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• Cristhian Andres

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Maquinas Eléctricas I

Unidad III

LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA

1.

INTRODUCCIÓN Las máquinas de corriente continua (cd) pueden trabajar como generadores transformado potencia mecánica en eléctrica o como motores transformado potencia eléctrica en potencia mecánica. Hay una similitud entre las máquinas dc y las ac debido a que el interior, ya que las máquinas dc producen en su interior corrientes y tensiones ac, las mismas que son rectificadas mediante un conmutador y escobillas y la salida es en cd. Este capitulo los principios de operación de una máquina cd, estudiándola en forma sencilla y luego se pasará algunas complicaciones de diseño empleadas en las máquinas reales.

1.1.

PARTES FUNDAMENTALES Estator: • • • • • •

Polos. Las bobinas de campo. Los interpolos. Los arrollamientos de compensación. El yugo. Las escobillas y los portaescobillas.

Rotor: • El núcleo de la armadura. • El conmutador. • El arrollamiento de la armadura.

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Figura 3.1 Componentes de una máquina CC

1.1.1.

EL ESTATOR QUE INCLUYE • Los polos Los polos están hechos en acero silicio laminado, su forma típica se ve en la figura.

Figura 3.2. Forma típica de un polo.

• Bobina de campo Las bobinas de campo están arrolladas sobre los polos tal como puede verse en la figura 3.2. Puede ser de dos tipos:

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• Bobina Shunt, compuestas de muchas espiras de alambre delgado. • Bobina serie, compuestas de pocas espiras de alambre grueso. • Interpolos Están hechos de láminas de acero silicio y llevan un arrollamiento de cobre de alambre grueso conectado en serie con la armadura. • Arrollamiento de compensación Estos arrollamientos están conformados por los conductores que se colocan en los polos con el objeto de neutralizar la reacción de armadura. Solamente los llevan las máquinas de gran potencia ya que su costo es bastante elevado. • El yugo del estator El yugo del estator es bastante necesario para realizar el circuito magnético de la máquina. Normalmente está hecho de acero o de hierro fundido. • Las escobillas y las portaescobillas Toda máquina de corriente continua requiere de por lo menos dos escobillas. Están hechas de carbón o de cobre grafito y van alojados en los portaescobillas que están sujetos en un anillo que va entornillado al yugo. Un resorte presiona firmemente las escobillas sobre el conmutador para obtener un buen contacto eléctrico.

1.1.2.

EL ROTOR QUE INCLUYE • El núcleo de la armadura Está constituido por láminas de acero silicio o sección circular. La circunferencia es ranurada para que puedan alojarse los conductores del arrollamiento de armadura. Las láminas tienen un hueco circular en el centro para el eje.

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• El conmutador El conmutador esta hecho por un gran número de segmentos de cobre o delgas, aislados entre sí. El conmutador una vez ensamblado es colocado en eje de la máquina, a cierta distancia del núcleo de la armadura.

Figura 3.3. Conmutador

• Los arrollamientos de armadura Tipos de arrollamientos Existen solamente dos tipos de arrollamientos de armadura: el imbricado y el ondulado. Estos arrollamientos además pueden ser simples (símplex) o múltiples (dúplex, tríplex, etc.) aunque estos últimos son poco utilizados por presentar problemas con la conmutación por lo que nos limitaremos a estudiar solamente los arrollamientos símplex. 1. Paso de la bobina En general un arrollamiento está conformado por bobinas que tienen un paso de 180º eléctricos que en ranuras se determina así: YB = r / p r = número total de ranuras en el rotor. Al efectuar el cálculo se debe despreciar la parte decimal, si la hubiera.

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2. Paso del conmutador Los terminales de la bobina van conectados al conmutador. Si el arrollamiento es imbricado se conectan a dos segmentos consecutivos mientras que si el arrollamiento es ondulado van conectados a dos segmentos situados aproximadamente a 360º eléctricos. Por consiguiente el paso del conmutador es: Arrollamiento imbricado símplex: Yc = 1 Arrollamiento ondulado símplex: Yc = S ± 1 / p’ Al efectuar el cálculo indicado en las fórmulas el resultado debe ser un número entero. En caso contrario no es posible construir. En la figura 3.4 puede verse las conexiones de una bobina al conmutador y en la figura 3.5 una bobina típica.

Figura 3.4. Bobina y conmutador.

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Figura 3.5. Bobina típica.

Figura 3.6. Arrollamiento imbricado símplex bipolar.

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Características del bobinado Número de polos: p=2 Número de ranuras: r=8 Número de conductores: c=16 Número de bobinas: B=9 Número de segmentos: S=8 Conmutador Paso de la bobina:

YB =

µ P

=

8 =4 2

Paso del conmutador: YC = 1 (símplex)

Figura 3.7. Arrollamiento imbricado símplex tetrapolar.

Características del bobinado Número de polos: p=4 Número de ranuras: r=8 Número de conductores: c=16 Número de bobinas: B=9 Número de segmentos: S=8 Conmutador Paso de la bobina:

YB =

µ P

=

8 =4 2

Paso del conmutador: YC = 1 (símplex)

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Figura 3.8. Arrollamiento ondulado símplex tetrapolar

Características del bobinado Número de polos: p=4 Número de ranuras: n=9 Número de conductores: C=18 Número de segmentos: S=9 Conmutador Paso de la bobina: Paso del conmutador:

M −1 9 −1 = =4 P/2 2 S −1 9 −1 = =4 YC= P/2 2

YB =

Vista general de una máquina CC Las partes fundamentales de una máquina de C.C. como generador o como motor son:

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Figura 3.9. Partes fundamentales de una máquina CC.

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Figura 3.10. Núcleo de armadura.

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1.2.

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MAGNETISMO REMANENTE Magnetismo Remanente o Magnetismo Residual: Es la cualidad que tienen algunos metales para retener, en cierto grado, el magnetismo producido inicialmente en el accionado del inductor. En los generadores autoexcitados, este factor es indispensable, para el desarrollo del trabajo; cuando el inducido corta las líneas de fuerza del magnetismo remanente y por alguna razón este magnetismo desaparece, no habría generación de tensión. En este caso, habría que “cebar” o excitar el inductor, exteriormente, hasta lograr esta remanencia.

1.3.

REACCIÓN DEL INDUCIDO Todo generador posee 2 circuitos magnéticos: el del inductor o campo y el del inducido o armadura. Ambos circuitos o flujos magnéticos diferentes.

Figura 3.11. Circuitos magnéticos.

