1. – INTRODUCCIÓN
2. – CONSTITUCIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA
3. – FUNCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA
3.1. – FUNCIONAMIENTO DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA DE CORRIENTE CONTINUA COMO GENERADOR
3.1.1. – SISTEMAS DE EXCITACIÓN DE LAS DINAMOS
3.2. – FUNCIONAMIENTO DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA DE CORRIENTE CONTINUA COMO MOTOR
3.2.1. – SISTEMAS DE EXCITACIÓN DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
3.2.2. – REGULACIÓN DE VELOCIDAD DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA.
3.2.3. – FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
3.2.4. – RENDIMIENTO DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA.
3.2.5. – INVERSION DEL SENTIDO DE GIRO.
3.2.6. – FRENADO DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
4. – APLICACIONES DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA
4.1. – APLICACIONES DE LOS GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA
4.2. – APLICACIONES DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
5. – CONCLUSIÓN
6. Bibliografía.
− Electrotecnia. Paraninfo
− Máquinas eléctricas. McGraw-Hill.
− Tecnología industrial 2. McGraw-Hill.
1. – INTRODUCCIÓN
Las máquinas eléctricas se han hecho imprescindibles en los tiempos actuales y comprenden desde los grandes alternadores situados en las centrales productoras de Energía eléctrica, hasta las máquinas empleadas en el transporte de viajeros y mercancías, en la industria, etc.
Las máquinas eléctricas son el resultado de una aplicación de los principios del electromagnetismo y en particular de las Leyes de Faraday, Lenz, Lorentz y Ohm.
Se entiende por máquina Eléctrica todo aparato que transforma la energía eléctrica en cualquier tipo de energía o viceversa, incluyendo también aquellos dispositivos que conservan la Energía Eléctrica transformando únicamente sus características. Ahora bien, como el tema a tratar es específico de las máquinas eléctricas de corriente continua, procederemos a dar una definición de las mismas.
Se denomina máquina eléctrica de Corriente Continua al convertidor electromagnético rotativo, que por los fenómenos de inducción y de par electromagnético, transforma la Energía Eléctrica continua en Energía mecánica actuando como motor o viceversa, la Energía Mecánica en Energía Eléctrica de siendo un generador.
Este tema tiene mucha importancia, por eso es tratado con profundidad en el currículo de bachillerato, dando nociones básicas en la ESO.
A lo largo del desarrollo del tema trataremos este tipo de máquinas, describiendo su constitución, funcionamiento y aplicaciones características.
2. – CONSTITUCIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA
En términos generales, se puede decir que una máquina eléctrica rotativa, se compone de dos partes, una fija, que se denomina estator y que tiene forma cilíndrica. En la cavidad del estator, se coloca el rotor, que es la parte giratoria de la máquina. El rotor se monta en un eje que descansa en dos cojinetes. El espacio de aire que separa el estator y el rotor, necesario para que pueda girar la máquina, se denomina entrehierro.
Normalmente, tanto en el estator como en el rotor existen devanados hechos con conductores de cobre por los que circulan corrientes suministradas o cedidas a un circuito exterior que constituyen el sistema eléctrico. Uno de los devanados tiene por misión crear un flujo en el entrehierro y por ello se denomina inductor. El otro devanado recibe el flujo del primero y se inducen en él corrientes que se cierran por el circuito y se denomina inducido. En las máquinas de corriente continua, ya se trate de un generador o motor, el inductor corresponde con el estator y el inducido con el rotor.
Para introducir o sacar corrientes de la máquina, basta con hacer unas conexiones fijas directas desde el sistema exterior a estos devanados. Para realizar esta operación es preciso recurrir a lo que se denomina
colector de delgas, formado por unas piezas de cobre denominadas delgas, sobre las cuales van colocadas unas escobillas, que establecen el contacto eléctrico entre las delgas del colector y el circuito exterior.
3. – FUNCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA
3.1. – FUNCIONAMIENTO DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA DE CORRIENTE CONTINUA COMO GENERADOR
A continuación, veremos cual es el funcionamiento del generador y como se lleva a cabo esta transformación. El principio de la dinamo viene dado por la Ley de Faraday, que dice que “Al moverse en el interior de un campo magnético un conductor, se induce en él una fuerza electromotriz”, que responde a la
siguiente expresión:
e = β ⋅ l ⋅ v
Donde: (e) es la fuerza electromotriz inducida, en voltios; (β), la inducción en Teslas; (L) la longitud del
conductor que corta las líneas de campo, en metros y (V) la velocidad del conductor en m/s.
