Revista fundamentos
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MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Página 1
UNIVERSIDAD FERMIN TORO
FUNDAMENTOS DE INGENIERIA ELECTRICA
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
INTEGRANTES:
HENRY MIGUEL
ROMULO FRANCO
RUBEN DARIO CARRILLO
El motor eléctrico permite la transformación de energía eléctrica en
energía mecánica, esto se logra mediante la rotación de un campo magnético alrededor de una espira o bobinado que toma diferentes formas.
Al pasar la corriente eléctrica por la bobina ésta se comporta como un imán cuyos polos se rechazan o atraen con el imán que se encuentra en la parte inferior; al
dar media vuelta el paso de corriente se interrumpe y la bobina deja de comportarse como imán pero por inercia se sigue moviendo hasta que da otra media vuelta y la corriente pasa nuevamente repitiéndose el ciclo haciendo que el
motor rote constantemente.
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA O DIRECTA
Campo magnético que rota como
suma de vectores magnéticos a partir
de 3 bobinas de la fase.
Rotor de un motor eléctrico.
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Un motor eléctrico es
una máquina
eléctrica que
transforma energía
eléctrica enenergía
mecánica por medio de
campos magnéticos
variables electromagnéti
cas. Algunos de los
motores eléctricos son
reversibles, pueden
transformar energía
mecánica en energía
eléctrica funcionando
como generadores. Los
motores eléctricos de
tracción usados en
locomotoras realizan a
menudo ambas tareas,
si se los equipa
con frenos
regenerativos.
Son ampliamente
utilizados en
instalaciones
industriales, comerciales
y particulares. Pueden
funcionar conectados a
una red de suministro
eléctrico o a baterías.
Así, enautomóviles se
están empezando a
utilizar en vehículos
híbridos para aprovechar
las ventajas de ambos.
Los Motores de Corriente Directa (CD) o Corriente Continua (CC) se utilizan en casos en los que es
importante el poder regular continuamente lavelocidad del motor, además, se utilizan en aquellos casos
en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o
baterías. Este tipo de motores debe de tener en el rotor y el estator el mismo número de polos y el mismo
numero de carbones. Los motores de corriente directa pueden ser de tres tipos:
• Serie
• Paralelo
• Mixto
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Esquema de un motor de corriente
continua
Como su nombre lo indica, un motor eléctrico de corriente continua, funciona con corriente continua. En
estos motores, el inductor es el estator y el inducido es el rotor. Fueron los primeros en utilizarse
en vehículos eléctricos por sus buenas características en tracción y por la simplicidad de
lossistemas de control de la electricidad desde las baterías. Presentan desventajas en cuanto
al mantenimiento de algunas de sus piezas (escobillas y colectores) y a que deben ser motores grandes si se
buscan potencias elevadas, pues su estructura (y en concreto el rozamiento entre piezas) condiciona
el límite de velocidad de rotación máxima.
Constitución
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Además internamente
está conformado por:
- Inductor.
- Polo inductor.
- Inducido, al que va arrollado un conductor
de cobre formando el arrollamiento.
- Núcleos polares, va arrollando, en forma
de hélice al arrollamiento de excitación.
- Cada núcleo de los
polos de conmutación lleva un arrollamiento de conmutación.
- Conmutador o
colector, que esta constituido por varias láminas aisladas entre
sí.
El arrollamiento del inducido está unido por conductores con
las laminas del colector. Sobre
la superficie del
colector rozan unos contactos a presiónmediante
unos muelles. Dichas piezas de contacto se llaman escobillas. El
espacio libre entre las piezas polares y el inducido se llama
entrehierro.
Parámetros característicos
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Clase
NEMA
Par de arranque
Corriente de
Arranque
Regulación de
Velocidad
(%)
Nombre de clase
Del motor
A
B
C
D
F
1.5-1.75
1.4-1.6
2-2.5
2.5-3.0
1.25
5-7
4.5-5
3.5-5
3-8
2-4
2-4
3.5
4-5
5-8 , 8-13
mayor de 5
Normal
De propósito general
De doble jaula alto par
De alto par alta resistencia
De doble jaula.