Los generadores están diseñados de manera que las escobillas cortocircuiten las bobinas del inducido, en el momento en que se desplazan paralelamente a las líneas de fuerza del campo; es decir, en el momento en que no se induce ninguna fuerza electromotriz en la bobina. Esta posición original de las escobillas se llama Plano Neutro. Sin embargo, cuando ambos campos reaccionan, se produce una deformación, que depende de la intensidad de corriente que forman ambos campos. El Plano neutro adquiere una nueva posición llamada plano de conmutación (fig. 3.12), variando en consecuencia la posición de

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las escobillas. La deformación del campo magnético del inductor, por acción del inducido, se debe tener en cuenta para lograr que la conmutación se efectúe sin chispas (Fig. 3.13).

Figura 3.12. Plano de conmutación.

Figura 3.13. Sección recta de una máquina de continua mostrando el devanado de compensación.

1.4.

CONMUTACIÓN Proviene de conmutador, que significa cambiar o invertir. Es la inversión de corriente que se realiza en el momento que las delgas del colector hacen contacto con las escobillas.

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Figura 3.14. Conmutación de una bobina.

En la figura 3.14, las bobinas 1 y 8 cuyas terminales hacen contacto con la delga y la escobilla respectiva, conducen en un sentido. En la misma figura, por el giro del inducido, la bobina 1, cambia de sentido y la bobina 8, permanece constante. Este proceso es la conmutación.

1.5.

CONMUTACIÓN INCORRECTA

Figura 3.15. Conmutación.

Para suprimir o eliminar este arco, perjudicial al colector, se debe anular la fuerza electromotriz de autoinducción que la engendra, haciendo que, en ese instante (conmutación), la bobina no corte flujo magnético. Esta operación se logra, colocando las escobillas en el plano de conmutación.

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Figura 3.16. Autoinducción de una bobina.

1.6.

POLOS DE CONMUTACIÓN Los polos de conmutación son polos auxiliares que se utilizan en máquinas grandes. Dichos polos, ubicados entre los polos principales, llevan un devanado de alambre grueso y de pocas espiras, conectados en serie con el inducido.

Figura 3.17. Polos de conmutación.

Los polos de conmutación tienen por finalidad: • Neutralizar la reacción del inducido, y • Eliminar el efecto inducido de las bobinas, cuando son puestas en cortocircuito por la escobilla.

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El devanado, esta conectado de manera que la corriente que lo atraviesa es la misma que la del inducido. De este modo, la intensidad de corriente regula la cantidad de flujo para compensar el magnetismo transversal del inducido. Con la utilización de estos polos auxiliares, el plano de conmutación se mantiene invariable, (en el plano neutro), para cualquier valor de carga. Se evita desplazar las escobillas cada vez que se modifica la carga, pero tiene el inconveniente de complicar la construcción del generador y significa perdida de energía por la resistencia de su derivado (efecto Joule).

2.

EL GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA Los generadores son máquinas destinadas a transformar energía mecánica en eléctrica, esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético (inductor) sobre unos conductores (inducido). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo de los conductores y el campo, se genera en los primeros una fuerza electromotriz, de modo que, si se enlazan a un circuito exterior, le suministrarán energía eléctrica.

Figura 3.18. Espira sencilla que gira en un campo magnético a) Cantidad máxima de líneas a través de la espira. b) No pasa ninguna línea a través de la espira.

2.1.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El inductor o campo puede ser conformado por un imán permanente o por una bobina de campo es excitada con corriente continua, la misma que produce un flujo magnético constante entre los polos inductores (norte y sur). El inducido, que es impulsado por un medio exterior (máquina motriz), al desplazarse, corta el campo magnético del inductor y se induce en el una tensión.

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Esta tensión, es enviada al circuito exterior por medio de escobillas, el valor de esta tensión depende, según las leyes de Faraday, del número de conductores del inducido, de su velocidad y de la intensidad del campo magnético del inductor.

Figura 3.19 Funcionamiento del generador de C.C.

2.2.

CARACTERÍSTICA DE LOS GENERADORES Fuerzas electromotrices en un inducido El inducido forma parte del circuito magnético y realiza el movimiento de los conductores en el campo magnético de manera que se induce en ellos una f.e.m. Esta es directamente proporcional al flujo por polo a la velocidad y aspectos constructivos del generador (representado por una constante), de acuerdo a la siguiente ecuación:

E A = K .φ .ω Curva de saturación (característica magnética) La curva de saturación representa la relación entre los amperios-vuelta del inductor y el flujo por polo, este flujo no se inicia de cero, sino de un valor ligeramente superior debido al magnetismo residual en el circuito magnético. La curva de saturación esta determinada para valores crecientes de la intensidad de la corriente de excitación. Excitando la máquina independientemente y manteniendo su velocidad constante es posible trazar la curva indicada y para otro régimen constante de velocidad se puede trazar otra curva de saturación.

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Figura 3.20. Curvas de saturación.

Característica de los generadores C.C según su conexión El generador de Excitación Independiente: • El flujo magnético no depende de la carga. • Existe una pequeña caída de tensión en terminales con el aumento de la carga y esta solo debida a la resistencia de la armadura. El generador Shunt: • Es una máquina autoexcitada, el flujo magnético depende de la tensión en terminales. • Existe una mayor caída de tensión en terminales con el aumento de la carga debido a que al caer la tensión en los terminales disminuye el flujo de excitación. • Es resistente a los cortocircuitos, pues cuando esta en corto el único flujo excitación es el remanente y la tensión inducida es pequeña. El generador Serie: • Es una máquina autoexcitada, el flujo magnético depende de la corriente de carga. • La tensión en terminales aumenta con la carga. • La máquina nunca debe estar en corto circuito.

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El generador Compound: • Característica intermedias entre el generador Serie y Shunt. 2.3.

GENERADOR CC CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE Como su nombre lo indica, un generador de CC con excitación independiente requiere una fuente de CC externa independiente para el devanado del campo, por lo que se usa principalmente en a) pruebas de laboratorio y comerciales y b) conjuntos con regulación especial. La fuente externa puede ser otro generador de CC, un rectificador controlado o no, o una batería. En la figura 3.21 aparece la representación del circuito equivalente en condiciones de estado estable de un generador de CC con excitación independiente. La condición de estado estable supone que no hay ningún cambio apreciable en la corriente de la armadura o en su velocidad para una carga determinada. En otras palabras, esencialmente no hay cambio en la energía mecánica o en la magnética del sistema. Por tanto, no hay necesidad de incluir la inductancia de cada devanado no la inercia del sistema como parte del circuito equivalente. En el circuito equivalente, Ea es la fem inducida en el devanado de la armadura; Ra es la resistencia efectiva del devanado de la armadura, la cual también puede incluir la resistencia de cada escobilla; Ia es la corriente en la armadura; Vt es la tensión de salida en las terminales; IL es la corriente de carga; If es la corriente en el devanado del campo; Rfw es la resistencia en el devanado del campo; Rfx es una resistencia externa agregada en serie con el devanado del campo para controlar la corriente en el campo; Nf es el número de vueltas por polo para el devanado del campo, y Vf es la tensión de una fuente de externa.

