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Mdulo 4 MQUINAS Y MOTORES ELCTRICOS

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4 MQUINAS ELCTRICAS ROTATIVAS: DE CORRIENTE CONTINUA

4.1 DESCRIPCIN CONSTRUCTIVA DE LAS MQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

Histricamente las mquinas de corriente continua han tenido una gran importancia, ya que su empleo como dinamos (generadores de c.c.) represent el primer procedimiento para producir energa elctrica a gran escala.

En la actualidad, el modo de funcionamiento ms caracterstico de las mquinas de c.c. lo constituye su empleo como motor.

La ventaja fundamental de los motores de c.c. frente a los motores de c.a. se debe a su mayor grado de flexibilidad para el control de la velocidad y del par, lo cual hace muy interesante su aplicacin en diversos accionamientos industriales: trenes de laminacin, telares, traccin elctrica, etc.

El empleo como dinamo ha quedado prcticamente obsoleto debido a que la c.a. presenta ms ventajas para la generacin, transporte y distribucin de la energa elctrica que la corriente continua. Por otro lado, cuando se necesita c.c. para una aplicacin se recurre al empleo de rectificadores de silicio que convierten la c.a. de la red en c.c. de forma esttica y con gran rendimiento.

4.1.1 EL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA


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4.1.2 EL GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA

n Cojinetes El eje del motor, sobre el que se monta el rotor, gira soportado por dos cojinetes.

n Polos de campo Pueden ser bobinados o con imanes permanentes. Su funcin es generar un campo magntico constante que atraviesa el rotor del motor.

n Escobilla El suministro de corriente al colector se realiza por medio de escobillas de grafito. Estas escobillas permanecen inmviles en el espacio, dispuestas en los portaescobillas que aseguran un buen contacto con el colector.

n Polea ventilador y transmisin Las bobinas del rotor (inducido) van conectadas al colector de delgas. Est formado por unos segmentos radiales de cobre, separados unos de otros por material aislante. Unas escobillas conducen la corriente de alimentacin del motor a las bobinas del rotor.

n Colector delgas Las bobinas del rotor (inducido) van conectadas al colector de delgas. Est formado por unos segmentos radiales de cobre, separados unos de otros por material aislante. Unas escobillas conducen la corriente de alimentacin del motor a las bobinas del rotor.

n Rotor (armadura) El rotor va montado sobre un eje y gira entre los polos del esttor. Tiene una serie de bobinas (inducido) encajadas en unas ranuras dispuestas en su superficie, normalmente axiales pero que pueden ser alabeadas (helicoidales) para producir un funcionamiento ms suave.

n Polos de campo Pueden ser bobinados o con imanes permanentes. Su funcin es generar un campo magntico constante que atraviesa el rotor del motor.


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4.1.3 EL ESTTOR 4.1.3.1 DESCRIPCIN Y PARTES CONSTITUYENTES

El esttor es la parte de la mquina que no se mueve. Sirve de circuito magntico para cerrar la trayectoria del flujo de excitacin y da soporte mecnico al rotor.

n Flujo magntico de excitacin

n Mquinas con devanado de excitacin

Motor c.c. con dos pares de polos

El campo magntico de excitacin se genera haciendo circular una corriente elctrica por una "bobina de campo".

Esta bobina suele montarse en forma de paquetes que se sitan entorno del ncleo del polo.


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n Mquinas de imanes permanentes

En estas mquinas el ncleo del polo se fabrica de un material magntico permanente.

En mquinas de imanes permanentes pequeas no hay ningn tipo de devanado de excitacin.

Ahora bien, en mquinas mayores, el ncleo del polo se rodea con un devanado magnetizante que permite magnetizar el ncleo despus del montaje y desmagnetizarlo antes de desarmarlo.

n Zapata polar Es la parte ms prxima al rotor y se disea para conseguir una mejor distribucin del flujo sobre el rotor.

n Esttor En mquinas de pequea potencia se construye de hierro fundido pero en las mquinas grandes se realiza con plancha de acero curvada sobre un molde cilndrico y posteriormente soldada en su base. El esttor est perforado en diversos puntos de la periferia para fijar los polos.

n Polos de excitacin Los polos se sitan en el esttor a modo de extensin hacia el rotor. Modernamente se construyen en chapas de acero convenientemente apiladas sobre las que se coloca el devanado inductor o de excitacin.

n Entrehierro El entrehierro es el espacio que hay entre la cara del polo y la superficie del rotor.

4.1.3.2 MQUINA DE C.C. CON 3 PARES DE POLOS

Al margen del devanado de excitacin, si los requerimientos que se exigen a la mquina son elevados, se incorporan polos auxiliares que mejoran la conmutacin y devanados en las zapatas polares para compensar las distorsiones del flujo magntico por efecto de la carga.


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n Devanados de excitacin Pueden ser bobinados o con imanes permanentes. Su funcin es generar un campo magntico constante que atraviesa al rotor del motor.

n Devanados auxiliares de conmutacin


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n Polos de conmutacin o interpolos

Permiten eliminar totalmente el chisporreteo de las escobillas, tanto debido al desplazamiento de la lnea neutra (reaccin de inducido) como por motivo del golpe inductivo durante la conmutacin.