Clasificación Motores de Corriente Continua
Motores de corriente continúa de imán permanente:
Existen motores de imán permanente (PM, permanent magnet), en tamaños
de fracciones de caballo y de
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números pequeños enteros de caballos. Tienen varias ventajas respecto a los del tipo de campo
devanado. No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado
asociado. Se mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del campo que fallen y no
hay probabilidad de que se presente una sobrevelocidad debida a pérdida del campo. Se mejoran la eficiencia y
el enfriamiento por la eliminación de pérdida de potencia en un campo excitador. Así mismo, la característica
par contra corriente se aproxima más a lo lineal. Un motor de imán permanente (PM) se puede usar en
donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación continua.
Excitación Independiente:
Los motores de excitación independiente tienen como aplicaciones industriales el torneado y
taladrado de materiales, extrusión de materiales plásticosy goma, ventilación de horno, retroceso rápido
en vacío de ganchos de grúas, desenrollado de bobinas y retroceso de útiles para serrar. El motor de
excitación independiente es el más
adecuado para cualquier tipo de regulación, por la independencia entre el control por
el inductor y el control por el inducido. El sistema de excitación más fácil de entender es el que supone una fuente
exterior de alimentación para el arrollamiento inductor. En la siguiente figura, se representa el inducido por
un círculo; la flecha recta interior representa el sentido de la corriente principal y la flecha curva, el sentido
de giro del inducido; el arrollamiento inductor o de excitación, se representa esquemáticamente, y el
sentido de la corriente de excitación, por medio de una flecha similar.
Autoexcitación:
El sistema de excitación
independiente, solamente se emplea en la práctica en casos especiales debido, sobre todo, al inconveniente
de necesitar una fuente independiente de energía eléctrica. Este inconveniente puede eliminarse
con el denominado principio dinamoeléctrico o principio de autoexcitación, que ha hecho posible
el gran desarrollo alcanzado por las máquinas eléctricas de corriente continua en el presente siglo.
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Excitación serie:
Es el motor cuya velocidad disminuye sensiblemente cuando el par aumenta y cuya velocidad en vacío
no tiene límite teóricamente.
Los motores con excitación en serie son aquellos en los que el inductor esta conectado en serie con el
inducido. El inductor tiene un número relativamente pequeño de espiras de hilo, que debe ser de sección
suficiente para que se pase por él la corriente de régimen que requiere el inducido. En los motores serie, el flujo
depende totalmente de la intensidad de la corriente del inducido. Si el hierro del motor se mantiene a
saturación moderada, el flujo será casi directamente proporcional a dicha intensidad.Excitación en
paralelo (shunt):
El generador con excitación shunt suministra energía eléctrica a una tensión aproximadamente constante,
cualquiera que sea la carga, aunque no tan constante como en el caso del generador con excitación
independiente. Cuando el circuito exterior está abierto, la máquina tiene excitación máxima porque toda la
corriente producida se destina a la alimentación del circuito de excitación; por lo tanto, la tensión en
bornes es máxima. Cuando el circuito exterior está cortocircuitado, casi toda la corriente producida pasa por el
circuito del inducido y la excitación es mínima, la tensión disminuye rápidamente y la carga se anula. Por
lo tanto, un cortocircuito en la línea no compromete la máquina, que se desexcita automáticamente, dejando
de producir corriente. Esto es una ventaja sobre el generador de excitación independiente en donde un
cortocircuito en línea puede producir graves averías en la máquina al no existir éste efecto de desexcitación
automática.
