Control de Velocidad del Motor DC: Control de Resistencia del Armadura y Control de Flujo del Campo

Un motor DC es un dispositivo que convierte la potencia mecánica en potencia eléctrica de corriente directa. Una de las características más notables de un motor DC es su capacidad para ajustar fácilmente su velocidad según los requisitos específicos utilizando métodos sencillos. Este nivel de control de velocidad conveniente no es tan fácilmente alcanzable con un motor AC.

Los conceptos de regulación de velocidad y control de velocidad son distintos. En el caso de la regulación de velocidad, la velocidad del motor cambia espontáneamente en respuesta a diversas condiciones de operación. Por otro lado, en un motor DC, los cambios de velocidad se inician deliberadamente, ya sea manualmente por un operador o automáticamente a través de dispositivos de control. La velocidad de un motor DC se determina mediante la siguiente relación:

La ecuación (1) ilustra claramente que la velocidad de un motor DC depende de tres factores clave: el voltaje de alimentación V, la resistencia del circuito de armadura Ra y el flujo de campo ϕ, que se genera por la corriente de campo.

• Cuando se trata de controlar la velocidad de un motor DC, la manipulación del voltaje, la resistencia de armadura y el flujo de campo son consideraciones cruciales. Hay tres técnicas principales para lograr el control de velocidad de un motor DC, como se detalla a continuación:

• Variación de la Resistencia en el Circuito de Armadura (Control de Resistencia de Armadura o Control Reóstático)

• Variación en el Flujo de Campo (Control de Flujo de Campo)

• Variación en el Voltaje Aplicado (Control de Voltaje de Armadura)

Se proporciona una exploración más profunda de cada uno de estos métodos de control de velocidad a continuación.
Control de Resistencia de Armadura del Motor DC (Motor de Derivación)
El diagrama de conexión para implementar el control de resistencia de armadura en un motor de derivación se muestra a continuación. En este enfoque, se inserta un resistor variable Re en el circuito de armadura. Es notable que los cambios en el valor de este resistor variable no afectan el flujo magnético porque el devanado de campo está conectado directamente a la red de alimentación.

La característica de corriente-velocidad del motor de derivación se muestra a continuación.

Motor en Serie
Examinemos ahora el diagrama de conexión para controlar la velocidad de un motor DC en serie utilizando el método de control de resistencia de armadura.

Cuando se ajusta la resistencia del circuito de armadura, afecta simultáneamente tanto a la corriente que fluye a través del circuito como al flujo magnético dentro del motor. La caída de tensión a través del resistor variable reduce efectivamente la tensión disponible para la armadura. Como consecuencia, esta reducción en el voltaje aplicado a la armadura conduce a una disminución en la velocidad de rotación del motor.

La curva característica de corriente-velocidad de un motor en serie, que ilustra la relación entre la velocidad del motor y la corriente que pasa a través de él, se presenta en la figura a continuación.

Cuando se aumenta el valor de la resistencia variable Re, el motor opera a una velocidad de rotación más baja. Dado que la resistencia variable conduce toda la corriente de armadura, debe estar diseñada para manejar continuamente la corriente nominal de armadura sin sobrecalentarse o fallar.

Desventajas del Método de Control de Resistencia de Armadura

• Una cantidad significativa de potencia eléctrica se disipa como calor en la resistencia externa Re, resultando en ineficiencias y desperdicio de energía.

• Este método de control de resistencia de armadura está limitado a reducir la velocidad del motor por debajo de su velocidad de funcionamiento normal; no permite un aumento de la velocidad más allá del nivel normal.

• Para cualquier valor específico de la resistencia variable, el grado de reducción de la velocidad no es fijo, sino que fluctúa dependiendo de la carga aplicada al motor, lo que dificulta lograr un control preciso de la velocidad.

• Debido a sus ineficiencias inherentes y limitaciones, este enfoque de control de velocidad generalmente solo es adecuado para motores de pequeño tamaño.

Método de Control de Flujo de Campo del Motor DC

El flujo magnético dentro de un motor DC se genera por la corriente de campo. Por lo tanto, el control de velocidad utilizando este método se logra ajustando la magnitud de la corriente de campo.

Motor de Derivación

En un motor de derivación, un resistor variable RC se conecta en serie con los devanados de campo de derivación, como se ilustra en la figura a continuación. Este RC se conoce comúnmente como un regulador de campo de derivación, desempeñando un papel crucial en la modificación de la corriente de campo y, en consecuencia, del flujo magnético del motor.

