tema 3. máquinas eléctricas de corriente continua...

Tema 3. Máquinas eléctricas de corriente continua (c.c)

Hola compañeros, ¿qué tal lo lleváis? Seguro que bien, ¿no os parece interesante esta unidad? ¿Verdad quesi? Primero los transformadores, luego un estudio general sobre las máquinas eléctricas rotativas, y ahorapartiendo de ese estudio, nos metemos de lleno en un tipo de máquinas eléctricas rotativas: Las máquinaseléctricas de corriente continua (c.c). Como sabéis hay 2 tipos de corrientes eléctricas, por tanto habrá 2 tiposde máquinas. Estas máquinas funcionan con c.c. y generan c.c. Se utilizan bastante, pero no tanto como lasmáquinas de corriente alterna que veréis en el siguiente tema. ¿Preparados? ¡Empecemos pues!

Imagen 1. Diversos motores eléctricosFuente: Wikipedia. Creative Commons

El fundamento de los convertidores electromagnéticos está basado en 3 principios fundamentales de lainducción electromagnética, que conocemos perfectamente:

La intensidad que circula por un conductor arrollado sobre un núcleo de hierro, hace que éste secomporte como un imán.

1.

La interacción de una corriente eléctrica y un campo magnético produce fuerzas a distancia.2.Cuando se mueve un conductor en el seno de un campo magnético, se induce en él una f.e.m.3.

Como datos históricos a recordar, los 2 primeros principios fueron descubiertos por Dominique François, JeanArago y André Marie Ampére y el responsable del 3º, como ya sabéis fue nuestro amigo y bien conocidoMichael Faraday, quien en 1832 mandó construir el primer generador eléctrico.

Construcción del primer generador eléctrico por Faraday

Unidad 4: Máquinas eléctricas Tema 3: Máquinas eléctricas de corriente continua (c.c.)

Electrotecnia Página 1 de 29

Imagen 2. Construcción del primer generador eléctrico por FaradayFuente: Wikipedia. Creative Commons

Todos estos principios los estudiamos en la unidad: Conceptos y fenómenos electromagnéticos, ¿Osacordáis?

Aquí os ponemos un video donde de forma general se explica el funcionamiento de los motores ygeneradores eléctricos, además del funcionamiento del motor de explosión de 4 tiempos utilizados en losautomóviles y vehículos a motor. En la finalización de este video se presentan animaciones en 3D demotores y generadores eléctricos muy interesantes, espero que os gusten.

Video 1. Motores eléctricos. Fuente: Youtube

Os dejo también un artículo sobre la importancia que tiene la inducción electromagnética para laconstrucción de máquinas eléctricas rotativas:

Artículo de la inducción electromagnética

En el desarrollo de este tema empezaremos describiendo los conceptos básicos de las máquinas eléctricasrotativas de c.c., para seguidamente clasificarlas y describir su funcionamiento, características y aplicacionescomo generador y como motor. ¿Preparados? ¡Pues vamos allá!



3.1 Generalidades sobre las máquinas eléctricasrotativas de c.c.

Las máquinas eléctricas rotativas se construyen combinando circuitos eléctricos con magnéticos y partesestáticas con partes móviles.

De esta forma, se consigue elaborar dispositivos como los generadores (que realizan una transformación deenergía mecánica en eléctrica) y los motores (transformación de energía eléctrica en mecánica).

Los principios de funcionamiento de estos dispositivos están basados en la inducción electromagnética y en lafuerza que desarrollan los conductores eléctricos cuando son recorridos por corrientes eléctricas y atravesadosa su vez por campos electromagnéticos.

La máquina eléctrica de c.c. se define como un convertidor electromecánico rotativo basado en los fenómenosde inducción y de par electromagnético, que transforma la energía mecánica en electricidad, bajo los efectos deuna corriente continua (generador), o viceversa, la energía eléctrica en forma de corriente continua, en energíamecánica (motor).

El motor de c.c. puede funcionar indistintamente como motor o como generador (dinamo), por tanto laconstitución de la máquina hace que sea igual en ambos casos.

Imagen 3. Motores de c.c. de varios tamaños.Fuente: Wikipedia. Creative Commons

Busca por internet imágenes y fabricantes de máquinas de corriente continua.



