MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA

El primer motor elctrico que existi fue de corriente directa y construido por Gramme en 1873. Comparado
con un motor equivalente de corriente alterna, el motor de directa resulta ms voluminoso, ms costoso y
requiere mucho ms mantenimiento. Adems, puesto que el suministro industrial normal es de corriente
alterna, se requiere un sistema rectificador para su alimentacin. Sin embargo, el motor de corriente directa
puede ser controlado muy fcilmente y de manera muy precisa dentro de un amplio rango de velocidades,
permitiendo adems procesos muy rpidos y suaves de aceleracin y desaceleracin. Esto lo hace preferido
en algunos procesos industriales de caractersticas muy particulares. En general, puede afirmarse que ac-
tualmente los motores de corriente directa encuentran su principal aplicacin en el rea del control industrial
y en el desarrollo de algunos procesos especiales. La gama de potencia de los motores de corriente directa
es muy amplia pues vara desde motores miniatura hasta grandes motores de ms de 6 MW.
1 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES
Un motor de corriente directa tiene un campo magntico de excitacin colocado en la superficie interna del
estator. Este campo magntico es producido por imanes permanentes en el caso de motores muy pequeos
(generalmente inferiores a 250W) y por electroimanes en la mayora de los casos. Cuando se utilizan elec-
troimanes, el estator tiene un ncleo de material ferromagntico en cuya superficie interior se distribuye un
bobinado que debe ser alimentado por tensin directa. El nmero de polos creados en el estator depende de
su diseo: en el caso ms sencillo son dos polos nicamente, pero es posible tener mquinas multipolares,
con mayor nmero de polos para proporcionar un campo ms fuerte y homogneo.
El rotor se conoce como armadura o inducido y est configurado por un ncleo de material ferromagntico
en cuya periferia se haya distribuido un bobinado que debe ser alimentado tambin por tensin directa. La
comunicacin entre el bobinado del rotor y la fuente externa de alimentacin se hace por medio del conjunto
colector-escobillas. El colector est compuesto por un grupo de plaquitas conductoras unidas a las diferen-
tes bobinas del inducido. Estas plaquitas se conocen con el nombre de delgas. En la figura 4 se muestran el
estator y el rotor tpicos de un motor de corriente directa.



fig.4 estator y rotor de un motor de corriente directa
Las escobillas establecen el contacto entre la fuente externa y el rotor en movimiento, en tanto que el colec-
tor cumple el papel de inversor electromecnico para hacer que las corrientes en los bobinados del rotor
cambien peridicamente de polaridad, al cambiar la polaridad de los polos del estator debajo de los cuales
se encuentran en un momento dado. En otras palabras, aunque la alimentacin al rotor es directa, las co-
rrientes en sus bobinados son alternas. Estas corrientes generan un campo magntico alterno que tiende a
alinearse con el campo magntico estacionario del estator, produciendo un movimiento continuado del rotor.
Debido a las corrientes alternas dentro del rotor, su ncleo debe ser laminado a fin de reducir la circulacin
de corrientes parsitas o de Foucault, inducidas por el campo alterno creado por ellas.
El par motor desarrollado por la mquina en su eje de rotacin y que sirve para accionar la carga mecnica
acoplada, resulta dado por

A m
I K T | = (3)

