Tema 48 – Máquinas eléctricas de corriente continua

Índice

1. Introducción. 2

1.1. Inducción electromagnética. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2. Fuerza electromagnética. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2. Constitución de las maquinas eléctricas rotativas. 3

2.1. Rotor, estator y carcasa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2. Devanados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.3. Colector de delgas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

3. Funcionamiento de los generadores de corriente continúa. 6

3.1. Reacción del inducido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.2. Excitación de los generadores de c.c. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

4. Funcionamiento de los motores de corriente continúa. 8

4.1. Características Par-Velocidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4.2. Regulación de velocidad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4.3. Inversión del sentido de giro. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

5. Balance de potencias. 10

5.1. Rendimiento de una maquina eléctrica de c.c. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

6. Aplicaciones. 10

6.1. Aplicaciones de los motores de Corriente Continua. . . . . . . . . . . . . . . . 11

7. Bibliografía. 12

1. Introducción.

Las maquinas eléctricas son el resultado de una aplicación inteligente de los principios del electromagnetismo y en particular de la ley de inducción de Faraday. Las maquinas eléctricas se caracterizan por tener circuitos eléctricos y magnéticos entrelazados. Durante todo el proceso histórico de su desarrollo, determinaron el movimiento de todos los avances en ingeniería eléctrica, merced a su aplicación en los campos de generación, transporte y utilización de la energía eléctrica.

Las maquinas eléctricas realizan una conversión de energía de una forma a otra, una de las cuales, al menos es eléctrica. En base a este punto de vista, estrictamente energético, es posible clasificarlas en tres tipos fundamentales:

1. Generador: 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 eléctrica.

2. Motor: Transforma la energía eléctrica en mecánica. La acción se desarrolla introduciendo una corriente en la maquina por medio de una fuente externa, que interacciona con un campo magnético produciendo un movimiento en la máquina.

3. Transformador: Que transforma una energía eléctrica de entrada con determinadas magnitudes de tensión y corriente en otra energía de salida con magnitudes diferentes

Los generadores y motores tienen un acceso mecánico y por ello son máquinas dotadas de movimiento, por el contrario los transformadores son máquinas eléctricas que tienen únicamente accesos eléctricos y son máquinas estáticas.

En el estudio de las maquinas eléctricas de corriente continua, solo cabe el estudio de los generadores de corriente continua y los motores de corriente continua, ya que los transformadores solamente funcionan con corriente alterna.

Los motores y generadores eléctricos son máquinas dotadas de movimiento rotativo, por lo que se suelen llamar maquinas eléctricas rotativas.

1.1. 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.

dónde:

dφ eind = −N dt

eind es el voltaje inducido en la bobina.

N es en número de vueltas de la bobina.

φ es el flujo magnético que atraviesa 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.

1.2. 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)

2. Constitución de las maquinas eléctricas rotativas.

2.1. Rotor, estator y carcasa.

En términos generales, se puede decir que una maquina eléctrica rotativa, se compone de dos partes. Hay una parte fija que se denomina estator y que tiene forma cilíndrica hueca. En la cavidad del estator, se coloca el rotor que, como su nombre indica, es la parte giratoria de la máquina. El rotor se monta en un eje que descansa en dos rodamientos o cojinetes, estos normalmente están montados en las culatas o tapas que están sujetas a la carcasa del estator. El espacio de aire que separa el estator del rotor, necesario paraqué pueda girar la maquina se denomina entrehierro, siendo el campo magnético existente en el mismo que constituye el medio de acoplamiento entre los sistemas eléctrico y mecánico.

Normalmente tanto en el estator como en el rotor existen devanados hechos con conductores de cobre por los que circulan las corrientes suministradas o cedidas a un circuito exterior que constituye el sistema eléctrico. Uno de los devanados tiene por misión crear un flujo magnético en el entrehierro y por ello se denomina inductor. El otro devanado recibe el flujo del primero y se inducen en el corrientes que se cierran por el circuito exterior y se denomina inducido. Lo mismo puede situarse el inductor en el estator y el inducido en el rotor o viceversa, lo que realmente cuenta es el movimiento relativo entre ambos devanados, su situación la determinan el tipo de máquina de la que se trate. En las máquinas de c.c. el inducido se situ a en el rotor y el inductor en el estator.

