El motor de serie es un tipo de motor eléctrico de corriente continua (CC) ampliamente utilizado en una variedad de aplicaciones debido a su capacidad de generar un alto par de arranque y su versatilidad en entornos donde la demanda de potencia varía considerablemente.
Este motor se caracteriza por tener los devanados del inducido y del inductor conectados en serie, lo que implica que la corriente que circula a través de ambos es la misma.
A continuación, se ampliarán sus características, principios de funcionamiento, ventajas y desventajas, así como sus aplicaciones más comunes, para brindar una comprensión completa de este tipo de motor.
Principio de funcionamiento del motor de serie
En el motor de serie, tanto el devanado del inducido como el inductor están conectados en serie, lo que significa que la corriente que fluye por el inductor es la misma que circula por el inducido. Cuando se suministra corriente al motor, esta pasa por ambos componentes, creando un campo magnético en el inductor que interactúa con el campo generado en el inducido. La interacción entre estos campos magnéticos es lo que produce el movimiento rotativo.
El par motor generado por el motor de serie es proporcional al producto del flujo magnético y la corriente que circula por el inducido. Como el flujo magnético también depende de la corriente que lo atraviesa, la relación entre el par motor y la corriente es cuadrática, lo que explica por qué este tipo de motor es capaz de producir un alto par de arranque, incluso cuando la corriente es baja.
Uno de los aspectos más importantes del motor de serie es que su velocidad varía en función de la carga aplicada. A medida que la carga disminuye, la velocidad tiende a aumentar considerablemente, lo que puede generar problemas de sobrevelocidad cuando el motor se encuentra sin carga. Este comportamiento particular hace que el motor de serie sea adecuado para ciertas aplicaciones específicas, pero poco apropiado para otras, como veremos más adelante.
Características del motor de serie
El motor de excitación serie presenta una serie de características que lo diferencian de otros tipos de motores de corriente continua, tales como el motor de excitación shunt (o derivación) y el motor de excitación compuesta. Estas características hacen que el motor de serie sea particularmente útil en aplicaciones que requieren un arranque potente y una capacidad para adaptarse a variaciones en la carga.
Elevado par de arranque
El motor de serie es conocido por su capacidad para generar un par motor muy alto en el momento del arranque. Esto se debe a que, cuando el motor está detenido, la corriente que pasa por el inductor es máxima, lo que genera un fuerte campo magnético y, en consecuencia, un par elevado. Esta característica hace que el motor de serie sea ideal para aplicaciones donde es necesario arrancar con una carga pesada, como en locomotoras, tranvías, grúas y ascensores.
Velocidad variable
La velocidad de un motor de serie varía considerablemente en función de la carga que soporta. Cuando el motor funciona sin carga, su velocidad puede aumentar de manera peligrosa, ya que la corriente en el devanado del inductor disminuye, reduciendo el campo magnético y aumentando la velocidad. Este fenómeno de sobrevelocidad puede ser perjudicial para el motor y el sistema en general, lo que limita su uso en aplicaciones donde el motor podría operar en vacío.
Riesgo de sobrevelocidad
Debido a la relación entre el flujo magnético y la corriente, cuando el motor de serie opera sin carga, la velocidad puede aumentar exponencialmente. Esto puede representar un peligro tanto para el motor como para los equipos conectados a él, ya que la falta de carga implica una corriente baja en el inductor y, por ende, un control deficiente de la velocidad. Es por esta razón que los motores de serie no son adecuados para aplicaciones en las que el motor pudiera funcionar frecuentemente sin carga.
Potencia casi constante
A pesar de la variabilidad en la velocidad del motor de serie, la potencia entregada por este motor tiende a mantenerse casi constante a diferentes velocidades. Esto se debe a que cualquier aumento en la velocidad del motor también provoca una reducción en el par motor, lo que compensa en términos de potencia neta. Sin embargo, esta característica es útil solo en aplicaciones donde se necesita mantener una potencia constante bajo distintas condiciones de carga.
