Tema 48

TEMA 48 MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA: Constitución, funcionamiento y aplicaciones características

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE C.C.: Constitución, funcionamiento y aplicaciones características

INDICE 1.- INTRODUCCIÓN 2.- CONCEPTOS BÁSICOS 2.1.- Inducción electromagnética 2.2.- Fuerza electromagnética 3.- CONSTITUCIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE C. C. 3.1.- Constitución física 3.2.- Reacción de Inducido 3.3..-Polos de Conmutación 3.4.- Bobinados de Compensación 4.- ECUACIONES GENERALES DE LAS MÁQUINAS DE C.C. 4.1.- Aplicación a Máquinas de corriente continua 5.- PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO Y APLICACIONES DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE C.C. 5.1.- Generadores de Corriente Continua. 5.1.1.-Generalidades de Generadores de Corriente Continua. 5.1.2.- Circuito equivalente de un generador de Corriente Continua 5.1.3.- Clasificación de los generadores de Corriente Continua 5.2.- Motores de Corriente Continua. 5.2.1.- Características par-velocidad de un motor 5.2.3.- Circuito equivalente de un motor de Corriente Continua 5.2.3.- Características y excitación de los motores de Corriente Continua 5.2.4.- Regulación de velocidad 5.2.5.- Inversión del sentido de giro. 6.-APLICACIONES 6.1.- Aplicaciones de los motores de Corriente Continua.

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1.- INTRODUCCIÓN Las máquinas eléctricas se han hecho imprescindibles en los tiempos actuales, y comprenden desde las grandes unidades de generadores (alternadores) situados en las centrales productoras de Energía Eléctrica, hasta las máquinas (motores empleadas en el transporte de viajeros y mercancías, en la industria, etc. Las máquinas eléctricas son el resultado de una aplicación inteligente de los principios del electromagnetismo y en particular de las leyes de Faraday, Lenz, Lorentz y Ohm.

2.- CONCEPTOS BÁSICOS En general se entiende por Máquina Eléctrica a todo aparato que transforma la energía eléctrica en cualquier tipo de energía o viceversa. También se incluye dentro de este concepto, a aquellos dispositivos que conservan la energía eléctrica transformando únicamente sus características. En función de esta definición las máquinas eléctricas se clasifican en: a)

GENERADORES Transforman cualquier clase de Energía Eléctrica (principalmente mecánica) en Energía Eléctrica.

b)

RECEPTORES La Energía Mecánica que reciben la convierten en cualquier tipo de Energía. (generalmente Motores)

c)

TRASFORMADORES Convierten Energía Eléctrica de C.A. de un nivel de voltaje dado, en Energía Eléctrica de C.A. a otro nivel de voltaje.

Los generadores y los receptores son máquinas dinámicas rotativas mientras que los transformadores son máquinas estáticas.

2.1.- Inducción electromagnética Ley de Faraday: una variación de flujo magnético φ

sobre una espira de

alambre, inducirá sobre dicho alambre un voltaje proporcional al tiempo.

e

ind

= -N (dφ / dt)

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donde:

e

ind

es el voltaje inducido en la bobina

N es el número de vueltas en la bobina de alambre φ es el flujo que pasa a través de la bobina. El signo negativo de la ecuación es una expresión de la ley de Lenz. Esta establece que la dirección del voltaje inducido en la bobina es tal que si sus extremos se pusieran en cortocircuito, produciría una corriente que causaría un flujo para oponerse al cambio de flujo original.

2.2.- Fuerza electromagnética Ley de Lorentz, una carga Q que se mueve en el interior de una campo magnético a una velocidad v, se ve sometida a la acción de una fuerza magnética de valor: Fm = q.(V∧B) = I∧B = i (L∧b) = iLBsenθ Donde: i es la magnitud de la corriente en el conductor. L es la longitud del conductor, con la dirección en el mismo sentido del flujo de corriente B vector de la densidad de flujo magnético q Carga Así pues definimos con arreglo a los conceptos que se han visto: GENERADOR: es la máquina eléctrica que transforma la energía mecánica en eléctrica. La acción se desarrolla por el movimiento de una bobina en un campo magnético, resultando una f.e.m. inducida que al aplicarla a un circuito externo, produce una corriente que interacciona con el campo desarrolla una fuerza mecánica que se opone al movimiento. En consecuencia el generador necesita una energía mecánica de entrada, para producir la energía eléctrica correspondiente. 4