Desde el punto de vista de la construcción, el estator tiene su parte exterior cubierta por la carcasa, a la que se unen los pies y dispositivos de fijación de la máquina. La forma de la carcasa varıa de un constructor a otro, estando condicionada por el sistema de refrigeración y por la protección exigible en el lugar de trabajo.

El estator y el rotor se construyen con material ferromagnético, de tal forma que para evitar pérdidas en el hierro suelen realizarse con chapas magnéticas de acero al silicio, convenientemente ranuradas para alojar en su interior a los devanados correspondientes.

Desde el punto de vista de configuración física, las maquinas eléctricas de corriente continua adoptan la siguiente forma:

Figura 1: Configuración física.

La superficie del estator presenta unos salientes magnéticos denominados polos que están provistos a su vez de unas expansiones o cuernos polares, en estos polos se sitúa el devanado inductor recorrido por corriente continua, creando un campo magnético que puede asimilarse al que produce un imán permanente. En la figura se muestra una máquina de dos polos y otra de cuatro polos.

2.2. Devanados.

Se denomina devanados de una maquina eléctrica, a los arrollamientos del inductor y del inducido. El material para la realización de las bobinas suele ser el cobre en forma de hilo esmaltado, en máquinas pequeñas y en forma de pletina en máquinas de gran potencia, cuyo aislamiento se realiza cubriéndolas con hilo de algodón.

Los devanados inductores de las máquinas de c.c. se ejecutan en forma de arrollamiento

concentrado, devanando una bobina alrededor de los polos.

Los inducidos en las máquinas de c.c. se ejecutan en forma de arrollamientos distribuidos para cubrir toda la periferia de la maquina situando las bobinas en las ranuras practicadas al efecto. Hoy en día solamente se emplean los devanados en tambor, donde la totalidad de los conductores están colocados en la superficie exterior del cilindro ferromagnético que forma el inducido.

Los devanados de las máquinas de c.c. son cerrados, lo cual indica que el bobinado se cierra sobre sí mismo sin principio ni fin. Los devanados pueden ser imbricados y ondulados, dependiendo si se cruzan o no las partes de la bobina desde el lado del colector.

Figura 2: Devanados imbricados (a) y ondulados (b).

2.3. Colector de delgas.

Se ha indicado en el apartado anterior, que una maquina eléctrica rotativa está formada por dos partes denominadas estator y rotor, que llevan unos devanados que reciben el nombre de inductor e inducido. Para introducir o sacar corrientes de los bobinados situados en el estator de la máquina, basta con hacer unas conexiones fijas directas desde el sistema exterior; sin embargo para realizar esta operación con las bobinas del rotor es preciso recurrir a sistemas colectores, que difieren según sea la máquina de c.a. o c.c.

Los sistemas colectores se basan en hacer rozar unas escobillas de grafito sobre dos anillos de bronce que se encuentran conectados a las espiras giratorias. El circuito exterior se conecta a las escobillas.

Al estar las escobillas rozando los anillos colectores, se consigue que la corriente que circula por el circuito exterior, sea de la misma forma que la que se obtiene en la espira del inducido. Para evitar falsos contactos, existe un muelle que presiona ligeramente la escobilla a la superficie cilíndrica del anillo.

El colector de delgas es el órgano que caracteriza específicamente a las maquinas eléctricas de c.c. En este tipo de máquinas es necesario rectificar la corriente alterna que aparece en el inducido y convertirla en c.c. esto se consigue dividiendo el anillo colector en varias partes,

Figura 3: Colector.

conectando cada una a una espira del inducido. La conexión entre la escobilla y la espira cambia de posición según la posición espacial de la espira, lo que consigue extraer la corriente siempre en el mismo sentido para el circuito exterior.

De este modo con un colector de delgas se consigue transformar una señal en c.a. en c.c. Para obtener una señal de c.c. con menos rizado, se aumenta el número de delgas del colector con más bobinas en el inducido.

Las delgas son de cobre endurecido a las que se les da la forma adecuada para ser montadas en una estructura circular. Para evitar que las delgas puedan salirse del colector por la fuerza centrıfuga se construyen de forma de cola de milano. Las delgas van aisladas entre sı por separadores de mica y también están aisladas del cilindro soporte por laminas del mismo dieléctrico.

