GENERADORES Y MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Un motor es una máquina que convierte la energía eléctrica en energía mecánica giratoria. Los motores mueven máquinas lavadoras, secadoras, secadoras, ventiladores y gran parte de la máquinaria que se encuentra en la industria. generr ador es Un gene es una máquina que convierte la energía mecánica giratoria en energía eléctrica. La energía mecánica puede ser proporcionada por caída de agua, vapor, viento o por un motor de gasolina, diesel o eléctrico COMPONENTES Las partes principales de los motores y los generadores de corriente directa son esencialmente las mismas.
Armadura:
En un motor, la armadura recibe corriente de una fuente eléctrica externa, lo cual hace que la armadura gire. En un generador, la armadura gira por una fuerza mecánica externa. El voltaje que se genera en la armadura se conecta a un circuito externo. Como la armadura gira, se le llama también rotor Conmutador:
Una máquina de cc tiene un conmutador para convertir corriente alterna que fluye en su armadura en corriente continua en sus terminales t erminales ( en el caso del generador). El conmutador consiste de segmento de cobre, de los cuales hay un par por cada bobina de la armadura. Cada segmento del conmutador está aislado de los demás con mica. Los segmentos están montados sobre el eje de la armadura y aislados de esté y del hierro de la armadura. En el bastidor de la máquina, se montan escobillas estacionarias de manera que hagan contacto con segmentos opuestos del conmutador Escobillas:
Son conectores de grafito estacionario que se montan con un resorte para que se resbalen o rocen con el conmutador en el eje o flecha de la armadura. De esta manera, las escobillas proporcionan conexión entre las bobinas de la armadura y la carga externa. Devanado de campo:
Este electroimán produce el flujo que corta la armadura. En un motor, la corriente para el campo es proporcionada por la misma fuente que alimenta a la armadura. En un generador, la corriente que
produce el campo puede provenir de una fuente externa llamada excitatriz o de la salida de su propia armadura GENERADOR SIMPLIFICADO DE CORRIENTE CONTINUA
Consiste de una bobina de armadura con una espira de alambre. La bobina corta el campo magnético para producir voltaje. Si se tiene un circuito cerrado, la corriente circulará por el circuito en la dirección indicada por la flechas (figura a). En esta posición de la bobina, el segmento 1 del conmutador hace contacto con la escobilla 1, mientras que el segmento 2 del conmutador está en contacto con la escobilla 2. Cuando la armadura gira media vuelta en el sentido de las manecillas del reloj, se invierten los contactos entre los segmentos del conmutador (figura b), En ese momento el segmento 1 hace contacto con la escobilla 2 y el segmento 2 hace contacto con la escobilla 1. Debido a la acción del conmutador, el lado de la bobina de la armadura que está en contacto con cualquiera de las dos escobillas siempre corta al campo magnético en la misma dirección
Un generador de cc con una sola bobina produce una salida pulsante de cc. Usando más bobinas y combinando su salida, se puede obtener una forma de onda más suave.
EL DEVANADO DE LA ARMADURA Los lados de la bobina preformada pr eformada se colocan en las ranuras del núcleo laminado de la armadura. Existen dos maneras en las que se conectan las bobinas: en devanado o arrollamiento de lazo superpuesto, y en devanado ondulado o en serie. En el arrollamiento de lazo o superpuesto simple, los extremos de cada bobina se conectan a segmentos adyacentes del conmutador (Figura 10-4). De esta manera, todas las bobinas quedan conectadas en serie. En un devanado superpuesto doble o de lazo doble hay dos grupos separados de bobinas y cada grupo conectado conectado en serie (Figura 10-5).
Los dos grupos de bobinas están conectados entre sí por medio de escobillas. Un arrollamiento superpuesto triple consiste de tres grupos distintos de bobinas conectadas conectadas en serie. En el devanado superpuesto simple una sola escobilla cortocuita los dos extremos de una sola bobina. En un devanado ondulado o en serie , los extremos de cada bobina están conectados a segmentos del conmutador separados por una distancia del doble de ancho que los polos (Figura 10-6). En lugar de cortocircuitar una sola bobina, una escobilla cortocircuita un pequeño grupo de bobinas en serie. El área del generador en la que no se puede inducir voltaje en una bobina de la armadura se llama plano conmutador o plano neutro.
