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Conceptos Básicos de Máquinas de corriente cor riente continua CHAPTER · OCTOBER 2011
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Marino Pernia Universidad Nacional Experimental del Táchi… 7
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Universidad Nacional Experimental del Táchira Departamento de Ingeniería Electrónica Núcleo de Electricidad Electricidad Unidad Curricular Tecnología Tecnología Eléctrica
Conceptos Básicos de Máquinas de corriente continua
Profesor Marino A. Pernía San Cristóbal septiembre 2011
Máquinas de corriente continua (DC) INTRODUCCIÓN: La primera máquina eléctrica que se empleó en aplicaciones de potencia fue la máquina de corriente continua (C.C.) en la segunda mitad del siglo XIX. La razón de ello fue que, en un principio, no se pensó que la corriente alterna tuviera las ventajas que hoy se le conocen, especialmente en la transmisión de energía eléctrica a grandes distancias. De hecho los primeros sistemas de potencia fueron sistemas de C.C. La máquina de C.C. fue ideada por el belga Gramme alrededor de 1860 y empleaba un enrollado de rotor especial (anillo de Gramme) para lograr la conmutación o rectificación del voltaje alterno generado. Posteriormente, el físico W. Siemens y otros, contribuyeron al desarrollo de estas máquinas realizando mejoras en su construcción, hasta llegar a la máquina de CC que se conoce hoy. Pese a las mejoras que han sido desarrolladas en su diseño, la máquina de corriente continua es constructivamente más compleja que las máquina s de corriente alterna, el empleo de escobillas, colector, etc., la hace comparativamente menos robusta, requiere mayor mantenimiento y tiene un mayor volumen y peso por kilo-watt de potencia. No obstante lo anterior, la máquina de C.C. tiene múltiples aplicaciones, especialmente como motor, debido principalmente a: Amplio rango de velocidades, ajustables de modo continuo y controlables con alta precisión, Característica de torque-velocidad variable, Rápida aceleración, desaceleración y cambio de sentido de giro, y Posibilidad de frenado regenerativo.
Máquina DC o de corriente continua Tanto los motores como los generadores tienen dos unidades básicas: el campo magnético, que es el electroimán con sus bobinas, y la armadura, que es la estructura que sostiene los conductores que cortan el campo magnético y transporta la corriente inducida en un generador, o la corriente de excitación en el caso del motor. La armadura es por lo general un núcleo de hierro dulce laminado, alrededor del cual se enrollan en bobinas los cables conductores. Una dinamo o generador dc es una máquina eléctrica que produce energía eléctrica en forma de corriente continua aprovechando el fenómeno de inducción electromagnética. Los motores son máquinas eléctricas rotativas que transforman la energía eléctrica en mecánica. Para ello están dotadas de un armazón fijo (estator ) encargado de crear el campo magnético en cuyo interior gira un cilindro ( rotor ) donde se crearán las fuerzas electromotrices inducidas.
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Estructura de una Máquina DC o de corriente continua 2/25
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Despiece de una máquina de corriente continua
Estator (Inductor) Consta de un electroimán encargado de crear el campo magnético fijo conocido por el nombre de inductor. Formado por una corona de material ferromagnético denominada culata o yugo en cuyo interior, regularmente distribuidos y en número par, van dispuestos unos salientes radiales con una expansión en su extremo, denominados polos, sujetos por tornillos a la culata. Rodeando los polos, se hallan unas bobinas de hilo, o pletina de cobre aislado, cuya misión es, al ser alimentadas por corriente continua, crear el campo magnético inductor de la máquina, el cual presentará alternativamente polaridades norte y sur. Salvo las máquinas de potencia reducida, en general de menos de 1 kW, encontramos también en el estator, alternando los polos antes citados, otros llamados polos de conmutación, compensación o auxiliares
Inductor (estator) y sus partes
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Rotor (Inducido) Es un cilindro donde se enrollan bobinas de cobre, que se hace girar a una cierta velocidad cortando el flujo inductor y que se conoce como inducido. Formado por una columna de material ferromagnético, a base de chapas de hierro, aisladas unas de las otras por una capa de barniz o de óxido. La corona de chapa magnética presenta en su superficie externa un ranurado donde se aloja el devanado inducido de la máquina. Este devanado está constituido por bobinas de hilo o de pletina de cobre convenientemente aislados, cerrado sobre si mismo al conectar el final de la última bobina con el principio de la primera. Colector y Escobillas. El inducido suele tener muchas más espiras y el anillo colector está dividido en un mayor número de partes o delgas, aisladas entre sí, el colector esta constituido esencialmente por piezas planas de cobre duro de sección trapezoidal, llamadas delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de mica, formando el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado fuertemente. El colector tiene tantas delgas como bobinas posee el devanado inducido de la máquina. Las escobillas son de grafito o carbón puro montado sobre porta-escobillas que mediante un resorte aseguran un buen contacto que establecerán el enlace eléctrico entre las delgas y el colector y el circuito de c orriente continua exterior. Al aumentar el número de delgas, la tensión obtenida tiene menor ondulación acercándose más a la tensión continua que se desea obtener. Al girar el rotor, las escobillas van rozando con las delgas, conectando la bobina de inducido correspondiente a cada par de delgas con el circuito exterior.
