INTRODUCCION

La historia de las maquinas de corriente continua nace al igual que los transformadores del descubrimiento de la ley de la inducción, esta máquina paso por cuatro etapas de desarrollo.

En el trabajo de investigación que se presenta en estas páginas, se pone énfasis en la evolución de la máquina de corriente continua, y se abunda además en los elementos constructivos de ella.

Es importante destacar también la importancia de las máquinas de corriente continua en el mundo del transporte, campo en el cual son muy utilizadas por su facilidad de mantener constante la velocidad de rotación, así como también en la fabricación de micromotores utilizados en la electrónica.

TEMAS GENERALES DE MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

TEMAS GENERALES DE MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

1. Breve historia del desarrollo de las máquinas de corriente continua.

Con el descubrimiento de la ley de la inducción electromagnética por Faraday, empieza la historia de las máquinas eléctricas y hasta mediados de la octava década del siglo pasado, representa en esencia la historia del desarrollo de la máquina de corriente continua. En el curso de este tiempo esta máquina pasó cuatro periodos de desarrollo, a saber:

1) Máquinas tipo magnetoeléctrico con imanes permanentes,

2) Máquinas tipo electromagnético con excitación independiente,

3) Máquinas del mismo tipo con autoexcitación y tipo elemental del inducido, y

4) Máquinas del tipo de polos múltiples con inducido perfeccionado.

El primer periodo de desarrollo de la máquina de corriente continua, que abarca el tiempo desde 1831 hasta 1851, está enlazado ininterrumpidamente con los nombres de los científicos rusos E. J. Lenz y B. S. Jacobi.

El segundo y tercero periodo de desarrollo de la máquina de corriente continua, que abarcan los años de 1851 a 1871, se caracterizan por el paso a las máquinas del tipo electromagnético, al principio, con excitación independiente, y luego, con autoexcitación, y así como por el paso de la máquina bipolar a la multipolar.

En el cuarto período de su desarrollo (de 1871 a 1886) la máquina de corriente continua adquirió los rasgos fundamentales de la construcción moderna. Fueron propuestas y realizadas: la máquina con autoexcitación de Gramme y el inducido de anillo de Pacinotti; el tipo hoy día normal de inducido de tambor (Hefner - Altenek, año 1871); los tipos simples de arrollamientos de lazo y ondulados y sus principales modificaciones, arrollamientos en serie-paralelo de Arnold, arrollamientos mixtos (en pata de rana), conexiones compensadoras de los arrollamientos y los arrollamientos compensadores para compensar reacción del inducido (Mengues, año 1884), polos auxiliares para mejorar la conmutación (Meter. año 1885), divisor de tensión de M. O. Dolivo-Dobrovolski.

Para el desarrollo posterior de las máquinas de corriente continua tuvo gran importancia la creación del convertidor con un inducido de corriente alterna a continua y el convertidor inverso de corriente continua a alterna; la creación de instalaciones potentes según el sistema Leonardo Ilgner para la industria (instalaciones metalúrgicas y máquinas de extracción), instalaciones con convertidores a vapor de mercurio para la alimentación de las máquinas de corriente continua de los dispositivos industriales y los, ferrocarriles electrificados tanto en las subestaciones de tracción, como en las locomotoras eléctricas.

En la tercera década de nuestro siglo se comienza la elaboración de tipos especiales de máquinas eléctricas con campo transversal según el sistema de Rosenberg para la iluminación de los trenes y la soldadura eléctrica, así como para emplearlas en calidad de amplidinos para el mando en los sistemas de accionamiento eléctrico complicado.

Las máquinas de corriente continua obtuvieron amplio empleo al principio como turbogeneradores de alta velocidad y de potencia limitada, y a continuación como excitadores de los turbogeneradores sincrónicos de alta velocidad y alta potencia.

Las máquinas de corriente continua hallaron sobre todo amplio empleo en los mecanismos auxiliares de los mandos eléctricos de barco, así como para la propulsión eléctrica de los barcos.

Para el rápido desarrollo de los mandos precisos automatizados con amplia y suave regulación de las velocidades tuvo gran importancia en la creación de micromotores de corriente continua para dispositivos especiales (máquinas de mando y calculadoras), la elaboración de toda una serie de máquinas de corriente continua de producción en masa de potencia pequeña y media y la producción en serie de máquinas de corriente continua de gran potencia.

Paralelamente a la perfección de la construcción de las máquinas de corriente continua se realizaba un gran trabajo teórico y de investigación. Para el principio del desarrollo tienen sobre todo gran importancia los trabajos de A. G. Stolétov sobre la investigación de las propiedades magnéticas de los materiales ferromagnéticos, que se adoptaron como base de los métodos racionales de cálculo.de los circuitos magnéticos de las máquinas eléctricas.

2. Fundamentos de las Máquinas de Corriente Continua

Las máquinas de corriente continua son generadores que convierten energía mecánica en energía eléctrica de corriente continua, y motores que convierten energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica. La mayoría las máquinas de corriente continua son semejantes a las máquinas de corriente alterna ya que en su interior tienen corrientes y voltajes de corriente alterna. Las máquinas de corriente continua tienen corriente continua sólo en su circuito exterior debido a la existencia de un mecanismo que convierte los voltajes internos de corriente alterna en voltajes corriente continua en los terminales. Este mecanismo se llama colector, y por ello las máquinas de corriente continua se conocen también como máquinas con colector.

