MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA CONTINUA:: CONSTITUCIÓN, FUNCIONAMIENTO Y APLICACIONES CARACTERÍSTICAS
INDICE 1.- Introducción 2.- Clasificación de las máquinas eléctricas. 3.- Principios fundamentales. 4.- Constitución de las máquinas de cc. 5.- Funcionamiento de las máquinas de c.c. 6.- Reacción del inducido. Pérdidas. 7.- Clasificación de las máquinas de c.c.. 7.1.- M. de excitación independiente. 7.2.- M. serie. 7.3.- M. derivación. 7.4.- M. de excitación compuesta. 8.- Arranque de motores. 9.- Regulación de la velocidad de motores. 10.- Inversión del sentido de giro de los motores. 11.- Frenado de motores.
INTRODUCCIÓN • Las máquinas eléctricas se vienen empleando desde principios del siglo pasado, a partir de la construcción de las primeras centrales de generación de energía por parte de Thomas.A. Edison. • Posteriormente, las máquinas de continua perdieron la hegemonía al aparecer las máquinas de corriente alterna, una energía que se transporta más fácilmente. • Hoy en día, se emplean en algunas aplicaciones industriales concretas, y en general, para todo tipo de aparatos electrónicos, en los que los componentes son alimentados por corriente continua.
CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS • Las máquinas eléctricas se pueden clasificar en: 1.- Máquinas estáticas: Transformadores. Su función es transformar la tensión o corriente de entrada en un valor de mayor, menor o igual magnitud en la salida. 2.- Máquinas dinámicas: Estas pueden ser: 2.1.- Generadores. Transforman la energía mecánica en energía eléctrica. 2.2.- Motores. Transforman la energía eléctrica en energía mecánica.
PRINCIPIOS FUNDAMENTALES • Inducción electromagnética. En este principio se basa el funcionamiento de las dinamos.Cuando un conductor se mueve en el seno de un campo magnético cortando las líneas de campo, se genera una fuerza electromotriz inducida cuyo valor aumenta con la variación de flujo. E = - dØ / dt. • De esta expresión se puede deducir que esta f.e.m. Inducida es proporcional al campo, a la longitud del conductor y a la velocidad de desplazamiento. E=Blv
PRINCIPIOS FUNDAMENTALES • Fuerza electromagnética. En este principio se basa el funcionamiento de los motores c.c..Todo conductor recorrido por una corriente y bajo la acción de un campo magnético, se ve sometido a una fuerza magnética, que se puede expresar cuando el conductor y el campo son perpendiculares: F=Bli • Se puede obtener el par electromagnético, en el caso de un motor de radio r, como: M=Blir
CONSTITUCIÓN DE LAS MÁQUINAS DE C.C. 1.-Inductor o estator. Es la parte estática de la máquina. Se compone de: - Culata o yugo. Esta corona forma la carcasa de la máquina y encierra todas las piezas. Se fabrica en fundición o acero dulce. - Polos inductores. Están compuestos normalmente por láminas muy delgadas de fundición, que forman un núcleo que acaba en forma de extensión polar o zapata, para un mayor aprovechamiento del flujo magnético. Son imanes permanentes o electroimanes. - Arrollamiento o devanado de cobre o aluminio que rodea a los polos inductores. - Polos auxiliares. De la misma constitución que los anteriores aunque menor tamaño, mejoran la conmutación, eliminando las chispas entre el colector y las escobillas.
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CONSTITUCIÓN DE LAS MÁQUINAS DE C.C. 2.-Inducido o rotor. Es la parte móvil de la máquina. Se compone de: - Rotor. Pieza cilíndrica maciza formada por láminas de fundición de décimas de milímetro de espesor, separadas entre sí por barniz u óxido. Tiene una serie de ranuras en su superficie para alojar a los devanados del inducido. Esta pieza está unida al eje del motor. - Devanados del inducido. Son arrollamientos de hilo o pletina de cobre o aluminio, separados entre sí eléctricamente por una resina y colocados en el rotor formando un sistema de doble capa, imbricado u ondulado. Los extremos de cada arrollamiento van a unirse al colector de delgas.
CONSTITUCIÓN DE LAS MÁQUINAS DE C.C.
