El motor de sèrie és un tipus de motor elèctric de corrent continu (CC) àmpliament utilitzat en una varietat d'aplicacions a causa de la capacitat de generar un alt parell d'arrencada i la versatilitat en entorns on la demanda de potència varia considerablement.
Aquest motor es caracteritza per tenir els debanats de l'induït i de l'inductor connectats en sèrie, cosa que implica que el corrent que circula a través de tots dos és el mateix.
A continuació, s'ampliaran les característiques, els principis de funcionament, els avantatges i els desavantatges, així com les aplicacions més comunes, per brindar una comprensió completa d'aquest tipus de motor.
Principi de funcionament del motor de sèrie
Al motor de sèrie, tant el debanat de l'induït com l'inductor estan connectats en sèrie, cosa que significa que el corrent que flueix per l'inductor és el mateix que circula per l'induït. Quan se subministra corrent al motor, aquesta passa per ambdós components, creant un camp magnètic a l'inductor que interactua amb el camp generat a l'induït. La interacció entre aquests camps magnètics és allò que produeix el moviment rotatiu.
El parell motor generat pel motor de sèrie és proporcional al producte del flux magnètic i el corrent que circula per l'induït. Com que el flux magnètic també depèn del corrent que el travessa, la relació entre el parell motor i el corrent és quadràtic, cosa que explica per què aquest tipus de motor és capaç de produir un alt parell d'arrencada, fins i tot quan el corrent és baix .
Un dels aspectes més importants del motor de sèrie és que la velocitat varia en funció de la càrrega aplicada. A mesura que la càrrega disminueix, la velocitat tendeix a augmentar considerablement, cosa que pot generar problemes de sobrevelocitat quan el motor es troba sense càrrega. Aquest comportament particular fa que el motor de sèrie sigui adequat per a certes aplicacions específiques, però poc apropiat per a altres, com veurem més endavant.
Característiques del motor de sèrie
El motor d'excitació sèrie presenta una sèrie de característiques que el diferencien d'altres tipus de motors de corrent continu, com ara el motor d'excitació shunt (o derivació) i el motor d'excitació composta. Aquestes característiques fan que el motor de sèrie sigui particularment útil en aplicacions que requereixen una arrencada potent i una capacitat per adaptar-se a variacions a la càrrega.
Elevat parell d'arrencada
El motor de sèrie és conegut per la seva capacitat per generar un parell motor molt alt al moment de l'arrencada. Això és perquè, quan el motor està detingut, el corrent que passa per l'inductor és màxim, cosa que genera un fort camp magnètic i, en conseqüència, un parell elevat. Aquesta característica fa que el motor de sèrie sigui ideal per a aplicacions on cal arrencar amb una càrrega pesada, com en locomotores, tramvies, grues i ascensors.
Velocitat variable
La velocitat dun motor de sèrie varia considerablement en funció de la càrrega que suporta. Quan el motor funciona sense càrrega, la seva velocitat pot augmentar de manera perillosa, ja que el corrent a la debanada de l'inductor disminueix, reduint el camp magnètic i augmentant la velocitat. Aquest fenomen de sobrevelocitat pot ser perjudicial per al motor i el sistema en general, cosa que en limita l'ús en aplicacions on el motor podria operar en buit.
Risc de sobrevelocitat
A causa de la relació entre el flux magnètic i el corrent, quan el motor de sèrie opera sense càrrega, la velocitat pot augmentar exponencialment. Això pot representar un perill tant per al motor com per als equips connectats a ell, ja que la manca de càrrega implica un corrent baix a l'inductor i, per tant, un control deficient de la velocitat. És per això que els motors de sèrie no són adequats per a aplicacions en què el motor pogués funcionar freqüentment sense càrrega.
Potència gairebé constant
Tot i la variabilitat en la velocitat del motor de sèrie, la potència lliurada per aquest motor tendeix a mantenir-se gairebé constant a diferents velocitats. Això és degut a que qualsevol augment en la velocitat del motor també provoca una reducció en el parell motor, la qual cosa compensa en termes de potència neta. No obstant això, aquesta característica és útil només en aplicacions on cal mantenir una potència constant sota diferents condicions de càrrega.