EXCITACIÓN DEL CAMPO Cuando el campo del generador es alimentado o “excitado” por una fuente distinta de cc, como una batería, se llama generador de excitación separada (Fig. 10-8). Cuando un generador suministra su propia excitación se llama generador autoexcitado. Si su campo se conecta en
paralelo con elcircuito elcircuito de la armadura, armadura, se llama generador generador en derivación derivación (Fig. 10-9a). Cuando el campo está en serie con la armadura el generador se llama generador serie (Fig. 10-9b) Si se usan campos en derivación y en serie, se llama generador compuesto o combinado (compound). Los generadores combinados pueden estar conectados en derivación corta (Fig.109c), con el campo en derivación en paralelo solo con la armadura, o en derivación larga (Fig.109d), con el campo en derivación en paralelo con la armadura y el campo en serie.
CIRCUITO EQUIVALENTE DEL GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA Las relaciones de voltaje y corriente del circuito equivalente de un generador de cc son: Vta = Vg – I Iar a (10 -1) Vt = Vg – I Ia(r a + r s) (10 - 2) IL = Ia - If (10 - 3) Donde Vta = voltaje terminal de la armadura V Vg = voltaje generado en la armadura en V Ia = corriente en la armadura armadura en A Vt = voltaje en las terminales del generador en V r a = resistencia del circuito de la armadura en Ω r s = resistencia en serie del campo en Ω r f = resistencia del campo en derivación en Ω IL = corriente de la linea en A If = = corriente del campo en derivación en A
Ejemplo: Un generador de cc tiene t iene las siguientes caracteristicas o especificaciones nominales de
100kW y 250 V. ¿Qué significan estas especificaciones? especificaciones? El generador puede proporcionar continuamente 100kW de potencia a una carga externa. El voltaje en las terminales Vt de este generador es de 250 V cuando proporciona la corriente nominal. Ejemplo: Un generador de cc de 100kW, 250 V tiene una corriente en la armadura de 400 A, resistencia de la armadura (incluyendo las escobillas) de 0.025 Ω y una resistencia del campo en serie de 0.005 Ω. Un motor de velocidad constante lo mueve a 1200 rpm. Calculese el voltaje
generado en la armadura Vg = Vt + Ia (r a + r s) = 250 + 400 (0.025 + 0.005) = 250 +12 = 262 ECUACIONES DE VOLTAJE DEL GENERADOR Y LA REGULACIÓN DE VOLTAJE El voltaje generado promedio Vg de un generador puede calcularse de la formula
En donde Vg = voltaje generado promedio de un generador de cc en V P
= número de polos
Z = número total de conductores en la armadura (también llamados inductores)
Φ = flujo por polo n
= velocidad de la armadura en rpm
b = numero de trayectorias paralelas a través de la armadura, dependiendo del devanado de la armadura
Para cualquier generador, todos los factores de la ecuación (10-4) son valores fijos, excepto ϕ y n. Por consiguiente la ecuación anterior puede simplificarse a Vg = k ϕn
(10-5)
ecuación (10-5) indica que si ϕ se duplica mientras n permanece constante, Vg se duplica. Similarmente, si n se duplica permaneciendo permaneciendo ϕ constante, Vg se duplica . La
Cuando un generador se mueve a 1200 rpm, el voltaje generado es 120 V. ¿Cuál será el voltaje generado (a) (a) si el flujo del campo disminuye 10% 10% con velocidad velocidad fija y (b) si la velocidad se reduce a 1000 rpm, permaneciendo permaneciendo el campo sin alteración? Ejemplo:
La regulación del voltaje es la diferencia entre el voltaje en las terminales del generador en vacío (NL) y a plena carga (FL) y se expresa como un porcentaje del valor a plena carga. ó ó
Un generador en derivación tiene un voltaje en las terminales de 120 V a plena carga. Cuando se retira la carga, el voltaje aumenta a 150 V. ¿Cuál es el porcentaje de regulación de voltaje? Ejemplo:
ó ó
−
−
0.25 25%
PÉRDIDAS Y EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA Las pérdidas incluyen:
La eficiencia es el cociente de la salida útil de potencia y la entrada total de potencia.
