Máquinas de corriente continua

Abstract— The electric machines are based on the phenomena of electromagnetism, when manufacture is necessary to know which materials are most appropriate for their construction, these are chosen according to tables and graphs that indicate whether the material to be used are appropriate In this article we expose the C.C. machines an this parts.

INTRODUCCION

Las máquinas eléctricas se han hecho imprescindibles en los tiempos actuales, y comprenden desde las grandes unidades de generadores (alternadores) situados en las centrales productoras de energía eléctrica, hasta las máquinas (motores empleados en el transporte de viajeros y mercancías, en la industria, etc. Las máquinas eléctricas son el resultado de una aplicación de los principios del electromagnetismo y en particular de las leyes de Faraday, Lenz, Lorentz y Ohm.

El modo de funcionamiento más característico de las máquinas de corriente continua lo constituye su empleo como motor. La ventaja fundamental de los motores de corriente continua frente a los de alterna ha sido su mayor grado de flexibilidad para el control de velocidad y el par, lo cual ha hecho muy interesante su aplicación en diversos accionamientos industriales.

DESCRIPCION DE LAS PARTES CONSTITUTIVAS DE LA MÁQUINA

Las máquinas DC son generadores que convierten energía mecánica en energía eléctrica DC y motores que convierten energía eléctrica DC en energía mecánica. La mayoría de las máquinas DC son semejantes a las máquinas AC porque tienen voltajes y corrientes AC dentro de ellas; las máquinas DC tienen una salida DC sólo porque existe un mecanismo que convierte los voltajes AC internos en voltajes DC en sus terminales. Puesto que este mecanismo se denomina conmutador, la máquina DC se conoce también como máquina de colector o conmutada.

La estructura física de la máquina consta de dos partes: el estator o parte estacionaria de la máquina y el rotor o parte rotante de la máquina. La parte estacionaria de la máquina consta de una estructura que proporciona el soporte físico y las piezas polares, las cuales se proyectan hacia dentro y proveen el camino para el flujo magnético en la máquina. Los extremos de las piezas polares cercanos al rotor se extienden hacia fuera, sobre la superficie del rotor, para distribuir el flujo uniformemente sobre la superficie del rotor. Estos extremos son llamados zapatas polares. La superficie expuesta de una zapata polar se llama cara polar y la distancia entre la cara polar y el rotor se llama entrehierro.

En una máquina hay dos devanados principales: los devanados inducidos (armadura) y los devanados de campo. Los devanados de campo están definidos como aquellos que producen el flujo magnético principal en la máquina. En una máquina de CC, los devanados del inducido están localizados en el rotor y los devanados de campo están localizados en el estator.

En la figura 1 el arrollamiento del inducido es tipo anillo, que hoy en día ya no se emplea por el poco aprovechamiento que se obtiene del cobre. En la actualidad, los arrollamientos son en tambor, disponiendo ambos lados activos de las espiras en las generatrices externas del apilamiento del rotor. Los devanados de las máquinas de corriente continua son cerrados, lo cual indica que el bobinado se cierra sobre sí mismo de principio a fin. Los devanados pueden ser imbricados y ondulados, dependiendo de si se cruzan o no las partes de la observadas desde el lado del colector.

En la figura 1 se observan las partes principales de una máquina de corriente continua.

Figura1 Partes constitutivas de la máquina de C.C.

1- Culata

2- Núcleo Polar

3- Zapata polar

4- Polo auxiliar

5- Polo auxiliar

6- Inducido

7- Devanado del inducido

8- Devanado de excitación

9- Devanado de los polos auxiliares

10- Colector de delgas

11- Escobilla

12- Escobilla

13- Pies de la máquina

A continuación se presenta una descripción de las partes más importantes de la máquina:

Polos Principales. El polo principal viene dado en la figura 1. Este consta del núcleo polar (inductor) armado de chapas de acero. Por el lado que se encuentra frente al inducido, se tiene la zapata polar que sirve para facilitar el paso del flujo magnético a través del espacio de aire. En el núcleo polar va colocada la bobina de excitación, por la cual pasa corriente continua. La bobina se arrolla al armazón hecho bien de chapa de acero de 1-2 mm. Para mejorar el enfriamiento, la bobina se divide por su altura en dos o varias partes, entre las cuales se dejan canales de ventilación de suficiente anchura. La sujeción de los polos al armazón se realiza con la ayuda de pernos.