Figura 4: Arrollamiento imbricado, conectado a un colector de delgas.

3. Funcionamiento de los generadores de corriente continúa.

Para explicar el funcionamiento de los generadores de corriente continua, partiremos de un sistema formado por una espira conductora dentro de un campo magnético.

Consideremos el esquema de la figura, donde una espira gira a una velocidad ω( rad ) dentro

del campo magnético B~

de un imán permanente. Los extremos de la espira van a parar a dos

anillos de bronce que rozan sobre las escobillas de grafito, a las cuales se conecta un circuito exterior. Los vectores B~ , inducción magnética, y S~ superficie de la espira, forman en un momento determinado un ángulo eléctrico α.

El flujo magnético que atraviesa la espira será:

φ = B · S · cosα = B · S · cos(ω · t) = φ0 · cos(ω · t)

Según la Ley de Faraday la f.e.m. inducida en la espira será:

dφ

E = − dt = −

d[φ0 · cos(ω · t)] = ω · φ · sen(ω · t) = E · sen(ω · t)

El giro de una espira dentro de un campo magnético produce una corriente alterna senoidal en la espira.

E = E0 · sen(ω · t)

El sentido de la corriente cambia con la posición de la espira dentro del campo magnético. Para conseguir una corriente continua lo que se hace es en lugar de conectar los extremos de

la espira a los anillos colectores se conectan a un colector de delgas, es decir un anillo formado por dos semianillos aislados eléctricamente. De esta manera se consigue que cuando el sentido de la corriente cambia dentro de la espira, se produzca una conmutación de manera que en el circuito exterior la corriente circula siempre en el mismo sentido.

La corriente obtenida de esta manera es unidireccional, pero aún tiene una gran variación con el tiempo, para evitar que tenga tanta componente alterna, lo que se hace es colocar más espiras y dividir el delgas en más partes, de esta manera se consigue una corriente más uniforme.

Figura 5: Onda para un generador con dos espiras y colector de delgas.

3.1. Reacción del inducido.

Cuando un generador de c.c. funciona en vacío solamente hay que vencer la inercia del arranque y los rozamientos del sistema. Cuando los bornes de generador se conectan a un circuito exterior con carga, la corriente empieza a circular por las espiras del rotor. La corriente que circula por estas espiras crea, según la Ley de Lenz, un campo magnético que se opone al campo inductor. Esto es lo que se conoce como reacción del inducido. Aparece un par resistente que hay que vencer desde el sistema mecánico exterior, para mantener la maquina girando.

Otro efecto de la reacción del inducido, es la deformación del campo eléctrico en el entrehierro. La reacción del inducido deforma la curva de inducción debajo de cada polo, reforzando el campo en un lado del polo y debilitándolo en el otro. Si la maquina no está saturada esta deformación no modifica su f.e.m., pero si el circuito magnético inductor esto disminuye su f.e.m. Además esta deformación produce una desviación de la línea neutra magnética de la máquina, provocando chisporroteo en el colector de delgas, ya que ahora la conmutación no se produce en la línea neutra. La desviación de la línea neutra será mayor cuando mayor sea la corriente que circula por el rotor, es decir depende de la carga del circuito exterior. Cuando la maquina trabaja como generador la desviación es en el sentido de rotación.

Para evitar esto se emplean los llamados polos intermedios, o polos de conmutación, que son pequeños polos que deben producir una neutralización del campo generado por el inducido.

3.2. Excitación de los generadores de c.c.

Desde el punto de vista de comportamiento y condiciones de trabajo, tiene gran importancia la forma en que se conectan entre sı los devanados inductor e inducido y así se distinguen:

Maquinas con excitación independiente.

Maquinas auto excitadas.

• Maquinas serie, en las que el inductor esta en serie con el inducido; en este caso el devanado de excitación está preparado con pocas espiras de hilo grueso, ya que circulara por el la corriente total de la máquina.

• Maquinas shunt o derivación, en las que el devanado inductor se conecta directamente a los terminales de la máquina, quedando en paralelo con el inducido; en este caso el devanado de excitación está formado por arrollamientos de hilo delgado con

gran número de espiras.

• Maquinas compound, en las que la excitación total esta

dividida en dos devana

dos, uno colocado en serie y otro en paralelo. Según que el devanado en derivación

este conectado directamente a las escobillas del inducido o después del devanado en serie, se obtienen las maquinas compound corto o compound largo respectivamente.