2.1 Partes básicas de las máquinas de corriente continua reales

La máquina de corriente continua consta básicamente de las partes siguientes:

2.1.1 Inductor

Es la parte de la máquina destinada a producir un campo magnético, necesario para que se produzcan corrientes inducidas, que se desarrollan en el inducido.

El inductor consta de las partes siguientes:

Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar.

Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor.

Devanado inductor: es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica.

Expansión polar: es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro.

Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia.

Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina.

2.1.2 Inducido

Es la parte giratoria de la máquina, también llamado rotor.

El inducido consta de las siguientes partes:

Devanado inducido: es el devanado conectado al circuito exterior de la máquina y en el que tiene lugar la conversión principal de la energía

Colector: es el conjunto de láminas conductoras (delgas), aisladas unas de otras, pero conectadas a las secciones de corriente continua del devanado y sobre las cuales frotan las escobillas.

Núcleo del inducido: Es una pieza cilíndrica montada sobre el cuerpo (o estrella) fijado al eje, formada por núcleo de chapas magnéticas. Las chapas disponen de unas ranuras para alojar el devanado inducido.

2.1.3 Escobillas

Son piezas conductoras destinadas a asegurar, por contacto deslizante, la conexión eléctrica de un órgano móvil con un órgano fijo.

2.1.4 Entrehierro

Es el espacio comprendido entre las expansiones polares y el inducido; suele ser normalmente de 1 a 3 mm, lo imprescindible para evitar el rozamiento entre la parte fija y la móvil.

2.1.5 Cojinetes

Son las piezas que sirven de apoyo y fijación del eje del inducido.

2.1.6 Diagrama de una máquina de corriente continua.

Los componentes de la máquina de corriente continua se pueden apreciar claramente en la figura 1.

La parte de 1 a la 5 forman el inductor. En conjunto las partes 2 y 3 se designan por polo inductor.

La parte 6 constituye el inducido, al que va arrollado un conductor de cobre formando el arrollamiento del inducido.

Alrededor de los núcleos polares, va arrollando, en forma de hélice, el arrollamiento de excitación (8). Análogamente cada núcleo de los polos de conmutación lleva un arrollamiento de conmutación (9). La parte 10 representa el conmutador o colector, que esta constituido por varias láminas aisladas entre sí, formando un cuerpo cilíndrico.

El arrollamiento del inducido está unido por conductores con las laminas del colector; inducido y colector giran conjuntamente. Sobre la superficie del colector rozan unos contactos a presión mediante unos muelles. Dichas piezas de contacto se llaman escobillas. El espacio libre entre las piezas polares y el inducido se llama entrehierro.

3. Rendimiento y Perdidas de las Máquinas de Corriente Continua

El rendimiento de una máquina eléctrica de corriente continua está expresado, por la expresión:

 = potencia suministrada / potencia absorbida Exp.1

También puede expresarse de esta forma:

 = potencia suministrada / (potencia suministrada + pérdidas de potencia) Exp. 2

También como:

 = potencia absorbida - pérdidas de potencia / potencia absorbida Exp. 3

Por lo tanto, si las pérdidas de la máquina se conocen, se puede obtener el rendimiento correspondiente a cualquier potencia útil o absorbida.

Como que se hacen intervenir magnitudes eléctricas más bien que mecánicas en las determinaciones de rendimientos, la Exp.1 se aplica a los generadores (potencia útil eléctrica) y la Exp.3 a los motores (potencia absorbida eléctrica).

El rendimiento puede determinarse midiendo simultáneamente la potencia útil (suministrada) y la absorbida y tomando su relación de la Exp.1. Con frecuencia, esto es muy difícil o impracticable. Aunque en un generador es sencillo medir la potencia útil con aparatos eléctricos, es en cambio difícil la potencia motriz, ya que requiere la medida del par. Si se dispone de un dinamómetro eléctrico, se simplifica mucho la medición, pero esta clase de dinamómetro no se dispone ordinariamente más que en equipos especiales. Con los motores, se determina fácilmente la potencia absorbida, con aparatos eléctricos, y la útil mediante un freno de Prony o un dinamómetro. Sin embargo, excepto para potencias pequeñas, es difícil absorber la energía en un freno de Prony, y también los dinamómetros son instrumentos especiales y limitados hasta potencias de 100 caballos. Tanto para los motores como los generadores, especialmente para potencias elevadas, es con frecuencia imposible suministrar y absorber la energía que se necesita para la prueba.

También, cuando se emplea la Exp.1, un error porcentual en, la potencia útil o en la absorbida conduce al mismo error porcentual en el rendimiento, y como la precisión de los aparatos eléctricos es elevada, la diferencia entre la potencia útil y la absorbida suele ser pequeña, y la Exp.1 no resulta muy precisa. En las Exp.2 y 3, excepto para pequeñas cargas, las pérdidas son pequeñas, comparadas con la potencia útil o la absorbida, y cualquier error que se produzca en la evaluación de las pérdidas afecta el rendimiento únicamente en una fracción pequeña del mismo. De aquí que, en muchos casos, se prefiera utilizar las Exp.2 y 3, para la determinación del rendimiento de los aparatos eléctricos.

