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Maquinas Eléctricas de Corriente Continua

1. Introducción 2. Historia de las máquinas de corriente continua (CC) 3. Materiales utilizados en la construcción de la maquina corriente continua (CC) 4. Materiales constructivos 5. Aleaciones especiales 6. Materiales conductores de la corriente eléctrica 7. Materiales aislantes 8. Aplicación de la Máquina de Corriente Continua en la industria y el Transporte 9. Las máquinas de corriente continua en la industria de la aviación 10. Tipos Fundamentales de Máquinas de Corriente Continua (CC) 11. Clasificación de los generadores de corriente continua por el método de excitación 12. Clasificación de los generadores de corriente continua por el método de excitación 13. Características fundamentales de los generadores de corriente continua 14. Motores de Corriente Continua 15. Máquinas Especiales de Corriente Continua 16. Perdidas y Rendimiento de la Maquina de Corriente Continua 17. Sistema de refrigeración de las máquinas de CC 18. Conclusiones generales 19. Bibliografía

IntroducciónEl estudio de las maquinas eléctricas comprende las características básicas de las maquinas no rotativas como el transformador, que ya expusimos en nuestro anterior seminario, y las características básicas de la maquinas rotativas como los generadores y motores, que son de interés de nuestro presente seminario.

Tanto las maquinas rotativas como las no rotativas se basan en la ley de inducción electromagnética de Michael Faraday.

En el presente seminario trataremos las máquinas de corriente continua, sus características y los materiales que se utilizan para sus componentes, de los cuales resaltaremos las propiedades físicas, magnéticas y eléctricas. Trataremos los diferentes usos que en la vida cotidiana se les da a este tipo de máquinas, desde transportarnos o mover cargas, hasta refrigerar elementos computacionales, entre otros usos, no sin resaltar la importancia que este tipo de máquinas tienen en las empresas de la industria química y metalúrgica.

También trataremos también sus diferentes clasificaciones, las cuales se toman con respecto a la excitación, conexión y otras características las cuales le dan diferencia de funcionamiento.

Juan Enrique TaverasEstudiante Ing. Electromecánica Mención Eléctrica

Universidad Autónoma de Santo Domingo UASD

1-Historia de las máquinas de corriente continua (CC)

Los primeros generadores de energía eléctrica eran elementos galvánicos, que generaban corriente continua, por esta razón, los físicos y químicos de la primera mitad del siglo XIX, que operaban con pilas pretendían obtener también esta forma de energía de una máquina que generara corriente continua.

El primer periodo de este tipo de generadores eléctricos, en el curso del cual este obtuvo todos los rasgos de la maquina moderna de hoy en día, abarca un lapso de tiempo desde el año 1831 con la

ley de inducción electromagnética de Faraday hasta el año 1886. En este periodo las maquinas eléctricas de corriente continua pasaron por 4 etapas de desarrollo, estas son como les presentamos a continuación:

Maquinas magnetoeléctricas con imanes permanentes. Empleo de electroimanes con excitación independiente en las máquinas. Maquinas eléctricas con autoexcitación e inducidos elementales. Maquinas eléctricas con inducidos perfeccionados y sistema magnético multipolar.

La 1era etapa abarca los años de 1831 a 1851. En este tiempo la maquina eléctrica, de mecanismo de exposición en los gabinetes de los físicos y químicos se desarrolló hasta el modelo industrial empleado para los fines de la electroquímica y del alumbrado.

El 1er modelo técnico del generador electrotécnico fue construido poco después de que Michael Faraday descubrió la ley de inducción electromagnética. El autor de este modelo quedo desconocido, ocultando su nombre bajo las iniciales P.M. este autor construyo el modelo de la maquina sincrónica multipolar de corriente alterna con imanes permanentes, y también dio la idea del inducido de anillo. Los rasgos fundamentales de la máquina de P.M. eran tan correctos, que determinaron por muchos años la construcción de las máquinas de los descubridores que le seguirían después. Después de esto comenzaron a desarrollarse rápidamente los generadores síncronos de AC con imanes permanentes.

En el año 1832, los hijos del inventor de los aparatos físicos PIXII construyeron una maquina magnetoeléctrica rotatoria en la que emplearon un balancín de ampere, que no era más que una especie de balanza la cual por medio de dos bobinas media el efecto de la fuerzas que producía el paso de la corriente por ellas. Bajo este modelo la corriente alterna inducida se rectificaba en corriente pulsante unidireccional.

En el año 1883, el físico ingles W. Ritchie construyó una maquina magnetoeléctrica con colector invertido, de la cual también se podía obtener corriente pulsante. Hasta 1840 distintos inventores construyeron maquinas magnetoeléctricas, que eran modificaciones del esquema bipolar de PIXII con diferentes construcciones de los mecanismos para la rectificación de corriente, de este modo ya se veía el desarrollo de la máquina de CC.

El segundo y tercer periodo de desarrollo de las máquinas de corriente continua, que abarcan los años de 1851 a 1871, se caracterizan por el paso a las máquinas del tipo electromagnético, al principio, con excitación independiente, y luego, con autoexcitación, y así como por el paso de la máquina bipolar a la multipolar. Ahora veremos cómo se desarrolló la segunda etapa de las máquinas de corriente continua.

Un rasgo característico de la 2da etapa, a la cual se debe referir al lapso de tiempo que va desde el año 1851 hasta el año 1867, es el paso de las maquinas con excitación de imanes permanentes a maquinas con excitación por electroimanes. En el año 1833 Ritchie señalo por primera vez la posibilidad del empleo de los electroimanes en este tipo de máquinas. Desde 1861 hasta 1867 H. Wilde elaboro técnicamente la idea del empleo de los electroimanes en las máquinas eléctricas. Con su alimentación con el auxilio de una maquina magnetoeléctrica.

A este lapso de tiempo se refiere también la invención de W. Siemens del inducido de doble T, patentado por el en el año 1856, y la invención de A. Pacinotti del inducido de anillo, construido en 1860. El inducido de siemens mejoró el funcionamiento de la maquina magnetoeléctrica y se hizo precursor del inducido cilíndrico dentado que aún se conoce en nuestros días.

El inducido de anillo con ranuras, construido por Pacinotti, fue un gran paso hacia adelante. Pero, como consecuencia de la mala información mutua entre los científicos y técnicos de la época, y el bajo nivel de desarrollo industrial de Italia, la invención de Pacinotti no encontró aplicación, y volvieron a ella diez años más tarde.

La tercera etapa de desarrollo se caracteriza por el descubrimiento del principio de autoexcitación y abarca el intervalo de 1867 a 1871. El principio de autoexcitación fue descubierto y claramente formulado en el año 1851 por S. Hjorth, que en el año 1855 construyó un generador con autoexcitación.

En el año 1867 W. Siemens y CH. Wheatston propusieron el principio de autoexcitación de las maquinas eléctricas y en este mismo año James Clerk maxwell presentó a la sociedad real de Inglaterra un informe teórico sobre el principio de autoexcitación. W. Siemens, dotado de extraordinario espíritu de iniciativa y previsión técnica, prácticamente realizo e hizo posible el principio de autoexcitación y con ello contribuyo al impetuoso desarrollo de las maquinas eléctricas de corriente continua.

Existe una cuarta etapa de desarrollo que comprende 15 años de desarrollo continuo de las maquinas eléctricas este periodo comprende desde 1871 hasta el año 1866. Esta fue la etapa de elaboración de los elementos fundamentales de la composición de la maquina eléctrica, durante todo ese tiempo la máquina de corriente continua adquirió los rasgos fundamentales de la composición moderna.

El primer progreso decisivo en este sentido fue la introducción práctica del inducido de anillo de Pacinotti por el inventor francés Gramme. La máquina de Gramme fue el primer modelo industrial con autoexcitación, que funcionaba con éxito en condiciones de servicio.

En el año 1872 F. Hefner–Altenek propuso el inducido de tambor elaborado por el, que era el desarrollo que vendría después del inducido de Siemens y del inducido de Pacinotti-Gramme.

En el año 1882, E. Weston recibió la patente del devanado de dos capas para los inducidos de la máquina de corriente continua. Para el año de 1880 apareció la proposición de Thomas Edison de fabricar inducidos de las máquinas de acero en chapas de un espesor de 0.4 a 0.8mm.

Esta construcción se ha conservado en las maquinas hasta nuestros días. En el año 1833 J. Kraig propuso núcleos polares estampados de material en hojas para mejorar la conmutación. En este mismo periodo se lleva a cabo la elaboración de la teoría de las maquinas eléctricas y se investigan distintos procesos físicos de este tipo de máquinas.

Paralelamente con el desarrollo de los generadores de corriente continua se llevaba a cabo la elaboración de los motores eléctricos. Hasta los años 1860- 1870 los caminos del desarrollo de los motores eléctricos y el generador eran independientes uno del otro. El principio de la transformación de la energía eléctrica en mecánica, formulado en 1822 por Michael Faraday, sirvió de comienzo de la construcción y desarrollo del motor eléctrico.

El primer periodo de desarrollo de los motores eléctricos desde 1822 hasta el 1834 puede ser dividido en 3 etapas:

La primera etapa desde el año 1822 hasta el 1834 se caracteriza por la construcción de modelos físicos, que confirmaban la posibilidad, en principio de la transformación de energía eléctrica en mecánica.

