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INSTITUTO TECNOLOGICO DE ACAPULCO INGENIERIA ELECTROMECANICA MAQUINAS ELECTRICAS

UNIDAD 1: MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE DIRECTA Jesús Juárez Castillo Jesús Elias Guzman Mendoza Romario Hernandez Diaz Jose Francisco Manzo Velez

1.1 Generalidades en motores de corriente directa. Un motor de corriente directa es otra forma de conectar la máquina de cd, en este caso se utiliza una fuerza eléctrica para transformarla en energía mecánica. Desde hace muchos años los motores de cd se han utilizado en diferentes aplicaciones industriales. La precisión en su control de velocidad los hace indispensable en muchas aplicaciones. Algunos ejemplos de su utilización son: elevadores, malacates, ventiladores, bombas, prensas y aplicaciones marinas; también son utilizados en industrias como la del papel, plástico, aceros, minas, automotriz y textiles por mencionar algunas. La construcción de un motor de cd, es similar a la de un generador de cd por tratarse de la misma máquina. Su principio de funcionamiento se basa en la aplicación de diferentes leyes tales como la ley de inducción electromagnética de Faraday, ley de Lenz y la ley de Ampere. El motor de cd tiene también dos circuitos principales para su funcionamiento: el circuito de campo o estator y el circuito de la armadura o rotor. El voltaje es suministrado a la armadura a través de las escobillas y el conmutador (Ver figura 2.1)

Figura 2.1 Características de un motor de corriente directa. (Siemens, Components in DC motors/Electrical Training Courses: Power distribution, motor & Controls, Adaptado por el autor.).

El giro o rotación de un motor de corriente directa obedece a la interacción de los dos circuitos magnéticos que tiene, es decir al campo magnético del estator; el cual puede ser producido por imanes permanentes o bien por un devanado de campo y al campo magnético de la armadura, el cual es producido por la corriente resultante

al aplicar una tensión a través de las escobillas y el conmutador. Como sabemos siempre que fluye una corriente por un conductor, se genera un campo magnético alrededor del mismo (Ver figura 2.2).

Figura 2.2 Campo magnético del estator de un motor de corriente directa. (Siemens, Components in DC motors/Electrical Training Courses: Power distribution, motor & Controls, Adaptado por el autor.).

Regla de la mano derecha para motores. La regla de la mano derecha para motores muestra la relación entre el devanado de campo y el devanado de la armadura que son los dos circuitos principales del motor, determinando la dirección de rotación o giro del conductor o armadura. Si la mano derecha es colocada como se indica en la figura 2.3, con el dedo índice apuntando en la dirección del campo principal y el dedo medio apuntando en la dirección del flujo de corriente en el conductor, el dedo pulgar indicará la dirección de movimiento o giro del conductor o armadura.

Figura 2.3 Regla de la mano derecha para motores. (Siemens, Components in DC motors/Electrical Training Courses: Power distribution, motor & Controls, Adaptado por el autor).

El principio de funcionamiento de los motores eléctricos de corriente directa o continua se basa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán

permanente cuando, de acuerdo con la Ley de Lorentz, interactúan con los polos magnéticos de un electroimán que se encuentra montado en un eje. Este electroimán se denomina “rotor” y su eje le permite girar libremente entre los polos magnéticos norte y sur del imán permanente situado dentro de la carcasa o cuerpo del motor.

Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina de este electroimán giratorio, el campo electromagnético que se genera interactúa con el campo magnético del imán permanente. Si los polos del imán permanente y del electroimán giratorio coinciden, se produce un rechazo y un torque magnético o par de fuerza que provoca que el rotor rompa la inercia y comience a girar sobre su eje en el mismo sentido de las manecillas del reloj en unos casos, o en sentido contrario, de acuerdo con la forma que se encuentre conectada al circuito la pila o la batería.

Función del colector o conmutador en el motor de C.D. En la siguiente figura se representa, de forma esquemática y simplificada, la vista frontal de un colector seccionado en dos partes, perteneciente a un motor de corriente directa (C.D.) muy simple. También se muestra el enrollado de la bobina del electroimán que gira a modo de rotor, diferenciada por un color diferente en cada una de sus mitades. Una de las mitades se representa por un círculo rojo y la otra por un círculo azul, identificados como “1” y “2”. Como se puede ver, uno de los terminales de dicha bobina se encuentra conectado a la sección “a” del colector y el otro terminal a la sección “b”.

En el motor de corriente directa el colector o conmutador sirve para conmutar o cambiar constantemente. el sentido de circulación de la corriente eléctrica a través del enrollado de la bobina del rotor cada vez. que completa media vuelta. De esa forma el polo norte del electroimán coincidirá siempre con el también. polo. norte del imán permanente y el polo sur con el polo sur del propio imán. Al coincidir siempre dos. polos magnéticos, que en todo momento van a ser iguales, se produce un rechazo constante entre. ambos, lo que permite al rotor mantenerse girando

ininterrumpidamente sobre su eje durante. todo el. tiempo que se encuentre conectado a la corriente eléctrica. Tal como vemos, en “A” de la figura, la bobina del electroimán se encuentra colocada entre los polos norte “N” y sur “S” del campo magnético del imán permanente. A su vez, el polo positivo (+) de la batería se encuentra conectado siguiendo el sentido convencional de la corriente (del signo positivo al negativo) en la mitad “a” del colector a través de la escobilla identificada también con el signo (+). De esa forma la mitad de la bobina de color rojo (1) se energiza positivamente para formar el polo norte “N”, mientras que la otra mitad, la de color azul (2) se energiza negativamente para formar el polo sur “S”.

Como resultado, cuando en el electroimán se forma el polo norte, de inmediato el también polo norte del imán permanente lo rechaza. Al mismo tiempo el polo sur que se forma en el extremo opuesto, es rechazado igualmente por el polo sur del propio imán; por tanto se produce una fuerza de repulsión en ambos extremos del rotor al enfrentarse y coincidir con dos polos iguales en el imán permanente. Si bajo esas condiciones aplicamos la “Regla de la mano izquierda” y tomamos como referencia, por ejemplo, la parte de la bobina donde se ha formado el polo norte en el electroimán, comprobaremos que al romper la inercia inicial, comenzará a girar en dirección contraria a las manecillas del reloj, como indica la flecha de color verde.

Una vez que la bobina del electroimán gira y asume una posición vertical (como se muestra en la parte “B” de la ilustración), las escobillas dejan de hacer contacto con ambos segmentos del colector. En esa posición neutra la corriente que suministra la batería deja de circular y la bobina se desenergiza, por lo que ambos extremos del electroimán pierden momentáneamente sus polos magnéticos. No obstante, debido a la fuerza de inercia o impulso de giro que mantiene el electroimán, esa posición la rebasa de inmediato y sus extremos pasan a ocupar la posición opuesta a la que tenían, tal como se muestra en la parte “C” de la misma ilustración.

Ahora en “C” se puede ver que la mitad de la bobina que anteriormente tenía color azul (2) con polaridad sur cuando se encontraba situada a la derecha del eje del rotor pasa a ocupar la parte izquierda junto con la mitad (b) del colector al que se encuentra conectada. Esa parte de la bobina que ha girado, al ocupar ahora la posición opuesta, se convierte en el polo norte (2) del electroimán por lo que es rechazado de nuevo por el polo norte del imán permanente, que como ya se explicó se encuentra fijo al cuerpo del motor. Seguidamente el electroimán, al continuar girando y dar otra media vuelta, pasa de nuevo por la zona neutra (como en “B”) repitiéndose de nuevo el mismo ciclo. Esos cambios continuos en los polos del

electroimán del rotor que proporciona el colector, son los que permiten que se mantenga girando de forma ininterrumpida mientras se mantenga energizado.