3.1.1. Principio general de funcionamiento

Funcionamiento como motor de c.c .:

Funcionan aprovechando la siguiente ley: "Cuando un conductor está inmerso en el seno de un campomagnético y por él hacemos circular una intensidad, aparecen unas fuerzas de carácter electromecánico quetienden a desplazarlo". ¿A que esta ley os suena familiar? ¡Claro que sí! La vimos en la unidad Conceptos yfenómenos electromagnéticos , donde estudiamos el electromagnetismo. Esta ley satisface a la siguientefórmula:

F = B x L x I

Para determinar su sentido se aplica la regla de Fleming de la mano izquierda, como en la siguiente figura:

Regla de la mano izquierda

Imagen 4. Regla de la mano izquierdaFuente: Wikipedia . Creative Commons

Funcionamiento como generador de c.c. :

Cuando movemos un conductor en el seno de un campo magnético se induce una f.e.m. (Fenómeno deinducción electromagnética):

Einducida = B x L x V

Siendo E=f.e.m. inducida en V; v = velocidad en m/s.

El sentido de la I inducida es tal que tiende a oponerse de la causa que la originó (Ley de Lenz: "El sentido de la corriente inducida sería tal que su flujo se opone a la causa que la produce").

Siendo: F=Fuerza en N; B= Inducción en T. L=Longitud en m; I=Intensidad en A.

Para determinar el sentido de la Fuerza se aplica la regla de Fleming de la mano derecha, como en la siguientefigura:

Regla de la mano derecha

Imagen 5. Regla de la mano derechaFuente: Wikipedia. Creative Commons

Aquí os dejo un enlace a una página web donde nos resume y representa los generadores y motoreseléctricos, fijaros bien en los dibujos. Espero que os guste y vayáis entendiendo lo que son este tipo de



máquinas eléctricas:

Representación de generadores y motores eléctricos



3.1.2. Disposición constructiva

Debido a que el proceso de conversión de la energía mecánica en energía eléctrica es reversible, laconstitución de la máquina es idéntica para una dinamo o un motor. La máquina consta de las partessiguientes:

Inductor :

Es la parte de la máquina destinada a producir el campo magnético. Como esta parte de la máquina estáinmóvil o estática se le llama también estátor . Consta de las siguientes partes:

Culata: Forma parte de la carcasa. Sirve para cerrar el circuito magnético. Construida de hierrofundido o de acero dulce. Polos inductores: Destinados a obtener el máximo flujo magnético con la intensidad mínima deexcitación. Son imanes permanentes o electroimanes sujetos a la carcasa.Polos auxiliares: Sirven para mejorar los efectos de la reacción de inducido y la conmutación(evitar la producción de chispas entre colector y escobillas). Estos efectos los explicaremos másadelante. Se emplean en máquinas de mediana y gran potencia. Construcción idéntica a los polosinductores. Arrollamientos del sistema inductor: Lo forman las bobinas de excitación. Para su construcciónse emplean alambres y pletinas de cobre o aluminio.

Estator de una máquina eléctrica

Imagen 6. Estator de una máquina eléctricaFuente: Wikipedia. Creative Commons

Inducido :

Es la parte giratoria de la máquina, también llamada rotor. Consta de una pieza cilíndrica formada por un núcleode chapas magnéticas aisladas entre si por medio de barnices y montado sobre un eje. Cada chapa dispone deranuras, donde se alojan las bobinas del inducido, destinadas a la producción de f.e.m.

Inducido de un motor eléctrico

Imagen 7. Inducido de un motor eléctricoFuente: Banco de imágenes y sonidos del ITE

Creative Commons



Colector :

Es un cilindro formado por delgas o anillos de cobre trapezoidales, aisladas entre sí mediante mica, yconectadas cada una a una bobina del inducido.

Anillos del colector señalados en un rotor de c.c.

Imagen 8. Anillos del colector señalados en un rotor de c.c.Fuente: Wikipedia. Creative Commons

Escobillas :

Son piezas de carbón o metálicas, que mantienen el contacto entre el colector de delgas (parte móvil) y elcircuito exterior (parte fija).

Escobillas

Imagen 9. EscobillasFuente: Wikipedia. Creative Commons

Entrehierro:

Espacio comprendido entre las expansiones polares y el inducido.

Partes de un motor eléctrico de arranque

Imagen 10. Partes de un motor eléctrico de arranque. 1. Carcasas de cierre. 2. Engranaje.3. Inducido. 4. Estator. 5. Contactos del inducido (escobillas). 6. Electroimán solenoide

Fuente: Wikipedia. Creative Commons



3.1.3. Clasificación de las máquinas de c.c.

Las máquinas de corriente continua se clasifican en:

Generadores de c.c. (dinamos) Motores de c.c.

