Historia de las maquinas de corriente continua

INTRODUCCION
La historia de las maquinas de corriente continua nace al igual que los transformadores del descubrimiento de
la ley de la inducción, esta máquina paso por cuatro etapas de desarrollo.
En el trabajo de investigación que se presenta en estas páginas, se pone énfasis en la evolución de la
máquina de corriente continua, y se abunda además en los elementos constructivos de ella.
Es importante destacar también la importancia de las máquinas de corriente continua en el mundo del
transporte, campo en el cual son muy utilizadas por su facilidad de mantener constante la velocidad de
rotación, asÃ- como también en la fabricación de micromotores utilizados en la electrónica.
TEMAS GENERALES DE MÃQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA
TEMAS GENERALES DE MÃQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA
1. Breve historia del desarrollo de las máquinas de corriente continua.
Con el descubrimiento de la ley de la inducción electromagnética por Faraday, empieza la historia de las
máquinas eléctricas y hasta mediados de la octava década del siglo pasado, representa en esencia la
historia del desarrollo de la máquina de corriente continua. En el curso de este tiempo esta máquina pasó
cuatro periodos de desarrollo, a saber:
1) Máquinas tipo magnetoeléctrico con imanes permanentes,
2) Máquinas tipo electromagnético con excitación independiente,
3) Máquinas del mismo tipo con autoexcitación y tipo elemental del inducido, y
4) Máquinas del tipo de polos múltiples con inducido perfeccionado.
El primer periodo de desarrollo de la máquina de corriente continua, que abarca el tiempo desde 1831 hasta
1851, está enlazado ininterrumpidamente con los nombres de los cientÃ-ficos rusos E. J. Lenz y B. S.
1
Jacobi.
El segundo y tercero periodo de desarrollo de la máquina 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 asÃ- como por el paso de la máquina bipolar a la
multipolar.
En el cuarto perÃ-odo de su desarrollo (de 1871 a 1886) la máquina de corriente continua adquirió los
rasgos fundamentales de la construcción moderna. Fueron propuestas y realizadas: la máquina con
autoexcitación de Gramme y el inducido de anillo de Pacinotti; el tipo hoy dÃ-a normal de inducido de
tambor (Hefner − Altenek, año 1871); los tipos simples de arrollamientos de lazo y ondulados y sus
principales modificaciones, arrollamientos en serie−paralelo de Arnold, arrollamientos mixtos (en pata de
rana), conexiones compensadoras de los arrollamientos y los arrollamientos compensadores para compensar
reacción del inducido (Mengues, año 1884), polos auxiliares para mejorar la conmutación (Meter. año
1885), divisor de tensión de M. O. Dolivo−Dobrovolski.
Para el desarrollo posterior de las máquinas de corriente continua tuvo gran importancia la creación del
convertidor con un inducido de corriente alterna a continua y el convertidor inverso de corriente continua a
alterna; la creación de instalaciones potentes según el sistema Leonardo Ilgner para la industria
(instalaciones metalúrgicas y máquinas de extracción), instalaciones con convertidores a vapor de
mercurio para la alimentación de las máquinas de corriente continua de los dispositivos industriales y los,
ferrocarriles electrificados tanto en las subestaciones de tracción, como en las locomotoras eléctricas.
En la tercera década de nuestro siglo se comienza la elaboración de tipos especiales de máquinas
eléctricas con campo transversal según el sistema de Rosenberg para la iluminación de los trenes y la
soldadura eléctrica, asÃ- como para emplearlas en calidad de amplidinos para el mando en los sistemas de
accionamiento eléctrico complicado.
Las máquinas de corriente continua obtuvieron amplio empleo al principio como turbogeneradores de alta
velocidad y de potencia limitada, y a continuación como excitadores de los turbogeneradores sincrónicos de
alta velocidad y alta potencia.
Las máquinas de corriente continua hallaron sobre todo amplio empleo en los mecanismos auxiliares de los
mandos eléctricos de barco, asÃ- como para la propulsión eléctrica de los barcos.
Para el rápido desarrollo de los mandos precisos automatizados con amplia y suave regulación de las
velocidades tuvo gran importancia en la creación de micromotores de corriente continua para dispositivos
especiales (máquinas de mando y calculadoras), la elaboración de toda una serie de máquinas de corriente
continua de producción en masa de potencia pequeña y media y la producción en serie de máquinas de
corriente continua de gran potencia.