Vistas del inducido de una máquina de corriente continua
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Estructura de una Máquina DC o de corriente continua 2
Fuerza electromotriz de una dinamo La f.e.m. se obtiene por inducción electromagnética, por lo que dependerá del flujo cortado por los conductores, de su velocidad y del número de ellos:
E = f.e.m. (V).
N = nº conductores del inducido. η = velocidad (r.p.m.).
= flujo por polo (Wb). p = nº de pares de polos.
a = pares de circuitos del inducido. N, p y a son constantes para una cierta máquina:
La f.e.m. es directamente proporcional al flujo inductor y a la velocidad de giro
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Desempeño de máquinas de c.c. reales En la práctica, existen varios efectos que impactan la eficiencia y el funcionamiento de las máquinas de C.C. Las más relevantes son la característica de saturación del material ferromagnético, la reacción de armadura y las pérdidas eléctricas y mecánicas.
Flujo magnético principal en una máquina de C.C .
Saturación del material ferromagnético Puesto que las máquinas de corriente continua están co nstituidas de material ferromagnético con características no ideales, es conveniente analizar el efecto de la saturación del material en las relaciones de voltaje y corriente de armadura y de campo. Para ello, se usa la llamada característica de excitación de la máquina de C.C o curva de saturación en vacío, la cual, es la misma para la máquina actuando como generador o como motor. Para un material ferromagnético, la relación entre la densidad de flujo y la intensidad de campo no es constante debido al alineamiento de los dipolos que conforman el material (curva de magnetización). El mismo efecto se aprecia al observar la curva de flujo vs corriente de campo debido a las relaciones de proporcionalidad involucradas, es decir, e (véase curva de excitación).
(~
Zona
Zona
Ic(~ Curva de Excitación de una má uina DC
Desde un punto de vista práctico, las máquinas de C.C se diseñan de modo de lograr una máxima potencia por unidad de peso. Esto se consigue al situar el punto de operación nominal de la máquina cercano al codo de la curva de saturación del material ferromagnético, con lo cual, cualquier aumento del voltaje generado en torno a este punto va a requerir de un au mento importante de la corriente de campo que se está proporcionando a la máquina.
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Reacción del inducido o reacción de armadura Una corriente circulando por el estator o campo de una máquina de C.C. produce un flujo magnético que permite la generación de una tensión en el inducido, E , cuya magnitud depende del valor de la corriente de campo y de la velocidad de giro del eje . Si los bornes del rotor (armadura) son conectados a una carga eléctrica (generador), una corriente circulará por la armadura de la máquina (I a = Ii) generando un flujo magnético (a.=i) Este flujo de armadura se suma al flujo magnético producido por el campo, produciendo un efecto de distorsión denominadoreacción de armadura o reacción de inducido. La reacción de armadura afecta el desempeño de la máquina de C.C. tanto en el voltaje inducido como en e l proceso de conmutación que ocurre en el colector. Por una parte, la reacción de armadura cambia la distribución del flujo magnético en el entrehierro, existiendo zonas en que la resultante total de flujo (Total = c +a) es de mayor magnitud que la componente de flujo de campo (c ) y otras en que la magnitud es notoriamente menor.
La figura (a) muestra la distribución del flujo magnético en el entrehierro cuando la corriente por la armadura es nula. En este caso, la forma de la distribución se explica por la geometría de las cabezas o caras polares. La figura (b) muestra el flujo producido por la corriente de armadura cuando la máquina e stá sometida a carga y la figura (c) muestra el resultado de la distribución del flujo magnético por efecto de la reacción de armadura.
a)
b)
c)
Distribución del flujo magnético en el inducido o armadura En general el plano neutro se desplaza en la dirección del movimiento en un generador y en sentido contrario a la dirección del movimiento en un motor. Además, la magnitud del desplazamiento depende de la cantidad de corriente en el rotor y por tanto de la carga que tenga la máquina. El resultado final es la formación de un arco de chispas en la s escobillas. Este es un problema delicado, puesto que conduce a la disminución de la vida útil de las escobillas, picadura de los segmentos del colector (delgas) e incremento de los costos de mantenimiento. El problema que se origina con la Reacción de Armadura es el debilitamiento del flujo del campo magnético del estator. Con los generadores, para cualquier carga dada, el efecto de debilitar el flujo reduce el voltaje entregado por el generador. En los motores, el efecto puede ser más serio, cuando el flujo en u n motor disminuye, su velocidad aumenta.
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Pero aumentar la velocidad de un motor se puede aumentar la carga, lo que se traduce en un mayor debilitamiento del flujo. Por otro lado, para que el proceso de con mutación sea óptimo, el paso de las escobillas de una delga a otra debe realizarse en el momento en que la diferencia de tensión entre las delgas vecinas sea nula. Esto debido a que existe un instante en que cada escobilla está en contacto con ambas delgas vecinas y si existiese una diferencia de potencial entre ellas habría un cortocircuito y se producirían arcos eléctricos en el colector. El momento óptimo de conmutación ocurre cuando las escobillas se sitúan en la llamada línea de neutro magnético o línea neutra, cuando no existe corriente en la armadura, la línea de neutro magnético se sitúa en el plano perpendicular al flujo originado por el campo, coincidiendo con la posición física de l as escobillas, por lo cual, la conmutación se lleva a cabo sin problemas.
