Máquinas eléctricas: Máquinas rotativas de corriente...

Máquinas eléctricas: Máquinas rotativas decorriente continua

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

Imagen 1. Diversos motores eléctricos

Fuente: Wikipedia. Creative Commons

El fundamento de los convertidores electromagnéticos está basado en 3 principiosfundamentales de la inducción electromagnética, que conocemos perfectamente:

1. La intensidad que circula por un conductor arrollado por un núcleo de hierro, hace quese comporta como un imán.2. Las intensidades ejercen entre sí fuerzas a distancias.3. Cuando se mueve un conductor en el seno de un campo magnético, se induce en él unaf.e.m.

Como datos históricos a recordar, los 2 primeros principios fueron descubiertos porDominique Fracois Jean Arago y André Marie Ampére, y el responsable del 3º, como yasabéis fue nuestro amigo y bien conocido Michael Faraday, quien en 1832 mandó construirel primer generador eléctrico.

Todos estos principios los estudiamos en la unidad: Conceptos y fenómenoselectromagnéticos, ¿Os acordáis?

Aquí os ponemos un video donde de forma general se explica el funcionamiento de losmotores y generadores eléctricos, además del funcionamiento del motor de explosiónde 4 tiempos utilizados en los automóviles y vehículos a motor. En la finalización deeste video se presentan animaciones en 3D de motores y generadores eléctricos muyinteresantes, espero que os gusten.

Video 1. Motores eléctricos. Fuente: Youtube

Os dejo también un artículo sobre la importancia que tiene la inducciónelectromagnética para la construcción de máquinas eléctricas rotativas:

Artículo de la inducción electromagnética

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

1 Generalidades sobre las máquinas eléctricasrotativas de c.c.

Las máquinas eléctricas rotativas se construyen combinando circuitos eléctricos conmagnéticos y partes estáticas con partes en movimiento.

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

Los principios de funcionamiento de estos dispositivos están basados en la inducciónelectromagnética y en la fuerza que desarrollan los conductores eléctricos cuando sonrecorridos por corrientes eléctricas y atravesados a su vez por campos electromagnéticos.

Las máquinas eléctricas de c.c. se definen como un convertidor electromecánico rotativobasado en los fenómenos de inducción y de par electromagnético, que transforma la energíamecánica en electricidad, bajo los efectos de una corriente continua (generador), oviceversa, la energía continua, en energía mecánica (motor).

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

Imagen 3. Motores de c.c. de varios tamaños.


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

1.1. Principio general de funcionamiento

Funcionamiento como motor de c.c.:

Funcionan aprovechando la siguiente ley: "Cuando un conductor está inmerso en el seno deun campo magnético y por él hacemos circular una intensidad, aparecen unas fuerzas decarácter electromecánico que tienden a desplazarlo". ¿A que esta ley os suena familiar?¡Claro que sí! La vimos en la unidad Conceptos y fenómenos electromagnéticos, dondeestudiamos el electromagnetismo. Esta ley satisface a la siguiente fórmula:

F = B x L x I

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

Imagen 4. Regla de la mano izquierda

Fuente: Wikipedia . Creative Commons

Funcionamiento como generador de c.c.:

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

Einducida = B x L x V

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

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

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

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

Imagen 5. Regla de la mano derecha


Aquí os dejo un enlace a una página web donde nos resume y representa losgeneradores y motores eléctricos, fijaros bien en los dibujos. Espero que os guste yvayáis entendiendo lo que son este tipo de máquinas eléctricas:

Representación de generadores y motores eléctricos

1.2. Disposición constructiva

Debido a que el proceso de conversión de la energía mecánica en energía eléctrica esreversible, la constitución de la máquina es idéntica para una dinamo o un motor. Lamáquina consta de las partes siguientes:

Inductor:

Es la parte de la máquina destinada a producir el campo magnético (estátor). Consta delas siguientes partes:

Culata: (Carcasa): sirve para cerrar el circuito magnético. Construida de hierrofundido o de acero dulce.Polos inductores: Destinados a obtener el máximo flujo con la intensidad mínima

de excitación. Son imanes permanentes o electroimanes sujetos a la carcasa.Polos auxiliares: Sirven para mejorar los efectos de la reacción de inducido y la

conmutación (evitar la producción de chispas entre colector y escobillas). Estos efectoslos explicaremos más adelante. Se emplean en máquinas de mediana y gran potencia.Construcción idéntica a los polos inductores.Arrollamientos del sistema inductor: Lo forman las bobinas de excitación. Para su

construcción se emplean alambres y pletinas de cobre o aluminio.