Paralelamente a la perfección de la construcción de las máquinas de corriente continua se realizaba un
gran trabajo teórico y de investigación. Para el principio del desarrollo tienen sobre todo gran importancia
los trabajos de A. G. Stolétov sobre la investigación de las propiedades magnéticas de los materiales
ferromagnéticos, que se adoptaron como base de los métodos racionales de cálculo.de los circuitos
magnéticos de las máquinas eléctricas.
2. Fundamentos de las Máquinas de Corriente Continua
Las máquinas de corriente continua son generadores que convierten energÃ-a mecánica en energÃ-a
eléctrica de corriente continua, y motores que convierten energÃ-a eléctrica de corriente continua en
energÃ-a mecánica. La mayorÃ-a las máquinas de corriente continua son semejantes a las máquinas de
2
corriente alterna ya que en su interior tienen corrientes y voltajes de corriente alterna. Las máquinas de
corriente continua tienen corriente continua sólo en su circuito exterior debido a la existencia de un
mecanismo que convierte los voltajes internos de corriente alterna en voltajes corriente continua en los
terminales. Este mecanismo se llama colector, y por ello las máquinas de corriente continua se conocen
también como máquinas con colector.
2.1 Partes básicas de las máquinas de corriente continua reales
La máquina de corriente continua consta básicamente de las partes siguientes:
2.1.1 Inductor
Es la parte de la máquina destinada a producir un campo magnético, necesario para que se produzcan
corrientes inducidas, que se desarrollan en el inducido.
El inductor consta de las partes siguientes:
Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el
núcleo y la expansión polar.
Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor.
Devanado inductor: es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la
corriente eléctrica.
Expansión polar: es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al entrehierro.
Polo auxiliar o de conmutación: Es un polo magnético suplementario, provisto o no, de devanados y
destinado a mejorar la conmutación. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia.
Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos
de la máquina.
2.1.2 Inducido
Es la parte giratoria de la máquina, también llamado rotor.
El inducido consta de las siguientes partes:
Devanado inducido: es el devanado conectado al circuito exterior de la máquina y en el que tiene lugar la
conversión principal de la energÃ-a
Colector: es el conjunto de láminas conductoras (delgas), aisladas unas de otras, pero conectadas a las
secciones de corriente continua del devanado y sobre las cuales frotan las escobillas.
Núcleo del inducido: Es una pieza cilÃ-ndrica montada sobre el cuerpo (o estrella) fijado al eje, formada
por núcleo de chapas magnéticas. Las chapas disponen de unas ranuras para alojar el devanado inducido.
2.1.3 Escobillas
Son piezas conductoras destinadas a asegurar, por contacto deslizante, la conexión eléctrica de un órgano
móvil con un órgano fijo.
3
2.1.4 Entrehierro
Es el espacio comprendido entre las expansiones polares y el inducido; suele ser normalmente de 1 a 3 mm,
lo imprescindible para evitar el rozamiento entre la parte fija y la móvil.
2.1.5 Cojinetes
Son las piezas que sirven de apoyo y fijación del eje del inducido.
2.1.6 Diagrama de una máquina de corriente continua.
Los componentes de la máquina de corriente continua se pueden apreciar claramente en la figura 1.
La parte de 1 a la 5 forman el inductor. En conjunto las partes 2 y 3 se designan por polo inductor.
La parte 6 constituye el inducido, al que va arrollado un conductor de cobre formando el arrollamiento del
inducido.
Alrededor de los núcleos polares, va arrollando, en forma de hélice, el arrollamiento de excitación (8).
Análogamente cada núcleo de los polos de conmutación lleva un arrollamiento de conmutación (9). La
parte 10 representa el conmutador o colector, que esta constituido por varias láminas aisladas entre sÃ-,
formando un cuerpo cilÃ-ndrico.
El arrollamiento del inducido está unido por conductores con las laminas del colector; inducido y colector
giran conjuntamente. Sobre la superficie del colector rozan unos contactos a presión mediante unos muelles.
Dichas piezas de contacto se llaman escobillas. El espacio libre entre las piezas polares y el inducido se llama
entrehierro.
