UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR FACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA MÁQUINAS ELÉCTRICAS
CICLO II-2007
TEMA:
“MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA”
CATEDRÁTICO: ING. RIGOBERTO VELÁSQUEZ PAZ
PRESENTA:
CARNET:
ROMERO MARTÍNEZ, WILLIAM GUILLERMO
RM05081
Ciudad Universitaria, 18 de enero 2008
ÍNDICE SECCIÓN
PÁG.
INTRODUCCIÓN……………………………………………….5 OBJETIVOS…………………………………………………….6 . MARCO TEÓRICO…………………………………………......7
DESARROLLO 1. LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA……..16 ECUACIONES FUNDAMENTALES DE LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA…………16 2. LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA………….19
TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE CONTINUA……………………………..25 GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA…..32 3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR………………………..……………………….37 4. TIPOS DE GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA……………………………………39 5. APLICACIONES Y SELECCIÓN DE MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA 5.1 MOTORES………………………………………………….46 5.2 GENERADORES…………………………………………..48
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SECCIÓN
PÁG.
6. PARTICULARIDADES ARRANQUE EN MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA……………………………………………………50 CONTROLADORES MAGNÉTICOS PARA GRANDES MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA………......................................50 SISTEMAS UTILIZADOS PARA LA REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD EN LOS MOTORES……………………………………..51 LA REGULACIÓN DEL VOLTAJE DE UN GENERADOR DE CORRIENTE DIRECTA…………….53 7. FALLAS EN MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA FALLAS EN LOS MOTORES………………………………54 FALLAS EN LOS GENERADORES……………………….58 8. MANTENIMIENTO Y PRUEBAS DE MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA……………..60
CONCLUSIONES……………………………………………………65
BIBLIOGRAFÍA..............................................................................66
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INTRODUCCION En el presente reporte se exponen los detalles de la investigación sobre los generadores y motores que operan con corriente directa, con ello se pretende analizar que diferencias existen con respecto a los generadores y motores de corriente alterna. A la vez, se hace necesario hacer notar la ventaja del uso de motores y generadores de corriente directa o continua.
Por otra parte, se hace necesario explicar las características y parámetros más importantes de los motores y generadores de corriente continua, con el objetivo de investigar más a fondo lo que respecta a ese tipo de máquinas eléctricas.
Además es necesario tener presente las fallas de este tipo de máquinas, como elegir el motor o generador adecuado, que mantenimiento debe dárseles a ellos, y otros temas relacionados con los motores y generadores de corriente continua, con la finalidad de prepararnos como futuros ingenieros mecánicos en esta área, que esta presente en un buen porcentaje en el mercado laboral de la carrera.
Por esas razones, a continuación se presentan todos esos detalles y otros no mencionados, referidos a los motores y generadores de corriente continua.
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OBJETIVOS Identificar diferencias y similitudes de los motores y generadores de corriente continua con respecto a los que operan con corriente alterna. Conocer el principio de funcionamiento, así como también los tipos de motores y generadores de corriente continua. Identificar las ventajas que presentan en la industria los generadores y motores de corriente continua o corriente directa. Dar a conocer las posibles fallas que se presentan en los motores y generadores de corriente continua, y brindar información acerca de cómo debe de dárseles el mantenimiento para su correcta operación durante el trabajo en la industria. Presentar algunos detalles implícitos dentro del área de los motores y generadores de corriente continua.
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MARCO TEÓRICO CORRIENTE CONTINUA O CORRIENTE DIRECTA La corriente continua es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna, en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección desde el punto de mayor potencial al de menor. Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con la corriente constante (por ejemplo la suministrada por una batería), es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad. PRINCIPIOS GENERALES DE LOS MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA. 1. Inducción Electromagnética
Un campo magnético está representado por líneas de flujo continuas que se considera emergen de un polo norte y entran en un polo sur.
Si las líneas de flujo se deforman por el movimiento del conductor de la bobina antes de romperse, la dirección del voltaje inducido se considera hacia dentro del conductor si se muestra que las flechas, por el flujo distorsionado, apuntan en el sentido del giro de las 7
manecillas del reloj, y hacia a fuera si apuntan en sentido contrario al giro de las manecillas del reloj. Esta es la acción de generador. 2. Fuerza sobre conductores por los que fluye corriente en un campo magnético.
Si un conductor lleva una corriente, alrededor del mismo se forman espiras de flujo. La dirección del flujo es en el sentido de giro de las manecillas del reloj si la corriente es tal que se aleja del observador y hacia el conductor, y es en sentido contrario al giro de las manecillas del reloj si la corriente del conductor sale del papel y se dirige al observador.
Si este conductor está en un campo magnético, la combinación del flujo del campo y el flujo que genera el conductor puede considerarse que produce una concentración de flujo en el lado del conductor en donde los dos flujos son aditivos, y una disminución en el lado en donde se oponen. El resultado es una fuerza sobre el conductor, que tiende a moverlo hacia el lado que tiene flujo reducido. Ésta es la acción de motor.
3. Fuerza contraelectromotriz inducida en un motor Es la tensión que se crea en los conductores de un motor como consecuencia del corte de las líneas de fuerza, es el efecto generador.
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La polaridad de la tensión en los generadores es inversa a la aplicada en bornes del motor. Las fuertes puntas de corriente de un motor en el arranque son debidas a que con máquina parada no hay fuerza contraelectromotriz y el bobinado se comporta como una resistencia pura. MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS. Muchos dispositivos pueden convertir energía eléctrica a mecánica y viceversa. La estructura de estos dispositivos puede ser diferente, dependiendo de las funciones que realicen. Algunos dispositivos son usados para conversión continua de energía, y son conocidos como motores y generadores. Otros dispositivos pueden ser: actuadores, tales como solenoides, relés y electromagnetos. Todos ellos son física y estructuralmente diferentes, pero operan con principios similares.
Una máquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica en energía eléctrica o energía eléctrica en energía mecánica. Cuando este dispositivo es utilizado para convertir energía mecánica en energía eléctrica, se denomina generador; cuando se convierte energía eléctrica en energía mecánica, se llama motor.
Un dispositivo electromecánico de conversión de energía es esencialmente un medio de transferencia entre un lado de entrada y 9
uno de salida, como lo muestra la fig. 1.1. En el caso de un motor, la entrada es la energía eléctrica, suministrada por una fuente de poder y la salida es energía mecánica enviada a la carga, la cual puede ser una bomba, ventilador, etc. El generador eléctrico convierte la energía mecánica por una máquina prima (turbina) a energía eléctrica en el lado de la salida.
La mayoría de estos dispositivos pueden funcionar, tanto como motor, como generador.
Fig. 1. 1. Diagrama de bloques de dispositivos electromecánicos de conversión de energía, (a) motor, (b) generador.
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CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS.