Los polos de conmutacin son pequeos ncleos que se colocan en la lnea neutra terica, que van provistos de un devanado que se conecta en serie con el inducido y que producen un campo magntico opuesto al de la reaccin de inducido.

n Disposicin de los polos de conmutacin


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Estos polos no modifican en ninguna otra forma el funcionamiento de la mquina, porque son tan pequeos que slo afectan a los pocos conductores sometidos a la conmutacin.

n Proceso de actuacin de los polos de conmutacin

n Polaridad del flujo en los polos de conmutacin Las polaridades de los polos de conmutacin deben ser tales que induzcan voltajes en las bobinas que estn en conmutacin, en un sentido que ayuda a la inversin de la corriente. La regla de la mano derecha y el sentido de rotacin determinan la polaridad de los polos de conmutacin.

En el caso de un GENERADOR, el plano neutro se desplaza en la direccin de la rotacin. Esto significa que los conductores sujetos a conmutacin tienen la misma polaridad de voltaje que la de los polos que acaban de dejar. Para contrarrestar este voltaje, los polos de conmutacin deben tener flujo contrario, que es el del flujo que sigue.

Es un generador, los polos auxiliares deben tener la misma polaridad que el siguiente polo principal que se acerca.

En un MOTOR, el plano neutro se desplaza en direccin contraria al sentido de la rotacin y los conductores que van a ser objeto de conmutacin tienen el mismo flujo que el polo al que se estn aproximando. Con objeto de contrarrestar este voltaje, los polos auxiliares deben tener la misma polaridad que el polo anterior.

En un motor, los polos auxiliares deben tener la misma polaridad que el polo polar anterior.


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n Devanados de compesacin

Permiten cancelar completamente la reaccin del inducido y con ello el efecto de desplazamiento del flujo magntico resultante y los chisporreteos asociados a ste.

Este tipo de devanados consiste en la incorporacin de bobinas en ranuras talladas en las caras de las expansiones polares. Estos quedan paralelos a los conductores del rotor y se conectan en serie con las bobinas del rotor de forma que generan un flujo magntico que compensa completamente el flujo del inducido, independientemente de la carga aplicada.

Como consecuencia, la f.m.m. neta resultante ser justamente la f.m.m. debida a los polos de excitacin para cualquier carga.

Los devanados de compensacin son extremadamente caros, y slo se les emplea en mquinas con un rendimiento de naturaleza extremadamente exigente.

Atencin Cualquier motor que use devanados de compensacin debe usar adems, polos de conmutacin, puesto que las bobinas de compensacin no eliminan los efectos


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provocados por el golpe inductivo. No obstante, los polos de conmutacin no tienen que ser tan fuertes, ya que estn cancelando solamente los voltajes Ldi/dt de las bobinas y no los voltajes que se deben al desplazamiento del plano neutro.

4.1.4 EL ROTOR

El rotor, tambin llamado armadura, es la parte de la mquina que se mueve. Est formado por el inducido, el colector de delgas y el devanado del inducido.

El inducido

El inducido se construye con discos de chapa de acero al silicio ranuradas en su periferia.

Las ranuras de las lminas se alinean para formar estras axiales en la superficie, en las cuales se situarn las bobinas del devanado.

En algunas mquinas las ranuras son alabeadas (helicoidales).

Aspecto de un rotor

4.1.4.1 EL DEVANADO DEL INDUCIDO

Los devanados actualmente son en tambor, donde la totalidad de los conductores estn colocados en la superficie exterior del cilindro del inducido, dispuestos en las ranuras especialmente dispuestas en el inducido. Se utiliza hilo de cobre esmaltado en las mquinas pequeas y pletina para las mquinas de gran potencia.

Los devanados de las mquinas de c.c. son cerrados, lo cual indica que el bobinado se cierra sobre s mismo sin principio ni fin.


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Devanados ondulados

Se caracterizan porque al bobinar se va recorriendo el inducido (y en consecuencia el colector) formando las ramas de la bobina una figura de onda caracterstica.

Devanados imbricados

Estn constituidos por bobinas de igual paso pero desfasadas entre s en el espacio.

4.1.4.2 EL COLECTOR DE DELGAS

Est formado por lminas de cobre, llamadas delgas, cuya seccin transversal tiene forma de cola de milano para evitar que las delgas puedan salirse del colector por la fuerza centrfuga.

Las delgas estn aisladas entre s y del cubo del colector por medio de un dielctrico, normalmente mica.

La forma del colector permite la rectificacin mecnica de la corriente alterna inducida en las bobinas en una corriente continua de salida.

Taln de conexin Para facilitar la soldadura de las conexiones de las bobinas del inducido con el colector, las delgas presentan en un extremo un "taln" con unas hendiduras convenientemente fresadas para alojar los conductores terminales.

Anillo de presin La fijacin de las delgas al cubo colector se consigue gracias a la presin que ejercen los anillos extremos de presin. stos pueden fijarse a su vez con unos pequeos tornillos o con una arandela de presin.


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4.1.4.3 LAS ESCOBILLAS

Son piezas conductoras, generalmente de grafito que permiten la extraccin o suministro de corriente entre el devanado del inducido y el exterior. Las escobillas van dispuestas en los portaescobillas en una posicin fija y en contacto continuo con el colector.

La presin de la escobilla sobre el colector debe ser del orden de 0,1 a 0,15 kp/m2, lo que se consigue por la accin de un muelle espiral de presin ajustable.

4.2 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO

4.2.1 EVOLUCIN HACIA LA MQUINA DE CORRIENTE CONTINUA 4.2.1.1 LA ESPIRA GIRATORIA

n Escobillas Suelen ser de grafito y permiten el contacto deslizante del inducido con el circuito exterior para poder introducir o extraer corriente.