3. Rendimiento y Perdidas de las Máquinas de Corriente Continua
El rendimiento de una máquina eléctrica de corriente continua está expresado, por la expresión:
= potencia suministrada / potencia absorbida Exp.1
También puede expresarse de esta forma:
= potencia suministrada / (potencia suministrada + pérdidas de potencia) Exp. 2
También como:
= potencia absorbida − pérdidas de potencia / potencia absorbida Exp. 3
Por lo tanto, si las pérdidas de la máquina se conocen, se puede obtener el rendimiento correspondiente a
cualquier potencia útil o absorbida.
Como que se hacen intervenir magnitudes eléctricas más bien que mecánicas en las determinaciones de
rendimientos, la Exp.1 se aplica a los generadores (potencia útil eléctrica) y la Exp.3 a los motores
(potencia absorbida eléctrica).
El rendimiento puede determinarse midiendo simultáneamente la potencia útil (suministrada) y la
absorbida y tomando su relación de la Exp.1. Con frecuencia, esto es muy difÃ-cil o impracticable. Aunque
en un generador es sencillo medir la potencia útil con aparatos eléctricos, es en cambio difÃ-cil la
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potencia motriz, ya que requiere la medida del par. Si se dispone de un dinamómetro eléctrico, se
simplifica mucho la medición, pero esta clase de dinamómetro no se dispone ordinariamente más que en
equipos especiales. Con los motores, se determina fácilmente la potencia absorbida, con aparatos
eléctricos, y la útil mediante un freno de Prony o un dinamómetro. Sin embargo, excepto para potencias
pequeñas, es difÃ-cil absorber la energÃ-a en un freno de Prony, y también los dinamómetros son
instrumentos especiales y limitados hasta potencias de 100 caballos. Tanto para los motores como los
generadores, especialmente para potencias elevadas, es con frecuencia imposible suministrar y absorber la
energÃ-a que se necesita para la prueba.
También, cuando se emplea la Exp.1, un error porcentual en, la potencia útil o en la absorbida conduce al
mismo error porcentual en el rendimiento, y como la precisión de los aparatos eléctricos es elevada, la
diferencia entre la potencia útil y la absorbida suele ser pequeña, y la Exp.1 no resulta muy precisa. En las
Exp.2 y 3, excepto para pequeñas cargas, las pérdidas son pequeñas, comparadas con la potencia útil o
la absorbida, y cualquier error que se produzca en la evaluación de las pérdidas afecta el rendimiento
únicamente en una fracción pequeña del mismo. De aquÃ- que, en muchos casos, se prefiera utilizar las
Exp.2 y 3, para la determinación del rendimiento de los aparatos eléctricos.
Por otra parte las pérdidas se pueden dividir en 2 grandes grupos:
Las pérdidas de marcha en vacÃ-o Po que comprenden las que hemos llamado pérdidas en vacÃ-o y,
además, las pérdidas por excitación. Las primeras son constantes puesto que su valor no depende de la
carga ni de la corriente del inducido. Las pérdidas por excitación son proporcionales al cuadrado de la
corriente de excitación pero, en conjunto, resultan muy pequeñas en comparación con las anteriores. Por
lo tanto, se puede decir que las pérdidas de marcha en vacÃ-o son sensiblemente constantes, es decir,
Po = a = constante
Las pérdidas de marcha en carga Pj que dependen, esencialmente, de la corriente del inducido y son
proporcionales al cuadrado de dicha corriente, excepto en lo que se refiere a las pérdidas adicionales que,
por ser de valor muy pequeño respecto a las anteriores, no se tienen en cuenta. En resumen, que las
pérdidas de marcha en carga son proporcionales al cuadrado de la corriente del inducido:
Pj = b I2
Finalmente, la potencia suministrada equivale:
Pb = Ub I
Es decir, que resulta proporcional a la corriente de carga.
Por lo tanto
Pb = K·I
El rendimiento puede expresarse de la siguiente manera:
= KI/(KI+a+bI2)
Si se trata de un generador, la potencia mecánica Pm es la absorbida por el generador.
Pm = Pb + Pp
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La potencia Pb es la suministrada. Para un generador, el rendimiento está expresado por.
= Pb/Pm =Pb /(Pb + Pp)
Si se trata de un motor, la potencia eléctrica en bornes Pb es la absorbida por la máquina, y la potencia
mecánica Pm es la suministrada, en este caso:
Pb = Pm + Pp
! Pm = Pb −Pp
Para un motor, la expresión del rendimiento es:
= Pm/ Pb = (Pb− Pp) / Pp = Pm/(Pm + Pp)
.4.1 Curva de rendimiento
La curva de rendimiento proporciona la variación del rendimiento de una máquina de corriente continua, en
función de la carga de la misma, o sea la caracterÃ-stica = f(I).