Figura 6: Tipos de excitación.

La autoexcitación de los generadores de c.c. fue descubierta por W.Siemens en 1.866, y se basa en el magnetismo remanente de los polos.

4. Funcionamiento de los motores de corriente continúa.

La diferencia esencial entre un generador y un motor de corriente continua es la utilización de la máquina, que dependerá de la transformación de energía, que en el motor será de energía eléctrica en mecánica.

Cuando un motor está en marcha, su velocidad y su Par vienen impuestos por las características de la carga, y definidos por su comportamiento.

La velocidad de funcionamiento es un factor muy importante, y esta

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 par-velocidad del motor y de la carga para determinar si un motor es apropiado para una determinada aplicación.

Los tipos de excitación de los motores de c.c. son los mismos que los generadores, por lo que una misma maquina funciona como generador o como motor.

4.1. Características Par-Velocidad.

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

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. ACELERACION Perıodo 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).

4.2. Regulación de velocidad.

La velocidad de un motor de c.c. viene determinada por el punto donde se iguala el par motor con el par resistente, si queremos variar la velocidad manteniendo el par constante, podemos usar los siguientes métodos:

Regulación por resistencia: Intercalando una resistencia en serie con el inducido.

Regulación por control de tensión: Variando la tensión de alimentación.

Regulación por reóstato: Actuando sobre el flujo útil, regulando la corriente de excitación

por medio de un reóstato.

4.3. 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 paraqué 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.

5. Balance de potencias.

De la potencia total absorbida por la máquina de c.c. (tanto motor como generador), una parte de ella se pierde en el proceso de transformación. La potencia útil de una maquina es siempre menor que la potencia absorbida. Podemos identificar tres factores principales de pérdidas.

Perdidas en el cobre: Son las pérdidas que se producen en los conductores que forman los circuitos eléctricos de la máquina. Se deben al efecto Joule; los continuos choques de electrones dentro del conductor producen un aumento de la temperatura de los conductores.

Perdidas en el hierro: Las pérdidas en el hierro pueden ser de dos tipos diferentes:

Perdidas por histéresis, que representan la energía que se pierde en forma de calor

a causa de la magnetización cíclica del hierro.

Perdidas por corrientes para sitas o de Foucault, debidas a las corrientes inducidas en el hierro.

Para reducir la potencia perdida por histéresis se debe emplear chapa ferromagnética de calidad garantizada. Para reducir las pérdidas por corrientes parasitas, las partes de hierro de las maquinas eléctricas se construyen con chapas de muy reducido espesor convenientemente aisladas entre sí.

Perdidas meca nicas: Las pérdidas mecánicas las producen el movimiento existentes entre las distintas partes de la máquina. Pueden ser de los siguientes tipos:

Perdidas por rozamiento en los cojinetes.

Perdidas por rozamiento en las escobillas.

Perdidas por rozamiento con el aire y por ventilación.

5.1. Rendimiento de una maquina eléctrica de c.c.

El rendimiento de una maquina eléctrica es la relación que existe entre la potencia útil suministrada por la maquina (Pu)y al potencia que absorbe para su funcionamiento(Pa ).

Pu

η =

Pa

6. Aplicaciones.

res.

Las maquinas eléctricas de corriente continua se utilizan como Generadores o como Moto

Las máquinas de corriente continua tienen gran importancia histórica debido a que su empleo como generadores representó 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. esta 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:

La velocidad: constante, variable o regulable.

El par de arranque: inferior, igual o mayor que el par nominal

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 so lo disponen de este tipo de energía eléctrica lo que hace que sean importantísimos. La corriente eléctrica es necesaria en procesos electroquímicos, galvanoplastia etc.

MOTOR DERIVACION Su velocidad se mantiene constante independientemente de la carga.

Se emplea en máquinas donde la velocidad debe mantenerse constante, como en, maquinas 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:

1. Gran par 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.

2. La velocidad varıa con la carga de forma que el producto M · ω es prácticamente constante.

No podrá usarse donde pueda existir peligro de embalsamiento.

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.

7. Bibliografía.

Jesús Fraile Mora, Maquinas eléctricas 3a Edición. Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos Canales y Puertos-1995