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Aplicando las leyes anteriores podemos decir que una espira q que se mueve en el interior de un campo magnético se ve sometida a una flujo magnético variable. Por Faraday se induce una tensión en terminales, debido a esto, y por la ley de Ohm, circulará una corriente por la espira, apareciendo una fuerza magnética que se opone al movimiento. MOTOR : transforma la Energía Eléctrica en mecánica. La acción se desarrolla introduciendo una corriente en la máquina por medio de una fuente externa, que interacciona con le campo produciendo un movimiento de la máquina; aparece entonces una f.e.m. inducida que se opone a la corriente. Si aplicamos una tensión a la espira, de acuerdo a Ohm, circulará una corriente a través de la espira, por Lorentz, aparecerá una fuerza magnética que iniciará el movimiento, este movimiento va a hacer que la espira se someta a un flujo variable, y ese flujo variable, por la ley de Faraday va a inducir una f.e.m. que se opone a la tensión aplicada.

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OBSERVACIONES DEL GENERADOR Y DEL MOTOR -

En ambos casos se necesita un campo eléctrico.

-

En los existe una interacción de dos circuitos, uno fijo llamado estator y otro móvil llamado rotor.

Campo magnético -

Un alambre cargado de electricidad produce un campo magnético a su alrededor

-

Un alambre cargado de corriente en presencia de un campo magnético, tiene un voltaje inducido en él (base del funcionamiento del motor)

-

Un alambre en movimiento, en presencia de una campo magnético, tiene un voltaje inducido en él (base del funcionamiento del generador)

MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA Se denomina Máquina Eléctrica de Corriente continua al convertidor electromecánico rotativo que en virtud de los fenómenos de inducción y de par electromagnético transforma la Energía Eléctrica continua en Energía mecánica (motor de corriente continua) o viceversa, la Energía Mecánica en Energía Eléctrica de corriente continua (generador de corriente continua)

3.- CONSTITUCIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE C. C. Su constitución física responde a la máquina eléctrica rotativa general. Desde el punto de vista electromagnético, está compuesta por: -

Un circuito magnético: Núcleos y Entrehierro

-

Dos circuitos eléctricos: Inductor e Inducido.

Desde el punto de vista mecánico, está compuesta por una parte fija o Estator y una parte móvil o Rotor.

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3.1.- Constitución física Tanto el Rotor como el Estator están formados por un Núcleo cilíndrico en forma toroidal de chapa magnética. El Entrehierro es el espacio de aire que existe entre rotor y estator

ESTATOR: Esta formado por la culata que pertenece al circuito magnético inductor y que ejerce la función de soporte mecánico del conjunto. En el interior de la culata están los Polos sobre los cuales se coloca el Devanado Inductor o Bobina Inductora con la misión, al ser alimentado por corriente continua, de crear el campo magnético Inductor de la máquina, el cual presentará alternativamente Norte y Sur. Para mejorar la conmutación, estas máquinas suelen llevar también unos polos intermedios, Polos Auxiliares o de Conmutación, el devanado de estos polos se conecta en serie con el inducido. ROTOR: Es la parte giratoria y está compuesto por una corona de material magnético. El Rotor está formado por el Inducido y el Colector Delgas. La corona presenta una ranura donde va alojado el Debanado inducido. El COLECTOR DE DELGAS

es un dispositivo al que van a parar los

conductores del inducido. Se divide en partes asiladas unas de otras denominadas DELGAS o láminas. Sirve para recoger y conmutar la corriente. Está formado por un conjunto de láminas o Delgas aisladas unas de otras. Sobre el Colector se apoyan las ESCOBILLAS que son las piezas por donde entra y sale corriente. Son piezas conductoras que tienen como misión asegurar por contacto deslizante la conexión eléctrica de un órgano móvil con un órgano fijo. Y las más empleadas son de carbón prensado, aunque modernamente se realizan de grafito electrolítico. Dichas escobillas van colocadas sobre unos soportes, especiales llamados Portaescobillas, en los que mediante un muelle se ejerce la presión necesaria entre la escobilla y el colector.

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Una presión demasiada pequeña da lugar a un mal contacto, saltando chispas y quemando el colector. Por el contrario, una presión excesiva origina un desgaste del colector y recalentamiento del mismo, debido al rozamiento. La presión que se suele dar para escobillas de carbón oscila entre 100 y 150 gr/cm2

de contacto.