T
m
= par motor
K = constante del motor

2

| = flujo de excitacin por polo
I
A
= corriente de inducido
2 REACCION DEL INDUCIDO
Si no se considera la corriente del bobinado de inducido, el nico campo magntico presente en el motor es
el producido por el bobinado de excitacin. Sin embargo, en funcionamiento real existe necesariamente co-
rriente en el bobinado de inducido; esta corriente produce su propio campo magntico que obviamente se
superpone al campo de excitacin. Si se trata de motores con bobinado de excitacin, aparece un campo
resultante total en la mquina cuya forma de onda difiere de la original y cuyo valor efectivo es menor. Este
fenmeno se conoce con el nombre de reaccin del inducido.
Puesto que la reaccin del inducido depende directamente de la corriente de armadura, el fenmeno se ma-
nifiesta como reduccin del par y aumento de la velocidad, tanto ms cuanto mayor sea la corriente. En mo-
tores pequeos, el efecto de la reaccin del inducido puede considerarse poco significativo; en cambio, en
mquinas de potencia elevada se hace necesario el uso de bobinados auxiliares para anular o reducir la
reaccin del inducido. Estos bobinados se conocen como bobinados de compensacin y se utilizan para
procurar que el campo resulte constante, independiente de la corriente.
3 FENOMENO DE CONMUTACION
Durante la rotacin del motor, las diferentes bobinas del inducido hacen contacto sucesivamente con las
diferentes escobillas, pasando de un polo de polaridad dada a otro de polaridad contraria. Esto significa que
cada bobina del inducido debe invertir el sentido de su corriente, al dejar de hacer contacto con cada escobi-
lla. Este proceso se conoce como conmutacin.
Durante la conmutacin, la energa almacenada en cada bobina debe ser disipada totalmente antes de que
se inicie la circulacin de la corriente en sentido contrario. Esto se realiza generndose un arco entre la es-
cobilla y la delga asociada a la respectiva bobina. El arco se manifiesta en forma de chispa, cuya intensidad
y duracin dependen de la intensidad de la corriente en el inducido.
Puesto que el proceso anterior se cumple con todas y cada una de las bobinas, se tiene una permanente
produccin de chispas que, si son muy fuertes, rpidamente deterioran el colector y las escobillas. En m-
quinas pequeas, las chispas se atenan mediante una adecuada colacin de las escobillas con respecto al
eje neutro entre los polos. En mquinas de potencia elevada, se utilizan polos auxiliares conocidos como
polos de conmutacin o interpolos.
4 CIRCUITO EQUIVALENTE
Del anlisis del comportamiento del motor de corriente directa se deduce que durante el proceso de rotacin
se inducen en los conductores del rotor tensiones alternas que aparecen en los terminales del inducido como
una tensin directa, rectificada por el conjunto colector-escobillas. Esta tensin presenta polaridad opuesta a
la de la tensin de alimentacin y por lo mismo se conoce como fuerza contraelectromotriz o tensin induci-
da. El valor de esta tensin depende directamente de los parmetros de construccin de la mquina, de su
velocidad y del campo de excitacin, segn se indica en la siguiente ecuacin:

N K
60
2
E
A
|
t
= (4)

E
A
= tensin inducida o fuerza contraelectromotriz
K = constante del motor
| = flujo de excitacin por polo
N = velocidad de rotacin (RPM)


3

Fig. 5 circuito equivalente de un motor de corriente directa
De acuerdo con lo anterior, el circuito equivalente de un motor de corriente directa corresponde al de sus
bobinados pero adicionando al bobinado del rotor la tensin inducida. Esto se ilustra en la figura 5.
Las reactancias equivalentes de los bobinados solamente tienen significacin cuando se analiza el compor-
tamiento transitorio del motor (arranque, aceleracin o desaceleracin) o cuando el motor se alimenta con
tensiones rectificadas que tienen algn grado de ondulacin o rizado. Para el comportamiento normal, el
circuito equivalente solo tiene en cuenta las resistencias y la tensin inducida. R
F
representa la resistencia
del bobinado de excitacin, en tanto que R
A
representa la resistencia del bobinado de inducido adems de la
resistencia de las escobillas y la resistencia de contacto del colector.
5 CLASES DE EXCITACIN
Puesto que tanto el bobinado de excitacin (estator) como el bobinado de inducido (rotor) deben ser alimen-
tados por fuentes de corriente directa, es posible disear tales bobinados para que puedan ser conectados
en serie o en paralelo. Esto da origen a diferentes formas de excitacin conocidas con los nombres de inde-
pendiente, paralelo, serie y compuesta, tal como se ilustran en la figura 6.



Fig. 6 diferentes clases de excitacin
5.1 EXITACION INDEPENDIENTE Y EXCITACION EN PARALELO
Como su nombre lo indica, el bobinado de excitacin independiente es alimentado desde una fuente diferen-
te a la utilizada para alimentar el bobinado de inducido. Utilizando la ecuacin (3) y el circuito equivalente,
puede encontrarse que la relacin entre par y velocidad resulta dada por la siguiente expresin, que corres-
ponde a la caracterstica mecnica del motor:

( ) N K E
R
K
T
60
2
A
|
|
=
t
(5)


4

Puesto que la alimentacin del bobinado de excitacin es constante, el valor de | resulta tambin constante.
Por lo tanto, la relacin T=f(N) es una lnea recta. La caracterstica del par T=g(I
A
) resulta tambin una lnea
recta.
Si se tiene un motor con excitacin en paralelo y se supone que la tensin de alimentacin es constante, el
comportamiento es exactamente el mismo que el de un motor de excitacin independiente. En las grficas
de la figura 7 se muestran las diferentes curvas caractersticas.