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n Regla de la mano derecha

n Inducido El inducido recibe el flujo magntico del inductor y se inducen en l corrientes que se cierran por un circuito exterior.

n Inductor El inductor genera un campo magntico constante creado por un electroimn o un imn permanente. El inductor tambin se conoce como excitacin.

4.2.1.2 PRIMERA MEJORA DE LA MQUINA ELEMENTAL


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n e(f.e.m.)

El voltaje inducido en la espira se obtiene aplicando:

Cuando (1) y (2) sean perpendiculares en cada conductor de la espira se induce una tensin e=v.B.l que para los dos conductores de la espira dar un valor mximo en borne de las escobillas de:

e=2.v.B.l. Voltios

(1) - V=Tensin sir pCU,E = 3REIi2 ierra

(2) - VL = Tensin compuesta (entre fases) = SQR3 V

n Escobillas Las escobillas se disponen de tal forma que el intercambio de delgas se produzca en el ngulo en que el voltaje de la espira sea igual a cero. En ese momento la escobilla produce un pequeo cortocircuito entre las dos delgas.

n Colector de delgas La conexin con el exterior se realiza por medio de dos semianillas aislados entre s. Estos anillos se conocen como delgas y forman un conmutador mecnico.

n Regla de la mano derecha

4.2.1.3 MQUINA CONTINUA DEFINITIVA En la mquina continua definitiva se aumenta de espiras y de delgas del colector para conseguir que la tensin unidireccional que aparece entre los terminales del circuito exterior sea prcticamente uniforme.


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n Obtencin de la f.e.m. resultante en bornes de las escobillas


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4.2.1.4 EXPRESIN DE LA F.E.M

El resultado de disponer muchas espiras conectadas en serie es que la f.e.m generada ser mucho mayor que la originada por una nica espira.

4.2.2 TENSIN Y PAR GENERADOR POR UNA MQUINA DE C.C.

4.2.2.1 GENERADOR C.C.: TENSIN INDUCIDA El generador c.c. genera una tensin continua a partir del movimiento rotativo de una o varias espiras en el interior de un campo magntico constante.

Generador bsico


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El voltaje inducido en cada conductor de cada espira de la mquina se obtiene por aplicacin de la Ley de Faraday expresada en la forma:

I = longitud del conductor del rotor (m)

La f.e.m que se obtiene en bornes de las escobillas se obtiene por suma de las tensiones inducidas individualmente:

Casos particulares:

Mquinas de imanes permanentes En este tipo de mquinas el flujo es prcticamente constante de ah que la f.e.m generada dependa nicamente de la velocidad de rotacin del motor primario, para una misma disposicin constructiva.

Mquinas con devanados de excitacin El flujo en este tipo de mquinas depende de la intensidad que pase por los devanados de excitacin. Si el circuito magntico es lineal (sin saturacin) se tendr:

= flujo de excitacin por polo

K = cp/ constante constructiva de la mquina

p = n de pares de polos

c = n de conductores puestos en serie por las escobillas


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4.2.2.2 MOTOR C.C.: PAR GENERADO

El motor c.c. genera un par mecnico y un movimiento rotativo asociado a partir de una corriente continua inyectado sobre una a varias espiras en el interior de un campo magntico constante.

Motor bsico

La fuerza generada sobre un conductor de una espira se obtiene aplicando la Ley de Biot Savart:

l = longitud del conductor del rotor (m)

Regla de la mano izquierda


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El par que desarrolla: conductor = F.r = l.i.B.r (N.m)

Para un motor con un nmero elevado de conductores:

4.2.3 PROBLEMAS DE CONMUTACIN EN MQUINAS DE C.C. 4.2.3.1 LA REACCIN DE INDUCIDO

La distorsin del flujo magntico en una mquina c.c. en la medida que la carga se va incrementando se denomina REACCIN DE INDUCIDO, y es consecuencia de la interaccin resultante entre el campo magntico de excitacin (esttor) y el originado por el devanado del inducido (rotor) al circular por ste una corriente.

n Esquema - Reaccin de inducido


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n Mquina en vaco (sin reaccin de inducido) Cuando la mquina trabaja en vaco, solamente acta el devanado de excitacin de los polos del esttor. La f.m.m. producida por el devanado de excitacin es constante y mxima debajo de cada polo y decrece rpidamente en el espacio interpolar hasta hacerse cero en el plano neutro magntico.

n Curva de induccin magntica en vaco

Tericamente, la curva de la induccin magntica debera tener una amplitud constante y de diferente signo debajo de cada polo y ser nula en el espacio interpolar, pero debido a los flujos de dispersin que aparecen en los cuernos polares se obtiene una forma ligeramente trapezoidal.

n Campo debido a la corriente en el inducido Por el hecho de circular una corriente por las bobinas del inducido se genera una f.m.m. que dar lugar a un campo magntico tal como indica la figura.

n Conexin de una carga (distorsin por reaccin de inducido) El efecto de conectar una carga al circuito inducido del motor, provoca que circule una corriente por el mismo que producir un campo magntico propio que se combinar con el campo magntico de excitacin de la mquina. La distorsin del


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flujo magntico en una mquina de D.C. en la medida en que la carga se va incrementando se denomina reaccin de inducido.

n Curva de induccin magntica en carga


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n Superposicin de las curvas de induccin mostrando el efecto de la reaccin de inducido

n Problemas que origina la reaccin de inducido

n Provoca el desplazamiento del plano neutro magntico donde se sitan las escobillas

Cuando la mquina trabaja en vaco, el plano neutro magntico coincide con el plano neutro geomtrica o plano medio entre polos.