INDUCIDO Es el núcleo magnético, cuya forma es la de un cilindro, constituido por una serie de chapas de hierro asiladas entre sí para evitar las corrientes de Foucoult. En la superficie lateral lleva unas ranuras en donde se alojan convenientemente las bobinas que constituyen el circuito inducido. INDUCTOR Está constituido por el inductor propiamente dicho, es decir, el núcleo magnético; el expansionamiento polar, que es la parte del núcleo que está frente al inducido; la culata o carcasa que es la que cierra el circuito magnético. DEVANADOS Se denomina así, a los arrollamientos de inductor e inducido. El material para su realización suele ser de cobre en forma de hilo esmaltado (la misión del aislante es ofrecer una separación eléctrica entre las espiras) en las máquinas pequeñas, y en forma de pletina para las máquinas de gran potencia, cuyo recubrimiento se hace aislándolas de fibra de algodón. También se emplea el Aluminio, pero su aplicación es casi exclusiva de los rotores de ardilla de los motores asíncronos.

3.2.- Reacción de Inducido Cuando una máquina de c.c. funciona en vacío, no existe corriente en el inducido y el flujo en el entrehierro esta producido únicamente por la f.e.m. del inductor. Ahora conecte una carga a los terminales de la máquina y una corriente fluirá en los bobinados del inducido. El flujo de corriente producirá un campo magnético propio, que distorsionará el campo magnético original de los polos de la máquina. La distorsión del flujo en una máquina en la medida en que la carga se va incrementando se denomina REACCIÖN DE INDUCIDO. El primer problema originado es el desplazamiento del plano neutro. El plano neutro magnético se define como el plano dentro de la máquina, en donde la velocidad

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de los alambres del rotor es exactamente paralela a las líneas de flujo magnético, de tal manera que eind en los conductores es igual a cero. Para comprender el problema del desplazamiento del plano neutro, se debe examinar la figura adjunta. En ella se puede ver una máquina de c.c. de dos polos. Obsérvese que el flujo se distribuye uniformemente, enfrente de las caras del polo. Los Embobinados del rotor, forman voltajes orientados hacia el interior de la página para los conductores frente a la cara del polo Norte y fuera de la página para los conductores frente a la cara del polo Sur. El plano neutro de la máquina es exactamente vertical. Ahora supóngase que una carga se conecta a la máquina para que actúe como generador. La corriente fluirá hacia fuera del terminal positivo de éste, de tal manera que la corriente fluirá en la dirección del interior de la página para los conductores que están al frente de la cara del polo Norte y hacia fuera de la página para los conductores frente a la cara del polo Sur. El flujo de corriente produce un campo magnético desde los embobinados del rotor, como se ve en la figura. Este campo magnético del rotor afecta al campo magnético general de los polos que produjeron el voltaje, generado en primera instancia. En algunos sitios, frente a la superficie del polo, se resta del flujo del polo y en otros sitios se suma al flujo del polo. El resultado final es que el flujo magnético del entrehierro de la máquina se coloca en posición oblicua, tal como se muestra en las figuras d y e. Obsérvese que el sitio del rotor en donde el voltaje inducido en un conductor sería cero (el plano neutro) se ha desplazado. Para el generador, el plano neutro magnético se desplazó en dirección de la rotación. Si esta máquina hubiera sido un motor, la corriente en su rotor habría tomado el sentido contrario y el flujo se habría agrupado en las esquinas opuestas. El plano neutro se habría desplazado en el otro sentido. En general, el plano neutro se desplaza en la dirección del movimiento en un generador y en sentido contrario a la dirección del movimiento en un motor. Además, la magnitud del desplazamiento depende de la cantidad de corriente en el rotor y por tanto de la carga que tenga la máquina.

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Entonces ¿en qué consiste el desplazamiento del plano neutro? Sencillamente en esto: el colector debe poner en corto los segmentos, justamente en el momento en que el voltaje que los cruza sea igual a cero. Si las escobillas se han colocado para poner en corto los conductores en el plano vertical, entonces el voltaje entre los segmentos es realmente cero, pero sólo hasta que la máquina se cargue. Cuando ésta se cargue, el plano neutro se desplaza y las escobillas ponen en corto los segmentos del colector, enviándoles un voltaje finito. El resultado es un flujo de corriente que circula entre los segmentos en corto y chispas en las escobillas cuando el trayecto de corriente se interrumpe en el momento en que la escobilla deja de estar en contacto con el segmento. El resultado final es la formación de un arco de chispas en las escobillas. Este es un problema delicado, puesto que conduce a la disminución de la vida útil de las escobillas, picaduras de los segmentos colectores e incremento muy significativo de los costos de mantenimiento. Entiéndase que este problema no puede arreglarse ni aun colocando las 10