Figura 3.21. Circuito equivalente de un generador de CC con excitación independiente.

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Las ecuaciones que definen la operación en estado estable son: Vf = If (Rfw + Rfx) = IfRf Ea = Vt + IaRa y: IL = Ia Donde: Rf = Rfw + Rfx es la resistencia total en el circuito del devanado del campo shunt. De acuerdo con la segunda ecuación, la tensión en las terminales es: Vt = Ea – Ia Ra Cuando se mantiene constantemente la corriente del campo y la armadura gira a velocidad constante, la fem inducida en un generador ideal es independiente de la corriente de la armadura, como lo indica la línea punteada en la figura 3.22. Conforme la corriente de carga IL aumenta, la tensión en las terminales Vt disminuye, como lo señala la línea gruesa. Sin reacción de la armadura, la disminución en Vt debe ser lineal e igual a la caída de tensión a través de Ra. Sin embargo, si el generador opera cerca de su saturación y no está compensado apropiadamente para la reacción de la armadura, esta reacción ocasiona una caída adicional de tensión en las terminales.

Figura 3.22. Característica externa de un generador de CC con excitación independiente.

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La gráfica de la tensión en las terminales y la corriente de la carga se llama característica externa (terminal) de un generador de cc. La característica externa puede obtenerse en forma experimental variando la carga desde la condición de no carga hasta 150% de la carga especificada. La tensión en las terminales sin carga, Vsc’ es Ea. Si se traza una línea tangente a la curva en condiciones de no carga se obtiene la característica externa de la máquina sin reacción de la armadura. La diferencia entre la tensión sin carga y la línea tangente constituyente una caída IaRa. Como se conoce Ia´ es posible determinar experimentalmente la resistencia efectiva del devanado de la armadura. El término efectiva significa que no sólo se trata de la resistencia del devanado de la armadura, sino también se incluyen la resistencia de contacto de las escobillas.

2.4.

GENERADOR SHUNT Cuando el devanado del campo de un generador con excitación independiente se conecta en paralelo con la armadura, el generador de CC recibe el nombre de generador Shunt o en derivación. En este caso, la tensión en las terminales también es la tensión del devanado del campo. Sin carga, la corriente en la armadura es igual a la corriente del campo. Con carga, la corriente en la armadura suministra la corriente de carga y la corriente del campo, como se muestra en la figura 3.23. Como la tensión en las terminales puede ser muy alta, la resistencia del circuito del campo también debe ser alta con objeto de mantener su pérdida de potencia en el mínimo. Así, el devanado del campo Shunt tiene gran número de vueltas de un conductor relativamente delgado.

Figura 3.23. Circuito equivalente de un generador shunt o en derivación.

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El generador Shunt es capaz de crecer la tensión presente en las terminales en tanto permanezca algún flujo residual en los polos del campo. El proceso de crecimiento de la tensión se resume en seguida. Cuando el generador gira a su velocidad especificada, el flujo residual en los polos del campo, por pequeño que sea (pero debe existir), induce una fem Er en el devanado de la armadura, como se ilustra en la figura 3.24. Puesto que el devanado del campo está conectado en paralelo con la armadura, la fem inducida envía una corriente pequeña a través de tal devanado. Si el devanado del campo está conectado apropiadamente, su fmm establece un flujo que apoya al flujo residual. El flujo total por polo se incrementa, su fmm establece un flujo que apoya al flujo residual. El flujo total por polo se incrementa. El aumento en el flujo por polo incrementa la fem inducida, la cual a su vez aumenta la corriente del campo. Por tanto, la acción es acumulativa, pero ¿continúa para siempre? Por supuesto, la respuesta es no, como se explica a continuación.

Figura 3.24. Crecimiento de la tensión en un generador shunt o en derivación

La fem inducida sigue la curva de magnetización no lineal. La corriente en el devanado del campo depende de la resistencia total en el circuito del devanado del campo. La relación entre la corriente del campo y la tensión del campo es lineal, y la pendiente de la curva es la resistencia en el circuito del devanado del campo. La línea recta también se conoce como línea de resistencia del campo. El generador shunt continúa haciendo crecer la tensión hasta el punto de intersección de la línea de resistencia del campo y la curva de saturación magnética. Esta tensión se conoce como tensión sin carga. 81

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Es muy importante advertir que la saturación del material magnético es una gran ventaja en el caso de un generador con excitación independiente. De no ser así, el crecimiento de la tensión continuaría de manera indefinida. También demostraremos que la saturación es necesaria para que el generador alimente la carga. Si el devanado del campo está conectado en forma tal que el flujo producido por su fmm se oponga al flujo residual, ocurrirá un decrecimiento del tensión, problema que puede corregirse con la inversión en el sentido de giro o con la inversión de la conexión del devanado del campo a las terminales de la armadura, pero no con ambas medidas a la vez. El valor de la tensión sin carga en las terminales de la armadura depende de la resistencia del circuito del campo. Una disminución en la resistencia en el circuito del campo ocasiona que el generador shunt desarrolle más rápido una tensión más alta, como se aprecia en la figura 3.25. Por la misma razón, el crecimiento de la tensión disminuye y el nivel de la tensión baja cuando se incrementa la resistencia del circuito del campo. El valor de esta resistencia que hace de la resistencia del campo una línea tangente a la curva de magnetización se llama resistencia crítica (del campo). la tensión en el generador no crecerá si la resistencia del circuito del campo es mayor o igual a la resistencia crítica. La velocidad a la que la resistencia del circuito del campo se convierte en resistencia crítica se llama velocidad crítica. En consecuencia, el crecimiento de la tensión tendrá lugar en un generador shunt si a) existe flujo en los polos del campo, b) la fmm del devanado del campo produce el flujo que apoya al flujo residual, y c) la resistencia del circuito del campo es menor que la resistencia crítica. Las ecuaciones que rigen la operación de un generador shunt en estado estable son las siguientes: Ia =IL + If Vt = If (Rfw + Rfx) = IfRf Y Vt = ILRL = Ea - IaRa 82

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Característica externa Sin carga, la corriente en la armadura es igual a la corriente del campo, la que generalmente es una fracción de la corriente de carga. Por tanto, la tensión en las terminales sin carga Vsc es casi igual a la fem inducida Ea, puesto que la caída IaRa es despreciable. Conforme aumenta la corriente de carga, la tensión en las terminales disminuye por lo siguiente:

• El aumento en la caída IaRa. • El efecto de desmagnetización por la reacción de la armadura. • La disminución en la corriente del campo debida a la caída en la fem inducida.