En resumen, la función del colector es permitir el cambio constante de polaridad de la corriente en la bobina del electroimán del rotor para que sus polos cambien constantemente. Este cambio ocurre cada vez que el electroimán gira media vuelta y pasa por la zona neutra, momento en que sus polos cambian para que se pueda mantener el rechazo que proporciona el imán permanente. Esto permitirá que el electroimán del rotor se mantenga girando constantemente durante todo el tiempo que la batería o fuente de fuerza electromotriz (F.E.M.) se mantenga conectada al circuito del motor, suministrándole corriente eléctrica. En esta otra ilustración se muestra, de forma esquemática y simplificada, un motor común de corriente directa (C.D.) con un rotor formado por una simple bobina de una sola espira de color rojo y azul, para diferenciar cada mitad. Si seguimos el recorrido de la corriente eléctrica (I) asumiendo que fluye en el sentido convencional (del polo positivo "+" al polo negativo "–" de la batería, según indican las flechas negras), cuando en la mitad izquierda de la espira de color rojo se forma el polo norte “N” coincidiendo con la misma polaridad del campo magnético del imán permanente fijo al cuerpo del motor, se produce una fuerza de rechazo entre ambos polos iguales. Si aplicamos la “Regla de la mano izquierda” se puede determinar que esa mitad de la espira se moverá hacia abajo (flecha verde izquierda). Por otra parte, en la mitad derecha (de color azul) ocurrirá lo mismo, pero a la inversa, por lo que aplicando la propia regla comprobaremos que se moverá hacia arriba (flecha verde derecha). La combinación de esas dos fuerzas o vectores actuando de forma opuesta y al unísono (de acuerdo con la Fuerza de Lorentz), provocará que el electroimán del rotor, formado aquí por esa simple espira, comience a girar en torno a su eje imaginario (representado por una línea de puntos en la figura) en dirección contraria a las manecillas de reloj en este ejemplo. Ese movimiento de rotación se encuentra señalado por la flecha negra en forma de semicírculo, que se encuentra dibujada al fondo de la espira.

Los motores de corriente directa pueden ser de tres tipos:   

Serie Paralelo Compound

o MOTOR SERIE: es un tipo de motor eléctrico de corriente continua en el cual el devanado de campo (campo magnético principal) se conecta en serie con la armadura. Este devanado está hecho con un alambre grueso porque tendrá que soportar la corriente total de la armadura. Debido a esto se produce un flujo magnético proporcional a la corriente de armadura (carga del motor). Cuando el motor tiene mucha carga, el campo de serie produce un campo magnético mucho mayor, lo cual permite un esfuerzo de torsión mucho mayor. Sin embargo, la velocidad de giro varía dependiendo del tipo de carga que se tenga (sin carga o con carga completa). Estos motores desarrollan un par de arranque muy elevado y pueden acelerar cargas pesadas rápidamente.

o MOTOR SHUNT O MOTOR PARALELO: es un motor de corriente continua cuyo bobinado inductor principal está conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducidos e inductor auxiliar Al igual que en las dinamos shunt, las bobinas principales están constituidas por muchas espiras y con hilo de poca sección, por lo que la resistencia del bobinado inductor principal es muy grande.

o MOTOR COMPOUND: es un motor de corriente continua cuya excitación es originada por dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el bobinado inducido y otro conectado en derivación con el circuito formado por los bobinados inducido, inductor serie e inductor auxiliar. Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt. Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de armadura. El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de armadura varía, y es directamente proporcional a la carga. El campo serie se conecta de manera tal que su flujo se añade al flujo del campo principal shunt. Los motores compound se conectan normalmente de esta manera y se denominan como compound acumulativo. Esto provee una característica de velocidad que no es tan "dura" o plana como la del motor shunt, ni tan "suave" como la de un motor serie. Un motor compound tiene un limitado rango de debilitamiento de campo; la debilitación del campo puede resultar en exceder la máxima velocidad segura del motor sin carga. Los motores de corriente continua compound son algunas veces utilizados donde se requiera una respuesta estable de par constante para un rango de velocidades amplio.

Arrancadores El arrancador siempre se encuentra aislado. La resistencia de arranque tiene varios pasos para eliminarla en forma gradual a medida que se acelera el motor. El contacto está montado sobre un eje que se sale de la caja, para manipularlo desde el exterior por medio de una palanca. Un resorte mantiene esta parte en su extremo izquierdo, en la posición de circuito abierto, mientras que el otro extremo un electroimán mantiene el contacto en circuito cerrado mientras deba trabajar el motor. El arranque de un motor es el instante en que conecta a la red. En ese momento, el par motor debe ser mayor que el par resistente que opone la carga. En el instante del arranque, al estar parado el motor su velocidad es nula, por lo que la fuerza contra electromotriz que es proporcional a la velocidad también es nula. Esto provoca que toda la tensión de alimentación cae en el devanado del inducido, por lo que en el instante del arranque la intensidad que recorre el motor es muy elevada, pudiendo alcanzar valores de hasta diez veces la intensidad nominal en régimen de funcionamiento estable y más aún para motores de gran potencia, que es cuando el motor ha alcanzado una velocidad que se mantiene constante, ya que el par motor y el par resistente de la carga están equilibrados. La intensidad que recorre el inducido tiene por expresión:

Como en el arranque E=0, ya que ω=0, la expresión anterior resulta:

Fig.1. Arrancadores para motores de CD, excitación en derivación (izquierda) y excitación en serie (derecha)[1].

Por lo que para limitar la corriente de arranque a valores compatibles con los requerimientos del trabajo, y que no provoque efectos perjudiciales para los devanados se introduce una resistencia en serie con el inducido, que consistirá en un reostato de arranque de varios escalones, que en el momento del arranque estará totalmente introducido y que durante el proceso de cebado del motor hasta

alcanzar el régimen nominal se va extrayendo, bien manualmente, o bien automáticamente mediante dispositivos electrónicos, el número de saltos o “plots” que presente el reóstato de arranque dependerá de la suavidad que precise el arranque y de la potencia del motor. CLASIFICACION Los arrancadores y controles se han diseñado para satisfacer las necesidades de las numerosas clases de motores de c-c. Por ejemplo, para arrancar los motores de c-c pequeños pueden disponer de un interruptor de línea relativamente sencillo en tanto que los motores de c-c grandes requieren instalaciones más complicadas. Se encontrará que los arrancadores y controles se clasifican:

 Por la forma en que funcionan: manal o automática.  Por la forma en que están construidos: de placa o de tambor.  Por el tipo de cubierta: abierta o protegida.

Además, los arrancadores y controles se clasifican según el número de terminales con que se conectan al motor: 

Arrancador de contacto doble para motores serie

Este tipo de arrancadores ofrece protección al motor, cuando éste funciona sin carga, lo cual significa que si se quita súbitamente la carga cuando el motor está andando, el arrancador desconectará el motor de la fuente de energía para evitar que éste se desboque. Note que en el arrancador de contacto doble, la bobina de sujeción está conectada en serie con la fuente de alimentación, la armadura del motor y el devanado de campo. Para poner en marcha al motor, el operador mueve gradualmente el brazo del arrancador, de la posición de apagado a la de funcionamiento, deteniéndose durante uno o dos segundos en cada botón de contacto del reóstato. Finalmente el brazo se mantiene en la posición de funcionamiento, venciendo la tensión del resorte de retroceso, debido a la atracción del imán de sujeción. Si se quita la carga del motor, la caída correspondiente en la corriente de armadura es percibida por la bobina de sujeción en serie, que la suelta. Como resultado, el brazo del reóstato queda libre y regresa a la posición de apagado por la tensión del resorte de retroceso. Esta característica evita que el motor de serie sufra daño como resultado del funcionamiento a alta velocidad, cuando tiene una carga ligera o no tiene carga.