Compuesta:
Es el motor cuya velocidad disminuye cuando el par aumenta y cuya velocidad en vacío es limitada. Las
características del motor Compuesta
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están comprendidas entre las del motor de derivación y las del motor en serie. Los tipos de motor
Compuesta son los mismos que para los generadores, resumiéndose el aditivo y el diferencial. El motor en
Compuesta es un término medio entre los motores devanados en serie y los de en derivación. En virtud de la
existencia del devanado en serie, que
ayuda al devanado en derivación, el flujo magnético por polo aumenta con la carga, de modo que el par se
incrementa con mayor rapidez y la velocidad disminuye más rápidamente que si no estuviera
conectado el devanado en serie; pero el motor no se puede desbocar con cargas ligeras, por la presencia de la
excitación en derivación.
Principio de funcionamiento
Esquema del funcionamiento de un
motor de c.c. elemental de dos polos
con una sola bobina y dos delgas en
el rotor. Se muestra el motor en tres
posiciones del rotor desfasadas 90º
entre sí.
1, 2: Escobillas;
A, B: Delgas;
a, b: Lados de la bobina conectados
respectivamente a las delgas A y B.
Según la Ley de Lorentz, cuando un conductor por el que pasa una corriente
eléctrica se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una fuerza
perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente, siguiendo
la regla de la mano izquierda, con módulo
F: Fuerza en newtons
I: Intensidad que recorre el conductor en amperios
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l: Longitud del conductor en metros
B: Densidad de campo magnético o densidad de flujo teslas
El rotor tiene varios repartidos por la periferia. A medida que gira, la corriente se
activa en el conductor apropiado.
Normalmente se aplica una corriente con sentido contrario en el extremo opuesto
del rotor, para compensar la fuerza neta y aumentar el momento.
Fuerza
contraelectromotriz
inducida en un motor
Es la tensión que se
crea en los
conductores de un
motor como
consecuencia del corte
de las líneas de
fuerza, es el efecto
generador de pines.
La polaridad de la
tensión en los
generadores es
inversa a la aplicada
en bornes del motor.
Las fuertes puntas de
corriente de un motor
en el arranque son
debidas a que con la
máquina parada no
hay fuerza
contraelectromotriz y
el bobinado se
comporta como una
resistencia pura del
circuito.
Número de
escobillas
Las escobillas deben
poner en cortocircuito
todas las bobinas
situadas en la zona
neutra. Si la máquina
tiene dos polos,
tenemos también dos
zonas neutras. En
consecuencia, el
número total de
escobillas ha de ser
igual al número de
polos de la máquina.
En cuanto a su
posición, será
coincidente con las
líneas neutras de los
polos.
Sentido de giro
El sentido de giro de
un motor de corriente
continua depende del
sentido relativo de las
corrientes circulantes
por los devanados
inductor e inducido.
La inversión del
sentido de giro del
motor de corriente
continua se consigue
invirtiendo el sentido
del campo magnético
o de la corriente del
inducido.
Si se permuta la
polaridad en ambos
bobinados, el eje del
motor gira en el mismo
sentido.
Los cambios de
polaridad de los
bobinados, tanto en el
inductor como en el
inducido se realizarán
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en la caja de bornes
de la máquina, y
además el ciclo
combinado producido
por el rotor produce la
fmm (fuerza
magnetomotriz).
El sentido de giro lo
podemos determinar
con la regla de la
mano derecha, la cual
nos va a mostrar el
sentido de la fuerza.
La regla de la mano
derecha es de la
siguiente manera: el
pulgar nos muestra
hacia donde va la
corriente, el dedo
índice apunta en la
dirección en la cual se
dirige el flujo del
campo magnético, y el
dedo medio hacia
donde va dirigida la
fuerza resultante y por
lo tanto el sentido de
giro.
Reversibilidad
Los motores y los
generadores de
corriente continua
están constituidos
esencialmente por los
mismos elementos,
diferenciándose
únicamente en la
forma de utilización.
Por reversibilidad entre
el motor y el generador
se entiende que si se
hace girar al rotor, se
produce en el
devanado inducido
una fuerza
electromotriz capaz de
transformarse en
energía en el circuito
de carga.
En cambio, si se aplica
una tensión continua al
devanado inducido del
generador a través del
colector de delgas, el
comportamiento de la
máquina ahora es de
motor, capaz de
transformar la fuerza
contraelectromotriz en
energía mecánica.