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Sin embargo, cuando circula corriente por el inducido hay desplazamiento respecto el centro geomtrico que depende de si la mquina trabaja con motor o generador:

n Si la mquina acta como generador, el plano neutro magntico se desplaza en la direccin de la rotacin.

n Si la mquina acta como motor, el plano neutro magntico se desplaza en la direccin opuesta a la rotacin.

Si las escobillas se han situado en el plano neutro magntico para cortocircuitar los conductores que en vaco no tienen la f.e.m. inducida, al conectar una carga a la mquina se producirn fuertes chisporreos en las escobillas ya que los conductores que ahora se cortocircuitan si tienen una f.e.m. debido al desplazamiento que se produce en el plano neutro por la reaccin de inducido.

Evolucin de la reaccin de inducido en un generador de c.c :


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n Aumenta la induccin en la mitad de un polo y lo disminuye en la otra mitad.

n Disminuye el flujo principal.

n Determina una cada de tensin.

n Aumenta las prdidas en el hierro.

n Aumenta la tensin entre delgas continuas en el colector, originando chispas en el propio colector.

n La reduccin del flujo comporta una disminucin de la fuerza electromotriz inducida.

n Soluciones

n Desplazamiento de las escobillas Se utiliza para reducir los chispeos de las escobillas, causados por el desplazamiento del plano neutro y los efectos provocados por el golpe inductivo Ldi/dt .

No es una solucin total pues tiene varios inconvenientes asociados:

n El plano neutro se mueve con cada cambio de carga y la direccin del desplazamiento cambia de sentido cuando la mquina funciona como motor o como generador. Esto obliga a que alguien ajuste las escobillas en cada cambio de carga.

n Desplazar las escobillas puede reducir el chisporreteo, pero agrava el efecto de debilitamiento de flujo en la reaccin de inducido de la mquina.

Hoy en da este mtodo slo se usa en mquinas muy pequeas que giran siempre en la misma direccin y solamente se hace porque las mejores soluciones al problema sencillamente no son econmicas para motores tan pequeos.

n Polos de conmutacin o interpolos

Permiten eliminar totalmente el chisporreteo de las escobillas, tanto debido al desplazamiento de la lnea neutra (reaccin de inducido) como por motivo del golpe inductivo durante la conmutacin.

Los polos de conmutacin son pequeos ncleos que se colocan en la lnea neutra terica, que van provistos de un devanado que se conecta en serie con el inducido y que producen un campo magntico opuesto al de la reaccin de inducido.

Estos polos no modifican en ninguna otra forma el funcionamiento de la mquina, porque son tan pequeos que slo afectan a los pocos conductores sometidos a la conmutacin.

n Devanados de compensacin


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Permiten cancelar completamente la reaccin del inducido y con ello el efecto de desplazamiento del flujo magntico resultante y los chisporroteos asociados a ste.

Este tipo de devanados consiste en la incorporacin de bobinas en ranuras talladas en las caras de las expansiones polares. Estos quedan paralelos a los conductores del rotor y se conectan en serie con las bobinas del rotor de forma que generan un flujo magntico que compensa completamente el flujo del inducido, independientemente de la carga aplicada.

Como consecuencia, la f.m.m. neta resultante ser justamente la f.m.m. debida a los polos de excitacin para cualquier carga.

Los devanados de compensacin son extremadamente caros, y slo se les emplea en mquinas con un rendimiento de naturaleza extremadamente exigente.

Atencin! Cualquier motor que use devanados de compensacin debe usar adems, polos de conmutacin, puesto que las bobinas de compensacin no eliminan los efectos provocados por el golpe inductivo. No obstante, los polos de conmutacin no tienen que ser tan fuertes, ya que estn cancelando solamente los voltajes Ldi/dt de las bobinas y no los voltajes que se deben al desplazamiento del plano neutro.


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4.2.3.2 CHISPAZO DE CONMUTACIN (EL GOLPE INDUCTIVO)

Cuando un segmento del colector se pone en cortocircuito con las escobillas, la corriente que fluye por l debe cambiar de sentido, este cambio se produce de forma muy rpida, lo que da lugar a una variacin di/dt. An con una pequea inductancia en el circuito, se inducir en el segmento colector en cortocircuito un golpe de voltaje inductivo muy significativo V=Ldi/dt

n Proceso de conmutacin

Consecuencias:

Este voltaje origina problemas de chisporroteo en las escobillas parecidos a los que causa el desplazamiento del plano neutro por la reaccin de inducido.

n Soluciones

Las mismas que las descritas en el apartado anterior.


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4.3 GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA

4.3.1 TIPOS DE GENERADORES DE C.C.

n Excitacin independiente

La excitacin independiente significa que la fuente de alimentacin del devanado inductor es ajena a la propia mquina.

n Autoexcitacin

La autoexcitacin, como el propio nombre da a entender, significa que la corriente continua que excita las bobinas inductoras procede de la misma mquina generatriz.


