1- La Máquina de Corriente Continua: Conceptos previos de electromagnetismo

Fuerza Electromotriz Inducida La fem inducida en un conductor rectilíneo de longitud L que se mueve a una velocidad V, cuya

dirección forma un ángulo con la dirección del campo magnético de inducción uniforme B, en

cuyo interior se mueve cortando sus líneas de fuerza, tiene por valor:

E = B L V sen

Si las tres magnitudes son perpendiculares, entonces el valor de la fem es:

Esta fórmula también se puede poner en la forma:

Se genera una fem E mientras el conductor se mueve, cortando las líneas de fuerza del

campo magnético:

E = B L V

Si los conductores activos forman parte de una espira que giran en el interior de un campo magnético tendríamos un generador elemental de CC:

Fuerza Electromagnética

La fuerza sobre un conductor rectilíneo de longitud L por el que circula una corriente I, cuya

dirección forma un ángulo con la dirección del campo magnético de inducción uniforme B, en

cuyo interior se encuentra, tiene por valor:

F= I L B sen

Si las tres magnitudes son perpendiculares, entonces el valor de la fuerza electromagnética

Esta fuerza desarrolla un trabajo de valor:

El conductor se mueve a causa de una fuerza F cuando por él circula una intensidad I:

F = I L B

Estudio Energético del Generador Elemental

Estudio Energético del Motor Elemental

2- Estructura de la máquina de corriente continua

3- Estructura

Estator: 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.

Rotor: 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 esta 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: 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.

Escobillas: dispuestas en los portaescobillas, de bronce o latón, que retienen las escobillas

que establecerán el enlace eléctrico entre las delgas y el colector y el circuito de corriente continua exterior.

4-

Arrollamiento de excitación ,. __ _

---- Culata

Núcleo del polo de conmutación -- -- --- Colector

Arrollamiento de conmutación --

Núcleo del inducido __-

Arrollamiento de inducido --

€V~ Culata 1 Rotor

~ """" ------- -

~ --

.Sí.J~-d-.·;;~~ . 1'' Bobinas fo inducido

~~

:~:::; - __ %4 ~ polares ~~

Bobinas

~

El Inductor

El Inducido

3- La Dínamo: Generador de CC Dinamo Elemental

Eliminación del Rizado

Al aumentar el número de delgas, la fem obtenida tiene menor ondulación acercándose más a la tensión continua que se desea obtener.

+

+

l t espira+ 2 delgas 1

Espira 1

Espira 1 -'

fem resultante

E

l z espira + 4 delgas 1

E

fem resultante

1 \ 1 \ 1 \ 1 \

1 \ 1 \

' \ ' \ ' 1 1 \ 1 \ ' \

' \ ' \ ' \ ' \ 1 ' 11

\ ' lt 1 '

1 '

Fuerza Electromotriz Generada

e

e

Partimos de una dinamo de dos polos (p = 1) y dos ramas en paralelo o vías (e = 2) cuyo es quema representamos en la figura que aparece debajo. vamos a obtener la fórmula de la fem generada en función de los diversos parámetros de la máquina.

~ 4' _L _L 1

3' _L _L 2 2' _l_ _l_ 3 ,. T 4

P'QS~Of""'

-E

Representación plana

S

De una manera general si la máquina tiene p pares de polos y e pares de vías:

T T

N

.-------------.•+ •

E T T

' • ~--------------·-

Pares de polos P = 2 Pares de vías e = 2

S = p

w=

Fe m de _n_ condu:tores en serie: 2c

E=_n_Bl v 2 e

nrl tuveras.com

E = ;e B L w r = ;e B 1 w r p

2 n N 60

E = _n_ B L 2 n N r = _n_ B 2 SP p 2e 60 2c

N 60

<l>p =e s p } E = _e_ n __!!_ <1> P e 60 1 E= K N <I>P 1

Si trazamos la característica en vació de la máquina E f(l.,.,;..,;ónl para una N constante. obtenemos una curva

como la de la figura. E = K N el> =K lex La curva es aproXimadamente rectilínea hasta que comienza la satl.l'ación. Esta curva se corresponde con la

curva de magnetización de la máquina. y al Igual q;e esta. está afectada por la hiStéresls. de tal manera que la curva que se toma es la de ordenadas medias entre las registradas con excitackln crecierte y decreciente.

