Maquinas de corriente continua (cc).

Las maquinas de corriente continua ( cc) son generadores que convierten energía mecánica en energía eléctrica de corriente continua y motores que convierten energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica. Las mayor parte de las maquinas de cc se asemejan a las maquinas de corriente alterna (ca) en que tienen voltajes y corrientes de ca que le circulan por su interior, producen cc solo a la salida , porque hay un mecanismo que convierte el voltaje interior de ca en voltaje de cc en sus terminales. Como este mecanismo se llama colector, la maquina cc también se conoce como maquina de colector.

Desde el punto de vista constructivo, esta máquina está constituida por dos núcleos de fierro, generalmente laminado, uno fijo (carcasa) y otro que gira (inducido o armadura). En ambos núcleos van ubicadas bobinas de diferentes configuración que crean campos electromagnéticos que interactúan de modo que se pueda obtener o una tensión general o bien un torque motriz en el eje, según la maquina trabaje como generador o motor. Las bobinas de rotor que en este caso para la máquina de corriente continua (cc) se llama inducido o armadura, se define como aquellas en las que se induce un voltaje y las bobinas inductoras ubicadas en el estator que en este caso para la máquina de cc se llama carcasa, se define como aquellas que producen el flujo magnético principal en la maquina.

Generador de corriente continúa.

*Principios de funcionamiento .

El principio básico de generación de una f.e.m. es el desplazamiento de un conductor en forma perpendicular a un campo magnético.

fig 1

e = B · l . v

siempre y cuando el campo magnético sea uniforme de inducción constante B a lo largo del recorrido del conductor y la velocidad “v” sea perfectamente normal a "B" (fig. 1)

Si en lugar de un solo conductor se tienen dos conductores que constituyen una bobina, la cual gira sobre su eje sumergida en un campo magnético uniforme de inducción B y si el eje de giro es normal a B se tiene lo indicado en la fig 2

fig 2

Si se aplica la ley de Faraday e=−dΦ

dt=−

d (B⋅S )dt

=−B⋅dSdt y como la

proyección de la rotación de una superficie sobre un plano da una función armónica

e = - B · S · cos(t)

Esto es exactamente una f.e.m. alterna y dista mucho de lo que se pretende que es una f.e.m. continua. Un método para obtener continua a partir de alterna es mediante la rectificación o conmutación. Esto se logra mediante un conmutador que consiste en un anillo dividido en dos casquillos aislados entre si y conectados cada uno de ellos a cada lado de bobina. Colocando las escobillas en forma opuesta respecto al eje al ir girando el conmutador, se invertirán sucesivamente las conexiones al exterior.

fig 3

Las escobillas se pueden ubicar en forma tal (fig. 3) que la inversión de conexiones se produzca justo en el momento en que la f.e.m. pasa por el valor cero. De esta forma se obtiene una onda rectificada como se indica en la misma figura. Esto no es tampoco una f.e.m. continua pero al menos tiene un valor medio distinto de cero.

Esta rectificación se puede mejorar aumentando el número de bobinas y de delgas del conmutador. Por ejemplo si colocamos dos bobinas desplazadas entre si en 90 grados con cuatro casquillos o delgas según se indica en la figura 4.

fig 4

La fem. obtenida de esta forma es ya más cercana a una continua. Se puede considerar como una gran componente de continua a la que se superpone una alterna de alta frecuencia y baja amplitud. La frecuencia de esa componente alterna (ruido o riple) aumenta con el número de bobinas decaladas pero su amplitud disminuye y finalmente desaparece por la inducción de las bobinas.

*Campo magnético de las máquinas de corriente continua.

En la descripción del principio de funcionamiento se propuso un campo magnético uniforme en el espacio. En la máquina eléctrica hay que hablar de circuitos magnéticos excitados con un imán permanente o con un bobinado alimentado con corriente continua. Lo más empleado es la excitación con un bobinado alimentado con corriente continua.

Las bobinas estarán alojadas en un cilindro de material ferromagnético, el cual debe girar por lo tanto debe quedar un espacio de aire entre éste y el resto del circuito magnético. El espacio de aire se conoce con el nombre de entrehierro.

fig 5

El arrollamiento de excitación se divide en dos y va colocado en la línea central a ambos lados del rotor formando los dos polos del campo magnético. El circuito magnético lógicamente se construye con materiales ferromagnéticos. No es necesario emplear hierro laminado en el estator ya que el flujo es constante.

El circuito magnético mostrado en la figura 5 es el correspondiente a una máquina de dos polos o de un par de polos, pero no es ésta la única forma ya que existen máquinas multipolares.

Una máquina puede ser de 4, 6, 8 o más polos. En el caso de una máquina de cuatro polos el circuito magnético sería el de la figura 6.