EL MOTOR ELECTRICO
Se llama motor eléctrico al dispositivo capaz de transformar la energía eléctrica en energía mecánica, es decir, puede producir movimiento al convertir en trabajo la energía eléctrica proveniente de la red o almacenada en un banco de baterías.
Básicamente, un motor está constituido por dos partes, una fija denominada Estator, y otra móvil respecto a esta última denominada
Rotor.
Ambas
están
fabricadas
en
material
ferromagnético (chapas magnéticas apiladas), y disponen de una serie de ranuras en las que se alojan los hilos conductores de cobre que forman el devanado eléctrico.
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En todo motor eléctrico existen dos tipos de devanados: el inductor, que origina el campo magnético para inducir las tensiones correspondientes en el segundo devanado, que se denomina inducido, puesto que en él aparecen las corrientes eléctricas que producen el par de funcionamiento deseado (torque).
El espacio entre el rotor y el estator es constante y se denomina entrehierro. Por efecto de las intensidades que atraviesan el rotor y el estator; se crean campos magnéticos en el entrehierro. La interacción de estos campos magnéticos con las intensidades que atraviesan los conductores del rotor produce unas fuerzas tangenciales que hacen girar el rotor produciéndose de este modo la energía mecánica. Desde su invención hasta nuestros días, el uso de los motores eléctricos ha sido creciente debido a:
A. Gran versatilidad de utilización y potencias que hacen posible su uso en el hogar, la industria, el transporte, etc.
B. Altos rendimientos: un motor diesel 18.5 HP a 1500 rpm tiene una eficiencia del orden del 36%, mientras que uno eléctrico de la misma potencia a 440 V tiene una eficiencia del 87%.
C. Larga duración: Con buena utilización y mantenimiento su vida útil es superior a 20 años.
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VISTA ESQUEMÁTICA DE UN MOTOR ELÉCTRICO
GENERADORES ELECTRICOS
Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre
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los conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz (F.E.M.). Se clasifican en dos tipos fundamentales: primarios y secundarios. Son generadores primarios los que convierten en energía eléctrica la energía de otra naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente, mientras que los secundarios entregan una parte de la energía eléctrica que han recibido previamente. Se agruparán los dispositivos concretos conforme al proceso físico que les sirve de fundamento.
El generador elemental está constituido por una espira de alambre colocada de manera que pueda girar dentro de un campo magnético fijo y que produzca una tensión inducida en la espira. Para conectar la espira al circuito exterior y aprovechar la f.e.m. inducida se utilizan contactos deslizantes.
Las piezas polares son los polos norte y sur del imán que suministran el campo magnético. La espira de alambre que gira a través del campo magnético se llama inducido o armadura. Los cilindros a los cuales están conectados los extremos del inducido se denominan "anillos rozantes" o de contacto, los cuales giran a la vez que el inducido. Unas escobillas van rozando los anillos de contacto para recoger la electricidad producida en la armadura y transportarla al circuito exterior.
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PARTES DE UN GENERADOR ELECTRICO
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Aislamiento Ventilación controlada Colector Soporte del lado conector Conjunto de Escobilla Inducido Cojinetes Caja de Borne
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DESARROLLO 1. LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA O DIRECTA. Las máquinas de corriente continua (cc) se caracterizan por su versatilidad. Debido a la facilidad con la que se pueden controlar, a menudo se usan sistemas de máquinas de cc en aplicaciones donde se necesita una amplia gama de velocidades de motor o de control de la potencia de éste.
En los últimos años la tecnología de sistemas de control de estado sólido se ha desarrollado lo suficiente para controladores de corriente alterna (ca), y por lo tanto se comienzan a ver dichos sistemas en aplicaciones que antes se asociaban casi exclusivamente con las máquinas de cc. Sin embargo éstas continuarán aplicándose debido a su flexibilidad y a la sencillez relativa de sus lazos de control, en comparación con los de las máquinas de ca.
Los principios de fundamentales que tienen que ver con el funcionamiento de las máquinas son muy sencillos, pero que por lo general se opacan por lo complejo de la construcción de las máquinas reales.
Ecuaciones fundamentales de la máquina de corriente continua. En la figura siguiente aparecen esquemáticamente las características esenciales de una máquina de cc. El estator tiene polos salientes y se excita mediante uno o más devanados de 16
campo. La distribución de flujo en el entrehierro que crean los devanados de campo es simétrica respecto a la línea de centro de los polos de campo. El rotor sustenta un conjunto de bobinas que giran con él que se encargan de generar el campo magnético en cuadratura, y por ende, generar el torque de giro. El colector, que corresponde a una especie de rectificador mecánico, se encarga de alimentar a cada bobina en el momento adecuado, con el fin de conservar la cuadratura de los campos.
.
La figura que a continuación se muestra representa el modelo eléctrico del motor de cc. De este modelo se pueden sacar las ecuaciones base que describen el comportamiento de la máquina, pudiéndose obtener distintas curvas características.
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Las ecuaciones de campo se rigen por un sistema de primer orden (ec1.1), al igual que en el rotor (ec1.2). Las ecuaciones magnéticas mecánicas relacionan el enlace entre el campo y la armadura (ec1.3) y la transferencia de energía hacia la carga (ec1.4 y ec1.5).
Donde:
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2. LOS MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA.
El motor de corriente continua o directa es básicamente un transductor de par que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. El par desarrollado por el eje del motor es directamente proporcional al flujo en el campo y a la corriente en la armadura.
Para comprender el principio de funcionamiento de un motor eléctrico de corriente continua, nos basaremos en el siguiente flujograma:
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Algunas características de los motores de corriente continua son: o Poder regular continuamente la velocidad del eje. o Un par de arranque elevado. Es necesario aplicar corriente continua en el inducido (bobinado situado en el rotor) y en el inductor (bobinado o imán situado en el estator) Sus partes principales (ya mencionadas en el flujograma) son:
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Rotor Constituye la parte móvil del motor, proporciona el torque para mover a la carga.
Está formado por: • EJE: Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación al núcleo, devanado y al colector. • NÚCLEO: Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de acero, su función es proporcionar un trayecto magnético entre los polos para que el flujo magnético del devanado circule. • DEVANADO: Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la armadura. Estas bobinas están alojadas en las ranuras, y están conectadas eléctricamente con el colector, el cual debido a su movimiento rotatorio, proporciona un camino de conducción conmutado. • COLECTOR: Denominado también conmutador, está constituido de láminas de material conductor (delgas), separadas entre sí y del centro del eje por un material aislante, para evitar cortocircuito con dichos elementos. El colector se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor, de modo que gira con éste y está en contacto con las escobillas. La función del colector es recoger la tensión producida por el devanado inducido, transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas (llamadas también cepillos). 21
EN ESTA FIGURA SE NOS MUESTRA EL MONTAJE DE LOS ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN AL ROTOR.
Estator Constituye la parte fija de la máquina. Su función es suministrar el flujo magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento giratorio.