Dependiendo del tipo de excitación pueden ser:

de excitación independienteautoexcitación, y éstas a su vez pueden ser:

serie, shunt o paralelocompound.

Como podéis observar, todas las máquinas rotativas, sea del tipo que sean, siempre se clasificarán porgeneradores y motores, es decir producen energía eléctrica o generan movimiento.



3.2. Generadores de c.c. : Dinamos

Son máquinas que transforman la energía mecánica que reciben a través de un eje en energía eléctrica,que suministran por sus bornes en forma de c.c.

Imagen 11. DinamoFuente: Banco de Imágenes del ITE. Creative Commons

Imagen 12. Dinamo antigua para producir electricidad. Museo de la Técnica de Terrasa

Fuente: Wikipedia. Creative Commons



3.2.1. Producción de f.e.m. en una dinamo

Como hemos dicho antes se basa en la ley de inducción electromagnética:

E = B x L x v

Principio de inducción electromagnética

Imagen 13. Principio de inducción electromagnéticaFuente: Wikipedia. Creative Commons

Si en lugar de un conductor se emplea una espira haciéndola girar en un campo magnético, se inducirá en ellauna f.e.m. alterna que puede aplicarse a un circuito exterior, por medio de 2 escobillas, que frotan 2 anilloscolectores. Si sustituimos los 2 anillos colectores por uno solo, dividido en 2 partes (aislándolos entre sí)llamadas delgas, se obtendrá una f.e.m. pulsatoria.

Si estudiamos la espira en varias posiciones diferentes y aplicamos la regla de la mano derecha paradeterminar el sentido de la f.e.m. inducida, observamos que la Intensidad se invierte en el conductor, pero noen el colector de delgas. Si quisiéramos invertir el sentido de la f.e.m. bastará con invertir el sentido delmovimiento o el campo magnético.

Si se emplean 2 espiras perpendiculares, llevando sus extremos a las 4 delgas del colector, la f.e.m. será máscontinua. Por tanto al aumentar el nº de espiras desplazadas entre sí, la f.e.m. resultante se va aproximando auna corriente continua pura (línea recta). Esto se consigue en la práctica con 20 bobinas.

Tensión producida por una dinamo con pocas delgas Tensión producida por una dinamo con varias delgas

Imagen 14. Tensión producida por una dinamo con pocasdelgas

Imagen de elaboración propia

Imagen 15. Tensión producida por una dinamo con variasdelgas

Imagen de elaboración propia

Aquí os dejo un enlace a una página web donde se representa claramente cómo es un generadoreléctrico de c.c.:

Generador eléctrico de C.C.



3.2.2. Tensión de servicio y nomenclatura de lasmáquinas eléctricas de c.c.

Bueno, bueno... esto se está poniendo muy interesante. Ya conocemos la clasificación de las máquinaseléctricas de corriente continua, también sabemos cómo se produce electricidad en los generadores, y antes deestudiar sus esquemas y funcionamiento de los mismos, vamos a conocer las tensiones de servicio para suutilización y su nomenclatura, la cual hallaréis en cualquier esquema de generadores o motores de c.c.

Con todo esto no tendréis problema en identificar dichas máquinas de c.c. ¡Vamos allá!

Tensión de servicio

Las tensiones nominales de un generador de c.c. están normalizadas y son las siguientes:

24v - 40v - 110v - 220v - 440v - 600v - 750v

Nomenclatura de las máquinas eléctricas de c.c.

Antes de poner los esquemas de cada uno de los tipos de generadores de c.c. definiremos cual es sunomenclatura y definición de los bornes de cada una de las partes que componen los diferentes esquemas dela máquinas de c.c. Esta nomenclatura es válida tanto para generadores o dinamos como para motores de c.c.

Ri = AB = Devanado inducido.Rd , Rp = CD = Devanado excitación shunt (paralelo)Rs = EF = Devanado excitación serieRaux, Rc = Devanado auxiliarRei = JK = Devanado excitación independiente.Ra = Reostato de arranque.Rv, Rr = Reostato de velocidad



3.2.3. Excitación de las dinamos

La intensidad de excitación, que es la que circula por las espiras del inductor para producir el campomagnético, puede provenir de una fuente de energía externa a la dinamo (pilas, acumuladores, otradinamo) y en este caso se denominan dinamo con excitación independiente, o también la propia dinamopuede producir la intensidad necesaria para su excitación y en este caso se denominan dinamosautoexcitatrices.