Muchos científicos e inventores pretendían repetir en sus motores el principio de funcionamiento de las máquinas de vapor, como resultado de esto aparecieron maquinas construidas por el principio de la atracción de una barra de hierro hacia el interior de un solenoide. Como el motor eléctrico de Joseph Henry y más tarde en el año 1846, el motor eléctrico del profesor CH. Page, por este principio Page consiguió desarrollar en 1851 una máquina de 16 CV (caballos de vapor). Este motor, instalado en una locomotora y alimentado por una batería, permitió desarrollar una velocidad de 30Km/h, con lo que se dio comienzo a la tracción eléctrica que ha perdurado hasta nuestros días como medio de transporte. La inversión de las corrientes en los solenoides del motor eléctrico se realizaba, por analogía con el dispositivo distribuidor de la máquina de vapor, con auxilio de una leva que cambiaba la dirección del suministro de vapor al pistón.

La segunda etapa, va desde el año 1834 hasta el año 1870 aproximadamente, se caracteriza por los intentos de construir motores eléctricos para el empleo práctico con alimentación también de elementos galvánicos.

En el año 1834, en mayo específicamente, el científico y académico ruso B.S. Jacobi desarrollo un motor eléctrico de polos múltiples con movimiento rotatorio del inducido, que disponía de un dispositivo para conmutar la corriente, que es el tipo de colector moderno. En el año 1838 un motor semejante que desarrollaba potencia de 500W fue instalado por jacobi junto con una batería galvánica 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 también 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 eléctrico también con movimiento rotatorio de los electroimanes, pero tenía en comparación con el motor de jacobi un dispositivo de conmutación más primitivo, construido por el principio de suministro de la corriente por medio de resortes elásticos.

La tercera y última etapa de desarrollo de los motores eléctricos de CC ocupa un lapso de tiempo desde 1867 hasta 1887. En relación con el descubrimiento y el empleo industrial del principio de autoexcitación se aclaró y se formuló el principio de reciprocidad de las maquinas eléctricas, esto es que un generador eléctrico puede transformar la energía mecánica a energía eléctrica y viceversa. La alimentación de los motores se empezó a realizar de una fuente de energía eléctrica más barata, de un generador electromagnético de corriente continua.

En el año 1862 H. Wilde mostro el principio de funcionamiento del motor síncrono y la rotación sincrónica de dos inducidos de corriente continua, acoplados eléctricamente con ayuda de anillos de contacto. En el año 1883 se publicó el trabajo de Airton y Piri sobre el problema de la regulación de la velocidad de los motores de cc, en el que por primera vez se dieron las relaciones matemáticas entre la velocidad de rotación y las magnitudes electromagnéticas. Para el año 1886 el motor eléctrico de corriente continua, así como el generador de energía eléctrica adquirió los rasgos fundamentales de la composición que conocemos hoy en día.

A pesar de que la corriente continua y las máquinas de corriente continua se relegan poco a poco a un segundo plano, los trabajos relacionados con su perfeccionamiento no han cesado. En el año de 1891 apareció el arrollamiento en serie-paralelo de E. Arnold que fue el primero en establecer las reglas generales de producción y las fórmulas de los arrollamientos requeridos por este tipo de máquinas, así como también, fue el primero en investigar los problemas de conmutación de las máquinas de corriente continua (CC) y estudiar el comportamiento del contacto por escobillas que conocemos hoy día. Y en el año 1899 se desarrolló la teoría de la conmutación como la conocemos hoy.

De esta manera hemos visto cómo se desarrollan conjuntamente las maquinas eléctricas de tipo motor y de tipo generador aunque no coincidiendo simultáneamente en su desarrollo, este desarrollo de las máquinas de corriente continua sentaron las bases para el posterior desarrollo de las máquinas de corriente alterna que se desarrollaran en el otro nivel de esta materia (las máquinas de corriente alterna).

2- Materiales utilizados en la construcción de la maquina corriente continua (CC)

Fig.2 Partes básicas de las máquinas de CC.

Clasificación de los materiales constructivos de las máquinas de corriente continua (CC)

Los materiales que se usan en la construcción de maquinaria eléctrica pueden ser divididos en 3 categorías

1. Materiales constructivos2. Materiales activos (magnéticos y conductores)3. Materiales aislantes

Los materiales constructivos se usan para la fabricación de piezas y conjunto de las maquinas, cuyo destino principal es la transmisión y la percepción de las cargas mecánicas y tensiones y para atribuir a algunos conjuntos las formas constructivas necesarias para el funcionamiento mecánico correcto de la máquina.

Los materiales activos son conductores de corriente eléctrica y de corriente magnética y sirven para crear las condiciones necesarias para que transcurran los procesos electromagnéticos.

Los materiales aislantes están destinados principalmente para aislar eléctricamente los órganos conductores de la corriente eléctrica de los demás órganos de la máquina.

Toda una serie de elementos de las maquinas eléctricas trabajan en condiciones físicas complicadas, por esta razón a los materiales se les plantean ciertas exigencias, mecánicas, magnéticas y eléctricas, el cumplimiento de las cuales es una de las tareas más difíciles de la ciencia.

Materiales constructivosEn la construcción 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 mecánicas, como propiedades amagneticas; c) metales no ferrosos y sus aleaciones; d) plásticos.

Los elementos de máquinas eléctricas experimentan cargas estáticas y dinámicas. En la mayoría de los casos sus dimensiones geométricas se determinan tanto para condiciones de las tensiones mecánicas, como por el resultado de cálculo eléctrico. Por eso, en el proceso de diseño de estas se tropieza con la difícil tarea de la elección correcta del material necesario.

Las cualidades mecánicas de estos elementos generalmente se caracterizan por los datos siguientes: a) resistencia a la rotura; b límite de fluencia; c) límite de fatiga; d) alargamiento en %; e) rotura por impacto.

El material constructivo experimenta tensiones variables: la determinación del margen de seguridad necesario respecto al límite de proporcionalidad y el límite de fatiga es una tarea de bastante responsabilidad, sobre todo en las máquinas de alta velocidad como (turbogeneradores) y en las máquinas donde la velocidad de rotación en periodos de explotación puede crecer de manera considerable (generadores hidráulicos).

La determinación de las tensiones mecánicas admisibles solo por las indicaciones generales y sin un análisis minucioso de las condiciones de funcionamiento y de la tecnología de fabricación de las maquinas eléctricas, 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 = αmαr,

Dónde:

αm. Es la tensión a la cual el elemento del mecanismo se destruye o se deforma de tal manera que es imposible su servicio.

αr. Es la tensión calculada en el elemento dado del mecanismo.

Generalmente, para los materiales frágiles con un % pequeño de alargamiento el valor de αm. se toma igual a la resistencia de rotura, y para materiales con gran % de alargamiento αm. Se toma igual al límite de fluidez.

En la elección del coeficiente de seguridad influye una gran cantidad de factores como son:

La calidad de los materiales a ser usados en la construcción de la máquina Exactitud de los cálculos de las tensiones Las particularidades tecnológicas del material Las condiciones y el carácter del tratamiento tecnológico Los métodos de ensayo de la calidad del material a ser usado El carácter de acción 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 magnéticas

Para la fabricación de los elementos de los conductores de corriente magnética (flujo magnético Ф) de las maquinas eléctricas se emplean distintos materiales ferromagnéticos como son:

aceros al silicio de diferentes calidades hierro colado fundición de acero

acero en chapas y forjado aleaciones de acero especiales para los imanes permanentes

Para el circuito magnético la propiedad más importante es la dependencia de la inducción magnética de la intensidad de campo magnético y la dependencia de las perdidas por histéresis y por corrientes parasitarias de la inducción y la frecuencia.

En casos en que algunos elementos del conductor del flujo magnético experimenta también carga mecánica como en los rotores de un turbo generador o el armazón de las máquinas de cc, estos también desempeñan un gran papel en las propiedades mecánicas. Dicha combinación es una tarea bastante difícil en la metalurgia aun hoy que se dispone de tanta tecnología.

En las maquinas eléctricas, se consideran de suma importancia este tipo de materiales. A través del uso de estos es posible obtener altas densidades de flujo magnético con relativamente bajos niveles de fuerzas magnetizantes. Ya que las fuerzas magnéticas y la densidad de energía aumentan con el incremento de la densidad de flujo, este efecto desempeña una parte importante en el funcionamiento de los dispositivos de conversión de energía.

Los materiales ferromagnéticos, generalmente compuestos por hierro y aleaciones de hierro con cobalto, tungsteno, níquel, aluminio y otros metales, son por mucho los materiales magnéticos más comunes. Aunque estos materiales se caracterizan por una amplia variedad de propiedades, los fenómenos básicos responsables de sus propiedades son comunes en cada uno de ellos y se presentan a continuación.

Las principales son:

Permeabilidad Histéresis magnética Magnetización remanente Saturación

Permeabilidad magnética

Es la facultad que tienen algunos materiales de facilitar el paso a través de ellos del flujo creado por un campo magnético exterior.

Pérdidas por histéresis

Se conoce con el nombre de histéresis magnética la propiedad que tienen los materiales magnéticos de presentar cierta inercia molecular o resistencia al cambio de orientación de sus moléculas, al variar la intensidad y el sentido de un campo magnético exterior que actúa sobre ellos.

Corrientes de Foucault

Las corrientes de Foucault son corrientes que circulan en el interior de los materiales magnéticos, como resultado de fuerzas electromotrices inducidas en los mismos, por efecto de las variaciones de flujo que experimentan cuando están sometidos a la acción de campos magnéticos de intensidad variable.

Resistividad

Es un valor inverso de la conductibilidad eléctrica y representa la resistencia eléctrica que opone un cubo cuyas aristas tienen la unidad de longitud de un material determinado, al ser atravesado por una corriente eléctrica.

Saturación

Es el máximo valor que puede alcanzar la inducción en un material.