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escobillas en el plano neutro a plena carga, porque entonces chispearían al trabajar la máquina sin carga. El segundo problema que se origina en la reacción del inducido se denomina DEBILITAMIENTO DEL FLUJO. La mayor parte de las máquinas funcionan a densidades de flujo cercanas al punto de saturación. Por consiguiente, en lugares sobre la superficie del polo en donde la fuerza magnetomotriz del rotor se suma con la fuerza magnetomotriz del polo ocurre sólo un pequeño aumento del flujo. Pero en lugares sobre la superficie del polo en donde la fuerza magnetomotriz del rotor se resta de la fuerza magnetomotriz del polo hay un mayor decrecimiento del flujo. El resultado neto es que el promedio total de flujo frente a la cara entera del polo disminuye. El debilitamiento del flujo causa problemas tanto en el generador como en el motor. En los generadores para cualquier carga dada el efecto de debilitar el flujo reduce el voltaje entregado por el generador. En los motores, el efecto puede ser más serio. Cuando el flujo en un motor diminuye, su velocidad aumenta. Pero al aumentar la velocidad de un motor se puede aumentar su carga, lo que acarrearía en un mayor debilitamiento del flujo.

3.3..-Polos de Conmutación Sirven para corregir parcialmente o completamente los problemas de la reacción de inducido y los Voltajes Autoinducidos (llamados en ocasiones golpe inducido) que se presenta en los segmentos colectores puestos en corto por las escobillas. Polos de Conmutación: la idea básica de este nuevo enfoque es que si el voltaje de los conductores sujetos a conmutación puede igualarse a cero, entonces no habría chisporroteo en las escobillas. Para lograr esto, pequeños polos, llamados polos de conmutación se localizan directamente sobre los conductores que se van a conmutar. Con la provisión de un flujo por los polos de conmutación, puede eliminarse totalmente

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el voltaje de las bobinas que experimentan la conmutación. Si la eliminación es completa entonces no habrá chisporroteo en las escobillas ¿Cómo se logra la cancelación del voltaje en los segmentos colectores, para las diferentes cargas? Simplemente conectando en serie las bobinas de los polos auxiliares con las bobinas del rotor Como la carga y la corriente del rotor aumentan, la magnitud del plano neutro cambia y el tamaño de los efectos de los voltajes autoinducidos también se incrementan. Ambos efectos elevan el voltaje en los conductores sujetos a conmutación. Sin embargo, el flujo del polo auxiliar también crece, produciendo un voltaje más alto en los conductores que van en sentido contrario al voltaje originando por desplazamiento del plano neutro. Obsérvese que los polos de conmutación trabajan tanto para el funcionamiento de motores como para el de generadores, puesto que cuando la máquina cambia de motor a generador, las corrientes de su rotor y de sus polos de conmutación cambia de dirección. ¿Qué polaridad debe tener el flujo en los polos de conmutación? Los polos de conmutación deben inducir un voltaje en los conductores que van a someterse a conmutación, contrario al voltaje causado por el desplazamiento del plano neutro y por los efectos de los voltajes autoinducidos. En el caso de un generador, el plano neutro se desplaza en la dirección de la rotación. Esto significa que los conductores sujetos a conmutación tienen la misma polaridad de voltaje que la de los polos que acaba de dejar. Para contrarrestar este voltaje, los polos auxiliares deben tener flujo contrario, que es el del polo que sigue. En un motor, sin embargo, el plano neutro se desplaza en dirección contraria al sentido de rotación y los conductores que van a ser objeto de conmutación tienen el mismo flujo que el polo al que se están aproximando. Con el objeto de contrarrestar este voltaje, los polos auxiliares deben tener la misma polaridad que el polo principal anterior. Por consiguiente: 1.- En un generador, los polos auxiliares deben tener la misma polaridad que el siguiente polo principal que se acerca.

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2.- En un motor, los polos auxiliares deben tener la misma polaridad que el polo principal anterior. El uso de los pulsos de conmutación es muy común, porque corrigen los problemas de chisporroteo de las máquinas de corriente continua a un costo relativamente bajo. Hay que decir que solo afecta al problema de chisporroteo pero no de debilitamiento de flujo.

3.4.- Bobinados de Compensación Para los motores de trabajo muy pesado, con ciclos de rendimiento riguroso, el problema de debilitamiento de flujo puede resultar muy grave. Para cancelar completamente la reacción del inducido y eliminar así, el desplazamiento, se colocan bobinas de compensación en ranuras talladas en las caras de los polos, paralelas a los conductores del rotor, para eliminar los efectos de distorsión por la reacción de inducido. Estas bobinas están conectadas en serie con las bobinas del rotor, en tal forma que cuando quiera que la carga cambie en el rotor, la corriente de la bobina de compensación cambie también.