Imagen 6. Estator de una máquina eléctrica


Inducido:

Es la parte giratoria de la máquina, también llamada rotor. Consta de una pieza cilíndricaformada por un núcleo de chapas magnéticas aisladas entre si por medio de barnicesmontados sobre un eje. Cada chapa dispone de ranuras, donde se alojan las bobinas delinducido, destinadas a la producción de f.e.m.

Imagen 7. Inducido de un motor eléctrico

Fuente: Banco de imágenes y sonidos del ITE

Creative Commons

Colector:

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

Imagen 8. Anillos del colector señalados en un rotor de c.c.


Escobillas:

Son piezas de carbón o metálicas, que mantienen el contacto por frotación entre el colectorde delgas (parte móvil) y el circuito exterior (parte fija).

Imagen 9. Escobillas


Entrehierro:

1.3. Clasificación de las máquinas de c.c.

Las máquinas de corriente continua se clasifican en:

Generadores (dinamos)Motores de c.c.

Dependiendo del tipo de excitación pueden ser:

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

serie,shunt o paralelocompound.

Como podéis observar, todas las máquinas rotativas, sea del tipo que sean, siemprese clasificarán por generadores y motores, es decir producen energía eléctrica ogeneran movimiento.

2. Generadores de c.c. : Dinamos

Son máquinas que transforman la energía mecánica que reciba por un eje en energíaeléctrica, que suministran por sus bornes en forma de c.c.

Imagen 11. Dinamo

Fuente: Banco de Imágenes del ITE. Creative Commons

Imagen 12. Dinamo antigua para producir electricidad.

Museo de la Técnica de Terrasa


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

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

E = B x L x v

Imagen 13. Principio de inducción electromagnética


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

Si estudiamos la espira en varias posiciones diferentes y aplicamos la regla de la manoderecha para determinar el sentido de la f.e.m. inducida, observamos que la Intensidad seinvierte en el conductor, pero no en el colector de delgas. Si quisiéramos invertir el sentidode la f.e.m. bastará con invertir el sentido del movimiento o el campo magnético.

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

Imagen 14. Tensión producida por una dinamo con pocas delgas Imagen 15. Tensión producida por una dinamo con

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

Generador eléctrico de C.C.

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

Bueno, bueno... esto se está poniendo muy interesante. Ya conocemos la clasificación de lasmáquinas eléctricas de corriente continua, también sabemos cómo se produce electricidad enlos generadores, y antes de estudiar sus esquemas y funcionamiento de los mismos, vamosa conocer las tensiones de servicio para su utilización y su nomenclatura, la cual hallaréis encualquier esquema de generadores o motores de c.c.

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

Tensión de servicio

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

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

Nomenclatura de las máquinas eléctricas de c.c.

Antes de poner los esquemas de cada uno de los tipos de generadores de c.c. definiremoscual es su nomenclatura y definición de los bornes de cada una de las partes que componenlos diferentes esquemas de la máquinas de c.c. Esta nomenclatura es válida tanto parageneradores o dinamos como para motores de c.c.

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

2.3. Excitación de las dinamos

La intensidad de excitación, que es la que circula por las espiras del inductor paraproducir el campo magnético puede provenir de una fuente de energía externa a ladinamo (pilas, acumuladores), que en este caso se denominan dinamo con excitaciónindependiente, o también la propia dinamo puede producir la Intensidad necesariapara su excitación, que en este caso se denominan dinamos autoexcitatrices.

En este último caso dependiendo como se coloque el circuito inductor, pueden ser:serie, shunt o paralelo, y compound.

Esquemas de generadores de c.c. o dinamos.