Por otra parte las pérdidas se pueden dividir en 2 grandes grupos:

Las pérdidas de marcha en vacío Po que comprenden las que hemos llamado pérdidas en vacío y, además, las pérdidas por excitación. Las primeras son constantes puesto que su valor no depende de la carga ni de la corriente del inducido. Las pérdidas por excitación son proporcionales al cuadrado de la corriente de excitación pero, en conjunto, resultan muy pequeñas en comparación con las anteriores. Por lo tanto, se puede decir que las pérdidas de marcha en vacío son sensiblemente constantes, es decir,

Po = a = constante

Las pérdidas de marcha en carga Pj que dependen, esencialmente, de la corriente del inducido y son proporcionales al cuadrado de dicha corriente, excepto en lo que se refiere a las pérdidas adicionales que, por ser de valor muy pequeño respecto a las anteriores, no se tienen en cuenta. En resumen, que las pérdidas de marcha en carga son proporcionales al cuadrado de la corriente del inducido:

Pj = b I2

Finalmente, la potencia suministrada equivale:

Pb = Ub I

Es decir, que resulta proporcional a la corriente de carga.

Por lo tanto

Pb = K·I

El rendimiento puede expresarse de la siguiente manera:

 = KI/(KI+a+bI2)

Si se trata de un generador, la potencia mecánica Pm es la absorbida por el generador.

Pm = Pb + Pp

La potencia Pb es la suministrada. Para un generador, el rendimiento está expresado por.

 = Pb/Pm =Pb /(Pb + Pp)

Si se trata de un motor, la potencia eléctrica en bornes Pb es la absorbida por la máquina, y la potencia mecánica Pm es la suministrada, en este caso:

Pb = Pm + Pp

! Pm = Pb -Pp

Para un motor, la expresión del rendimiento es:

 = Pm/ Pb = (Pb- Pp) / Pp = Pm/(Pm + Pp)

.4.1 Curva de rendimiento

La curva de rendimiento proporciona la variación del rendimiento de una máquina de corriente continua, en función de la carga de la misma, o sea la característica = f(I).

Figura 15. Curva de Rendimiento de una máquina de corriente continua.

Son cargas pequeñas, y debido a la influencia de las pérdidas de marcha en vacío, las cuales son constantes, el rendimiento es muy bajo, pero a medida que crece la carga, crece también el rendimiento hasta alcanzar un máximo situado generalmente en las proximidades de la abscisa correspondiente a 0,7 In. A partir de este punto, el rendimiento vuelve a disminuir pero con una pendiente menos pronunciada; ésto es debido a que, las pérdidas de marcha en carga crecen con el cuadrado de la corriente: en el caso de cortocircuito, el rendimiento volvería a ser nulo.

A partir de la expresión del rendimiento hallada anteriormente:

Se determina la condición de rendimiento máximo. Para que se cumpla esta condición, la primera derivada ha de ser nula, o sea d/dI = 0.

Realizando operaciones se obtiene que a = bI2 o sea que la condición de rendimiento máximo es que las pérdidas de marcha en vacío y las pérdidas de marcha en carga sean iguales.

Por lo tanto, para máquinas que hayan de trabajar a cargas parciales, conviene reducir el valor de las pérdidas constantes.

Conviene también que la máquina no marche con carga débil pues, de la expresión anterior y de la curva de rendimiento se deduce que el rendimiento es muy bajo en estos casos; por lo tanto, no es aconsejable emplear máquinas cuya potencia sobrepase excesivamente la potencia necesaria para el servicio en cuestión.

3.1 clasificación de las perdidas

Pérdida I2R de cobre de armadura:

A 75°C la resistividad de cobre es 8.25 x10-7/in3. Por lo tanto, para un devanado de armadura de Z conductores, cada uno con una longitud de MLT/2 (la mitad de una vuelta de longitud media de la bobina), cada uno con un área de sección transversal de A y dispuestos en varios circuitos paralelos, la resistencia es:

Ra = Z ohms

La MLT (vuelta de longitud media) se encuentra mejor por diseño, pero un valor

aproximado es MLT = 2[(1.35) (paso polar) + (longitud de rotor) × 3].

También hay pérdidas de corriente parásita en las bobinas del rotor, pero éstas pueden mantenerse al mínimo por el entramado de conductor; en la pérdida de carga se incluye una tolerancia para estas pérdidas.

Pérdidas I2R de campo de compensación, de conmutación y serie:

Estos cambios también transportan la corriente de línea, y las pérdidas I2R se encuentran fácilmente cuando se conoce la resistencia de las bobinas. Su MLT se encuentra en diagramas. A 75°C.

R= p ohms

En donde R es la resistencia de campo en ohms, T es el número de vueltas por bobina, p es el número de polos, MLT es la longitud media de vuelta y A es el área del conductor.

E1 total de estas pérdidas oscila entre 60 y 100% de la I2 R de armadura para máquinas compensadas y es menor que 50% para máquinas no compensadas.

Pérdidas I2R de carbones:

Esta pérdida es ocasionada por la corriente de carga que pasa por la caída de voltaje de contacto entre los carbones y el conmutador. La caída de contacto se supone que es un voltio.

Pérdida I2 R del carbón = 2 (amperes de línea) watts

Pérdida de carga:

La presencia de corriente de carga en los conductores de armadura resulta en distorsiones de flujo alrededor de las ranuras, en el entrehierro y las caras polares. Estas distorsiones causan pérdidas en los conductores y en el hierro que son difíciles de calcular y medir. Se ha fijado un valor estándar en 1% de la salida de máquina.