E

Característica en vacío

Par Electromagnético Generado

Sea una dinamo de p pares de polos y e pares de ramas, o vías, en paralelo. Al circular una corrientE i por

e cada conductor, aparece una fuerza electromagnética Fe que da lugar a un par Ce que se opone al giro de la

r máquina .

R R -as.com., ----

N 1

--1 SP :: 1t 2r L 1

2c 1 + 1= • - 7,-- .. ,:' ¡' . ' '

' ~~ _L ' ' S S _L _L _I_ _I_ E .

' ' ' ' ' '

Pares de polos P = 2 Pares de vías e= 2

Corriente por conductor : i= 1 ::::::> Fuerza por conductor : FE= - 1- LB -

2c 2c

Par por conductor: ce= FE r ~ Par total: CE = Ce n =FE r n

1t r l CE = 1 LB r n :::> CE = _1 B ~ rn S = 2c 2 c 1t p p

CE = _1 <l>p P r n

<I>p = B s p 2c 1t

1 c. = n _E_ <l>p 1

1 1 CE= K <l>P 1

e 21t

Fuerza Electromotriz, Par y Rendimiento

+ a

1

+

[ E = u + 1 R + v .SCOOII,.

E 1 = U 1 + j2 R + Pmot<l~•

E 1 = u 1 + PJOI~ J Si P0 = P de la Dinamo

+ -c::::J--o -P G =U 1 + P Joule + PFe + Pperd. mee + Pexcitación

w c exterior + p excitació n

l ­e

rj =

PPerd.mec

Ul

U 1 + P Joule + P Fe+ P perd mee + P excitación

Reacción del Inducido

Cuando la dinamo está en carga el flujo del inductor se distorsiona debido al flujo magnético creado por la corriente del inducido, el cual es perpendicular al flujo magnético principal creado por los polos inductores~

.Aunque aparentemente el flujo principal ~ no va tí a, pues se reduce en los cuernos de entrada pero aumenta en los cuemos de salida, en realidad el flujo principal disminuye pues la distorsión de del mismo aumenta su recorrido, es decir su reluctancia magnética, se crea saturación de los cuernos polares y además aumentan las fugas magnéticas, coadyuvando todo ello en la disminución de~ y disminuyendo por tanto la fem en carga Ec respecto a la fem en vacío EV. Este fenómeno se conoce con el nombre de reacción magnética del inducido.

c =E -E= KN (<D -<D ) v e v e

Si hacemos una representación gráfica del campo magnético en función del ángulo:

A consecuencia de la reacción del inducido la línea neutra (línea que une los conductores que no

producen fem) en carga, adelanta respecto del sentido de giro un ángulo , tomada como referencia la línea neutra en vacío:

Inconvenientes de la Reacción del Inducido

Inconvenientes

...- Disminuye de la temen carga Ee

...- Disminuye indirectamente el rendimiento ( pues se ha de aumentar la corrieniE de excitación para compensar el efecto aniErior => aumenta las P J estator =>disminuye el rendimiento

...- Crea peligro de chispas en el colector

...- Aumenta las dificultades para realizar una buena conmutación

Disminución de la Reacción dellncklcido

rJr todJ lo <:ntcrior e o co-,.,cn en:c minirriz~r la rxcctn de indJci:l:. a 18'/co de

1, R•ducir l a d@formación d• 1<:~ curva dt' induc.::ión 4m f!ltmtrehif!irro . \.1t'.1i~ll:', pu· t'j:rr plu.

b) EnO"ehierro vorioble

'-----------------------~---------------------~

fe m en vacío tuvera~.oom

2') Comb:oti" lo. reocción tronsverHI medionte flujos opuestos (orrollomientos de compensoción).