Las líneas discontinuas representan el flujo del embobinado de compensación y las líneas continuas representan el flujo del rotor inducido.

Nótese que la fuerza magnetomotriz debida a las bobinas de compensación es igual y contraria a la fuerza magnetomotriz debida al rotor, en todas partes, frente a las caras polares. La fuerza magnetomotriz neta resultante es justamente la fuerza

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magnetomotriz debida a los polos, así que el flujo en la máquina es inmodificable, aun prescindiendo de la carga que se aplique. La principal desventaja de las bobinas de compensación es que son demasiado costosas puesto que deben de fresarse en la cara de los polos. Por termino medio se utiliza en máquinas a partir de 150 KW.

4.- ECUACIONES GENERALES DE LAS MÁQUINAS DE C.C. 4.1- Aplicación a Máquinas de corriente continua Inducción Electromagnética

e

ind

= -N (dφ / dt)

Por medios matemáticos se transforma en

e

ind

= -B.L.V

Donde:

e

ind

Fuerza electromotriz (f.e.m.) (en Voltios)

B

Inducción (en Teslas)

L

Longitud del conductor (en metros)

V

Velocidad (en metros / segundo)

Fuerza electromagnética Fm = q.(V∧B) = I∧B = i (L∧b) = i.L.B.senθ Donde: i es la magnitud de la corriente en el conductor (En amperios) L es la longitud del conductor (en metros) B Inducción (en Teslas) θ

Angulo formado por el conductor y la dirección del campo magnético

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Si los conductores se hallan un cilindro giratorio, llamado inducido, de radio “r” el Par de Giro determinado por esta fuerza F valdrá: M= F.r =B.I.L.r (N.m) El par total será la suma de los pares de todos los conductores, y recibe el nombre de Par Electromagnético Interno (Mi) La potencia electromagnética está relacionada con el par electromagnético interno a través de la velocidad angular de giro del motor: Pi = Mi. ω Pi

Potencia electromagnética interna (w)

Mi

Par electromagnético interno (N.m)

ω

Velocidad angular (rad/s) Una de las ecuaciones más característica utilizada en muchos problemas es : P N n φ E = = K n φ 60 a

Donde: P

numero de pares de polos

a

número de circuitos en derivación.

N

número de espiras

n

revoluciones por minuto

E

f.e.m. (en V)

φ

Flujo (en Wb)

I

Intensidad del inducido

De la misma forma el Par electromagnético P NI φ E = = K I φ Π 2 a

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(En N.m)

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5.- PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE C.C. El objeto de este punto es ver las propiedades generadores y motores así como ver su clasificación en función de su excitación.

5.1.- Generadores de Corriente Continua. 5.1.1.-Generalidades de Generadores de Corriente Continua. Hay cinco tipos principales de generadores de corriente continua que se clasifican según en que se produce su flujo de campo: 1.- Generador con excitación externa. En un generador con excitación externa, el flujo de campo se origina en una fuente de potencia externa, independiente del generador en si misma. 2.- Generador en Derivación. En un generador en derivación, el flujo de campo se obtiene al conectar el circuito de campo directamente a través de los terminales del generador. 3.- Generador Serie. En un generador serie, el flujo de campo se produce conectando el circuito de campo en serie, con el inducido del generador. 4.- Generador Compuesto Acumulativo. En este tipo de generador, tanto el campo en derivación como el campo en serie están presentes y sus efectos se suman. 5.- Generador Compuesto Diferencial. En éste, tanto el campo en derivación como el campo en serie se encuentran presentes, pero sus efectos se restan. Estos tipos de generadores se diferencian en la característica de sus terminales (voltaje-corriente) y por consiguiente, en las aplicaciones en que se van a utilizar.

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5.1.2.- Circuito equivalente de un generador de Corriente Continua En la figura adjunta, podemos comprobar como el circuito del inducido queda representado por una fuente de voltaje ideal EA y una resistencia RA .Esta representación es el equivalente Thevenin de toda la estructura del rotor, incluyendo las bobinas, los polos auxiliares y los embobinados de compensación, si los hay. RA IF

IA RF +

EA

− LF

Hay que decir, que la caída de voltaje en las escobillas es muy pequeña, es sólo mínima parte del voltaje generado en una máquina, por ello se puede despreciar o incluir en la resistencia RA . También la resistencia interna de las bobinas de campo, en algunas ocasiones se agrupan junto a la resistencia variable y el total se llama RF. Una tercera variación consiste en que algunos generadores tienen más de una bobina de campo, todas las cuales aparecen en el circuito equivalente.