Pérdida de campo en derivación:

Los cálculos de calentamiento se relacionan sólo con la pérdida I2 R cobre de campo. Se acostumbra, sin embargo, cargar la máquina con cualesquiera pérdidas de reóstato al determinar la eficiencia.

Pérdida de reóstato y campo en derivación = IfVex watts

En donde If es la corriente total de campo y Vex es el voltaje de excitación.

Pérdida de núcleo:

El flujo en cualquier porción de la armadura pasa por p/2.c/r (ciclos por revolución) o por (p/2)[(r/min)/60] Hz.

Las pérdidas de hierro están formadas por la pérdida de histéresis, que es igual a K.1.6fw watts, y la pérdida de corriente de remolino, que es igual a Ke.(ft)2 w watts. K es la constante de histéresis del hierro usado, Ke es una constante inversamente proporcional a la resistencia eléctrica del hierro,  es la densidad máxima de flujo en líneas por pulgada cuadrada, f es la frecuencia en hertz, w es el peso en libras, y t es el grueso de las laminaciones del núcleo en pulgadas.

La pérdida de remolino se reduce al usar hierro con resistencia eléctrica tan alta como sea factible. El hierro de muy alta resistencia presenta una tendencia a tener baja permeabilidad de flujo y a ser mecánicamente quebradizo y costoso; raras veces se justifica su uso en máquinas de corriente continua. La pérdida se mantiene a un valor aceptable mediante el uso de laminaciones delgadas de núcleo, de 0.017 a 0.025 in de grueso.

Aun así, hay otras pérdidas en el núcleo que pueden diferir grandemente incluso en máquinas idénticas y que no se prestan a cálculos. Estas pérdidas son:

Pérdida debida al limado de ranuras: Cuando se han ensamblado las laminaciones, se encontrará en algunos casos que las ranuras son ásperas y deben limarse para evitar cortar el aislamiento de bobina. Esto introduce rebabas en las laminaciones y tiende a poner en cortocircuito la resistencia interlaminar.

Las pérdidas en el cepo (o manguito) sólido, placas de extremo de núcleo y soportes de bobina de flujos de fuga pueden ser considerables.

Las pérdidas debidas a distribución no uniforme de flujo en el núcleo de rotor son difíciles de anticipar. Al calcular la densidad de núcleo, se acostumbra suponer distribución uniforme sobre la sección del núcleo. Sin embargo, el flujo toma la trayectoria de menor resistencia y se concentra tras los dientes hasta que la saturación la obliga a pasar en las trayectorias más largas y menos usadas que se encuentran abajo. Como resultado de la concentración, la pérdida de núcleo, que es aproximadamente proporcional al cuadrado de la densidad, es mayor que lo calculado.

Por lo tanto, no es posible predeterminar la pérdida total del núcleo mediante el uso de fórmulas fundamentales. En consecuencia, los cálculos de pérdida de núcleo para nuevos diseños se basan por lo general en los resultados de pruebas en máquinas similares construidas bajo las mismas condiciones.

Pérdida por fricción de carbones:

Esta pérdida varía con la condición de la superficie del conmutador y el grado de cepillera de carbón utilizada. Una máquina típica tiene una pérdida de alrededor de 8 W/(in2 de superficie de contacto de carbón)( 1000 ft/min) de velocidad periférica cuando se usa una presión normal de carbón de 2 ½ Ib/in2.

Fricción de carbón = (8) (área de contacto) (velocidad periférica/l000)

Fricción y resistencia al viento:

La mayor parte de las máquinas de corriente continua grandes usan cojinetes de metal babbitt y muchas máquinas pequeñas utilizan cojinetes de bolas o rodamientos, aun cuando ambos tipos de cojinetes se pueden usar en máquinas de cualquier tamaño. Las pérdidas de fricción de cojinetes dependen de la velocidad, la carga del cojinete y la lubricación. Las pérdidas por resistencia al viento dependen de la construcción del rotor, su velocidad periférica y las restricciones de la máquina al movimiento del aire. Las dos pérdidas se concentran en la mayor parte de los cálculos debido a que no es práctico separarlas durante las pruebas de l

4. Tipos Fundamentales de Máquinas de Corriente Continua

Las máquinas de corriente poseen el principio de reversibilidad, lo que la hace trabajar en régimen de motor y en régimen de motor. Partiendo de esta realidad, éstas máquinas podemos dividirla en dos grandes grupos:

Generadores de corriente continua

Motores de corriente continua

Generadores de Corriente Continúa.

En las centrales eléctricas modernas prácticamente se genera sólo energía eléctrica de corriente alterna trifásica. Una parte significante de esta energía se usa en la misma forma de corriente alterna en la industria para los fines de alumbrado y necesidades domésticas.

En los casos en que por las condiciones de producción es necesaria o preferente la corriente continua (empresas de la industria química y metalúrgica, transporte, etc.) ésta se obtiene, con más frecuencia, transformando la corriente alterna en continua con auxilio de convertidores iónicos o mecánicos. En el último caso se emplean instalaciones por el esquema motor - generador, en las que el motor de corriente alterna se acopla con el generador de corriente continua en un mismo árbol.

Los generadores de corriente continua se emplean como fuentes primarias de energía principalmente en las instalaciones aisladas (como excitadores de las máquinas sincrónicas), en los camiones, aviones, para la soldadura al arco, para el alumbrado de los trenes, en los submarinos, etc.

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.