Figura 2 Corte transversal de un polo principal

Las partes constitutivas se enumeran a continuación:

1- Bobina de excitación

2- Armazón

3- Pernos

4- Armazón

5- Núcleo

6- Zapata

Polos Auxiliares. El polo auxiliar así como el principal, consta del núcleo polar que termina con la zapata polar, también consta de la bobina que va colocada en el núcleo. Los polos auxiliares se instalan estrictamente por la mitad entre los polos principales y van empernados al armazón. Generalmente los polos auxiliares se fabrican de forma maciza, pero en las máquinas que funcionan con carga bruscamente variable, se hacen de acero en chapas. En la figura 3 se observa la forma de un polo auxiliar.

Figura 3 Polo Auxiliar

1- Núcleo

2- Bobina polar

Armazón. Se llama armazón a la parte inmóvil de la máquina, a la que sujetan los polos principales y auxiliares y con la ayuda de la cual la máquina se sujeta a la cimentación. La parte de la armazón, que sirve para conducir el flujo de los polos principales y auxiliares se llama culata. La armazón se fabrica de fundición o de acero con desempalme o sin el en dependencia del tipo y la potencia de la máquina.

Inducido. En la actualidad se emplean inducidos dentados de tambor, hechos de chapas de acero para transformadores de 0.5 mm de espesor para una frecuencia de remagnetización del inducido normal para las máquinas de corriente continua. Las chapas de acero se arman en dirección axial de la máquina, y para reducir las pérdidas por corrientes parásitas se aíslan unas de otras con laca o papel de 0.03-0.05 mm de espesor. En las figuras 4 y 5 se observan los inducidos devanados y sin devanar.

Figura 4 Inducido sin devanar

Figura 5 Inducido devanado

El núcleo del inducido se prensa por ambos lados con ayuda de dispositivos de apriete, que se sujetan de manera especial. Para mejorar la refrigeración, las máquinas de pequeña potencia van dotadas de aletas, mientras que las de gran potencia tienen un ventilador. En la figura 6 se observa una hoja de acero con la que se construye el inducido.

Figura 6 Hoja de acero del inducido de tambor

Devanado del Inducido. Lo mismo que otros elementos de la máquina, el devanado del inducido de la máquina de corriente continua ha sufrido una serie de variaciones. Los devanados del inducido de tambor que se emplean en la actualidad son los que se colocan en las ranuras del núcleo.

En la figura 5 se observa un inducido sin devanar y el mismo inducido ya devanado se observa en la figura 6. En la figura 7 se muestran los dos tipos de devanados del inducido tanto el ondulado como el imbricado.

Figura 7 Tipos de devanados del inducido

Colector. El colector de delgas es una pieza que caracteriza a este tipo de máquinas y es el encargado de la conversión mecánica de la corriente alterna inducida en las bobinas en corriente continua de salida.

El colector está hecho de barras de cobre aislado con mica. Las barras de cobre se fabrican suficientemente gruesas para permitir un desgaste normal durante la vida útil del motor. El aislamiento de mica entre los segmentos de conmutación es más duro que el material del colector en sí, en consecuencia con el paso del tiempo es necesario socavar el aislamiento del colector para asegurarse de que no sobresalga por encima del nivel de las barras de cobre.

Figura 8 Corte de un colector de delgas

Porta escobillas. Las escobillas de la máquina, elaboradas en carbón, grafito, o una mezcla de carbón y grafito tienen una alta conductividad para reducir las pérdidas eléctricas, y tienen un bajo coeficiente de rozamiento para reducir el desgaste excesivo. Para la toma de corriente del colector rotatorio y para suministrarle a este se emplea el aparato de escobillas, que consta de:

• 1) Las escobillas

• 2) Los porta escobillas

• 3) Pernos

• 4) Coronas porta escobillas

• 5) Barras colectoras

Figura 9 Porta escobillas

DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO

La máquina de corriente continua puede funcionar tanto como generador como motor. Para comprender el principio de generación de la fem en las espiras del rotor, se va a considerar el inducido en forma de anillo como se observa en la figura 10. En este devanado, al girar el rotor, se induce un fem en los conductores dispuestos en la cara exterior del núcleo al ser cortados por el flujo del estator. En los conductores interiores no aparece ninguna fem ye que no les atraviesa el flujo de los polos, al estar sus líneas de fuerza limitadas al circuito de baja reluctancia del anillo.