Desplazamiento de la línea de neutro magnético causada por la reacción del inducido El desplazamiento de las escobillas produce un adelanto suplementario (en el sentido de la rotación) al correspondiente a la linea neutra en carga , tal que, produzca en la sección en conmutación una fem de sentido opuesto. A consecuencia de la reacción del inducido la línea neutra (línea que une l os conductores que no producen fem) en carga, adelanta respecto del sentido de giro un ángulo , tomada como referencia la línea neutra en vacío. Antiguamente se trataba de ajustar físicamente la posición de las escobillas de modo de hacerlas coincidir con la línea neutra, sin embargo, la línea neutra se desplaza con la variación de carga, lo cual obliga a estar ajustando constantemente la posición de las escobillas. Actualmente, este sistema sólo se utiliza en motores muy pequeños donde se sabe que la carga no varía y donde otras soluciones son económicamente inviables. Para evitar los efectos perjudiciales de la reacción de inducido también se puede d isponer polos de compensación (polos auxiliares o interpolos) en la culata del generador haciendo circular por ellos la corriente de inducido (bobinas en serie), de tal forma que se produzca un campo transversal del mismo valor y sentido contrario al de la reacción de inducido. Al situarlos a 90º grados eléctricos de las caras polares, coincidiendo con el eje del flujo de armadura, producen un flujo que anula el efecto de la reacción de armadura.
Polos auxiliares
Polos principales
Polos de compensación o interpolos en una máquina C.C
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Interpolos
Ia ra
Dev. Interpolos
C = T
E Polos principales Dev polos princ.
Disposición física de los interpolos
Esquema de conexión
Interpolos
Diagrama fasorial de los flujos
En la figura se muestra la disposición física de los interpolos en una máquina de C.C.; un esquema de la conexión de los interpolos donde se aprecia que son recorridos por la corriente de armadura. Finalmente, un esquema de cómo se cancela la reacción de armadura al ser sumada con los flujos de los interpolos Los polos de conmutación o auxiliares anulan el flujo transversal sobre la línea neutra teórica y además producen en la sección de conmutación una fem de sentido opuesto a Era (fem por reacción de armadura). La ventaja de usar interpolos radica principalmente en que no es necesario ningún ajuste con la variación de carga, puesto que la corriente de armadura crece o decrece consecuentemente y lo mismo ocurre con los flujos generados en los polos de compensación. Para máquinas de más de 1[kW], se prefiere utilizar los llamados polos de conmutación o interpolos. En la práctica, el efecto del flujo de los interpolos es suficiente para evitar los problemas en la conmutación de las escobillas; sin embargo, para máquinas de altas potencias y ciclos de trabajo pesados, es necesario mejorar el efecto del debilitamiento del flujo y menor voltaje inducido.
Esquema de conexión de los devanados de compensación y de polos auxiliares en una máquina CC
En este último caso, la estrategia consiste en colocar los llamados enrollados de compensación, los cuales son devanados que se encuentran colocados en ranuras talladas en las cabezas polares (en forma paralela a las b obinas del rotor) y conectadas en serie con la armadura. Al estar en las cabezas polares, los enrollados de compensación producen un flujo de magnitud mayor al de los interpolos, que permite anular los efectos de debilitamiento de campo producido por la reacción de a rmadura. Este método, al igual que los interpolos, se adapta automáticamente al tipo de operación (motor o generador) y a l as diferentes condiciones de carga, sin embargo, su uso se encuentra limitado a gra ndes máquinas de C.C., principalmente debido al alto costo que suponen los enrollados de compensación.
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Pérdidas y Eficiencia en máquinas de c.c. Las máquinas de C.C. son conversores de energía eléctrica a mecánica y viceversa muy eficientes, sin embargo su rendimiento no alcanza el 100% debido a la no -idealidad de los elementos que la constituyen. Esto implica que, en la práctica, es necesario definir un parámetro de eficiencia a partir de la siguiente relación:
∑ Los objetivos de diseño se encuentran orientados a maximizar la eficiencia de cada máquina para las características nominales a las cuales ha sido diseñada, sin embargo, existen pérdidas que no son factibles de eliminar: pérdidas eléctricas, pérdidas mecánicas y pérdidas magnéticas. Pé rd id as el é c t ri c as .
Las pérdidas eléctricas son aquellas producto de las resistencias de los enrollados (pérdidas en el cobre) y pérdidas en los contactos eléctricos (pérdidas en l as escobillas). Las pérdidas en el cobre se producen tanto en el campo como en el inducido y se pueden calcular como:
Donde:
P campo, P inducido: son las pérdidas en el campo e inducido respectivamente. I c , I a: son las corrientes de campo e inducido respectivamente. R c , R a: son las resistencias de campo e inducido respectivamente
Por su parte, las pérdidas en las escobillas se calcula como:
Dónde:
P esc : es la potencia perdida en las escobillas. I a: es la corriente de armadura. V esc : es el voltaje que cae en las escobillas, el cual es, en general, constante para un amplio rango de o peración (se asume en un valor de 2 volt.)
