Instituto Tecnológico de Acapulco

Máquinas Eléctricas

Unidad 1. Generadoras de corriente directa.

Resumen Unidad 1.

1.1

F

undamentos de generadores eléctricos

Òscar Daniel de León Dimayuga -------------12 32 04 45

Isaí Ricardo Velasco Navarro------------------12 32 05 69

Lucila Virginia Márquez Luna-------------------12 32 04 89

Marcos Antonio García Ramírez-----------12 32 04 61

Juan Arturo Torrentera Bedolla-----------------11 32 01 22

La máquina de corriente directa representa para algunos una especie en peligro de extinción, en virtud de que la corriente directa hoy en día se obtiene a través de dispositivos semiconductores (rectificadores electrónicos) y por tanto cada vez tienen menor demanda los generadores de cd.

Una de las ventajas de la máquina de cd es que se puede trabajar como generador y como motor sin hacer ninguna modificación, lo cual implica que la construcción es la misma, es decir no hay diferencias reales siendo la única diferencia la dirección del flujo de potencia.

En la actualidad, la generación de C.C. se realiza mediante pilas y acumuladores o se obtiene de la conversión de C.A. a C.C. mediante los puentes rectificadores. El uso de la dinamo para la producción de energía en forma de C. C. se estuvo utilizando hasta la llegada de los alternadores, que con el tiempo la han dejado totalmente desplazada.

Hoy en día únicamente se utilizan las dinamos para aplicaciones específicas, como por ejemplo, para medir las velocidades de rotación de un eje (tacodinamos), ya que la tensión que presentan en los bornes de salida es proporcional a la velocidad de la misma.

Se puede decir que una dinamo es una máquina eléctrica rotativa que produce energía eléctrica en forma de corriente continua aprovechando el fenómeno de inducción electromagnética. Esta máquina consta fundamentalmente de un electroimán encargado de

crear un campo magnético fijo conocido por el nombre de inductor, y un cilindro donde se enrollan bobinas de cobre, que se hacen girar a una cierta velocidad cortando el flujo inductor, que se conoce como inducido.

1.2 Acción generador

Según la ley de Fuerza simplificada, cuando un conductor por el que pasa una corriente eléctrica se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente, siguiendo la regla de la mano derecha. Es importante recordar que para un generador se usará la regla de la mano derecha mientras que para un motor se usará la regla de la mano izquierda para calcular el sentido de la fuerza.

F=B(l)(I )

F: Fuerza en newtons

I: Intensidad que recorre el conductor en amperios

l: Longitud del conductor en metros

B: Densidad de campo magnético o densidad de flujo teslas

El rotor tiene varios repartidos por la periferia. A medida que gira, la corriente se activa en el conductor apropiado.

Normalmente se aplica una corriente con sentido contrario en el extremo opuesto del rotor, para compensar la fuerza neta y aumentar el momento.

-Fuerza contraelectromotriz inducida en un motor.

Es la tensión que se crea en los conductores de un motor como consecuencia del corte de las líneas de fuerza, es el efecto generador de pines.

La polaridad de la tensión en los generadores es inversa a la aplicada en bornes del motor.

Las fuertes puntas de corriente de un motor en el arranque son debidas a que con la máquina parada no hay fuerza contraelectromotriz y el bobinado se comporta como una resistencia pura del circuito.

La fuerza contraelectromotriz en el motor depende directamente de la velocidad de giro del motor y del flujo magnético del sistema inductor.

-Número de escobillas

Las escobillas deben poner en cortocircuito todas las bobinas situadas en la zona neutra. Si la máquina tiene dos polos, tenemos también dos zonas neutras. En consecuencia, el número total de escobillas ha de ser igual al número de polos de la máquina. En cuanto a su posición, será coincidente con las líneas neutras de los polos En realidad, si un motor de corriente continua en su inducido lleva un bobinado imbricado, se deberán poner tantas escobillas como polos tiene la máquina, pero si en su inducido lleva un bobinado ondulado, como solo existen dos trayectos de corriente paralela dentro de la máquina, en un principio es suficiente colocar dos escobillas, aunque si se desea se pueden colocar tantas escobillas como polos.