Fig. 7 curvas caractersticas de los motores de corriente directa
El motor en paralelo o con excitacin independiente resulta muy apropiado para aplicaciones donde la velo-
cidad debe mantenerse prcticamente constante, como es el caso de mquinas - herramientas, tornos, fre-
sadoras, trituradoras, tejedoras, etc.
5.2 EXCITACION EN SERIE
Si se trata de un motor con excitacin en serie, la ecuacin del par resulta modificada segn la siguiente
ecuacin:

2
A
CI T = (6)

C representa una constante que depende de la constante del motor y de la caracterstica de magnetizacin
del ncleo del bobinado del estator.
Igualmente, la ecuacin que corresponde a la caracterstica mecnica resulta modificada de la siguiente
manera:

2
60
2
s
N C R
E
C T
|
|
.
|

\
|
+
=
t
(7)

R
s

representa la suma de las resistencias del bobinado de excitacin, del bobinado de inducido y del colector
y las escobillas. En la misma figura 7 anterior se muestran las correspondientes curvas caractersticas.
El motor serie resulta muy apropiado para aplicaciones que requieran un elevado par de arranque, como es
el caso de los ventiladores y los compresores de aire. Pero su principal aplicacin se manifiesta en los sis-
temas de traccin, tales como gras, ascensores, trenes elctricos, trolebuses, etc.
5.3 EXCITACION COMPUESTA
Cuando el motor tiene dos bobinados de excitacin, uno en configuracin paralela y otro en configuracin
serie, se dice que la excitacin es compuesta. Las curvas caractersticas toman formas intermedias entre las
correspondientes a las dos formas bsicas de excitacin, aunque normalmente la influencia del bobinado
serie es mucho menor que la del bobinado en paralelo. A veces se habla de un motor con excitacin en pa-
ralelo compensada. En la misma figura 7 anterior se muestran las correspondientes curvas caractersticas.

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El motor de excitacin compuesta resulta muy til en aplicaciones que requieran velocidad constante pero
que al mismo tiempo presentan variaciones bruscas en el par de carga. Podemos citar: limadoras, cizallado-
ras, estampadoras, perforadoras, bombas centrfugas, etc.
6 POTENCIA, PRDIDAS Y EFICIENCIA
El propsito de un motor elctrico es transformar la potencia elctrica suministrada en la entrada en potencia
mecnica de salida, en su eje de rotacin; sin embargo, el proceso no se realiza en condiciones ideales,
puesto que se presentan prdidas propias del funcionamiento de la mquina. Fundamentalmente podemos
considerar dos grupos de prdidas:
1) las prdidas que ocurren en las resistencias equivalentes de los diferentes bobinados; se conocen como
prdidas en el cobre
2) las prdidas que ocurren por efecto del movimiento del rotor; se conocen como prdidas mecnicas o
rotacionales


fig.8 diagrama del flujo de potencia de un motor de corriente directa
En la figura 8 se muestra un diagrama del flujo de potencia para un motor de corriente directa. Si el motor
tiene bobinado de excitacin, el primer grupo de prdidas de cobre ocurre en la resistencia de este bobina-
do. Adicionalmente, se producen prdidas de cobre en la resistencia equivalente del bobinado de armadura.
El total de prdidas en el cobre vara tpicamente entre 5 y 10% de la potencia total de entrada. La diferencia
entre la potencia elctrica de entrada y la suma de prdidas en el cobre corresponde a la potencia elctrica
efectiva que a su vez es transformada en potencia mecnica. Esto se ilustra en la siguiente ecuacin:

m
60
2
A A m
NT I E P
t
= = (8)

N es la velocidad de rotacin y T
m
corresponde al par electromagntico o par motor producido por la mqui-
na. Una vez en movimiento, por efecto de la potencia mecnica desarrollada, se producen prdidas por cir-
culacin de corrientes parsitas en el ncleo del rotor, prdidas por friccin del eje de rotacin y prdidas por
resistencia del aire. Si hay carga mecnica acoplada al eje, se producen prdidas adicionales conocidas
como prdidas distribuidas. El total de prdidas rotacionales vara tpicamente entre 3 y 15% de la potencia
elctrica de entrada. La diferencia entre la potencia transformada y la suma de prdidas rotacionales corres-
ponde a la potencia mecnica de salida cuyo valor corresponde a la expresin:

