Maquinas Electricas Corriente Continua

Click here to load reader

  • date post

    25-Jul-2015
  • Category

    Documents

  • view

    591
  • download

    3

Embed Size (px)

Transcript of Maquinas Electricas Corriente Continua

www.monografias.com

Maquinas Elctricas de Corriente Continua1. Introduccin 2. Historia de las mquinas de corriente continua (CC) 3. Materiales utilizados en la construccin de la maquina corriente continua (CC) 4. Materiales constructivos 5. Aleaciones especiales 6. Materiales conductores de la corriente elctrica 7. Materiales aislantes 8. Aplicacin de la Mquina de Corriente Continua en la industria y el Transporte 9. Las mquinas de corriente continua en la industria de la aviacin 10.Tipos Fundamentales de Mquinas de Corriente Continua (CC) 11.Clasificacin de los generadores de corriente continua por el mtodo de excitacin 12.Clasificacin de los generadores de corriente continua por el mtodo de excitacin 13.Caractersticas fundamentales de los generadores de corriente continua 14.Motores de Corriente Continua 15.Mquinas Especiales de Corriente Continua 16.Perdidas y Rendimiento de la Maquina de Corriente Continua 17.Sistema de refrigeracin de las mquinas de CC 18.Conclusiones generales 19.Bibliografa

IntroduccinEl estudio de las maquinas elctricas comprende las caractersticas bsicas de las maquinas no rotativas como el transformador, que ya expusimos en nuestro anterior seminario, y las caractersticas bsicas de la maquinas rotativas como los generadores y motores, que son de inters de nuestro presente seminario. Tanto las maquinas rotativas como las no rotativas se basan en la ley de induccin electromagntica de Michael Faraday. En el presente seminario trataremos las mquinas de corriente continua, sus caractersticas y los materiales que se utilizan para sus componentes, de los cuales resaltaremos las propiedades fsicas, magnticas y elctricas. Trataremos los diferentes usos que en la vida cotidiana se les da a este tipo de mquinas, desde transportarnos o mover cargas, hasta refrigerar elementos computacionales, entre otros usos, no sin resaltar la importancia que este tipo de mquinas tienen en las empresas de la industria qumica y metalrgica. Tambin trataremos tambin sus diferentes clasificaciones, las cuales se toman con respecto a la excitacin, conexin y otras caractersticas las cuales le dan diferencia de funcionamiento. Juan Enrique Taveras Estudiante Ing. Electromecnica Mencin Elctrica Universidad Autnoma de Santo Domingo UASD

1-Historia de las mquinas de corriente continua (CC)Los primeros generadores de energa elctrica eran elementos galvnicos, que generaban corriente continua, por esta razn, los fsicos y qumicos de la primera mitad del siglo XIX, que operaban con

pilas pretendan obtener tambin esta forma de energa de una mquina que generara corriente continua. El primer periodo de este tipo de generadores elctricos, en el curso del cual este obtuvo todos los rasgos de la maquina moderna de hoy en da, abarca un lapso de tiempo desde el ao 1831 con la ley de induccin electromagntica de Faraday hasta el ao 1886. En este periodo las maquinas elctricas de corriente continua pasaron por 4 etapas de desarrollo, estas son como les presentamos a continuacin:

Maquinas magnetoelctricas con imanes permanentes. Empleo de electroimanes con excitacin independiente en las mquinas. Maquinas elctricas con autoexcitacin e inducidos elementales. Maquinas elctricas con inducidos perfeccionados y sistema magntico multipolar.La 1era etapa abarca los aos de 1831 a 1851. En este tiempo la maquina elctrica, de mecanismo de exposicin en los gabinetes de los fsicos y qumicos se desarroll hasta el modelo industrial empleado para los fines de la electroqumica y del alumbrado. El 1er modelo tcnico del generador electrotcnico fue construido poco despus de que Michael Faraday descubri la ley de induccin electromagntica. El autor de este modelo quedo desconocido, ocultando su nombre bajo las iniciales P.M. este autor construyo el modelo de la maquina sincrnica multipolar de corriente alterna con imanes permanentes, y tambin dio la idea del inducido de anillo. Los rasgos fundamentales de la mquina de P.M. eran tan correctos, que determinaron por muchos aos la construccin de las mquinas de los descubridores que le seguiran despus. Despus de esto comenzaron a desarrollarse rpidamente los generadores sncronos de AC con imanes permanentes. En el ao 1832, los hijos del inventor de los aparatos fsicos PIXII construyeron una maquina magnetoelctrica rotatoria en la que emplearon un balancn de ampere, que no era ms que una especie de balanza la cual por medio de dos bobinas media el efecto de la fuerzas que produca el paso de la corriente por ellas. Bajo este modelo la corriente alterna inducida se rectificaba en corriente pulsante unidireccional. En el ao 1883, el fsico ingles W. Ritchie construy una maquina magnetoelctrica con colector invertido, de la cual tambin se poda obtener corriente pulsante. Hasta 1840 distintos inventores construyeron maquinas magnetoelctricas, que eran modificaciones del esquema bipolar de PIXII con diferentes construcciones de los mecanismos para la rectificacin de corriente, de este modo ya se vea el desarrollo de la mquina de CC.

El segundo y tercer periodo de desarrollo de las mquinas de corriente continua, queabarcan los aos de 1851 a 1871, se caracterizan por el paso a las mquinas del tipo electromagntico, al principio, con excitacin independiente, y luego, con autoexcitacin, y as como por el paso de la mquina bipolar a la multipolar. Ahora veremos cmo se desarroll la segunda etapa de las mquinas de corriente continua. Un rasgo caracterstico de la 2da etapa, a la cual se debe referir al lapso de tiempo que va desde el ao 1851 hasta el ao 1867, es el paso de las maquinas con excitacin de imanes permanentes a maquinas con excitacin por electroimanes. En el ao 1833 Ritchie sealo por primera vez la posibilidad del empleo de los electroimanes en este tipo de mquinas. Desde 1861 hasta 1867 H. Wilde elaboro tcnicamente la idea del empleo de los electroimanes en las mquinas elctricas. Con su alimentacin con el auxilio de una maquina magnetoelctrica. A este lapso de tiempo se refiere tambin la invencin de W. Siemens del inducido de doble T, patentado por el en el ao 1856, y la invencin de A. Pacinotti del inducido de anillo, construido en

1860. El inducido de siemens mejor el funcionamiento de la maquina magnetoelctrica y se hizo precursor del inducido cilndrico dentado que an se conoce en nuestros das. El inducido de anillo con ranuras, construido por Pacinotti, fue un gran paso hacia adelante. Pero, como consecuencia de la mala informacin mutua entre los cientficos y tcnicos de la poca, y el bajo nivel de desarrollo industrial de Italia, la invencin de Pacinotti no encontr aplicacin, y volvieron a ella diez aos ms tarde.

La tercera etapa de desarrollo se caracteriza por el descubrimiento del principio deautoexcitacin y abarca el intervalo de 1867 a 1871. El principio de autoexcitacin fue descubierto y claramente formulado en el ao 1851 por S. Hjorth, que en el ao 1855 construy un generador con autoexcitacin. En el ao 1867 W. Siemens y CH. Wheatston propusieron el principio de autoexcitacin de las maquinas elctricas y en este mismo ao James Clerk maxwell present a la sociedad real de Inglaterra un informe terico sobre el principio de autoexcitacin. W. Siemens, dotado de extraordinario espritu de iniciativa y previsin tcnica, prcticamente realizo e hizo posible el principio de autoexcitacin y con ello contribuyo al impetuoso desarrollo de las maquinas elctricas de corriente continua.

Existe una cuarta etapa de desarrollo que comprende 15 aos de desarrollo continuo de lasmaquinas elctricas este periodo comprende desde 1871 hasta el ao 1866. Esta fue la etapa de elaboracin de los elementos fundamentales de la composicin de la maquina elctrica, durante todo ese tiempo la mquina de corriente continua adquiri los rasgos fundamentales de la composicin moderna. El primer progreso decisivo en este sentido fue la introduccin prctica del inducido de anillo de Pacinotti por el inventor francs Gramme. La mquina de Gramme fue el primer modelo industrial con autoexcitacin, que funcionaba con xito en condiciones de servicio. En el ao 1872 F. HefnerAltenek propuso el inducido de tambor elaborado por el, que era el desarrollo que vendra despus del inducido de Siemens y del inducido de Pacinotti-Gramme. En el ao 1882, E. Weston recibi la patente del devanado de dos capas para los inducidos de la mquina de corriente continua. Para el ao de 1880 apareci la proposicin de Thomas Edison de fabricar inducidos de las mquinas de acero en chapas de un espesor de 0.4 a 0.8mm. Esta construccin se ha conservado en las maquinas hasta nuestros das. En el ao 1833 J. Kraig propuso ncleos polares estampados de material en hojas para mejorar la conmutacin. En este mismo periodo se lleva a cabo la elaboracin de la teora de las maquinas elctricas y se investigan distintos procesos fsicos de este tipo de mquinas. Paralelamente con el desarrollo de los generadores de corriente continua se llevaba a cabo la elaboracin de los motores elctricos. Hasta los aos 1860- 1870 los caminos del desarrollo de los motores elctricos y el generador eran independientes uno del otro. El principio de la transformacin de la energa elctrica en mecnica, formulado en 1822 por Michael Faraday, sirvi de comienzo de la construccin y desarrollo del motor elctrico. El primer periodo de desarrollo de los motores elctricos desde 1822 hasta el 1834 puede ser dividido en 3 etapas:

La primera etapa desde el ao 1822 hasta el 1834 se caracteriza por la construccin demodelos fsicos, que confirmaban la posibilidad, en principio de la transformacin de energa elctrica en mecnica. Muchos cientficos e inventores pretendan repetir en sus motores el principio de funcionamiento de las mquinas de vapor, como resultado de esto aparecieron maquinas construidas por el principio de

la atraccin de una barra de hierro hacia el interior de un solenoide. Como el motor elctrico de Joseph Henry y ms tarde en el ao 1846, el motor elctrico del profesor CH. Page, por este principio Page consigui desarrollar en 1851 una mquina de 16 CV (caballos de vapor). Este motor, instalado en una locomotora y alimentado por una batera, permiti desarrollar una velocidad de 30Km/h, con lo que se dio comienzo a la traccin elctrica que ha perdurado hasta nuestros das como medio de transporte. La inversin de las corrientes en los solenoides del motor elctrico se realizaba, por analoga con el dispositivo distribuidor de la mquina de vapor, con auxilio de una leva que cambiaba la direccin del suministro de vapor al pistn.