5.1.3.- Clasificación de los generadores de Corriente Continua Anteriormente se han clasificado los generadores atendiendo a su excitación pasamos ahora a su explicación pormenorizada. GENERADOR CON EXCITACIÓN EXTERNA Es un generador al que se le suministra una corriente de campo, desde una fuente de voltaje de CC exterior. VT representa el voltaje real medido en los terminales del generador y la corriente IL representa la corriente que fluye por las líneas que conectan dichos terminales. El voltaje generado internamente es EA y la corriente del inducido es 17

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IA. Se entiende que la corriente que circula por el inducido es igual a la corriente que circula por la línea del generador con excitación externa. La característica del terminal de un generador de C.C. con excitación externa cumple: I L = IA VT =EA −IA RA RA IF

IA RF +

EA

VT

− LF

Cuando la carga que suministra el generador aumenta , se incrementa IL (y por consiguiente IA). Mientras la corriente del inducido va en aumento, la caída de IA Ra también irá en aumento, por lo que el voltaje en los terminales del generador disminuye. GENERADOR DE C.C. EN DERIVACIÓN ( shunt) Éste es un generador que provee su propia corriente de campo, conectando el campo directamente a sus terminales. RA IA

IL RF

+

EA

IF VT

− LF

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IA = I F + IL VT =EA −IA RA En este circuito, la corriente del inducido suministra tanto el circuito de campo como la carga a la máquina. Tiene una ventaja clara sobre el generador de corriente continua con excitación externa, que consiste en que no se necesita una fuente de potencia externa para alimentar su circuito de campo.

GENERADOR DE C.C. EN SERIE Un generador serie es aquel cuyo campo está conectado en serie con su inducido. Puesto que el inducido tiene una corriente mucho más alta que un campo en derivación, el campo en serie es un generador de esta clase tendrá sólo unas pocas espiras de alambre y el alambre que se usa será mucho más grueso que el alambre de un campo en derivación. Un campo en serie se diseña para tener la resistencia más baja posible, ya que la corriente a plena carga circula por él. RA

RS IA

+

LF IS

EA

IL VT

−

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Aquí, la corriente del inducido, la corriente de campo y la corriente de la línea tienen todas el mismo valor. La ecuación de la Ley de Kirchhoff para esta máquina es:: VT =EA −IA (RA+ RS) GENERADOR DE C.C. COMPUESTO (o COMPOUND) Se definen dos tipos de conexiones, la conexión “derivación larga”, donde el devanado inductor está conectado a los terminales de la máquina, y la conexión “derivación corta”, que conecta el devanado inductor derivación a los bornes del inducido, antes del devanado en serie. DERIVACIÓN CORTA IA

RA

RS

LS

IF

IL

RF +

EA

VT

− LF

DERIVACIÓN LARGA IA

RA

RS

LS IF

IL RF

+

EA

VT

−

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LF Habría que decir que existe otra clasificación de los generadores de Excitación Compuesta : Acumulativo y diferencial. La diferencia es, que mientras en el acumulativo las fuerzas electromotrices se suman en el diferencial se restas. Este hecho viene influenciado por el sentido de la corriente del inducido

5.2.- Motores de Corriente Continua. 5.2.1.- Características par-velocidad de un motor (Válido para cualquier motor) Cuando un motor está en marcha, su velocidad y su Par viene impuestos por las características de la carga, y definidos por su comportamiento. La velocidad de funcionamiento es un factor muy importante, y está determinada por el punto en el cual la potencia o el Par que el motor puede suministrar electromagnéticamente, es igual a la potencia o par que la carga puede absorber mecánicamente, por lo que es imprescindible el conocimiento de la característica parvelocidad del motor y de la carga para determinar si un motor es apropiado para una determinada aplicación. Característica M-n de un sistema motor-carga M (Par) Mia Mn

Mr =f(n) P Mia =f(n)

Mra nn

n(revoluciones)

En el funcionamiento de un motor con carga se pueden distinguir 3 fases:

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1.- ARRANQUE el motor se conecta a la red eléctrica y se presenta dos pares, el Par interno de arranque (Mia) y el Par resistente de arranque (Mra). Se debe de cumplir que Mia > Mra , sino el sistema no se pondría en marcha. 2.- ACELERACIÓN Período que sigue a la puesta en marcha. En este tiempo se exige al motor, el máximo par que es capaz de dar, ya que debe de vencer el par resistente y, además debe acelerar el sistema contrarrestando el par de inercia. Las condiciones de arranque y aceleración son, en la mayoría de los casos, las que van a decidir sobre el motor a elegir para una aplicación. 3.- MARCHA DE REGIMEN Un motor alcanza la marcha de régimen cuando su velocidad bajo la carga nominal es constante (n = constante). El motor trabajará en régimen constante cuando Mia se igual a Mra. (en el punto P)

