Hay dos tipos de arrancadores para, los motores en serie. Un tipo tiene protección para la falta de voltaje y el otro tiene protección para la falta de carga. En la figura 23-10 se ilustra un sistema de arrancador con protección para la falta de voltaje de un motor en serie. La bobina sujetadora se conecta a la fuente de voltaje. Este arrancador se usa para acelerar el motor hasta su velocidad normal. En el caso de que falle el voltaje, la bobina sujetadora no funcionara como electroimán. El resorte devolverá rápidamente el brazo a la posición de desconexión. Lo que protege al motor de los daños que podría causar el bajo voltaje.

Figura.23-10. Sistemas de arrancador para motor en serie, con protección para el caso de que falle el voltaje.

     Otro tipo de sistema de arrancador para el motor en serie se ilustra en la figura 23-11 y tiene protección para el caso de que funcione sin carga. La bobina sujetadora esta en serie con la armadura. Por lo grande de la corriente que circula en el circuito de la armadura, la bobina sujetadora solo consta de unas cuantas vueltas de alambre grueso.

Figura 23-11. Sistemas de arranque para motor en serie, con protección para el caso de que funcione sin carga.

     Se observa el mismo cuidado al arrancar un motor con este tipo de reóstato de arranque que el que se usa con los reóstatos de arranque de tres y cuatro terminales. El brazo se mueve lentamente de la posición de desconectado a la posición de funcionamiento, deteniéndose en cada botón de contacto durante un periodo de uno o dos segundos. El brazo se sostiene contra el empuje del resorte por medio de la bobina sujetadora, conectada en serie con la armadura. Si la corriente que llega al motor baja de un valor determinado, la bobina sujetadora se debilitara y el resorte empujara el brazo a la posición de desconectado. Este es un detalle de protección importante.

Conmutadores de cilindro

 Los motores en serie y los compound cumulativos se usan con frecuencia en grúas, elevadores, en herramientas mecánicas y en otras aplicaciones en las que le motor queda bajo el control directo de un operador. En estas aplicaciones puede ser necesario hacer arranques frecuentes, variaciones de velocidad, paradas e invertir el sentido de la rotación. Para estos casos se usan conmutadores de cilindro, que son más robustos que los reóstatos de arranque.

Figura 23-12. Conmutadores de cilindro.

Se ilustra un conmutador de cilindro típico. Dentro de la cubierta lleva una serie de contactos montados en un cilindro móvil. Estos contactos están aislados  del cilindro y entre si y son los contactos móviles, lleva otra serie de contactos, colocados dentro del conmutador, que se llaman contactos estacionarios. Estos contactos estacionarios están dispuestos de manera que hacen contacto con los contactos móviles cuando gira el cilindro. En la parte superior del conmutador de cilindro va una manivela acoplada al eje del cilindro móvil y de los contactos. Esta manivela puede moverse en una y otra dirección controlando la velocidad cuando gira el motor en un sentido o en otro.