También
é é
é é
La eficiencia se expresa usualmente en porciento. (%)
100
Ejemplo: Un generador en derivación tiene una resistencia en el circuito de la armadura de 0.4 Ω, una resistencia en el circuito del campo de 60 Ω y un voltaje en las terminales de 120 V cuando
suministra una corriente de 30 A a la carga (Fig. 10 -11). Encuéntrese (a) la corriente de campo, (b) la corriente en la armadura, (c) las pérdidas en el cobre con la carga mencionada. (d) Si las pérdidas rotacionales rotacionales son 350 W, ¿cuál ¿cuál es la eficiencia eficiencia con la carga carga indicada?
)
=
= =
) 30 2 32 ) é 32 (0.4) 0.4) 410 é é ó ó 2 (60) 240 é é é é é é ó ó 410 240 650 ) é é
Salida = P = V tIL = 120(30) = 3600 W Pérdidas totales = pérdidas en el cobre + pérdidas rotacionales = 650 + 350 = 1000W
Eficiencia (%) = + 100
100 0.783(100) 78.3 78.3% %
MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA Principio del motor
La función de un generador es generar voltaje cuando se mueven conductores en un campo magnetico, mientras que la de un motor es producir una fuerza giratoria, llamada par motor que produce rotación rotación mecánica Dirección de rotación de la armadura
Para determinar la dirección de rotación de los conductores de la armadura se usa la regla de la mano izquierda.
Colonquese los dedos indice, medio y pulgar mutuamente perpendiculares, apúntese con el indice en la dirección del campo y con el dedo medio en la dirección de la corriente en el conductor; el pulgar apuntará en la dirección en en la que el conductor conductor trata de moverse moverse ( Fig. 10-12a). En una bobina rectangular de una sola espira colocada paralela a un campo magnético (Fig 10-12a) La dirección de la corriente en el conductor de la izquierda es hacia afuera del del papel, mientras que en el conductor de la derecha es hacia adentro del papel; por consiguiente, el conductor de la izquierda tiende a moverse hacia arriba con una fuerza F 1 y el conductor de la derecha tiende a moverse hacia abajo con una fuerza igual F 2. Ambas fuerzas actúan ejerciendo un par que hace girar a la bobina en el sentido de las manecillas del reloj. Un motor con una sola bobina (Fig. 1012b) es impráctico por tener puntos muertos y porque el par ejercido es pulsante. Se obtienen buenos resultados al usar un número grande de bobinas, como en un motor de cuatro polos (Fig. 10-13). Al girar la armadura y alejarse los conductores de un polo hacia el plano neutro, la corriente se invierte por la acción del conmutador. De esta manera, los conductores bajo un polo dado llevan corriente en la misma dirección todo el tiempo.
Par motor
El par motor o torca T ejercido por un motor es proporcional a la intensidad del campo magnético y a la corriente corriente en la armadura. armadura.
T = K tϕIa En la cual
T = par motor en ft – lb lb Kt = constante que depende de las dimensione di mensione fisicas del motor Φ = número total de lineas de flujo que q ue entran a la armadura desde un polo N Ia = corriente en la armadura en A
CIRCUITO EQUIVALENTE DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
Las relaciones de voltaje y corriente del circuito equivalente de un motor de cc son: Vta = Vg + Iar a ------------------- 1 Vt = Vg + Ia(r a + r s) ----------- 2 IL = Ia + If --------------------- 3 Donde
Vta = voltaje en las terminales de la armadura en V Vg = fuerza contraelectromotriz contraelectromotriz en en V Ia = corriente en la armadura armadura en A Vt = voltaje entre entre las terminales terminales del motor en en V ra, rs, rf , IL e If son los mismos que se definió para el circuito equivalente del generador de cc. La comparación indica que la única diferencia es la dirección de las corrientes de línea l ínea y armadura. La fuerza contraelectromotriz de un motor, Vg, es generada por la acción de los conductores de la armadura al cortar las líneas de fuerza. Si en un motor en derivación la ecuación (2) se multiplica por Ia (rs = 0) VtIa = VgIa + I2ar a
VtIa es la potencia potencia suministrada suministrada a la armadura del del motor; I 2ar a es la potencia que se pierde como calor por el paso de la corriente de la armadura y V tIa es la potencia producida o desarrollada por la armadura. Pero la potencia de la armadura no es la salida útil porque se debe gastar una parte de ella en vencer las pérdidas mecanicas o rotacionales del motor. La potencia nominal de salida del motor es igual a la entrada (V tIL) menos las pérdidas calorificas (I 2R) y las rotacionales. La unidad común para medir la salida mecánica de un motor es el caballo de fuerza (hp), en donde
746
Ejemplo:Encuntresé la fuerza contraelectromotriz de un motor cuando el voltaje entre las terminales es 240 V y la corriente en la armadura es 50 A. La resistencia resis tencia de la armadura es 0.08Ω.