La corriente de campo de derivación se da por la ecuación mostrada a continuación:

Cuando se inserta el resistor variable RC en el circuito de campo, restringe el flujo de corriente de campo. Como resultado, el flujo magnético generado por los devanados de campo se reduce. Esta disminución en el flujo tiene un impacto directo en la velocidad del motor, causando que ésta aumente. En consecuencia, el motor opera a una velocidad de rotación que supera su velocidad normal, no alterada.

Esta característica única hace que el método de control de flujo de campo sea altamente útil para dos propósitos principales. En primer lugar, permite que el motor alcance velocidades superiores a su velocidad de operación estándar, proporcionando flexibilidad en aplicaciones que requieren tasas de rotación elevadas. En segundo lugar, se puede emplear para contrarrestar la caída natural de la velocidad que ocurre cuando el motor está bajo carga, manteniendo de manera efectiva una velocidad más constante bajo condiciones de carga variables.

La curva de par-velocidad para un motor de derivación, que ilustra gráficamente la relación entre la velocidad de rotación del motor y el par que puede producir, se presenta a continuación. Esta curva ofrece valiosas perspectivas sobre las características de rendimiento del motor bajo diferentes escenarios de operación cuando se aplica el método de control de flujo de campo.

Motor en Serie

En el caso de un motor en serie, la alteración de la corriente de campo se puede lograr mediante uno de dos métodos: utilizando un derivador o implementando el control de campo segmentado.

Utilizando un Derivador

Como se muestra en la figura a continuación, una resistencia variable Rd se conecta en paralelo con los devanados de campo en serie. Esta configuración permite la manipulación de la distribución de corriente dentro del circuito, influyendo en la fuerza del campo magnético generado por los devanados de campo en serie.

El resistor paralelo en esta configuración se conoce como un derivador. Cuando se conecta el derivador con la resistencia variable Rd, desvía una cierta fracción de la corriente principal lejos de los devanados de campo en serie. Como consecuencia, la función principal del derivador es disminuir la magnitud de la corriente que pasa a través del devanado de campo. A medida que la corriente de campo disminuye, el flujo magnético generado por el campo también se reduce. Esta reducción en el flujo conduce a un aumento en la velocidad de rotación del motor.

Control de Campo SegmentadoEl segundo enfoque para alterar la corriente de campo en un motor en serie es a través del control de campo segmentado. El diagrama de conexión correspondiente, que ilustra las conexiones eléctricas y componentes específicos involucrados en este método, se presenta a continuación.

En el método de control de campo segmentado, los ampere-vueltas se ajustan cambiando el número de vueltas de campo activas. Esta configuración particular es altamente aplicable en sistemas de tracción eléctrica. Al manipular el número de vueltas de campo, se altera el flujo magnético generado por el devanado de campo del motor, permitiendo un control preciso sobre la velocidad del motor.

La curva característica de par-velocidad de un motor en serie, que ilustra gráficamente la relación entre la velocidad de rotación del motor y el par que puede producir bajo diversas condiciones de operación, se muestra a continuación. Esta curva proporciona valiosas perspectivas sobre las capacidades de rendimiento del motor cuando se emplea el método de control de campo segmentado, ayudando a ingenieros y técnicos a entender cómo responde el motor a los cambios en la carga y las configuraciones de velocidad.

Ventajas del Control de Flujo de Campo
El método de control de flujo de campo ofrece varios beneficios notables, como se detalla a continuación:

• Facilidad de Uso: Este enfoque es sencillo y amigable para el usuario, facilitando una implementación y operación simples.

• Baja Pérdida de Potencia: Dado que el campo de derivación generalmente tiene un requerimiento de corriente relativamente pequeño, la potencia disipada en el campo de derivación permanece mínima, contribuyendo a una eficiencia general mejorada.

• Mecanismo de Aumento de Velocidad: Debido a la saturación del núcleo de hierro en el circuito magnético, el flujo magnético generalmente no puede aumentarse más allá de su valor normal. Como resultado, el control de flujo de campo se enfoca principalmente en debilitar el campo, lo que efectivamente lleva a un aumento en la velocidad de rotación del motor.

• Rango de Aplicación Controlado: Sin embargo, es importante tener en cuenta que este método es aplicable solo dentro de un rango restringido. Un debilitamiento excesivo del campo puede llevar a inestabilidad en la operación del motor, limitando su uso a escenarios específicos donde el control preciso y la estabilidad son cruciales.