Estabilidad frente a variaciones de tensión
Una de las ventajas del motor de serie es su capacidad para manejar variaciones en la tensión de alimentación. Dado que la corriente que circula por el inductor y el inducido es la misma, un aumento en la tensión genera un incremento en la corriente, lo que a su vez aumenta tanto el flujo magnético como la fuerza electromotriz inducida. Este fenómeno ayuda a estabilizar la intensidad absorbida y a mantener el funcionamiento del motor en condiciones relativamente estables frente a fluctuaciones de la tensión de alimentación.
Ventajas del motor de serie
Las ventajas del motor de excitación serie son notables, especialmente en aplicaciones industriales y de transporte. A continuación se destacan las principales:
- Alto par motor en arranque: Como se ha mencionado, una de las principales ventajas de este motor es su capacidad para generar un alto par de arranque, lo que lo convierte en la opción preferida para aplicaciones que requieren mover grandes masas desde el reposo.
- Robustez y simplicidad en el diseño: Los motores de serie suelen tener una construcción simple y robusta, lo que facilita su mantenimiento y prolonga su vida útil, especialmente en entornos industriales donde las condiciones pueden ser adversas.
- Adaptabilidad a variaciones de carga: Este motor se adapta bien a cambios en la carga, lo que lo hace adecuado para aplicaciones donde las condiciones de trabajo varían constantemente, como en los sistemas de tracción eléctrica.
- Costo relativamente bajo: En comparación con otros tipos de motores de corriente continua, el motor de serie es relativamente económico, tanto en términos de adquisición como de mantenimiento, lo que lo hace una opción atractiva en muchas aplicaciones industriales y de transporte.
Desventajas del motor de serie
A pesar de sus ventajas, el motor de serie también presenta algunas desventajas que deben tenerse en cuenta a la hora de seleccionarlo para una aplicación específica:
- Inestabilidad en vacío: La principal desventaja de este motor es su inestabilidad cuando funciona sin carga. La sobrevelocidad que puede producirse en estas condiciones puede ser peligrosa tanto para el motor como para los sistemas que lo rodean.
- Dificultad para controlar la velocidad: El control preciso de la velocidad en un motor de serie es complicado debido a su naturaleza de velocidad variable. En aplicaciones que requieren un control fino de la velocidad, este tipo de motor puede no ser la mejor opción.
- Limitaciones en aplicaciones con carga variable: Aunque el motor de serie es capaz de manejar variaciones de carga, su comportamiento puede ser impredecible en aplicaciones con cambios rápidos y frecuentes en la carga, lo que puede resultar en problemas operativos.
Usos y aplicaciones del motor de serie
El motor de serie es ampliamente utilizado en aplicaciones donde se requiere un alto par de arranque y una capacidad para adaptarse a cambios en la carga. A continuación se presentan algunos ejemplos de aplicaciones comunes:
Tracción eléctrica
Los motores de serie son especialmente útiles en aplicaciones de tracción eléctrica, como tranvías, trenes y otros vehículos ferroviarios. En estos casos, el alto par de arranque es crucial para mover los vehículos desde el reposo, y la capacidad de adaptarse a variaciones de carga es esencial para manejar cambios en la inclinación del terreno y en la cantidad de pasajeros.
Grúas y ascensores
En entornos industriales, los motores de serie se utilizan a menudo en grúas, ascensores y otros equipos de elevación. Estas aplicaciones requieren un motor que pueda generar un par elevado al inicio para levantar cargas pesadas, y la velocidad variable del motor de serie permite ajustar el rendimiento en función de la carga.
Vehículos eléctricos antiguos
Aunque en la actualidad los motores de corriente alterna (CA) han ganado popularidad en los vehículos eléctricos modernos, los primeros vehículos eléctricos y algunos vehículos de tracción pesada siguen utilizando motores de serie debido a su capacidad para generar un alto par motor a bajas velocidades.
Ejemplos de aplicaciones inadecuadas
A pesar de sus ventajas en ciertas aplicaciones, el motor de serie no es adecuado para todas las situaciones. Por ejemplo, no se recomienda su uso en herramientas eléctricas portátiles, como taladros o sierras, debido al riesgo de sobrevelocidad cuando el motor opera sin carga. Si, por ejemplo, un taladro que utiliza un motor de serie termina de perforar, la falta de resistencia puede hacer que la velocidad de la broca aumente peligrosamente, lo que podría poner en riesgo la seguridad del operador.