La corriente del campo es despreciable. (b) ¿Cuál es la potencia desarrollada por la armadura del motor? ¿Cuál es la potencia entregada al motor, en kilowatts? (a) Vt = Vg + Iar a r s = 0 Vg = Vt - Iar a = 240 – 50(0.08) 50(0.08) = 240 – 4 4 = 236 V (b) Potencia desarrollada = V gIa = 236(50) = 11800 W
746
11800 746
15.8 15.8 ℎ
(c) Potencia entregada = V t IL = 240(50) = 12000 W = 12Kw
VELOCIDAD DE UN MOTOR La velocidad se especifica por el número de revoluciones del eje en cierto tiempo y se expresa en unidades de revoluciones por minuto(rpm). Una reducción en el flujo del campo magnético de un motor produce un aumento en la velocidad del; inversamente, un aumento en el flujo del campo hace que la velocidad del motor disminuya. Como la velocidad del motor varia con la excitación del campo, una manera adecuada de controlar la velocidad es variando el flujo del campo mediante ajustes de la resistencia en el circuito de campo. Si un motor puede mantener una velocidad casi constante para diferentes cargas, decimos que el motor tiene buena regulación de velocidad. La regulación de velocidad se expresa ex presa por: ó ó
sin
Ejemplo. Un motor en derivación de 220 V
tiene una resistencia de armad ura de 0.2 Ω. Para cierta carga del motor, la corriente en la armadura es 25 A. ¿Cuál es el efecto inmediato del par ejercido por el motor si el flujo del campo campo disminuye disminuye en 2%? El par ejercido cuando Ia = 25 A es T1 = k tϕIa = 25k tϕ y la fuerza contraelectromotriz es Vg1 = Vt – I Iar a = 220 – 250(0.2) 250(0.2) = 215 V Si ϕ se reduce en 2%, el valor de V g se reduce también en 2%, porque V g y la velocidad n no puede cambiar instantáneamente. Por consiguiente, el nuevo valor de la fuerza contaelectromotriz es Vg2 = 0.98 (215) = 210.7 V
La nueva corriente en la armadura es
−
−. .
46.5 46.5
Y el nuevo par que se ejerce es T2 = k t(0.98)ϕ(46.7) = 45.6k tϕ El aumento en el par motor es
.
1.82 1.82
Por lo tanto, una disminución de 2% en el flujo aumenta el par de d e un motor 1.82 veces. Ejemplo: La velocidad de un motor de cc en derivación es de 1200rpm sin carga. Cuando el motor
soporta su carga nominal, la velocidad disminuye a 1140 rpm. ¿Cuál es su regulación de velocidad? ó ó
−
= 0.053 = 5.3%
TIPOS DE MOTORES Motor en derivación
Este es el tipo de motor de cc más común. Se conecta de la misma manera que el generador en derivación (Fig. 10-15a). Sus curvas características velocidada-carga (Fig. 10-15b) muestran que el par motor aumenta linealmente con un aumento de la corriente en la armadura, mientras que la velocidad disminuye ligeramente al aumentar la corriente en la armadura. La velocidad básica es a carga plena. La velocidad se ajusta agregando resistencia al circuito del campo con un reostato de campo. Para una posición fija del reostato, la velocidad del motor permanece casi constante en todas las cargas. Con motores de cc se usan arrancadores que limitan la corriente de la armadura durante el arranque entre 125 y 200% de la corriente a plena carga. Debe tenerse cuidado de nunca abrir el circuito del campo de un motor en derivación que funcione sin carga o en vacio porque la velocidad del motor creceria sin límite hasta que el motor se destruyera.