CONSTITUCIÓN DE LAS MÁQUINAS DE C.C. • En las ranuras del rotor se sitúan los conductores que forman los devanados del inducido. Se conectan formando arrollamientos múltiples o imbricados o arrollamientos ondulados. • Los imbricados consisten en conectar un extremo de una bobina a una delga y el otro extremo a otra, disponiendo del mismo número de delgas en el colector que de bobinas el inducido. Precisan de tantas escobillas como polos. • Los ondulados sólo precisan del dos escobillas, aunque se suelen instalar tantas como polos. • La diferencia entre ambos arrollamientos es que en el imbricado las conexiones se realizan superpuestas, mientras que en el ondulado se realizan hacia adelante
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Arriba izda- Ranuras del rotor con devanados del inducido. Arriba derecha. – Motor con arrollamiento imbricado. Abajo derecha. Motor con Arrollamiento ondulado.
CONSTITUCIÓN DE LAS MÁQUINAS DE C.C. 3.- Colector de delgas. Es un conjunto de piezas de cobre de forma trapezoidal, separadas entre sí por láminas de mica, formando un conjunto cilíndrico que rodea el eje. Cada pieza metálica está unida a uno de los extremos de cada espira del rotor. El conjunto va rozando con las escobillas. 4.- Sistema de escobillas. Se trata de un sistema sujeto al estator y que permite a través de unas piezas de carbón que rozan con el colector de delgas, conectar eléctricamente la caja de bornes con los devanados del rotor. 5.- Entrehierro. Se llama así al espacio existente entre las extensiones polares y el inducido. 6.- Cojinetes. Son piezas de acero que sirven de apoyo y fijación al eje de la máquina, y que pueden ser de rodadura o de deslizamiento. 7.- Bancada. Es la parte que permite la fijación del motor, y que trata de evitar desplazamientos o vibraciones excesivas.
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FUNCIONAMIENTO DE UNA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA • Funcionamiento del generador. Se basa en las leyes de inducción magnética, según las cuales cuando una espira se mueve cortando las líneas de flujo de un campo magnético, aparece en ella una f.e.m. Inducida y se ve atravesada por una corriente. El sentido de la corriente viene dado por la dirección de las líneas de campo y el movimiento de la espira. E = B. L. v • En un generador, una fuerza externa mueve al eje, provocando que los devanados del inductor corten las líneas de campo entre los polos del inductor. Esto induce una corriente en los devanados del rotor, que a través del colector de delgas y las escobillas alimenta un circuito exterior.
FUNCIONAMIENTO DE UNA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA •
Cada devanado del inducido, al estar en movimiento, se verá atravesado desigualmente por las líneas de campo a lo largo del tiempo, por lo que la f.e.m. Inducida tendrá forma senoidal. Para obtener una señal continua se emplean el colector de delgas y las escobillas. • Las escobillas son dos trozos de carbón que sólo recogen la corriente inducida de un devanado en cada momento. El generador se diseña de tal manera que las escobillas recojan siempre la señal de los devanados que mayor magnitud presenten, por lo que en el exterior se obtendrán valores continuos de tensión y corriente. • La f.e.m. Inducida viene expresada por E = N .Ø. n/60.p/c Siendo N = nº de conductores n = velocidad en r.p.m. Ø = flujo p = pares de polos C = pares de ramas en Paralelo del inducido
FUNCIONAMIENTO DE UNA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA
FUNCIONAMIENTO DE UNA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA • Funcionamiento del motor. Cuando a través de las escobillas y el colector se aplica una tensión a los devanados del inducido, estos se ven atravesados por una corriente. Como se encuentra en el seno de un campo magnético, se produce una fuerza que empuja las espiras del inducido según la fórmula F = B . L. I. • Para que el par de fuerzas en el inducido sea máximo, se aplica a través de las escobillas corriente al devanado que se encuentre en la posición de mayor aprovechamiento.