Acero al silicio o acero para transformadores

La estructura de estos aceros representa un conglomerado de granos férricos en cuya solución se encuentran otros elementos que forman parte d estos aceros. Este se obtiene por laminación sus granos se estiran algo en dirección del laminado, lo que crea una heterogeneidad de las propiedades tanto mecánicas, como magnéticas y eléctricas. Durante el laminado se empeora algo las características magnéticas y aumenta el bucle de histéresis, lo que aumenta las perdidas magnéticas y al mismo tiempo aumenta también la resistencia eléctrica, lo que reduce en cierto grado las perdidas por corrientes parasitas, también después del posterior tratamiento mecánico del acero en las fábricas de construcción de máquinas eléctricas (corte, estampado y otros) empeora las propiedades magnéticas del material.

En la construcción de máquinas eléctricas se emplean principalmente los siguientes tipos de aceros al silicio:

€11, €12, €21, €31, €310, €320, €330, €41, €42, €43.

Dónde:

€. Indica acero al silicio Las primeras cifras 1,2,3,4 indican el contenido de silicio

1-Baja aleación, 2- aleación media, 3- aleación elevada, 4- alta aleación.

Las segundas cifras después de la letra 1, 2, 3 significan la calidad del tipo de acero dada con relación a las pérdidas específicas en el acero o perdidas en un Kg de acero para la inducción y frecuencias dadas. En el orden sucesivo las cifras 1, 2, 3 se refieren al acero con pérdidas específicas 1-normales, 2-reducidas y 3- bajas, para una frecuencia de 50 Hz.

La tercera cifra después de la letra, 0- significa que el acero es laminado en frio texturado.

Resumiendo, se puede decir que los materiales destinados a la fabricación de los núcleos para máquinas eléctricas o transformadores, deben poseer las siguientes propiedades:

Pérdidas magnéticas totales pequeñas, para que sea elevado el rendimiento eléctrico del conjunto de qué forma parte.

Elevada permeabilidad magnética con objeto de favorecer el paso y la concentración del flujo magnético.

Pérdidas por histéresis muy pequeñas, lo que exige gran tamaño de grano. Pequeñas pérdidas por corrientes parásitas o de Foucault, para lo que conviene que la

resistividad sea elevada. Un alto valor de saturación. No deben sufrir el fenómeno de envejecimiento

Hierro colado

Se emplea rara vez para los circuitos magnéticos a causa de sus malas cualidades magnéticas en comparación con el acero. Este puede emplearse para los armazones de las máquinas de corriente continua y los rotores de las maquinas sincrónicas, en las que durante su funcionamiento el flujo magnético no varía.

Fundición de acero

Se usa en las máquinas de cc para los armazones se prefiere en vez de hierro colado debido a las características magnéticas de este, estas características oscilan en amplios limites en dependencia de su composición química.

Acero en chapas

Para los armazones soldados de las máquinas 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 máquinas de cc, puesto que en estos rotores tienen lugar altas tensiones mecánicas así como también tienen lugar altas inducciones magnéticas.

Aleaciones especiales Para la fabricación de imanes permanentes para las maquinas magnetoeléctricas se emplean aleaciones de acero especiales que poseen después de la magnetización una inducción remanente grande y una gran fuerza coercitiva.

En algunos casos es necesario disponer de material con alta permeabilidad magnética inicial y una saturación bruscamente expresada.

Materiales conductores de la corriente eléctricaEl material conductor de corriente eléctrica, que ha encontrado amplio empleo en electrotecnia es el cobre. Algunas características 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 dilatación lineal 1.68x10^6 y la conductividad térmica especifica es de 3.75x10^2 W/ ˚C m.

El cobre destinado para los conductores eléctricos no debe tener más de un 0.1% de impurezas tales como las de bismuto y antimonio. Durante el brochado en frio este se somete a endurecimiento por deformación en frio, lo k le hace más duro y aumenta la resistencia especifica. Como resultado del recocido el cobre recupera sus propiedades principales, por esto en esta operación debe someterse no solo en la fábrica del material sino también en la fábrica de maquinaria de CC.

Además del cobre, en calidad de conductor de corriente eléctrica encontró un empleo significante el aluminio. Algunas de sus características 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

Dilatación lineal es 2.22x10^-5 y su conductividad especifica térmica es 2x10^2 W/˚C-m. La resistencia específica del aluminio varía considerablemente en dependencia con la temperatura.

Materiales aislantesEstos se emplean en las maquinas eléctricas en gran cantidad y diferentes materiales de este tipo. Su destinación fundamental es aislar eléctricamente los órganos conductores de corriente eléctrica. Por esta razón, las exigencias principales planteadas a los materiales aislantes es su alta rigidez dieléctrica. Puesto que el aislamiento de las maquinas debe ser asegurado ya que estas trabajan a altas temperaturas, tensiones mecánicas y efectos de la humedad atmosféricas y en otros casos diferentes agentes químicos, esta rigidez dieléctrica debe estar ligada con la resistencia al calor, la conductividad térmica, la resistencia a la humedad, la resistencia a sustancias químicas y una resistencia mecánica determinada. En dependencia de las combinaciones de exigencias varían los materiales aislantes y su tratamiento tecnológico,

así como también las propiedades que deben poseer dicho materiales estas las agrupamos como sigue.

Propiedades más importantes de los materiales aislantes

Resistencia de aislamiento

Es la resistencia que se opone al paso de la corriente eléctrica, medida en la dirección 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 tensión aplicada y de la corriente del arco.

Rigidez dieléctrica

Es la propiedad de un material aislante de oponerse a ser perforado por la corriente eléctrica. Su valor se expresa por la relación entre la tensión máxima que puede apreciarse sin que el aislamiento se perfore (llamada tensión de perforación) y el espesor de la pieza aislante. Suele expresarse en kilovoltios por milímetro (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 clasificación de estos materiales que sigue a continuación.

Tabla de clasificación para los materiales aislantes

Esta se fundamenta en las normas UNE 21-305 y CEI 85 que especifican la clasificación de los diferentes aislantes atendiendo a su comportamiento térmico y los agrupa en las diferentes clases aislamiento siguiente.

Mica

Como consecuencia de que posee resistencia al calor, rigidez dieléctrica, resistencia a las sustancias químicas y buena buena fisilidad en hojas finas aisladas. Es uno de los elementos fundamentales para el aislamiento eléctrico. Existen dos variedades mica potásica y mica potasicomagnesina. A base de estas micas se fabrica la micanita para los colectores. En las máquinas 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 eléctricas durante su servicio depende en sumo grado de la impregnación con lacas y la impregnación 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 dieléctrica; b) debe impregnar bien a los materiales aislantes; c) la película de laca debe ser resistente a la humedad y a los agentes químicos; d) la laca no debe ser resistente al calor, también a temperaturas normales de trabajo no debe agrietarse y perder la elasticidad.

En toda una serie de casos la laca, además debe poseer buenas propiedades de pegadura. Es difícil satisfacer todas las exigencias. Por esta razón, se emplean distintas lacas que poseen unas

propiedades en mayor o menor grado. La impregnación combinada en unas cuantas lacas permite obtener la satisfacción máxima posible de todas las exigencias.

Para la impregnación de los devanados con compuestos aisladores (llenado del espacio aéreo 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 fusión 100-110 ˚C. Temperatura de inflamación 250 ˚C y su rigidez dieléctrica es de 30Kv a 60 ˚C.

Tabla 2: Materiales aislantes fundamentales que se emplean en la construcción de máquinas eléctricas.

Principales partes de las máquinas de CC

Fig.3 Principales partes de una maquina fundamental de CC.

Estator

Formado por una corona de material ferromagnético denominada culata o yugo en cuyo interior, regularmente distribuidos y en número par, van dispuestos unos salientes radiales con una expansión 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 misión es, al ser alimentadas por corriente continua, crear el campo magnético inductor de la máquina, el cual presentará alternativamente polaridades norte y sur. Encontramos también en el estator, alternando los polos antes citados, otros llamados polos  de conmutación.

Partes Principales del Estator

Yugo

Es necesario para cerrar el circuito magnético de la máquina. Generalmente está constituido de hierro fundido o de acero.

Polos

Están fabricados de acero al silicio laminado. Las láminas del polo no están aislados entre si debido a que el flujo principal no varía con el tiempo.

Bobinas de Campo

Están arrollados sobre los polos, el material empleado es el cobre, ya que tiene menor resistividad y por lo tanto menos pérdidas por efecto joule (i²R).

Interpolos

Están fabricadas de láminas 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 conmutación.

Escobillas

Dispuestas en los porta escobillas, de bronce o latón, que retienen las escobillas que establecerán el enlace eléctrico entre las delgas y el colector y el circuito de corriente continua exterior, las escobillas están constituidas de carbón o grafito.

Rotor o inducido

Formado por una columna de material ferromagnético, a base de chapas de hierro, aisladas unas de las otras por una capa de barniz o de óxido.  La corona de chapa magnética presenta en su superficie externa un ranurado donde se aloja el devanado inducido de la máquina. Este devanado está constituido por bobinas de hilo o de pletina de cobre convenientemente aislados, cerrado sobre sí mismo al conectar el final de la última bobina con el principio de la primera.

Partes Principales del Rotor

Núcleo de la armadura

Está constituido por láminas de acero silicio de sección 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 sí de otra manera el flujo del polo, induce una f.e.m en el hierro (como lo hace en los conductores) que producirá elevadas corrientes parasitas y las correspondientes pérdidas por efecto joule (i²R) en la superficie del hierro. La laminación del núcleo 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 sección trapezoidal, llamadas delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de mica, formando el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado fuertemente. El colector tiene tantas delgas como bobinas posee el devanado inducido de la máquina.

Bobina de Armadura.- Existen 2 tipos de bobinados de armadura las cuales están como ya expusimos anteriormente fabricadas de cobre y estos son: el devanado imbricado y el ondulado.