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

Imagen de elaboración propia

Imagen 17. Esquema de un generador de corriente continua con excitación shunt o paralelo


2.4. Aplicaciones de los generadores de c.c.

Dependiendo de cómo sea la excitación del devanado en los generadores de corriente continuatendremos una serie de características a tener en cuenta para poder elegir el generador quemás nos convenga. Los más utilizados son los generadores de excitación independiente ycompound.

Generador con excitación independiente:

En la gráfica se puede comprobar que la Tensión que proporciona la dinamo a la cargadisminuye al aumentar la Intensidad de carga. Esto es debido a que la Tensión se produceen la Resistencia de inducido (Ri) aumenta proporcional a la Intensidad.

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


Generación con excitación shunt:

En la gráfica observamos que la tensión que proporciona el generador se reduce másdrásticamente con los aumentos de la Intensidad de carga. Esto se debe a que al aumentarla Tensión en el inducido con la carga se produce una disminución den la Vb, que provoca asu vez, una reducción de la Iex. Esto hace que la f.e.m. inducida se vea reducida,pudiéndose llegar a perder la excitación de la dinamo para cargar muy elevadas. Porconsiguiente se emplea cuando no hay cambios frecuentes y considerables de carga.

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


Generador de excitación en serie:

Toda la Intensidad que el generador suministra a la carga fluye por ambos devanados. Elinconveniente es que cuando trabaja en vacío (sin carga conectada), al ser la Intensidadnula, ya que el circuito está abierto, no se excita.

Cuando aumenta mucho la Intensidad de carga, también lo hace el flujo inductor por lo quea la Vb de la dinamo también se eleva, por consiguiente es muy inestable y apenas se usaindustrialmente.

Generador con excitación Compound:

Gracias a la combinación de los efectos serie y derivación en la excitación de la dinamo, seconsigue que la Tensión que suministra el generador a la carga sea más estable paracualquier régimen de carga. Esta gran estabilidad hace que ésta sea en la práctica la másutilizada para la generación de energía.

3. Motores de c.c.

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

Presentan los inconvenientes de que sólo pueden ser alimentados a través de equipos queconviertan la c.a. suministrada por la red eléctrica en c.c. y que su construcción es mucho máscompleja que las de c.a. y necesitan colectores de delgas y escobillas para su funcionamiento,necesitando trabajos de mantenimiento.

Presentan las ventajas de: poseer un par de arranque elevado y que su velocidad puede serregulada fácilmente entre amplios límites, lo que les hace ideales para ciertas aplicaciones:tracción eléctrica (tranvías y trenes).

Aquí te muestro un vídeo donde se muestra cómo es el funcionamiento del motor decorriente continua de una manera muy básica, para seguidamente poder entender todo sinninguna duda:

Video 2. Motores de corriente continua.

Fuente: Youtube

3.1. Principio de funcionamiento

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

La espira es recorrida por una intensidad que se suministra a través de un colector de delgasy se sitúa sobre éste unas escobillas, de tal forma que esta intensidad aplicada por unafuente de alimentación puede llegar a esta espira. Esta espira está situada entre 2 polos deun imán, que es el encargado de producir el campo magnético.

Cómo las intensidades que circulan por ambos lados de la espira son contrarias, aparecenunas fuerzas también contrarias en cada lado activo de la espira, lo que determina un par degiro.

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

Video 3. Direct Current Electric Motor.

Fuente: Youtube

Si queremos invertir el sentido de giro del motor, deberemos invertir también el par defuerzas y esto se consigue cambiando el sentido de las intensidades del rotor ymanteniendo el campo magnético inductor constante.

3.2. Comportamiento en servicio. Característicasfuncionales

Cuando la intensidad recorre los conductores, se produce un par de giro en el rotor, el cualempieza a acelerarse hasta alcanzar sus revoluciones nominales. Esta intensidad queaparece en el inducido, dependerá de la f.c.e.m (fuerza contra electromotriz) que sedesarrolla en el mismo.

Vamos a estudiar la relación entre estas variables.