5.2.3.- Circuito equivalente de un motor de Corriente Continua Es exactamente el mismo que el de un generador de Corriente Continua, excepto por la dirección del flujo de corriente. RA IF

IA RF + − LF

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EA

VT

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5.2.3.- Características y excitación de los motores de C. C. Clasificación de los motores de corriente continua atendiendo a su excitación: GENERADOR CON EXCITACIÓN EXTERNA Es aquel cuyo circuito de campo lo abastece una fuente de alimentación de voltaje constante La característica del terminal de un motor de C.C. (igual que un generador pero con sentido de corriente contrario) con excitación externa cumple: VT =EA + IA RA RA IF

IA

IL

RF +

EA

VT

− LF

MOTOR DE C.C. EN DERIVACIÓN ( shunt) Motor en derivación es aquel cuyo circuito de campo obtiene su potencia directamente de lo terminales del inducido del motor. RA IA

IL RF

+

EA

IF VT

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− LF Cuando la tensión de suministro a un motor se supone constante, no hay diferencia prácticamente de comportamiento entre motores de excitación externa y los de excitación en derivación cumpliendo ambos: IA = I F + IL VT =EA + IA RA MOTORES DE C.C. EN SERIE En este rotor el devanado inductor esta conectado en serie con el inducido, y recorrido, en el caso general por la misma corriente. En este motor la dependencia del flujo con la carga, por ser la corriente del inducido a la vez corriente de excitación, da lugar a que sus características funcionales difieran ostensiblemente de las del motor derivación. El circuito equivalente es: RA

RS

LF

IA +

IS

EA

VT

−

La ecuación de la Ley de Kirchhoff para esta máquina es:: VT =EA + IA (RA+ RS)

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IL

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MOTOR DE C.C. COMPUESTO Un motor de c.c. compuesto tiene un campo en derivación y uno en serie. Es decir que, el campo magnético de este motor esta excitado por dos devanados inductores, uno en serie recorrido por la corriente del inducido o por la corriente total absorbida de la red (excitación compuesta larga) de hilo o de pletina conductora de cobre de gruesa sección y pocas espiras, y otro en derivación de hilo fino y elevado número de espiras, conectado a la tensión de la red o a los bornes del inducido cuyas excitaciones magnéticas pueden ser del mismo sentido (compuesta aditiva) o de sentidos opuestos (compuesta diferencia) DERIVACIÓN CORTA IA

RA

RS

LS

IF

IL

RF +

EA

VT

− LF

DERIVACIÓN LARGA IA

RA

RS

LS IF

IL RF

+

EA

VT

− LF

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE C.C.: Constitución, funcionamiento y aplicaciones características

MOTOR DE C.C. DE IMÁN PERMANENTE Un motor de c.c. de imán permanente (CCIP) es uno cuyos polos están hechos de imanes permanentes. Como estos motores no requieren un circuito de campo externo, no tienen las pérdidas de cobre del circuito de campo que corresponden a los motores de c.c. en derivación. Puesto que no requieren embobinados de campo, pueden ser más pequeños que los correspondientes motores de c.c. en derivación. Se utilizan en caballajes pequeños donde es necesario un ahorro de espacio. Entre las desventajas se encuentran: -

Los imanes permanentes no pueden producir una densidad de flujo tan alta como un campo en derivación suministrando externamente, por tanto:

-

Tendrán un menor momento inducido por amperio de corriente inducida que un motor en derivación del mismo tamaño e iguales características.

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Los CCIP presentan riesgos de desmagnetización. La corriente de inducido Ia de una máquina de c.c. produce su propio campo magnético inducido. La fuerza magnetomotriz de inducido se sustrae de la fuerza magnetomotriz de los polos bajo porciones de las superficies polares, reduciendo el flujo neto total de la máquina. (efecto reacción de inducido)

5.2.4.- Regulación de velocidad Tiene por objeto mantener la velocidad en un valor prefijado. La velocidad de régimen viene condicionada por la igualdad de par motor y resistente, definida en el punto de intersección de las respectivas características mecánicas (motor y carga). Si queremos regular la velocidad manteniendo el par constante se puede modificar la velocidad variando la Tensión aplicada, por medio de los siguientes métodos:

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Regulación por resistencia. Intercambiando una resistencia en serie con el

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inducido -

Regulación por Control de Tensión. Variando la tensión de alimentación.