El campo de aplicación de los generadores de corriente continua es bastante amplio y correspondientemente son muy diversas las exigencias planteadas a éstos con respecto a la potencia, tensión, velocidades de rotación, fiabilidad de funcionamiento, plazos de servicio, etc. Aquí examinaremos sólo las propiedades fundamentales de los generadores de corriente continua, sin tocar los regímenes especiales de funcionamiento.

Clasificación:

Los generadores auto excitadores se dividen, según el método de conexión de los arrollamientos de excitación, en a) generadores (dínamos) en derivación (en shunt), b) generadores (dínamos) en serie y c) generadores de excitación compuesta (dinamos compound).

Clasificación de los generadores de corriente continua por el método de excitación

Por el método de excitación los generadores de corriente continua se dividen en generadores con excitación independiente y generadores auto excitador.

Los generadores con excitación independiente se, dividen en a) generadores excitados por vía electromagnética, y b) generadores con imanes permanentes.

Los generadores con excitación independiente tienen la corriente del inducido igual a la corriente de la carga, y en el caso general su tensión externa es distinta de su tensión de carga. Por otro lado en un generador en derivación la corriente del inducido es igual a la suma de la corriente de la carga y la corriente de excitación, pero su voltaje de carga es el mismo externo.

El generador en serie se caracteriza porque las corrientes de carga, del inducido y de excitación son las mismas. El generador de excitación compuesta tiene dos arrollamientos de excitación, uno en serie y uno en paralelo, cuyas fuerzas magnetizantes pueden adicionarse o sustraerse.

Características fundamentales de los generadores de corriente continua

Las propiedades de los generadores se analizan con ayuda de las características que establecen la dependencia entre las magnitudes principales que determinan el funcionamiento del generador. Tales magnitudes son: a) la tensión en los terminales del generador U; b) la corriente de excitación iex; c) la corriente en el inducido 1u; d) la velocidad de rotación n.

Puesto que los generadores funcionan por lo general con velocidad de rotación constante, el grupo fundamental de características se obtiene para n = const. De las demás tres magnitudes, la que mayor importancia tiene es la tensión V, por cuanto determina las cualidades del generador respecto de la red para la cual éste funciona. Por esta razón, las características principales son:

1. La característica en carga U = f (iex) para I =const. En el caso particular cuando I = 0, la característica en carga pasa a ser la característica en vacío, que tiene gran importancia para la valorización del generador y el trazado de sus características restantes.

2. La característica exterior U=f(I) siendo constante la resistencia del circuito de excitación Rex = const.

3. La característica de regulación iex=f(I) para U=const. En el caso particular cuando U =0, la característica de regulación pasa a ser la característica en cortocircuito Ik=f(iex).

Junto con las principales características citadas existen algunas más, en particular las características a velocidad de rotación variable pero éstas son de importancia auxiliar.

Motores de Corriente Continua

Las máquinas de corriente continua cumplen con el llamado principio de reciprocidad de las máquinas eléctricas, que consiste en trabajar en dos regímenes contrarios.

Supongamos que la máquina funciona en régimen de generador a la red (barras) con una tensión constante U =const y desarrolla un momento eléctrico Mg. Sabemos que este momento es decelerado con respecto del momento de rotación M1 del motor primario que pone al generador en rotación.

En este caso:

Disminuyamos la f.e.m. Ea del generador disminuyendo su velocidad de rotación o su flujo magnético. Al disminuir suficientemente la f.e.m. Ea esta puede resultar menor que la tensión en la red U. En este caso, la corriente del inducido la cambia de signo, es decir, circulará en sentido contrario al inicial pero, por cuanto U =const, el sentido de la corriente iex en el arrollamiento de excitación y, por lo tanto. La polaridad de los polos principales no varía. En correspondencia con esto varía el signo del momento electromagnético Mg o sea, si antes la máquina funcionaba como generador y, desarrollando un momento decelerador (frenante), transformaba la potencia mecánica suministrada en potencia eléctrica, ahora funciona como motor eléctrico y desarrolla el momento de rotación, venciendo el momento de resistencia en el rotor y transforma la potencia eléctrica que llega a ella en mecánica; pero sigue girando en la misma dirección que antes y conserva la misma polaridad de los polos. Desconectando el motor primario obtenemos el esquema normal de un motor de excitación en derivación.

Si se cambian en la fórmula vista anteriormente los signos de U y de Ea y se considera que el signo de la corriente Ia en el régimen de motor es positivo, entonces la ecuación para la corriente toma la forma:

En este caso Ea puede ser considerada como fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.) respecto de la tensión de la red U.

El principio de reciprocidad de la máquina eléctrica, formulado por E. J. Lenz en el año 1833 y mostrado más arriba en el ejemplo de la máquina de excitación en derivación, se extiende tanto a las máquinas de comente continua de otros tipos, como a las máquinas de corriente alterna.

Clasificación de los motores de corriente continua

Lo mismo que los generadores, los motores de corriente continua se clasifican por el método de conexión del arrollamiento de excitación con relación al inducido. En correspondencia con esto existen motores:

a) de excitación en derivación.

b) de excitación en serie, y

c) de excitación compuesta.

Es bueno que algunos autores expertos en la materia lo clasifican en dos grandes grupos.

Motores de imán permanente, entre ellos:

• Motores de corriente continua sin escobilla.

• Servomotores.

