PRÁCTICA 1

MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

1- INTRODUCCIÓN

Las máquinas de corriente continua fueron las primeras que se construyeron. Actualmente tienden a utilizarse poco como generador, puesto que se sustituye por las de corriente alterna. Como motor tiene grandes inconvenientes: son mas caros, tienen problemas de mantenimiento, técnicos... Éstos se utilizan en siderurgia, en tracción eléctrica de trayectos cortos...

Las máquinas de corriente continua son reversibles, es decir, la misma máquina puede trabajar como generador o como motor:

- Generadores de corriente continua

Si una armadura gira entre dos polos de campo fijos, la corriente en la armadura se mueve en una dirección durante la mitad de cada revolución, y en la otra dirección durante la otra mitad. Para producir un flujo constante de corriente en una dirección, o 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 contra del 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 dirección dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de una dirección 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 V. 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.

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.

- 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. Cuando la corriente pasa a través de la armadura de un motor de corriente continua, se genera un par de fuerzas por la reacción magnética, y la armadura gira (véase Momento de una fuerza). La acción del conmutador y de las conexiones de las bobinas del campo de los motores son exactamente las mismas que usan los generadores. La revolución de la armadura induce un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto en la dirección al voltaje exterior que se aplica a la armadura, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o fuerza contraelectromotriz. Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido aumenta hasta que es casi igual al aplicado. La corriente entonces es pequeña, y la velocidad del motor permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo carga y tenga que realizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para mover la armadura. Bajo carga, la armadura gira más lentamente, reduciendo el voltaje inducido y permitiendo que fluya una corriente mayor en la armadura. El motor puede así recibir más potencia eléctrica de la fuente, suministrándola y haciendo más trabajo mecánico.

Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en la armadura, deben usarse aparatos especiales para arrancar los motores de corriente continua. Cuando la armadura está parada, ésta no tiene realmente resistencia, y si se aplica el voltaje de funcionamiento normal, se producirá una gran corriente, que podría dañar el conmutador y las bobinas de la armadura. El medio normal de prevenir estos daños es el uso de una resistencia de encendido conectada en serie a la armadura, para disminuir la corriente antes de que el motor consiga desarrollar el voltaje inducido adecuado. Cuando el motor acelera, la resistencia se reduce gradualmente, tanto de forma manual como automática.

La velocidad a la que funciona un motor depende de la intensidad del campo magnético que actúa sobre la armadura, así como de la corriente de ésta. Cuanto más fuerte es el campo, más bajo es el grado de rotación necesario para generar un voltaje inducido lo bastante grande como para contrarrestar el voltaje aplicado. . Por esta razón, la velocidad de los motores de corriente continua puede controlarse mediante la variación de la corriente del campo.

Las escobillas cierran el circuito de la fuente con las dos delgas y la espira conectada a ellas, de esta forma circula corriente por las espiras, como esto ocurre dentro de un campo magnético, aparecen fuerzas sobre las espiras y el rotor comienza a girar.

Como la espira gira dentro del campo lo hace cortando líneas de campo, lo mismo ocurre con las fuerzas, pero esto induce una fuerza electromotriz que se opone a la de la fuente y se denomina fuerza contra electromotriz (fcem) según la ley de Lenz.

V = fcem + I·Ri

Donde: V: tensión de la fuente.

fcem: fuerza contra electromotriz (E).

Ri: resistencia interna de la máquina (resistencia de las espiras más resistencia de los carbones).

Multiplicando ambos términos por la corriente:

V·I = I·E + I2·Ri

Donde: V.I: Potencia absorbida.

I.E: Potencia mecánica.

I2.Ri: Potencia disipada en el cobre.

Si:

E = k··n

Donde:

: Flujo del campo.

n: velocidad de giro (r.p.m.)

Se tiene la fórmula principal de la máquina:

E = k··n + I·Ri

De donde se deduce que para cualquier máquina de corriente continua disminuye el campo disminuyendo el número de vueltas.

n = V - I·Ri

k·

2 - CONSTITUCIÓN

Estator: Parte fija formada por polos salientes y culata.

Inductor: Devanado formado por bobinas situadas a¡rededor 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 metalografíticas 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.

3 - FUNDAMENTOS TEÓRICOS

La máquina de corriente continua es un convertidor electromecánico de energía reversible, basado en los fenómenos de inducción electromagnética, que transforma la energía mecánica que recibe por su eje en energía eléctrica de corriente continua cuando funciona como generador (dínamo) o viceversa si funciona como motor. Esto es, transforma la energía eléctrica de corriente continua que recibe por sus bornes en energía mecánica que cede por su eje.

El sentido de giro en los generadores lo impone el sistema motriz y en los motores el sentido del campo magnético y la corriente del inducido.

El campo inductor lo crea el sistema inductor de los polos principales pero las corrientes que circulan por el inducido determinan el llamado campo de reacción del inducido y la superposición de ambos da lugar al campo real resultante.

El devanado inductor puede ser independiente del inducido o conectarse con él, en cuyo caso su constitución es diferente con objeto de limitar las caídas internas de tensión y las pérdidas de energía de forma que un devanado en conexión serie tiene pocas espiras de hilo grueso, mientras que el conectado en derivación (shunt) está formado por muchas espiras de hilo fino.

El campo de reacción del inducido provoca una serie de inconvenientes que disminuyen el rendimiento de la máquina y junto con otros factores propios de la conmutación (inversión de la corriente en las bobinas cortocircuitadas por las escobillas a través de las delgas del colector) favorecen la aparición de chispas perjudiciales en el colector .

Para evitar estos inconvenientes se utilizan unos polos auxiliares situados entre los polos principales cuyas bobinas se conectan en serie opuesta con el inducido para excitarse con la corriente del mismo. Como excepción en máquinas pequeñas se prescinde de ellos o se dispone de la mitad del número de polos principales.

- Nomenclatura de los circuitos:

Inducido.........................................A - B

Polos de conmutación...................G - H

Excitación independiente...............J - K

Excitación serie..............................E - F

Excitación derivación.....................C - D