3-Aplicación de la Máquina de Corriente Continua en la industria y el Transporte

Las máquinas de corriente continua poseen la facilidad de poder mantener con cierta facilidad la velocidad de rotación constante, lo que la hace indispensable para la construcción de los motores de la industria del transporte, así como también su gran uso en los micromotores utilizados en la electrónica.

Gracias a la cualidad antes descrita, las máquinas de corriente continua tienen gran aplicación en el mundo del transporte, ya que a pesar de que la corriente alterna ha tenido un gran auge por las facilidades de transmisión que presenta, hay sin embargo, aplicaciones donde todavía es absolutamente indispensable el uso de la corriente continua, como es el caso de los motores de

tracción en locomotoras, metros, camiones, etc., y las máquinas universales como los motores fraccionarios que mueven los electrodomésticos y las máquinas herramientas.

La gran variedad de la velocidad, junto con su fácil control y la gran flexibilidad de las características par-velocidad del motor de corriente continua, han hecho que en los últimos años se emplee éste cada vez más con máquinas de velocidad variable en las que se necesite amplio margen de velocidad y control de las mismas.

Existe un creciente número 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 más apropiado que el de corriente alterna para muchas aplicaciones.

Los motores eléctricos de tracción se utilizan para poner en marcha el material móvil en los más diversos tipos de transporte; ferrocarriles eléctricos urbanos, suburbanos y principales, transporte por agua, interior de fábricas, 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 eléctricas de acumuladores de mina y de 500 a 2000KW y de 750 a 1650 V para locomotoras eléctricas de servicio de línea con diferentes características de regulación y de frenado.

En los motores eléctricos de tracción existen dos regímenes de funcionamiento: continuo y horario.

Una última ventaja es la facilidad de inversión de marcha de los motores grandes con cargas de gran inercia, al mismo tiempo que devuelven energía a la línea actuando como generador, lo que ocasiona el frenado y la reducción de velocidad.

Las principales aplicaciones del motor de corriente continua en el transporte son:

Trenes de laminación 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 laminación en caliente con varios bastidores. En cada uno se va reduciendo más la sección y la velocidad es cada vez mayor.

Cizallas en trenes de laminación en caliente. Se utilizan motores en derivación. Otras aplicaciones son las máquinas herramientas, máquinas extractoras, elevadores,

ferrocarriles. El motor de corriente continua se usa en grúas que requieran precisión 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 hidráulicas. —Motor de inducción tipo jaula de ardilla. Embotelladoras: Correa transportadora de envases. —Motor de C.C. (debido a la

precisión de posición requerida). Imprenta: Prensa, rodillos de papel, etc. —Motor de C.C. (debido a la precisión de

posición requerida para la prensa y a la precisión del torque y velocidad en los rodillos). Aserraderos: Sierras. —Motor de Inducción jaula de ardilla (son menos nocivos los

motores síncronos, sin embargo a potencias medias los motores de inducción (200-600 HP) son mucho más económicos).

Papelera: Rodillos. —Motor de C.C. (debido a la precisión de torque y velocidad requeridos, ya que el papel es frágil y si se corta el rollo debe reciclarse completo).

Industria de cemento: Hornos rotatorios. —Motor de C.C. Barcos: Elevador de ancla. —Motor de inducción rotor bobinado (alto torque de partida y

menos perturbador del sistema que el motor jaula de ardilla). Acerías: Cintas transportadoras, sierra. Las cintas se mueven mediante motores de C.C.

debido a la alta precisión requerida en el posicionamiento (el proceso de producción es

totalmente continuo, ya que el tubo o lámina de acero no se interrumpe). La sierra rota gracias a un motor de inducción trifásica, pero su posicionamiento (en el punto de corte) se realiza a través de un motor de C.C.

Robots— Motor de C.C. Ascensores —Motor de C.C. (más antiguo) y motor de inducción jaula de ardilla (nuevo). Máquinas de precisión: Fresas, tornos, etc. —Motor de C.C.

4-Las máquinas de corriente continua en la industria de la aviación

Además del transporte terrestre que hemos estudiado ya, las máquinas de corriente continua también dicen presente en el transporte aéreo, tanto en los procesos de construcción de aviones como en el funcionamiento de los mismos.

La primera máquina eléctrica que se propuso en el año 1869 para un avión era un motor eléctrico de 300 CV Ideado por A. N. Lodiguin. Con ese motor se suponía poner en rotación las hélices del avión. Antes de la primera guerra mundial Lodiguin creó un nuevo proyecto más perfecto en el que se preveía la alimentación de estos motores por un generador que se ponía en rotación por medio de un motor de explosión. Este tipo de accionamiento del generador avión encontró más tarde empleo práctico en la aviación; la primera instalación fue construida en el año 1934. La elección del sistema de suministro de energía eléctrica de corriente continua tuvo lugar definitivamente en los años 1919 – 1920.

A medida que iban creciendo la distancia y la altura de vuelo aumentaban también las dimensiones del avión. Esto exigía asimismo un incremento considerable de la potencia del generador. Debido a que en esas condiciones un generador no podía garantizar el vuelo fiable del avión surgió la necesidad de conectar en paralelo varios generadores. La solución de este problema representaba dificultades considerables puesto que los generadores funcionaban con velocidad de rotación variable desde los motores del avión. Como resultado de las investigaciones realizadas fue elaborado el esquema de regulación automática de la tensión del generador.

La amplia electrificación de los aviones comenzó en el año 1939, cuando fueron utilizados por primera vez aparatos eléctricos 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 máquinas de corriente continua han dominado el escenario también en lo que respecta también a la aviación.

5-Tipos Fundamentales de Máquinas de Corriente Continua (CC)

La máquina de CC fundamental se refiere a su tipo de colector, es decir, a la máquina que en esencia es una máquina de corriente alterna, pero que tiene un dispositivo especial llamado colector que permite bajo determinadas condiciones convertir la corriente alterna en corriente continua.

Las máquinas de corriente cc poseen el principio de reversibilidad, lo que la hace trabajar en régimen de generador y en régimen de motor. Partiendo de esta realidad, estas máquinas podemos dividirla en dos grandes grupos los cuales son:

1. Generadores de corriente continua.

2. Motores de corriente continua.

Generadores de Corriente Continúa

En las centrales eléctricas modernas prácticamente se genera sólo energía eléctrica de corriente alterna trifásica. Una parte significante de esta energía se usa en la misma forma de corriente alterna en la industria para los fines de alumbrado y necesidades domésticas.

En los casos en que por las condiciones de producción es necesaria o preferente la corriente continua (empresas de la industria química y metalúrgica, transporte, etc.) ésta se obtiene, con más frecuencia, transformando la corriente alterna en continua con auxilio de convertidores iónicos o mecánicos. En el último 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 árbol.

Los generadores de corriente continua se emplean como fuentes primarias de energía principalmente en las instalaciones aisladas (como excitadores de las máquinas sincrónicas), 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 número de bobinas agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura y conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador múltiple. Si una armadura tiene un solo circuito de cable, la corriente que se produce aumentará y disminuirá dependiendo de la parte del campo magnético a través del cual se esté 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 través de un área de alta intensidad del campo, y como resultado la corriente que suministran las bobinas de la armadura es prácticamente constante. Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o más polos electromagnéticos que aumentan el tamaño y la resistencia del campo magnético. En algunos casos, se añaden Interpolos más pequeños para compensar las distorsiones que causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico del campo.

El campo inductor de un generador se puede obtener mediante un imán permanente (magneto) o por medio de un electroimán (dinamo). En este último caso, el electroimán se excita por una corriente independiente o por autoexcitación, es decir, la propia corriente producida en la dinamo sirve para crear el campo magnético en las bobinas del inductor. Existen tres tipos de dinamo según sea la forma en que estén acoplados el inductor y el inducido: en serie, en derivación y en combinación.

El campo de aplicación de los generadores de corriente continua es bastante amplio y correspondientemente son muy diversas las exigencias planteadas a éstos con respecto a la potencia, tensión, velocidades de rotación, fiabilidad de funcionamiento, plazos de servicio, etc. Aquí examinaremos sólo las propiedades fundamentales de los generadores de corriente continua, sin tocar los regímenes especiales de funcionamiento.

Clasificación

Los generadores auto excitadores se dividen, según el método de conexión de los arrollamientos de excitación, en a) generadores (dínamos) en derivación (shunt), b) generadores (dínamos) en serie y c) generadores de excitación compuesta (dinamos compound).

Clasificación de los generadores de corriente continua por el método de excitaciónPor el método de excitación los generadores de corriente continua se dividen en generadores con excitación independiente y generadores auto excitador.

Los generadores con excitación independiente se, dividen en a) generadores excitados por vía electromagnética, y b) generadores con imanes permanentes.

Los generadores con excitación independiente tienen la corriente del inducido igual a la corriente de la carga, y en el caso general su tensión externa es distinta de su tensión de carga. Por otro lado en un generador en derivación la corriente del inducido es igual a la suma de la corriente de la carga y la corriente de excitación, pero su voltaje de carga es el mismo externo.

El generador en serie se caracteriza porque las corrientes de carga, del inducido y de excitación son las mismas. El generador de excitación compuesta tiene dos arrollamientos de excitación, uno en serie y uno en paralelo, cuyas fuerzas magnetizantes pueden adicionarse o sustraerse.

Características fundamentales de los generadores de corriente continuaLas propiedades de los generadores se analizan con ayuda de las características que establecen la dependencia entre las magnitudes principales que determinan el funcionamiento del generador. Tales magnitudes son: a) la tensión en los terminales del generador U; b) la corriente de excitación Iex ; c) la corriente en el inducido Iind; d) la velocidad de rotación n.