-Sentido de giro

En máquinas de corriente directa de mediana y gran potencia, es común la fabricación de rotores con láminas de acero eléctrico para disminuir las pérdidas asociadas a los campos magnéticos variables, como las corrientes de Foucault y las producidas por el fenómeno llamado histéresis.

-Reversibilidad

Los motores y los generadores de corriente continua están constituidos esencialmente por los mismos elementos, diferenciándose únicamente en la forma de utilización.

Por reversibilidad entre el motor y el generador se entiende que si se hace girar al rotor, se produce en el devanado inducido una fuerza electromotriz capaz de transformarse en energía en el circuito de carga.

En cambio, si se aplica una tensión continua al devanado inducido del generador a través del colector de delgas, el comportamiento de la máquina ahora es de motor, capaz de transformar la fuerza contraelectromotriz en energía mecánica.

En ambos casos el inducido está sometido a la acción del campo inductor principal.

1.3 Tipos de generadores

Máquinas eléctricas

Corriente Máquinas rotatorias Máquinas estáticas

Corrientealternamonofásicay trifásica

SíncronasGeneradorMotorCompensador

AsíncronasMotorGeneradorCompensador

Commutadas

Motor monofásico en serieConvertidor de frecuencia

TransformadorRegulador de inducciónVariador de faseCicloconvertidor

Corrientecontinua

CommutadasGeneradorMotorCompensador

Troceador

ACDC

CommutadasMotor universalConvertidor

RectificadorInversor

Tipos de devanados en el generador de cd.

El generador de cd tiene dos bobinas; el devanado de campo y el devanado de armadura, enseguida se indican los tipos de devanados que tiene cada uno de ellos.

Devanado de campo: El devanado de campo se compone por la general de dos bobinas que irán conectadas según el tipo de excitación que se desee en el generador.

Devanado de armadura: El devanado de armadura o inducido puede ser de dos tipos:

Devanado imbricado: Este devanado se distingue porque forma tantas trayectorias paralelas como número de polos de campo haya.se recomienda utilizar cuando se deseen latas corrientes y bajas tensiones. En este tipo de devanados se utiliza un par de escobillas por cada dos trayectorias. En este devanado los extremos de una bobina van conectados a dos delgas adyacentes del conmutador.

Devanado ondulado: Este tipo de devanado también se denomina devanado serie en virtud de que todas las bobinas de armadura bajo de pares de polos similares, están en serie. Este tipo de devanado se recomienda utilizar cuando se desean obtener altos voltajes y bajas corrientes. En este devanado los extremos de una bobina van conectados segmentos del conmutador que están aproximadamente 360° eléctricos

Tipos de excitación en el generador de C.D

Los generadores de cd son máquinas de cd utilizadas como generador. Hay varios tipos diferentes de generadores de cd que difieren entre sí en la forma en que se derivan sus flujos de campo. Estos métodos afectan las características de salida de los diferentes tipos de generadores.Los tipos comunes de generadores de cd son:• Generador de excitación separada.• Generador en derivación.• Generador en serie.• Generador compuesto acumulativo.• Generador compuesto diferencial.

Generador de excitación separada.

En este tipo de generador el flujo principal se obtiene de una fuente de potencia independiente del mismo generador. Una de sus

características es que ofrece una tensión en terminales casi constante cuando no se utiliza una resistencia de ajuste sobre la corriente de campo. Algunas de sus aplicaciones son:• Pruebas de laboratorio y comerciales.• Conjuntos con regulación especial.