Ut

Línea de resistencia crítica

R

Rf

Rf1

Tensión en los terminales

Rf2

Curva de magnetización

R > Rf2 > R f > Rf1

Corriente en el devanado de campo (If ) Figura 3.25. Crecimiento de la tensión para varios valores de la resistencia del circuito del campo.

En la figura 3.26 se muestra el efecto de cada uno de estos factores. Para operar satisfactoriamente, el generador shunt debe funcionar en la región saturada. De no ser así, la tensión en las terminales sin carga podría caer hasta cero por la razón siguiente:

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Supongamos que el generador opera en la región lineal y hay 10% de caída en la tensión en las terminales en cuanto la carga toma algo de corriente. La caída de 10% en la tensión en las terminales origina 10% de caída en la corriente del campo, lo cual a su vez reduce el flujo en 10%. La reducción de 10% en el flujo disminuye la fem inducida también en 10% y ocasiona que la tensión en las terminales caiga aún más, y así sucesivamente. En poco tiempo, la tensión en las terminales cae a un nivel (de casi cero) que no permite alimentar alguna carga apreciable. La saturación del material magnético viene al rescate. Cuando el generador opera en la región saturada, 10% de caída en la corriente del campo puede ocasionar sólo un 2% o 3% de caída en el flujo y el sistema se estabiliza en una tensión en las terminales algo más bajo que Vsc, pero en un nivel adecuado para operar satisfactoriamente. Conforme se aplica carga al generador, la corriente de carga se incrementa hasta un punto denominado punto de ruptura con la disminución de la resistencia de la carga. Cualquier disminución adicional en la resistencia de carga ocasiona que la corriente de carga disminuya como resultado de una caída muy rápida en la tensión en las terminales. Cuando la resistencia de carga disminuye hasta cero (un cortocircuito), la corriente del campo desciende hasta cero y la corriente a través del cortocircuito es la razón entre la tensión residual y la resistencia del circuito de la armadura.

Ut

Tensión en los terminales

Caída por la resistencia en la armadura Caída por la reacción de la armadura Caída por la reducción en la corriente del campo

Carga especificada

Corriente de carga (IL) Figura 3.26. Característica externa de un generador shunt

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2.5.

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GENERADOR SERIE Como su nombre lo indica, el devanado del campo de un generador serie está conectado en serie con la armadura y el circuito externo. Debido a que el devanado del campo en serie tiene que conducir la corriente de carga especificada, generalmente tiene pocas vueltas de un conductor grueso. El circuito equivalente de un generador serie se ilustra en la figura 3.27. Una resistencia variable Rd, conocida como desviador para campo en serie, puede conectarse en paralelo con el devanado del campo serie para controlar la corriente que lo atraviesa y, por tanto, también el flujo que produce. Cuando el generador opera sin carga, el flujo producido por el devanado del campo en serie es igual a cero. Por tanto, la tensión en las terminales del generador es igual a la fem inducida debido al flujo residual, Er. En cuanto el generador entrega una corriente de carga, la fmm del devanado del campo en serie produce un flujo que apoya al flujo residual. Por consiguiente, la fem inducida Ea, en el devanado de la armadura es mayor cuando el generador entrega potencia que cuando está sin carga. No obstante, la tensión en las terminales, Vt, es más bajo que la fem inducida debido a a) la caída de la tensión a través de la resistencia de la armadura, Ra, la resistencia del devanado del campo serie Rs y b) la acción de desmagnetización por la reacción de la armadura. Como las caídas de tensión a través de las resistencias y la reacción de la armadura. Como las caídas de tensión a través de las resistencias y la reacción de la armadura son funciones de la corriente de carga, la fem inducida y también la tensión en las terminales dependen de la corriente de carga. La curva de magnetización para el generador serie se obtiene al excitar en forma independiente el devanado del campo en serie. La tensión en las terminales correspondiente a cada punto de la curva de magnetización es menor en una cantidad igual a las caídas de tensión a través de Ra y Rs cuando la reacción de la armadura es igual a cero .El tensión en las terminales cae aún más cuando la reacción de la armadura también esta presente, como se ilustra en la figura 3.28. Una vez que la corriente de carga impele al generador hacia la región saturada, cualquier incremento adicional en su valor vuelve tan grande la reacción de la armadura que ocasiona la caída brusca de la tensión de las terminales. En realidad, si se llega al extremo, la tensión en las terminales puede caer hasta cero.

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Rd RS I

NS

Id

IS Ra IL

+ -

Tg

RL

Eg

-

wm Figura 3.27 Circuito equivalente de un generador serie.

ag ne tiz ac ió n

Ut Caída por la resistencia de la armadura y de campo

ur v

a

de

m

Caída por la reacción de la armadura

C

Tensión en los terminales

+ Ut

Corriente de carga I L = I P Figura 3.28. Circuito equivalente de un generador serie.

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La característica creciente de un generador serie lo hace adecuado cuando se precisa incrementar la tensión. Otra diferencia clara entre un generador shunt y uno serie es que el primero tiende a mantener una tensión constante en las terminales, mientras que el generador serie tiende a suministrar una corriente de carga constante. En Europa, el sistema Thury de transmisión de potencia en alto tensión y corriente continua requiere varios generadores serie conectados en serie y transmitiendo con corriente constante. Las ecuaciones básicas que rigen su operación en estado estable son: Vt = Ea – IaRa – IsRs IsRs = IdRd Ia = IL = Is + Id Donde: ls es la corriente en el devanado del campo en serie, Rs es la resistencia del devanado del campo en serie e ld es la corriente en la resistencia del desviador para el campo en serie, Rd.

2.6.

GENERADORES COMPOUND La característica de descenso de un generador shunt y la de ascenso de un generador serie brinda la motivación suficiente para teorizar acerca de la posibilidad de una característica externa mejor con la fusión de los dos tipos de generadores en uno solo. En realidad, y con ciertas restricciones, poner los dos generadores juntos es como transformar dos generadores en uno solo con buen comportamiento. Esto se logra devanando ambos tipos de campos, serie y shunt, en cada polo del generador. Cuando se agrega la fmm del campo en serie a la fmm del campo shunt, se habla de un generador compound cumulativo (fig 3.29a). De otro modo, se denomina generador compound diferencial.

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Figura 3.29. Distribuciones de la corriente en los devanados de los campos en serie y shunt de los generadores (a) compound cumulativo y (b) compound diferencial.

Cuando el devanado del campo shunt se conecta directamente a las terminales de la armadura, se llama generador shunt en derivación corta. En un generador de este tipo (Fig. 3.30), el devanado del campo en serie lleva la corriente de carga en ausencia de una resistencia desviadora para el campo. Se dice que un generador es shunt en derivación larga si el devanado de campo shunt se conecta en paralelo con la carga.

Figura 3.30. Circuitos equivalentes de generadores compound en derivación corta (a) cumulativo y (b) diferencial.