~e ~mple3n arronarnenro~ de ccm~en>actón dls~u~sos ~n rcnu-as oo ocaaas en la~ ptezas PJ ares. "f tore:tado~ en ~erie co 1 e ar-cll3m enn del n::lutido

----==:;Ci;J]A1 @tks~t~rd;j""]t ttJ ... 0000~

t Ee Ee Ee EIH9 O 00

'

Conmutación

La conmutación es el conjunto de fenómenos que acompañan a la inversión del sentido de la corriente en la

sección cortocircuitada por una escobilla. Durante el tiempo t en que la sección está cortocircuitada, es decir, mientras sus conductores acti110s

franquean la línea neutra, en dicha sección se crean dos fe m: a) Una fem de autoinducción e.= L dildt variando la corriente i en el tiempo t, del valor 1 a -1 b) Una fe m de inducción e; = <N>.fdt donde "~>.es el flujo transversal del inducido cortado por laso conductores

activos en el tiempo t. Esta fe m se suma a la anterior pues el sentido del flujo transversal es el mismo que el del

polo del que procede el e onductor como hemos visto anteriormente.

Estas dos fe m tienen un efecto desfavorable. Sin ellas, el reparto de las corrientes i. e ib que circulan entre las delgas correspondientes y las escobillas, se realizaría según las

conductancias de las derivaciones, de torma lineal, pero debido a estas dos fe m, el reparto no es lineal, generando chispas.

+

' ' ' '

+

:,_ __ _ veras.c~.J 1

'

+1 \

\

Lineal \

\ \

\

o t/2\ \

\ \

\

·1 ----------

' ' ' '

+

0

:t ' ' ' ' ' '

L-~--_J .~--~ a tuveras.com

C0,r~~ .....

. 1

conauctr:r con ·1 ~ecc1ón en conrrutac1on corauctor cJn + 1

Esquema de la Dinamo

Excitación de la Dinamo Aunque existen máquinas de corriente continua con imanes permanentes, lo normal es que el campo magnético esté creado por bobinas inductoras dispuestas en el estator alrededor de los polos principales. Según la fuente de alimentación de estas bobinas, se distinguen dos tipos de excitación: Excitación independiente y Autoexcitación.

La excitación independiente significa que la corriente continua que alimenta el devanado inductor

procede de una fuente independiente de la máquina, como una batería de acumuladores, un rectificador conectado a una red alterna, o bien un generador de corriente continua rotativo. En este último caso, si el generador va montado sobre el propio eje de la máquina, la excitación independiente se denomina excitación propia. La autoexcitación significa que la corriente continua que excita las bobinas inductoras procede de la misma máquina generatriz. Para obtener la autoexcitación o cebado de la máquina, es preciso que exista un pequeño flujo en el circuito magnético, flujo que es posible producir y mantener gracias al fenómeno de histéresis magnética. Gracias a este flujo remanente, al hacer girar el inducido se inducirá en él una pequeña f.e.m. que aplicada al circuito inductor, con la polaridad conveniente, genera una débil corriente que refuerza el magnetismo remanente y la f.e.m. inicial debida al flujo remanente se incrementará. A mayor f.e.m., corresponderá mayor corriente, con el refuerzo consiguiente del flujo, luego se produce un nuevo aumento de la f.e.m. y así sucesivamente hasta alcanzar un equilibrio o estabilidad de la tensión en bornes que se traducirá en una constancia de la corriente de excitación y por tanto del flujo. A esta estabilidad se llega por causa de otra propiedad característica de los materiales magnéticos, la de saturación. Dependiendo de la conexión entre el devanado inductor y el inducido se distinguen tres tipos de máquinas autoexcitadas: la máquina serie, la máquina derivación y la máquina compuesta o compound.

Curvas Características

El funcionamiento de una máquina de cc depende de cuatro variables: la velocidad N, La corriente de excitación i, la tensión en bornes U y la corriente I del inducido. Si se toma una de las magnitudes como constante, otra como parámetro, otra como variable y otra como función, se obtiene una familia de curvas. Las características usuales de una dinamo se obtienen a partir de tomar:

Característica Función Variable Parámetro Constante

de excitación constante U(I): característica externa U I i

N a tensión constante i(I): curva de regulación i I U

de corriente constante U(i): característica en carga U i I

De todas ellas merece especial atención la característica externa.

Dinamo Excitación Independiente

Dinamo Excitación Paralelo

Dinamo Excitación Serie

Dinamo Excitación Compuesta

u tuveras oorr--

--------Hipercompuest3

Hipocompuesta

le= cte N= Cte

Diferencial

C. Exterior

3- El Motor de CC

Motor de Corriente Continua

Un motor de corriente continua consiste esencialmente en una dinamo trabajando en régimen inverso, es decir, se conecta a una tensión u que da lugar al paso de una intensidad 1 por el inducido y como

consecuencia un par electromagnético Ce= que hace girar la dinamo, cuyo giro produce a su vez una fcem E' opuesta a la tensión u.