En este último caso, dependiendo como se coloque el circuito inductor, pueden distinguirse: serie, shunto paralelo, y compound.

Esquemas de generadores de c.c. o dinamos.

Esquema de un generador de corriente continua con excitación independiente

Imagen 16. Esquema de un generador de corriente continua con excitación independiente.Imagen de elaboración propia

Esquema de un generador de corriente continua con excitación shunt o paralelo

Imagen 17. Esquema de un generador de corriente continua con excitación shunt o paraleloImagen de elaboración propia

Esquema de un generador de corriente continua con excitación serie

Imagen 18. Esquema de un generador de corriente continua con excitación serie.Imagen de elaboración propia

Esquema de un generador de corriente continua con excitación Compound

Imagen 19. Esquema de un generador de corriente continua con excitación CompoundImagen de elaboración propia

Pulsa sobre la imagen para ampliarla



3.2.4. Aplicaciones de los generadores de c.c.

Dependiendo de cómo sea la excitación del devanado en los generadores de corriente continua tendremos unaserie de características a tener en cuenta para poder elegir el generador que más nos convenga. Los másutilizados son los generadores de excitación independiente y compound.

Generador con excitación independiente:

En la gráfica se puede comprobar que la tensión que proporciona la dinamo a la carga disminuye al aumentar laintensidad de carga. Esto es debido a que la caída de tensión que se produce en la Resistencia de inducido (Ri)aumenta de forma proporcional a la intensidad.

Características en carga de una dinamo con excitación independiente

Imagen 20. Características en carga de una dinamo con excitación independiente.Imagen de elaboración propia

Generación con excitación shunt:

En la gráfica observamos que la tensión que proporciona el generador se reduce drásticamente con losaumentos de la intensidad de carga. Esto se debe a que al aumentar la tensión en el inducido con la carga seproduce una disminución de la Vb, que provoca a su vez, una reducción de la Iex. Esto hace que la f.e.m.inducida se vea reducida, pudiéndose llegar a perder la excitación de la dinamo para cargar muy elevadas. Porconsiguiente se emplea cuando no hay cambios frecuentes y considerables de carga.

Características en carga de una dinamo en derivación

Imagen 21. Características en carga de una dinamo en derivación.Imagen de elaboración propia

Generador de excitación en serie:

Toda la intensidad que el generador suministra a la carga fluye por ambos devanados. El inconveniente es quecuando trabaja en vacío (sin carga conectada), al ser la intensidad nula, ya que el circuito está abierto, no seexcita.

Cuando aumenta mucho la intensidad de carga, también lo hace el flujo inductor por lo que a la Vb de la dinamotambién se eleva, por consiguiente es muy inestable y apenas se usa industrialmente.

Generador con excitación Compound:

Gracias a la combinación de los efectos serie y derivación en la excitación de la dinamo, se consigue que laTensión que suministra el generador a la carga sea más estable para cualquier régimen de carga. Esta granestabilidad hace que ésta sea en la práctica la más utilizada para la generación de energía.



3.3. Motores de c.c.

Es una máquina de c.c. que transforma la energía eléctrica en mecánica.

Presentan los inconvenientes de que sólo pueden ser alimentados a través de equipos que conviertan la c.a.suministrada por la red eléctrica en c.c. y que su construcción es mucho más compleja que las de c.a. ynecesitan colectores de delgas y escobillas para su funcionamiento, necesitando trabajos de mantenimientodebido al desgaste por rozamiento de estas piezas.

Presentan las ventajas de poseer un par de arranque elevado y que su velocidad puede ser reguladafácilmente entre amplios límites, lo que las hace ideales para ciertas aplicaciones como por ejemplo la traccióneléctrica (tranvías y trenes).

Aquí te muestro un vídeo donde se muestra cómo es el funcionamiento del motor de corriente continua de unamanera muy básica, para seguidamente poder entender todo sin ninguna duda:

Video 2. Motores de corriente continua.Fuente: Youtube



3.3.1. Principio de funcionamiento

Se basa en las fuerzas que aparecen en los conductores cuando son recorridos por una intensidad y a su vez,están sometidos a la acción de un campo magnético: F = B x L x I.