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Figura 3.31 Circuitos equivalentes de generadores compound en derivación larga (a) cumulativo y (b) diferencial.

Nos apresuramos a agregar que el campo shunt crea la mayor parte del flujo. El campo en serie proporciona ante todo control sobre el flujo total. Por tanto, pueden obtenerse distintos niveles de funcionamiento compound, limitando la corriente a través del campo en serie. A continuación se analizan tres grados de funcionamiento compound que revisten gran interés. Generador subcompound Cuando la tensión con carga completa en un generador compound es un tanto mayor que el de un generador shunt, pero menor que la tensión sin carga, se habla de un generador subcompound. En él, la regulación de la tensión es un poco mejor que la del generador shunt. Generador compound llano o normal Si la tensión sin carga es igual a la tensión a plena carga, el generador se denomina generador compound llano o normal. Se usa cuando la distancia entre el generador y la carga es corta. En otras palabras, no ocurre ninguna caída de tensión significativa en la línea de transmisión (llamada alimentador) que conecta el generador con la carga. Generador ultracompound Si la tensión a plena carga es mayor que la tensión sin carga, el generador es ultracompound, el cual es el que se elige cuando el generador se conecta a la carga mediante una línea de transmisión larga. La línea de transmisión larga supone una caída significativa de la tensión y pérdida de potencia en la línea de transmisión.

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La práctica habitual consiste en diseñar un generador ultracompound. Los ajustes pueden hacerse canalizando la corriente fuera del devanado del campo en serie utilizando la resistencia de desvío para el campo. Las características externas de los generadores compound se aprecian en la figura 6.14. Con fines meramente comparativos, también se incluyen las características de otros generadores. En seguida se presentan las ecuaciones fundamentales que rigen el comportamiento en estado estable de los generadores shunt en derivación corta y shunt en derivación larga. Shunt en derivación corta Ia = IL + If Is = Rd.IL / (Rd + Rs) Vt = Ea – IaRa – IsRs Vf = Ea – IaRa Fmm = IfNf ± IsNs - fmmd Donde el signo más o el menos indican si el generado compound es cumulativo o diferencial, y fmmd es la fmm desmagnetizadora debida a la reacción de la armadura. Shunt en derivación larga. Ia = IL + If Is = Rd.la / (Rd+Rs) Vf = Vt = Ea – IaRa - IsRs fmm = IfNf ± IsNs - fmmd

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Figura 3.32. (a) Características externas de generadores de CC. (b) Tensión en las terminales ajustando para el valor especificado.

2.7.

CRITERIO DE MÁXIMA EFICIENCIA La curva de eficiencia en comparación con la carga de una máquina determinada se obtiene por medio de pruebas con carga real o bien, calculando su rendimiento con distintas cargas. Si partimos de esa curva, resulta evidente que la eficiencia se incrementa con la carga hasta alcanzar un punto máximo. 91

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Cualquier incremento posterior en la carga ocasiona una disminución en la eficiencia. Por tanto, es imperativo saber con qué carga resulta máxima la eficiencia de la máquina. La operación de la máquina a su eficiencia máxima da como resultado a) una disminución en las pérdidas en la máquina, lo cual a su vez abate la temperatura de operación de ésta, y b) una reducción en el costo de operación de la máquina. Antes de obtener una expresión para determinar la carga a la que el generador proporciona eficiencia máxima, demos otra mirada a las pérdidas. Las pérdidas en un generador pueden agruparse en dos categorías: fijas y variables. Las pérdidas fijas no varían con la carga cuando el generador trabaja a velocidad constante. La pérdida por rotación pertenece a esta categoría. La corriente en el campo shunt, Ifr, se toma como constante, aunque esto no es rigurosamente cierto para los generadores autoexcitados dos. Por tanto, la pérdida de potencia debida a If puede considerarse también como parte de la pérdida fija. Por otro lado, la pérdida variable es la que varía con la corriente de carga. Para un generador de cc tipo PM, la potencia de salida es: Po = VtIL y la potencia de entrada es: Pin = VtIL + I2LRa + Pr Luego, la eficiencia es: η = (VtlL)/ (VtlL + l2LRa +Pr) Para que la eficiencia sea máxima, la tasa de cambio de η con respecto a IL debe ser igual a cero cuando IL → lLm, donde lLm es la corriente de carga a eficiencia máxima. Es decir, {[VtILm + I2LmRa + Pr] Vt - VtILm [ Vt + 2ILmRa]} / { [VtILm 0

+

I2LmRa+Pr]2} =

De donde se obtiene: I2LmRa = Pr Luego, la corriente de carga a eficiencia máxima para un generador de cc tipo PM es: ILm = √(Pr/Ra) 92

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3.

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EL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA El motor es una máquina destinada a convertir la energía eléctrica en energía mecánica. Los motores de corriente continua se han hecho populares por varias razones, una de ellas es su amplia aplicación en carros, camiones vehículos mineros de gran capacidad, aviones, etc. Otra aplicación es en los casos donde se requiera amplios rangos de velocidad, los motores cc, son excelentes en las aplicaciones de control de velocidad y si no hay disponibles fuentes de cc, se pueden usar rectificadores de estado sólido o circuitos troceadotes, para crear la potencia necesaria. Actualmente se construyen en potencias de hasta 6000 KW. Una forma de comparar los diferentes motores de corriente continua es comparando su variación de velocidad. La regulación de velocidad se define por la siguiente ecuación:

ω O − ω PC x100% ω PC η − ηPC SR = O x100% ηPC

SR =

Donde:

ω O ,ω PC : Velocidad en vacío y en plena carga en rad/seg. ηO ,ηPC

: Velocidad en vacío y en plena carga en RPM.

La regulación de velocidad puede ser positiva o negativa, indicando que la velocidad del motor con carga puede ser menor o mayor a la de vacío. La magnitud de SR indica que tan pendiente es la curva par-velocidad. Los motores son alimentados desde fuentes de tensión exteriores, por lo que se puede asumir que la tensión es permanente y constante. Teniendo en cuento esto, podemos clasificar los motores en cinco tipos principales: • • • • •

Motor Motor Motor Motor Motor

de CC de CC de CC CC de de CC

en derivación o shunt. de excitación independiente. de imán permanente. serie. con excitación compuesta.

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3.1.

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CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN MOTOR CC El circuito equivalente de un motor cc es muy similar al de un generador cc, ya que se trata de la misma máquina pero con el sentido de la potencia en dirección contraria. Según la figura 3.33 se ve que la corriente fluye hacía el circuito de armadura, por lo que la tensión inducido en la máquina estará dado por:

E A = Kφω Donde:

E A : Tensión inducida

K

φ ω

: Constante constructiva del motor : Flujo magnético : Velocidad en rad/seg.