F.c.e.m.:

Cuando un motor gira, impulsado gracias al par de giro desarrollado por los conductores delinducido cuando son recorridos por una intensidad, dichos conductores cortan en sumovimiento a las líneas de campo magnético del inductor, lo que hace que se induzca enellas una f.e.m. El sentido de estas f.e.m. es tal que tiende a oponerse a la causa que loprodujo (la intensidad del inducido y la tensión aplicada al motor). Esta f.e.m. se denominaf.c.e.m. y produce un efecto de limitación de la intensidad del inducido y su valor se obtieneaplicando el principio de Faraday que depende del flujo magnético que corten losconductores, así como lo rápido que lo hagan y el número de ellos.

Siendo:

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

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

Un motor eléctrico de corriente continua bipolar posee dos caminos de arrollamientosen paralelo en el arrollamiento inducido, con 700 conductores activos. Enfuncionamiento normal gira a 1500 r.p.m. siendo el flujo útil por polo de 600.000Maxwell.

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

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

Calcular la f.e.m. inducida en una dinamo hexapolar que tiene 680 conductoresactivos totales en el inducido, gira a 700rpm y el flujo máximo por polo es de300mWb.

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

Corriente de inducido:

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

Cuando el motor arrastra una carga mecánica, la velocidad tiende a decrecer, con lo cualdisminuye la f.c.e.m. y la intensidad aumenta, elevándose con ella el par de fuerzas. Laintensidad que el motor absorbe depende del trabajo mecánico que tenga que realizar.

Siendo:

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

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

Intensidad absorbida en el arranque:

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

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

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

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

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

Par motor:

El par motor que desarrollan los conductores de inducido, al ser recorridos por unaintensidad, dependerá del valor de dicha intensidad y del flujo desarrollado por el campoinductor:

También se puede expresar como la relación entre la potencia útil desarrollada por el rotor yla velocidad angular del mismo:

Velocidad de giro:

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

Igualando estas 2 ecuaciones:

Y despejando la n:

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

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

1. Manteniendo constante el flujo y variando la tensión aplicada.2. Manteniendo constante la tensión y variando el flujo de excitación. Éste sistema es elmás utilizado por su sencillez, ya que es suficiente con intercalar una Resistencia variableen serie con el circuito encargado de producir el campo magnético inductor.

Reacción de inducido:

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

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

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

Elaboración propia

Esta desviación del campo inductor produce una serie de problemas cuando las escobillasconmutan de una delga a otra en el colector, dando como resultado chispas que perjudicannotablemente el funcionamiento de la máquina.

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

1. Desviar las escobillas, hasta que el eje de las mismas coincida con la perpendicular alcampo resultante. Inconveniente: La desviación de las escobillas será adecuada para sólouna intensidad determinada.2. Disponer de unos polos auxiliares de conmutación. Éstos se disponen en la culatadel motor de tal forma que produzcan un campo transversal del mismo valor y de sentidocontrario al flujo transversal de reacción de reacción de inducido. Para que esto sea así lospolos de conmutación se conectan en serie con el inducido para que la intensidad por ellossea igual que la del inducido, de tal forma que cuando crece el campo transversal dereacción de inducido por una aumento de la intensidad, también lo hace el flujo decompensación producida por los polos de conmutación y así conseguiremos eliminar elcampo magnético de reacción de inducido.

Te presento una página web, donde se te muestra de una forma más detallada lareacción de inducido. Fíjate en los esquemas y dibujos. Con ello te quedaráperfectamente claro este problemilla que se presentan en los motores de c.c.:

Reacción de inducido y fenómeno de conmutación

Fenómeno de conmutación:

Se define como la modificación de la intensidad en las secciones cortocircuitadas por lasescobillas durante la duración del cortocircuito. Las espiras pasan de un instantedeterminado de una posición a otra cambiando el sentido de la corriente. Esta inversión decorriente en la espira que está cortocircuitada bajo la presión de la escobilla puedeperjudicar a la bobina.

Imagen 24. Fenómeno de conmutación producido en el colector de delgas

Elaboración propia

La inversión de la intensidad en la bobina lleva consigo una variación de flujo que produceuna f.e.m. de autoinducción denominada "Tensión reactiva de conmutación" y que será portanto mayor cuanto mayor sea el valor de la variación del flujo y menor el tiempo deconmutación.

La existencia de la tensión reactiva origina chispas en el colector de delgas y tiende aretardar la inversión de la Intensidad según la ley de Lenz.