Los polos por lo general son piezas que se construyen en forma independiente y luego se atornillan a la culata. Están constituidos por el núcleo, la expansión polar

y el bobinado. El bobinado de excitación se efectúa sobre un carretel que se coloca sobre el yugo. Cuando la excitación del polo tiene dos bobinados, ambos van superpuestos. En la fig.7 se puede apreciar la construcción típica de un polo.

En el estator o inductor están también los polos auxiliares de conmutación y los arrollamientos compensadores los que se comentarán oportunamente.

fig.6 fig.7

*Rotor.

El rotor (que en esta máquina es el inducido) según vimos debe estar construido en un material ferromagnético.

Dado que el rotor gira existe una rotación relativa entre el campo magnético y el mismo, por lo tanto aparecen las pérdidas por histéresis y pérdidas por corrientes parásitas. Consecuentemente el rotor debe construirse en hierro laminado (chapa magnética) según figura 8.

fig. 8

En uno de los extremos del rotor va colocado el colector constituido por delgas de cobre con la forma indicada en fig 9. Las delgas van aisladas entre sí con placas de mica.

fig. 9

La unión entre delgas del colector y bobinado se efectúa en la banderilla, ya sea soldando los conductores a la misma o por pestañado a compresión.

Sobre el colector apoyan las escobillas que por lo general son de grafito. Estas poseen un mecanismo elástico que hace que ejerzan una determinada presión sobre el colector. Todo el sistema de escobillas y portaescobillas tiene un mecanismo para regular su posición en relación al eje neutro.

*Bobinados.

Cuando se analizó el funcionamiento del generador de se vio que aumentando el número de bobinas se mejora la f.e.m. haciendo que esta sea lo mas continua posible. Pero según este esquema propuesto las escobillas estarían apoyando sobre delgas conectadas a una sola bobina, y la f.e.m que se puede obtener de una sola bobina es muy pequeña. (menor que 1V). En un rotor son varias las bobinas en las que se inducen f.e.m. y con ese criterio no están conectadas. fig 10

fig 10

Para lograr valores aceptables de f.e.m. es necesario aumentar el número de vueltas por bobina y además conectar en serie con el mayor numero posible de bobinas que puedan sumar su f.e.m. constituyendo el bobinado de la máquina.

Para referirnos a bobinados podríamos emplear un capítulo entero o tal vez un libro pero solamente haremos referencia a dos tipos de bobinados básicos dan origen a distintos tipos de bobinado (figura 11)

.

Figura 11

imbricado ondulado

Figura 12

El bobinado de una máquina de corriente continua se divide en ramas. La característica fundamental del bobinado imbricado es que en él, el número de ramas y el número de escobillas es igual al número de polos de la máquina. En el bobinado ondulado el número de ramas es siempre 2 y el número de escobillas

. Los dos tipos de bobinados son el imbricado y el ondulado y sus nombres están relacionados con la forma en que se desarrollan alrededor del rotor (figura 12).

necesarias para su funcionamiento también es 2 aunque por lo general se suele agregar otro par más de escobillas para garantizar el funciona miento de la máquina aunque falle alguna escobilla.

La fuerza electromotriz total inducida en una máquina de corriente continua depende entonces del tipo de bobinado y responde a la fórmula

E=Φ⋅n⋅Z⋅P

a⋅ 160

Donde:

Z: es el número de lados activos del inducido

N: es la velocidad de giro en (r.p.m.)

Φ: es el flujo por polo

P: es el número de polos

a: es el número de ramas en paralelo del inducido.

En el caso de bobinado imbricado a = P

En el caso de bobinado ondulado a = 2

*Reacción de inducido.

Cuando se conecta una carga al generador, la corriente que circula por los arrollamientos del rotor crearán un campo magnético que se superpone al campo principal de la máquina según fig. 13. En términos generales este campo creado por el rotor es una magnetización transversal de la máquina que se traduce en un desplazamiento del eje neutro de la misma.

fig.13

Si analizamos la figura veremos que en la parte superior del polo norte el campo creado por el inducido se suma al flujo principal y en la parte inferior se resta. En cambio en la parte superior del polo sur el campo creado por el. inducido se resta al campo principal y en la parte inferior se suma.(figura 14)

Con esto se podría suponer que el flujo total permanece constante lo que no es cierto porque aparece el problema de saturación del circuito magnético.

fig. 14

La reacción de inducido se corrige con los arrollamientos compensadores y en algunos casos (máquinas muy pequeñas) con los polos auxiliares de conmutación aunque la misión fundamental de estos últimos es otra.

Los arrollamientos compensadores son arrollamientos alojados en ranuras practicadas a las expansiones polares (fig. 15) y están conectados en serie con el inducido para que en ellos circule la corriente de carga en un sentido tal que su fuerza magnetomotriz se oponga a la de reacción de inducido.

fig. 15

*Conmutación.