Pé rd id as m ec áni c as .
Las pérdidas mecánicas están asociadas a las pérdidas por concepto de roce entre las partes móviles de la máquina (rodamientos, etc.) y entre la máquina y el aire. Las pérdidas mecánicas son una función cúbica de la velocidad de rotación de la máquina. Pé rd id as m ag n é t ic as .
Las pérdidas en el núcleo (estudiadas en capítulos anteriores) se manifiestan principalmente en las pérdidas por el ciclo de histéresis del material ferromagnético y por co rrientes parásitas de Focault. Adicionalmente a las pérdidas anteriores, existen otros tipos de pérdidas cuyos orígenes no se explican necesariamente por los efectos ya mencionados. En general estas pérdidas se agrupan como pérdidas adicionales o perdidas misceláneas y se les asigna un valor cercano al 1% de la potencia nominal de la máquina.
Balance Energético de un motor de CC POTENCIA ABSORBIDA
PERDIDAS JOULE
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Los motores absorben de la red una potencia que es el producto de la tensión por la intensidad absorbida.
De la potencia absorbida por el motor de la red, una parte se pierde por efecto Joule en cada uno de los bobinados de la máquina. 10/25
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POTENCIA INTERNA
Descontadas estas pérdidas queda la llamada potencia interna que es a quella potencia eléctrica que es transformada en potencia mecánica.
Potencia perdida por pequeñas variaciones del flujo magnético: a) por histéresis (desprendimiento de calor al imantarse los materiales férricos del motor) o b) por corrientes parásitas o de Foucault (producidas en el núcleo de hierro sobre el que se arrollan las bobinas del inducido).
PERDIDAS MECANICAS
De la potencia mecánica interna desarrollada una parte se pierde como pérdidas mecánicas, por rozamientos, ventilación, etc. Normalmente varían con el cubo de la velocidad.
POTENCIA UTIL
La potencia restante es la potencia útil, transmitida por el eje a la carga, cuya relación con la potencia absorbida nos da el rendimiento o eficiencia ε de la máquina.
PERDIDAS DEL NUCLEO
I
Potencia y rendimiento Ri
E
( )
V
Un esquema de lo expuesto sería:
Pi
Pab PCu(i)
Pu
PCu(ex)
PFe
Pmec
Flujograma de potencias de una máquina de corriente continua En el vacío (sin carga) la potencia útil del motor es 0 (P u= 0) y por tanto: La potencia absorbida en vacío será:
Luego podemos conocer las pérdidas en el hierro y las pérdidas mecánicas si tenemos el dato de l a potencia absorbida en vacío o sin carga (Pabo) y en su caso, las pérdidas por efecto Joule en vacío (PCuo).
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Motores de CC Son máquinas eléctricas rotativas que transforman la energía eléctrica en mecánica. Los motores de corriente continua presentan el inconveniente de ser más complejos que los de CA y de que sólo pueden ser alimentados a través de equipos rectificadores. En contrapartida, poseen un par de arranque elevado, y su velocidad se puede regular con facilidad entre amplios límites, lo que los hace ideales para aplicaciones donde sea importante el control y la regulación.
Principio de funcionamiento Cuando un conductor de longitud l está inmerso en el seno de un campo magnético B y hacemos circular por él una corriente eléctrica i, aparecen unas fuerzas de carácter electromagnético F que tienden a desplazarlo.
∫ ⃗ ⃗
o
Fuerza producida en una espira inmersa dentro de un campo magnético Haciendo circular una corriente por una espira situada en un campo magnético, cada conductor se verá sometido a una fuerza de direcciones contrarias, por serlo el sentido de la corriente. El par de fuerzas generado hará girar la espira que, al disponer de un colector de delgas, hará que la corriente circule siempre en el mismo sentido manteniendo el sentido del par y por tanto del giro. Se obtendrá el valor máximo de fuerza cuando el campo magnético sea perpendicular al conductor y se tendrá una fuerza nula cuando el campo sea paralelo al flujo de corriente eléctrica donde 'l' es la longitud del conductor. El par motor o torque M=T=C que se origina tiene un valor.