La segunda etapa, va desde el ao 1834 hasta el ao 1870 aproximadamente, se caracterizapor los intentos de construir motores elctricos para el empleo prctico con alimentacin tambin de elementos galvnicos. En el ao 1834, en mayo especficamente, el cientfico y acadmico ruso B.S. Jacobi desarrollo un motor elctrico de polos mltiples con movimiento rotatorio del inducido, que dispona de un dispositivo para conmutar la corriente, que es el tipo de colector moderno. En el ao 1838 un motor semejante que desarrollaba potencia de 500W fue instalado por jacobi junto con una batera galvnica de 320 pilas en un bote con una longitud de 8.5m y una anchura de 2m. El vote con 16 pasajeros no solo navegaba rio abajo sino tambin en contra de la corriente, lo que represento el comienzo de la electropropulsion de los barcos. En el mes de julio pero independiente de jacobi el inventor norteamericano T. Davenport desarrollo un motor elctrico tambin con movimiento rotatorio de los electroimanes, pero tena en comparacin con el motor de jacobi un dispositivo de conmutacin ms primitivo, construido por el principio de suministro de la corriente por medio de resortes elsticos.

La tercera y ltima etapa de desarrollo de los motores elctricos de CC ocupa un lapso detiempo desde 1867 hasta 1887. En relacin con el descubrimiento y el empleo industrial del principio de autoexcitacin se aclar y se formul el principio de reciprocidad de las maquinas elctricas, esto es que un generador elctrico puede transformar la energa mecnica a energa elctrica y viceversa. La alimentacin de los motores se empez a realizar de una fuente de energa elctrica ms barata, de un generador electromagntico de corriente continua. En el ao 1862 H. Wilde mostro el principio de funcionamiento del motor sncrono y la rotacin sincrnica de dos inducidos de corriente continua, acoplados elctricamente con ayuda de anillos de contacto. En el ao 1883 se public el trabajo de Airton y Piri sobre el problema de la regulacin de la velocidad de los motores de cc, en el que por primera vez se dieron las relaciones matemticas entre la velocidad de rotacin y las magnitudes electromagnticas. Para el ao 1886 el motor elctrico de corriente continua, as como el generador de energa elctrica adquiri los rasgos fundamentales de la composicin que conocemos hoy en da. A pesar de que la corriente continua y las mquinas de corriente continua se relegan poco a poco a un segundo plano, los trabajos relacionados con su perfeccionamiento no han cesado. En el ao de 1891 apareci el arrollamiento en serie-paralelo de E. Arnold que fue el primero en establecer las reglas generales de produccin y las frmulas de los arrollamientos requeridos por este tipo de mquinas, as como tambin, fue el primero en investigar los problemas de conmutacin de las mquinas de corriente continua (CC) y estudiar el comportamiento del contacto por escobillas que conocemos hoy da. Y en el ao 1899 se desarroll la teora de la conmutacin como la conocemos hoy. De esta manera hemos visto cmo se desarrollan conjuntamente las maquinas elctricas de tipo motor y de tipo generador aunque no coincidiendo simultneamente en su desarrollo, este desarrollo de las mquinas de corriente continua sentaron las bases para el posterior desarrollo de las mquinas de corriente alterna que se desarrollaran en el otro nivel de esta materia (las mquinas de corriente alterna).

2- Materiales utilizados en la construccin de la maquina

corriente continua (CC)

Fig.2 Partes bsicas de las mquinas de CC.

Clasificacin de los materiales constructivos de las mquinas de corriente continua (CC)Los materiales que se usan en la construccin de maquinaria elctrica pueden ser divididos en 3 categoras 1. Materiales constructivos 2. Materiales activos (magnticos y conductores) 3. Materiales aislantes Los materiales constructivos se usan para la fabricacin de piezas y conjunto de las maquinas, cuyo destino principal es la transmisin y la percepcin de las cargas mecnicas y tensiones y para atribuir a algunos conjuntos las formas constructivas necesarias para el funcionamiento mecnico correcto de la mquina. Los materiales activos son conductores de corriente elctrica y de corriente magntica y sirven para crear las condiciones necesarias para que transcurran los procesos electromagnticos. Los materiales aislantes estn destinados principalmente para aislar elctricamente los rganos conductores de la corriente elctrica de los dems rganos de la mquina.

Toda una serie de elementos de las maquinas elctricas trabajan en condiciones fsicas complicadas, por esta razn a los materiales se les plantean ciertas exigencias, mecnicas, magnticas y elctricas, el cumplimiento de las cuales es una de las tareas ms difciles de la ciencia.

Materiales constructivosEn la construccin de este tipo de maquinaria, en calidad de materiales constructivos se emplean: a) el hierro colado simple, maleable y amagnetico; b) acero al carbono aleado tanto para obtener altas propiedades mecnicas, como propiedades amagneticas; c) metales no ferrosos y sus aleaciones; d) plsticos. Los elementos de mquinas elctricas experimentan cargas estticas y dinmicas. En la mayora de los casos sus dimensiones geomtricas se determinan tanto para condiciones de las tensiones mecnicas, como por el resultado de clculo elctrico. Por eso, en el proceso de diseo de estas se tropieza con la difcil tarea de la eleccin correcta del material necesario. Las cualidades mecnicas de estos elementos generalmente se caracterizan por los datos siguientes: a) resistencia a la rotura; b lmite de fluencia; c) lmite de fatiga; d) alargamiento en %; e) rotura por impacto. El material constructivo experimenta tensiones variables: la determinacin del margen de seguridad necesario respecto al lmite de proporcionalidad y el lmite de fatiga es una tarea de bastante responsabilidad, sobre todo en las mquinas de alta velocidad como (turbogeneradores) y en las mquinas donde la velocidad de rotacin en periodos de explotacin puede crecer de manera considerable (generadores hidrulicos). La determinacin de las tensiones mecnicas admisibles solo por las indicaciones generales y sin un anlisis minucioso de las condiciones de funcionamiento y de la tecnologa de fabricacin de las maquinas elctricas, con el alto empleo de los diferentes tipos de materiales, es insuficiente. Como ya mencionamos al elegir tensiones admisibles se recurre al llamado coeficiente de seguridad o factor de seguridad k = mr, Dnde: m. Es la tensin a la cual el elemento del mecanismo se destruye o se deforma de tal manera que es imposible su servicio. r. Es la tensin calculada en el elemento dado del mecanismo. Generalmente, para los materiales frgiles con un % pequeo de alargamiento el valor de m. se toma igual a la resistencia de rotura, y para materiales con gran % de alargamiento m. Se toma igual al lmite de fluidez. En la eleccin del coeficiente de seguridad influye una gran cantidad de factores como son:

La calidad de los materiales a ser usados en la construccin de la mquina Exactitud de los clculos de las tensiones Las particularidades tecnolgicas del material Las condiciones y el carcter del tratamiento tecnolgico Los mtodos de ensayo de la calidad del material a ser usado

El carcter de accin de las cargas y las condiciones de servicio de las piezas.La influencia de cada uno de estos factores puede valorizarse por su coeficiente de seguridad total y se obtiene multiplicando todos los factores de seguridad.

Materiales con propiedades magnticasPara la fabricacin de los elementos de los conductores de corriente magntica (flujo magntico ) de las maquinas elctricas se emplean distintos materiales ferromagnticos como son:

aceros al silicio de diferentes calidades hierro colado fundicin de acero acero en chapas y forjado

aleaciones de acero especiales para los imanes permanentesPara el circuito magntico la propiedad ms importante es la dependencia de la induccin magntica de la intensidad de campo magntico y la dependencia de las perdidas por histresis y por corrientes parasitarias de la induccin y la frecuencia. En casos en que algunos elementos del conductor del flujo magntico experimenta tambin carga mecnica como en los rotores de un turbo generador o el armazn de las mquinas de cc, estos tambin desempean un gran papel en las propiedades mecnicas. Dicha combinacin es una tarea bastante difcil en la metalurgia aun hoy que se dispone de tanta tecnologa. En las maquinas elctricas, se consideran de suma importancia este tipo de materiales. A travs del uso de estos es posible obtener altas densidades de flujo magntico con relativamente bajos niveles de fuerzas magnetizantes. Ya que las fuerzas magnticas y la densidad de energa aumentan con el incremento de la densidad de flujo, este efecto desempea una parte importante en el funcionamiento de los dispositivos de conversin de energa. Los materiales ferromagnticos, generalmente compuestos por hierro y aleaciones de hierro con cobalto, tungsteno, nquel, aluminio y otros metales, son por mucho los materiales magnticos ms comunes. Aunque estos materiales se caracterizan por una amplia variedad de propiedades, los fenmenos bsicos responsables de sus propiedades son comunes en cada uno de ellos y se presentan a continuacin. Las principales son: Permeabilidad Histresis magntica Magnetizacin remanente Saturacin Permeabilidad magntica Es la facultad que tienen algunos materiales de facilitar el paso a travs de ellos del flujo creado por un campo magntico exterior. Prdidas por histresis

Se conoce con el nombre de histresis magntica la propiedad que tienen los materiales magnticos de presentar cierta inercia molecular o resistencia al cambio de orientacin de sus molculas, al variar la intensidad y el sentido de un campo magntico exterior que acta sobre ellos. Corrientes de Foucault Las corrientes de Foucault son corrientes que circulan en el interior de los materiales magnticos, como resultado de fuerzas electromotrices inducidas en los mismos, por efecto de las variaciones de flujo que experimentan cuando estn sometidos a la accin de campos magnticos de intensidad variable. Resistividad Es un valor inverso de la conductibilidad elctrica y representa la resistencia elctrica que opone un cubo cuyas aristas tienen la unidad de longitud de un material determinado, al ser atravesado por una corriente elctrica. Saturacin Es el mximo valor que puede alcanzar la induccin en un material.

Acero al silicio o acero para transformadoresLa estructura de estos aceros representa un conglomerado de granos frricos en cuya solucin se encuentran otros elementos que forman parte d estos aceros. Este se obtiene por laminacin sus granos se estiran algo en direccin del laminado, lo que crea una heterogeneidad de las propiedades tanto mecnicas, como magnticas y elctricas. Durante el laminado se empeora algo las caractersticas magnticas y aumenta el bucle de histresis, lo que aumenta las perdidas magnticas y al mismo tiempo aumenta tambin la resistencia elctrica, lo que reduce en cierto grado las perdidas por corrientes parasitas, tambin despus del posterior tratamiento mecnico del acero en las fbricas de construccin de mquinas elctricas (corte, estampado y otros) empeora las propiedades magnticas del material. En la construccin de mquinas elctricas se emplean principalmente los siguientes tipos de aceros al silicio: 11, 12, 21, 31, 310, 320, 330, 41, 42, 43. Dnde:

. Indica acero al silicio Las primeras cifras 1,2,3,4 indican el contenido de silicio 1-Baja aleacin, 2- aleacin media, 3- aleacin elevada, 4- alta aleacin.