Figura 15. Curva de Rendimiento de una máquina de corriente continua.
Son cargas pequeñas, y debido a la influencia de las pérdidas de marcha en vacÃ-o, las cuales son
constantes, el rendimiento es muy bajo, pero a medida que crece la carga, crece también el rendimiento
hasta alcanzar un máximo situado generalmente en las proximidades de la abscisa correspondiente a 0,7 In.
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A partir de este punto, el rendimiento vuelve a disminuir pero con una pendiente menos pronunciada; ésto
es debido a que, las pérdidas de marcha en carga crecen con el cuadrado de la corriente: en el caso de
cortocircuito, el rendimiento volverÃ-a a ser nulo.
A partir de la expresión del rendimiento hallada anteriormente:
Se determina la condición de rendimiento máximo. Para que se cumpla esta condición, la primera
derivada ha de ser nula, o sea d/dI = 0.
Realizando operaciones se obtiene que a = bI2 o sea que la condición de rendimiento máximo es que las
pérdidas de marcha en vacÃ-o y las pérdidas de marcha en carga sean iguales.
Por lo tanto, para máquinas que hayan de trabajar a cargas parciales, conviene reducir el valor de las
pérdidas constantes.
Conviene también que la máquina no marche con carga débil pues, de la expresión anterior y de la
curva de rendimiento se deduce que el rendimiento es muy bajo en estos casos; por lo tanto, no es aconsejable
emplear máquinas cuya potencia sobrepase excesivamente la potencia necesaria para el servicio en
cuestión.
3.1 clasificación de las perdidas
Pérdida I2R de cobre de armadura:
A 75°C la resistividad de cobre es 8.25 x10−7/in3. Por lo tanto, para un devanado de armadura de Z
conductores, cada uno con una longitud de MLT/2 (la mitad de una vuelta de longitud media de la bobina),
cada uno con un área de sección transversal de A y dispuestos en varios circuitos paralelos, la resistencia
es:
Ra = Z ohms
La MLT (vuelta de longitud media) se encuentra mejor por diseño, pero un valor
aproximado es MLT = 2[(1.35) (paso polar) + (longitud de rotor) × 3].
También hay pérdidas de corriente parásita en las bobinas del rotor, pero éstas pueden mantenerse al
mÃ-nimo por el entramado de conductor; en la pérdida de carga se incluye una tolerancia para estas
pérdidas.
Pérdidas I2R de campo de compensación, de conmutación y serie:
Estos cambios también transportan la corriente de lÃ-nea, y las pérdidas I2R se encuentran fácilmente
cuando se conoce la resistencia de las bobinas. Su MLT se encuentra en diagramas. A 75°C.
R= p ohms
En donde R es la resistencia de campo en ohms, T es el número de vueltas por bobina, p es el número de
polos, MLT es la longitud media de vuelta y A es el área del conductor.
E1 total de estas pérdidas oscila entre 60 y 100% de la I2 R de armadura para máquinas compensadas y es
menor que 50% para máquinas no compensadas.
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Pérdidas I2R de carbones:
Esta pérdida es ocasionada por la corriente de carga que pasa por la caÃ-da de voltaje de contacto entre los
carbones y el conmutador. La caÃ-da de contacto se supone que es un voltio.
Pérdida I2 R del carbón = 2 (amperes de lÃ-nea) watts
Pérdida de carga:
La presencia de corriente de carga en los conductores de armadura resulta en distorsiones de flujo alrededor
de las ranuras, en el entrehierro y las caras polares. Estas distorsiones causan pérdidas en los conductores y
en el hierro que son difÃ-ciles de calcular y medir. Se ha fijado un valor estándar en 1% de la salida de
máquina.
Pérdida de campo en derivación:
Los cálculos de calentamiento se relacionan sólo con la pérdida I2 R cobre de campo. Se acostumbra, sin
embargo, cargar la máquina con cualesquiera pérdidas de reóstato al determinar la eficiencia.
Pérdida de reóstato y campo en derivación = IfVex watts
En donde If es la corriente total de campo y Vex es el voltaje de excitación.