Que para el caso de la espira de la figura
Donde w es el ancho de la espira, α es el ángulo que forma la espira con respecto al campo B
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Par, torque o momento producido en una espira q ue conduce corriente dentro de un campo magnético Esa fuente de campo magnético proviene del devanado inductor. Este es recibido por el devanado inductor, este inductor hace girar el rotor, el cual recibe la corriente eléctrica de la fuente mediante un colector y sistema de escobillas. El colector es básicamente un conmutador sincronizado con el rotor, que conmuta sus bobinas provocando que el ángulo relativo entre el campo del rotor y el del estator se mantenga, al margen de si el rotor gira o no, permitiendo de esta forma que el par motor sea independiente de la velocidad de giro de la máquina. Al recibir la corriente eléctrica e iniciar el giro comienza a producirse una variación en el tiempo del flujo magnético por los devanados, produciendo una Fem inducida EB que va en sentido contrario a la Fem introducida por la fuente, ej, una batería. Esto nos da como resultado un valor de intensidad resultante:
Cuando el motor inicia su trabajo, este inicialmente está detenido, existiendo un valor de EB nulo, y teniéndose así un valor de intensidad rotórica muy elevada que puede afectar el rotor y producir arcos eléctricos en las escobillas. Para ello se conecta una resistencia en serie en el rotor durante el arranque, excepto en los motores pequeños. Esta resistencia se calcula para que el motor del par nominal en el arranque. Si se invierte el sentido de la corriente cambiando la polaridad de la alimentación, se conseguirá cambiar el sentido de giro.
Reacción de inducido en el motor Al circular corriente por el inducido, da lugar a un flujo magnético transversal que, al igual que ocurría en las dinamos, modifica el flujo principal. Para evitar los efectos perjudiciales que esto produce, también se utilizan polos de conmutación, devanados amortiguadores o se decalan las escobillas. Si se opta por desviar las escobillas habrá que hacerlo en se ntido contrario al giro del motor.
Devanados de compensación Para neutralizar la fuerza magnetomotriz (f.m.m.) del inducido, en máquinas que están sujetas a grandes sobrecargas, cargas que varían con rapidez, o funcionamiento con campo principal débil, se recurre a oponerle otra f.m.m. que debe ser igual en magnitud y de sentido opuesto a la de la armadura. Esto se consigue con la ubicación del “devanado de compensación” que va alojado en ranuras de l a cara polar, de modo tal que por él circula la corriente de armadura, se logra así que el efecto de la Reacción de Armadura (R.A.) sea compensado, anulándose en la cara polar la f.m.m. de la armadura.
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Fuerza contra-electromotriz Cuando el motor gira, los conductores del inducido cortan las líneas del campo magnético del inductor, lo que hace que se induzca en ellos una f.e.m. El sentido de dicha tensión es tal que, según la ley de Lenz, se opone a la causa que la produce. Es decir, a la corriente del inducido. Esta f.e.m. llamada contraelectromotriz tiene un valor:
A
En las escobillas tiene lugar una caída de tensión que se opone a la intensidad del inducido. Su valor aproximado es de unos 2V. Así mismo, se debe tener en cuenta la resistencia óhmica de cada devanado (del inducido y de los inductores).
Corriente en el arranque En el momento del arranque el motor parte de una posición de reposo. Al estar parado el rotor, los conductores no se mueven respecto al campo inductor y la fuerza contraelectromotriz es cero.
En esta circunstancia la intensidad del inducido sólo se ve limitada por la pequeña caída de tensión e n las escobillas y por las resistencias de los devanados que suelen ser muy pequeñas. Esto hace que la intensidad absorbida en el arranque pueda ser muy alta, aunque disminuya a medida que el rotor gana velocidad y crece la f.c.e.m. inducida. El arranque directo sólo está permitido para potencias inferiores a 5,5 kW. Para limitar la corriente de arranque se pueden colocar resistencias en serie con el i nducido, disminuyendo su valor a medida que el motor aumenta su velocidad.
Designación de terminales Estos terminales de conexión se encuentran identificados de acuerdo con distintas normas, tal como muestra la tabla 5.1. De acuerdo con las normas VDE tanto para generadores como para motores la primera letra indica el extremo por el que entra la intensidad (+) y la segunda letra el extremo por el que sale (-), con la única salvedad del inducido de una dinamo o generador de corriente continua que hace salir la corriente por el extremo A, ya que éste se comporta como un generador
Tabla 5.1: Designación de terminales de conexión de acuerdo a la norma. Terminales de conexión según Norma Elemento VDE ASA BS IEC Armadura A-B A1-A2 AA-A A1-A2 Campo shunt C-D F1-F2 Z-ZZ E1-E2 Campo serie S1-S2 Y-YY D1-D2 E-F Interpolos G-H HH-H B1-B2 Interpolo simétricamente distribuido GA-HA 1B1-1B2 en el lado A Interpolo simétricamente distribuido GB-HB 2B1-2B2 en el lado B Campo de excitación separada (7) I-K F1-F2 X-XX F1-F2
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Par Motor (C , T o M) Nw-m El par motor desarrollado en el eje es la relación entre la potencia útil y la velocidad angular. Si expresamos la potencia en vatios y la velocidad en rad/s obtenemos el par en N· m.
El par motor que desarrollan los conductores del rotor al ser recorridos por una corriente depende, según la ley de Laplace, del valor de dicha corriente y del flujo desarrollado por el campo inductor.
Como los términos N, p y a son constantes:
El par motor es proporcional a la corriente del inducido y al flujo del campo magnético inductor.