Estabilitat davant de variacions de tensió
Un dels avantatges del motor de sèrie és la capacitat per manejar variacions en la tensió d'alimentació. Atès que el corrent que circula per l'inductor i l'induït és el mateix, un augment en la tensió genera un increment en el corrent, cosa que alhora augmenta tant el flux magnètic com la força electromotriu induïda. Aquest fenomen ajuda a estabilitzar la intensitat absorbida ia mantenir el funcionament del motor en condicions relativament estables davant de fluctuacions de la tensió d'alimentació.
Avantatges del motor de sèrie
Els avantatges del motor d'excitació sèrie són notables, especialment en aplicacions industrials i de transport. A continuació es destaquen les principals:
- Alt parell motor en arrencada: Com hem esmentat, un dels principals avantatges d'aquest motor és la seva capacitat per generar un alt parell d'arrencada, cosa que el converteix en l'opció preferida per a aplicacions que requereixen moure grans masses des del repòs.
- Robustesa i simplicitat en el disseny: Els motors de sèrie solen tenir una construcció simple i robusta, cosa que en facilita el manteniment i perllonga la vida útil, especialment en entorns industrials on les condicions poden ser adverses.
- Adaptabilitat a variacions de càrrega: Aquest motor s'adapta bé a canvis a la càrrega, cosa que el fa adequat per a aplicacions on les condicions de treball varien constantment, com en els sistemes de tracció elèctrica.
- Cost relativament baix: En comparació amb altres tipus de motors de corrent continu, el motor de sèrie és relativament econòmic, tant en termes d'adquisició com de manteniment, cosa que ho fa una opció atractiva en moltes aplicacions industrials i de transport.
Desavantatges del motor de sèrie
Tot i els seus avantatges, el motor de sèrie també presenta alguns desavantatges que cal tenir en compte a l'hora de seleccionar-lo per a una aplicació específica:
- Inestabilitat en buit: El principal desavantatge d'aquest motor és la inestabilitat quan funciona sense càrrega. La sobrevelocitat que es pot produir en aquestes condicions pot ser perillosa tant pel motor com pels sistemes que l'envolten.
- Dificultat per controlar la velocitat: El control precís de la velocitat en un motor de sèrie és complicat a causa de la seva naturalesa de velocitat variable. En aplicacions que requereixen un control fi de la velocitat, aquest tipus de motor pot no ser la millor opció.
- Limitacions en aplicacions amb càrrega variable: Encara que el motor de sèrie és capaç de manejar variacions de càrrega, el seu comportament pot ser impredictible en aplicacions amb canvis ràpids i freqüents a la càrrega, cosa que pot resultar en problemes operatius.
Usos i aplicacions del motor de sèrie
El motor de sèrie és àmpliament utilitzat en aplicacions on es requereix un alt parell darrencada i una capacitat per adaptar-se a canvis en la càrrega. A continuació es presenten alguns exemples d'aplicacions comunes:
Tracció elèctrica
Els motors de sèrie són especialment útils en aplicacions de tracció elèctrica, com ara tramvies, trens i altres vehicles ferroviaris. En aquests casos, l'alt parell d'arrencada és crucial per moure els vehicles des del repòs, i la capacitat d'adaptar-se a variacions de càrrega és essencial per controlar canvis en la inclinació del terreny i en la quantitat de passatgers.
Grues i ascensors
En entorns industrials, els motors de sèrie es fan servir sovint en grues, ascensors i altres equips d'elevació. Aquestes aplicacions requereixen un motor que pugui generar un parell elevat al començament per aixecar càrregues pesades, i la velocitat variable del motor de sèrie permet ajustar el rendiment en funció de la càrrega.
Vehicles elèctrics antics
Encara que actualment els motors de corrent altern (CA) han guanyat popularitat en els vehicles elèctrics moderns, els primers vehicles elèctrics i alguns vehicles de tracció pesada segueixen utilitzant motors de sèrie a causa de la seva capacitat per generar un alt parell motor a baixes velocitats.
Exemples d'aplicacions inadequades
Tot i els seus avantatges en certes aplicacions, el motor de sèrie no és adequat per a totes les situacions. Per exemple, no se'n recomana l'ús en eines elèctriques portàtils, com ara forats o serres, a causa del risc de sobrevelocitat quan el motor opera sense càrrega. Si, per exemple, un trepant que utilitza un motor de sèrie acaba de perforar, la manca de resistència pot fer que la velocitat de la broca augmenti perillosament, cosa que podria posar en risc la seguretat de l'operador.