Arrancadores de contacto triple para motores en serie

El arrancador de contacto triple para motores de serie sirve para el mismo objetivo que los arrancadores que se usan en motores de derivación y compuestos.Una característica del arrancador de contacto triple para motores de serie que se ilustra es que tiene protección contra bajo voltaje, lo cual significa que si el voltaje de la fuente desciende hasta un valor muy bajo o a cero, el motor quedará desconectado del circuito. 

Arrancador de contacto cuadruple para motores de derivacion y compuestos

Los arrancadores de contacto cuádruple para motores de derivación y compuestos tienen las mismas funciones básicas que los de contacto triple y, además, hacen posible que se use un reóstato de campo con lo motores, para obtener velocidades superiores a la normal. En la figura se ilustra un arrancador de contacto cuádruple usado en un motor en derivación. La bobina de sujeción no está conectada en serie con el campo en derivación, como ocurría en el arrancador de contacto triple. En cambio la bobina de sujeción y un resistor en serie están conectados directamente con el voltaje de la fuente. De esta manera la corriente de la bobina de sujeción es independiente de la corriente de campo, la cual se hace variar para modificar la velocidad del motor. Sin embargo todavía se puede usar la bobina de sujeción para liberar el brazo del arrancador cuando el voltaje es bajo o nulo en la fuente. El arrancador de contacto triple sirve para poner en marcha el motor de la misma manera que la descrita para el arrancador de contacto triple. En cuanto el brazo del reóstato llega a la posición de funcionamiento, el reóstato de campo conectado en serie con el campo en derivación se usa para graduar la velocidad del motor al valor deseado. Cuando debe detener el motor, generalmente el operador reajusta el reóstato de campo de manera que toda la resistencia se interrumpa y la velocidad del motor se reduzca a su valor normal, lo que asegura que la siguiente vez que el motor se ponga en marcha se dispondrá de un campo intenso y en consecuencia, del máximo par.

FRENADO EN MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA. Cuando el momento electromagnético de la maquina se oponga a la rotación, o sea que actúe en sentido contrario a la velocidad con el objetivo de disminuir el tiempo que emplea la maquina en detenerse o, en el caso de cargas activas para evitar que la velocidad aumente indefinidamente. Cuando el accionamiento trabaje en estas condiciones se dice que se encuentra en régimen de frenado.

Motor serie  Frenado contra corriente Al trabajar el motor en un régimen de frenado contracorriente se introduce en el circuito una resistencia adicional para restringir la corriente. Este es posible si el momento o par motor de carga resulta mayor que el momento de corto circuito. La carga en este régimen debe ser limitada según la corriente admisible en el circuito del reducido. Aquí en este régimen, lograr el frenado es posible al cambiar la polaridad de tensión alimentada al inducido. En este caso conviene variar el sentido de la corriente del inducido, dejar invariable la dirección de la corriente en el devanado de excitación  Frenado dinámico con excitación independiente y con auto excitación 1. Con excitación independiente Aquí el motor trabaja a régimen generador con excitación independiente, el devanado de excitación, se conecta a la red a través de la resistencia que restringe la corriente hasta la magnitud nominal. A veces para motores de pequeña potencia se rehúsa la conexión del devanado en serie según el circuito anterior y se ejerce el mantenimiento del flujo, al aplicar el frenado dinámico, valiéndose de anillos de cobre cortocircuitados en los polos se utilizan para motores de 0,52 kw de potencia destinado al sistema de carga de altas normas. 2. Con auto excitación Durante el frenado con auto excitación el inducido y el devanado de excitación del motor se desconectan de la red y se cierran en la resistencia. Señalando que al pasar la máquina de régimen de motor a régimen de frenado dinámico conviene variar la polaridad del inducido, de modo que no varía la dirección de la corriente del devanado de excitación para evitar la desimanación de la máquina.

Motor compound El Motor compound admite tres procedimientos de frenado eléctrico:  El frenado regenerativo (en hipersincronismo).  El frenado dinámico o por corriente continua.  El frenado por contracorriente. En caso de frenado regenerativo la corriente en el inducido y en el devanado en serie varía la dirección y puede desimanar la máquina. Para evitar la acción desimanante, habitualmente al pasar la velocidad el devanado en serie se shunta y, por eso, las características mecánicas en el cuadrante II tienen la forma de rectas. Esta forma también la tienen las características de frenado dinámico, ya que este tipo de frenado suele practicarse al conectar solo el devanado de excitación independiente, cuando, prácticamente, el flujo magnético es permanente. Las características de los regímenes por contracorriente no son lineales a causa de la influencia de la fem variable del devanado en serie, en caso de que varíe la carga.

Motor Shunt En muchas instalaciones eléctricas el frenado de los motores es de capital importancia. En los motores shunt la acción de frenado es posible:

1. Mediante la devolución de la energía al circuito de alimentación de potencia, lo que también se llama frenaje regenerativo. 2. Por inversión o conmutación de la corriente también llamado frenado por contracorriente. 3. Por frenaje dinámico.  Frenaje regenerativo En el caso de motor shunt el frenaje regenerativo tiene lugar cuando, trabajando como motor, la maquina es obligada por la potencia impulsora a girar a una velocidad que excede la velocidad en vacío. Puede ser cuando la maquina trabaja también como generador pero en este caso la energía retorna a la línea y la recupera.  Frenaje por inversión Ocurre cuando la carga mecánica acoplada al eje de la maquina la hace girar en sentido contrario al momento producido electromagnéticamente, en este caso, la maquina recibe energía tanto por el eje como por la línea de alimentación. Este tipo de frenado se puede realizar por dos métodos:

1. Cuando la potencia impulsora obliga a la maquina a girar en sentido contrario al que tiene cuando desarrolla el par motor. 2. Invirtiendo la rotación mediante el cambio de sentido de la corriente en el inducido del motor.  Frenaje dinámico La maquina trabaja como generador recibiendo energía por su eje y entregándola a una resistencia. Cuando se emplea el frenaje dinámico en un motor shunt, su inducido es desconectado del circuito de alimentación de potencia y se conmuta en paralelo con él una resistencia de carga sin variar la corriente en el circuito de excitación. La maquina empieza a trabajar como generador con excitación independiente utilizando la energía cinética almacenada en la unidad.

1.2 Descripción de la relación entre par y fuerza. Los términos fuerza y par electromagnéticos, son muy comunes en el estudio de máquinas eléctricas, sin embargo no tienen el mismo significado. La relación entre la fuerza que actúa sobre un conductor y el par que se produce en este, se muestra en la figura 2.4. Como se muestra en la figura 2.3 una bobina de una sola espira montada sobre una estructura que le permita moverse, conduce corriente en un campo magnético (En la figura 2.4a también se observa este comportamiento). De acuerdo con la ley de Biot Savart, se produce una fuerza f1 ortogonal en el lado 1 de la bobina, lo mismo ocurre en lado 2 de la bobina desarrollándose una fuerza f2 como se aprecia en la figura 2.4b. Las fuerzas f1 y f2 se desarrollan de tal forma que tienden a producir un movimiento o giro de la armadura del motor, este sentido de rotación como se indicó antes queda determinado por la regla de la mano derecha para motores.