Está formado por: • ARMAZÓN: Denominado también yugo, tiene dos funciones primordiales: servir como soporte y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor y del imán permanente, para completar el circuito magnético.
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• IMÁN PERMANENTE: Compuesto de material ferromagnético altamente remanente, se encuentra fijado al armazón o carcaza del estator. Su función es proporcionar un campo magnético uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que interactúe con el campo formado por el bobinado, y se origine el movimiento del rotor como resultado de la interacción de estos campos. • Escobillas: Las escobillas están fabricadas se carbón, y poseen una dureza menor que la del colector, para evitar que éste se desgaste rápidamente. Se encuentran albergadas por los portaescobillas. Ambos, escobillas y portaescobillas, se encuentran en una de las tapas del estator.
La función de las escobillas es transmitir la tensión y corriente de la fuente de alimentación hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor.
La función del portaescobillas es mantener a las escobillas en su posición de contacto firme con los segmentos del colector. Esta función la realiza por medio de resortes, los cuales hacen una presión moderada sobre las escobillas contra el colector. Esta presión debe mantenerse en un nivel intermedio pues, de ser excesiva, la fricción desgastaría tanto a las escobillas como al colector; por otro lado, de ser mínima esta presión, se produciría lo que se denomina "chisporroteo", que es cuando aparecen chispas entre las superficies del colector y las escobillas, debido a que no existe un buen contacto. 23
Veamos en la siguiente figura como está constituido un estator:
TABLA DE ESTRUCTURA La siguiente tabla muestra la distribución de las piezas del motor:
Como ya lo dijimos, los motores eléctricos de corriente continua son de gran facilidad para la regulación de velocidad, cambios o inversiones rápidas de la marcha, y sin necesidad de equipos costosos es posible efectuar control automático de torques y velocidades. 24
Por las ventajas descritas anteriormente se utilizan primordialmente en industrias Papeleras, Textileras, Químicas, Siderúrgicas y Metalúrgicas. En estos motores, el estator está formado por polos principales y auxiliares excitados por corriente continua, así mismo el rotor se alimenta con corriente continua mediante el colector de delgas y las escobillas.
2.1
TIPOS
DE
MOTORES
ELÉCTRICOS
DE
CORRIENTE
CONTINUA
Los motores de corriente continua se clasifican de acuerdo al tipo de bobinado del campo como motores en derivación, en Serie, Shunt, Shunt estabilizado, o Compuesto (Compound). Sin embargo algunos de ellos pueden ser auto excitados o de excitación separada o pueden tener campos de imán permanente.
Ellos muestran curvas muy diferentes de torque-velocidad y se conectan en diferentes configuraciones para diferentes aplicaciones. Algunos motores de corriente continua utilizan imán permanente como campo principal, especialmente los de potencia (HP) fraccionada (1/4,1/2,3/4) y baja potencia.
Los motores de imán permanente tienen la ventaja de no requerir una fuente de potencia para el campo, pero tienen la desventaja de ser susceptibles a la desmagnetización por cargas de choque eléctricas o mecánicas. Los campos de imán permanente no se 25
pueden ajustar para entonar el motor para ajustarse a la aplicación, como pueden los de campo bobinado.
Veamos las características principales de la clasificación de los motores de corriente continua: • EN DERIVACIÓN
El estator se alimenta con la misma tensión que el inducido. En los motores en derivación, el flujo por polo es prácticamente constante, y considerando que el par del motor es proporcional a la corriente y que la velocidad disminuye linealmente al aumentar esta, se tiene un motor en el que la velocidad varia muy poco cuando varía el par, por lo cual se utilizan en casos donde la velocidad debe ser lo más independiente posible de la carga. Los motores con excitación independiente son prácticamente iguales a los anteriores.
• INDEPENDIENTE
El estator y el inducido se alimentan con fuentes separadas o independientes.
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• MOTOR EN SERIE
El estator y el inducido se conectan de modo tal que por ellos circule la misma corriente. En un motor serie, el flujo del campo es una función de la corriente de la carga y de la curva de saturación del motor. A medida que la corriente de la carga disminuye desde plena carga, el flujo disminuye y la velocidad aumenta. Para cada motor serie, hay una mínima carga segura determinada por la máxima velocidad de operación segura. En los motores serie, la corriente del inducido atraviesa los polos y como el flujo producido en un polo depende de la corriente, el flujo será variable. El comportamiento típico de este motor es el siguiente: • El par del motor crece al principio en forma cuadrática, más adelante, crece en forma lineal. • La velocidad disminuye más que proporcionalmente al crecer la intensidad.
Por lo cual, se tiene un par muy elevado a velocidades pequeñas (arranque) y velocidades muy grandes con pares muy pequeños. Este tipo de motores no puede funcionar en vacío puesto que en estas condiciones el flujo es muy pequeño y según la velocidad aumenta produciéndose un embalamiento. No pueden usarse en aplicaciones donde la carga pueda faltar ocasionalmente. Suelen utilizarse para tracción eléctrica, grúas, etc.
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• MOTORES COMPOUND O COMPUESTOS
Es una combinación de las conexiones en serie y en derivación. Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt. Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de armadura. El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de armadura varia, y es directamente proporcional a la carga. El campo serie se conecta de manera tal que su flujo se añade al flujo del campo principal shunt. Los motores compound se conectan normalmente de esta manera y se denominan como compound acumulativo. Esto provee una característica de velocidad la cual no es tan “dura” o plana como la del motor shunt, no tan “suave” como un motor serie. Un motor compound tiene un limitado rango de debilitamiento de campo, la debilitación del campo puede resultar en exceder la máxima velocidad segura del motor sin carga. Los motores de corriente continua compound son algunas veces utilizados donde se requiera una respuesta estable de torque constante a través de un amplio rango de velocidad. Los compuestos tienen características intermedias a los motores en serie y derivación. Presentan elevados pares de arranque y no tienen velocidades tan altas a bajas cargas.
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• MOTOR SHUNT En un motor shunt, el flujo es constante si la fuente de poder del campo es fija. Asuma que el voltaje de armadura Et es constante. A medida que la corriente de la carga disminuye desde plena carga a sin carga, la velocidad debe aumentar proporcionalmente de manera que la fuerza contra electromotriz Ec aumentará para mantener la ecuación en balance. A voltaje nominal y campo completo, la velocidad del motor shunt aumentará 5% a medida que la corriente de carga disminuya de plena carga a sin carga. La reacción de armadura evita que el flujo de campo permanezca absolutamente constante con los cambios en la corriente de la carga. La reacción de armadura, por lo tanto causa un ligero debilitamiento del flujo a medida que la corriente aumenta. Esto tiende a aumentar la velocidad del motor. Esto se llama “inestabilidad” y el motor se dice que está inestable.
• MOTOR SHUNT ESTABILIZADO Para vencer la potencial inestabilidad de un motor recto shunt y reducir la “caída” de velocidad de un motor compound, un ligero devanado serie es arrollado sobre el devanado shunt. El flujo del devanado serie aumenta con la corriente de carga y produce un motor estable con una característica de caída de velocidad para todas las cargas.