Generador de cd en derivación.En este tipo de generador el voltaje en las terminales es igual al que tiene el devanado de campo debido a que ambos devanados están conectados en paralelo, de ahí que también se le llame generador en paralelo o shunt. Cuando el generador se encuentra sin carga, la corriente del inducido es la misma que la corriente de campo.

Generador de cd en serieComo su nombre lo indica el devanado del inductor en un generador en serie se encuentra conectado en serie con devanado del inducido y la fuente de excitación. Debido a este tipo de conexión, las corrientes que circulan por ambos devanados son muy altas y por lo tanto el calibre del conductor será mayor y con muy pocas vueltas de alambre comparado con el devanado en derivación.La curva de magnetización de un generador serie se obtiene al excitar de manera separada el devanado de campo serie. La tensión en las terminales del generador decrecerá en función de la reacción de armadura presente en la máquina, es decir a mayor reacción de armadura le corresponde mayor caída de tensión en las terminales del generador.

Generador de cd compuesto acumulativoEl generador compuesto es una combinación del generador en derivación o shunt y el generador serie, por lo tanto mezcla las características adversas de ambos generadores para formar uno solo, produciendo una tensión en las terminales de la máquina casi

constante sin importar si la máquina se opera en vacía o a plena carga.

Generador de cd compuesto diferencialEste generador es una variante del generador compuesto acumulativo, es decir se siguen utilizando tanto el devanado en derivación como el devanado serie, con la única diferencia que las polaridades ahora son opuestas, provocando con ello una diferencia en su fem restándose la una de la otra.Algunas características de este generador:

• A medida que aumenta la corriente en la armadura, también se eleva la caída de tensión en la armadura, esto provoca que también disminuya el voltaje en los bornes de la máquina.• A medida que aumenta la corriente en la armadura, también se eleva la fmm del campo serie provocando que la fuerza magnetomotriz neta de la máquina también se reduzca, decreciendo a su vez EA, dando como consecuencia una disminución de la tensión en las terminales del generador.Estas características provocan que el voltaje en las terminales decrezca conforme se incremente la carga.

1,4 Construcción y tipos de devanados en el generador de CD.

La máquina de corriente directa puede funcionar como generador y/o como motor, por lo tanto su construcción es la misma independientemente de su funcionamiento y solo la forma de excitación determina si trabaja como motor o generador.

Las partes principales de una máquina de cd son:

• Tapas frontal y superior.• Carcasa.• Devanado de Armadura o inducido.• Rodamientos.• Eje o flecha.• Devanado de campo o inductor.• Conmutador.• Escobillas.• Portaescobillas.

Devanado de campoEl devanado de campo también denominado Inductor o estator, es el responsable de producir el campo magnético principal en la máquina. Está conformado básicamente por un electroimán montado en piezas polares para formar el estator electromagnético (En motores pequeños el campo puede ser formado por imanes permanentes). Los devanados de campo y las piezas polares son colocados en la carcasa. Es la parte fija de la máquina.

ArmaduraLa armadura es la parte rotatoria de un generador de cd, de ahí que también muchas veces se le llame rotor o inducido. Va montada en un eje y gira entre los polos de los devanados de campo. Está construida sobre el eje o flecha, núcleo, devanado y conmutador.Los devanados de armadura usualmente son montados de tal forma que se colocan en las ranuras del núcleo.

EscobillasLas escobillas son las que se encargan de trasmitir el voltaje generado a las cargas. Están colocadas en los lados del conmutador. Están hechas de carbono y grafito. Están sujetas a la estructura del estator de forma tal que mediante muelles o resortes se asegura que las escobillas mantengan un contacto firme con las delgas del colector.

ConmutadorEl conmutador junto con las escobillas son los responsables de hacer llegar la tensión generada a las cargas. Está constituido esencialmente por piezas planas de cobre duro de sección trapezoidal, conocidas como delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de mica, formando el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado fuertemente. El conmutador tiene tantas delgas como bobinas posee la armadura de la máquina.