En este caso es en el inductor donde se genera o excita el campo magnético y será el rotor, quien provisto de movimiento corte las líneas de dicho campo generando una fuerza electromotriz.
Si estudiamos una sola espira dando una vuelta completa en el interior del campo magnético, tendremos lo siguiente: Cuando la espira está horizontal, el flujo que cortan los conductores de la espira es nulo, ya que están a la misma distancia de los polos norte y sur. Esta zona donde los efectos de ambos polos se anulan, se denomina zona neutra. Si consideramos el giro a derechas, tendremos que los lados de cada espira están cortando el mayor número de líneas de fuerza y tendremos, por tanto, la máxima fuerza electromotriz Si seguimos girando, la fuerza electromotriz vuelve a ser nula, ya que los lados de la espira no cortan líneas de fuerza. En el siguiente giro, la fuerza electromotriz vuelve a ser máxima, pero invertida.
En la práctica lo que se hace es colocar más bobinas, y por tanto, más delgas así conseguiremos hacer que las fuerza electromotrices de las espiras se sumen, haciendo que la fuerza electromotriz sea mayor, y vendrá
dado por la siguiente expresión:
E = k ⋅ Φ ⋅ n
Donde (k) es la constante de la dinamo; (Ф) es el flujo por polo en Webbers y (n) la velocidad en revoluciones por minuto La constante de la dinamo (k), vendrá dada por la siguiente expresión:
k = P ⋅ N 30 ⋅ a
Donde (P) es el número de pares de polos; (a) el número de trayectorias y (N) el número de conductores.
3.1.1. – SISTEMAS DE EXCITACIÓN DE LAS DINAMOS
Como hemos visto que el principio de las dinamos consistía en el movimiento de un conductor en el interior de un campo magnético, este campo magnético hay que producirlo, y ello se consigue mediante una bobina con un núcleo de hierro, a la que se le suministra una corriente continua. Esta corriente recibe el nombre de corriente de excitación, y es más conocida aún por el nombre de excitación.
Algunas veces, en máquinas de pequeña potencia, el campo magnético es producido por un imán permanente, y en este caso, recibe el nombre de magneto. Un ejemplo seria en los generadores de las bicicletas.
Las dinamos de potencia se excitan mediante bobinas con núcleo de hierro, que guardan un cierto magnetismo remanente, y según la alimentación de estas bobinas, tenemos 2 grandes grupos:
• 1.- Dinamos con excitación independiente también llamados de excitación separada. Son aquellas en que la intensidad de excitación es proporcionada por una fuente ajena a la máquina. En este caso, si la velocidad de rotación permanece constante, se producirá una mayor o menor fuerza electromotriz aumentando o disminuyendo el flujo inductor.
• 2.- Dinamos autoexcitadas: reciben este nombre los generadores de corriente continua que producen su propia corriente de excitación, es decir, no necesitan de fuentes ajenas. Para el funcionamiento es necesario que exista un cierto magnetismo remanente, y para ello la primera vez se le debe suministrar corriente con una fuente ajena, operación que recibe el nombre de cebado. Dentro de este tipo de dinamos hay 3 tipos.
– Dinamos autoexcitadas en serie: son aquellas en que las bobinas de excitación van en serie con el inducido, de modo que la totalidad de la corriente que circula por el inducido pasa por el inductor, así es igual la intensidad de la carga, de la excitación y del inducido.
– Dinamos autoexcitadas en derivación o shunt: consiste en colocar las bobinas de excitación en paralelo con el inducido de forma que parte de la corriente que produce se invierte en crear el campo magnético. Como la intensidad que circula por el inductor es pequeña, para obtener un número suficiente de amperios-vuelta, el devanado inductor se construye con muchas espiras de hilo fino. Se verifica que la intensidad del inducido es la suma de la excitación y la carga con esta expresión
I1 = Ie + I
en las máquinas generadoras de excitación por derivación se coloca en serie con el inductor un reóstato para regular la corriente de excitación.
– Dinamos con autoexcitación compuesta: son los que llevan conjuntamente la excitación serie y paralelo. Se les conoce dinamos compound. La forma de establecer las conexiones puede ser de dos maneras. En la primera, el devanado shunt parte del devanado serie, llamándose así derivación larga, que apenas se emplea. En la segunda, el devanado shunt parte directamente de las escobillas independientemente del devanado serie y se llama derivación corta, que es más sencilla y más utilizada. En este tipo de máquinas se cumple:
Las dinamos con autoexcitación compuesta, se pueden clasificar, además como aditivos, si los efectos del campo magnético se suman, o diferenciales, si se restan.