La conmutación implica cambio de conexión de una bobina, consecuentemente se produce una inversión de corriente en la misma.

Toda inversión de corriente, tratándose de un circuito altamente inductivo implica una fuerza electromotriz de autoinducción:

e=−L⋅di

dt

El valor di es un valor finito ya que se trata de la inversión de un valor dado de corriente, y el valor dt en el que se produce la inversión es muy pequeño (del orden del milisegundo) por lo tanto “e” puede tomar valores grandes capaces de vencer la rigidez dieléctrica del medio aislante que rodea a las delgas y escobillas produciendo un chisporroteo.

Una forma de solucionar este problema consiste en crear sobre las bobinas que se están conmutando un campo magnético tal que induzca una f.e.m. que se oponga a la de autoinducción. Esto se logra con los polos auxiliares de conmutación que actúan sobre la zona neutra sin afectar al resto de las bobinas.

fig. 16

Estos polos auxiliares también van conectados en serie con el inducido.

*Formas de excitación

Hasta ahora se ha hablado de un campo magnético creado por un bobinado de excitación pero no se ha determinado como se alimenta dicha excitación.

Una forma de obtener la corriente de excitación sería mediante una fuente independiente, lo que se llama excitación independiente (fig 17).

fig17 fig 18

La máquina también puede ser autoexcitada en paralelo, derivación o shunt fig. 18 El arrollamiento de excitación estaría en este caso conectado en paralelo con el inducido con un reóstato intercalado para regular la corriente de excitación.

La máquina de corriente continua puede tener también una excitación serie o sea que el arrollamiento de excitación va conectado en serie con el inducido.(figura 19)

Esta conexión tiene muy poco uso como generador pero es muy utilizada en moto-res de corriente continua.

También puede emplearse una combinación de los dos tipos de excitación anteriores que sería la Conexión Compuesta (figura 20).

fig. 19 fig. 20

En las máquinas con excitación compuesta el arrollamiento serie y el arrolla miento derivación van superpuestos en los polos como se indica en la fig 21

fig.21

La conexión compuesta puede ser aditiva o sustractiva según los flujos creados por ambos arrollamientos se sumen o resten.

La conexión aditiva se utiliza en algunos generadores en donde se pretende compensar la caída de tensión con la adición del campo serie. La conexión sustractiva se emplean en las máquinas de soldar rotativas.

Motor de corriente continúa.

*Principio de funcionamiento.

Si se tiene una espira como la de la figura 22, sumergida en un campo magnético de inducción "B” y mediante una fuente externa hacemos circular una corriente se producirá una fuerza normal a la dirección “B".

fig. 22

Si la espira puede girar sobre su eje se desplazará hasta que quede en la posición horizontal fig. 23, tal vez continuaría girando un poco por inercia pero ni bien sobrepasa la posición horizontal las fuerzas comenzarán a actuar en contra del movimiento.

fig. 23

Para que continúe girando será necesario invertir el sentido de la corriente.

fig. 24

Esto se logra, al igual que en el generador de corriente continua, mediante un conmutador o colector fig. 25, obteniendo una cupla rectificada pulsante que hace que la máquina continúe girando en el mismo sentido.

fig. 25

Al igual que en el generador de corriente continua, aumentando el número de espiras y distribuyéndolas en forma radial se obtiene un resultado mejor.

*Características constructivas.-

Las características constructivas del motor de corriente continua son idénticas a las del generador de corriente continua.

* Excitación, Reacción de inducido, Conmutación.-

Los tipos de excitación son los mismos que para el generador de corriente continua: derivación, serie y compuesto. En el motor de corriente continua adquiere mucha importancia la conexión serie.

En cuanto a reacción de inducido y fenómenos de conmutación el comportamiento del motor de corriente continua es igual al del generador.

*Características del motor de corriente continua.-

La ecuación del motor de corriente continua es:

U = E + Ri · I

Donde:

U: es la tensión de alimentación de inducido

E: es la f.e.m. inducida en el bobinado como consecuencia de su movimiento debajo del campo magnético.

Ri: es la suma de la resistencia interna del bobinado inducido, más la resistencia de colector, más las resistencia de escobillas, más la resistencia de arrollamientos compensadores y más la resistencia de polos auxiliares de conmutación.

I: es la corriente de inducido

E = k · · n

Donde:

K: es una constante propia del motor

: es el flujo magnético por polo

N: es la velocidad de giro en r.p.m.

Entonces la ecuación será:

U = k · · n + Ri · I

En el motor de corriente continua la cupla es proporcional a la corriente y al flujo por polo.

C = k’ · I ·

Con estas ecuaciones se pueden deducir las curvas características de mayor importancia en los motores que son las de: cupla - velocidad y potencia - velocidad.