La espira es recorrida por una intensidad que se suministra a través del contacto de un colector de delgas con unas escobillas, de tal forma que la intensidad generada por una fuente de alimentación puede llegar a estaespira. La espira está situada entre 2 polos de un imán, que es el encargado de producir el campo magnético.

Cómo las intensidades que circulan por ambos lados de la espira son contrarias, aparecen unas fuerzastambién contrarias en cada lado activo de la espira, lo que determina un par de giro.

El colector de delgas se encarga de que la intensidad circule siempre en el mismo sentido en la espira y así elpar de fuerzas siempre girará también en el mismo sentido.

Video 3. Direct Current Electric Motor.Fuente: Youtube



Imagen 22. Funcionamiento del motor de c.c.Fuente: Wikipedia. Creative Commons

Si queremos invertir el sentido de giro del motor, deberemos invertir también el par de fuerzas y esto seconsigue cambiando el sentido de las intensidades del rotor y manteniendo el campo magnético inductorconstante.



3.3.2. Comportamiento en servicio. Característicasfuncionales

Cuando la intensidad recorre los conductores, se produce un par de giro en el rotor, el cual empieza aacelerarse hasta alcanzar sus revoluciones nominales. Esta intensidad que aparece en el inducido, dependeráde la f.c.e.m (fuerza contra electromotriz) que se desarrolla en el mismo.

Vamos a estudiar la relación entre estas variables.

F.c.e.m.:

Cuando un motor gira, impulsado gracias al par de giro desarrollado por los conductores del inducido cuandoson recorridos por una intensidad, dichos conductores cortan en su movimiento a las líneas de campomagnético del inductor, lo que hace que se induzca en ellas una f.e.m. El sentido de estas f.e.m. es tal quetiende a oponerse a la causa que lo produjo (la intensidad del inducido y la tensión aplicada al motor). Estaf.e.m. se denomina f.c.e.m. y produce un efecto de limitación de la intensidad del inducido y su valor se obtieneaplicando el principio de Faraday que depende del flujo magnético que corten los conductores, así como lorápido que lo hagan y el número de ellos.

Siendo:

E: f.e.m. entre escobillas.2p: nº de polos de la máquina.z: nº de conductores activos.n: velocidad en r.p.m.2a: nº de ramas en paralelo, que dependen del tipo de inducido (bobinado):Imbricado simple: 2a = 2pOndulados: 2a = 2

La f.c.e.m. es proporcional al flujo inductor y al número de revoluciones del motor.

Un motor eléctrico de corriente continua bipolar posee dos caminos de arrollamientos en paralelo en el inducido, con 700 conductores activos. En funcionamiento normal gira a 1500 r.p.m. siendo el flujo útilpor polo de 600.000 Maxwell.

Calcular la fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m)



Con esta fórmula también se puede calcular la f.e.m. inducida en una dinamo:

Calcular la f.e.m. inducida en una dinamo hexapolar que tiene 680 conductores activos totales en elinducido, gira a 700rpm y el flujo máximo por polo es de 300mWb.

En el caso de que la dinamo tenga el devanado de inducido imbricado simple.a.En el caso de que la dinamo tenga el devanado de inducido ondulado simple.b.

Corriente de inducido:

Cuando el motor trabaja en vacío, el par motor originado por los conductores de inducido provoca un aumentode la velocidad del motor, debido a la poca resistencia que encuentra. Este aumento de la velocidad, produce asu vez una mayor f.c.e.m. que limita la intensidad del rotor a valores de intensidad de vacío.

Cuando el motor arrastra una carga mecánica, la velocidad tiende a decrecer, con lo cual disminuye la f.c.e.m. yla intensidad aumenta, elevándose con ella el par de fuerzas. La intensidad que el motor absorbe depende deltrabajo mecánico que tenga que realizar.

Siendo:

Vb: Tensión en los bornes del motor.E: f.c.e.m.Ri: Resistencia de inducidoUe: la tensión en las escobillas

En un motor de c.c. ¿Qué se entiende por corriente de excitación y por corriente de inducido?



Intensidad absorbida en el arranque:

La intensidad absorbida en el arranque de un motor de c.c. es muy elevada, debido a que en el momento delarranque del rotor está parado y su f.c.e.m. es nula:

Por tanto es necesario limitar a unos valores más moderados esta intensidad de arranque.

En un motor de c.c. es sencillo limitar dicha intensidad, intercalando unas resistencias adicionales en serie conel inducido. Según el motor va acelerando se va disminuyendo el valor de dichas resistencias.