El par producido por la máquina gracias a la corriente IA consumida es:

τ IND = KφI A Como se muestra en la figura 3.33, en el motor para la tensión aplicada y la corriente que se indica, se produce una fuerza rotativa en sentido horario. También se muestra que la tensión inducida a fuerza contra electromotriz, es opuesta a la tensión aplicada.

Figura 3.33.: Regla de la mano izquierda para el motor.

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3.2.

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MOTOR CC CON EXCITACIÓN EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

EN

DERIVACIÓN

Y

CON

La figura 3.34 y 3.35 muestran los circuitos equivalentes del motor cc con excitación independiente y en derivación, los mismos que tienen un comportamiento similar ya que en el motor cc, la bobina de campo se alimenta desde una fuente exterior de tensión constante, mientras que en el caso del motor en derivación, el circuito de campo esta conectado en paralelo con la armadura y recibe directamente la tensión en sus terminales, por lo que en la práctica no hay diferencia de comportamiento en estas máquinas. Cuando una máquina cc funciona como motor, la fuerza contra electromotriz generada, siempre es menor que la tensión en bornes y se opone a la corriente del inducido, por lo que al aplicar la ley de tensiones de Kirchhoff para el circuito de la armadura se tienen las siguientes ecuaciones.

VT = E A + I A RA Donde: : Tensión en los terminales de la armadura o inducido. VT : Fuerza contraelectromotriz o tensión inducida en el motor. EA : Caída de tensión en el inducido debido a la resistencia de la IA RA armadura.

Fig. 3.34. Motor CC de excitación independiente

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Fig. 3.35. Motor CC con excitación shunt

Las corrientes para el circuito de campo y de línea se cumplen:

IF =

VT RF

IL = IA + IF

Se incluye dentro de la RF la resistencia Raj , con el propósito de simplificar las ecuaciones. En la figura 3.36 podemos ver que velocidad (la frecuencia de giro) η se reduce ligeramente cuando aumenta la carga, es decir el par resistente. En cambio la intensidad de la corriente de inducido crece cuando se carga el motor en derivación. La caída de tensión en la resistencia RA del devanado de inducido también aumenta, con lo que disminuye la fuerza contra electromotriz y como consecuencia también la frecuencia de giro. El comportamiento de un motor con excitación en derivación se caracteriza por una ligera reducción de la frecuencia de giro η cuando aumenta la carga. La ecuación que rige esta variación con el incremento de carga es:

ω=

VT RA − τ 2 IND K φ ( Kφ )

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El rendimiento es relativamente bajo para cargas pequeñas, pues las pérdidas de excitación que son constantes e independientes de la carga, se ponen claramente de manifiesto. La corriente de arranque IA es intensa, pues la resistencia de los devanados de inducido, auxiliar y de compensación son pequeñas. La corriente de excitación lF suele depreciarse a causa de su pequeña intensidad. El motor se pone en marcha mediante un reóstato de arranque.

Figura 3.36. Frecuencia de giro/par de motor Shunt.

La frecuencia de giro η puede gobernarse mediante la tensión VT aplicada al devanado del inducido o también variando la intensidad de la corriente de excitación IF mediante el reóstato de campo (parte superior de la figura 3.35). La tensión aplicada al inducido puede variarse mediante el reóstato de arranque siempre que éste proyectado para el funcionamiento en régimen permanente. El motor Shunt se utiliza en todos aquellos casos en que sea precisa una frecuencia de giro uniforme, por ejemplo, para accionar máquinas/herramientas. El devanado de excitación y el de inducido de un motor de continua con excitación independiente se alimenta mediante dos fuentes de tensión diferentes (Fig. 3.34), cuyas tensiones suelen ser también de valores distintos. Los motores con excitación independiente presentan un comportamiento de régimen análogo a los motores con excitación en derivación, o sea, que su frecuencia de giro es prácticamente constante e independiente de las variaciones de la carga.

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Su velocidad se puede gobernar mediante la tensión del devanado de inducido o también mediante la intensidad de la corriente de excitación. Los motores con excitación independiente se emplean cuando se desea poder gobernar la frecuencia de giro, para lo cual suele variarse la tensión del inducido. Esta suele venir suministrada por generadores de continua (convertidor Leonard) o por rectificadores gobernados por tiristores. Los motores con excitación independientes se utilizan en aquellos casos en que haya de gobernar la frecuencia de giro dentro de márgenes muy amplios y se precisen grandes potencias, por ejemplo, para accionar máquinas/herramientas, excavadoras, trenes laminadores, etc. 3.3.

MOTOR CC CON IMAN PERMANENTE La característica de estos motores es que sus polos son hechos de imanes permanentes. En este caso, el circuito de campo es reemplazado por imanes permanentes, por lo cuál es empleado para manejar cargas pequeñas por ser más económicos y menos complicados. Los motores de corriente continua cuyo campo magnético se obtiene mediante imanes permanentes (por ejemplo motores para limpiaparabrisas) deben considerarse también como motores con excitación independiente. La presencia del imán permanente hace que el flujo sea constante, por ello, su velocidad no puede ser controlada por un reóstato de campo, teniendo como único método disponible el control de velocidad por variación de la tensión de armadura y resistencia de armadura.

3.4.

MOTOR CC EN CONEXIÓN SERIE El motor serie se caracteriza por presentar un gran par de arranque y por tener una frecuencia de giro que depende mucho de la carga. Este motor se caracteriza por tener el devanado que consta relativamente de pocas espiras conectado en serie con el circuito de armadura, la figura 3.37 muestra el circuito equivalente de este motor a partir de la cual se pueden deducir las siguientes ecuaciones.

VT = E A + I A ( R A + RS ) Donde:

RS = RF + Raj

τ ind = KcI A2

I A = IF = IL

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Siendo:

c=

φ IA

Figura 3.37 Circuito equivalente del motor en conexión serie.

Los motores con excitación en serie deben ponerse en marcha a través de un reóstato de arranque para limitar la intensidad de su corriente de arranque. La ecuación que rige su velocidad durante el arranque y en condiciones nominales es:

ω=

1 VT R + RS − A Kc Kc τ ind

Figura 3.38 Característica par-velocidad.