Las segundas cifras despus de la letra 1, 2, 3 significan la calidad del tipo de acero dadacon relacin a las prdidas especficas en el acero o perdidas en un Kg de acero para la induccin y frecuencias dadas. En el orden sucesivo las cifras 1, 2, 3 se refieren al acero con prdidas especficas 1-normales, 2-reducidas y 3- bajas, para una frecuencia de 50 Hz. La tercera cifra despus de la letra, 0- significa que el acero es laminado en frio texturado. Resumiendo, se puede decir que los materiales destinados a la fabricacin de los ncleos para mquinas elctricas o transformadores, deben poseer las siguientes propiedades: Prdidas magnticas totales pequeas, para que sea elevado el rendimiento elctrico del conjunto de qu forma parte.

Elevada permeabilidad magntica con objeto de favorecer el paso y la concentracin del flujo magntico. Prdidas por histresis muy pequeas, lo que exige gran tamao de grano. Pequeas prdidas por corrientes parsitas o de Foucault, para lo que conviene que la resistividad sea elevada. Un alto valor de saturacin. No deben sufrir el fenmeno de envejecimiento

Hierro colado Se emplea rara vez para los circuitos magnticos a causa de sus malas cualidades magnticas en comparacin con el acero. Este puede emplearse para los armazones de las mquinas de corriente continua y los rotores de las maquinas sincrnicas, en las que durante su funcionamiento el flujo magntico no vara. Fundicin de acero Se usa en las mquinas de cc para los armazones se prefiere en vez de hierro colado debido a las caractersticas magnticas de este, estas caractersticas oscilan en amplios limites en dependencia de su composicin qumica. Acero en chapas Para los armazones soldados de las mquinas de cc se emplea este acero al carbono en chapas de un espesor de 1.5 a 120mm. Piezas forjadas de acero Se emplean para los rotores de alta velocidad de las mquinas de cc, puesto que en estos rotores tienen lugar altas tensiones mecnicas as como tambin tienen lugar altas inducciones magnticas.

Aleaciones especialesPara la fabricacin de imanes permanentes para las maquinas magnetoelctricas se emplean aleaciones de acero especiales que poseen despus de la magnetizacin una induccin remanente grande y una gran fuerza coercitiva. En algunos casos es necesario disponer de material con alta permeabilidad magntica inicial y una saturacin bruscamente expresada.

Materiales conductores de la corriente elctricaEl material conductor de corriente elctrica, que ha encontrado amplio empleo en electrotecnia es el cobre. Algunas caractersticas de este son su resistencia normal especifica de los conductores de cobre es 0.017241x10^6 ohmios por metros a 20 C, su densidad es 8.9x10^3 Kg/m3, el coeficiente de dilatacin lineal 1.68x10^6 y la conductividad trmica especifica es de 3.75x10^2 W/ C m. El cobre destinado para los conductores elctricos no debe tener ms de un 0.1% de impurezas tales como las de bismuto y antimonio. Durante el brochado en frio este se somete a endurecimiento por deformacin en frio, lo k le hace ms duro y aumenta la resistencia especifica. Como resultado del recocido el cobre recupera sus propiedades principales, por esto en esta operacin debe someterse no solo en la fbrica del material sino tambin en la fbrica de maquinaria de CC.

Adems del cobre, en calidad de conductor de corriente elctrica encontr un empleo significante el aluminio. Algunas de sus caractersticas son su resistencia especifica normal a 20 C es 0.0282x10^-6 ohmios por metro, su densidad 2.64x10^3 Kg/m3, su coeficiente de Dilatacin lineal es 2.22x10^-5 y su conductividad especifica trmica es 2x10^2 W/C-m. La resistencia especfica del aluminio vara considerablemente en dependencia con la temperatura.

Materiales aislantesEstos se emplean en las maquinas elctricas en gran cantidad y diferentes materiales de este tipo. Su destinacin fundamental es aislar elctricamente los rganos conductores de corriente elctrica. Por esta razn, las exigencias principales planteadas a los materiales aislantes es su alta rigidez dielctrica. Puesto que el aislamiento de las maquinas debe ser asegurado ya que estas trabajan a altas temperaturas, tensiones mecnicas y efectos de la humedad atmosfricas y en otros casos diferentes agentes qumicos, esta rigidez dielctrica debe estar ligada con la resistencia al calor, la conductividad trmica, la resistencia a la humedad, la resistencia a sustancias qumicas y una resistencia mecnica determinada. En dependencia de las combinaciones de exigencias varan los materiales aislantes y su tratamiento tecnolgico, as como tambin las propiedades que deben poseer dicho materiales estas las agrupamos como sigue. Propiedades ms importantes de los materiales aislantes Resistencia de aislamiento

Es la resistencia que se opone al paso de la corriente elctrica, medida en la direccin en que deba asegurarse el aislamiento. La resistencia al arco

Se mide, de por el tiempo que un material aislante es capaz de resistir los efectos destructivos de un arco antes de inutilizarse por haber formado el arco un camino carbonizado, conductor, sobre la superficie del aislante. Este tiempo depende, naturalmente la tensin aplicada y de la corriente del arco. Rigidez dielctrica

Es la propiedad de un material aislante de oponerse a ser perforado por la corriente elctrica. Su valor se expresa por la relacin entre la tensin mxima que puede apreciarse sin que el aislamiento se perfore (llamada tensin de perforacin) y el espesor de la pieza aislante. Suele expresarse en kilovoltios por milmetro (kV/mm). Puesto que los materiales aislantes poseen distintas resistencia al calor, en dependencia de la especie de materiales aislantes que se emplean, se puede admitir uno u otro calentamiento de los devanados. Por esto los materiales aislantes se clasifican en 7 grupos que presentamos en la tabla 1 de clasificacin de estos materiales que sigue a continuacin. Tabla de clasificacin para los materiales aislantes Esta se fundamenta en las normas UNE 21-305 y CEI 85 que especifican la clasificacin de los diferentes aislantes atendiendo a su comportamiento trmico y los agrupa en las diferentes clases aislamiento siguiente.

Mica Como consecuencia de que posee resistencia al calor, rigidez dielctrica, resistencia a las sustancias qumicas y buena buena fisilidad en hojas finas aisladas. Es uno de los elementos fundamentales para el aislamiento elctrico. Existen dos variedades mica potsica y mica potasicomagnesina. A base de estas micas se fabrica la micanita para los colectores. En las mquinas de importancia de cc se emplea la cinta de mica en espesores de 0.075. 0.1 y 0.13mm de espesor. Lacas La fiabilidad de las maquinas elctricas durante su servicio depende en sumo grado de la impregnacin con lacas y la impregnacin con compuesto aislador tanto del devanado en conjunto, como de los materiales aislantes por separado. Las lacas y compuestos aisladores empleados para esta finalidad son muy diversos. Las exigencias que se plantean a las lacas son las siguientes: a) la laca debe poseer suficiente rigidez dielctrica; b) debe impregnar bien a los materiales aislantes; c) la pelcula de laca debe ser resistente a la humedad y a los agentes qumicos; d) la laca no debe ser resistente al calor, tambin a temperaturas normales de trabajo no debe agrietarse y perder la elasticidad. En toda una serie de casos la laca, adems debe poseer buenas propiedades de pegadura. Es difcil satisfacer todas las exigencias. Por esta razn, se emplean distintas lacas que poseen unas

propiedades en mayor o menor grado. La impregnacin combinada en unas cuantas lacas permite obtener la satisfaccin mxima posible de todas las exigencias. Para la impregnacin de los devanados con compuestos aisladores (llenado del espacio areo del aislamiento) se emplean los compuestos aisladores de asfalto. Sus propiedades son: su densidad 1.1x10^3 Kg/m3, punto de reblandecimiento 88-93 C, punto de fusin 100-110 C. Temperatura de inflamacin 250 C y su rigidez dielctrica es de 30Kv a 60 C.

Tabla 2: Materiales aislantes fundamentales que se emplean en la construccin de mquinas elctricas.

Principales partes de las mquinas de CC

Fig.3 Principales partes de una maquina fundamental de CC. Estator Formado por una corona de material ferromagntico denominada culata o yugo en cuyo interior, regularmente distribuidos y en nmero par, van dispuestos unos salientes radiales con una expansin 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 misin es, al ser alimentadas por corriente continua, crear el campo magntico inductor de la mquina, el cual presentar alternativamente polaridades norte y sur. Encontramos tambin en el estator, alternando los polos antes citados, otros llamados polos de conmutacin. Partes Principales del Estator Yugo Es necesario para cerrar el circuito magntico de la mquina. Generalmente est constituido de hierro fundido o de acero. Polos Estn fabricados de acero al silicio laminado. Las lminas del polo no estn aislados entre si debido a que el flujo principal no vara con el tiempo. Bobinas de Campo Estn arrollados sobre los polos, el material empleado es el cobre, ya que tiene menor resistividad y por lo tanto menos prdidas por efecto joule (iR).

Interpolos Estn fabricadas de lminas de acero al silicio y llevan un arrollamiento de alambre grueso. La finalidad de los Interpolos es evitar chispas en el colector cuando se cortocircuiten las delgas del colector o conmutador, es decir durante el proceso de conmutacin. Escobillas Dispuestas en los porta escobillas, de bronce o latn, que retienen las escobillas que establecern el enlace elctrico entre las delgas y el colector y el circuito de corriente continua exterior, las escobillas estn constituidas de carbn o grafito. Rotor o inducido Formado por una columna de material ferromagntico, a base de chapas de hierro, aisladas unas de las otras por una capa de barniz o de xido. La corona de chapa magntica presenta en su superficie externa un ranurado donde se aloja el devanado inducido de la mquina. Este devanado est constituido por bobinas de hilo o de pletina de cobre convenientemente aislados, cerrado sobre s mismo al conectar el final de la ltima bobina con el principio de la primera. Partes Principales del Rotor Ncleo de la armadura Est constituido por lminas de acero silicio de seccin circular. La circunferencia de ranurado para que puedan alojarse los conductores de arrollamiento de armadura. Los conductores y las ranuras generalmente van paralelos el eje pero en otros casos son oblicuos. El hierro de la armadura debe estar laminado y las chapas aisladas entre s de otra manera el flujo del polo, induce una f.e.m en el hierro (como lo hace en los conductores) que producir elevadas corrientes parasitas y las correspondientes prdidas por efecto joule (iR) en la superficie del hierro. La laminacin del ncleo aumenta la resistencia de los caminos de las corrientes parasitas y reduce la magnitud de las corrientes. Conmutador o Colector Constituido esencialmente por piezas planas de cobre duro de seccin trapezoidal, llamadas delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadas lminas de mica, formando el conjunto un tubo cilndrico aprisionado fuertemente. El colector tiene tantas delgas como bobinas posee el devanado inducido de la mquina. Bobina de Armadura.- Existen 2 tipos de bobinados de armadura las cuales estn como ya expusimos anteriormente fabricadas de cobre y estos son: el devanado imbricado y el ondulado.

3-Aplicacin de la Mquina de Corriente Continua en la

industria y el TransporteLas mquinas de corriente continua poseen la facilidad de poder mantener con cierta facilidad la velocidad de rotacin constante, lo que la hace indispensable para la construccin de los motores de la industria del transporte, as como tambin su gran uso en los micromotores utilizados en la electrnica. Gracias a la cualidad antes descrita, las mquinas de corriente continua tienen gran aplicacin en el mundo del transporte, ya que a pesar de que la corriente alterna ha tenido un gran auge por las facilidades de transmisin que presenta, hay sin embargo, aplicaciones donde todava es absolutamente indispensable el uso de la corriente continua, como es el caso de los motores de

traccin en locomotoras, metros, camiones, etc., y las mquinas universales como los motores fraccionarios que mueven los electrodomsticos y las mquinas herramientas. La gran variedad de la velocidad, junto con su fcil control y la gran flexibilidad de las caractersticas par-velocidad del motor de corriente continua, han hecho que en los ltimos aos se emplee ste cada vez ms con mquinas de velocidad variable en las que se necesite amplio margen de velocidad y control de las mismas. Existe un creciente nmero de procesos industriales que requieren una exactitud en su control o una gama de velocidades que no se puede conseguir con motores de corriente alterna. El motor de corriente continua mantiene un rendimiento alto en un amplio margen de velocidades, lo que junto con su alta capacidad de sobrecarga lo hace ms apropiado que el de corriente alterna para muchas aplicaciones. Los motores elctricos de traccin se utilizan para poner en marcha el material mvil en los ms diversos tipos de transporte; ferrocarriles elctricos urbanos, suburbanos y principales, transporte por agua, interior de fbricas, de minas, etc. De acuerdo a esto se fabrican motores de corriente continua de diferentes potencias y tensiones: desde 1.5 a 5Kw y de 80 a 110V para carretillas de acumuladores y locomotoras elctricas de acumuladores de mina y de 500 a 2000KW y de 750 a 1650 V para locomotoras elctricas de servicio de lnea con diferentes caractersticas de regulacin y de frenado. En los motores elctricos de traccin existen dos regmenes de funcionamiento: continuo y horario. Una ltima ventaja es la facilidad de inversin de marcha de los motores grandes con cargas de gran inercia, al mismo tiempo que devuelven energa a la lnea actuando como generador, lo que ocasiona el frenado y la reduccin de velocidad. Las principales aplicaciones del motor de corriente continua en el transporte son: Trenes de laminacin reversibles. Los motores deben de soportar una alta carga. Normalmente se utilizan varios motores que se acoplan en grupos de dos o tres. Trenes Konti. Son trenes de laminacin en caliente con varios bastidores. En cada uno se va reduciendo ms la seccin y la velocidad es cada vez mayor. Cizallas en trenes de laminacin en caliente. Se utilizan motores en derivacin. Otras aplicaciones son las mquinas herramientas, mquinas extractoras, elevadores, ferrocarriles. El motor de corriente continua se usa en gras que requieran precisin de movimiento con carga variable (cosa casi imposible de conseguir con motores de corriente alterna).

Algunas aplicaciones en la industria: Servicios de agua potable: Bombas hidrulicas. Motor de induccin tipo jaula de ardilla. Embotelladoras: Correa transportadora de envases. Motor de C.C. (debido a la precisin de posicin requerida). Imprenta: Prensa, rodillos de papel, etc. Motor de C.C. (debido a la precisin de posicin requerida para la prensa y a la precisin del torque y velocidad en los rodillos).

Aserraderos: Sierras. Motor de Induccin jaula de ardilla (son menos nocivos los motoressncronos, sin embargo a potencias medias los motores de induccin (200-600 HP) son mucho ms econmicos).

Papelera: Rodillos. Motor de C.C. (debido a la precisin de torque y velocidad requeridos, ya que el papel es frgil y si se corta el rollo debe reciclarse completo). Industria de cemento: Hornos rotatorios. Motor de C.C. Barcos: Elevador de ancla. Motor de induccin rotor bobinado (alto torque de partida y menos perturbador del sistema que el motor jaula de ardilla). Aceras: Cintas transportadoras, sierra. Las cintas se mueven mediante motores de C.C. debido a la alta precisin requerida en el posicionamiento (el proceso de produccin es totalmente continuo, ya que el tubo o lmina de acero no se interrumpe). La sierra rota gracias a un motor de induccin trifsica, pero su posicionamiento (en el punto de corte) se realiza a travs de un motor de C.C. Robots Motor de C.C. Ascensores Motor de C.C. (ms antiguo) y motor de induccin jaula de ardilla (nuevo). Mquinas de precisin: Fresas, tornos, etc. Motor de C.C.

4-Las mquinas de corriente continua en la industria de la

aviacinAdems del transporte terrestre que hemos estudiado ya, las mquinas de corriente continua tambin dicen presente en el transporte areo, tanto en los procesos de construccin de aviones como en el funcionamiento de los mismos. La primera mquina elctrica que se propuso en el ao 1869 para un avin era un motor elctrico de 300 CV Ideado por A. N. Lodiguin. Con ese motor se supona poner en rotacin las hlices del avin. Antes de la primera guerra mundial Lodiguin cre un nuevo proyecto ms perfecto en el que se prevea la alimentacin de estos motores por un generador que se pona en rotacin por medio de un motor de explosin. Este tipo de accionamiento del generador avin encontr ms tarde empleo prctico en la aviacin; la primera instalacin fue construida en el ao 1934. La eleccin del sistema de suministro de energa elctrica de corriente continua tuvo lugar definitivamente en los aos 1919 1920. A medida que iban creciendo la distancia y la altura de vuelo aumentaban tambin las dimensiones del avin. Esto exiga asimismo un incremento considerable de la potencia del generador. Debido a que en esas condiciones un generador no poda garantizar el vuelo fiable del avin surgi la necesidad de conectar en paralelo varios generadores. La solucin de este problema representaba dificultades considerables puesto que los generadores funcionaban con velocidad de rotacin variable desde los motores del avin. Como resultado de las investigaciones realizadas fue elaborado el esquema de regulacin automtica de la tensin del generador. La amplia electrificacin de los aviones comenz en el ao 1939, cuando fueron utilizados por primera vez aparatos elctricos para el mando a distancia de los trenes del aterrizaje del estabilizador y de los radiadores alimentados por generadores de corriente continua. En lo adelante las mquinas de corriente continua han dominado el escenario tambin en lo que respecta tambin a la aviacin.

5-Tipos Fundamentales de Mquinas de Corriente Continua

(CC)

La mquina de CC fundamental se refiere a su tipo de colector, es decir, a la mquina que en esencia es una mquina de corriente alterna, pero que tiene un dispositivo especial llamado colector que permite bajo determinadas condiciones convertir la corriente alterna en corriente continua. Las mquinas de corriente cc poseen el principio de reversibilidad, lo que la hace trabajar en rgimen de generador y en rgimen de motor. Partiendo de esta realidad, estas mquinas podemos dividirla en dos grandes grupos los cuales son: 1. Generadores de corriente continua. 2. Motores de corriente continua.

Generadores de Corriente ContinaEn las centrales elctricas modernas prcticamente se genera slo energa elctrica de corriente alterna trifsica. Una parte significante de esta energa se usa en la misma forma de corriente alterna en la industria para los fines de alumbrado y necesidades domsticas. En los casos en que por las condiciones de produccin es necesaria o preferente la corriente continua (empresas de la industria qumica y metalrgica, transporte, etc.) sta se obtiene, con ms frecuencia, transformando la corriente alterna en continua con auxilio de convertidores inicos o mecnicos. En el ltimo caso se emplean instalaciones por el esquema motor - generador, en las que el motor de corriente alterna se acopla con el generador de corriente continua en un mismo rbol. Los generadores de corriente continua se emplean como fuentes primarias de energa principalmente en las instalaciones aisladas (como excitadores de las mquinas sincrnicas), en los camiones, aviones, para la soldadura al arco, para el alumbrado de los trenes, en los submarinos, etc. Los generadores modernos de corriente continua utilizan armaduras de tambor, que suelen estar formadas por un gran nmero de bobinas agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del ncleo de la armadura y conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador mltiple. Si una armadura tiene un solo circuito de cable, la corriente que se produce aumentar y disminuir dependiendo de la parte del campo magntico a travs del cual se est moviendo el circuito. Un conmutador de varios segmentos usado con una armadura de tambor conecta siempre el circuito externo a uno de cable que se mueve a travs de un rea de alta intensidad del campo, y como resultado la corriente que suministran las bobinas de la armadura es prcticamente constante. Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o ms polos electromagnticos que aumentan el tamao y la resistencia del campo magntico. En algunos casos, se aaden Interpolos ms pequeos para compensar las distorsiones que causa el efecto magntico de la armadura en el flujo elctrico del campo. El campo inductor de un generador se puede obtener mediante un imn permanente (magneto) o por medio de un electroimn (dinamo). En este ltimo caso, el electroimn se excita por una corriente independiente o por autoexcitacin, es decir, la propia corriente producida en la dinamo sirve para crear el campo magntico en las bobinas del inductor. Existen tres tipos de dinamo segn sea la forma en que estn acoplados el inductor y el inducido: en serie, en derivacin y en combinacin. El campo de aplicacin de los generadores de corriente continua es bastante amplio y correspondientemente son muy diversas las exigencias planteadas a stos con respecto a la potencia, tensin, velocidades de rotacin, fiabilidad de funcionamiento, plazos de servicio, etc. Aqu examinaremos slo las propiedades fundamentales de los generadores de corriente continua, sin tocar los regmenes especiales de funcionamiento. Clasificacin

Los generadores auto excitadores se dividen, segn el mtodo de conexin de los arrollamientos de excitacin, en a) generadores (dnamos) en derivacin (shunt), b) generadores (dnamos) en serie y c) generadores de excitacin compuesta (dinamos compound).

Clasificacin de los generadores de corriente continua por el mtodo de excitacinPor el mtodo de excitacin los generadores de corriente continua se dividen en generadores con excitacin independiente y generadores auto excitador. Los generadores con excitacin independiente se, dividen en a) generadores excitados por va electromagntica, y b) generadores con imanes permanentes. Los generadores con excitacin independiente tienen la corriente del inducido igual a la corriente de la carga, y en el caso general su tensin externa es distinta de su tensin de carga. Por otro lado en un generador en derivacin la corriente del inducido es igual a la suma de la corriente de la carga y la corriente de excitacin, pero su voltaje de carga es el mismo externo. El generador en serie se caracteriza porque las corrientes de carga, del inducido y de excitacin son las mismas. El generador de excitacin compuesta tiene dos arrollamientos de excitacin, uno en serie y uno en paralelo, cuyas fuerzas magnetizantes pueden adicionarse o sustraerse.

Caractersticas fundamentales de los generadores de corriente continuaLas propiedades de los generadores se analizan con ayuda de las caractersticas que establecen la dependencia entre las magnitudes principales que determinan el funcionamiento del generador. Tales magnitudes son: a) la tensin en los terminales del generador U; b) la corriente de excitacin Iex ; c) la corriente en el inducido Iind; d) la velocidad de rotacin n. Puesto que los generadores funcionan por lo general con velocidad de rotacin constante, el grupo fundamental de caractersticas se obtiene para n = constante. De las dems tres magnitudes, la que mayor importancia tiene es la tensin V, por cuanto determina las cualidades del generador respecto de la red para la cual ste funciona. Por esta razn, las caractersticas principales son:

La caracterstica en carga U = f (Iex) para I=constante. En el caso particular cuando I=0, lacaracterstica en carga pasa a ser la caracterstica en vaco, que tiene gran importancia para la valorizacin del generador y el trazado de sus caractersticas restantes.

La caracterstica exterior U=f (I) siendo constante la resistencia del circuito de excitacin Rex= constante.

La caracterstica de regulacin iex=f (I) para U=constante. En el caso particular cuando U =0,la caracterstica de regulacin pasa a ser la caracterstica en cortocircuito Ik=f (iex). Junto con las principales caractersticas citadas existen algunas ms, en particular las caractersticas a velocidad de rotacin variable pero stas son de importancia auxiliar.

Motores de Corriente ContinuaLas mquinas de corriente continua cumplen con el llamado principio de reciprocidad de las mquinas elctricas, que consiste en trabajar en dos regmenes contrarios. Supongamos que la mquina funciona en rgimen de generador a la red (barras) con una tensin constante U =constante y desarrolla un momento elctrico Mg. Sabemos que este momento es decelerado con respecto del momento de rotacin M del motor primario que pone al generador en rotacin.

En este caso: Disminuyamos la f.e.m. del generador disminuyendo su velocidad de rotacin o su flujo magntico. Al disminuir suficientemente la f.e.m. Ea esta puede resultar menor que la tensin en la red U. En este caso, la corriente del inducido la cambia de signo, es decir, circular en sentido contrario al inicial pero, por cuanto U =constante, el sentido de la corriente iex en el arrollamiento de excitacin y, por lo tanto. La polaridad de los polos principales no vara. En correspondencia con esto vara el signo del momento electromagntico Mg o sea, si antes la mquina funcionaba como generador y, desarrollando un momento desacelerador (frenado), transformaba la potencia mecnica suministrada en potencia elctrica, ahora funciona como motor elctrico y desarrolla el momento de rotacin, venciendo el momento de resistencia en el rotor y transforma la potencia elctrica que llega a ella en mecnica; pero sigue girando en la misma direccin que antes y conserva la misma polaridad de los polos. Desconectando el motor primario obtenemos el esquema normal de un motor de excitacin en derivacin. Si se cambian en la frmula vista anteriormente los signos de U y de Ea y se considera que el signo de la corriente en el rgimen de motor es positivo, entonces la ecuacin para la corriente toma la forma: En este caso Ea puede ser considerada como fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.) respecto de la tensin de la red U. El principio de reciprocidad de la mquina elctrica, formulado por E. J. Lenz en el ao 1833 y mostrado ms arriba en el ejemplo de la mquina de excitacin en derivacin, se extiende tanto a las mquinas de comente continua de otros tipos, como a las mquinas de corriente alterna.

Clasificacin de los motores de corriente continaLo mismo que los generadores, los motores de corriente continua se clasifican por el mtodo de conexin del arrollamiento de excitacin con relacin al inducido. En correspondencia con esto existen motores: a) de excitacin en derivacin. b) de excitacin en serie c) de excitacin compuesta. Se clasifican en dos grandes grupos. Motores de imn permanente, entre ellos: Motores de corriente continua sin escobilla. Servomotores.

Y en capacidades nominales de fracciones de caballo de potencia y los motores de corriente continua de campo devanado, los que a su vez se clasifican como: Motor en derivacin, en el que el devanado del campo est conectado en paralelo con la armadura.

En un motor shunt, el flujo es constante si la fuente de poder del campo es fija. Asuma que el voltaje de armadura Et es constante. A medida que la corriente de la carga disminuye desde plena carga a sin carga, la velocidad debe aumentar proporcionalmente de manera que la fuerza contra electromotriz (EC) aumentar para mantener la ecuacin en balance. A voltaje nominal y campo completo, la velocidad del motor shunt aumentar 5% a medida que la corriente de carga disminuya de plena carga a sin carga. La reaccin de armadura evita que el flujo de campo permanezca

absolutamente constante con los cambios en la corriente de la carga. La reaccin de armadura, por lo tanto causa un ligero debilitamiento del flujo a medida que la corriente aumenta. Esto tiende a aumentar la velocidad del motor. Esto se llama inestabilidad y el motor se dice que est inestable. Motor devanado en serie, en el que el devanado del campo est conectado en serie con la armadura.

En un motor serie, el flujo del campo es una funcin de la corriente de la carga y de la curva de saturacin del motor. A medida que la corriente de la carga disminuye desde plena carga, el flujo disminuye y la velocidad aumenta. La tasa de incremento de velocidad es pequea al principio pero aumenta a medida que la corriente se reduce. Para cada motor serie, hay una mnima carga segura determinada por la mxima velocidad de operacin segura. Motor en compound, en el que se tiene un devanado del campo en serie y otro en paralelo.

Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt. Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de armadura. El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de armadura varia, y es directamente proporcional a la carga. El campo serie se conecta de manera tal que su flujo se aade al flujo del campo principal shunt. Los motores compound se conectan normalmente de esta manera y se denominan como compound acumulativo. Esto provee una caracterstica de velocidad la cual no es tan dura o plana como la del motor shunt, no tan suave como un motor serie. Un motor compound tiene un limitado rango de debilitamiento de campo, la debilitacin del campo puede resultar en exceder la mxima velocidad segura del motor sin carga. Los motores D.C compound son algunas veces utilizados donde se requiera una respuesta estable de torque constante a travs de un amplio rango de velocidad. Motores de corriente continua de imn permanente Existen motores de imn permanente (PM, permanent magnet), en tamaos de fracciones de caballo y de nmeros pequeos enteros de caballos. Tienen varias ventajas respecto a los del tipo de campo devanado. No se necesitan las alimentaciones de energa elctrica para excitacin ni el devanado asociado. Se mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del campo que fallen y no hay probabilidad de que se presente una sobre velocidad debida a prdida del campo. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la eliminacin de prdida de potencia en un campo excitador. As mismo, la caracterstica par contra corriente se aproxima ms a lo lineal. Un motor de imn permanente (PM) se puede usar en donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitacin continua. Los efectos de la temperatura dependen de la clase de material que se use en el imn. Los motores de nmero entero de caballos de potencia con imanes del tipo Alnico resultan menos afectados por la temperatura que los que tienen imanes de cermica, porque el flujo magntico es constante. Por lo comn, los imanes de cermica que se utilizan en los motores de fraccin de caballo tienen caractersticas que varan con la temperatura muy aproximadamente como varan los campos en derivacin de las mquinas excitadas. Las desventajas son la falta de control del campo y de caractersticas especiales velocidad-par. Las sobrecargas pueden causar desmagnetizacin parcial que cambia las caractersticas de velocidad y de par del motor, hasta que se restablece por completo la magnetizacin. En general, un motor PM de nmero entero de caballos es un poco ms grande y ms caro que un motor equivalente con devanado en derivacin, pero el costo total del sistema puede ser menor.

Un motor PM es un trmino medio entre los motores de devanado compound y los devanados en serie. Tiene mejor par de arranque, pero alrededor de la mitad de la velocidad en vaco de un motor devanado en serie.

Motores de corriente contina sin escobillasLos motores de corriente continua sin escobillas tienen una armadura estacionaria y una estructura rotatoria del campo, exactamente en forma opuesta a como estn dispuestos esos elementos en los motores convencionales de corriente directa. Esta construccin aumenta la rapidez de disipacin del calor y reduce la inercia del rotor. Imanes permanentes suministran el flujo magntico para el campo. La corriente directa hacia la armadura se conmuta con transistores, en vez de las escobillas y las delgas del colector de los motores convencionales de corriente directa. Es normal que las armaduras de los motores de corriente continua sin escobillas contengan de dos a seis bobinas, en tanto que las armaduras de los motores convencionales de corriente continua contienen de 10 a 50. Los motores sin escobillas tienen menos bobinas porque se requieren dos o cuatro transistores para conmutar cada bobina del motor. Esta disposicin se vuelve cada vez ms costosa e ineficiente a medida que aumenta el nmero de devanados. Los transistores que controlan cada devanado de un motor sin escobillas de corriente continua se activan y desactivan a ngulos especficos del rotor. Los transistores suministran pulsos de comente a los devanados de la armadura, los cuales son semejantes a los que suministra un conmutador. La secuencia de conmutacin se dispone para producir un flujo magntico rotatorio en el entrehierro, que permanece formando un ngulo fijo con el flujo magntico producido por los imanes permanentes del rotor. El par producido por un motor sin escobillas de corriente continua es directamente proporcional a la corriente de la armadura.