El reglamento electrotécnico de baja tensión (REBT), en la instrucción 034, establece el número deveces que la intensidad de arranque de los motores puede superar a la intensidad nominal.

Para reducir la intensidad que se absorbe en el arranque se coloca una resistencia en serie con elinducido, el reostato de arranque, denominada Ra.

Par motor:

El par motor que desarrollan los conductores de inducido, al ser recorridos por una intensidad, dependerá delvalor de dicha intensidad y del flujo desarrollado por el campo inductor:

También se puede expresar como la relación entre la potencia útil desarrollada por el rotor y la velocidadangular del mismo:

Velocidad de giro:

Se obtiene combinando la ecuación de la f.c.e.m. y la intensidad de inducido:



Igualando estas 2 ecuaciones:

Y despejando la n:

La velocidad de giro de un motor de c.c. aumenta con la tensión aplicada, al disminuir la intensidad de inducidoIi y al disminuir el flujo producido por el campo inductor.

Para regular la velocidad se puede hacer de 2 formas diferentes:

Manteniendo constante el flujo y variando la tensión aplicada.1.Manteniendo constante la tensión y variando el flujo de excitación. Éste sistema es el más utilizado porsu sencillez, ya que es suficiente con intercalar una Resistencia variable en serie con el circuitoencargado de producir el campo magnético inductor.

2.

Reacci ón de inducido:

Cuando los conductores del inducido son recorridos por una intensidad, producen un campo magnético. Ladirección de este campo transversal de reacción adquiere la misma dirección que el eje de las escobillas, con loque resulta ser perpendicular al campo principal producido por los polos inductores.

El campo transversal debido a la reacción de inducido se suma vectorialmente al principal, dando un campomagnético resultante que queda desviado de la posición original.

Suma vectorial resultante debido a la reacción de inducido

Imagen 23. Suma vectorial resultante debido a la reacción de inducido.Elaboración propia

Esta desviación del campo inductor produce una serie de problemas cuando las escobillas conmutan de unadelga a otra en el colector, dando como resultado chispas que perjudican notablemente el funcionamiento de lamáquina.

Existen 2 posibilidades para evitar los efectos perjudiciales de la reacción de inducido:

Desviar las escobillas, hasta que el eje de las mismas coincida con la perpendicular al camporesultante. Inconveniente: La desviación de las escobillas será adecuada para sólo una intensidaddeterminada.

1.

Disponer de unos polos auxiliares de conmutación. Éstos se disponen en la culata del motor de talforma que produzcan un campo transversal del mismo valor y de sentido contrario al flujo transversal dereacción de reacción de inducido. Para que esto sea así los polos de conmutación se conectan en seriecon el inducido para que la intensidad por ellos sea igual que la del inducido, de tal forma que cuandocrece el campo transversal de reacción de inducido por una aumento de la intensidad, también lo hace elflujo de compensación producida por los polos de conmutación y así conseguiremos eliminar el campomagnético de reacción de inducido.

2.



Te presento una página web, donde se te muestra de una forma más detallada la reacción de inducido.Fíjate en los esquemas y dibujos. Con ello te quedará perfectamente claro este problemilla que sepresentan en los motores de c.c.:

Reacción de inducido y fenómeno de conmutación

Fenómeno de conmutación:

Se define como la modificación de la intensidad en las secciones cortocircuitadas por las escobillas durante laduración del cortocircuito. Las espiras pasan de un instante determinado de una posición a otra cambiando elsentido de la corriente. Esta inversión de corriente en la espira que está cortocircuitada bajo la presión de laescobilla puede perjudicar a la bobina.

Fenómeno de conmutación producido en el colector de delgas

Imagen 24. Fenómeno de conmutación producido en el colector de delgasElaboración propia

La inversión de la intensidad en la bobina lleva consigo una variación de flujo que produce una f.e.m. deautoinducción denominada "Tensión reactiva de conmutación" y que será por tanto mayor cuanto mayor sea elvalor de la variación del flujo y menor el tiempo de conmutación.

La existencia de la tensión reactiva origina chispas en el colector de delgas y tiende a retardar la inversión de laIntensidad según la ley de Lenz .



3.3.3. Balance de potencias en los motores de c.c.

Este apartado lo estudiaremos mediante un esquema y un ejercicio posterior, ya que en el anterior tema hemosvisto el balance de potencias de las máquinas eléctricas rotativas. Mediante este ejercicio este apartadoquedará perfectamente claro para poder afrontar cualquier problema o ejercicio referido al balance de potenciasde los motores de corriente continua.