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El devanado serie es llamado un campo estabilizador o “stab” y el motor un motor shunt estabilizado. La regulación de velocidad de un motor shunt estabilizado es típicamente menor al 15%.
La mayoría de los motores Reliance Super RPM y RPM III son shunt estabilizados. Cuando el campo shunt del motor es debilitado para aumentar la velocidad a un nivel de operación mas alto, el flujo del devanado serie llega a ser un porcentaje mayor del flujo total, de manera que a medida que la corriente aumenta, la caída de velocidad es un porcentaje mayor que antes.
En aplicaciones donde la instabilidad resultante pudiera afectar seriamente el funcionamiento de la maquina (movida por el motor), el campo serie puede desconectarse. En aplicaciones donde los efectos de estabilidad nos son críticos, como en un frenado regenerativo, el campo serie puede utilizarse para mejorar el rendimiento que el provee.
Cuando el campo serie no se conecta, el fabricante del control debe asegurar que la máxima velocidad segura del motor no es excedida y debe reconocer la perdida de torque que resulta de la operación del motor shunt estabilizado sin el devanado serie.
En la figura que a continuación se presenta, se muestran las conexiones de los distintos tipos de motores de corriente continua, conectados a la misma red de alimentación eléctrica.
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DIAGRAMA
DE
CONFIGURACIÓN
CONEXIÓN DE
PARA
MOTORES
LOS
DISTINTOS
ELÉCRICOS
TIPOS
ALIMENTADOS
DE CON
CORRIENTE CONTINUA.
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2.2 GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA
Los generadores transforman
la
de corriente continua son máquinas que
energía
mecánica
en
energía
eléctrica.
Su
funcionamiento se reduce siempre al principio de la bobina giratorio dentro de un campo magnético.
Si una armadura gira entre dos polos magnéticos fijos, la corriente en la armadura circula en un sentido durante la mitad de cada revolución, y en el otro sentido durante la otra mitad.
Para producir un flujo constante de corriente en un sentido, o corriente 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 contacto con el 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 sentido dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de un sentido en el circuito exterior al que el generador 32
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 voltios. 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
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causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico del campo. El campo inductor de un generador se puede obtener mediante un imán permanente (magneto) o por medio de un electroimán (dinamo). En este último caso, el electroimán se excita por una corriente independiente o por autoexcitación, es decir, la propia corriente producida en la dinamo sirve para crear el campo magnético en las bobinas del inductor. Existen tres tipos de dinamo según sea la forma en que estén acoplados el inductor y el inducido: en serie, en derivación y en combinación.
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.
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*APARTADO ESPECIAL: LA DÍNAMO La dinamo fue el primer generador eléctrico apto para uso industrial. Emplea principios electromagnéticos para convertir la energía de rotación mecánica en corriente continua. El primer dinamo, basado en los principios de Faraday, fue construido en 1832 por el fabricante francés de herramientas Hipólito Pixii. Empleaba un imán permanente que giraba por medio de una manivela. Este imán estaba colocado de forma que sus polos norte y sur pasaban al girar junto a un núcleo de hierro con un cable eléctrico enrollado (como un núcleo y una bobina). Pixii descubrió que el imán giratorio producía un pulso de corriente en el cable cada vez que uno de los polos pasaba junto a la bobina; cada polo inducía una corriente en sentido contrario, esto es, una corriente alterna. Añadiendo al esquema un conmutador eléctrico situado en el mismo eje de giro del imán, Pixii convirtió la corriente alterna en corriente continua. Uno de los principales usos de la dinamo es la utilización de la energía eólica, de esta forma el viento hace rotar las aspas conectadas al eje del dinamo, produciendo electricidad y aprovechando esta fuente de energía inagotable. Uno de los usos más corrientes que se le dio a la dinamo fue el de generador de energía eléctrica para el automóvil. A medida que, desde principios del siglo XX, los automóviles se iban haciendo más complejos, se demostró que los sistemas de generación de energía eléctrica con los que se contaba no eran lo suficientemente potentes para las necesidades del vehículo. Esta circunstancia favoreció la implantación paulatina de la dinamo en el mismo. 35
Aunque se trataba de un elemento que proporcionaba la energía necesaria con relativamente poco peso, presentaba ciertos problemas. El más importante era que la velocidad de rotación que se le suministraba nunca era constante (las revoluciones del motor están continuamente variando) con lo cual tenía que ser capaz de suministrar la misma corriente en ralentí (movimiento lento) que cuando el motor estaba a pleno rendimiento. Esto se solucionó con los reguladores que, aunque son sencillos en su diseño, requieren de un reglaje muy delicado. Estos dispositivos debían ser capaces de regular el voltaje y la intensidad. Además debería evitar que la dinamo funcionara como un motor eléctrico cuando el vehículo estuviera al ralentí, que es cuando prácticamente no produce energía, para que el flujo de corriente no se invirtiera. Dado que las dinamos tienen un diseño muy parecido al de los motores eléctricos, en el automóvil llegaban a funcionar como tales cuando se invertía el flujo de corriente al ser mayor el potencial que suministraba la batería que el potencial que suministraba la dinamo.
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3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR.
EL EXPERIMENTO DE FARADAY: Durante 1831 y 1832, Michael Faraday descubrió que un conductor eléctrico moviéndose perpendicularmente a un campo magnético generaba una diferencia de potencial.
Aprovechando esto, construyó el primer generador electromagnético, el disco de Faraday, un generador homopolar, empleando un disco de cobre que giraba entre los extremos de un imán con forma de herradura, generándose una pequeña corriente continua.
También fue utilizado como generador de energía en una bicicleta para producir luz de poca intensidad.
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Haciendo girar una espira en un campo magnético se produce una f.e.m. inducida en sus conductores. La tensión obtenida en el exterior a través de un anillo colector y una escobilla en cada extremo de la espira tiene carácter senoidal. Conectando los extremos de la espira a unos semianillos conductores aislados entre sí, conseguiremos que cada escobilla esté siempre en contacto con la parte de inducido que presenta una determinada polaridad.
Durante un semiperiodo se obtiene la misma tensión alterna pero, en el semiperiodo siguiente, se invierte la conexión convirtiendo el semiciclo negativo en positivo.
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4. TIPOS DE GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA. A. GENERADOR DE EXCITACIÓN EN SERIE
El devanado inductor se conecta en serie con el inducido, de tal forma que toda la corriente que el generador suministra a la carga fluye por igual por ambos devanados. Dado que la corriente que atraviesa al devanado inductor es elevada, se construye con pocas espiras de gran sección. Tiene el inconveniente de no excitarse al trabajar en vacío. Así mismo se muestra muy inestable por aumentar la tensión en bornes al hacerlo la carga, por lo que resulta poco útil para la generación de energía eléctrica. Para la puesta en marcha es necesario que el circuito exterior esté cerrado.