Puesto que los generadores funcionan por lo general con velocidad de rotación constante, el grupo fundamental de características se obtiene para n = constante. De las demás tres magnitudes, la que mayor importancia tiene es la tensión V, por cuanto determina las cualidades del generador respecto de la red para la cual éste funciona. Por esta razón, las características principales son:

La característica en carga U = f (Iex) para I=constante. En el caso particular cuando I=0, la característica en carga pasa a ser la característica en vacío, que tiene gran importancia para la valorización del generador y el trazado de sus características restantes.

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

La característica de regulación iex=f (I) para U=constante. En el caso particular cuando U =0, la característica de regulación pasa a ser la característica en cortocircuito Ik=f (iex).

Junto con las principales características citadas existen algunas más, en particular las características a velocidad de rotación variable pero éstas son de importancia auxiliar.

Motores de Corriente ContinuaLas máquinas de corriente continua cumplen con el llamado principio de reciprocidad de las máquinas eléctricas, que consiste en trabajar en dos regímenes contrarios.

Supongamos que la máquina funciona en régimen de generador a la red (barras) con una tensión constante U =constante y desarrolla un momento eléctrico Mg. Sabemos que este momento es decelerado con respecto del momento de rotación M del motor primario que pone al generador en rotación.

En este caso:

Disminuyamos la f.e.m. del generador disminuyendo su velocidad de rotación o su flujo magnético. Al disminuir suficientemente la f.e.m. Ea esta puede resultar menor que la tensión en la red U. En este caso, la corriente del inducido la cambia de signo, es decir, circulará en sentido contrario al inicial pero, por cuanto U =constante, el sentido de la corriente iex en el arrollamiento de excitación y, por lo tanto. La polaridad de los polos principales no varía. En correspondencia con esto varía el signo del momento electromagnético Mg o sea, si antes la máquina funcionaba como generador y, desarrollando un momento desacelerador (frenado), transformaba la potencia mecánica suministrada en potencia eléctrica, ahora funciona como motor eléctrico y desarrolla el momento de rotación, venciendo el momento de resistencia en el rotor y transforma la potencia eléctrica que llega a ella en mecánica; pero sigue girando en la misma dirección que antes y conserva la misma polaridad de los polos. Desconectando el motor primario obtenemos el esquema normal de un motor de excitación en derivación.

Si se cambian en la fórmula vista anteriormente los signos de U y de Ea y se considera que el signo de la corriente en el régimen de motor es positivo, entonces la ecuación para la corriente toma la forma:

En este caso Ea puede ser considerada como fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.) respecto de la tensión de la red U.

El principio de reciprocidad de la máquina eléctrica, formulado por E. J. Lenz en el año 1833 y mostrado más arriba en el ejemplo de la máquina de excitación en derivación, se extiende tanto a las máquinas de comente continua de otros tipos, como a las máquinas de corriente alterna.

Clasificación de los motores de corriente continúa

Lo mismo que los generadores, los motores de corriente continua se clasifican por el método de conexión del arrollamiento de excitación con relación al inducido. En correspondencia con esto existen motores:

a) de excitación en derivación.

b) de excitación en serie

c) de excitación compuesta.

Se clasifican en dos grandes grupos.

Motores de imán 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 derivación, en el que el devanado del campo está 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) aumentará para mantener la ecuación en balance. A voltaje nominal y campo completo, la velocidad del motor shunt aumentará 5% a medida que la corriente de carga disminuya de plena carga a sin carga. La reacción de armadura evita que el flujo de campo permanezca absolutamente constante con los cambios en la corriente de la carga. La reacción 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 está inestable.

Motor devanado en serie, en el que el devanado del campo está conectado en serie con la armadura.

En un motor serie, el flujo del campo es una función de la corriente de la carga y de la curva de saturación 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 pequeña al principio pero aumenta a medida que la corriente se reduce. Para cada motor serie, hay una mínima carga segura determinada por la máxima velocidad de operación 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 añade al flujo del campo principal shunt. Los motores compound se conectan normalmente de esta manera y se denominan como compound acumulativo.

Esto provee una característica 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 debilitación del campo puede resultar en exceder la máxima 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 través de un amplio rango de velocidad.

Motores de corriente continua de imán permanente

Existen motores de imán permanente (PM, permanent magnet), en tamaños de fracciones de caballo y de números pequeños enteros de caballos. Tienen varias ventajas respecto a los del tipo de campo devanado. No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para excitación 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 pérdida del campo. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la eliminación de pérdida de potencia en un campo excitador. Así mismo, la característica par contra corriente se aproxima más a lo lineal. Un motor de imán permanente (PM) se puede usar en donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación continua.

Los efectos de la temperatura dependen de la clase de material que se use en el imán. Los motores de número entero de caballos de potencia con imanes del tipo Alnico resultan menos afectados por la temperatura que los que tienen imanes de cerámica, porque el flujo magnético es constante. Por lo común, los imanes de cerámica que se utilizan en los motores de fracción de caballo tienen características que varían con la temperatura muy aproximadamente como varían los campos en derivación de las máquinas excitadas.

Las desventajas son la falta de control del campo y de características especiales velocidad-par. Las sobrecargas pueden causar desmagnetización parcial que cambia las características de velocidad y de par del motor, hasta que se restablece por completo la magnetización. En general, un motor PM de número entero de caballos es un poco más grande y más caro que un motor equivalente con devanado en derivación, pero el costo total del sistema puede ser menor.

Un motor PM es un término 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 vacío de un motor devanado en serie.

Motores de corriente continúa sin escobillas

Los motores de corriente continua sin escobillas tienen una armadura estacionaria y una estructura rotatoria del campo, exactamente en forma opuesta a como están dispuestos esos elementos en los motores convencionales de corriente directa. Esta construcción aumenta la rapidez de disipación del calor y reduce la inercia del rotor. Imanes permanentes suministran el flujo magnético 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 disposición se vuelve cada vez más costosa e ineficiente a medida que aumenta el número de devanados.

Los transistores que controlan cada devanado de un motor sin escobillas de corriente continua se activan y desactivan a ángulos específicos 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 conmutación se dispone para producir un flujo magnético rotatorio en el entrehierro, que permanece formando un ángulo fijo con el flujo magnético 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 continua

Los servomotores de corriente continua son motores de alto rendimiento que por lo general se usan como motores primarios en computadoras, maquinaria controlada numéricamente u otras aplicaciones en donde el arranque y la detención 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 excitación. Además, la inductancia muy baja de la armadura en estos motores da lugar a una baja constante eléctrica de tiempo (lo normal entre 0.05 y 1.5 ms) que agudiza todavía más la respuesta del motor a las señales de comando. Los servomotores incluyen motores de imán permanente, circuito impreso y bobina (o coraza) móvil. El rotor de un motor acorazado consta de una coraza cilíndrica de bobinas de alambre de cobre o de aluminio. El alambre gira en un campo magnético en el espacio anular entre las piezas polares magnéticas y un núcleo estacionario de hierro. El campo es producido por imanes de fundición de Alnico cuyo eje magnético es radial. El motor puede tener dos, cuatro o seis polos.

Cada uno de estos tipos básicos tiene sus propias características, como son la inercia, forma física, costos, resonancia de la flecha, configuración de ésta, velocidad y peso. Aun cuando estos motores tienen capacidades nominales similares de par, sus constantes físicas y eléctricas varían en forma considerable. La selección de un motor puede ser tan sencilla como ajustar uno al espacio del que se disponga. Sin embargo, en general éste no es el caso, ya que la mayor parte de los servosistemas son muy complejos.

Motores de corriente continua con campo devanado

La construcción de esta categoría de motores es prácticamente idéntica a la de los generadores de corriente directa; con un pequeño ajuste, la misma máquina de corriente continua se puede operar como generador o como motor de corriente directa.

Los motores de corriente continua de imán permanente tienen campos alimentados por imanes permanentes que crean dos o más polos en la armadura, al pasar flujo magnético a través de ella. El flujo magnético hace que se cree un par en la armadura que conduce corriente. Este flujo permanece básicamente constante a todas las velocidades del motor: la curva velocidad-par y corriente-par son lineales.

Motores en derivación

Es el tipo de motor de corriente continua cuya velocidad no disminuye más que ligeramente cuando el par aumenta.

En los motores de corriente continua y especialmente los de velocidad prácticamente constante, como los shunt, la variación de velocidad producida cuando funciona en carga y en vacío da una base de criterio para definir sus características de funcionamiento.

Excepcionalmente, la reacción del inducido debería ser suficientemente grande para que la característica de velocidad fuera ascendente al aumentar la carga.

Los polos de conmutación han mejorado la conmutación de los dinamos de tal manera que es posible usar un entrehierro mucho más estrecho que antiguamente.

Como la armadura de un motor gira en un campo magnético, se genera una f.e.m. en los conductores que se opone a la dirección 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 también para enviar la corriente (Ia) de la armadura a través 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 idénticamente cero y como por lo general la resistencia de la armadura es pequeña, es obvio, en vista de la ecuación anterior, que, a menos que se tomen medidas para reducir el voltaje aplicado, circulará 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 vacío no tiene límite teóricamente.

Los motores con excitación en serie son aquellos en los que el inductor está conectado en serie con el inducido. El inductor tiene un número relativamente pequeño de espiras de hilo, que debe ser de sección suficiente para que se pase por él la corriente de régimen 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 saturación moderada, el flujo será casi directamente proporcional a dicha intensidad.

6-Máquinas Especiales de Corriente Continua

Con el nombre genérico de máquinas especiales de corriente continua se abarca un conjunto de máquinas cuyo principio de operación y funcionamiento se aparta de una manera u otra, de las máquinas de corriente continua convencionales. Generalmente estas máquinas no se emplean como generadores de gran potencia, ni como motores, sino que su campo de aplicación se extiende a las siguientes aplicaciones:

Como máquinas reguladoras, es decir, para mantener constante una maquina previamente regulada que puede ser una tensión, una corriente, una velocidad, etc.