Velocidad de giro (rpm) La velocidad de giro de un motor de corriente continua se puede determinar combinando las ecuaciones de f.e.m. y de intensidad de corriente:
la velocidad de giro de un motor de CC aumenta con la tensión aplicada, al disminuir la corriente de inducido y al disminuir el campo inductor. El método más empleado, por su sencillez, es el de r egular el flujo inductor mediante un reóstato en serie con el devanado inductor.
Inversión del sentido de giro Existen dos formas de cambiar el sentido de giro de los motores de CC: Cambiando la polaridad del inducido. Cambiando la polaridad de la excitación. Se suele elegir el primer método por los problemas que plantea la alta inductancia de la excitación y por el magnetismo remanente de las piezas polares.
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Motor con excitación independiente
Son aquellos que obtienen la alimentación del rotor y del estator de dos fuentes de tensión independientes o sea el devanado de excitación se conecta a una fuente de tensión diferente a la aplicada al inducido Con ello, el campo del estator es constante al no depender de la carga del motor, y el par de fuerza es entonces prácticamente constante. Las variaciones de velocidad al aumentar la carga se deberán sólo a la disminución de la fuerza electromotriz por aumentar la caída de tensión en el rotor.. Sus características de funcionamiento son parecidas a las del motor derivación pero, la separación de la excitación, aporta mayores ventajas para la regulación de velocidad.
Los motores de excitación independiente tienen como aplicaciones industriales el torneado y taladrado de materiales, trefilación, extrusión de materiales plásticos y goma, ventilación de horno, retroceso rápido en vacío de ganchos de grúas, desenrollado de bobinas y retroceso de útiles para serrar. El motor de excitación in dependiente es el más adecuado para cualquier tipo de regulación, por la independencia entre el control por el inductor y el control por el inducido. El sistema de excitación más fácil de entender es el que supone una fuente exterior de alimentación para el arrollamiento inductor. En general, en las máquinas autoexcitadas debe existir magnetismo remanente en el campo. En las máquinas de excitación separada, el devanado de campo es usualmente de un gran número de espiras y conductor delgado, por lo que se preci sa una pequeña corriente de excitación para su operación. Una corriente pequeña controla una mucho mayor. Sus curvas características tienen similar comportamiento a las del motor shunt.
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Motor de excitación derivación shunt o paralelo La excitación se conecta en paralelo con el inducido. Si existen devanados de polos auxiliares, se colocan en serie con el inducido. La intensidad total absorbida de la red por el motor se divide en dos, una que alimenta la excitación y otra que pasa por el inducido En el devanado del inducido se tiene:
( )
En el dev ddel inductor
Los devanados: inducido e inductor están conectados en paralelo y alimentados por una fuente co mún. También se denominan máquinas shunt, y en ellas un aumento de la tensión en el inducido hace aumentar la velocidad de la máquina. Luego:
( ) Característica de velocidad del motor shunt o derivación Según la ecuación de velocidad, manteniendo constante el campo magnético y la tensión en bornes, al aumentar la intensidad de carga la velocidad tiende a disminuir un poco debido al término Ri·Ii (curva c). Por otro lado, al aumentar la intensidad de inducido, lo hace también la reacción de inducido, disminuyendo el flujo total y con ello la velocidad (curva a). El resultado es que la velocidad de un motor de excitación en derivación se mantiene prácticamente constante para cualquier régimen de carga (curva b).
La regulación de velocidad entre amplios límites se consigue mediante un reóstato en serie con la excitación. Son motores con velocidad casi constante (la velocidad apenas disminuye al aumentar la carga). Son motores estables y de precisión, muy utilizados en máquinas herramientas: fresadoras, tornos, taladradoras, etc.
Característica del par y mecánica de un motor shunt La característica de par relaciona el par motor con la corriente de inducido. Para un de terminado flujo constante el par motor es directamente proporcional a la corriente de inducido e inversamente proporcional a la velocidad:
La característica mecánica relaciona el par motor con la velocidad. Es importante porque nos indica la velocidad a la que girará el motor al aplicar un determinado par resistente. Considerando el flujo constante la velocidad también lo es para cualquier par resistente. El par aumentará incrementando la intensidad de inducido para conseguir igualar el par resistente.
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En resumen para un motor shunt se tiene:
Velocidad aproximadas constante, del orden de 5% de variación entre vacío y plena carga. Cp y Cmáx, limitados por Ia.
Fácil control de velocidad, mediante la inserción de un reóstato en el circuito de campo, obteniéndose un gran margen de variación de velocidad (5:1).
También es posible variar la velocidad, variando Vt.
Motor con excitación en serie La excitación está en serie con el inducido. La particularidad más importante es que la corriente de excitación y de inducido es la misma. Los devanados de inducido y el ind uctor están colocados en serie y alimentados por una misma fuente de tensión. En este tipo de motores existe dependencia entre el par y la velocidad; son motores en los que, al aumentar la corriente de excitación, se hace disminuir la velocidad, con un aumento del par.
( )
Motor con excitación serie En este tipo de máquina los devanados son de pocas espiras y gruesas, por lo que la resistencia de los mismos es muy pequeña y la caída de tensión en los mismos se puede despreciar.