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ESQUEMA DE UN GENERADOR DE EXCITACIÓN EN SERIE
A partir de una tensión máxima, el aumento de intensidad hace decrecer la tensión en bornes. Ello es debido a que la reacción de inducido empieza a ser importante, las caídas de tensión van aumentando y, sobre todo, los polos inductores se van saturando con lo que el flujo no crece en la misma proporción que la intensidad.
A partir de una tensión máxima, el aumento de intensidad hace decrecer la tensión en bornes. Ello es debido a que la reacción de inducido empieza a ser importante, las caídas de tensión van aumentando y, sobre todo, los polos inductores se van saturando con lo que el flujo no crece en la misma proporción que la intensidad. Como en el resto de las máquinas autoexcitadas, se necesita un cierto magnetismo remanente que permita la creación de corriente en el inducido al ponerse en movimiento los conductores.
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El sentido de giro de la máquina siempre ha de ser tal que el campo creado refuerce al del magnetismo remanente, de lo contrario, lo anularía y la dinamo no funcionará. B. GENERADOR DE EXCITACIÓN COMPUESTA (COMPOUND).
En el generador con excitación mixta o compuesta el circuito inductor se divide en dos partes independientes, conectando una en serie con el inducido y otra en derivación. Existen dos modalidades, la compuesta corta que pone el devanado derivación directamente en paralelo con el inducido (EAC) y la compuesta larga que lo pone en paralelo con el grupo formado por el inducido en serie con el otro devanado (FC). El devanado serie aporta solamente una pequeña parte del flujo y se puede conectar de forma que su flujo de sume al flujo creado por el devanado paralelo (aditiva) o de forma que su flujo disminuya el flujo del otro devanado (diferencial).
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Así mismo, en función del número de espiras del devanado serie su aportación de flujo será mayor o menor, dando lugar a los tipos: hipercompuesta, normal, hipocompuesta y diferencial.
Gracias a la combinación de los efectos serie y derivación en la excitación de la dinamo se consigue que la tensión que suministra el generador a la carga sea mucho más estable para cualquier régimen de carga.
La gran estabilidad conseguida en la tensión por éstos generadores o dinamos los convierte, en la práctica, en las más utilizadas para la generación de energía. A medida que aumenta la intensidad de consumo, la excitación en paralelo disminuye, pero la excitación en serie aumenta. De este modo puede conseguirse una tensión de salida prácticamente constante a cualquier carga. 42
C. GENERADOR EN DERIVACIÓN O DE EXCITACIÓN EN PARALELO ( SHUNT )
Siendo la dinamo o generador shunt una máquina autoexcitada, empezará a desarrollar su voltaje partiendo del magnetismo residual tan pronto como el inducido empiece a girar. Después a medida que el inducido va desarrollando voltaje este envía corriente a través del inductor aumentando él número de líneas de fuerza y desarrollando voltaje hasta su valor normal.
Puesto que circuito inductor y el circuito de la carga están ambos conectados a través de los terminales de la dinamo, cualquier corriente engendrada en el inducido tiene que dividiese entre esas dos trayectorias en proporción inversa a sus resistencias y, puesto que la parte de la corriente pasa por el circuito inductor es relativamente elevada, la mayor parte de la corriente pasa por el circuito de la carga, impidiendo así el aumento de la intensidad del campo magnético esencial para producir el voltaje normal entre los terminales.
El voltaje de una dinamo shunt variara en razón inversa de la carga, por la razón mencionada en el párrafo anterior. El aumento de la carga hace que aumente la caída de voltaje en el circuito de inducción, reduciendo así el voltaje aplicado al inductor, esto reduce la intensidad del campo magnético y por con siguiente, el voltaje del generador. Si se aumenta bruscamente la carga aplicada a una dinamo shunt la caída de voltaje puede ser bastante apreciable; 43
mientras que si se suprime casi por entero la carga, la regulación de voltaje de una dinamo shunt es muy defectuosa debido a que su regulación no es inherente ni mantiene su voltaje constante.
Estos generadores se adaptan bien a trabajos fuertes, pero pueden emplearse
para
el
alumbrado
por
medio
de
lámparas
incandescentes o para alimentar otros aparatos de potencia constante en los que las variaciones de carga no sean demasiado pronunciadas. La dinamo shunt funciona con dificultad en paralelo por que no se reparte por igual la carga entre ellas.
D. GENERADOR CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE En este tipo de generador, la tensión en los bornes es casi independiente de la carga de la máquina y de su velocidad, ya que la tensión se puede regular por medio del reóstato de campo, aunque naturalmente, dentro de ciertos límites, porque la excitación del campo inductor no puede aumentar más allá de lo que permite la saturación.
En la siguiente figura se representa el esquema de conexiones completo de un generador de corriente continua con excitación independiente; se supone que el sentido de giro de la máquina es a derechas lo que, por otro lado, es el que corresponde a casi todas las máquinas motrices. 44
Si hubiere que cambiar el sentido de giro, bastará con cambiar, las conexiones del circuito principal.
Esquema de conexiones de un generador con excitación independiente
45
5. APLICACIONES
Y
SELECCIÓN
DE
MOTORES
Y
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA.
MOTORES Los motores de corriente continua en derivación son adecuados para aplicaciones en donde se necesita velocidad constante a cualquier ajuste del control o en los casos en que es necesario un rango apreciable de velocidades (por medio del control del campo).
El motor en derivación se utiliza en aplicaciones de velocidad constante, como en los accionamientos para los generadores de corriente continua en los grupos motogeneradores de corriente directa. El motor devanado en serie se usa en aplicaciones en las que se requiere un alto par de arranque, como en la tracción eléctrica, grúas, malacates, etcétera. En los motores en compound, la caída de la característica velocidad-par se puede ajustar para que se adecue a la carga.
En aplicaciones en las que tradicionalmente se emplean motores en compound, podría considerarse el motor PM en los casos en que se necesiten una eficiencia un poco más alta y una mayor capacidad de sobrecarga. En las aplicaciones de motores devanados en serie, la consideración del costo puede influir en la decisión de hacer el cambio. Por ejemplo, en tamaños de armazón menores de 5 pulgadas de diámetro, el motor devanado en serie es más económico; pero en tamaños de más de 5 pulgadas, este motor cuesta más en volúmenes grandes, y el motor PM en estos tamaños 46
más grandes desafía al motor devanado en serie con sus pares altos y su baja velocidad en vacío.
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. Los motores de excitación en derivación tienen aplicaciones como ventiladores, bombas, máquinas. Herramientas además de los citados para el motor de excitación independiente. Entre las aplicaciones del motor serie cabe destacar tracción eléctrica, grúas, bombas hidráulicas de pistón y en general en aquellos procesos donde lo importante sea vencer un par de gran precisión en la velocidad. El mayor uso del motor compound aditivo es en estrujadoras, grúas tracción, calandras, ventiladores, prensas, limadores, etcétera. El motor compound diferencial presenta el peligro de embalarse para fuertes cargas, por lo que su empleo es muy limitado. Los motores de imán permanente se emplean para el movimiento de maquinaria (tornos) en procesos
de fabricación automática,
arrastres de cintas de audio y video, movimiento de cámaras, etc.