Para el motor con excitación derivación la curva característica par velocidad será la siguiente:

Fig26

El hecho de la característica par-velocidad sea una recta hace muy interesante esta máquina para el control de velocidad ya que la respuesta va a ser función lineal del estímulo.

El control de velocidad de esta máquina se hace modificando la tensión aplicada al inducido, para lo cual se puede colocar un reóstato en serie con el inducido.

fig. 27

Actualmente no se emplean reóstatos porque éstos disipan calor. En su lugar se emplean controles electrónicos.

Para el motor con excitación serie la curva característica par velocidad será la siguiente:

fig. 28

El motor serie de corriente continua tiende a embalarse cuando queda en vacio pudiendo llegar a su autodestrucción.

La ventaja del motor serie es su elevadísima cupla de arranque lo que lo hace muy útil para acelerar grandes masas. El motor serie de corriente, continua es la máquina ideal para tracción ferroviaria.

Fuerza electromagnética

La fuerza electromagnética es una interacción que ocurre entre las partículas con carga eléctrica. Desde un punto de vista macroscópico y fijado un observador, suele separarse en dos tipos de interacción, la interacción electrostática, que actúa sobre cuerpos cargados en reposo respecto al observador, y la interacción magnética, que actúa solamente sobre cargas en movimiento respecto al observador.

Las partículas fundamentales interaccionan electromagnéticamente mediante el intercambio entre partículas cargadas. La electrodinámica cuántica proporciona la descripción cuántica de esta interacción, considerado esta fuerza una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo actualmente más conocidas.

Bobinados Imbricados Simples

En estos bobinados, el paso de colector es igual a la diferencia de los pasos parciales.

Se dice que un bobinado imbricado es “simple”, cuando las secciones inducidas, directamente unidas entre sí, son consecutivas sobre la periferia de la armadura. Así el final de la sección 1 queda unido al principio de la sección 2. En consecuencia, el paso de colector en un bobinado imbricado simple es igual a la unidad.

Bobinados cruzados y sin cruzar: Los bobinados imbricados pueden ser:

Cruzados. Cuando el paso de conexión tiene un valor mayor que el ancho de sección. En esta clase de bobinado se avanza en el esquema hacia la izquierda. Por eso, a este bobinado se le llama “regresivo”.

Sin cruzar. Cuando el paso de conexión tiene un valor inferior al ancho de sección, por lo que el bobinado avanza en el esquema hacia la derecha. Por eso, también recibe el nombre de “progresivo”.

Bobinado imbricado simplea) Cruzado, b) Sin cruzar

Resumiendo:

Si es progresivo Y2 < Y1 y en consecuencia Ycol  =  +1

Si es regresivo Y2 > Y1 y en consecuencia Ycol  =  -1

Si en la fórmula

sustituimos el paso de colector por su valores posibles +1 y -1, resulta

Fórmula general de los bobinados imbricados simples, en la cual se toma +1 cuando se desee que sea progresivo o sin cruzar y -1 cuando, por el contrario, deseemos un bobinado regresivo o cruzado.

Bobinados ondulados simples en serie.

En un bobinado ondulado, después de recorrer un número de secciones inducidas igual al número de pares de polos, se completa una vuelta alrededor de la periferia de la armadura.

Se dice que un bobinado ondulado es simple o en serie cuando al completar la primera vuelta alrededor de la periferia del inducido se va a parar a la delga posterior o anterior  a la 1, de la cual se partió. Después de una serie de vueltas alrededor de la armadura se habrán recorrido todas las secciones inducidas y se llegará a la delga 1 cerrándose el bobinado.

En estos bobinados, el paso de colector resulta igual a la suma aritmética de los pasos parciales

Como resulta imprescindible que el paso de colector sea un número entero, el número delgas del colector y el número de pares de polos tienen que se primos entre sí.

Y al existir relación entre el número de delgas y ranuras del inducido por la fórmula

K y U también deben ser primos respecto al número de pares de polos.

Los bobinados ondulados simples no necesitan conexiones equipotenciales.

 Bobinados ondulados cruzados y sin cruzar. Los bobinados ondulados pueden ser:

Cruzados. Cuando después de haber completado una vuelta alrededor del inducido se pasa a la sección inducida situada inmediatamente después de la primera. Este tipo de bobinado recibe también el nombre de “progresivo”.

Sin cruzar. Cuando después de haber completado una vuelta alrededor del inducido, se pasa a la sección inducida situada inmediatamente antes de la primera. Este tipo de bobinado recibe el nombre de “regresivo”.

La fórmula general de los bobinados ondulados es:

en esta fórmula se tomará "+1" cuando se desee un bobinado  cruzado o progresivo, y "-1" cuando, por el contrario se desee un bobinado no cruzado o regresivo.

Esquemas simplificados de bobinados ondulados simplesa) Cruzado, b) Sin cruzar