Figura 2.4 Producción de par en una bobina de una espira. (I. L. Kosow, Máquinas eléctricas y transformadores, pág.110).

El par, también conocido como momento de torsión, se define como la tendencia de una fuerza y su distancia radial al eje de rotación a provocar un giro. Se indica en unidades de fuerza por longitud y no debe ser confundido con trabajo. El par producido en la máquina es el producto del flujo y la corriente en la máquina, multiplicado por una constante que representa la construcción mecánica de la máquina. Así la fuerza electromagnética producida en un conductor dado de armadura portador de corriente queda definido por: F  Bil Donde: B = campo magnético

i = intensidad de corriente eléctrica en el conductor l= longitud del conducto Y el par electromagnético desarrollado por cualquier conductor en la superficie de la armadura:

  rFsen Donde: r = distancia radial al eje de rotación. F= fuerza por conductor.

 = ángulo entre r y F.

1.3 Análisis de la fuerza contra electromotriz en el motor Un receptor muy importante que se suele conectar en un circuito eléctrico es un motor, que es un dispositivo que transforma energía eléctrica en energía mecánica. La energía eléctrica transformada en energía mecánica por cada unidad de carga que circula por él se denomina fuerza contra electromotriz (fcem, ε') y se mide en voltios. La fuerza contra electromotriz es la característica que define a un motor. 𝐄𝐌𝐄𝐂𝐀𝐍𝐈𝐂𝐀 =∈′ 𝐗 𝐪 =∈′ 𝐗 𝐈 𝐗 𝐭 Y la potencia del motor vendrá dada por: 𝐏 = (∈′ )(𝐈)

Imagen 11. CJ Cowie, Creative commons

Los motores se construyen con hilos conductores que presentan una resistencia al paso de la corriente, la resistencia interna del motor, r' .Por este motivo, cuando conectamos un motor y circula una corriente por él, se calienta. La potencia consumida en el motor será la transformada en potencia mecánica más la disipada en esta resistencia interna:

Si divides la expresión anterior por consumida por el motor es,

, te queda:

, ya que la potencia

Al trabajar con motores interesa conocer su rendimiento cuando están instalados en un circuito. Se define el rendimiento del motor como:

Los motores eléctricos han transformado nuestra civilización, actualmente existen de todos los tamaños y se aplican en todas las ramas de la actividad humana. El símbolo que representa un motor en un circuito es:

EJERCICIO RESUELTO: Una batidora tiene una potencia de 150 W cuando se conecta a la red de 220 V. La batidora dispone de un motor eléctrico de 176,5 V de fcem. ¿Cuál es la resistencia interna del motor? La intensidad de la corriente que circula por la batidora es: I = P consumida motor /ΔV = 150/220 = 0,68 A.

150 = 176,5. 0,68 + 0,682 . r' = > r' = 64,8 Ω REFLEXIÓN Quieres probar el motor de un juguete eléctrico y, utilizando un amperímetro, mides que por el motor circula una intensidad de corriente de 0,4 A. El voltímetro instalado entre los bornes del motor señala 7,8 V. Si la resistencia interna del motor es de 2 Ω, ¿cuál es la fuerza contra electromotriz del mismo? ¿Cuál es el rendimiento del motor? ΔV = ε' + I r', sustituyendo, 7,8 = ε' + 0,4 . 2 → ε' = 7 V η = ε'/ΔV = 7/7,8 =0,9, es decir, del 90%

La fuerza contra electromotriz se define como una característica de los receptores que mide en voltios la energía por unidad de carga que consume el mismo. Se opone al paso de la corriente eléctrica en una inductancia, reduciendo después de unos milisegundos el consumo de la misma. Su expresión matemática es la siguiente:

Fuerza contra-electromotriz en motores eléctricos. En cuanto circula corriente por el bobinado del rotor (inducido), se produce la acción dinámica entre la corriente y el campo magnético de las expansiones polares, haciendo que el motor comience a funcionar. Pero en cuanto los conductores del rotor se mueven, cortan las líneas de fuerza del campo y por tal motivo se inducirá una Fuerza electromotriz (FEM) en ellos. De acuerdo con la ley de Lenz, la fuerza electromotriz tiende a oponerse a la causa que la genera, es decir, que en el caso que nos ocupa tenderá a frenar el rotor. Aplicando la regla de la mano derecha se encuentra que la espira es impulsada hacia un sentido señalado, pero al moverse los conductores que la forman dentro del campo se inducirá una FEM cuyo sentido se encuentra con la regla de la mano derecha y el sentido de la tal es opuesto al de la corriente principal. Por tal motivo a esa FEM se la llama fuerza contra-electromotriz, y obliga a aumentar la tensión

aplicada al motor para que se asegure la circulación de corriente en el rotor. Si una espira corta a un flujo a razón de tendrá el valor de:

revoluciones por minuto, la FEM inducida

Siendo: Número de polos Flujo Revoluciones por minuto (RPM) Para más de una espira, debe multiplicarse por el número de ellas la fórmula anterior. Como conclusión la FCEM depende directamente del flujo y las revoluciones que tome el rotor y de los polos y número de espira como constantes del aparato (generador o motor de CC).

Un motor eléctrico que se le aplica un momento de torsión eléctrica provoca que una espira por la cual fluye una corriente eléctrica gire en un campo magnético constante pero si a ese campo magnético le producimos una corriente eléctrica y hacemos girar la bobina del rotor entonces provocaremos una f.e.m. inducida. Con lo cual se puede decir que en un motor eléctrico de cualquier tipo puede convertirse en un generador eléctrico. Cuando un motor eléctrico tiene un movimiento debido al campo magnético se le llama fuerza contra electromotriz.

1.4 Estudio de la relación entre par y velocidad Denominamos característica par-velocidad de un motor a la representación gráfica de la velocidad del motor frente al par que desarrolla dicho motor. Pero, ¿qué es el par de un motor? Trataremos de explicarlo lo más fácilmente posible: En los conductores del inducido de una máquina de este tipo, aparecen fuerzas que hacen girar el rotor de la máquina. Como todas las fuerzas asociadas a giros, cada una de ellas tendrá asociado su correspondiente momento. Pues bien, la suma de todos estos momentos individuales (sin olvidar que las fuerzas tienen que ejercer su acción en el mismo sentido) dará el momento de rotación de la máquina. Si la máquina es un generador este momento se denomina Par Resistente porque se opone al movimiento que lo produce. Pero si se trata de un motor, se denomina Par Motor porque es el que produce el giro de dicho motor. IMPORTANTE En un motor, la velocidad de funcionamiento se fija en el punto en el que el par que el motor puede producir es igual al que necesita la carga para funcionar. Por este motivo son muy útiles las características par-velocidad tanto del motor como de la carga, ya que se usan para definir si un motor es útil para una determinada utilización. Algunos ejemplos de características par-velocidad tanto de una carga como de un motor son:

Imagen 8. Característica par-velocidad de un motor.

Imagen 9. Característica par-velocidad de una carga. Elaboración propia

Imagen 10.Característica par-velocidad de un motor con una carga. Elaboración propia

Si observas la gráfica del par-velocidad del motor y la carga, verás que hay un punto (señalado con una flecha) en el que el par motor y el par necesario para la carga coinciden, a ese par se le denomina par motor nominal y la velocidad a la que corresponde ese punto será la velocidad nominal de la máquina.