Imagen 25. Balance de potencias de los motores de c.c.Imagen de elaboración propia


De este esquema se puede ver como el motor absorbe de la red la potencia eléctrica (Pab), mientras que eninducido únicamente se transforma en potencia mecánica una parte de ella, denominada potencia interna oelectromagnética (Pe).

De la potencia interna desarrollada en el inducido sólo una parte es aprovechada en el eje del motor, siendoesa parte la potencia útil o mecánica (Pu):

¿Qué es el rendimiento eléctrico?1.¿Qué es el rendimiento industrial?2.¿Qué es la potencia útil?3.¿Qué es la Pfe?4.¿Qué es la Pm?5.¿Qué es la Pj?6.



Un motor de corriente continua serie tiene una tensión en bornes de 230V y absorbe de la red 15A. Laf.c.e.m. generada en el inducido es de 220V y las pérdidas en el hierro más las mecánicas son de 250W.

Calcular:

El rendimiento eléctrico.1.El rendimiento industrial.2.Las pérdidas de potencia por efecto Joule.3.

Sabiendo cómo es el balance de potencias de un motor de c.c., explica cómo sería el balance depotencias en un generador de c.c.

Al ser un generador de c.c., puedes hacer un símil hidráulico partiendo de la Potencia mecánica ysabiendo que su fin es la Potencia eléctrica.

Una vez estudiadas el balance de potencias de una dinamo, resolveremos unos ejercicios relativos al balancede potencias de este tipo de máquinas de corriente continua.

Como comprobarás no son tan difíciles, ¡Vamos allá!



Ejercicio para el cálculo del par interno y potencia interna de una dinamo:

En una dinamo hexapolar que tienes 680 conductores activos totales en el inducido y gira a 700 rpm y elflujo máximo por polo es de 30mWb, y su devanado es imbricado simple.

Calcular:

Par interno, si por su inducido circulan 20A.a.Potencia interna b.



3.3.4. Conexión de los motores de c.c. Aplicaciones

Dependiendo de cómo se conecte el devanado de excitación respecto al inducido los motores pueden ser:

Motor con excitación independiente:

El devanado de excitación se conecta a una fuente de tensión diferente a la aplicada al inducido. Estaseparación aporta la ventaja de mayores posibilidades de regulación de velocidad que el de derivación.

Esquema de un motor de corriente continua con excitación independiente

Imagen 27. Esquema de un motor de corriente continua con excitación independiente.Imagen de elaboración propia

Se aplica donde se requiera una velocidad prácticamente constante

Motor con excitación en derivación o shunt:

El devanado de excitación se conecta en paralelo con el inducido. La velocidad de un motor con excitación enderivación permanece prácticamente constante para cualquier régimen de carga.

Esquema de un motor de corriente continua con excitación en derivación o shunt

Imagen 28. Esquema de un motor de corriente continua con excitación en derivación o shunt.Imagen de elaboración propia

Gráficas de velocidad y carga en un motor con excitación en derivación o shunt

Imagen 29. Gráficas de velocidad y carga en un motor con excitación en derivación o shunt.Imagen de elaboración propia

Cuando se aumenta el par resistente aplicado al motor, la Ii aumenta para producir un par motor igual al mismo.Dada su estabilidad, éste posee un campo de aplicación muy amplio: máquinas, herramientas para metales,madera, plásticos...etcétera.

Un motor derivación de 4 polos posee un inducido del tipo imbricado simple con 800 conductores. Laresistencia del inducido es de 0,15Ω y la del devanado inductor de 220Ω. La tensión de la red es de220V. En condiciones nominales el motor gira a 1500 rpm. El flujo por polo vale 1.060.000 Maxwell.

Calcular:

Intensidad absorbida por el motor.1.Potencia absorbida.2.



Par o momento angular interno.3.Si la intensidad admisible en el arranque es 2 veces la nominal, deducir el valor que deberá tenerla resistencia del reostato de arranque.

4.

Momento angular o par de arranque.5.

Motor con excitación en serie:

El devanado de excitación se conecta en serie con el inducido, por lo tanto la Iex = Ii. Según aumenta laintensidad del motor, el motor va perdiendo velocidad. Para intensidades muy pequeñas el motor tiende aalcanzar velocidades muy elevadas.