Servomotores de corriente continuaLos servomotores de corriente continua son motores de alto rendimiento que por lo general se usan como motores primarios en computadoras, maquinaria controlada numricamente u otras aplicaciones en donde el arranque y la detencin se deben hacer con rapidez y exactitud. Los servomotores son de peso ligero, y tienen armaduras de baja inercia que responden con rapidez a los cambios en el voltaje de excitacin. Adems, la inductancia muy baja de la armadura en estos motores da lugar a una baja constante elctrica de tiempo (lo normal entre 0.05 y 1.5 ms) que agudiza todava ms la respuesta del motor a las seales de comando. Los servomotores incluyen motores de imn permanente, circuito impreso y bobina (o coraza) mvil. El rotor de un motor acorazado consta de una coraza cilndrica de bobinas de alambre de cobre o de aluminio. El alambre gira en un campo magntico en el espacio anular entre las piezas polares magnticas y un ncleo estacionario de hierro. El campo es producido por imanes de fundicin de Alnico cuyo eje magntico es radial. El motor puede tener dos, cuatro o seis polos. Cada uno de estos tipos bsicos tiene sus propias caractersticas, como son la inercia, forma fsica, costos, resonancia de la flecha, configuracin de sta, velocidad y peso. Aun cuando estos motores tienen capacidades nominales similares de par, sus constantes fsicas y elctricas varan en forma considerable. La seleccin de un motor puede ser tan sencilla como ajustar uno al espacio del que se disponga. Sin embargo, en general ste no es el caso, ya que la mayor parte de los servosistemas son muy complejos. Motores de corriente continua con campo devanado La construccin de esta categora de motores es prcticamente idntica a la de los generadores de corriente directa; con un pequeo ajuste, la misma mquina de corriente continua se puede operar como generador o como motor de corriente directa.

Los motores de corriente continua de imn permanente tienen campos alimentados por imanes permanentes que crean dos o ms polos en la armadura, al pasar flujo magntico a travs de ella. El flujo magntico hace que se cree un par en la armadura que conduce corriente. Este flujo permanece bsicamente constante a todas las velocidades del motor: la curva velocidad-par y corriente-par son lineales. Motores en derivacin Es el tipo de motor de corriente continua cuya velocidad no disminuye ms que ligeramente cuando el par aumenta. En los motores de corriente continua y especialmente los de velocidad prcticamente constante, como los shunt, la variacin de velocidad producida cuando funciona en carga y en vaco da una base de criterio para definir sus caractersticas de funcionamiento. Excepcionalmente, la reaccin del inducido debera ser suficientemente grande para que la caracterstica de velocidad fuera ascendente al aumentar la carga. Los polos de conmutacin han mejorado la conmutacin de los dinamos de tal manera que es posible usar un entrehierro mucho ms estrecho que antiguamente. Como la armadura de un motor gira en un campo magntico, se genera una f.e.m. en los conductores que se opone a la direccin de la corriente y se le conoce como fuerza contraelectromotriz. La f.e.m. aplicada debe ser bastante grande como para vencer la fuerza contraelectromotriz y tambin para enviar la corriente (Ia) de la armadura a travs de Rm, la resistencia del devanado de la armadura y las escobillas. Ea= Eb + IaRm (Voltios) La Ea = f.e.m. aplicada y Eb = fuerza contraelectromotriz. Puesto que la fuerza contraelectromotriz a la velocidad cero, es decir, en el arranque, es idnticamente cero y como por lo general la resistencia de la armadura es pequea, es obvio, en vista de la ecuacin anterior, que, a menos que se tomen medidas para reducir el voltaje aplicado, circular una corriente excesiva en el motor durante ese arranque. Lo normal es que se usen dispositivos de arranque que consisten en resistores variables en serie, para limitar la corriente de arranque de los motores. Motor devanado en serie Es el motor cuya velocidad disminuye sensiblemente cuando el par aumenta y cuya velocidad en vaco no tiene lmite tericamente. Los motores con excitacin en serie son aquellos en los que el inductor est conectado en serie con el inducido. El inductor tiene un nmero relativamente pequeo de espiras de hilo, que debe ser de seccin suficiente para que se pase por l la corriente de rgimen que requiere el inducido. En los motores serie, el flujo depende totalmente de la intensidad de la corriente del inducido. Si el hierro del motor se mantiene a saturacin moderada, el flujo ser casi directamente proporcional a dicha intensidad.

6-Mquinas Especiales de Corriente ContinuaCon el nombre genrico de mquinas especiales de corriente continua se abarca un conjunto de mquinas cuyo principio de operacin y funcionamiento se aparta de una manera u otra, de las mquinas de corriente continua convencionales. Generalmente estas mquinas no se emplean como generadores de gran potencia, ni como motores, sino que su campo de aplicacin se extiende a las siguientes aplicaciones:

Como mquinas reguladoras, es decir, para mantener constante una maquina previamente regulada que puede ser una tensin, una corriente, una velocidad, etc. Como mquinas amplificadoras, las cuales permiten la regulacin de grandes potencias por el control sobre un circuito de potencia mucho menor. potencia de corriente continua U1I1 en otra potencia tambin de corriente continua, y prcticamente igual a U2I2, haciendo que U2 U1 e I2 I1.

Como mquinas transformadoras, es decir, maquinas capaces de transformar una

Las caractersticas de todas estas mquinas permiten cumplir las funciones de amplificacin y regulacin de alta calidad como son, por ejemplo, los utilizados para la regulacin de tensin en grandes generadores sncronos de las centrales elctricas, la regulacin de velocidad de las mquinas de traccin, la regulacin de potencia en los laminadores, etc. De forma general, estas mquinas especiales realizan las condiciones indicadas segn dos principios de funcionamiento. Por utilizacin de la reaccin del inducido. Por la combinacin de varios arrollamientos de excitacin. Utilizacin de la reaccin del inducido En una mquina convencional de corriente continua, la reaccin del inducido es un fenmeno perturbador que debe compensarse de alguna manera. Sin embargo, en varios tipos de mquinas especiales se aprovecha ste fenmeno para obtener unas caractersticas especiales de funcionamiento y para obtener en la misma mquina dos pasos de amplificacin. La mquina bsica que utiliza la reaccin del inducido y a partir de la cual se han desarrollado todas las dems que funcionan con el mismo principio, es el Generador Rosenberg. Sistemas de excitacin de turbogeneradores

Fig.4-Turbo Generador

El flujo resultante en el circuito magntico de una maquina se establece por la fuerza magnetomotriz combinada de todos los devanados que tenga la mquina. Para proporcionar excitacin a las mquinas de corriente alterna (turbogeneradores, maquinas sncronas) intervienen varios aspectos operativos los cuales tienen importancia econmica. Conforme se han incrementado las capacidades nominales disponibles de los turbogeneradores, los problemas para alimentar la excitacin del campo de corriente continua (equivalentes a 4000 A o ms en las unidades ms grandes) se han hecho progresivamente ms difciles. Una fuente comn de excitacin es un generador de corriente continua, cuya salida se alimenta al campo del alternador a travs de escobillas y anillos colectores. Generadores utilizados para soldadura Los generadores para soldadura son normalmente generadores de campo transversal, ya que el generador de campo transversal suministra una corriente prcticamente independiente de la velocidad de giro y de la resistencia de carga. El devanado de excitacin esta en serie con el circuito de soldadura, unido a las escobillas situadas bajo los polos principales. El polo principal est provisto de una pieza mvil, por medio de la cual es posible variar la resistencia magntica correspondiente al campo principal, y con ello el valor de la corriente de soldadura. Los generadores que se destinados para la soldadura deben satisfacer una serie de caractersticas tales como: Soportar el rgimen de cortocircuito. Suministrar una intensidad de corriente aproximadamente constante. Al soldar el soldador empieza a tocar la pieza de trabajo con el electrodo, con lo que cortocircuita el generador. La corriente de cortocircuito no es muy superior a la corriente de soldadura ajustada. Durante el proceso de soldadura la tensin del generador puede alcanzar valores mximos de algunos 100 V, superiores a la tensin en vaco. La corriente se mantiene sin grandes variaciones, aunque la tensin del arco vari, por ejemplo de 20 V a 40 V.

T abla 3-Caractersticas en carga de un generador de soldadura. El rango o intervalo de amperaje que suministra el generador para soldadura define los procesos de soldadura:

Para el rango de 150 a 200 Amperes y 30 Voltios para soldadura de arco protegido. Para 200, 300 y 400 Amperes con 40 Voltios procesos de aplicacin manual. Para 600 A con 40 V para soldadura de arco sumergida. El Generador Krmer Es un generador de corriente continua, es decir, entre ciertos lmites de la tensin en bornes, la corriente suministrada tiene siempre el mismo valor cualquiera que sea la tensin en bornes. Este generador lleva tres arrollamientos de excitacin, uno de ellos es de excitacin independiente, otro de excitacin Shunt, y el tercero de excitacin serie, el cual produce una corriente de excitacin de sentido opuesto a la de los otros dos arrollamientos de excitacin. Adems de estos tres arrollamientos, montados sobre polos inductores, la maquina est provista tambin de los polos de conmutacin para asegurar, en todos los casos, un funcionamiento exacto de chispeo en el colector. Esta mquina encuentra aplicacin en los generadores para soldadura elctrica por arco y en general, siempre que se necesite una corriente constante aunque los bornes de la maquina queden cortocircuitados. Su construccin es igual a la de una maquina normal. La carcasa, el inducido, la disposicin de las escobillas, etc. son similares a las disposiciones normales de las maquinas Shunt. Los inconvenientes del generador Krmer son los siguientes: Necesita de una fuente exterior de corriente continua para alimentar su arrollamiento de excitacin independiente. No puede suministrar una corriente continua constante operacin. para una velocidad variable de

El generador Krmer se emplea poco en la actualidad por haber sido sustituido por mquinas ms modernas, pero su estudio es importante porque de l han derivado otras mquinas que actualmente se utilizan como amplificadoras y como reguladoras. Generadores utilizados para excitatrices Los generadores de corriente continua que se utilizan como excitatrices van acoplados directamente o a travs de engranajes, al eje del generador principal y constituyen la primera forma de los sistemas de excitacin de mquinas sncronas. Para turbogeneradores de potencia media la posicin del inducido del generador excitatriz es tal que va acoplada a un extremo del rotor de la mquina, y para turbogeneradores de mayor potencia el excitador se separa y se acopla al rotor del turbogenerador por medio de un embrague. Los generadores de corriente continua para excitatrices poseen la caracterstica de ser una mquina de gran velocidad, adems, es una maquina sensible a las vibraciones. Esta mquina excitatriz trabaja bajo condiciones de conmutacin muy severas por lo que amerita de un sistema de evacuacin del calor muy eficiente. Uno de los problemas que presentan los sistemas de excitacin a base de generadores de corriente continua es que requieren de mayor mantenimiento que otros sistemas de excitacin que se denominan rotatorios sin escobillas, o ms bien, estticos. El amplidino