Como máquinas amplificadoras, las cuales permiten la regulación de grandes potencias por el control sobre un circuito de potencia mucho menor.

Como máquinas transformadoras, es decir, maquinas capaces de transformar una potencia de corriente continua U1I1 en otra potencia también de corriente continua, y prácticamente igual a U2I2, haciendo que U2 ≠ U1 e I2 ≠ I1.

Las características de todas estas máquinas permiten cumplir las funciones de amplificación y regulación de alta calidad como son, por ejemplo, los utilizados para la regulación de tensión en grandes generadores síncronos de las centrales eléctricas, la regulación de velocidad de las máquinas de tracción, la regulación de potencia en los laminadores, etc.

De forma general, estas máquinas especiales realizan las condiciones indicadas según dos principios de funcionamiento.

Por utilización de la reacción del inducido. Por la combinación de varios arrollamientos de excitación.

Utilización de la reacción del inducido

En una máquina convencional de corriente continua, la reacción del inducido es un fenómeno perturbador que debe compensarse de alguna manera. Sin embargo, en varios tipos de  máquinas especiales se aprovecha éste fenómeno para obtener unas características especiales de funcionamiento y para obtener en la misma máquina dos pasos de amplificación.

La máquina básica que utiliza la reacción del inducido y a partir de la cual se han desarrollado todas las demás que funcionan con el mismo principio, es el Generador Rosenberg.

Sistemas de excitación de turbogeneradores

Fig.4-Turbo Generador

El flujo resultante en el circuito magnético de una maquina se establece por la fuerza magnetomotriz combinada de todos los devanados que tenga la máquina. Para proporcionar excitación a las máquinas de corriente alterna (turbogeneradores, maquinas síncronas) intervienen varios aspectos operativos los cuales tienen importancia económica.

Conforme se han incrementado las capacidades nominales disponibles de los turbogeneradores, los problemas para alimentar la excitación del campo de corriente continua (equivalentes a 4000 A o más en las unidades más grandes) se han hecho progresivamente más difíciles.

Una fuente común de excitación es un generador de corriente continua, cuya salida se alimenta al campo del alternador a través 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 prácticamente independiente de la velocidad de giro y de la resistencia de carga. El devanado de excitación esta en serie con el circuito de soldadura, unido a las escobillas situadas bajo los polos principales.

El polo principal está provisto de una pieza móvil, por medio de la cual es posible variar la resistencia magnética 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 características tales como:

Soportar el régimen 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 tensión del generador puede alcanzar valores máximos de algunos 100 V, superiores a la tensión en vacío. La corriente se mantiene sin grandes variaciones, aunque la tensión del arco varié, por ejemplo de 20 V a 40 V.

Tabla 3-Características 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 aplicación manual. Para 600 A con 40 V para soldadura de arco sumergida.

El Generador Krämer

Es un generador de corriente continua, es decir, entre ciertos límites de la tensión en bornes, la corriente suministrada tiene siempre el mismo valor cualquiera que sea la tensión en bornes.

Este generador lleva tres arrollamientos de excitación, uno de ellos es de excitación independiente, otro de excitación Shunt, y el tercero de excitación serie, el cual produce una corriente de excitación de sentido opuesto a la de los otros dos arrollamientos de excitación. Además de estos tres arrollamientos, montados sobre polos inductores, la maquina está provista también de los polos de conmutación para asegurar, en todos los casos, un funcionamiento exacto de chispeo en el colector.

Esta máquina encuentra aplicación en los generadores para soldadura eléctrica por arco y en general, siempre que se necesite una corriente constante aunque los bornes de la maquina queden cortocircuitados.

Su construcción es igual a la de una maquina normal. La carcasa, el inducido, la disposición de las escobillas, etc. son similares a las disposiciones normales de las maquinas Shunt.

Los inconvenientes del generador Krämer son los siguientes:

Necesita de una fuente exterior de corriente continua para alimentar su arrollamiento de excitación independiente.

No puede suministrar una corriente continua constante para una velocidad variable de operación.

El generador Krämer se emplea poco en la actualidad por haber sido sustituido por máquinas más modernas, pero su estudio es importante porque de él han derivado otras máquinas 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 través de engranajes, al eje del generador principal y constituyen la primera forma de los sistemas de excitación de máquinas síncronas.

Para turbogeneradores de potencia media la posición del inducido del generador excitatriz es tal que va acoplada a un extremo del rotor de la máquina, 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 característica de ser una máquina de gran velocidad, además, es una maquina sensible a las vibraciones. Esta máquina excitatriz trabaja bajo condiciones de conmutación muy severas por lo que amerita de un sistema de evacuación del calor muy eficiente.

Uno de los problemas que presentan los sistemas de excitación a base de generadores de corriente continua es que requieren de mayor mantenimiento que otros sistemas de excitación que se denominan “rotatorios sin escobillas”, o más bien, estáticos.

El amplidino

Fig.5- Sección 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 máquinas que utilizan la reacción transversal del inducido. Esta máquina se utiliza en una amplia variedad de sistemas de accionamientos electrificados de control continuo.

El amplidino se emplea como regulador automático de acción continúa de una o de varias magnitudes que determinan el funcionamiento del accionamiento eléctrico tales como: niveles de tensión, corriente, velocidad de rotación, etc.

Características que definen una buena eficacia de funcionamiento del amplidino son:

Un alto factor de amplificación

Constante de tiempo bajas

Buena estabilidad de funcionamiento.

La potencia de diseño de los amplidino puede llegar a niveles de hasta 100kW. En la actualidad, los amplidinos de grandes potencias se utilizan también como excitadores de turbogeneradores.

Máquinas especiales de corriente continua que utilizan la combinación de varios arrollamientos de excitación.

Los tres sistemas de excitación: Independiente, Shunt y Serie, se emplean en ciertas maquinas especiales cuyo estado magnético está definido en cada instante, por flujos magnéticos producidos por cada uno de ellos.

Según el sentido (magnetizante o desmagnetizante) de la fuerza magnetomotriz de cada arrollamiento de excitación, se pueden obtener características muy diversas.

La máquina básica de varios arrollamientos que se considera como el fundamento de todas las demás es el Generador Krämer

Máquinas de corriente continua con imanes permanentes

Fig.6- Inductor de imanes permanentes.

Las máquinas 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 imán permanente que simplifica su construcción. Los imanes permanentes ofrecen varios beneficios útiles y su ventaja principal es que no requieren excitación externa y no hay disipación de potencia

asociada para crear campos magnéticos en la máquina. Además, el espacio que precisan los imanes permanentes puede ser menor que el requerido para el devanado de campo, por lo que las máquinas de imanes permanentes pueden ser más pequeñas, y en algunos casos más económicas que sus contrapartes externamente excitadas.

Sin embargo, las máquinas de imanes permanentes están sujetas a ciertas limitaciones impuestas por los imanes mismos. Estas incluyen el riesgo de desmagnetización debido a las corrientes excesivas en los devanados del motor o debido al sobrecalentamiento del imán. Además los imanes permanentes están un poco limitados en la magnitud de la densidad de flujo a través del entrehierro que pueden. Sin embargo, con el desarrollo de nuevos materiales magnéticos tales como Samario-Cobalto y Neodimio-Hierro-Boro, por lo que estas características se están volviendo cada vez menos restrictivas para el diseño de máquinas de imanes permanentes.

Motores de CC de imán permanente

Fig.7-Motores de imán permanente.

Un motor de imán permanente es un motor dc cuyos polos están hechos de imanes permanentes. En algunas aplicaciones estos motores ofrecen más beneficios que los motores dc en derivación. 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 derivación. 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 derivación.

Los motores dc de imanes permanentes exhiben las siguientes ventajas:

No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado asociado.

Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la eliminación de pérdida de potencia en un campo excitador.

Se puede usar para un ciclo de servicio de excitación continua.

Los efectos de la temperatura dependen de la clase de material del cual este construido el imán. Los del tipo Alnico resultan menos afectados por la temperatura que los que tienen imanes de cerámica debido a que el flujo magnético 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 derivación, las cuales son:

Falta de control del campo y de las características especiales velocidad- par. Laos periodos prolongados de sobrecarga provocan calentamiento excesivo y pueden

causar la desmagnetización parcial que cambia las características de velocidad y de par del motor, hasta que se restablece por completo la magnetización.

Para aplicaciones comunes en máquinas como rotores y estatores, se selecciona un material ferromagnético que tenga una densidad de flujo residual (BRES) y una intensidad magnetizante coercitiva (HC) tan pequeña como sea posible, ya que un material con estas características tendrá bajas perdidas por histéresis.

Sin embargo para fabricar los polos, ocurre lo contrario ya que el material ferromagnético seleccionado deberá tener la mayor densidad de flujo residual (BRES) así como la intensidad magnetizante coercitiva (HC) como sea posible.

Los principales tipos de materiales magnéticos son los denominados cerámicos-magnéticos (ferrita) y los materiales magnéticos de tierras raras.

Los motores cd de imanes permanentes convencionales es de igual forma que un motor de rotor devanado configurado en derivación. Es decir, el rotor, el núcleo laminado de hierro, devanados de armaduras en las ranuras del motor, conmutador, porta escobillas y todo lo demás. La única diferencia es que se establece el campo magnético con imanes permanentes y no con electroimanes, los cuales se distinguen entre sí por su baja permeabilidad magnética.

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 cerámica) para tener excitación constante del campo. Se fabrican en general para 6 V y 28 V en tamaños fraccionarios y en 150 V para caballajes de hasta 2 Hp.