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n Mquina serie

En la mquina serie, el devanado inductor est conectado en serie con el inducido y por consiguiente la totalidad de la corriente que circula por el inducido pasa por el inductor.

n Mquina derivacin

En la mquina derivacin el devanado inductor viene conectado directamente a las escobillas y en consecuencia elctricamente est en paralelo o derivacin con el inducido.

n Mquina compuesta (compound)

El devanado inductor consta de dos tipos de bobinas, unas de seccin relativamente gruesa en serie con el devanado inducido y recorridas por tanto por toda la corriente de la mquina y otras de hilo fino y elevado nmero de espiras conectadas a los bornes de salida, es decir en paralelo con el sistema inducido-inductor serie (compuesta larga).


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4.3.2 ASPECTOS GENERALES

Los generadores de corriente continua o dinamos convierten una energa mecnica de entrada en una energa elctrica de salida en forma de corriente continua.

La energa mecnica de entrada se impulsa mediante una fuente de potencia mecnica que recibe el nombre de "MOTOR PRIMARIO del generador de c.c."

En la actualidad, los generadores de corriente continua han cado en desuso y han sido substituidos por rectificadores, generalmente de silicio, que transforman la corriente alterna de la red, en corriente continua, en forma esttica y con mayor rendimiento.

4.3.2.1 CIRCUITO EQUIVALENTE DE UN GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA

Circuito de excitacin (estator)

El devanado de excitacin est formado por los arrollamientos de todos los polos de excitacin en serie a los que se aplica una tensin continua Ve que produce una circulacin de corriente Ie que da lugar a una f.m.m. que origina el flujo en el entrehierro de la mquina.


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Raj La resistencia Raj representa una resistencia variable externa que se usa para controlar la cantidad de corriente en el circuito de excitacin.

Le y Re El circuito de excitacin, que produce el flujo magntico en el generador, se representa por la inductancia Le y la resistencia Re.

Circuito del inducido (rotor)

El circuito del inducido se representa por el equivalente de toda la estructura del rotor, incluyendo las bobinas, los polos de conmutacin y las bobinas de compensacin, si las hay.

Este equivalente incluye una fuente de voltaje ideal E, correspondiente a la tensin de vaco del generador, una resistencia Ri y una inductancia Li asociada a los devanados, y una pequea batera Vescob que representa la cada de tensin en los contactos escobillas-colector.

El devanado inducido del rotor gira dentro del campo de excitacin, movido por el motor primario, a una velocidad .

Gracias a la combinacin colector-escobillas genera una f.e.m. continua E en vaco dada por la ecuacin:

E=K. .

K : Constante propia de la mquina. : Flujo de excitacin. : Velocidad de giro.

Vescob La polaridad de Vescob est en sentido contrario a la del flujo de corriente de la mquina.

Ii Ii es la corriente que circula por los devanados del rotor al conectar una carga al generador. La corriente Ii es generada por el generador y suministrada a la carga.

n Ecuaciones del generador c.c. en rgimen permanente

Excitacin (esttor): Ve = (Re + Raj) . Ie

Inducido (rotor): E = U + Rj . lj + Vescob E = K . .

n Circuito simplificado

En general se agrupan la resistencia interna de las bobinas de campo, Re, con la resistencia externa variable Raj.


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Tambin, la cada de tensin de las escobillas se incluye en el valor de la resistencia de inducido.

4.3.2.2 CON EXCITACIN INDEPENDIENTE

Es un generador al que se le suministra una corriente de excitacin, desde una fuente de tensin de c.c. exterior. Es el tipo de excitacin ms antiguo y hoy en da se emplea nicamente en casos muy especiales.


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n Curva de vaco E=f(Ie)

Para determinar la curva de vaco se hacer girar el rotor a velocidad nominal manteniendo desconectada la carga y aumentando gradualmente desde cero hasta el valor mximo permitido la corriente de excitacin mediante un reostato.

Al representar la relacin E=f(Ie) se obtiene la rama ascendente A de la curva de vaco. Se repiten luego las medidas disminuyendo la corriente Ie hasta cero se obtiene la rama descendente B. La diferencia entre ambas ramas se debe a la histresis de los polos de excitacin. La curva media entre las mismas representa la caracterstica de vaco del generador de c.c.

ER Para Ie=0 existe una tensin muy pequea distinta de cero, que es debida al magnetismo remanente que existe en los polos de excitacin y que hace que cuando el rotor gira dentro del esttor, se induzca una pequea tensin.

A medida que aumenta Ie , tambin lo hace E de forma casi lineal, como corresponde a la respuesta lineal que tendr el circuito magntico.

Para valores elevados de Ie, el incremento de E es cada vez ms pequeo y, por tanto, la respuesta no es lineal ya que el circuito magntico ha entrado la zona de saturacin.

n Curva de magnetizacin

Si se realiza el ensayo de vaco a otras velocidades, se obtiene curvas similares a la nominal; por encima si la velocidad es mayor, y por debajo si es menor.

La relacin entre las tensiones inducidas a dos velocidades distintas, para la misma intensidad de excitacin, se puede obtener, teniendo en cuenta que el flujo por polo es el mismo, como:

Esta relacin permite obtener, a partir de una curva a velocidad constante, la curva correspondiente a otra velocidad constante distinta. Segn esto, podra tenerse una sola curva en la que el eje de ordenadas sea E/ y el de abcisas sea Ie.


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n Lnea de carga V=f(Ii)

Se puede obtener experimentalmente conectando una resistencia de carga variable en bornes del motor, con la que se vara la intensidad que circula por el inducido.

