Motor de CC: modelo y comportamiento
El circuito equivalente del motor
Desde sus bornes, el motor no se comporta como una resistencia aislada. El devanado del inducido tiene una resistencia Ra, pero el giro genera además una tensión E que se opone a la fuente. Esa tensión se llama fuerza contraelectromotriz (FCEM).
\[V=E+I R_a\]
\[E=k_e\omega\]
\[T_e=k_t I\]
Al arrancar, ω = 0 y E ≈ 0; por eso la corriente queda limitada casi solo por Ra y puede ser muy elevada. A medida que el motor acelera, aumentan ω y E, queda menos tensión sobre Ra y disminuye la corriente.
Si aumenta la carga, el motor pierde algo de velocidad. Al bajar E, aumenta I y con ella aumenta el par hasta alcanzar un nuevo equilibrio. Si se bloquea el eje, E desaparece y la corriente de bloqueo puede calentar rápidamente el devanado.
Potencia y pérdidas
La potencia eléctrica de entrada es Pe = VI. Una parte se pierde por efecto Joule en el cobre del inducido y el resto se convierte en potencia electromecánica. Después aparecen pérdidas magnéticas, de rozamiento y de ventilación antes de obtener la potencia útil del eje.
\[P_e=VI\]
\[P_{Cu}=I^2R_a\]
\[P_{em}=EI=T_e\omega\]
\[P_u=T_u\omega\qquad \eta=\frac{P_u}{P_e}\]
\[\omega=\frac{2\pi n}{60}\]
Ejemplo resuelto: balance de potencia
Un motor de CC se alimenta a 12 V. La resistencia del inducido es 2 Ω, circula una corriente de 1,5 A y el eje gira a 1800 rpm. Las pérdidas mecánicas y magnéticas suman 1,5 W. Calcula E, las potencias de entrada, cobre, conversión y salida, el par útil y el rendimiento.
Este ejemplo enseña a utilizar el modelo: no es una entrega calificable.
Ver la resolución paso a paso
- E = V − IRa = 12 − 1,5·2 = 9 V.
- Pe = VI = 12·1,5 = 18 W.
- PCu = I2Ra = 1,52·2 = 4,5 W.
- Pem = EI = 9·1,5 = 13,5 W.
- Pu = 13,5 − 1,5 = 12 W.
- ω = 2π·1800/60 ≈ 188,5 rad/s; Tu = 12/188,5 ≈ 0,064 N·m.
- η = 12/18 = 0,667 ≈ 66,7 %.
Comprobación: 18 W de entrada se reparten en 4,5 W de pérdidas en el cobre, 1,5 W de pérdidas mecánicas y magnéticas y 12 W útiles.
Cómo se controla en un proyecto
Un motor no se conecta directamente a un pin de control. La corriente de arranque puede superar lo que el pin soporta y el devanado produce una sobretensión al interrumpir la corriente. Se utiliza un driver o etapa de potencia, protección frente a la tensión inducida y modulación PWM para regular la velocidad. Un puente H permite invertir el sentido de la corriente y, con él, el sentido de giro.
Banco de ensayo del motor
El banco reproduce un ensayo de laboratorio: una fuente alimenta el motor y un freno le aplica un par de carga. Viene preparado con el motor del ejemplo resuelto, así que puedes comprobar sus resultados. En Datos del motor puedes cambiar Ra, k y las pérdidas para comprobar también los ejercicios de la colección.
Prueba en el banco
- Aumenta poco a poco el par de carga. ¿Qué les pasa a la velocidad, a E y a la corriente? ¿Y al rendimiento?
- Pulsa «Arrancar desde parado» y compara la corriente de arranque con la de régimen.
- Bloquea el eje. ¿En qué se convierte toda la potencia que entra?
- Pasa al modo generador y baja la resistencia de la carga. ¿Por qué cuesta más girar la manivela?
Ejercicios del motor de CC
Test
Relaciona el circuito equivalente con el comportamiento mecánico. Calcula antes de elegir y comprueba el balance de potencia.