3.2. – FUNCIONAMIENTO DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA DE CORRIENTE CONTINUA COMO MOTOR
Ya definimos anteriormente, los motores eléctricos como las máquinas capaces de transformar la energía eléctrica suministrada en bornes, en energía mecánica en el eje.
El principio de funcionamiento de los motores de corriente continua está basado en la fuerza (F), producida sobre un conductor de longitud (L) que transporta una corriente (I) al introducirlo en el interior de un campo
magnético beta ( β ).La Ley de Laplace tiene esta expresión F = β ⋅ I ⋅ L
La fuerza total producida en el rotor es la suma de las fuerzas parciales producidas sobre cada conductor y al tener un eje de giro, estas fuerzas darán lugar a un par de rotación, que será igual a la fuerza (F) por la distancia al eje de giro, que es el radio (R). Su expresión es
Par = Fuerza ⋅ radio
En los motores de corriente continua en funcionamiento el inducido, se mueve en el interior del campo magnético, luego según el principio de la dinamo, por el hecho de moverse un conductor en el interior de un campo magnético, se induce en él una fuerza electromotriz, que además, según la ley de Lenz, se opone a la causa que lo produce, será por tanto, de sentido contrario a la tensión aplicada en bornes, y se denominará fuerza contraelectromotriz. La relación entre estos dos factores se conoce con el nombre de ecuación del receptor y será:
U = Ec + Ii ⋅ Ri
Donde U es la tensión de la fuente de alimentación; Ec la fuerza contraelectromotriz inducida; Ii la intensidad del inducido y Ri la resistencia del inducido, incluyendo bobina, escobillas y delgas.
La fuerza contraelectromtriz al igual que en las dinamos, es igual a
Ec = k ⋅ Φ ⋅ n
3.2.1. – SISTEMAS DE EXCITACIÓN DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
En el funcionamiento de la máquina de corriente continua como motor no puede hablarse de autoexcitación, porque la corriente del inductor, como la del inducido vienen de la red de alimentación del motor, y se clasifica el motor por la conexión de sus devanados inductor e inducido. Se obtienen así 4 tipos de motores:
• Motor de excitación independiente, cuando la fuente de alimentación del inductor es distinta a la del inducido.
• Motor de excitación serie, o simplemente motor serie si ambos devanados están conectados en serie.
• Motor derivación si el devanado inductor y el inducido están conectados en derivación.
• Motor compuesto, cuando el inductor comprende dos tipos de bobinas, unas en serie con el inducido y otras en paralelo.
3.2.2. – REGULACIÓN DE VELOCIDAD DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA.
La principal ventaja que presentan los motores de corriente continua es su fácil regulación de velocidad, ya que ésta puede variar desde cero hasta un valor muy elevado, que vendrá limitado por las características mecánicas de construcción.
Para ver que factores intervienen en la regulación de velocidad de un motor de continua, tendremos que relacionar las siguientes expresiones:
La Ecuación del receptor con fórmula: U = Ec + Ii ⋅ Ri
Y la Fuerza contraelectromotriz, con fórmula:
Ec = k ⋅ Φ ⋅ n
Sustituyendo en la ecuación del receptor la fuerza contraelectromotriz y despejando la velocidad, tenemos esta expresión:
n = U − Ii ⋅ Ri k ⋅ Φ
Es decir, que la velocidad de un motor de continua puede regular variando la tensión de alimentación (U), la resistencia del inducido (Ri) o el flujo (Ф). En la práctica la variación de la resistencia del inducido sólo se emplea para pequeños períodos de regulación, como en el arranque, ya que las pérdidas por el efecto Joule serian grandes.
3.2.3. – FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
En el funcionamiento de un motor con carga se pueden distinguir 3 fases:
1. Arranque donde el motor se conecta a la red eléctrica y se presentan 2 pares, el par interno de arranque y el par resistente de arranque. Se debe cumplir que el par interno debe ser mayor que el resistente, sino el sistema no se pondrá en marcha.
2. Aceleración siendo el 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 vencer el par resistente y además debe acelerar el sistema contrarrestando el par de inercia.