Para corrientes no muy altas, no se produce reaccin de inducido de tal forma que la variacin de la tensin en bornes con la corriente del inducido vendr dada por:

V = E - Rj . Lj = K . . - Rj . Lj

Esta ecuacin representa una recta de pendiente -Ri y ordenada en el origen E, el valor en vaco.

Para corrientes de valores elevados, y en mquinas sin devanados de compensacin, un incremento en Ii puede presentar el fenmeno de la reaccin de inducido, producindose un debilitamiento neto del flujo y, en consecuencia, una disminucin en E=k, lo que a su vez produce una reduccin en la tensin en bornes del generador.


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n Control de la tensin

Las ecuaciones para el generador en carga son:

La tensin V del generador puede controlarse por medio de la modificacin de E. Hay 2 opciones:

n Modificar la velocidad de rotacin

n Cambio de la corriente de excitacin

En general, la velocidad del motor primario que mueve al generador est muy limitada, por lo que la tensin suele controlarse por medio de la excitacin.

n Problemas de arranque

Ejemplo de control de la tensin modificando la corriente de excitacin


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4.3.2.3 BALANCE ENERGTICO

Potencia mecnica Potencia mecnica de entrada al eje de un generador de c.c. suministrada por el rotor primario:

P1 = Pexc + Pmec + Pfe + Pa

Pmec Prdidas mecnicas debidas al razonamiento en rodamientos y sistemas de ventilacin.

PFe Prdidas en el hierro, que incluyen las prdidas por histresis y las prdidas por corrientes de dispersin en los diversos circuitos magnticos, principalmente el ncleo rotor y las caras de los polos de excitacin.

Pexci Prdidas en el cobre del arrollamiento de excitacin.

Pescob Prdidas en los contactos escobillas-colector. Debida a la resistencia de contacto de la escobilla con el colector.

Pescob = Vescob.lj

Pcui Prdidas en el cobre de los devanados del inducido (rotor):

Potencia electromagntica Potencia electromagntica desarrollada por la mquina:

Pa = E.lj


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Potencia elctrica de salida Potencia elctrica suministrada por el generador:

P2 = V.lj

A tener en cuenta: Balance para generadores de excitacin independiente.

Este diagrama energtico anterior es vlido para todos los generadores c.c. autoexcitados, es decir donde la potencia de excitacin proviene de la potencia de entrada.

Si el generador es de excitacin independiente entonces la Pexc. no interviene en el balance de la mquina puesto que la potencia de excitacin proviene de una fuente externa.

4.3.2.4 CON EXCITACIN EN DERIVACIN

Es un generador que provee su propia corriente de excitacin, conectando el devanado de excitacin directamente a sus terminales. Es el tipo de excitacin ms utilizado en la prctica ya que no necesita una excitacin separada.


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Para determinar la curva de vaco se hace girar el rotor a velocidad nominal manteniendo desconectada la carga y aumentando gradualmente desde cero hasta el valor mximo permitido la corriente de excitacin mediante un reostato.

Como la excitacin no es independiente, la f.e.m. que produce la dinamo en vaco depender tambin de la curva de magnetizacin (lnea de campo) que representa la relacin:

V = (Raj+Re) . Ie

La f.e.m. final que proporciona el generador corresponde al punto A, interseccin de la curva de vaco y la lnea de campo.

Para cada valor de la resistencia del circuito de excitacin (suma de Re + Raj) se obtendr una recta de pendiente distinta cuya interseccin con la curva de vaco determinar la f.e.m. resultante.

Si Re se va aumentando (se reduce Ie) se llega al valor Rcrit, que forma una recta tangente a la curva de vaco en su inicio. Para este valor la dinamo prcticamente no se puede excitar.

Por ello el reostato que vara Re, debe proyectarse para que al sumarse con la resistencia del devanado de excitacin no se supere la magnitud Rcrit.


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n Proceso de autoexitacin del generador c.c. con excitacin en paralelo

Si el generador abastece su propia corriente de excitacin, de dnde sale la corriente elctrica inicial para arrancar el generador?

n Inicialmente el eje del generador es movido por el motor primario sin conectar la carga. La presencia de un flujo residual en los polos de excitacin, permite que se induzca un pequeo voltaje en los terminales del generador, que puede ser de solo 1 o 2V.

Einicial = k. RESIDUAL. = OA

n Tomar la precaucin de que la Re tenga un valor inferior al crtico.

n Dos formas:

n Cambio de la velocidad del eje del generador (velocidad del motor primario).

n Cambio de la resistencia de excitacin del generador para as modificar la corriente de excitacin.

El mtodo ms usado es cambiar la resistencia de excitacin. Si se disminuye la resistencia Re entonces la corriente de excitacin Ie aumenta. Al aumentar Ie, el flujo de excitacin aumenta lo que provoca un aumento en la f.e.m. interna E, lo que provoca un aumento en la f.e.m. interna E, lo que a su vez hace que la tensin en bornes del generador tambin aumente.

n Problemas de arranque en el generador c.c. con excitacin en paralelo

Hay tres condiciones que deben cumplirse para que pueda producirse el arranque de una generador c.c. con excitacin paralelo:


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n Es necesario que exista flujo magntico residual en los devanados de excitacin. Si el flujo residual es nulo, residual = 0, entonces Einicial = 0 y el voltaje inicial nunca se formar

Procedimiento de centelleo de campo o Flashing the field. Desconecte la excitacin del circuito de inducido (el del rotor) y conctela directamente a una fuente de c.c. externa (por ejemplo una batera). De esta forma se consigue magnetizar el devanado de excitacin lo que permitir disponer de un flujo residual para el arranque.

n Es necesario que el sentido de giro de la mquina y la polaridad del devanado de excitacin produzcan una f.e.m. del mismo signo que la producida por el magnetismo remanente

Invertir el sentido de giro del rotor, o cambiar la polaridad del devanado de excitacin (esto ltimo suele ser ms sencillo). Tambin puede volverse a magnetizar la excitacin de nuevo en el sentido que interese con el procedimiento de Flashing the field.

n Es necesario que la resistencia de excitacin sea inferior a la resistencia crtica, Rcrit

Tomar la precaucin de que la Re tenga un valor inferior al crtico.