Pérdida de núcleo:
El flujo en cualquier porción de la armadura pasa por p/2.c/r (ciclos por revolución) o por (p/2)[(r/min)/60]
Hz.
Las pérdidas de hierro están formadas por la pérdida de histéresis, que es igual a K..6fw watts, y
la pérdida de corriente de remolino, que es igual a Ke.(ft)2 w watts. K es la constante de histéresis del
hierro usado, Ke es una constante inversamente proporcional a la resistencia eléctrica del hierro, es la
densidad máxima de flujo en lÃ-neas por pulgada cuadrada, f es la frecuencia en hertz, w es el peso en
libras, y t es el grueso de las laminaciones del núcleo en pulgadas.
La pérdida de remolino se reduce al usar hierro con resistencia eléctrica tan alta como sea factible. El
hierro de muy alta resistencia presenta una tendencia a tener baja permeabilidad de flujo y a ser
mecánicamente quebradizo y costoso; raras veces se justifica su uso en máquinas de corriente continua. La
pérdida se mantiene a un valor aceptable mediante el uso de laminaciones delgadas de núcleo, de 0.017 a
0.025 in de grueso.
Aun asÃ-, hay otras pérdidas en el núcleo que pueden diferir grandemente incluso en máquinas
idénticas y que no se prestan a cálculos. Estas pérdidas son:
Pérdida debida al limado de ranuras: Cuando se han ensamblado las laminaciones, se encontrará en
algunos casos que las ranuras son ásperas y deben limarse para evitar cortar el aislamiento de bobina. Esto
introduce rebabas en las laminaciones y tiende a poner en cortocircuito la resistencia interlaminar.
Las pérdidas en el cepo (o manguito) sólido, placas de extremo de núcleo y soportes de bobina de flujos
de fuga pueden ser considerables.
Las pérdidas debidas a distribución no uniforme de flujo en el núcleo de rotor son difÃ-ciles de anticipar.
Al calcular la densidad de núcleo, se acostumbra suponer distribución uniforme sobre la sección del
8
núcleo. Sin embargo, el flujo toma la trayectoria de menor resistencia y se concentra tras los dientes hasta
que la saturación la obliga a pasar en las trayectorias más largas y menos usadas que se encuentran abajo.
Como resultado de la concentración, la pérdida de núcleo, que es aproximadamente proporcional al
cuadrado de la densidad, es mayor que lo calculado.
Por lo tanto, no es posible predeterminar la pérdida total del núcleo mediante el uso de fórmulas
fundamentales. En consecuencia, los cálculos de pérdida de núcleo para nuevos diseños se basan por lo
general en los resultados de pruebas en máquinas similares construidas bajo las mismas condiciones.
Pérdida por fricción de carbones:
Esta pérdida varÃ-a con la condición de la superficie del conmutador y el grado de cepillera de carbón
utilizada. Una máquina tÃ-pica tiene una pérdida de alrededor de 8 W/(in2 de superficie de contacto de
carbón)( 1000 ft/min) de velocidad periférica cuando se usa una presión normal de carbón de 2 ½
Ib/in2.
Fricción de carbón = (8) (área de contacto) (velocidad periférica/l000)
Fricción y resistencia al viento:
La mayor parte de las máquinas de corriente continua grandes usan cojinetes de metal babbitt y muchas
máquinas pequeñas utilizan cojinetes de bolas o rodamientos, aun cuando ambos tipos de cojinetes se
pueden usar en máquinas de cualquier tamaño. Las pérdidas de fricción de cojinetes dependen de la
velocidad, la carga del cojinete y la lubricación. Las pérdidas por resistencia al viento dependen de la
construcción del rotor, su velocidad periférica y las restricciones de la máquina al movimiento del aire.
Las dos pérdidas se concentran en la mayor parte de los cálculos debido a que no es práctico separarlas
durante las pruebas de l
4. Tipos Fundamentales de Máquinas de Corriente Continua
Las máquinas de corriente poseen el principio de reversibilidad, lo que la hace trabajar en régimen de
motor y en régimen de motor. Partiendo de esta realidad, éstas máquinas podemos dividirla en dos
grandes grupos:
• Generadores de corriente continua
• Motores de corriente continua
Generadores de Corriente Continúa.