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

Este apartado lo estudiaremos mediante un esquema y un ejercicio posterior, ya que en elanterior tema hemos visto el balance de potencias de las máquinas eléctricas rotativas.Mediante este ejercicio este apartado quedará perfectamente claro para poder afrontarcualquier problema o ejercicio referido al balance de potencias de los motores de corrientecontinua.

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


Pulsa sobre la imagen para ampliarla

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

De la potencia interna desarrollada en el inducido sólo una parte es aprovechada en el ejedel motor, siendo esa parte la potencia útil o mecánica (Pu):

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

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

Calcular:

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

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

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

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

Como comprobarás no son tan difíciles, ¡Vamos allá!

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

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

Calcular:

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

3.4. Conexión de los motores de c.c. Aplicaciones

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

Motor con excitación independiente:

El devanado de excitación se conecta a una fuente de tensión diferente a la aplicada alinducido. Esta separación aporta la ventaja de mayores posibilidades de regulación develocidad que el de derivación.

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


Se aplica donde se requiera una velocidad prácticamente constante

Motor con excitación en derivación o shunt:

El devanado de excitación se conecta en paralelo con el inducido. La velocidad de un motorcon excitación en derivación permanece prácticamente constante para cualquier régimen decarga.

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


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


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

Un motor derivación de 4 polos posee un inducido del tipo imbricado simple con 800conductores. La resistencia del inducido es de 0,15Ω y la del devanado inductor de220Ω. La tensión de la red es de 220V. En condiciones nominales el motor gira a1500 rpm. El flujo por polo vale 1.060.000 Maxwell.

Calcular:

1. Intensidad absorbida por el motor.2. Potencia absorbida.3. Par o momento angular interno.4. Si la velocidad admisible en el arranque es 2 veces la nominal, deducir el valorque deberá tener la resistencia del reostato de arranque.5. Momento angular o par de arranque.

Motor con excitación en serie:

El devanado de excitación se conecta en serie con el inducido, por lo tanto la Iex = Ii. Segúnaumenta la intensidad del motor, el motor va perdiendo velocidad. Para intensidades muypequeñas el motor tiende a alcanzar velocidades muy elevadas.

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


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

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

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


Pulsa sobre la imagen para ampliarla

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

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

Determinar:

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

Resolver el ejercicio:

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

Motor con excitación en compound:

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

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

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

Imagen 34. Motor de c.c. de pequeña potencia.

Fuente: Banco de imágenes del ITE . Creative Commons

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

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

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

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

1. Las corrientes que circulan por sus devanados.2. La potencia mecánica suministrada (Potencia útil), la potencia absorbida de lalínea de alimentación, y las pérdidas de calor en sus devanados.3. El par motor, sabiendo que gira a 1000 rpm.

Como habréis comprobado la resolución de problemas de máquinas eléctricas de corrientecontinua son relativamente sencillos. Lo primero que tenéis que hacer para resolvercualquier ejercicio de este estilo es dibujar su esquema y sustituir sus valores, al hacerlo sequeda un circuito eléctrico sencillo donde hallaréis el dato o los datos que os pidan.

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

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

En el archivo de tareas se os propondrán varios ejercicios y habrá un apartado de problemaspropuestos en PAU, PAEG, etcétera.

3.5. Inversión del sentido de giro

Existen 2 formas, cambiando la polaridad del inducido, manteniendo fija la polaridad deldevanado de excitación o viceversa.

En la práctica se suele optar por la primera, ya que invertir la polaridad de excitaciónocasiona ciertos inconvenientes.

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


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

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

Los modernos reguladores construidos a base de tiristores y sensores son capaces deconocer en todo momento el punto de funcionamiento del motor de tal forma que seconsigue el control y regulación de todas las variables con la máxima efectividad.

Imagen 37. Motor de c.c. con excitación shunt.

Fuente: Banco de imágenes del ITE. Creative Commons

Imagen 38. Motor de c.c. con excitación serie.

Fuente: Banco de imágenes del ITE Creative Commons

Imagen 39. Motor de c.c. con excitación compound.

Fuente: Banco de imágenes del ITE. Creative Commons

Máquinas eléctricas: Máquinas rotativas de corriente...

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