Maquinas de Corriente Continua

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Maquinas de corriente continua (cc).Las maquinas de corriente continua ( cc) son generadores que convierten energa mecnica en energa elctrica de corriente continua y motores que convierten energa elctrica de corriente continua en energa mecnica. 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 tambin se conoce como maquina de colector.Desde el punto de vista constructivo, esta mquina est constituida por dos ncleos de fierro, generalmente laminado, uno fijo (carcasa) y otro que gira (inducido o armadura). En ambos ncleos van ubicadas bobinas de diferentes configuracin que crean campos electromagnticos que interactan de modo que se pueda obtener o una tensin general o bien un torque motriz en el eje, segn la maquina trabaje como generador o motor. Las bobinas de rotor que en este caso para la mquina 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 mquina de cc se llama carcasa, se define como aquellas que producen el flujo magntico principal en la maquina.Generador de corriente contina.

*Principios de funcionamiento.El principio bsico de generacin de una f.e.m. es el desplazamiento de un conductor en forma perpendicular a un campo magntico.

fig 1 e = B l . v siempre y cuando el campo magntico sea uniforme de induccin 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 magntico uniforme de induccin 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 y como la proyeccin de la rotacin de una superficie sobre un plano da una funcin armnica

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 mtodo para obtener continua a partir de alterna es mediante la rectificacin o conmutacin. 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 invertirn sucesivamente las conexiones al exterior.

fig 3

Las escobillas se pueden ubicar en forma tal (fig. 3) que la inversin 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 rectificacin se puede mejorar aumentando el nmero de bobinas y de delgas del conmutador. Por ejemplo si colocamos dos bobinas desplazadas entre si en 90 grados con cuatro casquillos o delgas segn se indica en la figura 4.

fig 4

La fem. obtenida de esta forma es ya ms 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 nmero de bobinas decaladas pero su amplitud disminuye y finalmente desaparece por la induccin de las bobinas.

*Campo magntico de las mquinas de corriente continua.

En la descripcin del principio de funcionamiento se propuso un campo magntico uniforme en el espacio. En la mquina elctrica hay que hablar de circuitos magnticos excitados con un imn permanente o con un bobinado alimentado con corriente continua. Lo ms empleado es la excitacin con un bobinado alimentado con corriente continua.

Las bobinas estarn alojadas en un cilindro de material ferromagntico, el cual debe girar por lo tanto debe quedar un espacio de aire entre ste y el resto del circuito magntico. El espacio de aire se conoce con el nombre de entrehierro.

fig 5

El arrollamiento de excitacin se divide en dos y va colocado en la lnea central a ambos lados del rotor formando los dos polos del campo magntico. El circuito magntico lgicamente se construye con materiales ferromagnticos. No es necesario emplear hierro laminado en el estator ya que el flujo es constante.

El circuito magntico mostrado en la figura 5 es el correspondiente a una mquina de dos polos o de un par de polos, pero no es sta la nica forma ya que existen mquinas multipolares.

Una mquina puede ser de 4, 6, 8 o ms polos. En el caso de una mquina de cuatro polos el circuito magntico sera 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. Estn constituidos por el ncleo, la expansin polar y el bobinado. El bobinado de excitacin se efecta sobre un carretel que se coloca sobre el yugo. Cuando la excitacin del polo tiene dos bobinados, ambos van superpuestos. En la fig.7 se puede apreciar la construccin tpica de un polo.

En el estator o inductor estn tambin los polos auxiliares de conmutacin y los arrollamientos compensadores los que se comentarn oportunamente.

fig.6 fig.7

*Rotor.

El rotor (que en esta mquina es el inducido) segn vimos debe estar construido en un material ferromagntico.

Dado que el rotor gira existe una rotacin relativa entre el campo magntico y el mismo, por lo tanto aparecen las prdidas por histresis y prdidas por corrientes parsitas. Consecuentemente el rotor debe construirse en hierro laminado (chapa magntica) segn figura 8.

fig. 8En 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 s con placas de mica.

fig. 9La unin entre delgas del colector y bobinado se efecta en la banderilla, ya sea soldando los conductores a la misma o por pestaado a compresin.

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

*Bobinados.

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

fig 10

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

Para referirnos a bobinados podramos emplear un captulo entero o tal vez un libro pero solamente haremos referencia a dos tipos de bobinados bsicos dan origen a distintos tipos de bobinado (figura 11) .. Los dos tipos de bobinados son el imbricado y el ondulado y sus nombres estn relacionados con la forma en que se desarrollan alrededor del rotor (figura 12).

Figura 11

imbricado ondulado Figura 12

El bobinado de una mquina de corriente continua se divide en ramas. La caracterstica fundamental del bobinado imbricado es que en l, el nmero de ramas y el nmero de escobillas es igual al nmero de polos de la mquina. En el bobinado ondulado el nmero de ramas es siempre 2 y el nmero de escobillas necesarias para su funcionamiento tambin es 2 aunque por lo general se suele agregar otro par ms de escobillas para garantizar el funciona miento de la mquina aunque falle alguna escobilla.La fuerza electromotriz total inducida en una mquina de corriente continua depende entonces del tipo de bobinado y responde a la frmula

Donde: Z: es el nmero de lados activos del inducidoN: es la velocidad de giro en (r.p.m.): es el flujo por poloP: es el nmero de polosa: es el nmero de ramas en paralelo del inducido.En el caso de bobinado imbricado a = PEn el caso de bobinado ondulado a = 2

*Reaccin de inducido.

Cuando se conecta una carga al generador, la corriente que circula por los arrollamientos del rotor crearn un campo magntico que se superpone al campo principal de la mquina segn fig. 13. En trminos generales este campo creado por el rotor es una magnetizacin transversal de la mquina que se traduce en un desplazamiento del eje neutro de la misma.