En las centrales eléctricas modernas prácticamente se genera sólo energÃ-a eléctrica de corriente
alterna trifásica. Una parte significante de esta energÃ-a 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 quÃ-mica 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 energÃ-a 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.
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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. AquÃ- examinaremos sólo las propiedades
fundamentales de los generadores de corriente continua, sin tocar los regÃ-menes especiales de
funcionamiento.
Clasificación:
Los generadores auto excitadores se dividen, según el método de conexión de los arrollamientos de
excitación, en a) generadores (dÃ-namos) en derivación (en shunt), b) generadores (dÃ-namos) en serie y
c) generadores de excitación compuesta (dinamos compound).
Clasificación de los generadores de corriente continua por el método de excitación
Por 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 vÃ-a
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.
CaracterÃ-sticas fundamentales de los generadores de corriente continua
Las propiedades de los generadores se analizan con ayuda de las caracterÃ-sticas que establecen la
dependencia entre las magnitudes principales que determinan el funcionamiento del generador. Tales
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magnitudes son: a) la tensión en los terminales del generador U; b) la corriente de excitación iex; c) la
corriente en el inducido 1u; d) la velocidad de rotación n.
Puesto que los generadores funcionan por lo general con velocidad de rotación constante, el grupo
fundamental de caracterÃ-sticas se obtiene para n = const. 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 caracterÃ-sticas principales son:
1. La caracterÃ-stica en carga U = f (iex) para I =const. En el caso particular cuando I = 0, la caracterÃ-stica
en carga pasa a ser la caracterÃ-stica en vacÃ-o, que tiene gran importancia para la valorización del
generador y el trazado de sus caracterÃ-sticas restantes.
2. La caracterÃ-stica exterior U=f(I) siendo constante la resistencia del circuito de excitación Rex = const.
3. La caracterÃ-stica de regulación iex=f(I) para U=const. En el caso particular cuando U =0, la
caracterÃ-stica de regulación pasa a ser la caracterÃ-stica en cortocircuito Ik=f(iex).
Junto con las principales caracterÃ-sticas citadas existen algunas más, en particular las caracterÃ-sticas a
velocidad de rotación variable pero éstas son de importancia auxiliar.
Motores de Corriente Continua
Las máquinas de corriente continua cumplen con el llamado principio de reciprocidad de las máquinas
eléctricas, que consiste en trabajar en dos regÃ-menes contrarios.
Supongamos que la máquina funciona en régimen de generador a la red (barras) con una tensión
constante U =const y desarrolla un momento eléctrico Mg. Sabemos que este momento es decelerado con
respecto del momento de rotación M1 del motor primario que pone al generador en rotación.
En este caso:
Disminuyamos la f.e.m. Ea 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 =const, el sentido de la corriente iex en el arrollamiento de excitación y, por lo tanto. La polaridad de los
polos principales no varÃ-a. En correspondencia con esto varÃ-a el signo del momento electromagnético
Mg o sea, si antes la máquina funcionaba como generador y, desarrollando un momento decelerador
(frenante), 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 Ia en el régimen de motor es positivo, entonces la ecuación para la corriente toma la forma:
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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 continua
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, y
c) de excitación compuesta.
Es bueno que algunos autores expertos en la materia lo 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 rata de incremento de velocidad es pequeña al principio pero aumenta a medida que
la corriente se reduce. Para cada motor serie, hay una mÃ-nima 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.
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Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt como se ve en la
figura. 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 caracterÃ-stica 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 energÃ-a eléctrica para excitación ni el devanado asocia-do. Se
mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del campo que fallen y no hay probabilidad de
que se presente una sobrevelocidad debida a pérdida del campo. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento
por la eliminación de pérdida de potencia en un campo excitador. AsÃ- mismo, la caracterÃ-stica 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 Ãlnico 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
caracterÃ-sticas que varÃ-an con la temperatura muy aproximadamente como varÃ-an los campos en
derivación de las máquinas excitadas.
Las desventajas son la falta de control del campo y de caracterÃ-sticas especiales velocidad−par. Las
sobrecargas pueden causar desmagnetización parcial que cambia las caracterÃ-sticas 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 vacÃ-o de un motor devanado en
serie.
Motores de corriente continua 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.
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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 especÃ-ficos 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 produ-cido por
un motor sin escobillas de corriente continua es directamente proporcional a la corriente de la armadura.
Servomotores de corriente directa
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 todavÃ-a 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 cilÃ-ndrica 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
Ãlnico cuyo eje magnético es radial. El motor puede tener dos, cuatro o seis polos.
Cada uno de estos tipos básicos tiene sus propias caracterÃ-sticas, como son la inercia, forma fÃ-sica,
costos, resonancia de la flecha, configuración de ésta, velocidad y peso. Aun cuando estos motores tienen
capacidades nominales similares de par, sus constan-tes fÃ-sicas y eléctricas varÃ-an 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 categorÃ-a 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: las curvas velocidad−par y corriente−par son
lineales.
Motores en derivación
Es el tipo de motor de corriente continua cuya velocidad no disminuye mas que ligeramente cuando el par
aumenta.
En los motores de corriente continua y especialmente los de velocidad prácticamente constante, como los
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shunt, la variación de velocidad producida cuando funciona en carga y en vacÃ-o da una base de criterio
para definir sus caracterÃ-sticas de funcionamiento.
Excepcionalmente, la reacción del inducido deberÃ-a ser suficientemente grande para que la caracterÃ-stica
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 Volts
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 vacÃ-o no
tiene lÃ-mite teóricamente.
Los motores con excitación en serie son aquellos en los que el inductor esta 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.
5. Máquinas Especiales de Corriente Continua
Además de existir las máquinas de corriente continua convencionales que hasta ahora conocemos o
tratamos, hay también unos tipos de máquinas, que se denominan especiales por motivos de que realizan
una función muy especÃ-fica en el mundo de la ingenierÃ-a, como por ejemplo servir de generador de
soldadura.
En las centrales eléctricas principales la energÃ-a eléctrica se genera en forma de corriente trifásica con
frecuencia industrial, pero hay industrias donde sólo se puede trabajar con corriente continua (por ejemplo:
en la fabricación del aluminio, en algunas ramas de la industria quÃ-mica, etc.); en otros casos (en trenes
laminadores, etc.) la corriente continua es más ventajosa que la alterna. Para poder satisfacer las más
distintas exigencias de los más diversos consumidores hoy dÃ-a existen máquinas de corriente continua de
distintas potencias; desde varios vatios hasta miles de kilovatios, de tensiones; desde varios voltios hasta miles
de voltios, con diferentes velocidades de rotación y diversas caracterÃ-sticas de funcionamiento. En este
libro es imposible abarcar dicha cantidad de máquinas de corriente continua.
Por consiguiente, aquÃ- sólo describiremos algunas máquinas especiales que representan mayor interés
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desde el punto de vista teórico y práctico.
5.1 Generador de Corriente Continua para soldadura
La corriente en salida del generador presenta una forma de onda continua, que se obtiene mediante un
dispositivo, el rectificador, colocado antes del transformador, que permite la conversión de la corriente de
alterna a continua. Esta salida es tÃ-pica de los generadores por SCR y por inverter.
En el caso que el circuito de soldadura esté formado por un generador de corriente continua (CC) puede
introducirse una ulterior clasificación en función de la modalidad de conexión de los polos de la fuente de
soldadura al material a soldar:
a) conexión en polaridad directa: La conexión en polaridad directa se produce conectando el cable de
pinza (con pinza porta electrodo) al polo negativo (−) de la fuente de soldadura y el cable de masa (con pinza
de masa) al polo positivo (+) de la fuente. El arco eléctrico concentra el calor producido en la pieza
favoreciendo la fusión. De esta manera el alma del electrodo fundiendo se deposita y penetra en la junta a
soldar. Â Â Â Â Â
 b) conexión en polaridad inversa. La conexión en polaridad inversa se produce conectando el cable de
pinza (con pinza porta electrodo) al polo positivo (+) de la fuente de soldadura y el cable de masa (con pinza
de masa) al polo negativo (−) de la fuente. El calor del arco eléctrico se concentra sobretodo en el extremo
del electrodo. Cada tipo de electrodo necesita un tipo especÃ-fico de curso de corriente (CA o CC) y en el
caso de corriente continua una polaridad especÃ-fica: por lo tanto, la elección del electrodo está
condicionada por la tipologÃ-a del generador utilizado. Una utilización equivocada comporta problemas en
la estabilidad del arco y, en consecuencia, en la calidad de la soldadura.