Y en capacidades nominales de fracciones de caballo de potencia y los motores de corriente continua de campo devanado, los que a su vez se clasifican como:

• Motor en derivación, en el que el devanado del campo está conectado en paralelo con la armadura.

En un motor shunt, el flujo es constante si la fuente de poder del campo es fija. Asuma que el voltaje de armadura Et es constante. A medida que la corriente de la carga disminuye desde plena carga a sin carga, la velocidad debe aumentar proporcionalmente de manera que la fuerza contra electromotriz Ec aumentará para mantener la ecuación en balance. A voltaje nominal y campo completo, la velocidad del motor shunt aumentará 5% a medida que la corriente de carga disminuya de plena carga a sin carga. La reacción de armadura evita que el flujo de campo permanezca absolutamente constante con los cambios en la corriente de la carga. La reacción de armadura, por lo tanto causa un ligero debilitamiento del flujo a medida que la corriente aumenta. Esto tiende a aumentar la velocidad del motor. Esto se llama “inestabilidad” y el motor se dice que está inestable.

• Motor devanado en serie, en el que el devanado del campo está conectado en serie con la armadura.

En un motor serie, el flujo del campo es una función de la corriente de la carga y de la curva de saturación del motor. A medida que la corriente de la carga disminuye desde plena carga, el flujo disminuye y la velocidad aumenta. La rata de incremento de velocidad es pequeña al principio pero aumenta a medida que la corriente se reduce. Para cada motor serie, hay una mínima carga segura determinada por la máxima velocidad de operación segura.

• Motor en compound, en el que se tiene un devanado del campo en serie y otro en paralelo.

Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt como se ve en la figura. 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 varia, 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 la cual no es tan “dura” o plana como la del motor shunt, no tan “suave” como 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 D.C compound son algunas veces utilizados donde se requiera una respuesta estable de torque constante a través de un amplio rango de velocidad.

Motores de corriente continua de imán permanente:

Existen motores de imán permanente (PM, permanent magnet), en tamaños de fracciones de caballo y de números pequeños enteros de caballos. Tienen varias ventajas respecto a los del tipo de campo devanado. No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado asocia­do. Se mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del campo que fallen y no hay probabilidad de que se presente una sobrevelocidad debida a pérdida del campo. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la eliminación de pérdida de potencia en un campo excitador. Así mismo, la característica par contra corriente se aproxima más a lo lineal. Un motor de imán permanente (PM) se puede usar en donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación continua.

Los efectos de la temperatura dependen de la clase de material que se use en el imán. Los motores de número entero de caballos de potencia con imanes del tipo Álnico resultan menos afectados por la temperatura que los que tienen imanes de cerámica, porque el flujo magnético es constante. Por lo común, los imanes de cerámica que se utilizan en los motores de fracción de caballo tienen características que varían con la temperatura muy aproximadamente como varían los campos en derivación de las máquinas excitadas.

Las desventajas son la falta de control del campo y de características especiales velocidad-par. Las sobrecargas pueden causar desmagnetización parcial que cambia las características de velocidad y de par del motor, hasta que se restablece por completo la magnetización. En general, un motor PM de número entero de caballos es un poco más grande y más caro que un motor equivalente con devanado en derivación, pero el costo total del sistema puede ser menor.

Un motor PM es un término medio entre los motores de devanado compound y los devanados en serie. Tiene mejor par de arranque, pero alrededor de la mitad de la velocidad en vacío de un motor devanado en serie.

Motores de corriente continua sin escobillas

Los motores de corriente continua sin escobillas tienen una armadura estacionaria y una estructura rotatoria del campo, exactamente en forma opuesta a como están dispuestos esos elementos en los motores convencionales de corriente directa. Esta construcción aumenta la rapidez de disipación del calor y reduce la inercia del rotor. Imanes permanentes suministran el flujo magnético para el campo. La corriente directa hacia la armadura se conmuta con transistores, en vez de las escobillas y las delgas del colector de los motores convencionales de corriente directa.

Es normal que las armaduras de los motores de corriente continua sin escobillas contengan de dos a seis bobinas, en tanto que las armaduras de los motores convencionales de corriente continua contienen de 10 a 50. Los motores sin escobillas tienen menos bobinas porque se requieren dos o cuatro transistores para conmutar cada bobina del motor. Esta disposición se vuelve cada vez más costosa e ineficiente a medida que aumenta el número de devanados.

Los transistores que controlan cada devanado de un motor sin escobillas de corriente continua se activan y desactivan a ángulos específicos del rotor. Los transistores suministran pulsos de comente a los devanados de la armadura, los cuales son semejantes a los que suministra un conmutador. La secuencia de conmutación se dispone para producir un flujo magnético rotatorio en el entrehierro, que permanece formando un ángulo fijo con el flujo magnético producido por los imanes permanentes del rotor. El par produ­cido por un motor sin escobillas de corriente continua es directamente proporcional a la corriente de la armadura.

Servomotores de corriente directa

Los servomotores de corriente continua son motores de alto rendimiento que por lo general se usan como motores primarios en computadoras, maquinaria controlada numéricamente u otras aplicaciones en donde el arranque y la detención se deben hacer con rapidez y exactitud. Los servomotores son de peso ligero, y tienen armaduras de baja inercia que responden con rapidez a los cambios en el voltaje de excitación. Además, la inductancia muy baja de la armadura en estos motores da lugar a una baja constante eléctrica de tiempo (lo normal entre 0.05 y 1.5 mS) que agudiza todavía más la respuesta del motor a las señales de comando. Los servomotores incluyen motores de imán permanente, circuito impreso y bobina (o coraza) móvil. El rotor de un motor acorazado consta de una coraza cilíndrica de bobinas de alambre de cobre o de aluminio. El alambre gira en un campo magnético en el espacio anular entre las piezas polares magnéticas y un núcleo estacionario de hierro. El campo es producido por imanes de fundición de Álnico cuyo eje magnético es radial. El motor puede tener dos, cuatro o seis polos.