Se puede obtener experimentalmente conectando una resistencia de carga variable en bornes del motor, con la que se vara la intensidad que circula.

Para obtener la curva V = f(I) se parte de la curva de vaco y de la lnea de campo de excitacin. Las ecuaciones respectivas son:

V = E - Ri . Ri Ii = V - E / Ri = Ii - Ie = V-E / Ri - Ie

As, la corriente del inducido es proporcional a la distancia vertical entre la curva de vaco y la recta del inductor.


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n En vaco, el generador proporciona una tensin Vco y, a medida que la corriente de carga aumenta, disminuye la tensin en bornes de forma similar al generador con excitacin independiente.

n La curva AB es la curva que se tiene al aumentar la carga. La curva BA es la que aparece al reducir la carga. La razn por la cual no coincide con la curva del aumento de carga es la histresis en los polos del esttor del generador.

n Cuando la resistencia de carga disminuye mucho (Ic aumenta considerablemente), la intensidad de excitacin se hace muy pequea y la f.e.m. disminuye de tal forma que la corriente por el inducido no puede aumentar ms de un determinado valor, lo que representa que la corriente de carga (Ic) tiene un valor mximo (Icm) a partir del cual, al disminuir la resistencia de carga (Rc), la corriente Ic, en vez de aumentar, disminuye, por ser ya muy pequea la tensin V.

4.3.2.5 CARACTERSTICAS DE SERVICIO

En general las caractersticas de un generador pueden darse reflejadas por medio de algunas de las siguientes relaciones que suelen expresarse como grficas.

n Caracterstica en carga o lnea de campo:

La lnea de campo representa la relacin entre la tensin en bornes de la mquina y la corriente de excitacin, para una intensidad de carga I=cte. En particular, para I=0 se obtiene la curva de vaco.

n Caracterstica en carga o lnea de campo:

La lnea de campo representa la relacin entre la tensin en bornes de la mquina y la corriente de excitacin, para una intensidad de carga I=cte. En particular, para I=0 se obtiene la curva de vaco.

n Caracterstica externa o lnea de carga del generador:

La lnea de carga del generador representa la relacin entre la tensin en bornes de la mquina y la corriente de carga, para una intensidad de excitacin constante.

n Caracterstica de regulacin:

La caracterstica de regulacin Ie=f(Ii) representa la relacin entre la corriente de excitacin y la corriente de carga, para una tensin en bornes del motor constante.


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4.3.2.6 CON EXCITACIN EN SERIE

Es aquel cuya excitacin est conectada en serie con su inducido.

Puesto que el inducido debe tener una corriente mucho ms alta que la excitacin, en este tipo de generador la excitacin se construye con pocas espiras de conductor siendo ste mucho ms grueso que lo habitual.


Para determinar la curva de vaco se hace girar el rotor a velocidad nominal manteniendo desconectada la carga y aumentando gradualmente desde cero hasta el valor mximo permitido la corriente de excitacin mediante un reostato.

La curva de magnetizacin se representa junto a la recta correspondiente (Ri + Re). I. La curva de tensin V viene dada por nla separacin vertical de ambas lneas, de las que se deduce cmo inicialmente tiene un valor Vco, para luego ir aumentando hasta un mximo, y a continuacin disminuir hasta cero con una intensidad dada por la interseccin de ambas lneas.



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Se puede obtener experimentalmente

conectando una resistencia de carga variable en bornes del motor, con la que se vara la intensidad que circula para una velocidad constante.

n En vaco, esto es, para Rc= , la intensidad ser nula y la pequea tensin V se debe al magnetismo remanente.

n A medida que aumenta la intensidad, como consecuencia de la disminucin de la resistencia de carga Rc, el flujo de excitacin aumenta, y en consecuencia la tensin E aumenta y al mismo tiempo aumenta la tensin V, por no ser muy grande la cada de tensin (Ri + Re)I.

n Llega un momento en que la lnea de carga llega a un mximo (debido a la saturacin del material ferromagntico y a la cada debida a (Ri + Re) .I. y la tensin no aumenta ms, para luego disminuir hasta cero, quedando el generador en cortocircuito con una intensidad Icc.

n Aplicaciones

El generador serie NO es una buena fuente de voltaje constante, ya que cualquier variacin de la carga provoca un importante cambio en la tensin.

Los generadores serie se usan solamente en unas pequeas aplicaciones especializadas, donde la caracterstica de voltaje excesivo del aparato puede explotarse y lo que se requiere es una intensidad prcticamente constante.

