Control de velocidade do motor DC: Control da resistencia do armadura e control do fluxo do campo

Un motor DC é un dispositivo que converte potencia mecánica en corrente eléctrica de corrente directa. Unha das características máis notables dun motor DC é a súa capacidade de axustar facilmente a súa velocidade segundo necesidades específicas empregando métodos sinxelos. Este nivel de control de velocidade conveniente non é tan facilmente alcanzable cun motor AC.

Os conceptos de regurlo de velocidade e control de velocidade son distintos. No caso do regurlo de velocidade, a velocidade do motor cambia espontáneamente en resposta a diversas condicións de funcionamento. Por contra, nun motor DC, os cambios de velocidade son iniciados deliberadamente, xa sexa manualmente por un operador ou automaticamente mediante dispositivos de control. A velocidade dun motor DC determinase pola seguinte relación:

A ecuación (1) ilustra claramente que a velocidade dun motor DC depende de tres factores clave: o voltaxe de alimentación V, a resistencia do circuito de armadura Ra e o fluxo de campo ϕ, xerado polo corrente de campo.

• Cando se trata de controlar a velocidade dun motor DC, a manipulación do voltaxe, a resistencia da armadura e o fluxo de campo son consideracións cruciais. Hai tres técnicas principais para lograr o control de velocidade do motor DC, como se indica a continuación:

• Variación da Resistencia no Circuito de Armadura (Control de Resistencia de Armadura ou Control Reostático)

• Variación do Fluxo de Campo (Control de Fluxo de Campo)

• Variación do Voltaxe Aplicado (Control de Voltaxe de Armadura)

Unha exploración máis a fondo de cada un destes métodos de control de velocidade proporcionarase posteriormente.
Control de Resistencia de Armadura do Motor DC (Motor de Derivación)
O diagrama de conexión para implementar o control de resistencia de armadura nun motor de derivación ilústrase a continuación. Nesta aproximación, insérese un resistor variable Re no circuito de armadura. Notablemente, os cambios no valor deste resistor variable non afectan ao fluxo magnético porque o devanado de campo está conectado directamente ás línias de alimentación.

A característica de corrente de velocidade do motor de derivación amóstrase a continuación.

Motor de Serie
Vexamos agora o diagrama de conexión para controlar a velocidade dun motor DC de serie empregando o método de control de resistencia de armadura.

Cando se axusta a resistencia do circuito de armadura, isto afecta simultaneamente á corrente que circula polo circuito e ao fluxo magnético dentro do motor. A caída de voltaxe a través do resistor variable diminúe efectivamente o voltaxe dispoñible para a armadura. Como consecuencia, esta redución do voltaxe aplicado á armadura leva a unha diminución na velocidade de rotación do motor.

A curva de característica de velocidade-corrente dun motor de serie, que ilustra a relación entre a velocidade do motor e a corrente que pasa a través del, preséntase na figura a continuación.

Cando se aumenta o valor da resistencia variable Re, o motor funciona a unha velocidade de rotación menor. Dado que a resistencia variable conduce a corrente completa da armadura, debe ser deseñada para manter a corrente nominal da armadura sen sobrecalentarse ou fallar.

Desvantaxes do Método de Control de Resistencia de Armadura

• Unha cantidade significativa de potencia eléctrica disípanse como calor na resistencia externa Re, resultando en ineficiencias e desperdicio de enerxía.

• Este método de control de resistencia de armadura está limitado a reducir a velocidade do motor abaixo da súa velocidade de funcionamento normal; non permite un aumento de velocidade máis allá do nivel normal.

• Para calquera valor específico da resistencia variable, o grao de redución de velocidade non é fixo, senón que fluctúa en función da carga aplicada ao motor, facendo difícil lograr un regurlo de velocidade preciso.

• Debido ás súas ineficiencias inerentes e limitacións, este enfoque de control de velocidade só é xeralmente adecuado para motores de pequeno tamaño.

Método de Control de Fluxo de Campo do Motor DC

O fluxo magnético dentro dun motor DC xérase pola corrente de campo. En consecuencia, o control de velocidade empregando este método realiza-se axustando a magnitude da corrente de campo.

Motor de Derivación

Nun motor de derivación, un resistor variable RC conéctase en serie coas bobinas de campo de derivación, como se ilustra na figura a continuación. Este RC denomínase comúnmente regulador de campo de derivación, desempeñando un papel crucial na modificación da corrente de campo e, en consecuencia, no fluxo magnético do motor.