Cada uno de estos tipos básicos tiene sus propias características, como son la inercia, forma física, costos, resonancia de la flecha, configuración de ésta, velocidad y peso. Aun cuando estos motores tienen capacidades nominales similares de par, sus constan­tes físicas y eléctricas varían en forma considerable. La selección de un motor puede ser tan sencilla como ajustar uno al espacio del que se disponga. Sin embargo, en general éste no es el caso, ya que la mayor parte de los servosistemas son muy complejos.

Motores de corriente continua con campo devanado

La construcción de esta categoría de motores es prácticamente idéntica a la de los generadores de corriente directa; con un pequeño ajuste, la misma máquina de corriente continua se puede operar como generador o como motor de corriente directa.

Los motores de corriente continua de imán permanente tienen campos alimentados por imanes permanentes que crean dos o más polos en la armadura, al pasar flujo magnético a través de ella. El flujo magnético hace que se cree un par en la armadura que conduce corriente. Este flujo permanece básicamente constante a todas las velocidades del motor: las curvas velocidad-par y corriente-par son lineales.

Motores en derivación

Es el tipo de motor de corriente continua cuya velocidad no disminuye mas que ligeramente cuando el par aumenta.

En los motores de corriente continua y especialmente los de velocidad prácticamente constante, como los shunt, la variación de velocidad producida cuando funciona en carga y en vacío da una base de criterio para definir sus características de funcionamiento.

Excepcionalmente, la reacción del inducido debería ser suficientemente grande para que la característica de velocidad fuera ascendente al aumentar la carga.

Los polos de conmutación han mejorado la conmutación de los dinamos de tal manera que es posible usar un entrehierro mucho más estrecho que antiguamente.

Como la armadura de un motor gira en un campo magnético, se genera una f.e.m. en los conductores que se opone a la dirección de la corriente y se le conoce como fuerza contraelectromotriz. La f.e.m. aplicada debe ser bastante grande como para vencer la fuerza contraelectromotriz y también para enviar la corriente Ia de la armadura a través de Rm, la resistencia del devanado de la armadura y las escobillas.

Ea= Eb + IaRm Volts

La Ea = f.e.m. aplicada y Eb = fuerza contraelectromotriz. Puesto que la fuerza contraelectromotriz a la velocidad cero, es decir, en el arranque, es idénticamente cero y como por lo general la resistencia de la armadura es pequeña, es obvio, en vista de la ecuación anterior, que, a menos que se tomen medidas para reducir el voltaje aplicado, circulará una corriente excesiva en el motor durante ese arranque. Lo normal es que se usen dispositivos de arranque que consisten en resistores variables en serie, para limitar la corriente de arranque de los motores.

Motor devanado en serie:

Es el motor cuya velocidad disminuye sensiblemente cuando el par aumenta y cuya velocidad en vacío no tiene límite teóricamente.

Los motores con excitación en serie son aquellos en los que el inductor esta conectado en serie con el inducido. El inductor tiene un número relativamente pequeño de espiras de hilo, que debe ser de sección suficiente para que se pase por él la corriente de régimen que requiere el inducido.

En los motores serie, el flujo depende totalmente de la intensidad de la corriente del inducido. Si el hierro del motor se mantiene a saturación moderada, el flujo será casi directamente proporcional a dicha intensidad.

5. Máquinas Especiales de Corriente Continua

Además de existir las máquinas de corriente continua convencionales que hasta ahora conocemos o tratamos, hay también unos tipos de máquinas, que se denominan especiales por motivos de que realizan una función muy específica en el mundo de la ingeniería, como por ejemplo servir de generador de soldadura.

En las centrales eléctricas principales la energía eléctrica se genera en forma de corriente trifásica con frecuencia industrial, pero hay industrias donde sólo se puede trabajar con corriente continua (por ejemplo: en la fabricación del aluminio, en algunas ramas de la industria química, etc.); en otros casos (en trenes laminadores, etc.) la corriente continua es más ventajosa que la alterna. Para poder satisfacer las más distintas exigencias de los más diversos consumidores hoy día existen máquinas de corriente continua de distintas potencias; desde varios vatios hasta miles de kilovatios, de tensiones; desde varios voltios hasta miles de voltios, con diferentes velocidades de rotación y diversas características de funcionamiento. En este libro es imposible abarcar dicha cantidad de máquinas de corriente continua.

Por consiguiente, aquí sólo describiremos algunas máquinas especiales que representan mayor interés desde el punto de vista teórico y práctico.

5.1 Generador de Corriente Continua para soldadura

La corriente en salida del generador presenta una forma de onda continua, que se obtiene mediante un dispositivo, el rectificador, colocado antes del transformador, que permite la conversión de la corriente de alterna a continua. Esta salida es típica de los generadores por SCR y por inverter.