Los generadores para soldadura deben satisfacer las siguientes exigencias principales: a) soportar el
régimen de corto circuito que tiene lugar en el momento cuando el soldador pone en contacto el electrodo
con la pieza de trabajo, b) asegurar una intensidad de corriente más o menor constante siendo la resistencia
del arco variable.
El cumplimiento de estas condiciones planteadas se logra con que la caracterÃ-stica exterior del generador
para soldadura tiene una carácter bruscamente decreciente. Para obtener dicha caracterÃ-stica se utilizan
generadores para soldadura de distintos tipos.
5.2 Generadores de Corriente Continua para Excitatrices
Las máquinas sincrónicas y particularmente los turbogeneradores sincrónicos se excitan con corriente
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continua. La fuente de alimentación, o sea, el excitador, es un generador de corriente continua con una serie
de caracterÃ-sticas especiales.
El inducido del excitador está dispuesto generalmente en el extremo saliente del árbol de la parte giratoria
del turbogenerador; en las unidades de gran potencia el excitador está separado y acoplado al rotor del
turbogenerador por medio de embrague.
En ambos casos el excitador es una máquina de gran velocidad, puesto que los turbogeneradores giran a
velocidades angulares de 3000 r.p.m.
Esta máquina es sensible a las vibraciones, funciona en condiciones de conmutación muy duras y necesita
tener una ventilación intensa.
5.3 Máquinas de corriente continua con imanes permanentes.
A principios de la tercera década de nuestro siglo para los imanes permanentes se hallaron nuevos
materiales que son aleaciones del hierro con otros metales y que poseen buenas propiedades magnéticas.
El mayor interés práctico lo representa el acero al aluminio−nÃ-quel que es una aleación del hierro con
el aluminio (11−16%) y el nÃ-quel (18−24%). En comparación con los materiales de antes (acero al cromo y
al tungsteno) el acero al aluminio−nÃ-quel tiene aproximadamente diez veces mayor fuerza coercitiva y 9−10
veces mayor energÃ-a magnética.
Los imanes permanentes se distinguen de los electroimanes por su baja permeabilidad magnética.
El funcionamiento de un generador con imanes permanentes puede ser comparado con el funcionamiento de
un generador con excitación independiente cuando iex=const. Pero en este caso hay que tener en cuenta que
las máquinas con imanes permanentes en determinadas condiciones pueden perder parcialmente su
magnetismo a causa del efecto de la reacción del inducido.
Las máquinas de corriente continua con imanes permanentes prácticamente sólo se fabrican como
máquinas de muy poca potencia como lo son, por ejemplo, los generadores tacométricos.
CONCLUSIONES GENERALES
Luego de finalizar nuestra investigación acerca de las maquinas eléctricas y adquirir los conocimientos
necesarios sobre ella se puede sacar las siguientes conclusiones:
• Con el descubrimiento de la ley de la inducción electromagnética por Faraday, empieza la historia
de las maquinas eléctricas y hasta mediados de la octava década del siglo pasado, representa en
esencia la historia del desarrollo de la máquina de corriente continua.
• Para la construcción de máquinas de corrientes se suelen utilizar materiales especiales como son
los ferromagnéticos, los conductores de corriente eléctrica para formar el devanado, los
materiales aislantes, asÃ- como también los denominados materiales constructivos.
• Que las máquinas de corriente continua son muy utilizadas en el campo del transporte, ya que estas
poseen la facilidad de mantener con cierta facilidad la velocidad constante.
• Las máquinas de corriente poseen el principio de reversibilidad, lo que la hace trabajar en
régimen de motor y en régimen de motor. Partiendo de esta realidad, estas máquinas podemos
dividirla en dos grandes grupos, los motores de corriente continua y los generadores de corriente
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continua.
• La corriente en salida del generador presenta una forma de onda continua, que se obtiene mediante un
dispositivo, el rectificador, colocado antes del transformador, que permite la conversión de la
corriente de alterna a continua.
BIBLIOGRAFÃA
• Kostenko, M. P., Piotrovski L. M. Maquinas Eléctricas. Tomo I. Editorial MIR
• Chapman, Stephen. Máquinas Eléctricas. 4ta. Edición.
• http://www.elo.utfsm.cl/−elo383/apuntes/lamaqdcpdf
• http://prof.usb.ve/jaller/guia_maq_pdf/capitulo06.pdf
• http://www.tuveras.com
• Otras fuentes.
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