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La característica par-velocidad y la ecuación anterior muestran que el flujo es directamente proporcional a la corriente de armadura, al menos hasta alcanzar la saturación. A medida que se incrementa la carga sobre el motor, también se incrementa el flujo y un incremento del flujo causa un decremento de velocidad. El resultado es que un motor serie tiene una característica par-velocidad con una caída brusca. De acuerdo a la gráfica, si el par aplicado es cero, la velocidad tiende al infinito, sin embargo en la práctica el par nunca es cero a causa de las pérdidas mecánicas del núcleo y adicionales que debe vencer. Sin embargo si no se conecta otra carga al motor, puede girar lo suficientemente rápido para dañarse a sí mismo. Por lo que nunca deberá arrancar sin carga y operar con la misma, si esta se perdiera, el resultado podría ser serio. La frecuencia de giro ω puede gobernarse mediante resistores en serie (dimensionados para el régimen permanente) o mediante rectificadores gobernados a tiristores. También puede variarse la frecuencia de giro con un reóstato de campo conectado en paralelo con el devanado de excitación. Deberá evitarse que le motor se embale. El motor serie se emplea para accionar grandes cargas, por ejemplo, vehículos, ascensores, motores de arranque para coches, etc. gracias a su gran par de arranque.

3.5.

MOTOR DE CC CONEXCITACIÓN COMPUESTA (COMPOUND) El motor Compound reúne las propiedades de los motores serie y Shunt, pues posee un devanado en serie y otro en paralelo tal como se muestra en la figura 3.39 este tipo de motor puede emplearse en conexión larga (figura 3.39a) o en conexión corta (figura 3.39b), ya sea en cualquiera de las conexiones citadas, este tipo de motor puede variar su característica de operación según la forma como se conecte el bobinado serie y shunt, siguiendo la convención de los puntos, se pueden conectar de dos formas: • Conexión compuesta acumulativa. • Conexión compuesta diferencial.

100

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Figura 3.39. Variantes de conexionado del motor CC compound.

3.5.1.

MOTOR CC EN CONEXIÓN COMPUESTA ACUMULATIVA Según el circuito equivalente de la figura 3.39a, al aplicar la ley de tensiones y corrientes de Kirchhoff se tiene:

VA = EA + I A ( RA + RS ) IF =

I A = IL − IF

VT RF

Reacuérdese que se incluye dentro de la RF la resistencia Raj , con el propósito de simplificar las ecuaciones. La fuerza magnetomotriz neta y la corriente del campo en derivación en este motor está dado por las siguientes ecuaciones.

FNET = FSH + FSE − FRA I F* = I F +

N SE F I A − RA NF NF

El motor Compound presenta comportamientos de régimen diferentes según como se haya proyectado el bobinado serie, ya que la componente del flujo correspondiente al campo shunt es constante ya la componente del flujo correspondiente al bobinado serie depende de la corriente de armadura, esto durante el arranque la corriente sea más alta, originando un par de arranque mayor que un motor shunt pero más bajo que un motor serie. 101

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Para cargas pequeñas, el campo serie tiene poca influencia, por tanto el comportamiento del motor se asemeja al motor cc shunt, cuando la carga se hace importante, su comportamiento se asemeja al motor serie. En cierto sentido, el motor de excitación compuesta acumulativa de cc combina los mejores rasgos de los motores en derivación (shunt) y serie. Al igual que un motor serie, tiene un par extra para arrancar; y como el motor en derivación, no embala sin carga. La figura 3.40 muestra la característica parvelocidad del motor cc en conexión compuesta acumulativa.

Figura 3.40. Característica par-velocidad del motor CC compuesto acumulativo.

Por ser mas flexible su relación característica par-velocidad, encuentra su aplicación en accionamiento de masas pesadas, por ejemplo para prensar, estampar, cizallar, etc. 3.5.2.

MOTOR CC EN CONEXIÓN COMPUESTA DIFERENCIAL Según el circuito equivalente de la figura 3.39b, al aplicar la ley de tensiones y corrientes de Kirchhoff se tiene:

VA = EA + I A ( RA + RS )

I A = IL − IF IF =

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VT RF

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La fuerza magnetomotriz neta y la corriente del campo en derivación en este motor está dado por las siguientes ecuaciones.

FNET = FSH − FSE − FRA I F* = I F −

N SE F I A − RA NF NF

En este tipo de motor, la fuerza magnetomotriz del bobinado serie se opone a la del bobinado shunt, por lo que aunado al flujo de reacción de armadura, tienden a reducir el flujo neto del motor, pero como el flujo disminuye, la velocidad del motor tiende a aumentar, el incremento de la carga tiende a oponer aún más el flujo serie, por lo que el flujo disminuye aún más y el motor aumenta más su velocidad y así sucesivamente. De lo anterior podemos concluir que el motor cc en conexión compuesta diferencial es inestable y tiende a embalarse, esta inestabilidad es mucho más perjudicial que aquella del motor en derivación con reacción de armadura, es tan mala, que un motor de esta naturaleza es inapropiado para casi todas las aplicaciones. La figura 3.41, muestra su característica parvelocidad.

Figura 3.41. Característica par-velocidad del motor CC compuesto diferencial.

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3.6.

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ARRANQUE DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Un motor de cc sólo puede operar apropiadamente en una planta o proceso productivo si tiene asociado algún equipo de protección y control, cuyos propósitos son: • Proteger al motor contra los daños debidos al cortocircuito del equipo. • Proteger al motor contra daños provenientes de sobrecargas prolongadas. • Proteger al motor contra daños provenientes de corrientes de arranque excesivas. • Proveer una forma conveniente mediante la cual se pueda controlar la velocidad de operación del motor. DISPOSITIVOS DE ARRANQUE DE MOTORES Los motores grandes se arrancar automáticamente y el reóstato de arranque está compuesto por varias resistencias conectadas en serie que sucesivamente son puestas en cortocircuito cuando la corriente de armadura alcanza el valor nominal. Reóstato de tres bornes Si un motor de 10 caballos a 110 V se conecta directamente a una línea de alimentación a 110 V, la corriente demanda es de 110:0,05 = 2200 amperios, valor inadmisible en la práctica industrial (por ausencia de la fuerza contraelectromotriz). Por consiguiente, debe intercalarse durante el arranque una resistencia en serie con el inducido del motor. Esta resistencia puede disminuirse progresivamente a medida que la velocidad del inducido aumenta y desarrolla una f.e.m.

Figura 3.42. Resistencia de arranque.

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Si el inductor estuviese conectado a los terminales del inducido, de modo, que la resistencia estuviera en serie con todo el motor, la tensión seria baja o nula en el inductor para el arranque, produciendo un par débil que haría difícil el arranque.

Figura 3.43. Reóstato de 3 bobinas.

Reóstato de arranque de cuatro bornes Los reóstatos de arranque de tres bornes no son útiles para los motores de velocidad variable con regulación de campo. En estos motores, la velocidad puede variar en la relación de cinco a uno, lo que da origen a que, aproximadamente varíen en la misma relación las intensidades de la corriente de excitación. El electroimán de retención puede ser demasiado potente, por lo tanto, para las intensidades superiores de la corriente de excitación y demasiado débil cuando los valores más bajos. Para salvar esta dificultad se emplea los reóstatos de cuatro bornes (Fig. 3.44) que son semejantes a los representados en la figura 3.43, excepto en que el electroimán de retención se conecta directamente a la línea de alimentación y su resistencia es considerable.