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Regulación por reostato. Actuando sobre el flujo útil, regulando la corriente de excitación mediante la conexión de un reostato.

5.2.5.- Inversión del sentido de giro. Para determinar el sentido de giro de un motor, se parte de los principios siguientes: 1.- Cuando un motor tiene la misma dirección de flujo que un generador, gira en sentido inverso del movimiento que habría que darle al generador para que la corriente que circule por las espiras, debido al f.e.m. inducida, fuera del mismo sentido, que la que pasa por el inducido del motor. 2.- Si se invierte simultáneamente la corriente en el inducido e inductor, el sentido de giro no se altera. Ello es debido a que se producen dos cambios sucesivos, lo que equivale a conservar el giro primitivo. Si se invierte el sentido de la corriente en el inducido o en el inductor, en el sentido de giro del motor se invierte también.

6.-APLICACIONES Las máquinas eléctricas de corriente continua se utilizan como Generadores o como Motores, tal y como se indica en el siguiente esquema: GENERADOR Sistema Mecánico

Acoplamiento

Sistema Eléctrico

MOTOR Generador(o dinamo) : el sistema mecánico suministra energía al sistema eléctrico

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Motor: El sistema eléctrico entrega energía al sistema mecánico. Las máquinas de corriente continua tienen gran importancia histórica debido a que su empleo como generadores representaron el primer procedimiento para producir energía eléctrica a gran escala. En la actualidad, el modo de funcionamiento más característico de las máquinas de corriente continua lo constituye su empleo como motor. La ventaja fundamental de los motores de corriente continua frente a los motores de corriente alterna se debe a su mayor grado de flexibilidad para el control de la velocidad y del par, lo cual hace muy interesante su aplicación, en diversos accionamientos industriales: trenes de laminación, tracción eléctrica etc. (aplicaciones que necesitan velocidad variable) En España, la tracción eléctrica se realiza a 3.000 V de corriente continua en los ferrocarriles, y a unos 600 – 1.000 V en los trenes metropolitanos “Metro”. El AVE, en cambio, funciona con corriente alterna monofásica El empleo como generador en c.c. está prácticamente obsoleto debido a que la c.a. presenta más ventajas para la generación, transporte y distribución de la energía eléctrica que la c.c., debido a la sencillez y economía que supone el uso de transformadores para convertir Tensiones de un valor a otro. Hoy en día con el progreso de la electrónica, cuando se necesita corriente continua para una aplicación determinada, se recurre al empleo de Rectificadores de Silicio que transforman la corriente alterna de la red, en corriente continua, de forma estática y con un gran rendimiento.

6.1.- Aplicaciones de los motores de Corriente Continua. A la hora de elegir el tipo de motor más idóneo para una aplicación concreta tendremos que tener en cuenta: a) La velocidad: constante, variable o regulable. b) El par de arranque: inferior, igual o mayor que el par nominal

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c) La corriente punta de arranque: valor máximo de la corriente en la conexión del motor a la red) Las características de velocidad, par y funcionamiento, la característica mecánica, permiten obtener el motor más apropiado para una aplicación. Los motores de corriente continua se aplican en barcos y automóviles y sólo disponen de este tipo de energía eléctrica lo que hace que sean importantísimos. La corriente eléctrica es necesaria en procesos electroquímicos, galvanoplasia etc. MOTOR DERIVACIÓN Su velocidad se mantiene constante independientemente de la carga. Se emplea en máquinas donde la velocidad debe mantenerse constante, como en, máquinas herramientas (tornos, fresas, taladros, etc.) y en máquinas de elevación en las que la carga puede ser suprimida bruscamente. El par es proporcional a la corriente. Es un motor autorregulable en velocidad. MOTOR SERIE Es más conveniente para tracción eléctrica por las siguientes razones: -

Gran para necesario para el arranque. El motor serie, según la característica del par, es el que da mayor incremento de par motor para un determinado incremento de corriente.

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La velocidad varía con la carga de forma que el producto M.W es prácticamente constante.

No podrá usarse donde pueda existir peligro de embalamiento. MOTOR COMPOUND Por sus características entre el de serie y el de derivación, el motor de excitación compuesta se puede emplear para cualquier uso, siendo su aplicación característica aquella en la que no puede variar mucho la velocidad, y a la vez se necesite un fuerte par de arranque. 29