La velocidad de un motor de corriente continua vendrá dada por la expresión: n= U/kΦ U Tensión inducido Φ Flujo de campo magnético creado por el Inductor. De la expresión podemos deducir que si el flujo del Inductor se hace cero el motor podría llegar a embalarse. Y el par vendrá dado por la expresión: M = k Φ Inducido Se instala un reóstato o resistencia variable para limitar la Intensidad del inducido en el arranque, y evitar el embalamiento.

1.5 Análisis de las características operativas del motor.

Los motores de corriente directa se clasifican de acuerdo a la forma en que se conectan sus devanados de campo con la fuente de excitación. Existen cinco tipos de motores de CD de uso general: -Motor de CD de excitación independiente. -Motor de CD en derivación. -Motor de CD de imán permanente. -Motor de CD en serie. -Motor de CD compuesto.



Motor de CD en excitación serie.

En este tipo de motor el devanado de campo es conectado en serie con el devanado de la armadura como se muestra en la figura. El calibre del alambre del devanado de campo serie es grande debido a que tiene que soportar la corriente demandada por la armadura. Al ser de calibre mayor, solo son necesarias unas cuantas vueltas.

Los motores serie tienen como característica principal que desarrollan un gran par de arranque, sin embargo, su velocidad varía considerablemente cuando se operan a plena carga y en vacío, llegando incluso a desbocarse si se trabajará sin carga, provocando con ello la destrucción del mismo, de ahí que se sugiere operarlo siempre con carga conectada, aunque esta sea ligera. Por lo tanto, este tipo de motor no se recomienda utilizar cuando se desea tener velocidad constante ante una variación en la carga. En la figura se muestra el

circuito equivalente para este tipo de motor serie, en la cual se aprecia que, si aplicamos la Ley de Voltajes de Kirchhoff, se obtiene: Vt= Ea + Ia(Ra + Rs).



Motor de CD con excitación en derivación.

Es un motor shunt el devanado de campo es conectado en paralelo con el devanado de la armadura. Este tipo de motor ofrece una buena regulación de velocidad, siendo esta su principal característica. El devanado de campo puede ser de excitación independiente o conectarse a la misma fuente de voltaje que excita a la armadura tal y como se muestra en la siguiente figura.

En este tipo de motor cuando se le aplica una carga de manera repentina al eje, la pequeña corriente sin carga que circula por la máquina no es suficiente para producir un par suficiente para soportar la carga y como consecuencia el motor tiende a desacelerar. Lo cual provoca que la fcem disminuya dando como resultado

una corriente mayor y un par también más alto. Cuando el par o momento de torsión del motor es igual al par demandado por la carga, la velocidad permanece constante. Por consiguiente, cuando la carga mecánica se incremente, la corriente en el inducido se incremente y la velocidad disminuye. En la siguiente figura se puede observar las características típicas de par-velocidad y par-corriente de un

motor en derivación. En la figura se muestra el circuito equivalente del motor en derivación, del cual se deduce que, si aplicamos la ley de voltajes de Kirchhoff para el circuito de la armadura del motor, se obtiene Vt= Ea + Ia Ra.



Motor de CD con excitación compuesta.

Este tipo de motor tiene conectada la bobina de campo serie y el devanado de campo shunt con excitación independiente. El devanado serie provee al motor un buen par de arranque mientras el devanado en derivación le permite una muy buena regulación de velocidad. El devanado decampo serie se puede conectar de forma tal que el flujo producido apoye al flujo establecido por la bobina de campo shunt constituyendo lo que se conoce como motor compuesto acumulativo. Cuando el devanado de campo serie produce un flujo que se opone al flujo de la bobina del campo shunt, el motor se conoce como motor compuesto diferencial. También es conveniente recordar que este tipo de motor se puede conectar en derivación corta o derivación larga, según donde se conecte la rama en derivación.

1.6 Regulación de la velocidad del motor. Una de las razones por las cuales hoy día se utilizan los motores de CD es por la facilidad con que su desempeño se adapta para satisfacer las demandas de la industria. La facilidad en el control de su velocidad a cualquier par demandado por la carga y sin tener que realizar ningún cambio en su construcción lo mantienen vigente en sus diferentes aplicaciones. La regulación de velocidad en un motor es una medida del cambio de velocidad desde su operación en vacío hasta su operación a plena carga, expresada generalmente en porciento de la velocidad correspondiente a la carga nominal.

Donde: Nsc= Velocidad sin carga del motor. Npc= Velocidad a plena carga del motor.

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Regulación de velocidad en un motor con excitación serie.

La regulación de velocidad en un motor serie es muy mala debido a que en vació su velocidad se incrementa a infinito, llegando a autodestruirse. Una forma de regular la velocidad es el motor serie consiste en insertar una resistencia externa en serie con el circuito del motor, sin embargo, este método resulta un gran desperdicio de potencia y solo es utilizado en el arranque de algunos motores. Otra manera de controlar la velocidad es este motor es mediante la variación del voltaje en las terminales de la máquina. En la siguiente figula se puede apreciar el comportamiento de este motor ante diferentes corrientes en la armadura.

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Regulación de velocidad en un motor con excitación en derivación.

La velocidad en los motores en derivación se puede considerar como constante al funcionar sin carga y pasar a plena carga por lo cual se deduce que la regulación de velocidad en este tipo de motor es buena.



Regulación de velocidad en un motor con excitación compuesta.

Debido a que en el motor compuesto la bobina serie puede conectarse con una polaridad tal que el flujo magnético producido se sume o reste al flujo producido por el campo de la bobina en derivación, la regulación de velocidad no es la misma en cada caso. Para un motor compuesto acumulativo la regulación de velocidad es menos buena que la de un motor en derivación, aunque a deferencia del motor serie este motor no se desboca cuando se elimina la carga. El motor compuesto diferencial tiene una regulación negativa de velocidad debido a su inestabilidad ante la carga. Además, existe la posibilidad de que este motor alcance una velocidad peligrosa al aumentar está a medida que el flujo creado por el campo serie se aproxima al flujo creado por la bobina en derivación.

1.7 Efecto de reacción de armadura sobre el flujo de campo. Se denomina reacción de la armadura a un fenómeno magnético presente en alternadores trifásicos, y que consiste en la modificación del campo magnético existente entre el rotor y el estator de dicho alternador, dependiendo de cómo sea la carga que tiene que mantener dicha máquina eléctrica. A similitud de lo que ocurre en generadores de Corriente Continua, estando el alternador de una máquina de C.A. en vacío, el único flujo presente es el del campo magnético inductor. Pero al cargarse al alternador la corriente inducida que recorre a los conductores (Generalmente ubicados en el estator) también crean un campo magnético giratorio al cual el rotor debe vencer para que el rotor gire y el alternador entregue energía a la red. Si la carga es óhmica, la composición de ambos campos (Inductor e inducido) son concordantes entre las líneas activas del estator y los polos del rotor. El campo inducido tiende a deformar al campo inductor principal de la rueda polar aumentándolo en los extremos polares posteriores y disminuyéndolo en los extremos polares anteriores, en relación al sentido de giro. El resultado es que con carga óhmica el flujo principal resulta disminuido y deformado por este fenómeno magnético al que se llama reacción de la armadura, y puede decirse que con este tipo de carga, la rueda polar es "tirada hacia atrás", manifestándose así el par resistente o frenante, proporcional a la carga que debe vencer la máquina de impulso del alternador. En caso de considerarse al alternador con una carga (teórica) puramente inductiva, los máximos valores de f.e.m. inducida en los conductores del estator seguirán en consecuencia con el eje de simetría de las piezas polares, mientras que sus respectivas corrientes inducidas se encontrarán retrasadas en 90º eléctricos, por lo que corresponderá una disposición de campos en la cual las corrientes inducidas están atrasadas 90º en relación a su antigua ubicación para carga óhmica. Por ende, se puede determinar como conclusión que el fenómeno de la reacción de la armadura para carga inductiva pura tiene consecuencias totalmente desmagnetizantes, lo que establece la imposibilidad práctica del funcionamiento del alternador en esa condición de carga. Aplicando el mismo análisis para alternadores con carga capacitiva pura, por estar en este segundo caso teórico las corrientes inducidas 90º adelantadas en relación a sus respectivas f.e.m. el flujo del campo magnético giratorio, por reforzar al campo inductor, resulta en esa conducción totalmente "magnetizante". Esa circunstancia permitiría, en teoría, el funcionamiento del alternador sin necesidad de excitación de su campo inductor. No obstante, las instalaciones industriales normales se encuentran lejos de los casos teóricos expuestos, ya que su factor de potencia oscila entre 0,7 y 0,85 con fuerte predominio inductivo. Es de destacar que el comportamiento de los alternadores ante cargas inductivas que acaba de explicarse obliga a mantener en las instalaciones valores de φ lo más