L
60
2
o
NT P
t
= (9)

N es la velocidad de rotacin y T
L
corresponde al par resistente desarrollado por la carga.
La eficiencia del motor queda definida, entonces, como la relacin entre la potencia mecnica de salida y la
potencia elctrica de entrada. Puesto que las dos son de naturaleza diferente, se acostumbra expresar la po-
tencia mecnica de salida en trminos elctricos teniendo en cuenta la equivalencia dada como 1HP= 746 W.

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7 ARRANQUE DE LOS MOTORES C.D.
A menos que se trate de pequeos motores de menos de 1KW, el arranque de los motores de corriente di-
recta no puede hacerse con tensin nominal de inducido, puesto que la corriente de armadura resultara muy
elevada, hasta del orden de 20 veces el valor de la corriente nominal. Esto naturalmente ocasiona deterioro
en el colector y, adems, el par de arranque tambin proporcionalmente elevado, podra ocasionar daos al
sistema mecnico de carga. En la prctica se limita la corriente de arranque a un valor que no sea superior a
3 veces la corriente nominal.
La limitacin de la corriente de arranque puede hacerse intercalando entre la fuente de alimentacin y el
bobinado de inducido un restato cuyo valor se hace progresivamente decreciente durante el proceso de
arranque. Esto se ilustra en la figura 9 para excitacin independiente.


Fig. 9 caracterstica mecnica con restato de arranque (excitacin independiente)
En la prctica el restato de arranque no es de variacin continua sino que est conformado por varias sec-
ciones, normalmente entre 3 y 5. La operacin del restato puede hacerse manualmente si los motores no
son muy grandes o automticamente, particularmente si se trata de motores de gran potencia, superiores a
unos 50KW.
Si se desea o se requiere un sistema de arranque mucho ms elaborado, debe utilizarse un proceso de au-
mento gradual en la tensin aplicada al inducido, mediante un circuito electrnico variador de voltaje. Este
circuito puede ser un rectificador controlado si la fuente de alimentacin es de corriente alterna o un trocea-
dor si la fuente de alimentacin es de corriente directa.
8 FRENADO E INVERSION DE GIRO
Al desconectar la alimentacin del motor, ste continuar girando por inercia durante un tiempo antes de
llegar finalmente al reposo. Este tiempo depende naturalmente del tipo y tamao del motor, pudiendo ser de
solamente algunos segundos hasta inclusive algunas horas. El proceso de frenado puede acelerarse utili-
zando un sistema de freno mecnico o electromecnico, cuya friccin desafortunadamente se traduce en
mucha disipacin de calor. Es posible hacer que el motor llegue al reposo en el menor tiempo posible, utili-
zando un sistema conocido como frenado dinmico, y durante el cual el motor se convierte en un generador
por el hecho simple de desconectar la tensin de su inducido. El frenado dinmico a su vez puede ser de
dos clases: reosttico y recuperador. En el frenado reosttico se mantiene el campo de excitacin activo y se
desconecta la armadura de la fuente de alimentacin, colocando adems entre los terminales de inducido
una resistencia que haga el papel de carga para el "generador". Si se desea mantener un par de frenado
constante es necesario utilizar un restato, cuyo valor se disminuye progresivamente hasta llegar al reposo.
En el frenado recuperador, es necesario disponer de un sistema de control mucho ms complejo para permi-
tir que la potencia desarrollada por el motor durante su funcionamiento como generador pueda ser regresada
a la lnea primaria de alimentacin. Una forma de realizar este proceso implica el uso de convertidores dua-
les con tiristores. Una vez que el motor haya llegado al estado de reposo, si se desea puede invertirse su
sentido de giro invirtiendo el sentido de la corriente de inducido o el sentido de la corriente de campo. Si se
invierten ambas simultneamente no se produce inversin del sentido de giro. La inversin en el circuito de
inducido requiere de dispositivos de mayor corriente pero garantiza un tiempo de inversin ms corto, pues
la inductancia equivalente del circuito de armadura es menor que la del circuito de excitacin.