Control Avanzado de Velocidad Motor DC: Voltaje, Reostático y Técnicas de Flujo

Métodos de Control de Velocidad de Motor DC – Control de Voltaje, Reostático y de Flujo de Motores DC Serie y Derivación

Un motor DC se usa para convertir potencia eléctrica de corriente continua (CC) en potencia mecánica basada en las fuerzas producidas por campo(s) magnético(s). La salida del motor es potencia mecánica en términos de rotación (velocidad) del eje.

Según las aplicaciones, necesitamos cambiar la velocidad del motor. Así, el cambio deliberado de velocidad se conoce como control de velocidad del motor.

El término control de velocidad es diferente de la regulación de velocidad. La regulación significa mantener la velocidad del eje constante contra el cambio de carga.

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Ecuación FEM de un Motor DC

La ecuación FEM de un motor DC se da a continuación:

Eb = PΦNZ / 60A

Donde;

• P = Número de polos
• Ф = Flujo por polo
• N = Velocidad del motor (RPM)
• Z = Número de conductores
• A = Número de caminos paralelos

Una vez diseñado el motor, el Número de polos (P), Número de conductores (Z) y Número de caminos paralelos (A) no pueden cambiar. Son cantidades fijas.

Eb ∝ ΦN

Eb = kΦN

Donde k = Constante de proporcionalidad

Para motor DC, la FEM también se define como;

E_b = V – I_aR_a

Donde;

• V = Voltaje de suministro
• I_a = Corriente de inducido
• R_a = Resistencia de inducido

Ahora compare ambas ecuaciones;

kΦN = V – I_aR_a

k = N = V – I_aR_a / kΦ

De la ecuación anterior, la velocidad del motor depende del voltaje de suministro (V), Flujo (Φ) y Resistencia de inducido (R_a).

Por tanto, la velocidad de un motor DC puede variarse, cambiarse y controlarse cambiando;

• Voltaje de terminales "V" (AKA Método de Control de Voltaje Aplicado).
• Resistencia externa con resistencia de inducido R_a (AKA Método de Control Reostático).
• Flujo por polo Φ (AKA Método de Control de Flujo).

Aquí, el voltaje de terminales y resistencia de inducido están asociados con el circuito de inducido y el flujo por polo con el circuito de campo.

Así, los métodos de control de velocidad de motor DC se clasifican como;

• Método de Control de Inducido
• Método de Control de Campo

Ahora discutimos cómo implementar estos métodos para motor DC serie, derivación y compuesto.

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Control de Velocidad de Motor DC Serie

El control de velocidad de motor DC serie se hace por métodos de control de inducido y campo.

Método de Control de Resistencia de Inducido para Motor DC Serie

En este método, un resistor variable o reostato se conecta en serie con el resistor de inducido. El diagrama de circuito se muestra en la figura abajo.

Fig-1

En motor serie, el devanado de inducido está conectado en serie con el devanado de campo. Por tanto, la corriente de inducido y campo son la misma.

Al variar la resistencia de inducido, la corriente y voltaje de inducido varían. Si el valor de resistencia externa aumenta, el voltaje a través del inducido y corriente del devanado se reduce. Y la velocidad disminuirá.

Por este método, la velocidad del motor solo disminuye desde el nivel de velocidad cuando la resistencia externa no está conectada. La velocidad no puede aumentar desde este nivel.

Aquí, la resistencia externa está conectada en serie con el inducido. Por tanto, la corriente de carga completa fluirá a través del resistor externo. Así, está diseñado para llevar la corriente de carga completa continuamente.

La característica velocidad-corriente se muestra en la figura abajo.

Fig-2

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Método de Control de Voltaje de Inducido para Motor DC Serie

En este método, la velocidad se controla variando el voltaje de inducido (voltaje de suministro). Se requiere una fuente de voltaje variable separada.

La velocidad de un motor es proporcional al voltaje de suministro. Así, si el voltaje aumenta, la velocidad aumentará y viceversa.

Generalmente, este método no se usa. Porque el costo de una fuente de alimentación variable es muy alto. Por tanto, este método rara vez se usa para control de velocidad.

Método de Control de Campo para Motor DC Serie

La corriente de campo es proporcional al flujo. En este método, la velocidad se controla controlando la corriente de campo. Hay dos formas de controlar la corriente de campo;

• Control por Derivador de Campo
• Control de Campo con Tomas

Control por Derivador de Campo

En este método, el devanado de campo en serie se conecta en paralelo con derivador. El derivador no es más que un resistor variable. Parte de la corriente de campo pasará por el derivador.

De la ecuación de velocidad, el flujo es inversamente proporcional a la velocidad. Así, si el flujo disminuye, la velocidad aumentará.

Menor el valor de resistencia del derivador, menor la corriente de campo y menor el flujo producido dentro del motor. Por tanto, la velocidad del motor aumenta.

En este método, la velocidad puede aumentarse desde la velocidad normal. El diagrama de circuito se muestra en la figura abajo.