elevados posible que resulte posible para lo cual se recurre a diversas formas de mejoramiento del factor de potencia.

Diagramas vectoriales de alternadores. El flujo principal del alternador y el flujo ocasionado por las corrientes inducidas en su estator se componen en todo momento para dar un flujo resultante que, respecto del flujo principal en vacío puede resultar mayor o menor de acuerdo al factor de potencia de la carga. En cada fase del alternador la f.e.m. es la suma vectorial de dos caídas de tensión: la caída externa o tensión U, y la caída interna cuyo valor es: Ic*Zs = Ic*Ri + Ic*Xs Se cumple entonces que para cada fase: E = U + I*R + I*Xs

Diagrama vectorial de un alternador trifásico Siendo: Ic = corriente de carga Rc = Resistencia de carga Xc = Reactancia de carga Zc = Impedancia de carga Ri = Resistencia interna del alternador (Sincrónico) Xs = Reactancia interna del alternador (Sincrónico) Zs = Impedancia interna del alternador (Sincrónico) La imagen donde se muestra un diagrama vectorial correspondiente a una fase de un alternador conectado a una carga con predominio inductivo cuyo factor de potencia es 0,8; donde puede observarse que el valor de la caída óhmica interna Ic*Ri, del alternador resulta mucho menor que el valor de la caída inductiva Ic*Xs, por lo que: Ic*Xs = Ic*Zs.

Modificación en diagramas vectoriales por variación de carga Si partiendo del estado de carga que indica el diagrama vectorial antes indicado, se mantiene constante el valor de la Corriente de Excitación del alternador, también lo será el flujo inductor y por lo tanto la f.e.m. E, de manera que en esas condiciones las variaciones que se produzcan en la tensión en bornes del alternador se deberán enteramente a la magnitud y fase de las variaciones de I*R e I*Xs, y por ende al valor de la intensidad de carga y del ángulo de fase entre ésta y la tensión.

En la derecha, Ic ha sido reducida a la mitad, por lo que para igual valor del factor de potencia se tendrá un diagrama como el de la figura izquierda y para Ic = 0 (Estado de vacío) el diagrama correspondiente será el de la figura derecha, donde los valores E y U son coincidentes

Forma de mantener constate la tensión en redes

Diagramas vectoriales correspondientes a un mismo alternador con carga de predominio inductivo, óhmico y capacitivo, respectivamente. Dado que las normas exigen que la tensión en redes navales descienda como máximo un 5% desde vacío a plena carga, resulta necesario que para esos y cualesquiera otros estados intermedios de carga, la tensión U se mantenga en un valor lo más constante posible y estable posible por variación (Preferentemente automática) de la f.e.m. La comparación de los siguientes diagramas indica la manera en la que para mantener la tensión constante en bornes, resulta necesario modificar el valor de la f.e.m. a medida que varían las diferentes cargas del alternador, debiendo variar por lo tanto la excitación del alternador (Dicha excitación está dirigida a modificar la energía que el inductor va a producir en el estator, que es el que va a recibir y a

mantener las variaciones de carga, producidas por la conexión de nuevos consumos, ya sean monofásicos o trifásicos) L: Corresponde al diagrama con carga Inductiva, la cual produce un efecto desmagnetizante y por lo tanto disminuye la tensión. Debido a que la misma debe ser mantenida constante se debe generar una f.e.m. mayor a la tensión necesaria. R: Como se explicó en la primera parte del artículo, con carga Resistiva se produce un efecto frenante que disminuye las RPM por lo que se produce una caída de tensión, por lo cual la f.e.m. debe ser mayor a la U. C: Con carga Capacitiva se produce un efecto magnetizante, por lo cual la tensión aumenta, obligando a disminuir la f.e.m.

1.8 Análisis de compensación de la reacción de armadura. Resumen La reacción en el inducido y la conmutación son problemas muy comunes que se presentan en las maquinas, en el siguiente ensayo primero se procederá a entender lo que esto significa, para luego plantear las diferentes soluciones a estos problemas, además se incluirá las nomenclaturas normalizadas que se utilizan en los diferentes países. Introducción Es evidente que un generador de cd tendrá inducido su voltaje útil por las reacciones antes descritas, y debe contarse con un medio excitador externo para hacer girar la armadura de modo que las espiras conductoras se muevan por las líneas de flujo desde los polos estacionarios. Sin embargo, estos conductores deben llevar corriente para que el generador sea útil y esto ocasionará fuerzas de retardo en ellos Reacción de inducido Cuando la dinamo esta en carga el flujo del inductor se distorsiona debido al flujo magnético creado por la corriente del inducido, el cual es perpendicular al flujo magnético principal creado por los polos inductores Aunque aparentemente el flujo principal no varía, pues se reduce en los cuernos de entrada pero aumenta en los cuernos de salida, en realidad el flujo principal disminuye pues la distorsión del mismo aumenta su recorrido, es decir su reluctancia magnética, se crea saturación de los cuernos polares y además aumentan las fugas magnéticas, coadyuvando todo ello todo ello en la disminución de y disminuyendo por tanto la fem en carga Ec respecto a la fem en vacio EV. Este fenómeno se conoce con el nombre de reacción magnética del inducido.

Fig. 1. Campo magnético resultante a causa de la reacción en el inducido A consecuencia de la reacción del inducido la línea neutra (línea que une los conductores que no producen fem) en carga, adelanta respecto del sentido de giro un ángulo tomada como referencia la línea neutra en vacío

B.1 INCONVENIENTES DE LA REACCION DE INDUCIDO 

Disminuye la fem de en carga Ec



Disminuye indirectamente el rendimiento pues se ha de aumentar la corriente de excitación para compensar el efecto anterior



Crea peligro de chispas en el colector



Aumenta las dificultades para realizar una buena conmutación

Conmutación La conmutación es el conjunto de fenómenos que acompañan a la inversión del sentido de la corriente en la sección cortocircuitada por una escobilla. Durante el tiempo t en el que la sección esta cortocircuitada, es decir mientras, sus conductores activos franquean la línea neutra, en dicha sección se crean dos fem:

Estas dos fem tienen un efecto desfavorable. Sin ellas, el reparto de las corrientes que circulan entre las delgas correspondientes y las escobillas, se realizara según las conductancias de las derivaciones, de forma lineal, pero debido a estas dos fem, el reparto no es lineal, generando chispas.