Motor en serie
El campo de este tipo de motor está conectado en serie con la armadura (Fig. 10-16a). La velocidad varia desde una velocidad muy alta con carga ligera a una velocidad menor a plena carga (Fig 10-16b). El motor en serie es apropiado para arrancar con cargas pesadas (impulsando grúas y malacates) porque con una corriente alta en la armadura desarrolla un par alto y funciona a velocidad baja (Fig 10-16b). La velocidad de un motor en serie, sin carga, aumentará sin límite hasta que el motor se destruya (Fig 10-16b). Por consiguiente, los grandes motores serie se conectan directamente a su carga en lugar de usar bandas y poleas.
Motor compuesto, combinado o compound
Combinado las caracteristicas de operación de los motores en derivación y en serie (Fig 10-17a y b). El motor combinado puede ser operado con seguridad, sin carga. Al agregar carga disminuye su velocidad y el par es mayor, comparado con el de un motor en derivación (Fig. 10-8).
Fig. 10 -18 Curvas caracteristicas comparativas de los motores en derivación, serie y compuesto REQUISITOS DE ARRANQUE DE LOS MOTORES
1. Tanto el motor como las lineas de alimentación deben estar protegidos contra el paso de una corriente excesiva durante el periodo de arranque colocando resistencias externas en serie con el circuito de la armadura. 2. El par de arranque del motor debe hacerse tan grande como sea posible para que el motor alcance su velocidad máxima en un mínimo de tiempo. La cantidad de resistencia de arranque necesaria para limitar la corriente de arranque en la armadura al valor deseado es Donde
Rs = resistencia de arranque en Ω
Vt = voltaje del motor en V Is = corriente corrient e en la armadura deseada en el arranque en A r a = resistencia de la armadura en Ω Ejemplo: Un motor en derivación conectado a una línea de 240 V tiene una corriente en la armadura de 75 A. Si la resistencia del circuito del campo es de 100 Ω, encuentrese la corriente del campo, la corriente de linea y la potencia de entrada al motor.
240 100
2.4
2.4 75 77.4 = 240(77.4) 77.4) 18576 576 18.6 8.6 Ejemplo: Un motor en derivación de 10 hp con resistencia en la armadura de 0.5 Ω está conectado
directamente a una linea de alimentación de 220 V. ¿Cuál es la corriente resultante si la armadura se mantiene estacionaria? Despreciesela corriente del campo. Si la corriente de la armadura a plena carga es 40 A y se desea limitar la corriente de arranque a 150% de este valor, encuentrese la resistencia que se debe añadir en serie con la armadura. En el arranque, cuando la armadura de un motor es estacionaria, no se genera fuerza contraelectromotriz. El único factor que limita la corriente proporcionada por la fuente de alimentación es la resistencia del circuito de la armadura (Fig 10-20). Al arrancar el motor, con Rs = 0, Vg = 0 y una corriente despreciable en derivación.
220 0.5
440
Que es superior a la corriente normal de la armadura con carga plena para un motor de este tamaño. El resultado seria un posible daño a las escobillas, al conmutador y a los devanados. Si Rs se conecta en serie con el circuito de la armadura
PROBLEMAS RESUELTOS
3.67 0.5 3.17Ω
La velocidad es directamente proporcional a la fuerza contraelectromotriz
10-10 La fuerza contraelectromotriz de un motor en derivación es 218 V, la resistencia de campo es 150 Ω y la corriente del campo 1.5 A. La corriente de la línea es de 36.5 A. (Fig 1 0-28a).
Encuéntrese la resistencia de la armadura. (b) Si la corriente de la línea durante el arranque debe estar limitada a 55 A, ¿ cuánta resistencia de arranque debe añadirse en serie con la armadura? (c) ¿cuál es la potencia que desarrolla el motor? Si las pérdidas mecánicas y en el hierro alcanzan un total de 550 W, ¿cuál es la l a potencia de salida? Exprese su respuesta en caballos de fuerza.
La potencia salida es el caballaje desarrollado por la armadura menos la potencia necesaria para vencer las pérdidas mecánicas o rotacionales del motor. ℎ
7630 550 746
7080 746
9.5