REACCIÓN DEL INDUCIDO Y PÉRDIDAS • Reacción del inducido. Existe una diferencia de potencial entre la f.e.m. inducida en los devanados del rotor y los bornes de la máquina. Parte de esta pérdida se debe al efecto Joule, por la resistencia eléctrica de los devanados y otras partes eléctricas. Sin embargo, la mayor parte se debe a que se crea otro campo magnético en el entrehierro debido al paso de una corriente por el inducido. Esto da lugar a que el campo creado por el inductor se vea distorsionado por el del inducido, disminuyendo el flujo neto. • Esta situación produce un traslado de la línea neutra magnética, que deja de estar perpendicular a los polos magnéticos para desplazarse ligeramente, lo que obliga también a un desplazamiento de las escobillas.
REACCIÓN DEL INDUCIDO Y PÉRDIDAS • Además de la reacción del inducido, se producen una serie de pérdidas en la máquina debidas a diversos factores. Así encontramos: - Pérdidas en el hierro. Se producen por histéresis magnética y corrientes de Foucault en todas las zonas de la máquina atravesadas por un flujo variable. - Pérdidas mecánicas. Debidas al roce en los cojinetes, en el aire, etc. - Pérdidas eléctricas. Por la resistencia de los devanados, se pierde parte de la energía en forma de calor por efecto Joule. • Rendimiento. Se define como la relación de la potencia útil y la absorbida por la máquina, que además de la útil suma las pérdidas.
CLASIFICACIÓN DE LOS MOTORES DE C.C. • El funcionamiento de un motor de corriente continua se caracteriza por su régimen de funcionamiento nominal, en carga, así como su respuesta en vacío y con cargas superiores. Por esto se representa siempre con las gráficas tensión-intensidad y par-velocidad. • Estas características dependen de la conexión de sus devanados del inductor y del inducido. • Así tenemos: 1.- Motores de devanados de excitación independiente. 2.- Motores de devanados de excitación derivación o Shunt. 3.- Motores de devanados de excitación serie. 4.- Motores de devanados de excitación compuesta o Compound.
CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE C.C. 1.- Máquinas de excitación independiente. Sus devanados del inductor y del inducido están conectados a fuentes diferentes, en el caso de motores.
- Cuando actúa como generador se caracteriza por presentar una tensión en bornes casi constante e independiente de la carga. Se aplica en la industria como alimentador de motores de máquinas que trabajan en regímenes de carga muy diferentes, como por ejemplo, en laminadoras, excavadoras,etc.
CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE C.C. - Cuando actúa como motor, presenta una constancia en la velocidad independiente de la carga. Su campo de aplicación está indicado para el movimiento de máquinas – herramientas. También se emplea en la circuitos electrónicos de regulación automática.
CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE C.C. • 2.- Máquinas de excitación derivación. Sus devanados se conectan en paralelo a una misma fuente, en el caso de los motores.
- Los generadores presentan una tensión de salida, que si bien no es tan constante como el de excitación independiente, si se mantiene en valores próximos. Es el más empleado por soportar bien los cortocircuitos de línea y presentar tensión constate. Se emplea como generador auxiliar, para cargar baterías,etc.
CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE C.C. - Cuando funciona como motor tiene un funcionamiento similar al de excitación independiente, con valores de velocidad constante que no dependen de la carga, lo que le hace muy aprovechable para máquinas que trabajan con cargas variables, como las máquinas herramientas.
CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE C.C. 3.- Máquinas de excitación serie. Se caracterizan porque los devanados del inducido y el inductor van conectados en serie.
- Cuando actúan como generador son muy inestables, variando mucho la tensión según la carga. Nunca se emplean como fuente de alimentación constante. Sólo interesa como elemento de apoyo para mantener constante la tensión al final de una línea.
CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE C.C. - Cuando trabaja como motor tiene una característica muy variable, con tendencia a embalarse en vacío y pararse cuando se sobrepasa cierto valor de carga. - Tiene la ventaja de presentar un gran par de arranque. - Se aplica en tracción eléctrica, grúas y montacargas, todos máquinas que trabajan en con valores de carga constantes.
CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE C.C. 4.- Máquinas de excitación compuesta. En estas, una parte de los devanados del inductor están en serie con los del inducido, y la otra parte en paralelo con el conjunto. Esto hace que presente propiedades intermedias entre las máquinas serie y paralelo.