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Característica de velocidad del motor serie Como el flujo del campo magnético inductor es proporcional a la corriente de excitación, este depende directamente de la intensidad de carga del inducido.
En este caso la velocidad viene dada por l a expresión:
( ) La característica de velocidad tiene forma de hipérbola. Según aumenta la intensidad del motor, este va p erdiendo velocidad, a la vez que aumenta su par. Para corrientes muy pequeñas el motor tiende a alcanzar velocidades muy elevadas que pueden llegar a ser peligrosas (enbalamiento), por lo que no conviene hacer funcionar estos motores en vacío o sin carga conectada al eje.
Característica de par motor del motor serie En esta máquina el flujo es directamente proporcional a la corriente del inducido (Al menos hasta que el metal se satura). Entonces, el flujo puede estar dado por:
Donde c es una constante de proporcionalidad. En esta máquina en par inducido está dado por:
En otras palabras el Par del motor es proporcional al cuadrado de la corriente del inducido. Esta ecuación representa una parábola. El par crece con el cua drado de la intensidad. Como resultado de esta relación, es fácil observar que un motor DC serie produce más par por amperios que cualquier otro. El motor serie tiene un elevado par de arranque debido al alto valor de la intensidad de arranque El motor serie se utiliza en aplicaciones que requieren pares muy altos. Ejemplo de tales aplicaciones son los motores de arranque de los vehículos automotores, motores de elevadores, grúas y motores de tracción en locomotoras.
Característica mecánica del motor serie: Torque vs velocidad Al aumentar el par resistente el motor reduce su velocidad a la vez que consume más intensidad generando el par suficiente. Si el par resistente es excesivo, el motor no puede con la carga y tiende a pararse. Si el par resistente disminuye mucho el motor se embala . Para controlar la velocidad de los motores serie se coloca un reóstato en paralelo con la excitación. Se consigue así un control sobre el flujo inductor y, con él, sobre la velocidad. Estos motores se caracterizan, por tanto, por tener un elevado p ar de arranque, lo que les permite iniciar el movimiento con carga, pero su velocidad no se mantiene constante, sino que disminuye al aumentar la carga o aumenta al disminuir ésta. Se utilizan en ferrocarriles, funiculares, .
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( ) ( ) [( )] Con las ecuaciones anteriores en posible calcular el torque de partida para este motor, además, es posible determinar que la curva tiene un par de asíntotas que corresponden a
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y al eje
T = 0.
Esto significa que el motor serie no tiene transición de motor a generador y si el motor se hace operar en vacío (sin carga mecánica) se embala. i)
Debido a su alto torque de pa rtida, se emplea en equipos que deben partir con carga nominal. Puede ser sometido a grandes sobrecargas de torque, pues responde b ajando su velocidad.
Motor de excitación compuesta o compound En este caso el devanado de excitación tiene una parte de él en serie con el inducido y otra pa rte en paralelo. Estos motores presentan características intermedias entre el motor serie y derivación, de forma que mejoran la precisión del primero y el par de arranque del segundo El arrollamiento en serie con el inducido está constituido por pocas espiras de gran sección, mientras que el otro está formado por un gran número de espiras de pequeña sección. Permite obtener por tanto un motor con las ventajas del motor serie, pero sin sus inconvenientes. Sus curvas características serán intermedias entre las que se obtienen con excitación serie y con excitación en derivación. Existen dos tipos de excitación compuesta. En la llamada compuesta adicional o acumulativa, el sentido de la corriente que recorre los arrollamientos serie y paralelo es el mismo, por lo que sus efectos se suman, a diferencia de la compuesta diferencial, donde el sentido de la corriente que recorre los arrollamientos tiene sentido contrario y por lo tanto los efectos de ambos devanados se restan. Se caracteriza por tener un elevado par de arranque, pero no corre el peligro de ser inestable cuando trabaja en vacío, como ocurre con el motor serie, aunque puede llegar a alcanzar un número de revoluciones muy alto.
Motor dc con excitación compuesta y derivación CORTA
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Motor dc con excitación compuesta y derivación LARGA Con el devanado en derivación se consigue evitar el peligro de en balamiento del motor por reducción de flujo, por lo que estos motores se comportan en vacío como los motores en d erivación. En carga, el devanado en serie hace que el flujo aumente, por lo que la velocidad tiende a disminuir, aunque no en la misma medida que lo hace un motor serie. Los motores compuestos se utilizan en aquellos casos en los que el par de arranque de los motores con excitación derivación no son capaces de mover la carga, como, por ejemplo, en dispositivos de elevación.
Características de los motores con excitación compuesta
Características externas de comportamiento de velocidad vs torque de motores de c.c. Estas curvas, que representan la velocidad en función del torque, se expresan en porcentaje o en por unidad (pu) de las características nominales de la máquina.
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Motor con 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 n ecesitan 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 prob abilidad de que se presente una sobre -velocidad 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 ci clo de servicio de excitación continua.
motor de imán permanente Del motor de iman permanente se puede decir: El campo está hecho con imán permanente. Para conseguir la densidad de flujo deseada se utilizan materiales como:
Tierras raras: Samariun cobalt, Boron iron Cerámica Alnico
o o o
Ventajas de los motores DC de iman permanente •
Como estos motores no requieren un circuito de campo externo, no tienen las pérdidas de cob re del circuito de campo que corresponden a los motores de c.c. en d erivación.
