Debido a las variaciones que puede haber en las conexiones de las máquinas eléctricas de corriente directa, no se puede hablar de un solo tipo de curva par – velocidad; situación muy semejante a los motores de inducción que tienen distintos códigos de diseño NEMA y su característica par – velocidad varía. Esto es que únicamente obedece a distintos tipos de aplicaciones. Habrá algunas aplicaciones que requieran un alto par de arranque, o quizá otras que requieren un par muy constante en todo su rango de velocidad. Vas a analizar algunas de estas configuraciones y ver cómo responden ante los cambios en velocidad y el par que pueden entregar.

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La salida deseada de un motor de CD es el par rotacional en la flecha, es lo que realizará el trabajo. La curva típica de salida de un motor de CD con cualquiera de las conexiones anteriormente descrita es parecida a la siguiente:

Figura 1. Curva típica de salida de un motor de DC

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

En el eje horizontal de la gráfica se representa el par rotacional de la flecha del motor. En el eje vertical se grafica la velocidad rotacional de la flecha. La relación que existe entre ambos es evidente; a medida que la flecha demanda un mayor par rotacional, la velocidad de la flecha cae. Este comportamiento es natural en cualquier tipo de máquina eléctrica. A mayor carga, menor velocidad. Puedes notar que el comportamiento es casi lineal.

Una forma de obtener esta curva es cargando progresivamente el motor, teniendo una buena medición de la carga, y además teniendo una buena medición de la velocidad rotacional. Haciendo una descripción de lo antes mencionado:

Figura 2. Arreglo para obtener la curva característica de un motor de DC

En la figura 2 se puede observar un arreglo para obtener la característica par velocidad de un motor de corriente directa. En la parte izquierda de la figura se encuentra el motor del cual quieres obtener la curva. Al centro, se encuentra un generador de corriente directa. La figura de la derecha representa un banco de carga (resistencias), el cual se alimentará con la potencia eléctrica producida por el generador. Las líneas negras y rojas son conductores de corriente directa.

Se alimenta el motor de CD a través de una fuente de suficiente potencia. Este hará girar a una máquina de CD que estará funcionando como generador; es decir, convirtiendo la potencia eléctrica de la fuente en potencia mecánica. Esta potencia mecánica alimentará el generador que inicialmente tendrá su corriente de campo en cero. Es decir, no estará generando potencia eléctrica.

Una vez que esté listo el arreglo, puedes ir variando la intensidad del circuito de campo en el generador, ya que al incrementar el voltaje generado, las resistencias empezarán a consumir potencia de acuerdo a la ley de Ohm.

A medida que incrementas el voltaje de salida del generador, incrementa la potencia consumida en las resistencias. Al incrementar esta potencia, el generador necesitará más potencia mecánica en la flecha. Por tanto, el motor tendrá que suministrar más par rotacional para incrementar la potencia en la entrada del generador. A su vez, la velocidad rotacional del motor de CD disminuirá de forma proporcional.

¿Cómo mides la potencia generada por el motor? Es muy sencillo, colocando un voltímetro y un amperímetro en las resistencias, puedes calcular la potencia:

Puedes asumir que la eficiencia del generador es lo suficientemente alta como para no considerarla. De este modo, la potencia entregada en la flecha por definición es:

Y por lo tanto:

El único factor que queda pendiente por medir es la velocidad rotacional ω, la cual se puede medir fácilmente con un tacómetro. Teniendo así los valores de par y velocidad rotacionales, se puede construir una gráfica parecida a la de la figura 2.

Así como un motor produce energía mecánica a partir de energía eléctrica, un generador produce energía eléctrica a partir de energía mecánica.

Con este fin, puedes usar un arreglo muy similar al de la figura 2, la única diferencia es que ahora estas monitoreando el voltaje generado en las terminales con más atención. Para efectos de este experimento, necesitas considerar que la velocidad de giro del motor es constante. Aunque sabes que esto no es del todo cierto, si la potencia del motor excede por mucho a la del generador, el cambio es imperceptible.

De igual manera que los motores de CD, existen diferentes tipos de conexiones que le otorgan características muy particulares a los generadores de CD, pero por ahora te enfocarás en la más popular: el generador de CD con excitación separada.

Una vez que el generador se encuentra girando, el primer paso será medir el voltaje en las terminales en vacío, es decir, sin carga. De modo que empezarás con las resistencias desconectadas e irás incrementando la excitación del circuito de campo poco a poco. Se deben tabular los valores de corriente de campo vs voltaje en terminales del generador.

Ahora, puedes ir incrementando la carga gradualmente al agregar resistencias en paralelo a nuestro banco. El voltaje en terminales del generador disminuye a medida que entrega más corriente, según la relación:

Esto quiere decir que conforme la corriente de armadura del generador incremente, el voltaje en las terminales del mismo disminuirá. Observa la siguiente figura:

Figura 4. Gráfica de voltaje vs armadura del generador

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

En la figura 4 está graficado el voltaje en las terminales del generador contra la corriente de armadura del mismo. Observa como a medida que incrementa la corriente de línea, el voltaje en terminales cae en una relación lineal. Si no se tiene corriente en la máquina, el voltaje en terminales equivale al voltaje interno generado en la máquina EA.

El sistema Ward Leonard es un sistema de control para máquinas de corriente directa que fue muy utilizado antes de que tuvieras controladores de frecuencia variable. Ha caído en desuso debido al alto costo asociado al mismo. Sin embargo, ofrece excelentes ventajas, como un control muy preciso de la velocidad del motor y la posibilidad de regenerar energía al sistema. Este sistema, al igual que los variadores de frecuencia modernos, permite acoplar un sistema de motores de corriente directa a un sistema trifásico de corriente alterna.

Este sistema consta de una fuente de potencia mecánica de velocidad constante (tal como un motor de corriente alterna, o cualquier otra fuente de movimiento constante) que alimenta a un generador de CD, que en turno alimenta a un motor de CD. Al variar la corriente de campo del generador de directa, se varía el voltaje generado en sus terminales, y por tanto el voltaje entregado en la armadura del motor de CD y, por consecuencia, su velocidad de giro. Si se requieren hacer ajustes posteriores a la velocidad de giro del motor de CD, se pueden hacer modificaciones a su circuito de campo, pero no suele ser el caso.

Lo importante de este sistema es comprender como interactúan las variables de las máquinas para darle una salida final al sistema. Es decir, la velocidad y el par rotacional en la flecha del motor de CD.

Las curvas características, pueden obtenerse por métodos transitorios (inerciales) o por métodos en carga continua (estacionarios), realizándose sobre motor (frenos dinamométricos) o sobre vehículo (bancos de rodillos). Según se hayan realizado, se obtienen más o menos datos (curvas) y precisiones acordes al equipo de pruebas utilizado.

Para que las curvas obtenidas sean comparables en diferentes bancos de información, deben referirse o corregirse según condiciones de ensayos y normas establecidas. Por supuesto, el banco de información de ensayos debe estar correctamente calibrado, seguir el protocolo de ensayos de las normas, y corregir según condiciones ambientales.

Revisa a continuación el Checkpoint: