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UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA
“DESCRIPCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE
OPERACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE
CORRIENTE CONTÍNUA”
MONOGRAFÍA
PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA EXPERIENCIA
RECEPCIONAL DE LA CARRERA DE
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA
PRESENTAN:
GARCIA PALACIOS JESUS SALVADOR
RAMOS CASTILLO RODRIGO
SOTO PÉREZ FRANCISCO JAVIER
ASESOR:
ING. CIRO CASTILLO PÉREZ
Coatzacoalcos, Veracruz
Mayo de 2010
AGRADECIMIENTOS
Rodrigo Ramos Castillo
A Dios:
Ante todo, ya que me ha brindado el don de la vida, permitiéndome disfrutarla, con
tropiezos y alegrías, y que me dio la dicha de llegar hasta esta meta que por fin
puedo lograr.
A mi Madre, Enfra. Norma S. Castillo Pasión:
Ya que a través de ella pude ver la luz del sol por primera vez, educándome con gran
amor de una manera excepcional, dándome todo su apoyo como padre y madre a la
vez, e inculcándome valores que me servirán para desarrollarme como profesional, y
que gracias a ella he logrado tener todo lo necesario permitiéndome lograr mi mayor
meta, ser Ingeniero, te AMO mamá.
A mis abuelos maternos:
Que me dieron su apoyo en todo momento, siendo mis segundos padres e
interviniendo en mi desarrollo como persona.
A mi familia, Castillo Pasión:
Ya que gracias a su unión, me dieron motivación para seguir adelante.
A mis maestros:
Ya que sin los conocimientos y experiencias brindados por ellos, no hubiera sido
posible terminar este gran trabajo, en especial, al Ing. Ciro Castillo Pérez, por ser el
asesor de este trabajo recepcional, brindándonos su apoyo incondicional en todo
momento.
AGRADECIMIENTOS
Francisco Javier Soto Pérez
AGRADEZCO:
A Dios:
Por darme la dicha de la vida, salud, fortaleza, amor, por acompañarme a cada paso
que doy, por sus infinitas bendiciones que día a día recibo y por ponerme en el lugar
que hoy me encuentro.
A mi madre, Sra. Modesta Soto Pérez:
Por haberme dado la oportunidad de existir, por el amor incondicional que me has
brindado durante toda mi vida, por cuidarme cuando he enfermado, porque siempre
me has apoyado en todo lo que hago, por enseñarme el camino de la bondad, por
darme el ejemplo de superación en la vida y porque este triunfo también es tuyo,
¡gracias mamá!
A mi Tía Julia:
Porque también has formado parte de mi vida y siempre has estado para darme un
consejo, por tu incondicional cariño y apoyo ¡muchas gracias!
A todos los facilitadores de la carrera:
Por los conocimientos y sabios consejos que supieron inculcarme en las aulas que
ayudaron a formarme como estudiante y que de ahora en adelante sabré poner en
práctica.
AGRADECIMIENTOS
Jesús Salvador García Palacios
AGRADEZCO:
A Dios:
Porque invariablemente me estuvo cuidando de los malos individuos, a no caer en
las tentaciones, trabajar con honestidad, sin juzgar ni robar perdonar y ser
perdonado.
A mi familia:
A los que siempre les daré las gracias porque me dieron su apoyo, guía y
comprensión sin condición ni medida desde el primer día de clase hasta el último
para salir adelante con mi carrera, rompiendo esas barreras que me impedían
trabajar a pesar de que hubo tiempos difíciles con la economía, enojos y regaños
pero siempre estuvieron a mi lado. Quienes me guiaron por el camino de la
educación y me alentaron a efectuar uno de mis anhelos más grandes de mi vida.
Maestros:
Los que siempre me ponían el ejemplo de ser puntual, ser una persona disciplinaria
cuidando cualquier detalle y claro poner el ejemplo a mis compañeros y nuevas
generaciones.
ÍNDICE
TEMA: DESCRIPCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LAS
MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTÍNUA
INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………… 1
OBJETIVO ………………………………………………………………………….. 2
CAPÍTULO I DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE
CONTINUA.
1.1 Descripción de las máquinas de corriente contínua y sus partes principales.. 4
1.2 La máquina de corriente directa como generador
1.2.1 Generador en derivación
1.2.2 Generador serie
……………………………………………… 9
…………………………………………………….. 10
1.2.3 Generador de excitación compound
1.2.4 Amplidino
…………………………… 8
……………………………….. 11
……………………………………………………………. 12
1.2.5 Operación en paralelo de generadores en derivación
…………… 14
1.2.6 Operación en paralelo de generadores “compound”
……………. 14
1.3 La máquina de corriente directa como motor
1.3.1 Motor de excitación independiente
1.3.2 Motor en derivación
……………………………….. 16
………………………………… 18
…………………………………………………. 19
1.3.3 Arrancadores para motores en derivación
1.3.4 Motores serie
………………………………………………………….. 22
1.3.5 Motor compound diferencial
1.3.6 Motor compound acumulativo
1.3.7 Conmutación
……………………….. 20
………………………………………… 23
……………………………………. 23
………………………………………………………….. 24
CAPÍTULO II DESCRIPCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DEL
GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA
2.1 Generador de excitación independiente
…………………………………….. 28
2.1.1 Característica en vacío
…………………………………………….. 28
2.1.2 Característica en carga
…………………………………………….. 30
2.1.3 Característica externa
……………………………………………… 32
2.1.4 Curva de regulación
2.2 Generador serie
………………………………………………... 35
………………………………………………………………...38
2.2.1 Característica en vacío
………………………………………………. 38
2.2.2 Característica en carga
………………………………………………. 38
2.2.3 Característica externa
……………………………………………….. 38
2.3 Generador de derivación
…………………………………………………….. 41
2.3.1 Característica en vacío y aumento de tensión
…………………….. 41
2.3.2 Influencia de la velocidad sobre la fem inducida en vacío ………… 43
2.3.3 Características en carga
2.3.4 Característica externa
2.3.5 Curva de regulación
…………………………………………….. 45
……………………………………………….. 45
……………………………………………….… 50
2.3.6 Influencia de la velocidad sobre la característica externa ………… 50
2.4 Generador compuesto acumulativo
…………………………………………...51
2.4.1 Característica en vacío
……………………………………………….. 51
2.4.2 Característica externa
……………………………………………….. 51
2.5 Aplicaciones de los diferentes tipos de generadores
………………………. 56
2.5.1 Generador de excitación independiente y generador derivación … 56
2.5.2 Generador compuesto acumulativo
2.5.3 Generador compuesto diferencial
2.5.4 Generador serie
………………………………… 56
…………………………………. 57
……………………………………………………… 57
CAPÍTULO III DESCRIPCION DE LAS CARÁCTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DEL
MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
3.1 Características de los motores derivación …………………………………….. 59
3.1.1 Arranque del motor derivación
3.2 Características de motores serie
………………...……………………… 59
…………………………………………….. 67
3.3 Característica del motor compuesto acumulativo
3.4 Comparación de los diferentes tipos de motor
…………………………... 71
…………………………….. 74
3.5 Control de velocidad en los motores de C.C. ……………………………….... 77
3.6 Aplicaciones de los motores
3.7 Características de carga
……………………………………...……………. 81
………………………………..……………..
82
CONCLUSIONES ……………………………………………………………………. 85
BIBLIOGRAFIA ……………………………………………………………………….. 86
INTRODUCCIÓN
La corriente continua presenta grandes ventajas, entre las que destaca su capacidad
para ser almacenada de una forma sencilla. Esto, junto a una serie de características
peculiares de los motores de corriente continua, hace que existan diversas
instalaciones que trabajan basándose en la corriente continua.
Los generadores de corriente continua son las mismas máquinas que transforman la
energía mecánica en eléctrica. No existe diferencia real entre un generador y un
motor, a excepción del sentido de flujo de potencia.
La máquina de corriente continua ha sido una de las más versátiles en la industria.
Su fácil control de posición, par y velocidad la han convertido en una de las mejores
opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos, aunque con la
llegada de la electrónica su uso ha disminuido en gran parte, pues las máquinas de
corriente alterna, pueden ser controladas de igual forma a precios más accesibles
para el consumidor medio de la industria. No obstante, las maquinas de corriente
continua se siguen utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías)
o de precisión (máquinas, micro motores, etc.)
1
OBJETIVO
El objetivo de esta monografía es proporcionar al estudiante de ingeniería mecánica
eléctrica una información clara acerca de las máquinas de corriente contínua, tales
como sus descripciones generales y sus características principales, siendo este
trabajo de sencilla comprensión, además de servir como material de apoyo en
asignaturas propias de la carrera, obteniendo un recurso más en su biblioteca de
consulta.
2
CAPÍTULO I
DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS
MÁQUINAS DE CORRIENTE
CONTINUA
3
1.1 DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA Y SUS
PARTES Y SUS PARTES PRINCIPALES
Las máquinas de corriente continua son generadores que convierten energía
mecánica en energía eléctrica de corriente continua, y motores que convierten
energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica. La mayoría las
máquinas de corriente continua son semejantes a las máquinas de 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.
La máquina de corriente continua consta básicamente de las partes siguientes:
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, a su vez, 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.
4
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.
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 energía
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 cilíndrica 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.
ESCOBILLAS: Son piezas conductoras destinadas a asegurar, por contacto
deslizante, la conexión eléctrica de un órgano móvil con un órgano fijo.
5
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.
COJINETES: Son las piezas que sirven de apoyo y fijación del eje del inducido.
Diagrama de una máquina de corriente continúa.
Los componentes de la máquina de corriente continua se pueden apreciar
claramente en la figura 1.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
Culata
Núcleo polar
Pieza polar
Núcleo de polo auxiliar
Pieza polar de polo auxiliar
Inducido
Arrollado del inducido
Arrollado de excitación
Arrollado de conmutación
Colector
Escobillas positivas
Escobillas negativas
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
6
arrollamiento de conmutación (9). La parte 10 representa el conmutador o colector,
que está constituido por varias láminas aisladas entre sí, formando un cuerpo
cilíndrico.
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.
7
1.2 LA MÁQUINA DE CORRIENTE DIRECTA COMO GENERADOR
Los tres tipos básicos de generadores de CD que emplean la construcción de
dínamo de CD son los generadores en derivación (shunt o en paralelo), en serie y
compuestos (“compound”). Las diferencias entre estos tipos se deben al modo en
que se produce la excitación del campo de CD del estator. El objetivo del generador
es producir un voltaje de CD mediante la conversión de energía mecánica en energía
eléctrica, y parte de este voltaje se usa para excitar el devanado del campo
magnético estacionario.
Todas las máquinas eléctricas constan de un circuito magnético de hierro (o acero) y
de un circuito eléctrico de cobre. En un generador, se hacen girar los conductores de
la armadura de modo que corten el flujo procedente de los polos de campo y que
entran a ellos. En el generador de corriente continua (excepto el tipo unipolar) la fem
inducida en los conductores individuales es alterna, pero esta corriente se rectifica en
el conmutador y las escobillas, de modo que la corriente que sale al circuito externo
es unidireccional.
8
Existen tres tipos estándares de generadores de corriente continua: generador en
derivación, generador serie y generador “compound”
1.2.1 Generador en derivación
El campo de este generador en serie con su reóstato, están conectados en forma
directa a través de la armadura, como se muestra en la figura siguiente:
Fig. 1.A Generador en derivación
Esta máquina mantiene un voltaje de terminales más o menos constante en su rango
de trabajo con carga.
A medida que se aplica carga, cae el voltaje en las terminales debido a la caída en la
resistencia de la armadura, y a la reacción de la armadura que hace que disminuya el
flujo. La caída en el voltaje en las terminales reduce la corriente de campo que, a su
vez reduce el flujo; de ahí la fem inducida, etc. Con frecuencia se emplean
reguladores automáticos que operan a través de la resistencia de campo para
mantener un voltaje constante.
9
Los generadores en derivación se usan en sistemas interconectados. Su estabilidad,
cuando están conectados en paralelo, es una ventaja. Si un generador no levanta
voltaje, quizá se debe a:
1) que está conectada la carga
2) que la resistencia de campo es demasiado alta
3) el circuito de campo puede estar abierto
4) el magnetismo residual es insuficiente
5) las conexiones de campo pueden estar invertidas
1.2.2 Generador serie
En el generador serie (fig. 1.B) toda la corriente de carga circula por el devanado de
campo, el cual consta de relativamente pocas vueltas de alambre de diámetro
suficiente para soportar la totalidad de la corriente de carga sin sobrecalentamiento.
Fig. 1.B Generador en serie
La excitación de campo y, por tanto, el voltaje en las terminales, depende de la
magnitud de la corriente de carga. El generador suministra una corriente casi
constante y se utilizó durante años para alimentar las lámparas de arco en serie del
10
alumbrado público que requerían corriente contínua. Excepto en algunas
aplicaciones especiales, el generador serie ha caído en desuso.
1.2.3 Generador de excitación compound
Con la adición de un devanado en serie a una generador en derivación, el voltaje
entre terminales puede mantenerse casi constante en forma automática, o bien, con
una proporción adecuada de las vueltas en serie, puede hacerse que el voltaje en las
terminales aumente según la carga, para compensar la pérdida de voltaje en la línea,
con lo cual se mantiene un voltaje más o menos constante en la carga. Si el campo
en derivación se conecta fuera del campo en serie (fig. 1.C), se dice que la máquina
es de derivación larga; si el campo en derivación se conecta dentro del campo en
serie, es decir, en forma directa en las terminales de armadura, es de derivación
corta. En lo tocante a características de operación, no hay gran diferencia si la
máquina se conecta en una u otra forma.
Fig. 1.C Generador de corriente continua con devanado “compound”
11
Los generadores de excitación compound se usan principalmente en las plantas
pequeñas y aisladas, y para generadores que sólo alimentan una carga de motor
sujeta a fluctuaciones rápidas, como en los ferrocarriles. La primera vez que se pone
en servicio un generador de excitación compound hay que conectar el campo en
derivación en tal forma que la máquina intensifique su voltaje. Luego se conecta el
campo en serie, de modo que ayude al campo en derivación.
1.2.4 Amplidino
El amplidino es un generador de corriente contínua, en la cual una pequeña cantidad
de corriente suministrada a un campo de control sirve para controlar la salida del
generador y la respuesta es casi proporcional a la entrada del campo de control. La
amplidina es un amplificador de corriente continua que puede suministrar grandes
cantidades de corriente. El amplificador funciona sobre el principio de la reacción de
la armadura. En la fig. 1.D, NN y SS son los polos convencionales norte y sur de un
generador de corriente contínua, con cavidades centrales. BB son las escobillas
usuales colocadas en ángulos rectos a los ejes polares de NN y SS. Un devanado de
control CC de baja capacidad, quizá apenas de 100 W, está devanado sobre los
polos de campo. En la figura, por sencillez, se muestra el devanado de control en un
solo polo. Las escobillas BB están en corto circuito, por lo cual una pequeña fuerza
magnetomotriz (fmm) de excitación en el campo de control produce una corriente de
corto circuito a lo largo del eje de las escobillas BB. Esta intensa corriente de corto
circuito produce un intenso flujo AA de reacción de la armadura a lo largo del eje de
las escobillas BB. La armadura que gira dentro de éste campo produce un alto voltaje
a lo largo del eje de las escobillas B´B´. La corriente de trabajo se toma en las
escobillas B´B´ como se muestra. En la figura la corriente de trabajo se ilustra sólo
con las cruces y los puntos que están dentro de los círculos. La corriente de corto
circuito se ilustraría con cruces colocadas en los conductores que quedan a la
12
izquierda de las escobillas BB y con puntos en los conductores que están a la
derecha de ellas.
Fig. 1.D Amplidina
Una pequeña corriente existente en el devanado de control produce alto voltaje y
corriente, como resultado de la intensa corriente de corto circuito en las escobillas
BB.
Para que las escobillas B´B´ no pongan en corto circuito a los conductores que
cortan el flujo de los polos NN y SS, se le hacen cavidades a esos polos. Además, la
corriente de carga procedente de las escobillas B´B´ produce una fmm de reacción
de armadura en oposición al flujo A´A´ producido por el campo de control CC. Si se
deja sin compensación esta fmm, el flujo A´A´ y la salida de la máquina ya no se
determinaría por completo por el campo de control. Por ello, se utiliza un campo de
compensación FF´ en serie con la armadura, el cual neutraliza la fmm de reacción de
armadura que produce la corriente de trabajo. Para sencillez de la ilustración, el
campo de compensación se muestra sobre un solo polo de campo.
13
La amplidina es capaz de controlar y regular la velocidad, voltaje, corriente y potencia
con respuestas rápida y precisa. La amplificación es de 10´000 a 250´000 veces en
máquinas de 1 a 50 kW nominales. Las amplidinas con frecuencia, se utilizan en
combinación con generadores Selsyns, y se emplean para control de cañones y
torres, y como controles precisos en muchas aplicaciones industriales.
1.2.5 Operación en paralelo de generadores en derivación
Es deseable operar los generadores en paralelo para que la capacidad de la estación
pueda adaptarse a la carga. Los generadores en derivación, son de estabilidad
inherente cuando están en paralelo. Para conectarlos en paralelo
es necesario
conectar los interruptores de tal modo, que los polos iguales se conecten con las
mismas barras colectoras, cuando los interruptores se cierren. Supóngase que está
funcionando un generador; para conectar otro generador en paralelo, primero se
acelera con su velocidad normal el generador de entrada y se ajusta su voltaje de
terminales a un valor un poco mayor que el voltaje en la barra colectora. Después,
este generador puede conectarse en paralelo con el otro sin dificultad. La división
correcta de la carga entre ellos se ajusta por medio de los reóstatos de campo y se
mantienen en forma automática si las máquinas tienen características similares para
regulación de voltaje.
1.2.6 Operación en paralelo de generadores “compound”
Como regla general, los generadores compound tienen características de voltaje
planas o crecientes. Por lo tanto, cuando se conectan en paralelo tienen una
inestabilidad inherente. No obstante, puede obtenerse la estabilidad con una
conexión un compensador, la fig. 1.E, que conecte las terminales del generador a
14
las uniones de los campos en serie. Esta conexión es de baja resistencia, de modo
que cualquier aumento en la corriente se divide en forma proporcional entre los
campos en serie de las dos máquinas. El interruptor del compensador (E.S) es el
primero que se cierra y el ultimo
que se abre, si es posible. En la práctica, el
interruptor compensador es con frecuencia una aspa de un interruptor tripolar y las
otras dos son las del interruptor S de las barras colectoras, como se muestra en la
fig. 1.E.
Fig. 1.E Conexiones para un generador con devanado compound
trabajando en paralelo
Cuando los generadores “compound” se utilizan en un sistema de tres hilos, se
necesitan dos campos en serie uno en cada terminal de armadura y dos
compensadores. Es posible operar en paralelo cualquier número de generadores
compound siempre y cuando sus características no sean demasiado diferentes y que
se utilice la conexión del compensador.
15
1.3 LA MÁQUINA DE CORRIENTE DIRECTA COMO MOTOR
Los Motores de Corriente Directa (CD) o Corriente Continua (CC) se utilizan en
casos en los que es importante el poder regular continuamente la velocidad del
motor, además, se utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar
corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o baterías. Este
tipo de motores debe de tener en el rotor y el estator el mismo número de polos y el
mismo número de carbones.
Como su nombre lo indica, un motor eléctrico de corriente continua, funciona con
corriente continua. En estos motores, el inductor es el estator y el inducido es el
rotor. Fueron los primeros en utilizarse en vehículos eléctricos por sus buenas
características en tracción y por la simplicidad de los sistemas de control de la
electricidad desde las baterías. Presentan desventajas en cuanto al mantenimiento
de algunas de sus piezas (escobillas y colectores) y a que deben ser motores
grandes si se buscan potencias elevadas, pues su estructura (y en concreto el
rozamiento entre piezas) condiciona el límite de velocidad de rotación máxima.
16
Los motores de corriente continua funcionan según el principio de que un conductor,
por el cual circula una corriente y se encuentra dentro de un campo magnético,
tenderá a moverse en ángulos rectos con ese campo (fig. 1.F).
Fig. 1.F Efecto de la corriente en un campo magnético uniforme
El generador ordinario de corriente continua operará en forma enteramente
satisfactoria como motor y tendrá la misma capacidad nominal. Los conductores del
motor giran en un campo magnético y, por tanto, deben genera una fem igual que el
generador.
El momento de torsión en la polea es un poco menor que el momento de torsión
interno, debido al momento de torsión necesario para contrarrestar las perdidas
rotacionales, como la fricción, fricción del aire, perdidas por corrientes parasitas e
histéresis que ocurren en el hierro de la armadura y en las caras de los polos.
Existen motores de imán permanente (PM, permanent magnet), en tamaños de
fracciones de caballo y de números pequeños enteros de caballos. Tienen varias
ventajas respecto a los del tipo de campo devanado. No se necesitan las
alimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado asociado. Se
mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del campo que fallen y
17
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. Así mismo, la característica par contra corriente se
aproxima más a lo lineal. Un motor de imán permanente (PM) se puede usar en
donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de
excitación continua.
1.3.1 Motor de excitación independiente
Los motores de excitación independiente tienen como aplicaciones industriales el
torneado y taladrado de materiales, extrusión de materiales plásticos y goma,
ventilación de horno, retroceso rápido en vacío de ganchos de grúas, desenrollado
de bobinas y retroceso de útiles para serrar. El motor de excitación independiente es
el más adecuado para cualquier tipo de regulación, por la independencia entre el
control por el inductor y el control por el inducido. El sistema de excitación más fácil
de entender es el que supone una fuente exterior de alimentación para el
arrollamiento inductor. En la siguiente figura, se representa el inducido por un círculo;
la flecha recta interior representa el sentido de la corriente principal y la flecha curva,
el sentido de giro del inducido; el arrollamiento inductor o de excitación, se
representa esquemáticamente, y el sentido de la corriente de excitación, por medio
de una flecha similar.
18
1.3.2 Motor en derivación
En el motor en derivación (fig 1.G) el flujo es sustancialmente constante y la
velocidad sólo tiene ligera variación con la carga, por lo cual al motor se adapta para
trabajo que requiere velocidad constante. La regulación de la velocidad de los
motores de velocidad constante se define por la norma ANSI/IEEE std. 100-1977 en
el Standard Dictionary of Electrical and Electronic Terms, como sigue:
“La regulación de velocidad de un motor de corriente continua u velocidad constante
es el cambio en la velocidad cuando la carga se reduce en forma gradual desde el
valor nominal hasta cero, con voltaje aplicado constante y graduación del reóstato de
campo, expresado en porcentaje de la velocidad a la carga nominal.”
Fig. 1.G Conexiones de motores de c.c. en derivación y sus
arrancadores, a) caja de tres puntos; b) caja de cuatro puntos
El motor es capaz de desarrollar el momento de torsión a plena carga y más elevado
al arranque; pero el arrancador normal no está diseñado para soportar la corriente
necesaria para el arranque con carga. Si se va a arrancar un motor con carga, el
arrancador debe estar provisto con resistores adaptados para soportar la corriente
19
necesaria sin sobrecalentarse. También pueden utilizarse un controlador para
arranque con carga.
Los polos de conmutación han mejorado de tal forma la conmutación de las
máquinas de corriente continua, que es posible usar un entrehierro mucho más corto
que en máquinas antiguas. Debido a que con el entrehierro más corto se requiere
menos ampere vueltas en los devanados de campos, la armadura se magnetiza con
intensidad con respecto al campo. Por ello, una sobrecarga repentina podría debilitar
el campo por la reacción de la armadura y ocasionar un aumento en la velocidad; el
efecto puede volverse acumulativo y el motor se desbocará. Para impedirlo, los
motores modernos en derivación suelen estar provistos con un devanado
estabilizador, que consta de unas cuantas vueltas sobre el devanado de campo, en
serie con la armadura y que ayuda al campo en derivación. El aumento resultante de
los amperevueltas del campo según la carga compensará con creces cualquier
debilitamiento del campo por la reacción de la armadura. Las vueltas en serie son tan
pocas que no tienen efecto apreciable de composición o de compoundaje. El motor
en derivación se utiliza para impulsar ejes de transmisión para velocidad constante,
en máquinas-herramienta, etc. Como su velocidad puede variarse en forma eficiente,
es muy útil cuando se necesita velocidades ajustables, como en los accionamientos
individuales para máquinas-herramienta.
1.3.3 Arrancadores para motores en derivación
Cuando el motor está parado, su fuerza contraelectromotriz es cero y la resistencia
de la armadura es muy baja. Por tanto, excepto para motores muy pequeños, se
necesita, para el arranque, conectar resistencias en serie en el circuito de armadura.
No obstante, los campos deben estar conectados a través de la línea para obtener
plena excitación.
20
En la figura 1.G se muestran los dos tipos comunes de cajas de arranque utilizadas
para arrancar motores en derivación. La resistencia de armadura sólo permanece en
el circuito durante el arranque. En la caja de tres puntos (fig 1.G.a), se sostiene la
palanca de arranque en la posición de marcha, en contra de la fuerza de un resorte,
mediante un electroimán conectado en serie al circuito de campo, de modo que si se
interrumpe el circuito de campo o el voltaje de línea se vuelve muy bajo, se libera la
palanca y se abre en forma automática el circuito de armadura. En la caja de cuatro
puntos, el electroimán está conectado directamente a través de la línea, como se
ilustra en la figura 1.G.b. En este tipo el brazo se libera en forma instantánea al fallar
el voltaje de línea. En el tipo de tres puntos, transcurre cierto tiempo antes que la
corriente de campo caiga lo suficiente para efectuar la liberación. Algunos reóstatos
para arranque están provistos con un dispositivo de carga, a fin de interrumpir el
circuito en forma automática si la armadura recibe una corriente demasiado intensa.
La caja de cuatro puntos se utiliza cuando se obtiene un amplio rango de velocidades
por medio del reóstato de campo. Con esto el electroimán no se afecta por los
cambios en la corriente de campo.
En los motores grandes y en muchos pequeños se usan mucho los arrancadores
automáticos. Las ventajas del arrancador automático son que la corriente se
mantiene entre ciertos valores máximo y mínimo como por lo cual el circuito no se
abre con un arranque demasiado rápido, como ocurriría con un arrancador manual;
la aceleración es suave y casi uniforme. Como el operario puede arrancar o parar y
parar un motor con sólo oprimir un botón, se obtiene una economía considerable, pro
que puede pararse en motor cuando no se necesita. Los controles automáticos son
esenciales en los motores para ascensores son el fin de poder aceleración rápida y
uniforme comparadas y arranques frecuentes. El arranque automático también es
muy necesario en coches de ferrocarriles eléctricos conectados en múltiple y en los
motores de laminadoras, que siempre están sometidos a aceleración, paradas e
inversiones rápidas.
21
1.3.4 Motores serie
En los motores serie, la armadura y los campos están conectados en serie; por tanto,
si se pasa por alto la saturación, el flujo es proporcional a la corriente y el momento
de torsión varía como el cuadrado de la corriente. Por tanto, cualquier aumento en la
corriente producirá un aumento proporcional mucho más grande en el momento de
torsión. Esto hace que el motor se adapte en particular para los trabajos de tracción,
grúas, malacates, montacargas y otros tipos de trabajo que requieren un elevado
momento de torsión para el arranque.
En la figura 1.H se muestra una caja de arranque para motores/serie sin interruptor
por falta de voltaje.
Fig. 1.H Arrancador del motor en serie, con interrupción por cero voltaje
22
1.3.5 Motor compound diferencial
El devanado compound acumulativo de un generador se convierte en un devanado
compound diferencial cuando la máquina se utiliza como motor. Su velocidad puede
hacerse considerablemente más constante que la de un motor en derivación o, si se
desea, puede ajustarse para que aumente junto con la carga.
Como la velocidad de motor en derivación es lo bastante constante para la mayoría
de las aplicaciones y el motor diferencial tiende hacia la inestabilidad, en particular al
arranque y con sobrecargas, éste último motor tiene muy poco uso.
1.3.6 Motor compound acumulativo
Produce un aumento más rápido en el momento de torsión con carga que los
motores en derivación fig; por otra parte tienen una regulación de velocidad muy
poco eficiente. Por ello se utiliza cuando se necesita un momento de torsión al
arranque mayor que el desarrollado por el motor en derivación, por ejemplo, en
algunos impulsores industriales. Son de particular utilidad cuando ocurren aumentos
grandes e intermitentes del momento de torsión, como en la impulsión de cizallas,
punzonadoras, laminadoras, etc. Además, el incremento súbito en el momento de
torsión que desarrolla el motor con aplicaciones súbitas de carga, el hecho de que su
velocidad disminuya con rapidez y ocasione que las partes rotatorias cedan parte de
su energía cinética es otra importante ventaja, porque reduce los picos en las plantas
generadoras. Los datos de rendimiento de los motores compound acumulativos se
dan en la siguiente tabla:
23
1.3.7 Conmutación
Las escobillas que están sobre el conmutador de un motor o de un generador se
deben asentar en una tal posición, que sea cero la fem inducida en las bobinas de
armadura sometidas a conmutación y que, por ende, están en corto circuito por las
escobillas. En la práctica es condición, en el mejor de los casos, sólo puede lograrse
en forma aproximada; con frecuencia, las condiciones son tales, que distan mucho
de poder alcanzarse. Sin carga, las escobillas se deben colocar en una posición que
corresponda con geométrico neutro de la máquina, por que en estas condiciones es
de cero la fem inducida en las bobinas puestas en corto circuito por las escobillas.
Cuando se aplica la carga hay dos factores que producen chisporroteos debajo de
las escobillas. La fuerza magnetomotriz (fmm) de la armadura, o reacción de
inducido, deforma el flujo; cuando se invierte la corriente en las bobinas que están
sujetas a conmutación, una fem de autoinducción (L-di/dt) tiende a prolongar el flujo
de la corriente lo cual produce chisporroteo. En un generador la reacción de
armadura deforma el flujo en la dirección de rotación y las escobillas se deben
desplazar en avance. Para neutralizar la fem de la autoinducción, las escobillas se
deben colocar un poco hacia el frente del plano neutro, de modo que la fem inducida
24
en las bobinas cortocircuitadas por el corte del flujo marginal del polo siguiente sea
opuesta a esta fem de autoinducción. En un motor, las escobillas se desplazan hacia
atrás de modo correspondiente, en sentido opuesto a la rotación.
En teoría, las escobillas se deberían desplazar con cada cambio en la carga. Sin
embargo, la casi totalidad de los generadores y motores de corriente contínua tienen
polos de conmutación (o interpolo) y, con ellos, las escobillas pueden permanecer en
el plano neutro para funcionamiento sin carga y pueda obtenerse buena conmutación
en toda la variedad de carga. Los polos de conmutación son polos pequeños que
están entre los polos principales como en la siguiente figura.
Fig. 1.I polos de conmutación de un motor
Y se excitan con un devanado en serie con la armadura. Su función es neutralizar la
deformación del flujo en el plano neutro producido por la reacción de inducido,
también suministrar un flujo que ocasione la inducción de una fem en los devanados
sometidos a conmutación, igual y opuesta a la fem de autoinducción. Dado que tanto
la reacción de inducido como la fem de autoinducción son proporcionales a la
corriente de armadura, sin tener en cuenta la saturación, en teoría se neutralizan con
25
cualquier carga. Con los polos de conmutación se han logrado generadores y
motores de corriente continua con voltaje mucho más elevado, velocidades más altas
y mayores capacidades nominales en kW que lo que sería posible sin ello.
En ocasiones, los polos de conmutación pueden estar conectados incorrectamente.
En un motor, si se pasa desde un polo N principal en la dirección de rotación de la
armadura, se debe encontrar un polo N de conmutación como se indica en la figura
1.I.
En un generador bajo éstas condiciones, se debe encontrar un polo S de
conmutación. La prueba se efectúa con toda facilidad con una brújula. Si dos
interpolos muy fuertes ocasionan una conmutación deficiente, el devanado puede
estar derivado. Si los polos son muy débiles y no puede reducirse la derivación,
puede reforzarse con laminillas de hierro entre el polo y el yugo para reducir el
entrehierro.
Aunque las fem inducidas en las bobinas en que se efectúa la conmutación son muy
pequeñas, la resistencia de las propias bobinas es baja; por lo cual, si no se
introduce resistencia adicional, las corrientes de cortocircuito serian muy intensas.
Por tanto, con la excepción de ciertos generadores de bajo voltaje, casi siempre se
utilizan escobillas de carbón que tienen resistencia de contacto relativamente grande.
Además, el grafico de las escobillas tiene acción lubricante y la escobilla usual de
carbón no puede escoriar el conmutador.
26
CAPÍTULO II
DESCRIPCIÓN DE LAS
CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN
DEL GENERADOR DE CORRIENTE
DIRECTA
27
2.1 GENERADOR DE EXCITACIÓN INDEPENDIENTE
2.1.1 Característica en vacío
En los generadores de excitación independiente, la fem generada en el inducido
viene dada por la siguiente ecuación:
Como no circula corriente por el inducido, en flujo
depende sólo de la fem de
excitación, o, como para una máquina dada el número de espiras de la excitación es
constante, depende de la intensidad de excitación ´
Donde
´
. Si n es constante,
. Ésta es la característica en vacío; da la tensión en bornes, en
vacío, en función de la intensidad de excitación y se obtiene usando las conexiones
que muestra la siguiente figura:
Fig 2.A Diagrama de conexiones para
determinar por ensayo la característica en
vacio de un generador de excitación
independiente
28
el devanado de excitación, y
es el inducido,
la fuente que alimenta la
se usa para variar la intensidad de
intensidad de excitación. La resistencia
excitación.
En la siguiente ilustración, muestra la característica en vacío, la curva a da la tensión
0
en función de
ex
cuando la intensidad de excitación aumenta desde cero a
la curva b da la tensión reduce de éste valor
exm
0
en función de
ex
exm;
y
cuando la intensidad de excitación se
a cero. Debido al efecto del magnetismo remanente las dos
curvas no coinciden. El magnetismo remanente es también causa de que el dibujo de
la curva a generalmente empiece encima del punto cero para intensidad de
excitación nula.
Figura 2.B Característica en vacio de un
generador de excitación independiente
29
2.1.2 Característica en carga
Si el inducido está en carga, la tensión en bornes es menor que la fem generada en
el arrollamiento del inducido, debido a la reacción del inducido (
tensión en el inducido y en otros arrollamientos (
contacto en las escobillas (2
d
), a la caída de
), y a la caída por resistencia de
). La curva de la tensión en bornes en función de la
intensidad de excitación, para velocidad e intensidad de corriente en el inducido
constantes, se conoce como característica en carga. La figura 2.C muestra las
conexiones usadas para obtener la característica en carga. La intensidad de carga se
ajusta mediante la resistencia
c.
Figura 2C Diagrama de conexiones para determinar por
ensayo la característica en carga de un generador de
excitación independiente
La curva III de la figura 2.D
es una característica en carga. La curva I es la
característica en vacío de la misma máquina. Si se suma la cantidad
2
a la característica en carga, la curva II, así obtenida es la fem generada en el
arrollamiento del inducido por el flujo resultante. La distancia
entre la curva II y la
30
curva característica en vacío I es la caída de tensión producida por la reacción del
inducido. Para mantener la tensión en bornes
tanto en vacío como a plena carga,
es necesario un aumento de la intensidad de excitación
necesaria para
compensar el efecto de la reacción del inducido (Md) y las caídas de tensión.
Figura 2.D Característica en carga de un
generador de c.c. de excitación independiente
La característica en carga (curva III) puede hallarse aproximadamente de la siguiente
manera. En el punto m de la característica en carga,
es igual a cero (el inducido
esta cortocircuitado). Para que la intensidad Ii para la cual tiene que determinarse la
característica en carga, pueda circular por el inducido en estas condiciones de
funcionamiento, debe generarse la fem en el inducido y para esto se necesita una
intensidad de excitación
. Además, es necesario para compensar la reacción del
inducido una componente adicional de la intensidad de excitación
31
´ Los lados de los bornes del triángulo
son proporcionales a la intensidad de
carga , y, como esta corriente es constante, el triángulo
cualquier valor de
es el mismo para
. Por tanto, puede encontrarse la característica en carga
moviendo el triángulo
paralelamente a sí mismo a lo largo de la característica en
vacio (curva I). El punto
del triangulo recorre entonces la característica de carga
(curva III). Debe observarse que la característica en carga así obtenida es correcta
solo cerca del codo puesto que
d
se ha determinado para esta parte de la
característica. Para saturaciones menores, los valores de son demasiado bajos;
para saturaciones mayores, demasiado elevadas.
2.1.3 Característica externa
La curva que relaciona la tensión en bornes con la intensidad de carga a velocidad y
a intensidad de excitación constantes,
se denomina característica externa
(curva III de la figura 2.E). Al aumentar la intensidad de carga, aumenta la reacción
del inducido y las caídas de resistencia en el arrollamiento del inducido. Por tanto, al
aumentar la intensidad de carga, la tensión en bornes
disminuye.
32
Figura 2.E Característica externa de un generador de excitación
independiente
Si la caída de tensión
obtiene de la fem
(curva II).
2
se suma a la característica externa, se
generada en el arrollamiento del inducido por el flujo resultante
, la diferencia entre la curva I, que corresponde a la tensión en vacío
0,
y la curva II, es la caída de tensión provocada por la reacción del inducido. Con
ayuda de la característica externa, puede determinarse la regulación de tensión (ε)
de la máquina. Es (fig 2.E):
100
Donde
es el valor de la tensión en bornes a la carga nominal. Las conexiones
usadas para obtener la característica externa son las mismas que las usadas para la
característica en carga.
33
Con ayuda de la característica en vacío, la característica externa puede determinarse
aproximadamente de la siguiente manera. En la figura 2.F,
es la intensidad de
excitación constante para la cual se quiere encontrar la característica externa. La
tensión en vacío para esta intensidad de excitación es
intensidad de excitación cualquiera ´
´
´. Supongamos una
. Para esta corriente se determina
2
´
´ ´
´ ´
Fig. 2.F Construcción de la característica externa de un generador de
c.c. con excitación independiente a partir de la característica en vacio
Si el triángulo
´ ´ ´ se coloca de manera tal que
, ´ ´ sea paralela al eje de abscisas, y
´ ´ permanezca sobre
´ permanezca sobre la característica en
vacío, entonces
´ es la tensión en bornes para la intensidad de carga ´. A la
izquierda resulta
´
´. Para la intensidad de carga supuesta ´, la tensión en
34
bornes es
´
´, correspondiente a una caída de valor ´ respecto a la tensión
en vacío. La componente de la caída
´ ´ se debe a
2
y
´
se debe al
efecto de la reacción del inducido que reduce el flujo. Como la fem inducida es
´
´ ´ puede considerarse que la intensidad de excitación efectiva es
corresponde a una reducción de
´
´, que
´d respecto a la intensidad de excitación real
.
En el triángulo
´ ´ ´, ´ ´ es aproximadamente proporcional a la intensidad de
carga, mientras que
´ ´ no es exactamente proporcional a la intensidad de carga,
pues el flujo transversal de la reacción del inducido tampoco lo es. Se ha supuesto,
sin embargo que
´ ´ también es proporcional a la intensidad de carga. Entonces
para cualquier otra intensidad de carga supuesta
triángulo tal como
´´ ´´ ´´, para el cual
´´
´´
, debe construirse un nuevo
será la tensión en bornes. El
supuesto de que la fmm de la reacción del inducido sea proporcional a la intensidad
de carga es aproximadamente correcto para una saturación elevada, pero es
incorrecto para baja saturación. La construcción usada anteriormente por
consiguiente da resultados correctos para los puntos que están situados por encima
del codo de la característica en vacío.
2.1.4 Curva de regulación
Si la tensión en bornes permanece constante al aumentar la intensidad de carga,
debe aumentarse la intensidad de excitación; el aumento de la intensidad de
excitación depende de las caídas por reacción del inducido y en las resistencias. La
curva de regulación
da la intensidad de excitación en función de la
intensidad de carga para una tensión en bornes y una velocidad constantes.
35
Fig. 2.G Construcción de la curva de regulación
La curva de regulación puede determinarse de la siguiente manera (ver figura 2.G).
La tensión en bornes permanece constante en el valor
intensidad de excitación necesaria es
2
supuesta se dibuja AB= ´
. En vacio la
. Para cualquier intensidad de carga
. Entonces
es la fem generada necesaria y, si
no existiera la reacción del inducido, la intensidad de excitación debería aumentarse
en la cantidad
´
´ hasta el valor
´. Sin embargo, debido a la reacción del
inducido, se necesita un incremento mayor
´ ´
´d para vencer la fmm de
reacción del inducido. La intensidad total de excitación es ahora
eliminara y
´´ se mantuviera, la tensión en bornes se elevaría a
´´. Si la carga se
´´ . Para otras
intensidades de carga supuestas, pueden obtenerse y dibujarse los valores de
como se muestra en la fig 2.H.
36
Figura 2.H Curva
de regulación de un
generador de excitación independiente
37
2.2 GENERADOR SERIE
2.2.1 Característica en vacío
Para esta máquina, la característica en vacío puede tomarse solo con excitación
independiente puesto que la autoexcitación necesitaría que circulase corriente por el
inducido, y la característica en vacío implica que no circule corriente por el mismo.
2.2.2 Característica en carga
Para el generador serie la característica en carga también debe tomarse con
excitación independiente, pues con autoexcitación la intensidad del inducido y la de
la excitación variarían al mismo tiempo. Las características en vacío y en carga de un
generador serie son, por tanto, idénticas que las características en vacío y en carga
de un generador de excitación independiente.
2.2.3 Característica externa
Los rasgos específicos que distinguen el generador serie de los otros tipos de
generadores de corriente contínua pueden verse en su característica externa. La
figura 2.I muestra las conexiones usadas para obtener la característica externa.
38
Fig. 2.I Diagrama de conexiones para determinar por ensayo la
característica externa de un generador serie de c.c.
La intensidad de carga varía mediante la resistencia de carga
. Como para excitar
el devanado inductor se usa la corriente del inducido, la fmm de la excitación y, por
tanto, la fmm generada en el arrollamiento inducido y la tensión en bornes
aumentan al aumentar la intensidad de carga. La curva III de la figura 2.J es la
característica externa de un generador serie. La curva 1 es la característica en vacío
de la máquina. Si la caída de tensión
2
) se suma a la curva III, la
curva II obtenida es la fem generada en el arrollamiento del inducido por el flujo
resultante. La diferencia
entre la curva II y la curva I, característica en vacío, es,
por tanto, la caída de tensión provocada por la reacción del inducido.
39
Fig. 2.J Característica externa de un generador serie
40
2.3 GENERADOR DE DERIVACIÓN
2.3.1 Característica en vacío y aumento de tensión
La fig. 2.K muestra las conexiones para obtener la característica en vacío.
es el
devanado de excitación derivación. La intensidad de excitación varía mediante el
reóstato de la excitación derivación
. Al hallar la característica en vacío el inducido
suministra la corriente de excitación. Como esa corriente sólo es porcentaje muy
pequeño de la corriente del inducido en carga, la caída de tensión que provoca en la
resistencia del arrollamiento del inducido y en las escobillas así como la reacción del
inducido producido por ella, son muy pequeñas. Por tanto la característica en vacío
para autoexcitación coincide prácticamente con la obtenida para excitación
independiente. Por consiguiente, la característica en vacío puede obtener con
excitación independiente (fig 2.K).
Fig.
2.K
Diagrama
de
conexiones
para
determinar por ensayo la característica en vacio
de un generador derivación de c.c.
41
Respecto al aumento de tensión en un generador derivación se aplica lo siguiente.
En un generador derivación, el circuito de excitación se conecta directamente a los
bornes del inducido; por lo tanto, la tensión en bornes del inducido es la misma que
se aplica al circuito de excitación derivación. Puede verse la relación entre
en la curva de saturación
expresada por la ecuación
de la figura 2.L. La relación también viene
, donde
es la resistencia total del circuito de
excitación, y que está representada por la línea recta
, denominada línea de
resistencia de excitación. Para cualquier punto sobre esta línea
proporcional
e
es
. La intersección en A representa la solución gráfica de las 2
relaciones funcionales
, la curva de saturación, y
, línea de
resistencia de excitación. La tensión en bornes debe estar situada siempre sobre la
línea
.
Fig.2.L Construcción de la curva tensión, intensidad de
excitación para un generador derivación
42
En vacío, la tensión aumentará siempre hasta el punto de intersección de la línea de
resistencia de excitación y la curva de saturación (punto A de la fig 2.L). Un punto
no satisfará la condición de régimen permanente, puesto que, con una intensidad
de excitación
, la fem sería
, mientras que, con esa intensidad de excitación
la tensión en bornes del circuito de excitación necesitaría sólo
tensión en
. Por tanto
, que es la caída de
puede considerarse como un exceso de tensión, o
como una tensión de aceleración que provoca el aumento de
de por encima de
,
por encima de
. Cuanto mayor es el segmento interceptado
y
, más rápido es
el aumento de la tensión en bornes, hasta que se alcanza el punto . Si la resistencia
del circuito de excitación aumenta hasta
1,
la tensión sólo aumentaría hasta
. Si
la resistencia de excitación aumentara hasta coincidir con la línea de tangente al
primer tramo de la curva, la tensión sería indeterminada. Ésta resistencia se
denomina a veces resistencia de excitación crítica. Si la línea de resistencia de
excitación es
, la máquina no dará ninguna tensión.
2.3.2 Influencia de la velocidad sobre la fem inducida en vacío
La fem inducida en un generador derivación no es directamente proporcional a su
velocidad cuando
es constante, pues su corriente de excitación varía con la
sea la característica en vacío a
velocidad. Supongamos en la figura 2.M.a que
la velocidad nominal
,y
sea la línea de resistencia de excitación. La tensión en
vacío a la velocidad nominal es entonces
velocidad de la máquina se reduce de
y la intensidad de excitación
. Si la
´, la característica en vacío vendrá
a
representada por la curva ´ ( ´ y, para la misma resistencia total en el circuito de
excitación, la tensión en vacío será P1T1 y la intensidad de excitación
1.
En la
figura 2.M.b se observan las relaciones siguientes
´
´
´
43
Ó
´
´
Fig. 2.M. a. Influencia de la velocidad sobre la f.e.m. inducida de
un generador derivación en vacio
Fig. 2.M.b Influencia de la velocidad sobre la característica
externa de un generador derivación
44
´ a partir de la
Así, para determinar la fem inducida a la velocidad ´, se calcula
última ecuación, se une ´ con
intersección del punto
, y se dibuja una perpendicular a partir de ´ . La
con la línea de resistencia de excitación
dará la fem
deseada P1T1, puesto que la fem inducida para todas las velocidades debe ser la
distancia entre el eje de las abscisas y la línea de resistencia de excitación.
2.3.3 Características en carga
La característica en carga de un generador derivación auto excitado coincide casi
con la de generador de excitación independiente como en el caso de la característica
en vacío. La trayectoria de la curva de la característica en carga, por consiguiente es
la misma que la del generador de excitación independiente.
2.3.4 Característica externa
Esta característica se toma con una resistencia constante
en el circuito de
excitación derivación y una velocidad constante (fig 2.N). La corriente de carga se
varía mediante el reóstato
en el circuito de carga externo. La curva III de la figura
2.O muestra la característica externa de un generador en derivación. En la curva IV
está representada la característica externa del mismo generador con excitación
independiente.
45
Fig. 2.N. Diagrama de conexiones para determinar por
ensayo la característica
Fig. 2.O. Característica externa de un generador derivación de c.c.
46
Con autoexcitación la característica externa queda por debajo de la obtenida con
excitación independiente puesto que en aquel caso
la corriente de excitación
disminuye al disminuir la tensión nominal debido a que la resistencia de la excitación
derivación es constante, mientras que en el caso de excitación independiente la
corriente de excitación permanece constante. Para un cierto valor de la corriente de
carga, denominado valor crítico
retrocede hacia
, la característica externa con autoexcitación
. Por encima del punto ´ la corriente de carga aumenta al disminuir
la resistencia externa
. Por debajo de este punto
´, la corriente de carga
disminuye al disminuir los valores de la resistencia Rc. En el caso de cortocircuito
(Rc=0), la tensión en bornes es cero y la intensidad del inducido es
; éste valor
de la intensidad viene determinado por el magnetismo remanente de la máquina,
puesto que cuando V=0 la intensidad de excitación también es cero.
Si la caída de tensión
2
obtiene la curva II. La diferencia
entre esta curva y la línea I que representa la
tensión en vacío
se añade a la característica externa, se
de la máquina es la caída de tensión debido a la reacción del
inducido y a la disminución de la intensidad de excitación.
La regulación de tensión es:
%
La característica externa del generador derivación autoexcitado no es una curva de
valor único; para un valor dado de la intensidad
existen dos valores diferentes de la
tensión en bornes.
Si se cortocircuita súbitamente (
0) un generador derivación, la intensidad del
inducido disminuye rápidamente al valor
, que es relativamente pequeño. Por otro
lado si se aplica un cortocircuito a un generador serie, la intensidad del inducido
aumenta debido a que la intensidad de excitación aumenta. En comparación con el
47
generador serie, el generador derivación presenta la ventaja de que en caso de
cortocircuito súbito no alimenta al cortocircuito, si no que, por lo contrario,
la
intensidad de cortocircuito disminuye. Sin embargo, el valor instantáneo elevado
(transitorio) de la intensidad de cortocircuito que aparece en el momento de
producirse el cortocircuito a menudo es suficiente para dañar el arrollamiento del
inducido y el colector del generador derivación.
Con ayuda de la característica en vacío y de la línea de resistencia de excitación, es
posible determinar la característica externa del generador derivación. En la siguiente
figura suponemos que la resistencia constante del circuito de excitación se elige de
un valor tal que
se la línea de resistencia de excitación.
es entonces la tensión
en vacío del generador.
Para una intensidad de carga arbitraria
tenemos:
2
´
y
Los valores de la tensión en bornes que corresponden a la intensidad de carga
encontrarán primero dibujando una línea que pase por
de resistencia de excitación
y que sea paralela a la línea
, que corta a la característica en vacío en los puntos
´ ´´, y dibujando luego dos líneas
´ ´ ´´ ´´ paralelas a
dos tensiones en bornes que corresponden a la intensidad
de la figura 2.P está dibujada
se
´´ y
. ´´ ´ son las
. En la parte izquierda
´ .
48
Fig. 2.P Construcción de la característica externa de un generador
derivación c.c. a partir de su característica en vacio y de la línea de
resistencia de excitación
Suponiendo que
´d=
sea proporcional a I, pueden construirse otros triángulos
y pueden determinarse y dibujarse los valores correspondientes a las tensiones
en bornes. Existirá un valor crítico o máximo de la intensidad del inducido que está
situado sobre la tangente a la característica en vacío paralela a la línea de
resistencia de excitación. Esto puede verse en el punto
m
que da la tensión terminal
m.
La construcción que acabamos de mostrar es correcta sólo para la parte superior de
la característica externa. Esto se debe al hecho de que la reacción del inducido se
supone que es la misma a baja saturación que a elevada saturación. Realmente, la
intensidad máxima es mayor que la encontrada en la fig 2.P.
49
2.3.5 Curva de regulación
La curva de regulación que da la intensidad de la corriente de excitación en función
de la intensidad de la corriente de carga para una tensión en bornes constante, es la
misma que la de una máquina de excitación independiente, debido a que la caída de
tensión producida por la intensidad de excitación es muy pequeña y, en comparación
con la caída de tensión provocada por la intensidad de carga, puede despreciarse.
2.3.6 Influencia de la velocidad sobre la característica externa
En la figura 2.Mb, la curva
( n) es la característica en vacío a velocidad nominal, y
es la línea de resistencia de excitación. Se ha determinado la característica
externa para la velocidad nominal, y debe determinarse para la velocidad ´. Debe
dibujarse la característica en vacío para la velocidad n´, a la que llamaremos
El punto
1
(n´).
es entonces la tensión en vacío para el generador derivación
correspondiente a la velocidad n´. Con ayuda de la nueva característica en vacío ´
( ´) y la línea de resistencia de campo
se determinará la característica externa.
Se observará en este caso que el porcentaje de regulación será un valor mayor para
velocidades menores. Sin embargo, si se obtiene la misma tensión en vacío para una
velocidad ´ mas baja que la velocidad nominal
n
(disminuyendo la resistencia de
excitación), entonces el porcentaje de regulación disminuirá respecto a su valor a la
velocidad nominal.
50
2.4 GENERADOR COMPUESTO ACUMULATIVO
2.4.1 Característica en vacío
Esta característica del generador compuesto acumulativo es la misma que la del
generador derivación, ya que en vacío el arrollamiento serie no tiene ningún efecto.
2.4.2 Característica externa
El comportamiento distinto del generador compuesto acumulativo puede verse en su
característica externa (fig 2.Q). La caída de tensión en el arrollamiento del inducido y
en las escobillas (
2
), así como la reacción del inducido, actúan haciendo
disminuir la tensión en bornes al aumentar la intensidad de carga. Sin embargo al
aumentar la intensidad de carga, la fmm del arrollamiento en serie y el flujo
aumentan y compensan en parte o completamente la caída de resistencia y la
reacción del inducido. En la fig 2.Q, la fmm de los arrollamientos serie predominan
entre
y
y por tanto la tensión en bornes es mayor que la tensión en vacío
Para intensidades de carga mayores que
.
predomina la caída de resistencia y la
reacción del inducido y la tensión en bornes es menor que la de vacío (
). Entre y
la máquina diremos que es hiercompuesta, y para intensidades mayores es
hipocompuesta.
Ajustando convenientemente las fmm del arrollamiento serie, es posible obtener una
característica externa en la cual la tensión en bornes a la carga nominal sea igual
que la de vacio (regulación
0) o mayor que la de vacío. Si las tensiones de vacío
y a plena carga son iguales, se dice que el generador es compuesto plano.
51
Fig. 2.Q Característica externa de un generador compuesto
acumulativo
Fig. 2.R Determinación de los amperivueltas de excitación serie para
un generador compuesto acumulativo
52
La fmm de la excitación serie necesaria para hacer que la tensión en bornes, para
una cierta intensidad de carga ´, sea igual a la tensión en vacío, puede determinarse
´ ´´ sea la
de la siguiente manera, en la fig 2.R supongamos que la curva
característica en vacío y
tensión en bornes y
la línea de resistencia de excitación.
es entonces la
la fmm de la excitación derivación en vacío. Para la
intensidad de carga ´ tenemos
´
2
d.
Para que la tensión en bornes sea igual a la de vacío para una intensidad de carga ´,
la fem inducida del generador debe ser igual a
aumentarse en la cantidad
, y la fmm de excitación debe
para compensar la reacción del inducido. La fmm de la
excitación en serie puede hallarse moviendo el triángulo
que tengamos la posición
vacío.
tensión ´ ´ ´, en la cual
hacia la derecha hasta
´ se halla sobre la característica en
´ es entonces la fmm de la excitación serie necesaria para obtener la
a la intensidad de carga ´. Si se supone que es proporcional a la
intensidad del inducido, entonces para otros valores de carga puede construirse otros
triángulos, tales como el que tiene ´´ ´´ por hipotenusa, y pueden determinarse los
valores correspondientes a las fmm de la excitación serie tales como
´´. En la
parte baja de la figura 2.R está representada la fmm de excitación serie necesaria
para una tensión en bornes constante en función de la intensidad en carga. Es la
curva
´ ´´. Como el devanado de la excitación serie tiene un número constante de
espiras, sólo puede producir una fmm que variará linealmente con la intensidad de
carga. Si se escoge la línea
como esta fmm lineal, entonces la tensión en bornes
será igual a la tensión en vacío sólo para le punto de intersección , o sea, sólo
para la intensidad de carga
´. Para intensidades de carga menores que máquina será hipercompuesta; para intensidades de carga mayores que
´ la
´ será
hipocompuesta. El hecho de la excitación serie pueda producir sólo una fmm lineal
en función de la intensidad de carga, cuando es necesaria una curva no lineal,
explica por qué la característica externa del generador compuesto no es una línea
recta.
53
Para determinar la característica externa del generador compuesto acumulativo,
´ ´ es el mismo que en la figura 2.R, o
consideremos la fig 2.S el paralelogramo
sea para una cierta corriente I´ a la cual la tensión de carga sea igual a la tensión en
vacío,
Σ´
´
´
´
2Δ
ó (
´
Fig. 2.S Generador compuesto. Característica externa
54
Con ayuda de la característica en vacío, la línea de resistencia de excitación triángulo
, y el
´, hay que determinar la característica externa de la misma manera que
para el generador derivación. Obsérvese que el triángulo
de la figura 2.P, excepto que esta dibujado a la derecha
mismo que el triángulo
de la línea vertical
´ en la figura 2.S es el
porque
desmagnetizante como era
´ es una fmm magnetizante y no una fmm
en la figura 2.P. Si se dibuja la línea lm paralela a
entre la característica en vacío y la línea de resistencia de excitación , entonces
´ ´ es la tensión en bornes para la intensidad.
´
´
´
55
2.5 APLICACIONES DE LOS DIFERENTES TIPOS DE GENERADORES
2.5.1 Generador de excitación independiente y generador derivación
La característica externa tanto de los generadores de excitación independiente como
de los generadores derivación (fig. 2.E y fig. 2.O) muestran que ambas maquinas dan
una tensión en bornes prácticamente constante. La regulación, o sea, la caída de
tensión entre vacio y plena carga, es pequeña en ambo tipos de generadores. Como
los generadores de excitación independiente necesitan una fuente exterior para la
excitación, mientras que los generadores derivación son autoexcitados, aquellos se
usan principalmente en laboratorios y ensayos comerciales y en conjuntos de
regulación especiales. El generador derivación es recomendable para circuitos de
tensión constante, en los que la carga está cerca del generador y en los que no
existan caídas de tensión elevadas en la resistencia de la línea. Por ejemplo, puede
usarse un generador derivación para alimentar el circuito de excitación
de una
alternador, para la carga de baterías, para suministrar intensidad a dispositivos de
calefacción, Etc.
2.5.2 Generador compuesto acumulativo
El generador compuesto acumulativo es el generador de CC mas ampliamente
usado. Su característica externa (fig. 2.Q) se adapta a toda clase de servicios que
requieran tensión constante en el punto de aplicación de la carga. La forma de la
característica externa generalmente puede hacerse de manera que compense la
caída de tensión en la resistencia de la línea. El generador compuesto acumulativo
se usa para control de motores que necesiten una alimentación de CC a tensión
56
constante, para suministrar corriente a lámparas de incandescencia, para servicios
de grandes potencias como ferrocarriles eléctricos, etc.
2.5.3 Generador compuesto diferencial
Este tipo de generador presenta características externa similar a la del generador
derivación, o sea, tiene una reacción de inducido fuertemente desmagnetizante. Se
usa en la soldadura por arco, en la que se necesita una gran caída de tensión
cuando aumenta la intensidad; para la alimentación de excavadoras que funcionan
eléctricamente, en las que el motor puede llegar a bloquearse, etc.
2.5.4 Generador serie
La característica externa del generador serie (fig. 2.J) muestra que su tensión
disminuye al disminuir la carga. Esto hace que el generador serie sea recomendable
solo para aplicaciones especiales. Por ejemplo, se usa como elevador de tensión en
ciertos tipos de sistemas de distribución, particularmente en servicios de ferrocarriles.
57
CAPÍTULO III
CARÁCTERÍSTICAS DE
OPERACIÓN DEL MOTOR DE
CORRIENTE DIRECTA.
58
3.1 CARACTERISTICAS DE LOS MOTORES DERIVACION
El flujo
del motor derivación es función de la intensidad en el arrollamiento de
excitación derivación
:
3.1.1 Arranque del motor derivación
Cuando un motor arranca, el par desarrollado debe ser mayor que el par resistente
de la carga para obtener un par de aceleración. Mientras el par desarrollado sea
mayor que el par de carga más el par de pérdidas, el inducido se acelerara. La
aceleración continuará hasta que el par desarrollado y el par de carga más el par de
pérdidas sean iguales.
2
De la ecuación
,
, debe observarse que E es inferior
a V en solo un pequeño porcentaje, cuando el motor gira con una carga normal. En
reposo, E=0, y, por tanto,
Si V fuera el
en reposo.
valor nominal en reposo, circularía una corriente muy elevada y
perjudicial. Para limitar esta corriente a un valor de seguridad de 150-200% de la
intensidad nominal, debe reducirse la tensión aplicada al inducido. Esto se consigue
conectando una resistencia en serie con el inducido. Esta resistencia se va
eliminando gradualmente conforme el motor va ganando velocidad.
De la ecuación
7,04 ,
de
7,04
,
, se observa que, para que el arranque tenga lugar con el menor valor
, es necesario que
sea grande, por tanto, en el arranque de un motor
59
derivación es importante aplicar la tensión nominal al arrollamiento de excitación para
producir el valor normal de
.
La ecuación:
2
Muestra que la velocidad varía inversamente con el flujo
flujo suficiente
. Si no se dispusiera de un
(intensidad de excitación baja), el motor podría acelerarse hasta
velocidades muy elevadas y los elevados esfuerzos mecánicos producidos podrían
hacer que el motor volara en pedazos. Cuando un motor derivación arranca, no
puede, por tanto, conectarse en primer lugar el circuito del inducido y luego el circuito
de excitación. Primero debe conectarse el circuito de excitación y luego dar tensión al
inducido, o deben cerrarse simultáneamente ambos circuitos. Para que la intensidad
del inducido en el arranque no pueda llegar a ser demasiado elevada, antes de
aplicar la tensión de línea se conecta una resistencia de arranque en el circuito del
inducido. Al aumentar la velocidad y la f.c.e.m. la cantidad
intensidad
2
) disminuye, la
disminuye, y la resistencia de arranque puede reducirse.
La figura 3.A muestra el esquema básico para el arranque de un motor derivación.
Un borne “a” del arrollamiento de excitación se conecta directamente a la línea de
potencia, y el otro “b” se conecta a la línea a través de un reóstato en derivación
y la resistencia de arranque
. De éste modo ambos arrollamientos, el de la
excitación y el del inducido, se conectan a la línea simultáneamente. En el arranque,
el borne b, no puede conectarse directamente al arrollamiento del inducido, sin incluir
una parte de la resistencia de arranque. Al conectar el arrollamiento de excitación
derivación directamente en el inducido resultaría un flujo de excitación muy bajo, ya
que la tensión en bornes del inducido es muy baja durante el arranque.
60
Fig. 3.A Conexiones para el arranque de un motor derivación
Fig. 3.B Par y velocidad de un motor derivación en función de la
intensidad del inducido, para una intensidad de excitación constante
61
El arrollamiento de excitación nunca debe abrirse bruscamente. Como el
arrollamiento de excitación tiene una autoinducción elevada, una abertura brusca de
este circuito puede producir una fem de autoinducción lo bastante elevada para
perforar el aislamiento. Por consiguiente la conexión del arrollamiento de excitación
en paralelo con el arrollamiento del inducido y una parte de la resistencia de
arranque presenta otra ventaja importante. Cuando se usa la conexión de la fig. 3.A y
el motor se desconecta, el circuito de excitación no queda desconectado sino que
permanece siempre cerrado a través del inducido y una parte de la resistencia de
arranque. Las cajas de arranque están proyectadas de manera que cumplan esta
disposición.
La figura 3.B muestra la velocidad de un motor derivación en función de la
intensidad de su inducido para una tensión en bornes constantes y para 3 niveles
distintos de saturación (3 intensidades de excitación distintas). Aumentando la
intensidad del inducido aumenta tanto la reacción del inducido como la suma de las
caídas de tensión. Estas cantidades se oponen cada una en su efecto a la velocidad
del motor. Una reacción del inducido elevada desmagnetizante produce un flujo
resultante más pequeño, y por tanto la velocidad debe aumentar de acuerdo con la
ecuación
2
Una caída de tensión elevada debida a la resistencia del inducido y a las escobillas
significa un fcem menor y por consiguiente una velocidad menor. Al aumentar la
intensidad del inducido, la velocidad del motor derivación variará de acuerdo con la
curva “a” o la curva “c”. Si predomina la reacción del inducido, con aumento de
corriente, la velocidad seguirá la curva “a”; si predomina la caída de tensión, seguirá
la curva “c”. Para una excitación particular los dos efectos anteriores pueden
compensarse entre sí aproximadamente, y entonces la velocidad en función de la
intensidad del inducido adopta casi una forma paralela al eje de las abscisas (curva
62
“b”). Una característica elevada como “a” generalmente no es conveniente, ya que
puede conducir a un funcionamiento inestable.
De acuerdo con la ecuación
,
7,04
,
El par de un motor es proporcional a la intensidad de inducido
Para una intensidad de excitación constante el par no aumenta exactamente de
manera lineal con la intensidad del inducido, pues al aumentar éste último, la
reacción del inducido también crece y el flujo resultante
disminuye. La figura 3.B
muestra la curva del par de aceleración para una intensidad de excitación constante.
Se desvía de la línea recta debido a la no linealidad de la curva de magnetización.
La figura 3.C muestra la intensidad del inducido
y el rendimiento η en función de la
potencia de salida para una intensidad de excitación constante y una tensión en
bornes constante. Como la intensidad y las caídas de tensión aumentan al aumentar
la potencia de salida, la fcem por consiguiente disminuye. Se había visto antes que el
producto
mide la potencia de salida. Como la cantidad E disminuye al aumentar la
potencia de salida, la intensidad
debe aumentar más que linealmente al aumentar
la potencia de salida.
La figura 3.B muestra que el motor derivación es esencialmente un motor de
velocidad constante. El par desarrollado en función de la intensidad de su inducido
es aproximadamente lineal para la zona de funcionamiento normal.
63
Para determinar las características del motor de CC uno de los parámetros más
importantes es la característica en vacío (curva de magnetización) los datos para
esta curva pueden determinarse o por cálculo o experimentalmente.
Fig. 3.C Intensidad en el inducido y rendimiento de un motor
derivación en función de la potencia de salida, para una intensidad
de excitación constante
En cada caso deberán elegirse las magnitudes deberán elegirse las magnitudes más
convenientes como coordenadas. Cualquiera de las siguientes cantidades puede
usarse como ordenadas: flujo
C
; y para las abscisas:
, f.e.m. inducida E0 a una velocidad constante n0, ó
en el arrollamiento de excitación (en derivación o
en serie) o la f.m.m. de excitación total en amperivueltas. La elección de
coordenadas dependerá del uso particular que vaya a hacerse de la curva. Para la
mayoría de explicaciones que vienen a continuación, la ordenada será
velocidad constante
,oC
, con
ó
a una
como abscisas.
El par en función de la intensidad del inducido, para una intensidad de excitación
constante puede determinarse de la siguiente manera. En la figura 3.D, sea
´
la
64
como abscisa y C
curva de magnetización, cuando usando
. El valor correspondiente de C
supone constante la intensidad de excitación
vacío es
´d
. Entonces la intensidad de excitación efectiva para ésta
, de
. El valor de C
carga es
7,04
en
. Para el valor supuesto de intensidad en el inducido I , se determina
y se resta éste, T
como ordenada. Se
´. Como el par desarrollado es
es ahora , se calcula ahora como 7,04 ´ . Suponiendo que
´d es
directamente proporcional a I entonces puede determinarse T para otros valores
supuestos de I , y dibujarse como en la figura 3.B.
La velocidad en función de I , para una I
sigue: en la fig 3.E la curva
coordenada e
constante, puede determinarse como
es la curva de magnetización dibujada con
0
como
como abscisa, y tomada a la velocidad constante no que es la
velocidad en vacío del motor. La tensión en bornes constante es Vb=P0Q y la
. En vacío la velocidad será n0.
intensidad de excitación constante es
Para cualquier
supuesta se determinará
intensidad efectiva de excitación y
´d=
0. Entonces
sería la f.e.m. inducida si la velocidad se
mantuviera constante e igual a n0. Se determinará también
Entonces la f.e.m. real será
valor supuesto de
será
es la
2∆
.
b
. Por consiguiente, la velocidad para el
suponiendo que M´d varía directamente con ,
la velocidad puede determinarse, para otros valores de .
65
Fig. 3.D Motor derivación.
d
Determinacción del parr
Fig. 3.E Motor derivvación. Dete
erminación de la velociidad
666
También podría calcularse la velocidad a partir de la figura 3.D Una vez determinado
el valor de C
de
, igual que en el cálculo del par para cualquier valor de , y también el
2∆
entonces
.
La regulación de velocidad se define como la razón entre la diferencia de velocidades
en vacío y a plena carga y la velocidad a plena carga. Así, la regulación de velocidad
en tanto porciento es
100
í
La regulación de velocidad puede determinarse a partir de la curva velocidadintensidad del inducido, o de la curva par-velocidad.
67
3.2 CARACTERÍSTICAS DE MOTORES SERIE
Las ecuaciones:
2
60
10
2
Se aplican también a los motores serie, sin embargo en lugar de la ecuación:
Debe aplicarse:
Puesto que en un motor serie las intensidades de la excitación y del inducido son
iguales.
La figura 3.F se muestra la velocidad y el par de un motor serie en función de la
intensidad del inducido.
68
Fig. 3.F Curvas de par y de velocidad de un motor serie en función
de la intensidad del inducido
Como el flujo
es más pequeño para valores bajos de la intensidad del inducido, la
velocidad n, por tanto, debe ser mayor para que se cumpla la ecuación:
60
Cuando
10
es muy pequeña, el flujo también es muy pequeño y la velocidad n del
motor llega a ser tan elevada que la máquina puede llegar a destruirse. Un motor
serie nunca debe conectarse a una línea si no existe la certeza de que esta en carga
(excepto en el caso de motores menores de un caballo). Incluso durante el arranque
del motor serie, debe vigilarse que exista un cierto par resistente, puesto que a
intensidades bajas la velocidad llegaría a valores elevados a pesar de la resistencia
de arranque, mientras la velocidad del motor derivación varía poco con la velocidad
el inducido, la variación de velocidad del motor serie es muy grande,
Para valores pequeños de la intensidad del inducido, la máquina no está saturada y
el flujo de motor serie es directamente proporcional a la intensidad del inducido. Por
69
tanto, para valores pequeños de la intensidad del inducido el par aumenta con el
cuadrado de la intensidad como en la siguiente ecuación:
7,04
7,04
Cuando la intensidad del inducido es elevada y la máquina está saturada, el flujo es
casi constante y el par varía entonces casi con la primera potencia de la intensidad
del inducido. Para valores todavía mayores de la intensidad del inducido, el flujo
disminuye debido a la reacción del inducido, y el par, por tanto aumenta en menor
proporción que la intensidad del inducido.
El par desarrollado por el motor en función de
puede determinarse como sigue: la
curva OFF0 en la figura 3.G:
Fig. 3.G Motor serie. Determinación de la velocidad
70
Es la característica en vacío (curva de magnetización) del motor. La abscisa es la
y la ordenada está en unidades
f.m.m. de excitación
, obtenidas de un
ensayo en vacío. Para cualquier valor supuesto de , por ejemplo, a plena carga, se
, determina
es la f.m.m. neta, y
; entonces
para la intensidad de . El par se calcula como:
7,04 2
La fem se determina también como
. La velocidad puede
calcularse a partir de:
2
Para otros valores supuestos de , el par y la velocidad pueden determinarse de la
misma manera y dibujarse como en la fig 3.F. En la ecuación
2
Para la velocidad, el flujo
varía ampliamente con la carga, puesto que E es casi
igual a Vb. Por consiguiente la velocidad del motor serie varía ampliamente con la
carga debido principalmente a la variación de
.
71
3.3 CARACTERÍSTICA DEL MOTOR COMPUESTO ACUMULATIVO
De acuerdo con la importancia relativa de la f.m.m. de excitación serie y derivación,
el motor compuesto acumulativo puede tener características parecidas a las del
motor serie o a las del motor derivación. Si el motor serie se provee de un
arrollamiento en derivación, se evita la posibilidad de sobrevelocidad en vacío. Si un
motor en derivación se provee de un arrollamiento serie, es posible obtener una
velocidad casi independiente de la carga y por lo tanto casi constante.
La variación de velocidad y de par desarrollado del motor compuesto acumulativo en
función de la intensidad del inducido
puede determinarse de una manera similar a
la de los motores derivación y serie. La curva de la figura 3.H.a. es la curva en vacio
(de magnetización), y muestra la relación entre la f.e.m. inducida
excitación para la velocidad en vacio
y la f.m.m. de
del motor.
es la tensión en bornes constante y
es la f.m.m. del arrollamiento en
derivación. Para la conexión en derivación larga
también es constante. Se hace
igual a la f.m.m. del arrollamiento de excitación serie para el valor supuesto de ;
se hace también
la intensidad
y
; entonces
es la f.e.m. resultante debido a
es la f.m.m. neta o resultante del motor.
f.c.e.m. si la velocidad fuera
. Determinar
Entonces, como
2
Sería entonces la
2
a continuación.
, E se representara sobre la figura 3.H.b.
como PB. Como para una f.m.m. de excitación dada la f.e.m. del inducido es
directamente proporcional a la velocidad, ésta vendrá dada por
72
Fig. 3.H. a Determinación de la velocidad y del par para un motor acumulativo
Fig. 3.H.b Determinación de la velocidad y del par para un motor diferencial
Para otros valores de
supone que
, pueden determinarse los valores de la velocidad si se
varia directamente con
. La velocidad del motor compuesto
acumulativo disminuye más rápidamente, al aumentar , que la del motor derivación.
Al aumentar , la velocidad va disminuyendo cada vez más a medida que el circuito
73
magnético se aproxima a la saturación. La característica velocidad-intensidad
sobre la curva de
dependerá en gran manera de la situación del motor
magnetización (3.H.a) al ser mayor el número relativo de espiras sobre los dos
arrollamientos de excitación.
y la f.e.m.
Una vez determinadas la velocidad
, el par puede determinarse
mediante la siguiente ecuación:
7,04
Si se dibujan las ordenadas en la figura 3.H.a. en función de
cálculos para la velocidad y el par deben hacerse como sigue:
;
resultante del motor.
7,04
es la f.m.m.
es la f.m.m. de la excitación serie para el
constante de la excitación derivación;
valor supuesto de
, entonces los
, entonces
es la f.m.m. neta o
. El par es entonces
es entonces igual a
. Calcular
2
, y luego, de la ecuación
.
El motor compuesto diferencial puede analizarse como el anterior, si recordamos que
deben restarse ambos de la f.m.m. de la excitación,
a la velocidad de vacio
puede verse en la figura 3.H.b. La ordenada puede ser
es
. Para los valores supuestos de
; entonces
intensidad de carga
Sería la f.e.m.
,,
. La construcción
; la f.m.m. de la excitación serie
es la f.m.m. desmagnetizada debida a la
y
es la f.m.m. neta o resultante del motor.
si la velocidad fuera
.
La f.c.e.m. real es:
2
74
La velocidad es:
Obsérvese aquí que la velocidad puede ser mayor en carga que en vacio, de hecho,
la velocidad puede aumentar rápidamente al aumentar la carga, de manera que la
acción del motor será inestable y la velocidad llegara a ser excesiva. La velocidad y
el par también pueden determinarse fácilmente como en el motor acumulativo, si la
ordenada de la curva de saturación esta expresada en unidades
.
75
3.4 COMPARACIÓN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE MOTOR
Las figuras 3.I, 3.J y 3.K muestran las curvas velocidad-intensidad, par-intensidad y
velocidad-par de los motores derivación, compuestos acumulativos y serie. Estas
curvas permiten una comparación de los distintos tipos de motor. Muestran que las
diferencias entre las curvas par-intensidad no son tan marcadas como las diferencias
entre las curvas velocidad-intensidad y velocidad-par. La figura 3.K puede ser la más
útil para decidir el tipo de motor conveniente para una aplicación dada.
Fig. 3.I Velocidad en función de intensidad
Fig. 3.J Par en función de intensidad de
de carga para diferentes clases de motores
carga para diferentes tipos de motores
76
Fig. 3.K Par en función de velocidad para diferentes
tipos de motor de c.c.
Las especificaciones características del motor derivación son: aproximadamente una
velocidad constante desde vacío a plena carga, un par casi proporcional al la
intensidad del inducido (puesto que el flujo es casi constante), y la posibilidad de
funcionar como generador en el mismo sentido de giro y sin cambio alguno de
polaridad o de conexión. La última propiedad mencionada hace posible el
funcionamiento del motor derivación como freno dinámico: si el par de oposición de
la carga desaparece y le inducido es accionado en el mismo sentido que antes, la
máquina actúa como generador, suministra potencia a línea, produce un par opuesto
al par primitivo del motor y, por consiguiente, actúa como freno.
Las propiedades sobresalientes del motor serie son: disminución de la velocidad al
montar el par, un par de arranque elevado que varía casi con el cuadrado de la
intensidad para saturación baja, y una potencia e salida comparativamente
independiente de las caídas de tensión en los conductores de línea.
77
Las características del motor compuesto acumulativo están situadas entre las del
motor derivación y las del motor serie. Tiene una velocidad de vacío definida como el
motor derivación, pero por otro lado, al aumentar el par, su velocidad disminuye más
que en el motor derivación.
En la tabla anterior puede verse la reacción de los motores derivación y compuesto
acumulativos a las variaciones de la tensión en bornes.
En comparación con los motores de CA, los motores de CC, especialmente el motor
derivación y el motor compuesto, presentan la ventaja de que su velocidad puede
variarse entre el límite amplios por medios simples y económicos.
3.5 CONTROL DE VELOCIDAD EN LOS MOTORES DE CC
A partir de la ecuación
2
Se deduce que existen tres modos de regular la velocidad, variar la tensión V (control
de tensión), variar la resistencia del circuito del inducido (control reostático), y variar
el flujo
(control de la excitación o del flujo).
a) Motor de excitación independiente, derivación y compuesto acumulativo.
Para el control reostático se necesita una resistencia externa en el circuito del
inducido. Esta resistencia produce una caída en las características de velocidad. La
figura 3.L muestra las características de velocidad-par para dos valores distintos de
la resistencia externa. Para cargas muy pequeñas la resistencia no resulta muy
eficaz. Por consiguiente, por este método se realiza una regulación, o sea, el cambio
de velocidad de vacío a plena carga, amplia. Además, el rendimiento se reduce
78
mediante éste método de control de velocidad, puesto que las pérdidas en el cobre
del circuito del inducido aumentan. Por esta razón el método de control reostático
apenas se usa en instalaciones industriales.