Figura 10 Máquina de corriente continua

Analizando la figura 10 se observa que el sentido de la fem de los conductores situados debajo del polo norte son de signo contrario a la de los conductores situados debajo del polo sur. Como quiera que la estructura de la máquina es simétrica, las fem correspondientes a la parte izquierda del inducido serán opuestas a las de la parte derecha, y en consecuencia no circulará ninguna corriente por el arrollamiento. Para utilizar la fem del inducido y llevarla a un circuito exterior se han de conectar unas escobillas de salida Ay B situadas en el eje transversal de los polos para que puedan aprovechar la máxima fem del devanado. Estas escobillas dividen el arrollamiento en dos ramas en paralelo con una misma fem. En cada una de estas ramas, las fem deben tener el mismo sentido, pues de lo contrario no se utilizarán totalmente las fem generadas en el arrollamiento. El eje que forma la alineación de las escobillas se denomina línea neutra. Esta línea tiene gran importancia, pues indica las posiciones en las que se produce la inversión de fem en las bobinas del inducido pasando las espiras correspondientes de una rama paralelo a otra. La posición exacta de la línea neutra se determina experimentalmente moviendo el collar de las escobillas hasta encontrar el punto en el que se producen las mínimas chispas en el colector de delgas.

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

En los devanados ondulados simples, el número de circuitos derivados es siempre igual a 2, sea cual sea el número de polos de la máquina, es decir:

Para calcular la fem producida en el inducido de una máquina de corriente continua, debe tenerse en cuenta que en cada bobina del arrollamiento se obtiene una fem alterna, de tal forma que en un semiperíodo de la misma el flujo concatenado varía entre los límites +F y -F, en consecuencia el valor medio de la fem obtenida en la bobina en el tiempo mencionado será:

Donde T indica el período de la tensión. La frecuencia de la tensión generada va ligada al número de polos 2p y a la velocidad de rotación en rpm por la relación:

La fem media en una espira del inducido será:

Las fem recogidas por las escobillas de la máquina en las distintas bobinas durante un semiperíodo dan como resultado una fem que será la suma de todas las bobinas que componen cada rama en paralelo del devanado. Si este constan de Z conductores que forman Z/2 bobinas conectadas en serie, producirían una fem resultante de magnitud:

Donde es una constante determinada para cada máquina. De esta expresión se deduce que la fem puede regularse variando la velocidad del rotor o cambiando el flujo inductor mediante el ajuste de la corriente de excitación en los polos.

• I. GENERADORES DE C.C.

Los generadores de c.c. o dinamos convierten una energía mecánica de entrada en energía eléctrica de salida en forma de corriente continua. En la actualidad, estos generadores han caído en desuso y han sido sustituidos por los rectificadores, generalmente de silicio, que transforman c.a. en c.c. en forma estática y con mayor rendimiento. Desde el punto de punto de vista del circuito eléctrico, las máquinas de c.c. constan de un inductor o excitación colocado en el estator y de un circuito giratorio provisto de colector a delgas. El inducido gira dentro del campo magnético del inductor y genera una fem continua E en vacío.

Al conectar una carga eléctrica en el exterior aparece una corriente Ii de circulación que provoca una caída de tensión en el inducido, que se debe en parte a la resistencia propia de este devanado Ri y en parte a la resistencia que presentan los contactos escobillas-colector. Si se denomina Vesc la caída de tensión por par de escobillas, la aplicación de las leyes de Kirchhoff al circuito inducido de la figura 11 conduce a la siguiente ecuación:

Donde V indica la tensión terminal en bornes de la máquina. En esta ecuación se ha supuesto despreciable la posible acción desmagnetizante del inducido sobre el inductor. Cuando se considera esta acción se suele expresar como tanto por ciento la reducción de la fmm de la excitación o su equivalente caída de tensión del inducido.