En el caso que el circuito de soldadura esté formado por un generador de corriente continua (CC) puede introducirse una ulterior clasificación en función de la modalidad de conexión de los polos de la fuente de soldadura al material a soldar:

a) conexión en polaridad directa: La conexión en polaridad directa se produce conectando el cable de pinza (con pinza porta electrodo) al polo negativo (-) de la fuente de soldadura y el cable de masa (con pinza de masa) al polo positivo (+) de la fuente. El arco eléctrico concentra el calor producido en la pieza favoreciendo la fusión. De esta manera el alma del electrodo fundiendo se deposita y penetra en la junta a soldar.          

 b) conexión en polaridad inversa. La conexión en polaridad inversa se produce conectando el cable de pinza (con pinza porta electrodo) al polo positivo (+) de la fuente de soldadura y el cable de masa (con pinza de masa) al polo negativo (-) de la fuente. El calor del arco eléctrico se concentra sobretodo en el extremo del electrodo. Cada tipo de electrodo necesita un tipo específico de curso de corriente (CA o CC) y en el caso de corriente continua una polaridad específica: por lo tanto, la elección del electrodo está condicionada por la tipología del generador utilizado. Una utilización equivocada comporta problemas en la estabilidad del arco y, en consecuencia, en la calidad de la soldadura.

Los generadores para soldadura deben satisfacer las siguientes exigencias principales: a) soportar el régimen de corto circuito que tiene lugar en el momento cuando el soldador pone en contacto el electrodo con la pieza de trabajo, b) asegurar una intensidad de corriente más o menor constante siendo la resistencia del arco variable.

El cumplimiento de estas condiciones planteadas se logra con que la característica exterior del generador para soldadura tiene una carácter bruscamente decreciente. Para obtener dicha característica se utilizan generadores para soldadura de distintos tipos.

5.2 Generadores de Corriente Continua para Excitatrices

Las máquinas sincrónicas y particularmente los turbogeneradores sincrónicos se excitan con corriente continua. La fuente de alimentación, o sea, el excitador, es un generador de corriente continua con una serie de características especiales.

El inducido del excitador está dispuesto generalmente en el extremo saliente del árbol de la parte giratoria del turbogenerador; en las unidades de gran potencia el excitador está separado y acoplado al rotor del turbogenerador por medio de embrague.

En ambos casos el excitador es una máquina de gran velocidad, puesto que los turbogeneradores giran a velocidades angulares de 3000 r.p.m.

Esta máquina es sensible a las vibraciones, funciona en condiciones de conmutación muy duras y necesita tener una ventilación intensa.

5.3 Máquinas de corriente continua con imanes permanentes.

A principios de la tercera década de nuestro siglo para los imanes permanentes se hallaron nuevos materiales que son aleaciones del hierro con otros metales y que poseen buenas propiedades magnéticas.

El mayor interés práctico lo representa el acero al aluminio-níquel que es una aleación del hierro con el aluminio (11-16%) y el níquel (18-24%). En comparación con los materiales de antes (acero al cromo y al tungsteno) el acero al aluminio-níquel tiene aproximadamente diez veces mayor fuerza coercitiva y 9-10 veces mayor energía magnética.

Los imanes permanentes se distinguen de los electroimanes por su baja permeabilidad magnética.

El funcionamiento de un generador con imanes permanentes puede ser comparado con el funcionamiento de un generador con excitación independiente cuando iex=const. Pero en este caso hay que tener en cuenta que las máquinas con imanes permanentes en determinadas condiciones pueden perder parcialmente su magnetismo a causa del efecto de la reacción del inducido.

Las máquinas de corriente continua con imanes permanentes prácticamente sólo se fabrican como máquinas de muy poca potencia como lo son, por ejemplo, los generadores tacométricos.

CONCLUSIONES GENERALES

Luego de finalizar nuestra investigación acerca de las maquinas eléctricas y adquirir los conocimientos necesarios sobre ella se puede sacar las siguientes conclusiones:

• Con el descubrimiento de la ley de la inducción electromagnética por Faraday, empieza la historia de las maquinas eléctricas y hasta mediados de la octava década del siglo pasado, representa en esencia la historia del desarrollo de la máquina de corriente continua.

• Para la construcción de máquinas de corrientes se suelen utilizar materiales especiales como son los ferromagnéticos, los conductores de corriente eléctrica para formar el devanado, los materiales aislantes, así como también los denominados materiales constructivos.

• Que las máquinas de corriente continua son muy utilizadas en el campo del transporte, ya que estas poseen la facilidad de mantener con cierta facilidad la velocidad constante.

• Las máquinas de corriente poseen el principio de reversibilidad, lo que la hace trabajar en régimen de motor y en régimen de motor. Partiendo de esta realidad, estas máquinas podemos dividirla en dos grandes grupos, los motores de corriente continua y los generadores de corriente continua.

• La corriente en salida del generador presenta una forma de onda continua, que se obtiene mediante un dispositivo, el rectificador, colocado antes del transformador, que permite la conversión de la corriente de alterna a continua.

BIBLIOGRAFÍA

• Kostenko, M. P., Piotrovski L. M. Maquinas Eléctricas. Tomo I. Editorial MIR

• Chapman, Stephen. Máquinas Eléctricas. 4ta. Edición.

• http://www.elo.utfsm.cl/-elo383/apuntes/lamaqdcpdf

• http://prof.usb.ve/jaller/guia_maq_pdf/capitulo06.pdf

• http://www.tuveras.com

• Otras fuentes.