Fig. 5. Proceso de conmutación

Fig. 3. Conductor con –I

Fig. 4. Sección en conmutación

Fig. 6. Conductor con +I C.1 MEDIDAS PARA MEJORAR LA CONMUTACION

Fig. 7. Desplazamiento de las escobillas Polos de conmutación auxiliares Anulan el flujo transversal sobre la línea neutra teórica y además producen en la sección de conmutación una fem opuesta a De estos dos métodos, excepto para tensiones y potencias muy bajas (< = 3KW) se emplea exclusivamente los polos de conmutación.

1.9 Estudio del efecto de la reacción de inducido sobre la regulación de velocidad.

La reacción de armadura como se describió en el punto, es el efecto de la fuerza magnetomotriz por los conductores en el devanado del inducido al reducir y distorsionar el flujo mutuo en el entrehierro resultado de la interacción con los devanados de campo con excitación serie y/o shunt. Al aumentar la carga en cualquier tipo de motor de corriente directa, el efecto de la reacción de inducido será debilitar las líneas de flujo en un extremo de los polos y saturarlo en el otro extremo, dependiendo de esta saturación se tendrá como consecuencia una inestabilidad en la máquina aumentando su velocidad. Un análisis de las curvas velocidad-carga para cada tipo de motor demuestra que la regulación de velocidad de cada uno de los diferentes tipos comerciales de motores de corriente directa, mejorarían ligeramente debido a este efecto sino llegase a ser tan pronunciado que pudiera provocar una regulación negativa de velocidad.

1.10 Fundamentos de los generadores de cd. Los generadores de CD son máquinas de CD que se utilizan como generador. No hay diferencias reales entre un generador y un motor excepto en la dirección del flujo de potencia. Hay cinco tipos principales de generadores de CD, que se clasifican de acuerdo con la forma en que se produce su flujo de campo: 1. Generador de excitación separada. El flujo de campo se deriva de una fuente de potencia separada independiente del generador en sí mismo. 2. Generador en derivación. El flujo de campo se deriva de la conexión del circuito de campo directamente a través de las terminales del generador. 3. Generador en serie. El flujo de campo se produce por la conexión de circuito de campo en serio con el inducido del generador. 4. Generador compuesto acumulativo. En él están presentes tanto el campo en derivación como el campo en serie y sus efectos so aditivos. 5. Generador compuesto diferencial. En él se encuentran tanto el campo en derivación como el campo en serie, pero sus efectos se restan. Estos tipos de generadores de CD difieren en sus características en las terminales (voltaje-corriente) y por lo tanto en las aplicaciones para las cuales son adecuados. Los generadores de CD se comparan entre sí por su voltaje, potencia nominal, eficiencia y regulación de voltaje. La regulación de voltaje se define por medio de la ecuación: 𝑽𝑹 =

𝑽𝒔𝒄 − 𝑽𝒑𝒄 𝒙 𝟏𝟎𝟎% 𝑽𝒑𝒄

Donde 𝑉𝑠𝑐 es el voltaje en las terminales del generador en vacío y 𝑉𝑝𝑐 es el voltaje en las terminales del generador a plena carga. Es una medida aproximada de la forma de la característica voltaje-corriente del generador: una regulación de voltaje negativa, una característica ascendente. Todos los generadores son accionados por una fuente de potencia mecánica, que normalmente se llama motor primario del generador. El motor primario de un generador de CD puede ser una turbina de vapor, un motor diésel o incluso un motor eléctrico. En razón de que la velocidad del motor principal afecta el voltaje de salida de un generador y de que los motores principales pueden varias dentro de un amplio intervalo dentro de su característica de salida de diferentes generadores suponiendo que los motores primarios tienen una velocidad constante. Se dará por sentado que la velocidad de un generador es constante, a menos que se especifique lo contrario.

Los generadores de CD son bastante raros en los sistemas de potencia modernos. Incluso en los sistemas de potencia de CD de los automóviles se utilizan generadores de CA con rectificadores para producir una potencia de CD. No obstante, han mostrado un renacimiento limitado en los últimos años como fuentes de potencia en las torres independientes para teléfonos celulares. En la figura se puede ver el circuito equivalente de un generador de CD. Y en la siguiente figura se muestra la versión simplificada del circuito equivalente. Son parecidos a los circuitos equivalentes de los motores de CD, excepto en que la dirección del flujo de corriente y las perdidas en las escobillas son contrarias.

PARTES BASICAS DE UN GENERADOR DE CD.

Partes de una maquina dc. Estator: Parte fija formada por polos salientes y culata.

Inductor: Devanado formado por bobinas situadas alrededor del núcleo de los polos principales que al ser recorridos por la corriente de excitación crea el campo magnético inductor. Rotor: Parte móvil que gira alrededor del eje. Entrehierro: Distancia entre los polos principales y el rotor. Inducido: Devanado situado en las ranuras del rotor y que por la influencia del campo eléctrico, es objeto de fuerzas electromotrices inducidas y de fuerzas mecánicas. Zonas neutras: Puntos del inducido en los que el campo es nulo. Colector: Cilindro formado por delgas de cobre endurecido separadas por aislante, conectadas al inducido y giran conjuntamente con él. Escobillas: Piezas conductoras metalográficas resistentes al rozamiento que estando fijas frotan con el colector móvil conectando el inducido con el exterior, al tiempo que provoca la conmutación para que trabaje con corriente continua. Polos auxiliares: Polos salientes situados entre los polos principales. Cuyo arrollamiento está conectado en serie con el inducido de forma que al crear un campo contrario al de reacción del inducido evita sus problemas y provoca una buena conmutación sin chispas.

CONSTRUCCION Y TIPOS DE DEVANADOS. Devanados múltiples o imbricados. En la figura se muestra una bobina de devanado imbricado en la que los conductores que se ven del lado izquierdo están en el lado superior de la ranura de rotor; los del lado derecho están en la mitad inferior de otra ranura aproximadamente a un paso polar de distancia. En cualquier instante, los lados están debajo de polos adyacentes y los voltajes que se inducen en los dos lados son aditivos. Otros lados de la bobina llenan las porciones restantes de las ranuras. Los hilos de la bobina están conectados a los segmentos del conmutador, y éste conecta también las bobinas para formar el devanado de armadura.

Bobina para un devanado imbricado.

Casi todas las máquinas de CD medianas y grandes utilizan devanados imbricados simples, en los que el número de trayectorias en paralelo en el devanado de la armadura es igual al número de polos principales. Esto permite que la corriente por trayectorias en paralelo en el devanado de la armadura es igual al número de polos principales. Esto permite que la corriente por trayectoria sea lo suficientemente baja para admitir conductores de medidas razonables en las bobinas.

Devanado simplex imbricado.

Devanado ondulado o de dos circuitos. Es un devanado que presenta solo dos trayectorias paralelas entre las terminales positiva y negativa, por lo que solo se requieren dos juegos de carbones. Cada carbón pone en corto circuito p/2 bobinas en serie; puesto que los puntos a, b y c están al mismo potencial (y también los puntos d, e y f), los carbones pueden localizarse en cada uno de estos puntos para permitir un conmutador de solo un tercio de largo. El devanado debe avanzar o retroceder una barra de conmutador cada vez que pase alrededor de la armadura para que sea cerrado sencillo. Por lo tanto, el número de barras debe ser igual a (kpl2) ±1, en donde k es un número Devanado progresivo de dos circuitos. entero y p es el número de polos. El devanado no necesita igualadores porque todos los conductores pasan bajo todos los polos.