3. Marcha de régimen donde un motor alcanza su marcha de régimen cuando su velocidad bajo la carga nominal es constante.
3.2.4. – RENDIMIENTO DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA.
Cuando conectamos un motor de corriente continua a la red, éste absorbe una potencia cuyo valor es igual a la intensidad por el voltaje. De esta potencia, una parte se pierde en forma de calor en los devanados del inducido y del inductor. A estas pérdidas se les conoce como pérdidas en el cobre.
Si a la potencia absorbida le restamos la potencia que se pierde en el cobre, obtenemos la potencia eléctrica. Si a esta potencia eléctrica le quitamos la potencia que se pierde en el hierro por histéresis, las perdidas por las corrientes de Foucault y las pérdidas mecánicas, la potencia que obtenemos se denomina potencia útil, y es la potencia que el motor suministra al eje.
La relación entre la potencia útil y la potencia absorbida, expresada en porcentaje, es rendimiento = P útil – P absorbida ⋅100
3.2.5. – INVERSION DEL SENTIDO DE GIRO.
La inversión en un motor de corriente continua con circuito de excitación no se realiza cambiando la polaridad de los conductores de alimentación, sino que se actúa sobre el inducido con ayuda del reóstato de arranque, puesto que un cambio brusco de giro supone un incremento fuerte de la corriente absorbida por el inducido y un golpe de corriente en la red.
3.2.6. – FRENADO DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
El frenado se basa en el principio de reversibilidad que tienen estas máquinas, ya que al frenar el motor pasa a ser generador lo que invierte el sentido de giro del par motor. Este frenado se llama frenado eléctrico y se puede hacer por frenado reostático devolviendo la energía a unas resistencias de frenado o por frenado regenerativo que devuelve la energía a la línea de alimentación.
4. – APLICACIONES DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA
4.1. – APLICACIONES DE LOS GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA
• Generador con excitación independiente. Las aplicaciones de este generador son generales, siempre que se disponga de una alimentación de corriente continua independiente. No obstante, estas máquinas nunca deben trabajar en cortocircuito, pues existe el riesgo de quemarlas.
• Generador de excitación serie, en un generador serie, la tensión en bornes aumenta al aumentar la carga, por consiguiente, el generador serie es una máquina inestable y apenas se emplea industrialmente.
• Generador de excitación Shunt que se emplea cuando no hay cambios frecuentes y considerables de carga o bien cuando haya elementos compensadores, tales como generadores auxiliares, batería de acumuladores, etc.
• Generador con excitación Compound: tiene aplicación en las centrales para tracción eléctrica que precisan de una tensión constante, también, cuando las variaciones de la carga son muy bruscas, como
sucede en los talleres con laminadores, grúas de gran potencia, etc, y en pequeñas instalaciones que precisen de tensión constante, sustituyendo al generador Shunt para evitar una vigilancia continua a causa de las variaciones de carga.
4.2. – APLICACIONES DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
• Motor serie se emplea en aquellos casos en que se necesita un motor que deba efectuar el arranque con carga, como locomotoras, grúas, bombas, etc, debido a su gran par de arranque. En cambio, cuando se
necesite una velocidad sensiblemente constante, como máquinas herramientas y otras no se puede usar el motor serie.
• Motor con excitación Shunt, se emplea generalmente en todos aquellos casos en que se necesite una
velocidad prácticamente constante y no sea necesario arrancar el motor con plena carga como es el caso de máquinas, herramientas, hiladuras, etc.
• Motor con excitación Compound, El motor Compound adicional tiene un par excelente y una gran característica de velocidad constante. Se emplea mucho en tracción, laminadoras, máquinas herramientas,
etc. El motor Compound diferencial mantiene su velocidad prácticamente constante, sea cual sea la carga, no se emplea casi nunca a causa del peligro de la inversión de la marcha.
5. – CONCLUSIÓN
Para terminar y a modo de conclusión destaremos la importancia de las máquinas eléctricas de corriente continua en el desarrollo Tecnológico e Industrial. El desarrollo y el avance en el estudio de las máquinas eléctricas permite que algunas de ellas se vean relevadas por otro tipo de máquinas eléctricas con mayor eficiencia y mejores características para desempeñar diferentes funciones, esto es el caso de algunos generadores.
A lo largo del tema se han desarrollado la constitución de este tipo de máquinas, así como su funcionamiento y las diferentes aplicaciones de las mismas en la actividad Tecnológica e Industrial.