A corrente de campo de derivación dáse pola ecuación mostrada a continuación:

Cando se introduce o resistor variable RC no circuito de campo, restrinxe a corrente de campo. Como resultado, o fluxo magnético xerado polas bobinas de campo diminúe. Esta diminución de fluxo ten un impacto directo na velocidade do motor, causando un aumento. Consecuentemente, o motor opera a unha velocidade de rotación que supera a súa velocidade normal non alterada.

Esta característica única fai que o método de control de fluxo de campo sexa moi útil para dous propósitos principais. En primeiro lugar, permite que o motor alcance velocidades superiores á súa velocidade de funcionamento estándar, proporcionando flexibilidade en aplicacións que requiren taxas de rotación elevadas. En segundo lugar, pode empregarse para contrarestar a diminución natural de velocidade que ocorre cando o motor está baixo carga, mantendo así unha velocidade máis consistente en condicións de carga variables.

A curva de velocidade-torque para un motor de derivación, que ilustra gráficamente a relación entre a velocidade de rotación do motor e o torque que pode producir, preséntase a continuación. Esta curva ofrece valiosas informacións sobre as características de rendemento do motor en diferentes escenarios de funcionamento cando se aplica o método de control de fluxo de campo.

Motor de Serie

No caso dun motor de serie, a alteración da corrente de campo pode realizarse mediante un dos dous métodos: ou utilizando un desviador ou empregando o control de campo entapado.

Empregando un Desviador

Como se ilustra na figura a continuación, unha resistencia variable Rd conéctase en paralelo coas bobinas de campo de serie. Esta configuración permite a manipulación da distribución de corrente dentro do circuito, influindo así na forza do campo magnético xerado polas bobinas de campo de serie.

O resistor paralelo nesta configuración denomínase desviador. Cando o desviador con resistencia variable Rd conéctase, desvia unha fracción da corrente principal lejos das bobinas de campo de serie. Consecuentemente, a función principal do desviador é diminuír a magnitude da corrente que pasa pola bobina de campo. A medida que a corrente de campo diminúe, o fluxo magnético xerado polo campo tamén diminúe. Esta diminución de fluxo leva a un aumento na velocidade de rotación do motor.

O segundo enfoque para alterar a corrente de campo nun motor de serie é a través do control de campo entapado. O diagrama de conexión correspondente, que ilustra as conexións eléctricas específicas e os compoñentes implicados neste método, preséntase a continuación.

No método de control de campo entapado, os ampere-voltas axústanse cambiando o número de voltas de campo activas. Esta configuración particular é altamente aplicable en sistemas de tracción eléctrica. Manipulando o número de voltas de campo, o fluxo de campo magnético xerado polo devanado de campo do motor altera-se, permitindo un control preciso sobre a velocidade do motor.

A curva de característica de velocidade-torque dun motor de serie, que representa gráficamente a relación entre a velocidade de rotación do motor e o torque que pode producir en diversas condicións de funcionamento, ilústrase a continuación. Esta curva ofrece valiosas informacións sobre as capacidades de rendemento do motor cando se emprega o método de control de campo entapado, axudando a enxeñeiros e técnicos a entender como responde o motor a cambios de carga e axustes de velocidade.

Vantaxes do Control de Fluxo de Campo
O método de control de fluxo de campo ofrece varias vantaxes notables, como se indica a continuación:

• Facilidade de Uso: Este enfoque é sinxelo e amigable para o usuario, facilitando a implementación e operación sinxelas.

• Baixa Pérdida de Potencia: Dado que o campo de derivación xeralmente ten unha corrente de requisito relativamente pequena, a potencia dissipada no campo de derivación permanece mínima, contribuíndo a unha eficiencia global mellorada.

• Mecanismo de Aumento de Velocidade: Debido á saturación do núcleo de ferro no circuito magnético, o fluxo magnético xeralmente non pode incrementarse máis aló do seu valor normal. Como resultado, o control de fluxo de campo centrase principalmente en debilitar o campo, o que efectivamente leva a un aumento na velocidade de rotación do motor.

• Rango de Aplicación Controlado: No obstante, é importante destacar que este método é aplicable só dentro dun rango restrinxido. Un debilitamento excesivo do campo pode levar a inestabilidade na operación do motor, limitando o seu uso a escenarios específicos onde o control preciso e a estabilidade son cruciais.