1.11 ACCIÓN GENERADOR Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrica entre dos de sus puntos (llamados polos, terminales o bornes) transformando la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si se produce mecánicamente un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (F.E.M.). Este sistema está basado en la ley de Faraday. Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente continua. En el diagrama adjunto se observa la corriente inducida en un generador simple de una sola fase. La mayoría de los generadores de corriente alterna son de tres fases. El proceso inverso sería el realizado por un motor eléctrico, que transforma energía eléctrica en mecánica.

No solo es posible obtener una corriente eléctrica a partir de energía mecánica de rotación, sino que es posible hacerlo con cualquier otro tipo de energía como punto de partida. Desde este punto de vista más amplio, los generadores se clasifican en dos tipos fundamentales: 

Primarios: Convierten en energía eléctrica la energía de otra naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente, como alternadores, dinamos, etc.



Secundarios: Entregan una parte de la energía eléctrica que han recibido previamente, es decir, en primer lugar reciben energía de una corriente eléctrica y la almacenan en forma de alguna clase de energía. Posteriormente, transforman nuevamente la energía almacenada en energía eléctrica. Un ejemplo son las pilas o baterías recargables.

Se agruparán los dispositivos concretos conforme al proceso físico que les sirve de fundamento. Generadores primarios[editar]

Se indican de modo esquemático la energía de partida y el proceso físico de conversión. Se han considerado en todos los casos conversiones directas de energía. Por ejemplo, el hidrógeno posee energía química y puede ser convertida directamente en una corriente eléctrica en una pila de combustible. También sería su combustión con oxígeno para liberar energía térmica, que podría expansionar un gas obteniendo así energía mecánica que haría girar un alternador para obtener finalmente, por inducción magnética, la corriente deseada.

En la mayoría de los casos, el rendimiento de la transformación es tan bajo que es preferible hacerlo en varias etapas. Por ejemplo, convertir la energía nuclear en energía térmica, posteriormente en energía mecánica de un gas a gran presión que hace girar una turbina a gran velocidad, para obtener finalmente, por inducción electromagnética, una corriente alterna en un alternador, el generador eléctrico más importante desde un punto de vista práctico como fuente de electricidad para casi todos los usos actuales.

Los generadores de corriente continua son maquinas que producen tensión su funcionamiento se reduce siempre al principío de la bobina giratorio dentro de un campo magnetico.Si una armadura gira entre dos polos magnéticos fijos, la corriente en la armadura circula en un sentido durante la mitad de cada revolución, y en el otro sentido durante la otra mitad. Para producir un flujo constante de corriente en un sentido, o corriente continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución. En las máquinas antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el eje de una armadura. Las dos mitades del anillo se aislaban entre sí y servían como bornes de

la bobina. Las escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contacto con el conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la bobina a los cables externos. Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la corriente invertía su sentido dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de un sentido en el circuito exterior al que el generador estaba conectado. Los generadores de corriente continua funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos. El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1.500 voltios. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo.

Los generadores modernos de corriente continua utilizan armaduras de tambor, que suelen estar formadas por un gran número de bobinas agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura y conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador múltiple. Si una armadura tiene un solo circuito de cable, la corriente que se produce aumentará y disminuirá dependiendo de la parte del campo magnético a través del cual se esté moviendo el circuito. Un conmutador de varios segmentos usado con una armadura de tambor conecta siempre el circuito externo a uno de cable que se mueve a través de un área de alta intensidad del campo, y como resultado la corriente que suministran las bobinas de la armadura es prácticamente constante. Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o más polos electromagnéticos que aumentan el tamaño y la resistencia del campo magnético. En algunos casos, se añaden interpolos más pequeños para compensar las distorsiones que causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico del campo. El campo inductor de un generador se puede obtener mediante un imán permanente (magneto) o por medio de un electroimán (dinamo). En este último caso, el electroimán se excita por una corriente independiente o por autoexcitación, es decir, la propia corriente producida en la dinamo sirve para crear el campo magnético en las bobinas del inductor. Existen tres tipos de dinamo según sea la forma en que estén acoplados el inductor y el inducido: en serie, en derivación y en combinación. Los generadores de corriente continua se clasifican según el método que usan para proporcionar corriente de campo que excite los imanes del mismo. Un generador de excitado en serie tiene su campo en serie respecto a la armadura. Un generador de excitado en derivación, tiene su campo conectado en paralelo a la armadura. Un generador de excitado combinado tiene parte de sus campos conectados en serie y parte en paralelo. Los dos últimos tipos de generadores tienen la ventaja de suministrar un voltaje relativamente constante, bajo cargas eléctricas variables. El de excitado en serie se usa sobre todo para suministrar una corriente constante a

voltaje variable. Un magneto es un generador pequeño de corriente continua con un campo magnético permanente.

Una dinamo es una máquina eléctrica que produce energía eléctrica en forma de corriente continua aprovechando el fenómeno de inducción electromagnética. Para ello está dotada de un armazón fijo (estator) encargado de crear el campo magnético en cuyo interior gira un cilindro (rotor) donde se crearán las fuerzas electromotrices inducidas. Estator Consta de un electroimán encargado de crear el campo magnético fijo conocido por el nombre de inductor. Rotor Es un cilindro donde se enrollan bobinas de cobre, que se hace girar a una cierta velocidad cortando el flujo inductor y que se conoce como inducido.

Los generadores de corriente continua funcionan parecido a los motores de corriente continua. En general, los motores de corriente continua son similares en su construcción a los generadores. De hecho podrían describirse como generadores que funcionan al revés. Los generadores son máquinas que convierten la energía mecánica en eléctrica se le denomina también alternador o dínamo en función del tipo de corriente que produzcan.

Su funcionamiento constituye una aplicación directa de la ley de inducción de Faraday, en forma esquemática el generador está construido a partir de una bobina que gira en el campo magnético.

De esta manera, una fuerza electromotriz se establece sobre la bobina como consecuencia de las variaciones del flujo mientras que gira. Generador de Corriente Continua

Los generadores de corriente continua funcionan parecido a los motores de corriente continua. En general, los motores de corriente continua son similares en su construcción a los generadores. De hecho podrían describirse como generadores que funcionan al revés. Los generadores son máquinas que convierten la energía mecánica en eléctrica se le denomina también alternador o dínamo en función del tipo de corriente que produzcan.

Su funcionamiento constituye una aplicación directa de la ley de inducción de Faraday, en forma esquemática el generador está construido a partir de una bobina que gira en el campo magnético.

De esta manera, una fuerza electromotriz se establece sobre la bobina como consecuencia de las variaciones del flujo mientras que gira.

Comúnmente los generadores de corriente continua reciben el nombre de dinamos. Una dinamo o dínamo es un generador eléctrico destinado a la transformación magnetismo en electricidad mediante el fenómeno de la inducción electromagnética, generando una corriente continua eléctrica.

La corriente generada es producida cuando el campo magnético creado por un imán o un electroimán fijo, inductor, atraviesa una bobina, inducido, colocada en su centro. La corriente inducida en esta bobina giratoria, en principio alterna, es transformada en continua mediante la acción de un conmutador giratorio, solidario con el inducido, denominado colector, constituido por unos electrodos denominados delgas. De aquí es conducida al exterior mediante otros contactos fijos llamados escobillas que conectan por frotamiento con las delgas del colector.

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