Ejemplos:

n Mquinas con devanado de excitacin

Cuando los electrodos de la soldadura se tocan entre s, antes de comenzar a soldar fluye una corriente muy grande. Mientras el operario separa los electrodos de soldadura, hay una subida abrupta en el voltaje del generador, en tanto que la


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corriente permanece alta. El voltaje hace que un arco permanezca en el espacio que queda entre los electrodos que se quedan para soldar.

n Determinados sistemas de alumbrado

4.3.2.7 CON EXCITACIN COMPUESTA ACUMULATIVA

Tienen el devanado de excitacin subdividido en 2 partes, con el fin de poder conectar una en serie y otra en paralelo con el inducido. Las espiras en serie estn constituidas por hilo de gran seccin, y las otras por hilo de pequea seccin.

Las bobinas se conectan de tal forma que las f.m.m. producidas se sumen.

Hay 2 opciones de conexin:

n Conexin sustractiva corta

n Conexin sustractiva larga


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n Lnea de carga V=f(I)

n Aplicaciones

Este tipo de generadores son utilizados en el sistema de generacin de energa elctrica de C.C. en aviones polimotores, en los que existe un generador para cada motor y se realiza un acoplo en paralelo de los mismos, para atender a toda la energa elctrica necesaria.

4.3.2.8 CON EXCITACIN COMPUESTA SUSTRACTIVA

Tienen el devanado de excitacin subdividido en 2 partes, con el fin de poder conectar una en serie y otra en paralelo con el inducido.

Las bobinas se conectan de tal forma que las f.m.m. producidas se restan:

Hay 2 opciones de conexin:

n Conexin sustractiva corta


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n Conexin sustractiva larga

n Lnea de carga V=f(I)

4.3.3 CONEXIN EN PARALELO DE GENERDADORES DE C.C

4.3.3.1 CONDICIONES QUE DEBEN CUMPLIRSE PARA LA CONEXIN EN PARALELO

Aspectos a tener en cuenta:

n Proporcionar a una carga ms potencia de la que un solo generador puede producir.

n Puede interesar poder desconectar un generador para repararlo, sin interrumpir la potencia que necesitan las cargas.

n En el caso de un cortocircuito en uno de los generadores, los otros pueden continuar alimentando las cargas sin interrupcin.

Qu condiciones deben cumplirse para la conexin?


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n Igual polaridad. Cerciorarse de que todos los bornes positivos de todos los generadores se conecten entre s. Anlogamente los bornes negativos debern estar conectados juntos.

n Igual tensin. Cerciorarse de que los dos generadores sean aproximadamente iguales antes de conectarse. La tensin puede igualarse por medio de los reostatos de excitacin.

n Consejo. Lo ms conveniente es que los generadores a acoplar en paralelo sean de la misma potencia y tensin nominal.

En general, el tipo de generadores que se pueden acoplar en paralelo son los de excitacin en paralelo o mixta, pero NO los de excitacin serie.

4.3.3.2 CMO CONTROLAR QUE LA TENSIN DE AMBOS GENERADORES SEA LA MISMA?

Si los generadores son de las mismas caractersticas nominales y las tensiones en bornes son iguales, resultar que las intensidades que suministra cada uno, Ic1 e Ic2, sern iguales y en consecuencia tambin las potencias, resultando que cada generador suministra la mitad de la potencia.

En general esto no pasa y se necesitan sistemas de control para mantener igual la tensin de forma automtica. Los sistemas ms frecuentes son:

n Regulacin por arrollamiento equilibrador


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A: Si las tensiones son iguales en los generadores

No circula corriente por los arrollamientos equilibradores.

B: Tensin de G1 Tensin de G2

Se produce una corriente de izquierda a derecha que al pasar por cada uno de los devanados equilibradores, producir los siguientes efectos:

1.- Sobre el de G1: origina que la pila de carbn presente ms resistencia y as disminuir la intensidad de excitacin y, en consecuencia, disminuir la tensin de G1.

2.- Sobre el de G2: produce una diminucin de resistencia, con lo que aumentar la corriente de excitacin y, por tanto, la tensin de G2.

De esta manera tiende a establecerse el equilibrio de tensiones.

C: Tensin de G2 Tensin de G1

Se produce una corriente de izquierda a derecha que al pasar por cada uno de los devanados equilibradores, producir los siguientes efectos:

1.- Sobre el de G2: origina que la pila de carbn presente ms resistencia y as disminuir la intensidad de excitacin y, en consecuencia, disminuir la tensin de G2.

2.- Sobre el de G1: produce una diminucin de resistencia, con lo que aumentar la corriente de excitacin y, por tanto, la tensin de G1.

De esta manera tiende a establecerse el equilibrio de tensiones.

n Regulacin por hilo de compensacin

A: Si las tensiones son iguales en los generadores

No circula corriente por el hilo de compensacin.

B: Tensin de G1 Tensin de G2

Habr una circulacin de corriente (i) por el hilo de compensacin de G1 a G2, proporcional a la diferencia de tensiones. Esta corriente se sumar a la propia I2 de G2, haciendo que por su devanado de excitacin circule


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ms corriente y se incremente el flujo proporcionado por el mismo, y en consecuencia, se incremente la tensin en G2. Esto har que i sea menor, llegando a anularse cuando las tensiones sern iguales.

C: Tensin de G2 Tensin de G1

Habr una circulacin de corriente (i) por el hilo de compensacin de G2 a G1, proporcional a la diferencia de tensiones. Esta corriente se sumar a la propia I1 de G1, haciendo que por su devanado de excitacin circule ms corriente y se incremente el flujo proporcionado por el mismo, y en consecuencia, se incremente la tensin en G1. Esto har que i sea menor, llegando a anularse cuando las tensiones sern iguales.

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