Figura 3.44. Conexión de un reóstato de cuatro bornes.

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Reóstato para motores serie El reóstato de arranque para motores serie no necesita lógicamente actuar sobre arrollamientos inductores en Shunt. Existe dos tipos principales, uno con disparo por falta de tensión (Fig. 3.45a) y otro con disparo por cese de la carga (Fig. 3.45b).

a) Reóstato serie de desconexión por falta de tensión.

b) Reóstato serie de desconexión en vació. Figura 3.45. Regulación de velocidad por el método de resistencia del inducido.

Combinaciones Se emplea cuando el funcionamiento del motor lo regula continuamente el operador, como en los tranvías, grúas y ascensores. El combinador tiene que ser más robusto de arranque, puesto que se emplea continuamente para arranque, paro e inversión del sentido de marcha del motor. Estos aparatos comprenden generalmente una resistencia exterior que se intercala o se separa por medio de los contactos del combinador. Puede incorporarse al combinador un reóstato de campo para los motores Shunt. Los combinadores van provistos generalmente de un inversor, de manera que el motor puede girar en ambas direcciones.

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Reóstatos de arranque automáticos. Es frecuente la utilización de reóstatos de arranque automáticos. Tiene muchas ventajas con respecto a los manuales. Suprime la resistencia de arranque a una velocidad definida, con lo que se evita que salten los fusibles o se abran los interruptores cuando la aceleración es excesiva. Sopladores magnéticos Los combinadores y los cortacircuitos suelen ir acompañados de sopladores magnéticos, cuya función es alargar el arco que producen la interrupción del circuito, apagándolo así rápidamente. También obliga al arco a desplazarse fuera del espacio existente entre los contactos, reduciendo así considerablemente la tendencia a quemar las superficies de estos, debida a la persistencia del arco.

3.7.

REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD Solamente hay dos factores que pueden hacerse variar para regular la velocidad sin introducir modificaciones en la disposición constructiva del motor. Estos son la fem VT y el flujo ϕ. Método de la resistencia del inducido En este método, la regulación de la velocidad se obtiene intercalando una resistencia directamente en serie con el inducido del motor, haciendo que actúe sobre el inductor , la diferencia de potencial total de la línea, como en la figura 3.45a. Debido a la caída de tensión que produce la resistencia, este método permite obtener una amplia gama de velocidades y al mismo tiempo el motor puede desarrollar el par que se desee dentro de sus límites funcionando, ya que el par depende solamente del flujo y de la intensidad de la corriente en el inducido. Las principales objeciones que puede oponerse a este método de regulación de la velocidad son la excesiva energía que se pierde en la resistencia en serie con resistencia en serie con el inducido y sin ella. Otra objeción que se opone a este método es que por la resistencia de regulación tiene que pasar la intensidad de la corriente de régimen del motor y la de sobrecarga por lo que han de tomarse medidas para disipar la gran cantidad de calor que se produce en dicha resistencia.

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Sistema de tensiones múltiples Este sistema se basa en disponer de varias tensiones distintas en los terminales del inducido del motor, obtenida a menudo mediante un sistema de compensación (Fig. 3.46)

Figura 3.46. Regulación de velocidades mediante tensiones múltiples.

Sistema Ward Leonard En este sistema (Fig. 3.47), se consigue una tensión variable en el motor por medio de una dínamo G con excitación independiente, movida por un motor M1. Variando el campo del generador se obtienen la tensión necesaria entre terminales del motor M2. El inductor del motor está conectado a la línea de alimentación en paralelo con los inductores de las otras dos máquinas. En la figura 3.47 M1 es el motor que acciona el generador G. Este a su vez suministra corriente a tensión variable al inducido del motor M1 cuya velocidad puede hacerse variar. Este sistema es muy flexible y proporciona un ajuste preciso y una buena regulación de la velocidad. Sus principales desventajas son el bajo rendimiento total del sistema, especialmente para pequeñas cargas, y la necesidad de disponer de dos máquinas suplementarias. Se utiliza este procedimiento cuando se necesita una regulación muy fina de la velocidad y una aceleración suave. Es de aplicación corriente en los ascensores.

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Figura 3.47. Sistema Ward – Leonard de regulación de velocidad.

Regulación del campo También se puede obtener una variación de velocidad haciendo variar el flujo p por medio de un reóstato de campo. Este método es muy eficaz atendiendo a la potencia, y para un ajuste específico es excelente la regulación de la velocidad desde el funcionamiento en vacío al de plena carga. La gama de velocidades que se puede obtener con este método está limitada, en los bornes ordinarios, por dificultades de conmutación. Regulación de la velocidad por acoplamiento de motores en serie y serie – paralelo La velocidad de un motor serie puede regularse intercalando una resistencia en serie con el motor y, en parte, shuntando el campo. Como en la regulación de los motores Shunt mediante resistencias dispuestas en serie con el inductor, el sistema antes indicado es de mal rendimiento. Sin embargo, se utiliza este método para los casos de trabajo intermitente, como en las grúas, y durante el período de aceleración en los vehículos de transporte, en los que le bajo rendimiento no es demasiado importante.

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4.

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TABLA OPERATIVA DE MOTORES DE DC

Tipo de motor

Características

Usos

Motor Shunt

1.- Buen par de arranque. 2.- Buena velocidad constante. 3.- Velocidad fácil de controlar. 4.- Autorregulable. 5.- Se embala si se abre el campo.

Muy usado en aplicaciones industriales, donde es importante que tenga una velocidad relativamente constante.

Motor Serie

1.- Alto par de arranque. 2.- La velocidad varia de acuerdo a la carga. 3.- Se embala cuando no tiene carga.

Usado en aplicaciones en que la carga siempre está conectada al motor, pero varía en rangos muy amplios

Motor Compound Acumulativo

1.- Par de arranque excelente. 2.- Buena característica de velocidad constante. 3.- Velocidad fácil de controlar. 4.- No se embala cuando la carga es nula.

Usado en aplicaciones en que es conveniente que tenga un alto par de arranque, pero que no se desean las características de “desbloque” de los motores de serie.

Motor Compound Diferencial

1.- Par de arranque muy pequeño. 2.- Velocidad constante bajo cargas variables en rango reducido.

Muy pocas aplicaciones; probablemente debido a que con motores de CA se pueden obtener características aún mejores de este tipo

Tabla 3.1

5.

BIBLIOGRAFÍA • “MÁQUINAS ELÉCTRICAS II” Autor: Ing. Darío Biella-Bianchi. • “MÁQUINAS ELÉCTRICAS” Autor: Fitzgerald. • “MÁQUINAS ELÉCTRICAS” Autor: Langsdorf.

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