Las máquinas de corriente directa se caracterizan por su versatilidad. Mediante diversas combinaciones de devanados en derivación (shunt) en serie y excitación separada de los campos, se puede hacer que exhiban una amplia variedad de curvas características volt-ampere y velocidad-torque, tanto para funcionamiento dinámico como para estado estacionario.

Debido a la facilidad con la que se pueden controlar, a menudo se usan sistemas de máquinas de corriente directa en aplicaciones donde se necesita una amplia gama de velocidades de motor o de control de la potencia de éste.

Uno de los sistemas de control más desarrollados y más populares para las máquinas de corriente directa  —antes de que existieran los variadores de frecuencia— es el sistema de control Ward – Leonard. Comprender bien este sistema de control te ayudará a reforzar el mecanismo de funcionamiento de una máquina de corriente directa. El sistema está formado por lo siguiente:

Evidentemente, la máquina de CD que funcionará como generador está acoplada por la flecha a la fuente de potencia mecánica. La flecha del motor de CD será la salida deseada de este arreglo.

Una de las ventajas de un sistema de control Ward Leonard es que permite variar la velocidad en la flecha del motor de corriente directa y mantener el par de salida relativamente constante. Nuevamente, esto se puede hacer con controladores de frecuencia variable hoy en día, pero es importante entender la relación entre las variables del sistema. Observa la figura 1:

Figura 1. Sistema Ward Leonard.

Fuente: Chapman, S. (2012). Máquinas eléctricas (5ª ed.). México: McGraw-Hill.

Del lado izquierdo verás la fuente de potencia mecánica, acoplada al generador de CD. Del lado derecho verás el motor de CD del cual obtendrás una salida de velocidad variable. Recuerda que cada una de estas máquinas tiene un circuito de campo que es independiente del circuito de armadura. Cada máquina tiene su propio circuito de campo.

¿Qué sucede cuando varías la resistencia del circuito de campo del generador de CD? El voltaje que se induce en las terminales de la máquina es menor, y por tanto el voltaje de salida del generador hacia el motor (línea punteada de la figura 1) es menor.

La velocidad de giro del motor de CD depende directamente del voltaje de alimentación, de modo que controlando la magnitud del voltaje puedes controlar la velocidad del motor.

Adicionalmente, la velocidad del motor de CD también depende de la magnitud del voltaje interno inducido por su propio circuito de campo, variable que puedes controlar. Así que el control de velocidad de salida del motor de CD se puede ajustar dentro de un rango muy preciso y flexible. Si se desea cambiar el sentido del giro del motor, únicamente hay que cambiar la polaridad del circuito de campo del generador de CD, haciendo que la máquina entregue un voltaje inverso y por tanto el motor habrá de girar en la dirección contraria.

Otra ventaja de este arreglo de control es que el motor de CD también puede funcionar como generador, regresando energía al sistema. Recuerda que las máquinas de CD pueden funcionar como motor o generador sin mayor ajuste, de modo que si en el extremo del motor de CD se presenta una carga que pueda entregar potencia, ésta se regresará al sistema.

Imagina uno de estos sistemas encargado de mover un elevador. Con este sistema puedes controlar de forma muy precisa la velocidad y dirección del carro del elevador. Además, cuando el elevador vaya hacia abajo, la energía potencial originada de esta caída puede regresar energía al sistema de alimentación, incrementando así su eficiencia.

Aunque este sistema es muy noble, su desventaja es obvia. Para funcionar, el sistema necesita tres máquinas eléctricas del mismo tamaño, lo cual hará que resulte en un arreglo muy costoso. Sin embargo, en el principio de los motores eléctricos no había otra opción. Por suerte, ahora tienes un gran número de alternativas.

Imagen del sistema Ward Leonard de control de velocidad obtenida de http://www.electrical4u.com/images/Ward-Leonard-Method-of-Speed-Control.png Sólo para fines educativos.

La tecnología de electrónica de potencia actual te ha permitido crear sistemas de control económico y versátil que sustituyen a los complejos sistemas de otras épocas, como el sistema Ward – Leonard. Uno de los principales componentes en cualquier sistema de motores es el control de estado sólido. Hay miles de fabricantes y modelos, pero generalmente un controlador de estado sólido se ve como se muestra en la figura 2.

Figura 2. Controlador de estado sólido

Imagen obtenida de http://www.clrwtr.com/Yaskawa-Drives.htm Sólo para fines educativos.

La versatilidad que ofrecen estos controladores es enorme, ya que permiten variar las características de arranque del motor, el porcentaje de velocidad en la flecha, así como el par deseado. Su principio de funcionamiento se basa en la variación de la magnitud de voltaje aplicado a la armadura de la máquina, mediante técnicas de regulación de ángulo de disparo. Observa la figura 3:

Figura 3. Circuito armadura de la máquina

Fuente: Chapman, S. (2012). Máquinas eléctricas (5ª ed.). México: McGraw-Hill.