Para la elección de un motor eléctrico de corriente continua se toma en cuenta lo siguiente:
47
GENERADORES
El papel más importante que desempeña el generador de corriente continua es alimentar de electricidad al motor de corriente continua. En esencia produce corriente libre de rizo y un voltaje fijo de manera muy precisa a cualquier valor deseado desde cero hasta la máxima nominal; ésta es en realidad corriente eléctrica de corriente continua que permite la mejor conmutación posible en el motor, porque carece de la forma de las ondas bruscas de energía de corriente continua de los rectificadores. El generador tiene una respuesta excelente y es particularmente apropiado para el control preciso de salida por reguladores de retroalimentación de control además de estar bien adaptado para producir corriente de excitación de respuesta y controlada en forma precisa tanto ara máquinas de corriente alterna como para máquinas de corriente continua.
El campo de aplicación del generador con excitación independiente, es general, siempre que se disponga de una línea independiente de corriente continua. Sin embargo, debe hacerse la advertencia de que estas máquinas “nunca deben trabajar en cortocircuito”, pues existe el peligro de quemarlas; esto procede, según puede comprenderse fácilmente de la independencia entre el circuito inducido y el circuito de excitación. Básicamente, los generadores con excitación independiente tienen, dos aplicaciones típicas: una, como amplificador-multiplicador; y la otra, como tacómetro.
Los generadores con excitación serie ya no se emplean en las centrales. Se emplearon hace ya algún tiempo para la alimentación 48
de grandes circuitos de lámparas de arco, pero estas lámparas han sido sustituidas por otros tipos más modernos, como por ejemplo, las lámparas de xenón. Los generadores con excitación en serie tienen aplicación en aquellas actividades en las que se precise una intensidad prácticamente constante, como puede ser en equipos de soldaduras y en determinados sistemas de alumbrados.
Los generadores compound, tienen aplicación en las centrales para tracción eléctrica que precisan de una tensión constante y en todos aquellos casos en que se haya de contar con variaciones bruscas de carga, como sucede en los talleres con grúas de gran potencia, laminadores, etcétera; suponiendo que no se disponga de sistemas compensadores, y que se desee la mayor constancia posible para la tensión en las barras colectoras. También puede emplearse en pequeñas instalaciones que
precisen de tensión constante,
sustituyendo al generador shunt, para evitar una vigilancia continua a causa de las variaciones de carga; sin embargo, hay que tener en cuenta que, en este caso, la autorregulación no es perfecta por lo que, en instalaciones de mayor importancia en que se desee una tensión constante sin vigilancia, debe sustituirse el generador compound por otros procedimientos.
Los generadores con excitación mixta (compound) son utilizados en el sistema de generación de energía eléctrica de corriente continua en aviones polimotores, en los que existe un generador para cada motor y se realiza un acoplamiento en paralelo de los mismos para atender a toda la energía eléctrica necesaria. 49
6. PARTICULARIDADES
6.1 ARRANQUE DE MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA
Los motores de corriente directa de pequeña capacidad se pueden arrancar al conectar directamente el motor al voltaje de línea. Los motores con capacidad nominal de 2 caballos de fuerza o más en general requieren un arrancador con voltaje reducido. El voltaje reducido para el arrancador se obtiene al emplear resistencias en serie con la armadura del motor, o bien, al hacer variar el voltaje de alimentación a la armadura. Se puede usar control manual o magnético.
Los motores de corriente continua en accionamientos de voltaje ajustable y velocidad ajustable se arrancan al hacer girar el control de la velocidad hacia arriba, desde cero hasta la velocidad deseada, o bien, mediante circuitos internos que elevan paulatinamente el voltaje de la armadura hasta el valor deseado. No se requiere equipo de arranque que no sea el rectificador o generador de voltaje de la armadura.
6.2
CONTROLADORES
MAGNÉTICOS
PARA
GRANDES
MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA.
Estos controladores se fabrican con formas que se ajusten a la aplicación- Los controladores se encuentran en las formas siguientes: 50
1. Sin cambio de marcha, sin frenado dinámico y con éste.
2. Sin cambio de marcha, con regulación de la velocidad por control del campo, sin frenado dinámico y con éste.
3. Con inversión de marcha y con frenado dinámico, sin regulación de la velocidad por control del campo y con esta regulación.
6.3 SISTEMAS UTILIZADOS PARA LA REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD EN LOS MOTORES CONTROL REOSTÁTICO EN EL CIRCUITO INDUCTOR
Según la expresión de la velocidad, ésta puede variar en razón inversa al flujo, de forma que otro procedimiento de regular la velocidad de un motor es variando la corriente de excitación.
La variación de corriente de excitación se logra intercalando un reóstato en serie con el devanado de campo en el motor derivación, y en paralelo en el motor serie.
Este sistema de regulación presenta las ventajas de sencillez de realización y de reducido consumo, ya que las pérdidas por efecto Joule son:
Pj
R r I ex
2
51
En el motor existe una derivación muy reducida la corriente Iex, y en el motor serie, mínima la resistencia desviadora Rr. Sin embargo, este sistema no es muy utilizado, por ofrecer una gama de control de velocidad reducida (de 1 a 2,5). Este inconveniente surge, tanto al disminuir la velocidad, por la limitación de la saturación del circuito magnético, como en el aumento, por el excesivo valor de corriente y la consiguiente reacción de inducido.
REGULACIÓN POR ACOPLAMIENTO DE MOTORES
Este sistema es apropiado para los servicios que necesiten de varios motores como ocurre en tracción eléctrica.
Así, una locomotora que dispone de seis motores serie emplea las conexiones siguientes:
Serie: En la que permanecen los 6 motores acoplados en serie, por lo que a cada motor se aplicará 1/6 de la tensión de red, y los motores girarán a la velocidad más reducida.
Serie-paralelo: Formada por dos ramas de 3 motores en serie, y éstas a su vez en paralelo. La tensión aplicada a cada motor será de 1/3 de la tensión de red, por lo que el motor girará a mayor velocidad que en el caso anterior.
Paralelo: Formada por 3 ramas de 2 motores en serie. y éstas a su vez en paralelo. La tensión que se aplica a cada motor es 1/2 52
de la tensión de red.
6.4 LA REGULACIÓN DEL VOLTAJE DE UN GENERADOR DE CORRIENTE DIRECTA. Esta regulación es la razón de la diferencia entre el voltaje sin carga y aquella a plena carga al voltaje a carga nominal. La característica es normalmente una reducción a medida que la carga aumenta, pero se puede elevar debido a los efectos de campo en serie o a la acción de corrientes circulantes de comunicación a operación a muy bajo voltaje.