En ambos casos el
inducido está sometido
a la acción del campo
inductor principal.
Principio de funcionamiento
Los motores de corriente alterna y los
de corriente continua se basan en el
mismo principio de funcionamiento, el
cual establece que si un conductor
por el que circula una corriente
eléctrica se encuentra dentro de la
acción de un campo magnético, éste
tiende a desplazarse
perpendicularmente a las líneas de
acción del campo magnético.
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El conductor tiende a funcionar como
un electroimán debido a la corriente
eléctrica que circula por el mismo
adquiriendo de esta manera
propiedades magnéticas, que
provocan, debido a la interacción con
los polos ubicados en el estátor, el
movimiento circular que se observa
en el rotor del motor. Aprovechando
el estator y rotor ambos de acero
laminado al silicio se produce un
campo magnético uniforme en el
motor.
Partiendo del hecho de que cuando
pasa corriente por un conductor
produce un campo magnético,
además si lo ponemos dentro de la
acción de un campo
magnético potente, el producto de la
interacción de ambos campos
magnéticos hace que el conductor
tienda a desplazarse produciendo así
la energía mecánica.
Dicha energía es comunicada al
exterior mediante un dispositivo
llamado flecha.
Ventajas
En diversas circunstancias presenta muchas ventajas respecto a los motores de
combustión:
A igual potencia, su tamaño y peso son más reducidos.
Se pueden construir de cualquier tamaño.
Tiene un par de giro elevado y, según el tipo de motor, prácticamente
constante.
Su rendimiento es muy elevado (típicamente en torno al 75%, aumentando
el mismo a medida que se incrementa la potencia de la máquina).
Este tipo de motores no emite contaminantes, aunque en la generación de
energía eléctrica de la mayoría de las redes de suministro sí emiten
contaminantes.
Diversos motores eléctricos.
Los motores de corriente continua se clasifican según la forma como estén
conectados, en:
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Motor serie
Motor compound
Motor shunt
Motor eléctrico sin escobillas
Además de los anteriores, existen otros tipos que son utilizados en electrónica:
Motor paso a paso
Servomotor
Motor sin núcleo
Motor serie
Motor eléctrico serie.
El motor serie o motor de
excitación en serie, es un tipo
de motor eléctrico de corriente
continua en el cual el inducido y el
devanado inductor o de excitación
van conectados en serie. Por lo tanto,
la corriente de excitación o del
inductor es también la corriente del
inducido absorbida por el motor.
Las principales características de
este motor son:
- Se embala cuando funciona en
vacío, debido a que la velocidad de
un motor de corriente continua
aumenta al disminuir el flujo inductor
y, en el motor serie, este disminuye al
aumentar la velocidad, puesto que la
intensidad en el inductor es la misma
que en el inducido.
- La potencia es casi constante a
cualquier velocidad.
- Le afectan poco la variaciones
bruscas de la tensión de
alimentación, ya que un aumento de
esta provoca un aumento de la
intensidad y, por lo tanto, del flujo y
de la fuerza contraelectromotriz,
estabilizándose la intensidad
absorbida.
Motor compound
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Motor eléctrico compound.
Un motor compound (o motor de
excitación compuesta) es un Motor
eléctrico de corriente continua cuya
excitación es originada por dos
bobinados inductores independientes;
uno dispuesto en serie con el
bobinado inducido y otro conectado
en derivación con el circuito formado
por los bobinados: inducido, inductor
serie e inductor auxiliar.
Los motores compuestos tienen un
campo serie sobre el tope del
bobinado del campo shunt. Este
campo serie, el cual consiste de
pocas vueltas de un alambre grueso,
es conectado en serie con la
armadura y lleva la corriente de
armadura.
El flujo del campo serie varia
directamente a medida que la
corriente de armadura varía, y es
directamente proporcional a la carga.
El campo serie se conecta de manera
tal que su flujo se añade al flujo del
campo principal shunt. Los motores
compound se conectan normalmente
de esta manera y se denominan
como compound acumulativo.