La estructura del campo para este tipo de motor consiste en general de aleación 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 Continua

Generalidades

Una maquina es un dispositivo dinámico. No realiza conversión de potencia o de energía si está en estado de reposo. Para convertir energía es preciso que se mueva. Por esta razón es incapaz de almacenar energía. Así mismo, por esta razón, de acuerdo al principio de conservación de la energía, la potencia total recibida por una maquina en un instante dado debe ser igual a la potencia total suministrada por esa máquina en ese instante. La potencia total recibida por una maquina debe ser igual a su potencia de salida útil más las pérdidas totales de potencia, de acuerdo con el principio de conservación de la potencia o:

Dónde:

PEnt: potencia total recibida por una maquina

Psal: potencia útil suministrada por la máquina para realizar trabajo

Pperd: representa las pérdidas totales producidas en el interior de la maquina como resultado de la conversión de energía, 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 máquina para realizar trabajo útil. Eso significa que un motor o generador nunca puede convertir toda la potencia recibida en potencia de salida eléctrica o mecánica útil. La diferencia entre la potencia de entrada y salida de la maquina son las pérdidas que no se aprovechan para hacer trabajo útil. Puesto que estas pérdidas no producen ni energía mecánica ni eléctrica (ambas son útil para la maquina), solo pueden convertirse en calor, luz o energía química. Casi todas las pérdidas se transforman en calor*.

En cuanto mayores sean las perdidas como porcentaje de la potencia total de entrada, mayor será el calentamiento de la máquina, es decir, la elevación de la temperatura de la maquina giratoria.

* En las maquinas tipo colector una pequeña parte de las perdidas produce luz visible y otras perdidas por radiación (energía luminosa), pero son despreciables en comparación con las pérdidas de calor.

Perdidas en las maquinas:

Las pérdidas en una maquina pueden dividirse en dos grandes tipos:

1. Las que se producen por la circulación de corriente por las diversas partes de los devanados de la maquina denominadas perdidas eléctricas

2. Las que dependen directamente de la rotación dinámica de la maquina denominadas perdidas por rotación.

Las pérdidas de rotación se dividen ordinariamente en dos clases:

a) Perdidas mecánicas que resultan de la rotación

b) Perdidas en el hierro resultantes de la rotación

El análisis de las perdidas revela que ciertas pérdidas son resultado directo de la carga, y varían con ella, en cuanto que otras son independientes de la misma.

Pérdidas mecánicas

Estas son perdidas asociadas a los efectos mecánicos. Hay dos tipos básicos de pérdidas mecánicas: rozamiento propio y rozamiento con el aire. Las pérdidas por rozamiento propio son las

causadas por fricción de los rodamientos de la máquina, mientras que las pérdidas por rozamiento con el aire son las causadas por fricción entre las partes móviles de la máquina y el aire encerrado en la estructura de ella. Estas pérdidas varían con el cubo de la velocidad de rotación de la máquina.

Resistencia del aire. Rozamiento de los cojinetes. Rozamiento de las escobillas.

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

Tabla 4-Curvas de rendimiento de las máquinas de CC. Coeficiente de rendimiento en función de las pérdidas en KW, para diferentes velocidades nominales de la máquina.

Pérdidas en el hierro

Las pérdidas fundamentales en el núcleo son las perdidas por histéresis y por corrientes parasitas que ocurren el metal de la máquina.

Por corriente de Foucault (k · n2 · B2). Por histéresis (k' · n · B 1,6).

Siendo:

k, k' = constantes.

n = velocidad de giro en rpm.

B = densidad máxima de flujo magnético. Estas pérdidas son de difícil cuantificación y se suponen independientes de la carga de la máquina.

Pérdidas en el cobre:

Las pérdidas en el cobre ocurren en los devanados del inducido y del campo de la máquina. Para los devanados del inducido y del campo las pérdidas están dadas por:

Dónde:

La resistencia utilizada en estos cálculos es la resistencia del devanado a la temperatura normal de operación.

Estas pérdidas dependen del valor de la carga.

Pérdidas en las escobillas

Las pérdidas por caída en las escobillas corresponden a la potencia perdida a través del contacto potencial en las escobillas de la máquina. Estas están dadas por la ecuación:

Dónde:

Las pérdidas en las escobillas se calculan de este modo porque la caída de voltaje a través 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 caída de voltaje en las escobillas: alrededor de 2V.

Perdidas dispersas, perdidas misceláneas o perdidas distribuidas de carga.

Las perdidas dispersas son aquellas que no se pueden clasificar en alguna de las categorías mencionadas anteriormente. No tiene importancia el cuidado con que se contabilicen las pérdidas, pues casi siempre algunas quedan por fuera de las categorías mencionadas. Todas estas pérdidas

se reúnen en las perdidas misceláneas. Para la mayoría de las maquinas las perdidas misceláneas se toman convencionalmente como el 1% de la plena carga.

Rendimiento de una máquina eléctrica

Los generadores D.C toman potencia mecánica y producen potencia eléctrica, mientras que los motores D.C toman potencia eléctrica y producen energía mecánica. En cualquier caso no toda la potencia de entrada a la maquina es útil en el otro lado pues siempre hay una perdida asociada al proceso.

El rendimiento de toda máquina se define por:

La relación de la expresión anterior, expresada en tanto por ciento, constituye una medida de la cantidad de potencia calorífica producida en proporción a la potencia total de entrada. Una máquina que funcione con un rendimiento elevado, es decir, con una elevada relación entre la potencia de salida y la de la entrada, produce comparativamente poco calor en relación a la potencia de entrada o salida.

Según la capacidad termodinámica de la máquina para disipar el calor generado internamente, la temperatura de la maquina tendera a aumentar hasta que alcance la temperatura para la que su potencia calorífica disipada sea igual a las perdidas caloríficas generadas interiormente. Si esta temperatura final es excesiva, es decir, si excede el límite 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 refrigeración 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 pérdidas) a un valor nominal en el que las perdidas y la elevación de temperatura no sean excesivas.

En el caso de un motor, es más fácil medir la potencia eléctrica de entrada que la potencia mecánica de salida. En el caso de un generador es más fácil medir la potencia eléctrica de salida que la potencia mecánica de entrada. En ambos casos deben calcularse las perdidas.

Diagrama de flujo de potencia

Una de las técnicas más apropiadas para explicar las pérdidas 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 mecánica a la máquina y luego se restan las perdidas misceláneas, las pérdidas mecánicas y las perdidas en el núcleo. Después de restadas esas pérdidas, se convierte la potencia mecánica restante en potencia eléctrica en el punto indicado Pconv. La potencia mecánica convertida está dada por:

La potencia eléctrica resultante está dada por:

Sin embargo, esta no es la potencia que aparece en las terminales de la máquina. Antes de alcanzar los terminales deben restarse las perdidas eléctricas 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 refrigeración de las máquinas de CC

Llamamos medio de refrigerante o fluido refrigerante, a la sustancia utilizada para refrigerar los diversos elementos constructivos de la máquina.

Generalmente se utiliza el aire como medio refrigerante, que algunas veces actúa por convección natural (caso de los transformadores, carcasa de máquinas cerradas, etc.…) y otra mediante ventiladores construidos para remover el aire circulante sustituyéndolo por aire más frió, en esto casos deben preverse dispositivo de evacuación del aire caliente. En casi todas las maquinas eléctricas rotativas se utiliza un procedimiento mixto de refrigeración, ya que el mismo movimiento giratorio de las maquinas produce un desplazamiento del aire sustituyéndolo por aire fresco, y además se monta casi siempre un ventilador en el mismo eje de la máquina, que ayuda a completar la refrigeración natural de la máquina.

En algunos casos sobre el medio de refrigeración es el agua, que impulsada de forma continua por medio de una bomba adecuada, es conducida por tubería apropiada hasta la máquina, rodeando el cuerpo de la misma por medio de serpentines; como siempre hay circulación de agua fría, el efecto refrigerante es mayor que si se utiliza aire.

Máquinas de CC con refrigeración por hidrógeno

Se emplea este procedimiento en máquinas rotativas debido a su complicada construcción. 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 calorífica por unidad de volumen que el aire, de modo que la refrigeración con un flujo determinado de hidrogeno comparado con aire presenta un mayor rendimiento en la disminución de la temperatura, Por lo tanto una maquina eléctrica refrigerada con hidrogeno puede tener dimensiones menores y alcanzar temperatura más altas que una maquina refrigerada por aire.

Cuando se emplea la refrigeración por hidrogeno es necesario que el sistema sea completamente sellado. El hidrogeno se hace circular mediante sopladores y ventiladores a través del rotor y el estator y a continuación se hace pasar por bobinas de refrigeración 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 presión superior a la atmosférica para impedir la entrada del aire contaminante, y la presión 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. Cojinete

2. Junta de aceite

3. Conducto de llegada del aceite a la junta

4. Anillos de la junta de aceite

5. Conducto del retorno del aceite, lado hidrogeno

6. Conducto de retorno del aceite, lado aire

7. Eje del turbogenerador

Los generadores de mayor capacidad, peso, tamaño y los más modernos, usan hidrógeno para enfriamiento en vez de aire en circuito de enfriamiento cerrado. El peso del hidrógeno es aproximadamente 1/16 del aire y esto significa, que las pérdidas de viento, se reducen por su uso y el calor removido y transferido a los enfriadores es satisfactorio. Cuando el hidrógeno 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 más del 71 % de hidrogeno, la cantidad de oxígeno en el gas es insuficiente para mantener la combustión. En consecuencia empleando mezcla con un 90% de hidrogeno no hay peligro de explosión incluso a temperaturas de ignición elevadas.