Para un generador de cd, la ecuación de voltaje terminal es:
TV = E – IR (K ( t) (r/min) – IR)
En donde E es la Fem. Inducida, IR es la caída de circuito de armadura, K es una constante que depende del diseño de la máquina y
t
es el flujo total de polo principal del generador.
Las curvas de regulación se calculan fácilmente mediante el uso de las curvas de saturación sin carga y plena carga. El efecto del método de excitación se encuentra si se usa la línea del campo e IR de reóstato para máquinas autoexcitadas y por línea de amperevueltas constantes para excitación separada.
53
7. FALLAS EN MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA
7.1 FALLAS EN LOS MOTORES
Se define a falla eléctrica como "cualquier evento que impide la normal operación (disponibilidad) de algún equipo, esquema o componente de control y protección". Esta amplia definición permite el registro de eventos, aún cuando el equipo afectado no se encuentre plenamente inoperativo, situación muy frecuente en el campo del control y protección de Sistemas Eléctricos. Por otra parte, se define Atención Correctiva como “un procedimiento preestablecido y destinado a retornar a su estado normal de operación (definido o provisorio) al objeto afectado por la falla”. Existen diferentes enfoques para analizar y evaluar el impacto de las fallas sobre los equipos del sistema eléctrico de las Industrias, en general basadas en la evaluación de la potencia o energía perdida con ocasión de cada falla. En este sentido las fallas en un motor eléctrico pueden ser originadas por: • Fallas en los Sistemas de Protección y Control. • Fallas originadas en la operación • Fallas debidas a la no Calidad de la Potencia
54
FALLAS
EN
LOS
SISTEMAS
DE
PROTECCIÓN
Y
CONTROL
Aunque existan fallas relacionadas con la operación de los equipos y la no calidad de la energía, es el sistema de protección y control quién finalmente realiza una acción determinada. La particular naturaleza de los trabajos del área responsable de los Sistema de Protección y Control, hacen que el enfoque relacionado con la pérdida de potencia no sea adecuado por cuanto muchas de las fallas que afectan a tales equipos no llegan a producir interrupción.
FALLAS ORIGINADAS EN LA OPERACIÓN A este grupo corresponde las fallas asociadas a los incrementos de temperatura en equipos, y problemas de vibración mecánica. En el primer caso, la sobrecarga de los motores y conductores son consecuentes a la circulación de corrientes elevadas que originan, a su ves, pérdidas de energía, ineficiencias en los procesos, extra costos en la operación y mantenimiento, calentamiento excesivo de las partes, e incluso, hasta la misma destrucción del equipo si los sistemas de control y protección no son los adecuados. En este caso, la calidad de la energía se ve seriamente afectada puesto que las sobrecorrientes originan caídas de tensión considerables. Para contrarrestar las fallas eléctricas por incrementos de temperatura es indispensable realizar, entre otros, una limpieza periódica de las partes del motor y los conductores, chequeos a los
55
sistemas de protección, y pruebas termográficas en barrajes, conductores, carcasas, puntos de conexión y aislamientos térmicos. Con respecto a las vibraciones mecánicas, son el resultado de fuerzas magnéticas desiguales que actúan sobre el rotor o sobre el estator. Dichas fuerzas desiguales pueden ser debidas a: • Rotor que no es redondo. • Chumaceras del inducido que son excéntricas. • Falta de alineamiento entre el rotor y el estator. • Entrehierro no uniforme. • Perforación elíptica del estator. • Devanados abiertos o en corto circuito. • Hierro del rotor en corto circuito.
Las
vibraciones
ocasionadas
por
los
problemas
eléctricos
responden generalmente a la cantidad de carga colocada en el motor. A medida que se modifica la carga, la amplitud y/o las lecturas de fase pueden indicar cambios significativos. Esto explica por qué los motores eléctricos que han sido probados y balanceados en condiciones sin carga muestran cambios drásticos de los niveles de vibración cuando vuelven a ser puestos en servicio. 56
Un caso particular de vibraciones mecánicas lo constituyen las poleas desgastadas y bandas destempladas en accionamientos mecánicos, cuyo efecto en motores es la presencia de desbalances de corriente, que a su vez, originan desbalances de tensión (pérdida de la calidad de la potencia).
FALLAS DEBIDAS A LA NO CALIDAD DE LA POTENCIA Los problemas relacionados con la calidad de potencia están muy ligados a una amplia gama de fenómenos. Aproximadamente en dos tercios de los casos se trata de fenómenos naturales, como los rayos. Otras causas de la pérdida de la calidad de energía la constituyen la operación de equipos de gran potencia en la industria o en la red misma (por ejemplo, la conexión de condensadores) y, en general, una variedad de fenómenos que pueden llegar a producir caídas súbitas de tensión a nivel del consumidor y que hacen muy compleja la evaluación de la calidad de potencia. Las perturbaciones que generalmente afectan la calidad de la potencia se clasifican en las siguientes categorías: • Fluctuaciones de voltaje. • Variaciones momentáneas de alto y bajo voltaje. • Interrupción permanente en equipos y/o en procesos. • Armónicos. 57
• Transitorios
7.2 FALLAS EN LOS GENERADORES
CONMUTACIÓN DEFICIENTE: El chisporroteo y las quemaduras de barras se deben por lo general a una o más de las siguientes causas:
a) Los carbones no están en la posición correcta. b) SEPARACIÓN INCORRECTA DE LOS CARBONES: Esto puede comprobarse al marcar una cinta de máquina sumadora alrededor del conmutador. c) MICA QUE SOBRESALE DEL BORDE DE BARRA: La mica entre barras debe cortarse al sesgo como 0.063 in debajo de la superficie de conmutación, pero en ocasiones se dejan por descuido astillas de mica a lo largo de la barra. d) CONMUTADOR ÁSPERO O QUEMADO: El conmutador debe ser esmerilado según el manual de instrucciones del fabricante. e) CONMUTADOR RANURADO: Esto puede evitarse si se alternan debidamente los juegos de carbones, de modo que 58
los espacios entre los carbones de un brazo queden cubiertos por carbones de la misma polaridad de otros brazos. f) CONTACTO DEFICIENTE DE CARBONES DEBIDO A AJUSTE
INCORRECTO
SUPERFICIE
DEL
DE
LOS
CONMUTADOR:
CARBONES Para
A
LA
asentar
los
carbones, pásese papel de lija entre el conmutador y la cara del carbón; no debe usarse lija esmeril porque su abrasivo es conductor. g) Carbones gastados y sustituidos por otros de tamaño o grado diferente. h) Carbones que se pegan, que no se mueven libremente en sus portacarbones de modo que puedan seguir las irregularidades del conmutador. i) CREPITACIÓN DE LOS CARBONES: Por lo general esto se debe a la operación con densidades de corriente debajo de 35 A/in2 y debe ser corregida levantando los carbones para elevar la densidad o usando un grado especial de carbones. j) VIBRACIÓN: Esto puede deberse a alineación defectuosa, cimentación inadecuada o balanceo deficiente del rotor. k) VUELTAS EN CORTOCIRCUITO EN LOS CAMPOS DE CONMUTACIÓN O DE COMPENSACIÓN: pueden ser obvias en una inspección pero por lo general deben encontrarse al 59
pasar una corriente alterna por ella para comparar caídas de voltaje. l) UNIONES ABIERTAS O DE MUY ALTA RESISTENCIA ENTRE EL CUELLO DEL CONMUTADOR Y LOS HILOS DE BOBINA: En este caso, por lo general se quema la barra y la junta mala. m) UNA BOBINA ABIERTA DE ARMADURA: Un conductor de bobina roto produce un efecto similar al de las uniones defectuosas descritas en l. Para operación de emergencia, la bobina abierta puede ser abierta en ambos extremos, aislada del circuito y puesto un cable en las terminales de los dos cuellos afectados. Como es probable que se produzcan algunas chispas, la operación debe ser limitada. n) BOBINAS DE CAMPO PRINCIPAL EN CORTOCIRCUITO: Con los resultantes flujos desbalanceados de entrehierro bajo los polos, deben esperarse grandes corrientes circulantes incluso con buenas conexiones cruzadas de armadura. La bobina causante puede encontrarse al comparar caídas de voltaje en las bobinas individuales. o) Bobina de campo principal invertida.