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Puesto que no requieren embobinados de campo, pueden ser más pequeños que los correspondientes motores de c.c. en derivación. Se utilizan en caballajes pequeños donde es necesario un ahorro de espacio.
•
La mayor ventaja de este tipo de motor, con r especto a los motores de inducción y sincrónicos convencionales, es la ausencia de pérdidas de deslizamiento y la natural habilidad de suministrar corriente reactiva, dependiendo de las condiciones de excitación tanto del imán como de la armadura,
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Presenta un aumento general de la eficiencia de conversión de energía como también de la di sminución de los costos de mantenimiento, y pérdidas asociadas a la refrigeración del motor.
Entre las desventajas se encuentran: o
Los imanes permanentes no pueden producir una densidad de flujo tan alta como un campo en derivación suministrando externamente.
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o
o o o
Tendrán un menor momento inducido por amperio de corriente inducida que un motor en derivación del mismo tamaño e iguales características. Los CCIP presentan riesgos de desmagnetización. La corriente de inducido Ia de una máquina de c.c. produce su propio campo magnético inducido. La fuerza magnetomotriz de inducido se sustrae de la fuerza magnetomotriz de los polos bajo porciones de las superficies polares, reduciendo el flujo neto total de la máquina. (efecto reacción de inducido)
Aplicaciones y ventajas de los motores de corriente continua. Aunque el precio de un motor de corriente continua es considerablemente mayor que el de un motor de inducción de igual potencia, existe una tendencia creciente a emplear motores de corriente continua en aplicaciones especiales. La gran variedad de la velocidad, junto con su fácil control y la gran flexibilidad de las características par-velocidad del motor de corriente continua, han hecho que en l os últimos años se emplee éste cada vez más con máquinas de velocidad variable en las que se necesite amplio margen de velocidad y control fino de la s mismas. Existe un creciente número de procesos industriales que requieren una exactitud en su control o una gama de velocidades que no se puede conseguir con motores de corriente alterna. El motor de corriente continua mantiene un rendimiento alto en un amplio margen de velocidades, lo que junto con su alta capacidad de sobrecarga lo hace más apropiado que el de corriente alterna para muchas aplicaciones. Los motores de corriente continua empleados en juguetes, suelen ser del tipo de imán permanente, proporcionan potencias desde algunos vatios a cientos de vatios. Los empleados en giradiscos, unidades lectoras de CD, y muchos discos de almacenamiento magnético son motores en los que el rotor es de imán fijo y sin escobillas. En estos casos el inductor, esta formado por un juego de bobinas fijas, y un circuito electrónico que cambia el sentido de la co rriente a cada una de las bobinas para adecuarse al giro del rotor. Este tipo de motores proporciona un buen par de arranque y un eficiente control de la velocidad. Una última ventaja es la facilidad de inversión de marcha de los motores gra ndes con cargas de gran inercia, al mismo tiempo que devuelven energía a la línea actuando como generador, lo que ocasiona el frenado y la reducción de velocidad.
Las principales aplicaciones del motor de corriente continua son: •
Trenes de laminación reversibles. Los motores deben de soportar una alta carga. Normalmente se utilizan varios motores que se acoplan en grupos de dos o tres.
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Trenes Konti. Son trenes de laminación en caliente con varios bastidores. En cada uno se va reduciendo más la sección y la velocidad es cada vez mayor.
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Cizallas en trenes de l aminación en caliente. Se utilizan motores en derivación.
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Industria del papel. Además de una multitud de máquinas que trabajan a velocidad constante y por lo tanto se equipan con motores de corriente continua, existen accionamientos que exigen par constante en un amplio margen de velocidades.
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Otras aplicaciones son las máquinas herramientas, máquinas extractoras, elevadores, ferrocarriles.
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Los motores desmontables para p apeleras, trefiladoras, control de tensión en máquinas bobinadoras, velocidad constante de corte en tornos grandes
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El motor de corriente continua se usa en grúas que requieran precisión de movimiento con carga variable (cosa casi imposible de conseguir con motores de corriente alterna). Debido a su versatilidad en las aplicaciones, el motor de Corriente Continua posee una grande parcela del mercado de motores eléctricos, destacándose:
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Máquinas operatrices en general; Bombas de pistón, Pares de fricción, Herramientas de avance, Tornos, bobinadoras, Mandriladoras, Trituradoras, Máquinas textiles, Gañidos y grúas, Pórticos, Vehículos de tracción
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Prensas, Máquinas de papel, Industria química y petroquímica, Industrias siderúrgicas, Hornos, exhaustores, separadores y cintas transportadoras para industria de cemento.
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Esquemas de conexión de los distintos tipos de motores de corriente continua.
Representación esquemática y simbólica de un motor de corriente continua excitación serie
Representación esquemática y simbólica de un motor de corriente continua excitación shunt
Representación esquemática y simbólica de un motor de corriente continua excitación
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