El enfriamiento convencional con hidrógeno puede usarse en generadores con capacidad nominal aproximada de 300 MVA o menos, mucho mayor a los generadores enfriados por agua (cuya construcción es mucho más compleja) que llegan a un máximo de 250 MVA.

Generalmente los generadores se construyen con sistema de enfriamiento por hidrógeno cuando son unidades con capacidades de 100 MVA o más.

Ventaja adicionales del empleo del hidrogeno

Con hidrogeno no tiene lugar la oxidación del aislamiento a causa del efecto corona.

Se precisa un potencial mayor para producir el efecto corona en una atmósfera de hidrogeno-aire que en una atmósfera ordinaria de aire.

La refrigeración 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 última razón es el principal factor que justifica su empleo.

Máquinas de CC refrigeradas por aire

Estos generadores se dividen en dos tipos básicos: 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 tamaño pequeño se utilizan. El aire en este tipo de generadores pasa sólo una vez por el sistema y considerable cantidad de materias extrañas 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 enfría pasando a través del tubo del enfriador, dentro de los cuales se hace pasar agua en circulación. La suciedad y materias extrañas 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 agua

En los últimos años se han realizado estudios que han hecho posible la contracción de grandes generadores, tanto para centrales hidráulicas como para centrales térmicas, con bobinados directamente refrigerados por líquidos. Existen turbo alternadores experimentales con refrigeración completa por agua, en los cuales con el agua se enfrían no solo los devanados del estator y del rotor sino también el núcleo del estator y otros órganos y elementos constructivos.

Fig.11- Generador enfriado por agua

En los turboalternadores con refrigeración completa por agua se puede asegurar una mayor eficacia del enfriamiento y elevar respectivamente la potencia por unidad de las máquinas. 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 presión, pantallas amortiguadoras en el estator y otros elementos. Comparada con los mejores aceites aptos para esta refrigeración, el agua pura presenta numerosas ventajas sobre ellos; en efecto a 50˚C es 15 veces menos viscosa y su calor especifico es más de 2 veces mayor, de forma que, a igualdad de pérdida de carga, y para el mismo calentamiento del líquido, se podría evacuar alrededor de 7 veces más de calorías. Por esta causa, grandes empresas constructoras de máquinas eléctricas, han pensado en utilizarla para la refrigeración, tanto de turbo generadores, como de generadores de polos salientes.

Generadores enfriados por hidrógeno / agua

Pueden lograrse diseños de generadores aún más compactos mediante el uso de enfriamiento con agua directo al devanado de la armadura del generador. Estos diseños emplean torones de cobre a través de los cuales fluye agua desionizada. El agua de enfriamiento se suministra vía un circuito cerrado. El voltaje y la corriente de armadura de los generadores enfriados por hidrógeno / agua son bastantes mayores que los enfriados por aire o hidrógeno. Como resultado unidades de mayor capacidad tanto en los voltajes como en las fuerzas que experimentan las unidades generadoras.

En la maquinas eléctricas refrigeradas por aire o por agua. En esta máquina debe mantenerse la temperatura del medio refrigerante lo más bajo posible y excepto en casos especiales no deben exceder de 40˚C; las maquinas construidas para funcionar a mayor temperatura del medio refrigerante llevaran la indicación correspondiente en su placa de característica.

Aletas en sistema refrigeración

Se usan las aletas o superficies extendidas con el fin de incrementar la razón de transferencia de calor de una superficie, en efecto las aletas convexas a una superficie aumenta el área total disponible para la transferencia de calor. En el análisis y diseño de una superficie con aletas, la cantidad de energía calorífica disipada por una sola aleta de un tipo geométrico dado, se determina auxiliándonos del gradiente de temperatura y el área transversal disponible para el flujo de calor en la base de la aleta. Entonces, el número total de aletas necesarias para disipar una cantidad de calor dada se determinara en base a la acumulación de transferencia de calor. La ecuación diferencial que describe la distribución de temperatura en una aleta resulta de un equilibrio de energía en una sección elemental de la aleta que es tanto conductora, como apta para la

convección, a la vez. Puesto que un elemento de volumen elemental cualquiera experimenta tanto conducción como convección, el problema es en realidad multidimensional.

Usualmente se usa una superficie con aletas cuando el fluido convectivo participante es un gas, ya que los coeficientes convectivos de transferencia de calor para un gas son usualmente menores que los de un líquido. Como ejemplo de una superficie con aletas se tienen los cilindros de la máquina de una motocicleta, y los calentadores caseros. Cuando se debe disipar energía calorífica de un vehículo espacial, donde no existe convección, se usan superficies con aletas que radian energía calorífica. Las aletas pueden ser con secciones transversales rectangulares, como tiras que se anexan a lo largo de un tubo, se les llama aletas longitudinales; o bien discos anulares concéntricos alrededor de un tubo, se les llama aletas circunferenciales.

Fig.12- Diferentes tipos de aletas usadas para la refrigeración por convección.

Conclusiones generalesCon los conceptos y definiciones, así como los fundamentos de las máquinas de corriente continua expuestos en el presente seminario podemos resaltar las siguientes conclusiones:

El trabajo en conjunto que se realizó a principios del siglo XIX para desarrollar las maquinas eléctricas, que en principio eran de corriente continua por la basta utilización de este tipo de corriente en aquella época sirvió para el desarrollo que se refleja hoy en día para este tipo de máquinas que fueron desarrolladas para cambiar y mejorar el desarrollo industrial de la humanidad.

Con el desarrollo de los diferentes materiales de los cuales se componen este tipo de máquinas, materiales ferromagnéticos, materiales aislantes y materiales conductores, entre otros, se ha logrado que este tipo de maquina sea una de las más eficientes en la industria.

En la industria del transporte por ejemplo este tipo de máquinas han marcado un hito en la historia de la humanidad, esto por su capacidad de mantener invariable la velocidad de rotación con lo cual permite su uso en esta importante industria. La gran variedad de la velocidad, junto con su fácil control y la gran flexibilidad de las características par-velocidad del motor de corriente continua, han hecho que en los últimos años se emplee éste cada vez más con máquinas de velocidad variable en las que se necesite amplio margen de velocidad y control fino de las mismas.

En el cielo las máquinas de CC. También tienen su aplicación, usando generadores de CC. Se puede alimentar los controles aéreos de las supernaves de hoy día siendo imprescindible su uso en la industria de la aviación.

Los tipos fundamentales de máquinas eléctricas de CC son el generador y el motor de CC aunque estos pueden formar parte de una misma máquina, esto debido al principio de reversibilidad de las maquinas eléctricas, el cual establece que una maquina eléctrica puede utilizarse para convertir energía eléctrica en mecánica (motores) y energía mecánica en eléctrica (generadores), dando lugar a múltiples usos en la vida cotidiana.

El campo de aplicación de los generadores de corriente continua es bastante amplio y correspondientemente son muy diversas las exigencias planteadas a éstos con respecto a la potencia, tensión, velocidades de rotación, habilidad de funcionamiento, plazos de servicio, entre otras características. Por el método de excitación estos generadores se dividen en generadores con excitación independiente y generadores autoexcitados.

Lo mismo que los generadores, los motores de corriente continua se clasifican por el método de conexión del arrollamiento de excitación con relación al inducido. En correspondencia con esto existen motores:

de excitación en derivación. de excitación en serie de excitación compuesta.

El estudio de las pérdidas de este tipo de máquinas desempeña un papel fundamental, debido a que la información que se genera de este es vital para los ingenieros y técnicos, que de una forma u otra forma deben manejarlos para así obtener una óptima calidad en el funcionamiento de las máquinas, dando lugar a un mejor aprovechamiento de su eficiencia mejorar los procesos industriales en los cuales este tipo de máquinas son aplicados.

Con el estudio de la perdidas viene intrínseco métodos de enfriamiento de las maquinas eléctricas, esto debido a que las perdidas mayormente se reflejan en el calentamiento de las maquinas dando

lugar a una baja eficiencia, con los métodos de enfriamiento presentados en nuestro seminario, estas perdida se hacen poco perceptibles.

Con lo expuesto en nuestro seminario podemos decir que las máquinas de CC a pesar de ser desplazadas en algunas aplicaciones por las máquinas de CA, son de vital importancia en muchos aspectos de la vida cotidiana y con esto llegar a concluir que por ser la máquina de CC una variable fundamental de las máquinas de AC y su pionera, debemos decir y afirmar que las máquinas de CC son un pilar importante en la historia de la humanidad y de su desarrollo industrial.

Bibliografía• Maquinas eléctricas 4ta edición tomo I, Irving L. kosow, editorial reverté. Argentina S.C.A.

• Maquinas eléctricas tomo I, M.P.kostenko- L.M.piotrovski, editorial MIR Moscú.

• KOSOW. Irving. Control de máquinas eléctricas. Primera Edición. Editorial Reverté S.A. España 1982

• SANJURJO. Rafael. Máquinas eléctricas. Primera Edición. McGraw-Hill. España 1989

• Maquinas eléctricas 3ra edición, Stephen J. Chapman, editora Mc Graw Hill.

• Standard handbook for Electrical Engineers

• Pilas y acumuladores, Maquinas de corriente continua. José Ramírez Vásquez, enciclopedia CEAC de electricidad.

Webgrafía

• http://historiadelasmaquinaselectricas.blogspot.com/

• http://html.rincondelvago.com/motor-de-corriente-directa.tml

• http://www.wikipedia.com

• http://www.asifunciona.com/tablas/maquinaselectricas/machines.html

Autores:

Basilio Marte

Geraldino Carty

Joel S. Faneite Ross

joeloross@gmail.com

Juan Enrique Taveras

Wilmer Romero

Estudiantes Ing. Electromecánica Mención Eléctrica

Universidad Autónoma de Santo Domingo UASD