Figura 11 Circuito equivalente de un Generador de C.C.

Para determinar el proceso de transformación de energía mecánica en eléctrica en un generador de c.c. se va a considerar el esquema de la figura 11 en el que se tienen las siguientes ecuaciones de circuito:

Inductor:

Inducido:

En la figura 12 se observa el principio básico de obtener c.c. en la salida de un generador de c.c.

Figura 12 Generación de C.C.

• II. MOTORES DE C.C.

A diferencia de los generadores, los motores de c.c. transforman tensión continua en sus bornes en movimiento mecánico en su eje. Los diferentes tipos de motores de c.c. se clasifican de acuerdo con el tipo de excitación, de acuerdo a la que se hacía con los generadores, y así se tiene: motores con excitación independiente, serie, derivación y compuesta. El circuito equivalente del motor se observa en la figura 13.

Figura 13 Circuito equivalente de un Motor de C.C.

El par electromagnético viene determinado por la expresión:

Desde un punto de vista práctico, estos motores de c.c. presentan una gran ventaja sobre los motores de c.a. debido a su posibilidad de regular la velocidad. De acuerdo con la ecuación:

Si se incluye Ri la resistencia del y escobillas se tiene:

Teniendo en cuenta la expresión general de la fem:

Y al sustituir las ecuaciones anteriores y despejando la velocidad n, se tiene:

Que indica la posibilidad de regular la velocidad de un motor de c.c. a base de las siguientes variables:

• a) El flujo por polo producido por la corriente de excitación. Al disminuir el flujo, aumenta la velocidad de rotación, y de ahí el peligro de poner en marcha el motor sin conectar la excitación, ya que se dará lugar a un embalamiento del motor, limitado únicamente por el magnetismo remanente de los polos.

• b) La tensión de alimentación V aplicada al motor. Al disminuir/aumentar la tensión de alimentación se reduce/aumenta la velocidad.

• c) La resistencia del circuito inducido, lo que se consigue conectando en serie con este devanado una resistencia o reóstato variable. Al aumentar/disminuir la resistencia del inducido, la velocidad disminuye/aumenta.

Estos métodos se emplean en la práctica de forma independiente o combinada para obtener unas características adecuadas al régimen de trabajo que se necesita.

Para invertir el sentido de rotación de un motor de c.c. es necesario invertir únicamente la corriente en un solo devanado el cual puede ser el inducido o el inductor.

CONCLUSIONES

Una máquina de corriente continua está formada de varias partes y su estructura puede parecer un poco compleja, pero su principio de funcionamiento se basa en las leyes fundamentales del electromagnetismo como la ley de inducción de Faraday. Las piezas que la conforman son varias pero hemos estudiado las principales como lo son el inductor que son los polos de la máquina los cuales generan el flujo magnético necesario para que en el inducido se generen las tensiones, las cual se juntan en el colector a delgas y son recogidas por las escobillas para ser tomadas en el exterior por los bornes de la máquina.

La importancia de la existencia de las máquinas de corriente continua radica principalmente en algunas de las ventajas que presentan frente a las de corriente alterna, como la regulación de la velocidad y del torque lo cual para estas máquinas se lo regula con la intensidad de la corriente, mientras que para las de CA es más complicado la regulación de estos parámetros.

La principal diferencia o característica de una máquina de corriente continua es quizá el modo en que se toma la tensión generada, la cual se la toma del colector a delgas el cual en lugar de tomar todo el período de la tensión, toma solo el semiciclo positivo de la misma dando como resultado una tensión continua.

Referencias

• [1] Libro "Máquinas eléctricas", autor Steven Chapman, capítulo 1, tercera edición.

• [2] Libro "Máquinas eléctricas", autor Jesús Fraile Mora, capítulo 6, quinta edición.

ANEXO

MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA CON TODAS SUS PARTES

Autor:

José González Romero

Universidad Politécnica Salesiana

Facultad de Ingenierías, Ingeniería Eléctrica Cuenca-Ecuador