Fig.5- Seccin transversal de un generador Amplidino. El amplidino fue desarrollado en Estados Unidos por General Electric Company, la cual se deriva del generador Rosenberg. Resume en una sola maquina las funciones de una excitatriz piloto y de una excitatriz principal y se utiliza como maquina amplificadora y como maquina reguladora. El amplidino pertenece a las mquinas que utilizan la reaccin transversal del inducido. Esta mquina se utiliza en una amplia variedad de sistemas de accionamientos electrificados de control continuo. El amplidino se emplea como regulador automtico de accin contina de una o de varias magnitudes que determinan el funcionamiento del accionamiento elctrico tales como: niveles de tensin, corriente, velocidad de rotacin, etc. Caractersticas que definen una buena eficacia de funcionamiento del amplidino son: Un alto factor de amplificacin Constante de tiempo bajas Buena estabilidad de funcionamiento. La potencia de diseo de los amplidino puede llegar a niveles de hasta 100kW. En la actualidad, los amplidinos de grandes potencias se utilizan tambin como excitadores de turbogeneradores. Mquinas especiales de corriente continua que utilizan la combinacin de varios arrollamientos de excitacin. Los tres sistemas de excitacin: Independiente, Shunt y Serie, se emplean en ciertas maquinas especiales cuyo estado magntico est definido en cada instante, por flujos magnticos producidos por cada uno de ellos. Segn el sentido (magnetizante o desmagnetizante) de la fuerza magnetomotriz de cada arrollamiento de excitacin, se pueden obtener caractersticas muy diversas.

La mquina bsica de varios arrollamientos que se considera como el fundamento de todas las dems es el Generador Krmer Mquinas de corriente continua con imanes permanentes

Fig.6- Inductor de imanes permanentes. Las mquinas de corriente continua con imanes permanentes se utilizan mucho en una amplia variedad de aplicaciones de baja potencia. El devanado de campo es reemplazado por un imn permanente que simplifica su construccin. Los imanes permanentes ofrecen varios beneficios tiles y su ventaja principal es que no requieren excitacin externa y no hay disipacin de potencia asociada para crear campos magnticos en la mquina. Adems, el espacio que precisan los imanes permanentes puede ser menor que el requerido para el devanado de campo, por lo que las mquinas de imanes permanentes pueden ser ms pequeas, y en algunos casos ms econmicas que sus contrapartes externamente excitadas. Sin embargo, las mquinas de imanes permanentes estn sujetas a ciertas limitaciones impuestas por los imanes mismos. Estas incluyen el riesgo de desmagnetizacin debido a las corrientes excesivas en los devanados del motor o debido al sobrecalentamiento del imn. Adems los imanes permanentes estn un poco limitados en la magnitud de la densidad de flujo a travs del entrehierro que pueden. Sin embargo, con el desarrollo de nuevos materiales magnticos tales como Samario-Cobalto y Neodimio-Hierro-Boro, por lo que estas caractersticas se estn volviendo cada vez menos restrictivas para el diseo de mquinas de imanes permanentes. Motores de CC de imn permanente

Fig.7-Motores de imn permanente.

Un motor de imn permanente es un motor dc cuyos polos estn hechos de imanes permanentes. En algunas aplicaciones estos motores ofrecen ms beneficios que los motores dc en derivacin. Ya que los motores dc de imanes permanentes no requieren circuito de campo externo, no tienen las perdidas en el cobre del circuito de campo asociadas con los motores dc en derivacin. La ausencia de los devanados de campo permite que los motores dc de imanes permanentes puedan ser de dimensiones menores que su contraparte los motores dc en derivacin. Los motores dc de imanes permanentes exhiben las siguientes ventajas: No se necesitan las alimentaciones de energa elctrica para excitacin ni el devanado asociado. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la eliminacin de prdida de potencia en un campo excitador. Se puede usar para un ciclo de servicio de excitacin continua. Los efectos de la temperatura dependen de la clase de material del cual este construido el imn. Los del tipo Alnico resultan menos afectados por la temperatura que los que tienen imanes de cermica debido a que el flujo magntico es constante. Los motores dc de imanes permanentes tienen algunas desventajas debido a que los imanes permanentes no pueden producir tan alta densidad de flujo como la de un campo externo en derivacin, las cuales son: Falta de control del campo y de las caractersticas especiales velocidad- par.

Laos periodos prolongados de sobrecarga provocan calentamiento excesivo y pueden causarla desmagnetizacin parcial que cambia las caractersticas de velocidad y de par del motor, hasta que se restablece por completo la magnetizacin. Para aplicaciones comunes en mquinas como rotores y estatores, se selecciona un material ferromagntico que tenga una densidad de flujo residual (BRES) y una intensidad magnetizante coercitiva (HC) tan pequea como sea posible, ya que un material con estas caractersticas tendr bajas perdidas por histresis. Sin embargo para fabricar los polos, ocurre lo contrario ya que el material ferromagntico seleccionado deber tener la mayor densidad de flujo residual (BRES) as como la intensidad magnetizante coercitiva (HC) como sea posible. Los principales tipos de materiales magnticos son los denominados cermicos-magnticos (ferrita) y los materiales magnticos de tierras raras. Los motores cd de imanes permanentes convencionales es de igual forma que un motor de rotor devanado configurado en derivacin. Es decir, el rotor, el ncleo laminado de hierro, devanados de armaduras en las ranuras del motor, conmutador, porta escobillas y todo lo dems. La nica diferencia es que se establece el campo magntico con imanes permanentes y no con electroimanes, los cuales se distinguen entre s por su baja permeabilidad magntica. Servomotores de cd de imanes permanentes

Fig. 8- Servomotor Estos son un tipo de servomotor que emplea imanes permanentes (ya sea de Alnico o de cermica) para tener excitacin constante del campo. Se fabrican en general para 6 V y 28 V en tamaos fraccionarios y en 150 V para caballajes de hasta 2 Hp. La estructura del campo para este tipo de motor consiste en general de aleacin de Alnico VI, vaciada o colada en forma de anillo circular que rodea por completo la armadura y da un flujo fuerte y constante.

7-Perdidas y Rendimiento de la Maquina de Corriente

ContinuaGeneralidades Una maquina es un dispositivo dinmico. No realiza conversin de potencia o de energa si est en estado de reposo. Para convertir energa es preciso que se mueva. Por esta razn es incapaz de almacenar energa. As mismo, por esta razn, de acuerdo al principio de conservacin de la energa, la potencia total recibida por una maquina en un instante dado debe ser igual a la potencia total suministrada por esa mquina en ese instante. La potencia total recibida por una maquina debe ser igual a su potencia de salida til ms las prdidas totales de potencia, de acuerdo con el principio de conservacin de la potencia o:

Dnde: PEnt: potencia total recibida por una maquina Psal: potencia til suministrada por la mquina para realizar trabajo Pperd: representa las prdidas totales producidas en el interior de la maquina como resultado de la conversin de energa, es decir PEnt - Psal Es evidente que la potencia suministrada a una maquina siempre debe ser mayor que la potencia de salida o potencia suministrada por la mquina para realizar trabajo til. Eso significa que un motor o generador nunca puede convertir toda la potencia recibida en potencia de salida elctrica o mecnica

til. La diferencia entre la potencia de entrada y salida de la maquina son las prdidas que no se aprovechan para hacer trabajo til. Puesto que estas prdidas no producen ni energa mecnica ni elctrica (ambas son til para la maquina), solo pueden convertirse en calor, luz o energa qumica. Casi todas las prdidas se transforman en calor*. En cuanto mayores sean las perdidas como porcentaje de la potencia total de entrada, mayor ser el calentamiento de la mquina, es decir, la elevacin de la temperatura de la maquina giratoria. * En las maquinas tipo colector una pequea parte de las perdidas produce luz visible y otras perdidas por radiacin (energa luminosa), pero son despreciables en comparacin con las prdidas de calor. Perdidas en las maquinas: Las prdidas en una maquina pueden dividirse en dos grandes tipos: 1. Las que se producen por la circulacin de corriente por las diversas partes de los devanados de la maquina denominadas perdidas elctricas 2. Las que dependen directamente de la rotacin dinmica de la maquina denominadas perdidas por rotacin. Las prdidas de rotacin se dividen ordinariamente en dos clases: a) Perdidas mecnicas que resultan de la rotacin b) Perdidas en el hierro resultantes de la rotacin El anlisis de las perdidas revela que ciertas prdidas son resultado directo de la carga, y varan con ella, en cuanto que otras son independientes de la misma. Prdidas mecnicas Estas son perdidas asociadas a los efectos mecnicos. Hay dos tipos bsicos de prdidas mecnicas: rozamiento propio y rozamiento con el aire. Las prdidas por rozamiento propio son las causadas por friccin de los rodamientos de la mquina, mientras que las prdidas por rozamiento con el aire son las causadas por friccin entre las partes mviles de la mquina y el aire encerrado en la estructura de ella. Estas prdidas varan con el cubo de la velocidad de rotacin de la mquina. Resistencia del aire. Rozamiento de los cojinetes. Rozamiento de las escobillas.

Estas prdidas como podemos ver en la siguiente tabla aumentan con la velocidad de giro de la mquina, siendo independientes de la carga para una velocidad determinada.

Tabla 4-Curvas de rendimiento de las mquinas de CC. Coeficiente de rendimiento en funcin de las prdidas en KW, para diferentes velocidades nominales de la mquina. Prdidas en el hierro Las prdidas fundamentales en el ncleo son las perdidas por histresis y por corrientes parasitas que ocurren el metal de la mquina.