Esquema de un motor de corriente continua con excitación en serie

Imagen 31. Esquema de un motor de corriente continua con excitación en serie.Imagen de elaboración propia

Tiene un par elevado de arranque, ya que si la intensidad es elevada, el par crecerá de forma cuadrática a esaintensidad.

La velocidad del motor disminuye según se le exige un mayor par resistente.

Gráficas de velocidad, par y par-velocidad en un motor con excitación en serie

Imagen 32. Gráficas de velocidad, par y par-velocidad en un motor con excitación en serie.Imagen de elaboración propia


Se utilizan para los casos que se exige un gran par de arranque: tranvías, locomotoras, grúas... etcétera, y esmuy práctica su utilización en tracción eléctrica.

Un motor serie posee una resistencia en el inducido de 0,2Ω. La resistencia del devanado de excitaciónserie vale 0,1Ω. La tensión de la línea es de 220V y la f.c.e.m. es de 215V.

Determinar:

La intensidad que absorbe en el arranque.1.La intensidad nominal de la línea.2.La resistencia a conectar para reducir la intensidad de arranque al doble de la nominal.3.

Resolver el ejercicio:

Despreciando la caída de tensión en las escobillas.a.Sin despreciar la caída de tensión en las escobillas.b.



Motor con excitación en compound:

Las características del motor compound están comprendidas entre las del motor shunt y las del motor serie.

Estos motores se emplean en muy pocas ocasiones, debido al peligro de embalamiento para fuertes cargas.

Aún así su mayor utilización es en grúas, tracción, ventiladores, prensas, limadores, etcétera, y en máquinasque requieran elevado par de arranque, como compresores, laminadoras, etcétera.

Motor de c.c. de pequeña potencia

Imagen 34. Motor de c.c. de pequeña potencia.Fuente: Banco de imágenes del ITE . Creative Commons

Este problema es de un examen de prueba de acceso a la universidad, ¿lo hacemos?

Un motor de c.c. de excitación compound larga tiene por características:

F.c.e.m. E`= 230V.Resistencia de inducido, Ri = 0,1Ω.Resistencia de excitación serie, Rs = 0,1Ω.Resistencia de excitación derivación, Rd = 40Ω.

Si se alimenta a una tensión de 240V, determinar:

Las corrientes que circulan por sus devanados.1.La potencia mecánica suministrada (Potencia útil), la potencia absorbida de la línea dealimentación, y las pérdidas de calor en sus devanados.

2.

El par motor, sabiendo que gira a 1000 rpm.3.

Como habréis comprobado la resolución de problemas de máquinas eléctricas de corriente continua sonrelativamente sencillos. Lo primero que tenéis que hacer para resolver cualquier ejercicio de este estilo esdibujar su esquema y sustituir sus valores, al hacerlo se queda un circuito eléctrico sencillo donde hallaréis eldato o los datos que os pidan.

Luego con el esquema del balance de potencias, el cálculo de cada una de ellas no es complicado.

Y por último el par, que manejando bien el balance de potencias no es complicado.

En el archivo de tareas se os propondrán varios ejercicios y habrá un apartado de problemas propuestos enPAU, PAEG, etcétera.



3.3.5. Inversión del sentido de giro

Existen 2 formas, cambiando la polaridad del inducido, manteniendo fija la polaridad del devanado de excitacióno viceversa.

En la práctica se suele optar por la primera, ya que invertir la polaridad de excitación ocasiona ciertosinconvenientes.

Esquema de fuerza correspondiente a la inversión de giro de un motor con excitación serie

Imagen 36: Esquema de fuerza correspondiente a la inversión de giro de un motor con excitación serie.Imagen de elaboración propia



3.3.6. Regulación y control de los motores de c.c.

En la actualidad y gracias a la electrónica, ya no se suelen utilizar los reóstatos como elementos de regulación.

Los modernos reguladores construidos a base de tiristores y sensores son capaces de conocer en todomomento el punto de funcionamiento del motor de tal forma que se consigue el control y regulación de todas lasvariables con la máxima efectividad.

Motor de c.c.con excitaciónshunt

Motor de c.c.con excitaciónserie

Imagen 37. Motor de c.c. con

excitación shunt.Fuente: Banco

de imágenes delITE. Creative

Commons

Imagen 38. Motor de c.c. con

excitación serie.Fuente: Banco

de imágenes delITE Creative Commons

Motor de c.c. con excitacióncompound

Imagen 39. Motor de c.c. conexcitación compound.

Fuente: Banco de imágenes delITE. Creative Commons



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