Fig-3

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Control de Campo con Tomas

Hay tomas en el devanado de campo para elegir el número de vueltas en el devanado. Al elegir la toma, la corriente de campo se controla.

Para mayor número de vueltas, la corriente de campo es más y la velocidad es menor. Para menor número de vueltas, la corriente de campo es menor y la velocidad es mayor.

Por tanto, en este método, la velocidad puede controlarse eligiendo la toma apropiada en el devanado de campo.

Este método se usa en tracción eléctrica para control de velocidad del accionamiento. El diagrama de circuito se muestra en la figura abajo.

Fig-4

Control de Velocidad de Motor DC Derivación

Los métodos de control de velocidad para motor DC derivación son similares al motor DC serie. Métodos de control de inducido y campo también aplicables al motor DC derivación.

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Método de Control de Resistencia de Inducido para Motor DC Derivación

En este método, se agrega resistencia externa al circuito de inducido. El devanado de campo está conectado directamente al suministro. Por tanto, la corriente de campo permanecerá igual. Y también, el flujo permanecerá igual si la resistencia externa varía.

De la ecuación de velocidad, la corriente de inducido es proporcional a la velocidad. Si el valor de resistencia externa aumenta, la corriente de inducido disminuye. Por tanto, la velocidad disminuye.

Este método se usa para controlar la velocidad por debajo de su valor normal. La velocidad no puede aumentar más que la velocidad normal. El diagrama de conexión se muestra en la figura abajo.

Fig-5

La característica velocidad-corriente se muestra en la figura abajo.

Fig-6

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Método de Control de Campo para Motor DC Derivación

En un motor DC derivación, el resistor variable se conecta en serie con el devanado de campo derivación. La corriente de campo puede variarse por este resistor variable. Este resistor variable también se conoce como Regulador de Campo.

El diagrama de conexión se muestra en la figura abajo.

Fig-7

Del diagrama anterior, la ecuación de la corriente de campo derivación es;

Al aumentar el valor de resistencia, la corriente de campo disminuye y por tanto el flujo se reduce. De la ecuación de velocidad, el flujo es inversamente proporcional a la velocidad. Así, la velocidad aumenta al disminuir el flujo.

Así, este método es aplicable para controlar la velocidad por encima de la velocidad normal. La velocidad no puede reducirse por debajo de la velocidad normal en este método. La característica velocidad-corriente se muestra en la figura abajo.

Fig-8

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Método de Control de Voltaje de Inducido para Motor DC Derivación

En este método, el devanado de campo es alimentado por suministro constante. Pero el devanado de inducido es alimentado por una fuente DC variable separada.

Este método también se conoce como método Ward-Leonard. El diagrama de conexión se muestra en la figura abajo.

Fig-9

Del diagrama anterior, estamos controlando la velocidad del motor M1. Este motor era alimentado por el generador G.

El devanado de campo derivación está conectado con suministro DC. El generador G es accionado por el motor M2. El motor M2 es un motor de velocidad constante y alimentado desde suministro DC.

El motor M1 comienza a rotar cuando el voltaje de salida del generador G se alimenta al motor. La velocidad del motor puede controlarse controlando el voltaje de salida del generador G.

El regulador de campo está conectado a través del generador con una línea de suministro DC para controlar la excitación de campo.

Al controlar el voltaje de excitación del generador, el voltaje de salida del generador se controla. Y este voltaje controlará la velocidad del motor M1.

El interruptor RS es un Interruptor de Inversión. Este interruptor se usa para conmutar el terminal de excitación de campo. Por esto, la corriente de excitación se invertirá y generará voltaje opuesto.

Así, este voltaje opuesto invertirá la velocidad del motor M1. Por tanto, por este método, el motor puede girar en ambas direcciones. Y la velocidad puede controlarse en ambos lados de la dirección de rotación.

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Ventajas y Desventajas del Método Ward Leonard

Ventajas del Método Ward Leonard

Las ventajas se resumen abajo;

• La velocidad del motor puede controlarse en un rango amplio.
• La operación del motor es muy suave.
• La regulación de velocidad del motor es buena.
• Un motor puede funcionar con aceleración uniforme.
• Tiene capacidad de frenado inherente.
• Fácil invertir la dirección de rotación y la velocidad puede controlarse en ambas direcciones.

Desventajas del Método Ward Leonard

Las desventajas se resumen abajo;

• Necesita dos máquinas adicionales (conjunto motor-generador) con la misma calificación del motor principal. Por tanto, el costo total es muy alto.
• Produce más ruido.
• Requiere mantenimiento frecuente.
• Este arreglo necesita más espacio para instalar.
• La eficiencia general es baja si el motor funciona con carga ligera por largo período.

Aplicación del Método Ward Leonard

Este método se usa donde el motor debe controlarse en un amplio rango de velocidad. La aplicación del motor es muy sensible a la velocidad, en esta condición este método es muy útil.

Este método se usa en aplicaciones como: grúas, excavadoras, elevadores, izadoras de minas, máquinas de papel, laminadores de acero, etc.