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MAQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA 1. INTRODUCCION Las máquinas de c.c. tienen una gran importancia debido a su empleo como generadores o dinamos. El modo de funcionamiento más característico de las máquinas de c.c. lo constituye su empleo como motor. La ventaja fundamental de c.c. frente a los motores de CA Ha sido su mayor grado de flexibilidad para el control de la velocidad y del par, lo cual ha hecho muy interesante su aplicación en diversos accionamientos industriales: trenes de laminación, telares, tracción eléctrica, entre otros. Por otro lado, el empleo de la corriente continua como generador o dinamo está prácticamente obsoleto debido que la corriente alterna presenta más ventajas para la generación, transporte y distribución de la energía eléctrica que la corriente continua, debido a la sencillez y economía que supone el uso de transformadores para convertir tensiones de un valor a otro. En la actualidad, como se necesita c.c. para una aplicación determinada se recurre al empleo de rectificadores de silicio, que transforma la CA de la red en c.c. de forma estática y con un gran rendimiento.

1.1.

PRINCIPALES PARTES CORRIENTE CONTINUA

CONSTITUTIVAS

DE

LAS

MÁQUINAS

DE

La máquina de c.c. está constituida por una parte fija o estator y una parte móvil o rotor, en la figura siguiente se muestran las principales partes de una máquina de c.c.

1.

Culata.- forma parte del circuito magnético, su función principal es servir como soporte mecánico del conjunto.

2. Núcleos polares.- realizados de chapas de acero sobre las que se coloca el devanado inductor o de excitación. 1

3. Zapata polar.- expansión magnética. 4. Polos intermedios.- sirven para mejorar la conmutación 5. Inducido.- Forma parte del rotor

6. 7. 8. 9.

arrollamiento del inducido.- Se constituye generalmente de cobre devanado inductor o de excitación.- Forma parte del circuito de excitación Devanado de los polos auxiliares Colector de gas.- como su nombre lo indica este se conforma por varias laminas denominadas delgas, por esto es denominado colector de delgas

10. Escobillas

11. Pies de la maquina

2

1.2.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

La máquina de corriente continua puede funcionar tanto como generador como motor. Para comprender el principio de generación de la f.e.m. en las espiras del motor, se va a considerar el inducido en forma de anillo como se observa en la figura 1. En este devanado al girar el rotor, se induce una f.e.m. en los conductores dispuestos en la cara exterior. En los conductores dispuestos en la cara exterior del núcleo al ser cortados por el flujo del estator. En los conductores interiores no aparece ninguna f.e.m. ya que no les atraviesa el flujo de los polos, al estar sus líneas de fuerza limitadas al circuito de baja reluctancia del anillo.

En los inducidos en anillo y también en los que llevan devanado imbricado simple el número de circuitos derivados coincide con el de polos. Si se denomina por 2p el número de polos y 2c el número de circuitos derivados o ramas en paralelo, se tendrá: Imbricado simple:

2 c=2 p Ondulado simple:

2 c=2 Valor medio de la f.e.m.:

Emed =

4∅ T

Dónde:

3

T =¿ Indica el periodo de la corriente Como quiera que la frecuencia de la tensión generada va ligada al número de polos 2p y a la velocidad de rotación n en r.p.m. por la relación:

n=

np 60

La f.e.m. media en un espiral de inducido será:

Emed =4 ∅ 1.3.

np 60

APLICACIONES DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

Existen diversas aplicaciones de las máquinas de corriente continua tanto en la industria como en otras actividades. Existe un creciente número de procesos industriales que requieren una exactitud en su control o una gama de velocidades que no se puede conseguir con motores de corriente alterna. El motor de corriente continua mantiene un rendimiento alto en un amplio margen de velocidades, lo que junto con su alta capacidad de sobrecarga lo hace más apropiado que el de corriente alterna para muchas aplicaciones. Los motores de corriente continua empleados en juguetes, suelen ser del tipo de imán permanente, proporcionan potencias desde algunos vatios a cientos de vatios. Los empleados en giradiscos, unidades lectoras de CD, y muchos discos de almacenamiento magnético son motores en los que el rotor es de imán fijo y sin escobillas. En estos casos el inductor, está formado por un juego de bobinas fijas, y un circuito electrónico que cambia el sentido de la corriente a cada una de las bobinas para adecuarse al giro del rotor. Este tipo de motores proporciona un buen par de arranque y un eficiente control de la velocidad. Una última ventaja es la facilidad de inversión de marcha de los motores grandes con cargas de gran inercia, al mismo tiempo que devuelven energía a la línea actuando como generador, lo que ocasiona el frenado y la reducción de velocidad. A continuación se presentan algunas de las aplicaciones principales de las máquinas de corriente continua:

 Trenes de laminación reversibles. Los motores deben de soportar una alta carga. Normalmente se utilizan varios motores que se acoplan en grupos de dos o tres. 

Trenes Konti. Son trenes de laminación en caliente con varios bastidores. En cada uno se va reduciendo más la sección y la velocidad es cada vez mayor.



Cizallas en trenes de laminación en caliente. Se utilizan motores en derivación. 4



Industria del papel. Además de una multitud de máquinas que trabajan a velocidad constante y por lo tanto se equipan con motores de corriente continua, existen accionamientos que exigen par constante en un amplio margen de velocidades.

 Otras aplicaciones son las máquinas herramientas, máquinas extractoras, elevadores, ferrocarriles.  Los motores desmontables para papeleras, trefiladoras, control de tensión en máquinas bobinadoras, velocidad constante de corte en tornos grandes 

El motor de corriente continua se usa en grúas que requieran precisión de movimiento con carga variable (cosa casi imposible de conseguir con motores de corriente alterna).

2. GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA Los generadores de c.c. o dinamos convierten una energía mecánica de entrada en energía eléctrica de salida en forma de corriente continua. En la actualidad estos generadores han caído en desuso, ya que se están utilizando rectificadores generalmente de silicio, que transforman corriente alterna de la red en corriente directa en forma estática y con mayor rendimiento.

2.1.

DESCRIPCIÓN DE FUNCIONAMIENTO

Desde el punto de vista de circuito eléctrico, las máquinas de c.c. constan de un inductor o excitación, colocadas en el estator, y un inducido giratorio provisto de colector delgas. El devanado de excitación está formado por los arrollamientos de todos los polos conectados en serie, a los que se les aplica una tensión de alimentación de c.c. que produce una corriente de circulación

∅

I e , que da lugar a una f.m.m. que origina el flujo

en el entrehierro de la máquina. El inducido gira dentro del campo magnético del

5

inductor y genera, merced a la combinación colector-escobillas, una f.e.m. continua E en vacío cuya magnitud viene definida por la expresión:

Al conectar una carga eléctrica exterior aparece una corriente

I i de circulación que

provoca una caída de tensión en el inducido. Si se denomina por

V cc

la caída de tensión por par de escobillas la aplicación de la

segunda ley de Kirchhoff al circuito del inducido conduce a la siguiente ecuación:

E=V + R i I i+ V esc

Para determinar el proceso de transformacion de energia mecanica en electrica de un generador de c.c. se tienen las siguientes ecuaciones:

V e=R

Inductor:

E=V + R i I i+ V esc

Inducido: Al multiplicar por

e Ie

Ii

la segunda ecuacion anterior se tiene:

E I i =V I i + Ri I i2+ V esc I i Esta ecuacion expresa el balance de potencia en el inducido de una dinamo. 2.2.

TIPO DE GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA

2.2.1. Generador con excitación independiente En este tipo de máquinas el devanado inductor es alimentado mediante una fuente de alimentación externa a la máquina, que puede ser por ejemplo, una batería de acumuladores.

6

2.2.2. Generadores auto-excitados En este tipo de generadores la maquina se excita a si misma tomando la corriente inductora del propio inducido. Este tipo de generadores a su vez se clasifican en: 2.2.2.1.

Generador serie

En este tipo de máquinas el inductor está en serie con el inducido; en este caso el devanado de excitación está preparado con pocas espiras de hilo grueso, ya que circulara por el la corriente total de la máquina. 2.2.2.2.

Generador Derivación o Shunt

En este tipo de máquinas el inductor se conecta directamente a los terminales de la misma, quedando en paralelo (derivación) con el inducido; en este caso el devanado de excitación está formado por arrollamientos de hilo delgado con un gran número de espiras.

2.2.2.3.

Generador Compound o compuestas 7

La excitación total estará repartida entre dos devanados, uno colocado en serie (de pocas espiras de hilo grueso) y otro colocado en paralelo con el inducido (de muchas espiras con hilo delgado). Según que el devanado en derivación este conectado directamente en las escobillas del inducido o después del devanado en serie, se tienen las maquinas compuestas con corta o larga derivación, respectivamente.

3. MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

3.1.

DESCRIPCIÓN DE FUNCIONAMIENTO

8

Un motor de c.c. transforma una energía eléctrica de entrada en una energía mecánica de salida. Esencialmente consiste en una dinamo trabajando en régimen inverso lo que está de acuerdo con el principio básico de reciprocidad electromagnética formulado por Faraday y Lenz. Para comprender este principio básico de reciprocidad con el funcionamiento de una máquina de corriente continua, se va a considerar una dinamo derivación que suministra energía eléctrica a una red de c.c. de tensión constante.

E=V +R i I i+V esc Denominado por

Ii =

V i=V +V esc

a la tension neta en el inducido nos da una corriente:

E−V i Ri

Si la f.e.m. E es superior a la d.d.p.v. el sentido de la corriente en el inducido coincide con el de E; en consecuencias la maquina trabaja como generador suministrando una potencia electromagnética Eli. La máquina crea entonces un par resistente que se opone al de rotación, es decir, contrario al movimiento del motor primario. Si se disminuye la f.e.m. del generador, reduciendo la velocidad de rotación o la excitación del inductor, cuando E se hace menor que la tensión Vi la corriente I del inducido cambiara de sentido, se dice entonces que la maquina produce una fuerza contraelectromotriz ya que E se opone a la corriente I. Si se considera positivo el signo de la corriente I, aplicando la segunda ley de Kirchhoff añ inducido se obtiene:

V =E+ R i C +V esc 9

Para determinar el proceso de transformación de la energía mecánica en eléctrica en el motor de c.c. se ha de obtener una ecuación del balance de potencias: 2

V I i=E I i + Ri I i + V esc I i Dónde:

Por lo que finalmente resulta:

Par interno desarrollado por la maquina:

Si se sustituye el valor de E se tiene:

Esta ecuación indica que el par es directamente proporcional al flujo en el entrehierro y a la corriente en el inducido.

Potencia mecánica útil en el motor:

Dónde: Pa = potencia electromagnética

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Pfe = perdidas en el hierro Pm = perdidas mecánicas de rozamiento y ventilación Potencia absorbida por la maquina:

Dónde: Pi = potencia que llega al inducido Pexc = Potencia en el circuito de excitación por efecto Joule (para maquinas autoexitadas) Rendimiento del motor

3.2.

TIPO DE GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA

3.2.1. Motores con excitación independiente Los circuitos del inductor y del inducido se alimentan de fuentes distintas

11