El método más simple y más barato de controlar la velocidad es el control de flujo
mediante un reóstato en el circuito de excitación-derivación. Como la energía
necesaria para este circuito presenta sólo un pequeño porcentaje de la dada por la
máquina, el reóstato es de tamaño pequeño. Éste método presenta, por tanto un
buen rendimiento. En máquinas y sin polos auxiliares, en las que se usa el flujo
principal
para
mejorar
la
conmutación,
la
velocidad
puede
aumentarse
aproximadamente en la relación 2:1. Un mayor debilitamiento del flujo principal
puede interferir en la conmutación, puesto que la reacción del inducido puede reducir
la densidad de excitación en los extremos del polo más allá del valor necesario para
una buena conmutación. En las máquinas con polos auxiliares resulta bastante
normal que las relaciones entre las velocidades, máxima y mínima, estén entre 5:1 y
6:1. Para una variación dada de flujo (intensidad de excitación derivación) existe un
desplazamiento definido de las características de la velocidad como puede verse en
la figura 3.M. La regulación de velocidad resultará solo ligeramente afectada por este
método de control de velocidad.
79
Fig.
3.L
obten
nidas
Cara
acterísticas
por
control
par-veloccidad
de
veloccidad
Fig.
3.M
M
Característica
obtenidas por contro
ol de flujo. (Motor de
e
media
ante reósta
ato. (Motorr de excita
ación
excitación
independ
diente,
indep
pendiente, de
d excitació
ón derivaciión y
derivación
y
de exxcitación compuesta accumulativa)
acumulativva)
Fig. 3.N
3
Sistema
pa
ar-velocidad
d
de
de
e
excitación
excitación
n
compuesta
a
Ward-L
Leonard pa
ara control de
velocid
dad
80
0
Estas consideraciones se aplican al motor compuesto acumulativo sólo cuando la
excitación serie es pequeña en comparación con la excitación derivación. En general
para este tipo de control de velocidad se usan los motores en derivación.
El control de tensión se usa en ciertas condiciones, con excitación e independiente
en una disposición conocida como sistema Ward-Leonard. En la figura 3.N, M es el
motor principal cuya velocidad quiere regularse. Está alimentado por el generador G
que es movido por otro motor M´. La excitación del generador G se alimenta de una
fuente de tensión constante y puede ajustarse desde cero a un valor máximo, en
ambos sentidos, mediante un reóstato y un interruptor de inversión de excitación. De
esta manera se obtiene una ligera variación de la tensión aplicada al motor principal.
El motor M´ a menudo es un motor de CA, aunque puede ser cualquier máquina
motriz disponible.
b) Motor serie. El control reostático se usa para variar la velocidad de los motores
serie de los ferrocarriles. La resistencia produce una caída en la curva de velocidad
similar a la del motor derivación. La figura 3.O muestra las características de
velocidad para dos valores distintos de resistencia en el circuito del inducido. Cuando
un coche está equipado con dos o más motores, como ocurre generalmente, se
aplica el control serie-paralelo (fig. 3. P)
Fig. 3.O Control de velocidad por reóstato de un motor serie
81
Esto es un control combinado reostático y de tensión. A plena velocidad la
resistencia queda eliminada completamente y ambos motores funcionan en paralelo
a la tensión de línea. En S1 los motores están en serie entre sí y con todos los
reóstatos de arranque. En S2 se han eliminado algunos de los reóstatos de arranque,
y en S3 el reóstato se ha eliminado por completo y cada motor funciona a la mitad de
la tensión de línea. En T1 un motor está cortocircuitado y todos los reóstatos de
arranque están en serie con el otro motor. El control continúa hasta P3, donde ambos
motores reciben plena tensión de línea. Las posiciones S3 y P3 se conocen como
posiciones de marcha, debido a que todos los reóstatos están eliminados.
Fig. 3.P Control de velocidad serie-paralelo de motores serie
82
3.6 APLICACIONES DE LOS MOTORES
El problema de las aplicaciones de los motores consiste esencialmente en
determinar primero las necesidades de la carga, tales como la potencia, la variación
de velocidad, el par, el par de arranque, las características de aceleración, el ciclo de
carga, y las condiciones ambientes o de funcionamiento. Para especificar el motor
que cumpla con estos requisitos debe conocerse el carácter de la fuente de potencia,
así como las características de funcionamiento de los distintos motores disponibles
en el mercado. Si el motor y su control se han escogido y aplicado adecuadamente,
será posible el arranque de la carga desde la posición de reposo y su aceleración
hasta alcanzar la plena velocidad, sin dañar al motor ni a la carga y sin aplicar
esfuerzos indebidos sobre las líneas de potencia. La carga debe ser accionada
satisfactoriamente cualquiera que sea el ciclo de carga que se requiera, y la
capacidad del motor será adecuada para las sobrecargas momentáneas que precise
la carga sin que el motor quede parado o sobrecalentado. Muchas instalaciones
están equipadas satisfactoriamente con motores de tipo general, disponibles en el
mercado y normalizados de acuerdo con especificaciones aceptadas por la N.E.M.A.
(National Electric Manufacturers Association).
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3.7 CARACTERÍSTICAS DE CARGA
Una característica importante de las cargas del motor es la relación entre el par y la
velocidad. Muchas cargas industriales esencialmente son de velocidad constante, o
sea en ellas una variación de velocidad del 5 al 15% no tiene particular importancia.
Cargas tales como cintas transportadoras de velocidad constante, bombas,
ventiladores, sopladores, máquinas de trabajar la madera, máquinas de trabajar los
metales, conjuntos motor-generador, embarrados de accionamiento, compresores,
plantas de potencia auxiliares, molinos, mezcladores de hormigón, maquina de
lavado y telares en fábricas textiles, son de velocidad constante. Como estas cargas
son esencialmente de velocidad constante, el aumento de la carga se traduce en un
aumento del par, tal como el que se produce al añadir carga a un conjunto motorgenerado, al añadir materiales a la cinta transportadora, etcétera. En este tipo de
carga, la salida, por tanto, es proporcional al par de carga. El motor derivación de CC
se adapta a ese tipo de carga.
Por otra parte, muchas cargas necesitan que la velocidad sea ajustable dentro de
una gama amplia para distintas condiciones de funcionamiento pero sin que la
regulación de velocidad sea mayor al del 10 al 15%. Tales cargas son ventiladores,
sopladores, máquinas-herramienta, algunos tipos de prensa para impresión, algunas
máquinas textiles y papeleras. Las cargas de velocidad ajustables son de tres tipos
generales: 1) aquellas en las que el par es esencialmente constante para todas las
velocidades. Un ejemplo típico de estas son las cintas transportadoras (cuando
necesitan una velocidad variable) y las máquinas-herramienta automáticas, en éste
tipo de carga la salida varía directamente con la velocidad y el motor se denomina
motor de velocidad ajustable y par constante. El mejor tipo de control para estos
dispositivos, o sea, el que requiere un motor más pequeño, es el motor derivación de
CC con una tensión ajustable en el inducido. Esto no siempre resulta práctico por lo
que para tales cargas puede usarse un motor derivación de CC, proyectado para
velocidad ajustable mediante control por inductor. 2) Aquellas en las que las
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necesidades de salida son prácticamente constantes a todas las velocidades, estas
cargas incluyen la mayoría de máquinas-herramienta en las que la velocidad se
reduce al aumentar el tamaño de corte. Para éste tipo de carga resulta muy
adecuado el motor derivación de CC proyectado para velocidad ajustable mediante
control por inductor. 3) aquellas en las que el par es variable; en éstas se incluyen
ventiladores, sopladores y bombas centrífugas. En estas cargas el par aumenta con
el cuadrado de la velocidad, de manera que la potencia de salida varía con el cubo
de la velocidad. Las cargas de éste tipo generalmente requieren pares de arranque
pequeños. Los motores derivación de CC con control por inductor son los más
convenientes para amplias gamas de velocidad.
El par de arranque necesario para la carga es un factor importante para determinar el
tipo de motor. Cargas tales como ventiladores, sopladores, bombas centrífugas,
compresores en vacío, máquinas-herramienta, etcétera, generalmente requieren un
par de arranque bajo, o sea un par considerablemente menor que el de plena carga,
quizá del 30 al 50% de mismo. Otras cargas, tales como los compresores en carga,
las bombas, los molinos de bola usados para molienda de mineral metálico, y los
transportadores arrancan en carga. Además de la carga pueden existir rozamientos
permanentes considerables que vencer, cuando la maquinaria haya estado parada
durante algún tiempo. Este tipo de carga requiere pares de arranque elevados para
salir bruscamente de su inactividad, y el par de arranque necesario para algunas
cargas puede llegar a ser del 300%. Algunas cargas, tales como las sierras
continúas, los compresores centrífugos, las máquinas para cortar madera y otras,
tienen grandes inercias. Aunque estas máquinas pueden ser arrancadas sin carga, la
elevada inercia puede precisar largos periodos de arranque que pueden provocar el
calentamiento del motor, a no ser que se desarrollen pares adecuados para una
rápida aceleración. Si coincide una gran inercia con un par de carga elevado, el
arranque es especialmente difícil. Se necesitan pares de arranque elevados en
aplicaciones de ferrocarriles, y los motores en serie son los que mejor se adaptan a
este servicio.
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Otro factor importante en las aplicaciones de los motores es el de las condiciones del
medio en las cuales debe funcionar. Si la temperatura ambiente es elevada puede
ser necesario un aislamiento especial de motor ó, en algún caso, un motor
sobredimensionado con respecto al necesario para una temperatura ambiente
normal (40° C); o quizá se puede necesitar algún método especial de ventilación. El
nuevo
tipo
de
aislamiento
plástico
(silicona)
evidentemente
permitirá
el
funcionamiento a temperaturas más elevadas. Si el aire ambiente contiene polvo,
gases corrosivos o explosivos, o humedad excesiva, el motor necesitará
protecciones especiales para proteger los arrollamientos y cualquier clase de
contactos deslizantes tales como el colector o los anillos del colector. Existen tipos
de protecciones para motores a prueba de salpicaduras, a prueba de goteo, a prueba
de polvo, a prueba de explosión, etc., para tener en cuenta estas condiciones.
También debe considerarse la manera de conectar la carga del motor. Las
transmisiones por correa o por cadena exigen que los cojinetes del motor sean
adecuados para soportar el esfuerzo provocado por la correa o la cadena. La
conexión directa a través de acoplamientos o mediante engranajes no provoca tantos
esfuerzos sobre los cojinetes del motor como la conexión mediante cinta o cadena, y
cuando sea posible deben usarse aquellos. Generalmente se prefieren las
transmisiones mediante cintas en V a la cinta plana si los centros de los ejes están
poco separados.
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CONCLUSIÓN
Las máquinas de corriente contínua siendo hasta el día de hoy una de las partes
importantes tanto en la industria como en talleres pequeños, ya que con ellas se
interviene en una gran cantidad de procesos. La adquisición de los conocimientos
adecuados del funcionamiento de las diversas de máquinas de corriente continua,
mencionados en esta monografía, determinan la capacidad de un estudiante de
ingeniería de elegir el generador y/o motor ideal para la satisfacción de los
requerimientos de cualquier proceso para los cuales sea necesaria la utilización de
estos equipos, ya que cada característica en particular, como el tipo de excitación de
los distintos sistemas, puede ser el determinante para el uso futuro de los equipos.
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BIBLIOGRAFIA
LIBROS
Manual del Ingeniero Mecánico, 9º edición, tomo 2,
Eugene A. Avallon, Theodore Baumeister,
Mc. Graw Hill
Máquinas de Corriente Contínua,
Michael Liwschitz Garik, Clyde C. Whipple,
CECSA
Máquinas Eléctricas, 5 º edición,
A. E. Fitzgerald, Charles Kingsley Jr., Stephen D. Umans,
Mc. Graw Hill
INTERNET
http://pdf.rincondelvago.com/generadores-de-corriente-directa.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_continua
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