El sentido de la corriente en la espira se ha de invertir en cada semiperiodo, al cruzar el conductor activo la

línea neutra. Esto se consigue mediante el cambio de escobilla en contacto con el colector tal como indica la

figura.

L. N ..¡....

N S F =IL B

Ce= 2 F R

1 + --- - u -- - -

Par Electromagnético

Sea un motor de p pares de polos y e pares de ramas o vías en paBielo, n conductores actii!Os y ~P flujo pcr polo. Al :ircular una corriente i por cada conductnr aparece una fuelLa electromagnética Fe que da lugar a un par Ce que hace girar el inducido (rotor) del motor y cuyo valor se obtiene de forma análog3 que para el caso de la dinamJ, con la diferencia que ahora el par Ce y la rotación del motor tienen el mismo sentido.

+ - - ..... - ,-........;.---.+E' ' tuver'aft;:om

.!--,

.a '

' ' ', .. -~ ' ' ' ', '

'

+

~~-c-E_= ___ : ___ 2_~--~~~~~~~~Jas~~=--K __ $_P_'~

' ' ' ' ___ ,

CE= FE r n

Fuerza Contraelectromotriz

En un motor de p pares de polos, e ramas en paralelo o vías, n conductores activos, que gira a N rpm, siendo

su flujo polar <~'p se genera una te m, cuyo valor se obtiene de forma análoga a la fem de la dinamo, con la diferencia que ahora su sentido es de oposición a la corriente, por lo que se le llama t cem.

u

1 p =u 1:

+ o

r¡ =

,ras com

E'

+,___~ ' • . ., __ _______ __ u -................ -- _,..,

E' = __E_ n ~ <I>P e 60

!uveras com

E' = K N <1> p

Fcem, Par y Rendimiento

U = E' + 1 R + V .. - ... [ U 1 = ~· 1 ,+ 1

2 R + P .. , . ... J 1

U I - E I+P"''"

Si PM = P del motor +-c::::=J--4 -

1 -e P M = U 1 + P excitación

Púm U 1- PJoule - PFe- PPerd Mee ~ r¡ =

PM U 1 + P excitación to '" .. ' s.com

CE= E' l w

l 1 p Joule 1

e l PE=E' Ij

1 Pfe 1

tuv1' 1

p Electromagnética 1 1

1 PPerd. mee 1

Esquema del Motor de CC

Curvas Características Son el conjunto de curvas que representa las relaciones existentes entre las distintas variables de explotación de los motores. Las más usuales son:

Característica Función Variable Parámetro Constante

de Velocidad: N(I) N I C

U, i de Par: C(I) C I N

Mecánica C(N) C N I

Motor Excitación Independiente

Motor Excitación Paralelo

Motor Excitación Serie

5- Resumen 6-

Para describir los modos de funcionamiento de una máquina de c. c. se utiliza la representación en cuatro cuadrantes representada en la figura de debajo. En el eje de abscisas se representa el par

electromagnético C que también sirve para representar la corriente del inducido I (C = K I). En el eje de ordenadas se representa la velocidad N, que también sirve para representar la fem/fcem E

(E = K N ) y también, aproximadamente, la tensión U (U = E Ri I)

Pmecánica = C 00 { (positiva=> suministra energía mecánica por el eje)

(negativa=> absorve energía mecánica por el eje)

P eléctrica = U 1 { (positiva=> absorve energía de la red) (negativa=> suministra energía a la red)

+ .. ' ' ' ' ' '

u+ ' ' :E ' ' ' -Y tuv

.. ' ' ' ' ' ' '

u ' ' :E

N+

N u U>O} 1 < o ::::}

Pmec < O Pelee < O

e-

Generador Motor

Motor Generador

U<O} 1 < o ::::}

Pmec > O Pelee > O

+ .. ' ' ' ' ' '

u

Motor

u> o}::::} 1 >o

Pmec > O Pelee > O

e

u< 0}::::} 1 >o

f Pmec < O -f) : R, p < O ' elec

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