Esto provee una característica de
velocidad que no es tan “dura” o
plana como la del motor shunt, ni tan
“suave” como la de un motor serie.
Un motor compound tiene un limitado
rango de debilitamiento de campo; la
debilitación del campo puede resultar
en exceder la máxima velocidad
segura del motor sin carga. Los
motores de corriente continua
compound son algunas veces
utilizados donde se requiera una
respuesta estable de par constante
para un rango de velocidades amplio.
El motor compound es un motor de
excitación o campo independiente
con propiedades de motor serie. El
motor da un par constante por medio
del campo independiente al que se
suma el campo serie con un valor de
carga igual que el del inducido.
Cuantos más amperios pasan por el
inducido mas campo serie se origina,
claro está, siempre sin pasar del
consumo nominal.
Motor shunt
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Motor eléctrico paralelo.
El motor shunt o motor de
excitación en paralelo es
un motor eléctrico de corriente
continua cuyo
bobinado inductor principal está
conectado en derivación o paralelo
con el circuito formado por los
bobinados inducido e inductor
auxiliar.
Al igual que en los dinamos shunt,
las bobinas principales están
constituidas por muchas espiras y
con hilo de poca sección, por lo
que la resistencia del bobinado
inductor principal es muy grande.
En el instante del arranque, el par
motor que se desarrolla es menor
que el motor serie, (también uno de
los componentes del motor de
corriente continua). Al disminuir la
intensidad absorbida, el régimen de
giro apenas sufre variación.
Es el tipo de motor de corriente
continua cuya velocidad no
disminuye mas que ligeramente
cuando el par aumenta. Los
motores de corriente continua en
derivación son adecuados para
aplicaciones en donde se necesita
velocidad constante a cualquier
ajuste del control o en los casos en
que es necesario un rango
apreciable de velocidades (por
medio del control del campo). El
motor en derivación se utiliza en
aplicaciones de velocidad
constante, como en los
accionamientos para los
generadores de corriente continua
en los grupos motogeneradores de
corriente continua
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Motor eléctrico sin
escobillas
Ventiladores de
ordenador
desmontados. Se
muestra el circuito
impreso que controla
el motor.
Un motor eléctrico
sin escobillas o
motor brushless es
un motor eléctrico que
no
empleaescobillas para
realizar el cambio de
polaridad en el rotor.
Los motores eléctricos
solían tener un
colector de delgas o
un par de anillos
rozantes. Estos
sistemas, que
producen rozamiento,
disminuyen el
rendimiento,
desprenden calor y
ruido, requieren mucho
mantenimiento y
pueden producir
partículas de carbón
que manchan el motor
de un polvo que,
además, puede ser
conductor.
Los primeros motores
sin escobillas fueron
los motores
de corriente
alterna asíncronos.
Hoy en día, gracias a
la electrónica, se
muestran muy
ventajosos, ya que son
más baratos de
fabricar, pesan menos
y requieren menos
mantenimiento, pero
su control era mucho
más complejo. Esta
complejidad
prácticamente se ha
eliminado con
los controles
electrónicos.
El inversor debe
convertir la corriente
alterna en corriente
continua, y otra vez en
alterna de otra
frecuencia. Otras
veces se puede
alimentar directamente
con corriente continua,
eliminado el primer
paso. Por este motivo,
estos motores de
corriente alterna se
pueden usar en
aplicaciones de
corriente continua, con
un rendimiento mucho
mayor que un motor
de corriente continua
con escobillas.
Algunas aplicaciones
serían los coches y
aviones
conradiocontrol, que
funcionan con pilas.
Otros motores sin
escobillas, que sólo
funcionan con
corriente continua son
los que se usan en
pequeños aparatos
eléctricos de baja
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potencia, como
lectores de CD-ROM,
ventiladores de
ordenador, casetes,
etc. Su mecanismo se
basa en sustituir la
conmutación (cambio
de polaridad)
mecánica por otra
electrónica sin
contacto. En este
caso, la espira sólo es
impulsada cuando el
polo es el correcto, y
cuando no lo es, el
sistema electrónico
corta el suministro de
corriente. Para
detectar la posición de
la espira del rotor se
utiliza la detección de
un campo magnético.