- Generador. Presenta características similares al generador derivación cuando trabaja en vacío, ya que sólo emplea el devanado conectado en paralelo. Cuando actúa en carga, suele presentar valores intermedios a los generadores derivación y serie. Se emplea para aplicaciones variadas.
CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE C.C. - Motor. Presenta características intermedias entre el derivación y el serie. Uno de los más empleados es el compound aditivo, en el que se suman los flujos de los devanados, presentando un buen par de arranque y poca variación de la velocidad con los cambios de carga. Se aplica en sevicios que requieren esfuerzos grandes, como grúas, trenes de laminación, etc.
ARRANQUE DE MOTORES DE C.C. • En un motor de corriente continua, en el momento del arranque, al ser la velocidad de giro nula, no se genera fuerza electromotriz. Por lo tanto, la corriente demandada por el motor en ese instante será muy elevada, ya que únicamente está limitada por la resistencia del inducido. • V = E + I.R ; I = V – E / R; Si E = 0; I = V/R = I máx.. • Para evitar este efecto, se intercala en serie con el devanado inducido un reóstato de arranque, que es una resistencia cuyo valor disminuye a medida que aumenta la velocidad del motor. También se utilizan grupos de resistencias en serie que se van cortocircuitando a medida que la velocidad del motor aumenta.
REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD EN MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA • En los motores de continua, la f.e.m. se puede expresar: E = C1. Ø. N en donde C1= cte., Ø = Flujo y n = velocidad
angular
• Como V = E + I.R, tenemos que podemos sustituir E por V = C1. Ø. N + I.R. Si despejamos n tendremos: n = V – I.R / C1. Ø • Para variar la velocidad podemos: 1.- Modificar la tensión de alimentación del motor. Esto resulta posible gracias a los convertidores electrónicos, que conectan el inducido del motor a una fuente variable. 2.- Introduciendo resistencias en serie con el devanado del inducido. Este sistema empeora en gran medida el rendimiento del sistema, por la pérdida de potencia en las resistencias. 3.- Modificando el flujo magnético de excitación, intercalando para ello resistencias en serie con el devanado de excitación si es un motor derivación, y en paralelo si es un motor serie. También se puede conectar a los devanados del inductor un convertidor electrónico de tensión continua variable.
REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD EN MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Izquierda – Motor de excitación derivación con resistencia en serie con el inducido. Abajo. Regulación del flujo magnético de excitación. En a) la resistencia variable está en serie con Re; en b) se conecta en paralelo.
INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO EN MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA • Para cambiar el sentido de giro de un motor de continua basta intercambiar las conexiones del devanado del inducido. Esto se debe a que la fuerza que se origina en un conductor situado en un campo magnético es F = B. L. I, siendo vectorial el producto del campo y la intensidad. Para que cambie la fuerza es necesario cambiar el campo o la intensidad. • Si el cambio de giro se realiza con el motor parado, se pueden cambiar las conexiones en el devanado que se quiera. • Sin embargo, si se realiza en marcha, es conveniente que los devanados a cambiar sean los del inducido, ya que de otra manera se embalaría. • En este caso anterior, es conveniente también intercalar una resistencia en serie con el inducido, a fin de evitar el pico de corriente.
INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO EN MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
FRENADO DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA • Existen muchas aplicaciones en las que es necesario una desaceleración rápida, o una limitación de la velocidad, como en las grúas o ascensores. • Si un motor se desconecta sigue funcionando durante un tiempo, hasta que el rozamiento lo detiene. • Se puede parar rápidamente de manera mecánica, mediante frenos de disco o de tambor. • También se puede frenar de manera eléctrica, invirtiendo el sentido del par, aplicando el principio de reversibilidad de las máquinas de continua. • El frenado eléctrico puede ser de tres tipos: reostático o dinámico, regenerativo, o por inversión de la corriente o a contramarcha.
FRENADO DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA • El frenado reostático consiste en transformar la máquina en generador, transformando la energía mecánica en eléctrica, que se disipa en unas resistencias conectadas en paralelo con el inducido. • El frenado regenerativo. En este la inercia de rotación de la máquina se transforma en energía eléctrica que se cede a la red de alimentación de la máquina. • El frenado a contramarcha consiste en invertir el sentido del par electromagnético cuando el motor se encuentra en funcionamiento.