Maquinas de Corriente Continua

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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 .
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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.

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 podra suponer que el flujo total permanece constante lo que no es cierto porque aparece el problema de saturacin del circuito magntico.

fig. 14La reaccin de inducido se corrige con los arrollamientos compensadores y en algunos casos (mquinas muy pequeas) con los polos auxiliares de conmutacin aunque la misin fundamental de estos ltimos es otra. Los arrollamientos compensadores son arrollamientos alojados en ranuras practicadas a las expansiones polares (fig. 15) y estn 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 reaccin de inducido.

fig. 15

*Conmutacin.

La conmutacin implica cambio de conexin de una bobina, consecuentemente se produce una inversin de corriente en la misma.Toda inversin de corriente, tratndose de un circuito altamente inductivo implica una fuerza electromotriz de autoinduccin:

El valor di es un valor finito ya que se trata de la inversin de un valor dado de corriente, y el valor dt en el que se produce la inversin es muy pequeo (del orden del milisegundo) por lo tanto e puede tomar valores grandes capaces de vencer la rigidez dielctrica 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 estn conmutando un campo magntico tal que induzca una f.e.m. que se oponga a la de autoinduccin. Esto se logra con los polos auxiliares de conmutacin que actan sobre la zona neutra sin afectar al resto de las bobinas.

fig. 16

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

*Formas de excitacin

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

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

fig17 fig 18

La mquina tambin puede ser autoexcitada en paralelo, derivacin o shunt fig. 18 El arrollamiento de excitacin estara en este caso conectado en paralelo con el inducido con un restato intercalado para regular la corriente de excitacin.La mquina de corriente continua puede tener tambin una excitacin serie o sea que el arrollamiento de excitacin va conectado en serie con el inducido.(figura 19) Esta conexin tiene muy poco uso como generador pero es muy utilizada en motores de corriente continua. Tambin puede emplearse una combinacin de los dos tipos de excitacin anteriores que sera la Conexin Compuesta (figura 20).

fig. 19 fig. 20

En las mquinas con excitacin compuesta el arrollamiento serie y el arrolla miento derivacin van superpuestos en los polos como se indica en la fig 21

fig.21

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

La conexin aditiva se utiliza en algunos generadores en donde se pretende compensar la cada de tensin con la adicin del campo serie. La conexin sustractiva se emplean en las mquinas de soldar rotativas.

Motor de corriente contina.

*Principio de funcionamiento.Si se tiene una espira como la de la figura 22, sumergida en un campo magntico de induccin "B y mediante una fuente externa hacemos circular una corriente se producir una fuerza normal a la direccin B".

fig. 22Si la espira puede girar sobre su eje se desplazar hasta que quede en la posicin horizontal fig. 23, tal vez continuara girando un poco por inercia pero ni bien sobrepasa la posicin horizontal las fuerzas comenzarn a actuar en contra del movimiento.

fig. 23 Para que contine girando ser 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 mquina contine girando en el mismo sentido.

fig. 25Al igual que en el generador de corriente continua, aumentando el nmero de espiras y distribuyndolas en forma radial se obtiene un resultado mejor.

*Caractersticas constructivas.-Las caractersticas constructivas del motor de corriente continua son idnticas a las del generador de corriente continua.

* Excitacin, Reaccin de inducido, Conmutacin.-

Los tipos de excitacin son los mismos que para el generador de corriente continua: derivacin, serie y compuesto. En el motor de corriente continua adquiere mucha importancia la conexin serie.En cuanto a reaccin de inducido y fenmenos de conmutacin el comportamiento del motor de corriente continua es igual al del generador.

*Caractersticas del motor de corriente continua.-

La ecuacin del motor de corriente continua es:U = E + Ri I

Donde: U: es la tensin de alimentacin de inducido E: es la f.e.m. inducida en el bobinado como consecuencia de su movimiento debajo del campo magntico. Ri: es la suma de la resistencia interna del bobinado inducido, ms la resistencia de colector, ms las resistencia de escobillas, ms la resistencia de arrollamientos compensadores y ms la resistencia de polos auxiliares de conmutacin. I: es la corriente de inducido

E = k nDonde: K: es una constante propia del motor: es el flujo magntico por poloN: es la velocidad de giro en r.p.m. Entonces la ecuacin ser:U = k n + Ri IEn 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 caractersticas de mayor importancia en los motores que son las de: cupla - velocidad y potencia - velocidad.Para el motor con excitacin derivacin la curva caracterstica par velocidad ser la siguiente:

Fig26

El hecho de la caracterstica par-velocidad sea una recta hace muy interesante esta mquina para el control de velocidad ya que la respuesta va a ser funcin lineal del estmulo.El control de velocidad de esta mquina se hace modificando la tensin aplicada al inducido, para lo cual se puede colocar un restato en serie con el inducido.

fig. 27Actualmente no se emplean restatos porque stos disipan calor. En su lugar se emplean controles electrnicos.Para el motor con excitacin serie la curva caracterstica par velocidad ser la siguiente:

fig. 28

El motor serie de corriente continua tiende a embalarse cuando queda en vacio pudiendo llegar a su autodestruccin.La ventaja del motor serie es su elevadsima cupla de arranque lo que lo hace muy til para acelerar grandes masas. El motor serie de corriente, continua es la mquina ideal para traccin ferroviaria.

Fuerza electromagntica La fuerza electromagntica es una interaccin que ocurre entre las partculas con carga elctrica. Desde un punto de vista macroscpico y fijado un observador, suele separarse en dos tipos de interaccin, la interaccin electrosttica, que acta sobre cuerpos cargados en reposo respecto al observador, y la interaccin magntica, que acta solamente sobre cargas en movimiento respecto al observador. Las partculas fundamentales interaccionan electromagnticamente mediante el intercambio entre partculas cargadas. La electrodinmica cuntica proporciona la descripcin cuntica de esta interaccin, considerado esta fuerza una de las cuatro fuerzas fundamentales del universo actualmente ms 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 s, son consecutivas sobre la periferia de la armadura. As el final de la seccin 1 queda unido al principio de la seccin 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 conexin tiene un valor mayor que el ancho de seccin. 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 conexin tiene un valor inferior al ancho de seccin, por lo que el bobinado avanza en el esquema hacia la derecha. Por eso, tambin 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 = -1Si en la frmula

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

Frmula 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, despus de recorrer un nmero de secciones inducidas igual al nmero 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 parti. Despus de una serie de vueltas alrededor de la armadura se habrn recorrido todas las secciones inducidas y se llegar a la delga 1 cerrndose el bobinado.En estos bobinados, el paso de colector resulta igual a la suma aritmtica de los pasos parciales

Como resulta imprescindible que el paso de colector sea un nmero entero, el nmero delgas del colector y el nmero de pares de polos tienen que se primos entre s.Y al existir relacin entre el nmero de delgas y ranuras del inducido por la frmula

K y U tambin deben ser primos respecto al nmero 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 despus de haber completado una vuelta alrededor del inducido se pasa a la seccin inducida situada inmediatamente despus de la primera. Este tipo de bobinado recibe tambin el nombre de progresivo. Sin cruzar. Cuando despus de haber completado una vuelta alrededor del inducido, se pasa a la seccin inducida situada inmediatamente antes de la primera. Este tipo de bobinado recibe el nombre de regresivo.La frmula general de los bobinados ondulados es:

en esta frmula se tomar "+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