Este sistema
electrónico, además,
puede informar de la
velocidad de giro, o si
está parado, e incluso
cortar la corriente si se
detiene para que no se
queme. Tienen la
desventaja de que no
giran al revés al
cambiarles la polaridad
(+ y -). Para hacer el
cambio se deberían
cruzar dos
conductores del
sistema electrónico.
Un sistema algo
parecido, para evitar
este rozamiento en los
anillos, se usa en
los alternadores. En
este caso no se evita
el uso de anillos
rozantes, sino que se
evita usar uno más
robusto y que frenaría
mucho el motor.
Actualmente, los
alternadores tienen el
campo magnético
inductor en el rotor,
que induce el campo
magnético al estátor,
que a la vez es
inducido. Como el
campo magnético del
inductor necesita
mucha menos
corriente que la que se
va generar en el
inducido, se necesitan
unos anillos con un
rozamiento menor.
Esta configuración la
usan desde pequeños
alternadores de coche
hasta los generadores
de centrales con
potencias del orden
del megavatio.
El uso de motores de corriente continua
Los motores de corriente continua se
configuran en muchos tipos y
tamaños, entre los que encontramos
sin escobillas, servo y motor de
engranajes. Un motor consiste en un
rotor y un estator de campo
permanente. El campo magnético se
mantiene usando imanes
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permanentes o devanados
electromagnéticos. Los motores de
corriente continua se usan
comúnmente en aplicaciones de par y
velocidad variable.
.
Los motores de corriente continua sin
escobillas tienen conmutación
integrada, lo que significa que el
motor rota, las escobillas mecánicas
automáticamente conmutan bobinas
en el rotor. Los motores DC sin
escobillas usan una transmisión de
energía externa que permiten la
conmutación de serpentines en el
estator. Los motores con escobillas
se usan cuando el coste es una
prioridad, mientras que los motores
sin escobillas se usan para cumplir
requerimientos específicos, tales
como las operaciones libres de
mantenimiento, velocidades altas, y
ambientes peligrosos donde el
chisporreteo puede ser peligroso.
. Los motores de engranajes de
corriente continua se configuran en
muchos tipos y tamaños, incluyendo
sin escobillas y servo. Un motor de
engranajes de corriente continua
consiste en un rotor y un estator de
campo magnético permanente y una
caja de engranajes integral o cabezal
de engranajes. El campo magnético
se mantiene usando devanados
electromagnéticos o magnetismo
permanente. Los motores de
corriente continua se usan
comúnmente en aplicaciones de
velocidad variable y de par. .
El movimiento y los controles cubren
un amplio rango de componentes que
de alguna forma se usan para
generar y/o controlar movimiento.
Áreas dentro de esta categoría
incluyen rodamientos, embragues y
frenos, controles y transmisiones,
componentes de transmisión,
decodificadores, controles de
movimiento integrados, interruptores
limitadores, actuadores lineales,
etapas de posicionamiento lineal,
deslizadores y guías, sellos, anillas,
solenoides y resortes de transmisión
de potencia.
.
Los motores son dispositivos que
proporcionan la velocidad actual en
un sistema de transmisión. Esta
familia incluye tipos de motores de
corriente continua (motores
monofásicos y multifásicos, servo
motores, universales, inducción,
síncronos, y motores de engranaje) y
motores de corriente continua (sin
escobillas, servo motores, y motores
de engranaje) así como lineal, por
pasos y motores de aire, y
contactores de motor y
arrancadores. .
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Los motores de CC son empleados
para grandes potencias. Son
motores industriales que necesitan
una gran cantidad de corriente
para el arranque.
Los motores de CC
llevan circuitos integrados para
regular la toma de corriente de la
línea y así no generar bajones de
intensidad de la corriente.