Por corriente de Foucault (k n2 B2). Por histresis (k' n B 1,6).Siendo: k, k' = constantes. n = velocidad de giro en rpm. B = densidad mxima de flujo magntico. Estas prdidas son de difcil cuantificacin y se suponen independientes de la carga de la mquina. Prdidas en el cobre: Las prdidas en el cobre ocurren en los devanados del inducido y del campo de la mquina. Para los devanados del inducido y del campo las prdidas estn dadas por:

Dnde:

La resistencia utilizada en estos clculos es la resistencia del devanado a la temperatura normal de operacin. Estas prdidas dependen del valor de la carga. Prdidas en las escobillas Las prdidas por cada en las escobillas corresponden a la potencia perdida a travs del contacto potencial en las escobillas de la mquina. Estas estn dadas por la ecuacin:

Dnde:

Las prdidas en las escobillas se calculan de este modo porque la cada de voltaje a travs de un conjunto de escobillas es aproximadamente constante en un amplio rango de corrientes del inducido. A menos que se especifique lo contrario se supone que es normal la cada de voltaje en las escobillas: alrededor de 2V. Perdidas dispersas, perdidas miscelneas o perdidas distribuidas de carga. Las perdidas dispersas son aquellas que no se pueden clasificar en alguna de las categoras mencionadas anteriormente. No tiene importancia el cuidado con que se contabilicen las prdidas, pues casi siempre algunas quedan por fuera de las categoras mencionadas. Todas estas prdidas se renen en las perdidas miscelneas. Para la mayora de las maquinas las perdidas miscelneas se toman convencionalmente como el 1% de la plena carga. Rendimiento de una mquina elctrica Los generadores D.C toman potencia mecnica y producen potencia elctrica, mientras que los motores D.C toman potencia elctrica y producen energa mecnica. En cualquier caso no toda la potencia de entrada a la maquina es til en el otro lado pues siempre hay una perdida asociada al proceso. El rendimiento de toda mquina se define por:

La relacin de la expresin anterior, expresada en tanto por ciento, constituye una medida de la cantidad de potencia calorfica producida en proporcin a la potencia total de entrada. Una mquina que funcione con un rendimiento elevado, es decir, con una elevada relacin entre la potencia de salida y la de la entrada, produce comparativamente poco calor en relacin a la potencia de entrada o salida. Segn la capacidad termodinmica de la mquina para disipar el calor generado internamente, la temperatura de la maquina tendera a aumentar hasta que alcance la temperatura para la que su potencia calorfica disipada sea igual a las perdidas calorficas generadas interiormente. Si esta temperatura final es excesiva, es decir, si excede el lmite que los materiales aislantes en los devanados de la maquina pueden resistir, en este caso se presentan dos alternativas: 1) Deben emplearse dispositivos externos de refrigeracin a fin de que la potencia nominal de la maquina (potencia de salida), permanezca igual 2) Debe reducirse la potencia de salida (reduciendo la de entrada y las prdidas) a un valor nominal en el que las perdidas y la elevacin de temperatura no sean excesivas. En el caso de un motor, es ms fcil medir la potencia elctrica de entrada que la potencia mecnica de salida. En el caso de un generador es ms fcil medir la potencia elctrica de salida que la potencia mecnica de entrada. En ambos casos deben calcularse las perdidas. Diagrama de flujo de potencia

Una de las tcnicas ms apropiadas para explicar las prdidas de potencia en una maquina es el diagrama de flujo de potencia. En la figura 8a se muestra un diagrama de flujo de potencia para un generador D.C. en esta figura se suministra potencia mecnica a la mquina y luego se restan las perdidas miscelneas, las prdidas mecnicas y las perdidas en el ncleo. Despus de restadas esas prdidas, se convierte la potencia mecnica restante en potencia elctrica en el punto indicado Pconv. La potencia mecnica convertida est dada por:

La potencia elctrica resultante est dada por:

Sin embargo, esta no es la potencia que aparece en las terminales de la mquina. Antes de alcanzar los terminales deben restarse las perdidas elctricas I2R y las perdidas en las escobillas. En el caso de los motores de D.C este diagrama de flujo de potencia simplemente se invierte. Este diagrama se muestra en la figura 8b.

Fig. 9- Diagrama de flujo de potencia para una maquina dc: a) generador, b) motor.

8-Sistema de refrigeracin de las mquinas de CCLlamamos medio de refrigerante o fluido refrigerante, a la sustancia utilizada para refrigerar los diversos elementos constructivos de la mquina. Generalmente se utiliza el aire como medio refrigerante, que algunas veces acta por conveccin natural (caso de los transformadores, carcasa de mquinas cerradas, etc.) y otra mediante ventiladores construidos para remover el aire circulante sustituyndolo por aire ms fri, en esto casos deben preverse dispositivo de evacuacin del aire caliente. En casi todas las maquinas elctricas rotativas se utiliza un procedimiento mixto de refrigeracin, ya que el mismo movimiento giratorio de las maquinas produce un desplazamiento del aire sustituyndolo por aire fresco, y adems se monta casi siempre un ventilador en el mismo eje de la mquina, que ayuda a completar la refrigeracin natural de la mquina. En algunos casos sobre el medio de refrigeracin es el agua, que impulsada de forma continua por medio de una bomba adecuada, es conducida por tubera apropiada hasta la mquina, rodeando el cuerpo de la misma por medio de serpentines; como siempre hay circulacin de agua fra, el efecto refrigerante es mayor que si se utiliza aire.

Mquinas de CC con refrigeracin por hidrgenoSe emplea este procedimiento en mquinas rotativas debido a su complicada construccin. En alguna maquinas modernas de gran potencia, se utiliza el hidrogeno como refrigerante; este gas tiene una viscosidad menor que la viscosidad del aire y aproximadamente tiene una conductividad para disipar el calor 7.5 veces superior a la del aire Pero tiene la misma capacidad calorfica por unidad de volumen que el aire, de modo que la refrigeracin con un flujo determinado de hidrogeno comparado con aire presenta un mayor rendimiento en la disminucin de la temperatura, Por lo tanto una maquina elctrica refrigerada con hidrogeno puede tener dimensiones menores y alcanzar temperatura ms altas que una maquina refrigerada por aire. Cuando se emplea la refrigeracin por hidrogeno es necesario que el sistema sea completamente sellado. El hidrogeno se hace circular mediante sopladores y ventiladores a travs del rotor y el estator y a continuacin se hace pasar por bobinas de refrigeracin situada dentro de la envoltura

sellada; las bobinas contienen un refrigerante ordinariamente aceite o agua para extraer el calor del hidrogeno circulante. El gas se mantiene a una presin superior a la atmosfrica para impedir la entrada del aire contaminante, y la presin se mide cuidadosamente para evitar y descubrir las fugas.

Fig. 10- Corte longitudinal de la junta de aceite de un turbo generador refrigerado por hidrogeno. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Cojinete Junta de aceite Conducto de llegada del aceite a la junta Anillos de la junta de aceite Conducto del retorno del aceite, lado hidrogeno Conducto de retorno del aceite, lado aire Eje del turbogenerador

Los generadores de mayor capacidad, peso, tamao y los ms modernos, usan hidrgeno para enfriamiento en vez de aire en circuito de enfriamiento cerrado. El peso del hidrgeno es aproximadamente 1/16 del aire y esto significa, que las prdidas de viento, se reducen por su uso y el calor removido y transferido a los enfriadores es satisfactorio. Cuando el hidrgeno se mezcla con aire resulta ser en algunos cosos una mezcla muy explosiva y algunos experimentos indican que las explosiones pueden producirse para composiciones comprendida entre 6% de hidrogeno y 94% de aire y 71% de hidrogeno y 29% de aire. Cuando hay ms del 71 % de hidrogeno, la cantidad de oxgeno en el gas es insuficiente para mantener la combustin. En consecuencia empleando mezcla con un 90% de hidrogeno no hay peligro de explosin incluso a temperaturas de ignicin elevadas. El enfriamiento convencional con hidrgeno puede usarse en generadores con capacidad nominal aproximada de 300 MVA o menos, mucho mayor a los generadores enfriados por agua (cuya construccin es mucho ms compleja) que llegan a un mximo de 250 MVA. Generalmente los generadores se construyen con sistema de enfriamiento por hidrgeno cuando son unidades con capacidades de 100 MVA o ms. Ventaja adicionales del empleo del hidrogeno

Con hidrogeno no tiene lugar la oxidacin del aislamiento a causa del efecto corona. Se precisa un potencial mayor para producir el efecto corona en una atmsfera de hidrogeno-aire que en una atmsfera ordinaria de aire. La refrigeracin por hidrogeno eleva el rendimiento global a plena carga en un 1% aproximadamente pero aumenta la capacidad de la maquinas en alrededor de un 25%. Esta ltima razn es el principal factor que justifica su empleo.

Mquinas de CC refrigeradas por aireEstos generadores se dividen en dos tipos bsicos: abiertos ventilados OV (open ventilated) y completamente cerrados enfriados por agua a aire TEWC (Totally enclosed water to air cooled). Los generadores de tipo OV fueron los primeros construidos y que en algunas plantas de tamao pequeo se utilizan. El aire en este tipo de generadores pasa slo una vez por el sistema y considerable cantidad de materias extraas que pueden acumularse en las bobinas, interfiriendo la transferencia de calor y afectando adversamente al aislamiento. Se pueden usar filtros que puedan reemplazarse o limpiar para mantener limpios los embobinados. Los generadores tipo TEWC son un sistema de enfriamiento cerrado, donde el aire circula constantemente y se enfra pasando a travs del tubo del enfriador, dentro de los cuales se hace pasar agua en circulacin. La suciedad y materias extraas no existen en el sistema, y puesto que se tiene agua de enfriamiento disponible, la temperatura del aire puede mantenerse tan baja como se desee.

Generadores enfriados por aguaEn los ltimos aos se han realizado estudios que han hecho posible la contraccin de grandes generadores, tanto para centrales hidrulicas como para centrales trmicas, con bobinados directamente refrigerados por lquidos. Existen turbo alternadores experimentales con refrigeracin completa por agua, en los cuales con el agua se enfran no solo los devanados del estator y del rotor sino tambin el ncleo del estator y otros rganos y elementos constructivos.

Fig.11- Generador enfriado por agua En los turboalternadores con refrigeracin completa por agua se puede asegurar una mayor eficacia del enfriamiento y elevar respectivamente la potencia por unidad de las mquinas. No obstante en este caso es necesario prever un sistema multi-paralelo para el devanado del rotor, el enfriamiento

por agua de las placas de presin, pantallas amortiguadoras en el estator y otros elementos. Comparada con los mejores aceites aptos para esta refrigeracin, el agua pura presenta numerosas ventajas sobre ellos; en efecto a 50C es 15 veces menos viscosa y su calor especifico es ms de 2 veces mayor, de forma que, a igualdad de prdida de carga, y para el mismo calentamiento del lquido, se podra evacuar alrededor de 7 veces ms de c