p) Sobrecarga.
60
8. MANTENIMIENTO
Y
PRUEBAS
DE
MOTORES
Y
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA
Las inspecciones, las lubricaciones y la limpieza periódica y sistemática
hacen
parte
de
un
necesario
programa
de
mantenimiento preventivo de las máquinas eléctricas, todo ello con el fin de evitar daños y paradas innecesarias en el trabajo. La ubicación de las máquinas eléctricas va desde lugares en donde no hay polvo, suciedad ni humedad, hasta sitios donde se encuentra toda clase de suciedad. Por eso el periodo de las operaciones de las inspecciones varía según el caso, desde cada semana, hasta casa año, condicionando eso, no solamente por el medio donde trabaja el motor, sino también por el tiempo de trabajo y de la naturaleza del servicio que desempeña. En línea general, se deben observar las siguientes reglas:
CADA SEMANA
• Verificar el nivel de aceite de los cojinetes y de los anillos engrasadores. • Verificar las conexiones de la caja de bornes (cables pelados, tuercas no apretadas). • Examen de los fusibles y de los aparatos de control. • Verificación del alcance de la velocidad de plena carga en un tiempo normal. • Verificar la tensión en los bornes del motor. 61
CADA SEIS MESES
• Verificar la grasa o el estado del aceite de los cojinetes (excesiva grasa puede producir recalentamiento). • Examinar las escobillas y portaescobillas (verificar la presión, la correcta posición y el desgaste. Las escobillas que están desgastadas a más de la mitad deben ser sustituidas). • Escuchar el motor a plena velocidad de carga y observar eventuales ruidos mecánicos, luego desde parado, mover el eje para averiguar eventuales desgastes de los cojinetes. • Verificar pernos que sujetan la base del motor, los tornillos que sujetan la placa, los escudos, las tapas de los cojinetes y las tapas de protección. • Inspeccionar el estado de los aparatos de control (arreglar los contactos estropeados y apretar bien las conexiones, verificar el estado de los resortes de los contactos). • Verificar si por algún fusible quemado, el motor no está trabajando con todas las tres fases. •
Limpiar
la
suciedad
del
motor
usando
aspiradores
(los
compresores echarían la suciedad en los enrollamientos). 62
CADA AÑO
• Limpiar los cojinetes de casquillos y renovar el aceite o grasa (esto es condicionado al ambiente de trabajo del motor). • Verificar el grado de aislamiento del motor. Si la lectura es inferior a un megahomio (1 MΩ) y se presume que el motor esté muy húmedo, entonces hay que secarlo con una estufa hasta que la lectura sea satisfactoria. • Verificar la corriente absorbida por el motor a plena carga, compararla con la que indica la placa de características y concluir si el motor está sobrecargado o subcargado. • Verificar la holgura del entrehierro con un calibrador de láminas (no se debe admitir una reducción de esta holgura superior al 20% del entrehierro normal.
CADA DOS AÑOS
• Desmontar el motor y limpiarlo con tetracloruro de carbono.
63
• Secado y rebarnizado del motor (operación condicionada al tipo de trabajo del motor y al medio circundante).
PRUEBAS GENERALES EN AMBOS TIPOS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS:
1.- SOBREVELOCIDAD. 2.- SATURACIÓN SIN CARGA. 3.- COMPORTAMIENTO. 4.- SATURACIÓN CON CARGA. 5.- PAR-VELOCIDAD. 6.- ROTOR BLOQUEADO. 7.- EQUILIBRIO TÉRMICO. 8.- VIBRACIÓN MECÁNICA. 9.- EFICIENCIA ENERGÉTICA.
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CONCLUSIONES Los motores y generadores de corriente continua juegan un papel importante en la industria y el hogar, ya sea como un elemento para producir trabajo mecánico o para producir energía eléctrica, aunque vale la pena recalcar que comparándolos con los que trabajan en base a corriente alterna tienen menor demanda en el mercado. Desde el punto de vista mecánico, no existe diferencia alguna entre los motores y los generadores de corriente continua. Debido a las características inherentes de los materiales de aislamiento, las temperaturas anormalmente altas acortarán la vida útil de funcionamiento de los motores y generadores, razón por la cual necesitan un monitoreo periódico de ellos con el fin de optimizar su funcionamiento y economizar recursos. El estudio de las máquinas eléctricas de corriente continua es de vital importancia en la ingeniería mecánica (a pesar que es un campo de la ingeniería eléctrica) pues éstas máquinas están presentes en muchos proyectos y dispositivos mecánicos, y es necesario conocer sus principios de funcionamiento para brindar un adecuado mantenimiento ya sea preventivo o correctivo.
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BIBLIOGRAFÍA 1. CHAPMAN, STEPHEN. MÁQUINAS ELÉCTRICAS, MÉXICO, EDITORIAL MC GRAW-HILL, AÑO 2004.
2. http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_continua
3. http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_continua
4. http://rincondelvago.com/generadores-y-motores-de-corrientecontinua.html
5. http://proton.ucting.udg.mx/dpto/tesis/quetzal/CAPITUL4.html
6. http://www.walter-fendt.de/ph11s/generator_s.htm
7. http://www.vc.ehu.es/ierwww/maquinas%20el%E9ctricas%20I %20febrero202001.pdf 8. www.monografias.com
9. SYED A, NASAR. MÁQUINAS ELÉCTRICAS Y ELECTROMECÁNICAS. EDITORIAL MCGRAW-HILL, MÉXICO.
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