Este circuito representa exclusivamente el circuito de armadura de la máquina. Contrario a los métodos antiguos, ahora no habrá variaciones en el circuito de campo.

Podrás notar que la entrada al sistema de control es una entrada trifásica (y por tanto de corriente alterna). Esto permite que los motores de corriente directa se acoplen a los sistemas de corriente alterna trifásicos que son predominantes en la industria a nivel mundial. Esto es una ventaja adicional. Comparado al sistema Ward – Leonard, no existe la necesidad de adquirir una máquina de corriente alterna trifásica que se acople al sistema.

En la parte izquierda de la figura 3 podrás observar lo que se conoce como un puente de rectificación. Este es un arreglo que permite convertir una entrada de voltaje trifásica a una salida de corriente directa, representada por VA en la figura 3. Este arreglo puede estar construido por diodos, o por rectificadores controlados de silicio (SCR, por sus siglas en inglés).

Recordando que la velocidad en flecha del motor depende de la magnitud del voltaje de armadura, si puedes controlar la amplitud de este voltaje, puedes controlar de forma muy precisa la velocidad en la salida del motor.

Uno de los principales problemas asociados al arranque de las máquinas de corriente directa es que la corriente que puede fluir a través de ellas es tan grande al inicio, que puede ocasionar daños irreversibles a la máquina.

El principal objetivo de un arrancador de máquinas de CD es evitar este gran pico de corriente, dándole a la máquina un arranque con un nivel reducido de tensión, evitando así la corriente. Progresivamente, el circuito se va ajustando hasta llegar a los valores de tensión nominal de la máquina, como si el circuito no estuviera presente antes del motor de CD.

La forma más sencilla de conseguir esto es insertando una resistencia de arranqueen serie con el motor de CD. Recuerda tus clases básicas de circuitos, después de una resistencia, el voltaje siempre será menor al cual está presente antes de la resistencia. Aplicando resistencias en serie entre las terminales de la fuente y las terminales del motor, hará que la corriente de arranque disminuya y el arranque sea más suave para la máquina.

Sin embargo, esto presenta el problema de que si las resistencias conectadas en serie se quedan instaladas, se volverán un consumo de energía permanente para el sistema haciendo que su eficiencia disminuya, además de disminuir el voltaje en armadura de la máquina y disminuyendo su velocidad de giro. Por esta razón, se desarrollaron esquemas de arranque, que hacen que se pueda arrancar una máquina de CD con un juego de resistencias en serie, y después se puedan ir desconectando poco a poco hasta dejar el voltaje pleno de la fuente en las terminales de la máquina, consiguiendo así en pocos segundos la velocidad nominal sin necesidad de ser sometida a grandes corrientes de arranque.

El más sencillo y clásico ejemplo de arrancador de una máquina de CD es un reóstato. Éste no es más que una resistencia que se puede variar de forma manual. En pequeña escala estos también se pueden conocer como potenciómetros. A continuación se puede observar una máquina de CD en conexión shunt (paralelo) con un reóstato de arranque.

Figura 4. Reóstato

Fuente: Chapman, S. (2012). Máquinas eléctricas (5ª ed.). México: McGraw-Hill.

Cuando el reóstato hace contacto con el primer punto (1), la resistencia entre la fuente y la máquina es máxima (muchas resistencias en serie) de modo que la corriente de arranque será pequeña. A medida que el reóstato se desplaza hacia la derecha, el número de resistencias conectadas en serie disminuye, y por tanto el voltaje en terminales de la máquina aumenta, aumentando así su velocidad hasta llegar a la nominal, sin que haya necesidad de una gran corriente de arranque.

Actualmente, estos circuitos siguen siendo vigentes, aunque han sido reemplazados en gran parte por variadores de frecuencia como los que se pueden ver en la figura 2, los cuales entregan el voltaje estrictamente necesario a la máquina para arrancar de acuerdo a lo requerido por el usuario. Los arranques pueden ser en forma de rampa, escalón, pulsos, entre otros.

Aunque actualmente el uso de los motores de corriente directa ha disminuido —las máquinas alternas son más económicas—, es importante entender cómo se puede realizar el control de los motores de corriente directa, ya que ayuda a entender mejor cómo funcionan las máquinas de corriente alterna y cómo responden a los cambios en sus variables de entrada.

Actualmente también existen con variadores de frecuencia para motores de corriente directa, lo cual le da versatilidad y sencillez a su utilización.

Revisa a continuación el Checkpoint: