TEMA 7

I.T.EXP.M. Y OO.PP.
TECNOLOGÍA ELECTRICA
TEMA 7. – Máquinas rotativas de corriente continua.
Principio y descripción.
CONTENIDO:
7.1.- Constitución de una máquina de corriente continua.
7.2.- Principio de funcionamiento.
7.3.- Tipos de excitación.
7.4.- Reacción de Inducido. Conmutación.
7.5.- Potencia, Rendimiento y Regulación de Velocidad.
7.1.- CONSTITUCIÓN DE UNA MÁQUINA DE CORRIENTE
CONTINUA.
Como introducción podremos describir esta máquina eléctrica partiendo de sus
componentes más significativos. En ella contamos con un Estator (inductor) que a
su vez ejerce la función de soporte mecánico. Así mismo se dispone del Rotor
(inducido) formado por discos metálicos (el inducido propiamente) y un colector
de delgas o láminas metálicas a modo de rectificador mecánico. Los devanados
de las máquinas de corriente continua se cierran sobre si mismos ( sin principio
ni fin) pudiendo ser imbricados u ondulados dependiendo del posible cruce de las
partes de las bobinas.
El colector de delgas es el componente que caracteriza esta máquina, y es el
encargado de la conversión mecánica de la corriente alterna inducida en las
bobinas, en corriente continua. Está formado por láminas de cobre o delgas
aisladas entre sí por medio de un dieléctrico de mica.
La extracción o suministro de corriente al colector se realiza por medio de
escobillas de grafito que permanecen inmóviles en el espacio gracias a los
portaescobillas que mediante un muelle en espiral consiguen que estas ejerzan
presión sobre el colector.
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LÍNEA NEUTRA
+
N
S
_
7.2.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO.
Como se ha expuesto anteriormente, esta máquina eléctrica puede funcionar
tanto en régimen de generador como en régimen de motor.
En los devanados del inducido de la máquina, al girar el rotor se inducirá una
fuerza electromotriz en los conductores del núcleo al ser cruzados por el flujo del
estator.
El eje que forma la alineación de las escobillas se denomina LINEA NEUTRA que
nos indica las posiciones en las que se produce la inversión de la fuerza
electromotriz (f.e.m.) en las bobinas del inducido al pasar las espiras
correspondientes de una a otra rama o polo del campo magnético inducido.
En los inducidos en anillo, el número de circuitos derivados o ramas en paralelo
coincide con el número de polos y escobillas.
Para el funcionamiento de esta máquina como generador o como motor, el paso
de corriente continua por los conductores del inducido provoca en el rotor un par
electromagnético que tiene un carácter resistente para el trabajo como generador
y carácter motor cuando la máquina mueve una carga mecánica.
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Para calcular la magnitud de ese par consideraremos la corriente total del
inducido y la f.e.m. del mismo de manera que:
M=
E.I i
n
2π
60
siendo este par resistente en el caso de transformación de energía mecánica en
eléctrica (generador), y de rotación en el caso de un motor.
7.3.- TIPOS DE EXCITACIÓN.
Como se indica con anterioridad, representaremos los devanados inductor e
inducido de una máquina de corriente continua según se muestra:
Iex
E
Vex
INDUCTOR
INDUCIDO
Al aplicar una tensión de excitación Vex de corriente continua al inductor de la
máquina, se produce una corriente de excitación Iex que a su vez produce un flujo
φ que hace incidir , debido al movimiento del rotor, una fuerza electromotriz E en
el inducido.
El tipo de excitación de la figura anterior es el Independiente. Es el sistema más
antiguo y en la actualidad solo se utiliza en casos especiales y para la
determinación de parámetros de la máquina de continua en régimen de vacío.
Existen además otros tipos de máquinas de continua autoexcitadas (producen su
propia excitación), entre las que destacamos las de excitación serie( Con caídas
de tensión fuertes y proporcionales a la carga), paralelo o shunt (para
aplicaciones con alto nivel de carga que requieran caídas de tensión no
significativas) y compuesta o compound (útiles en máquinas de soldadura de CC
en conexión diferencial por su caída de tensión en cargas elevadas). Se muestran
a continuación sus esquemas de conexión:
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It=Ii
Ie
It
Ii
R
Ii
R
V
V
r
r
E. SERIE
E. SHUNT
Ie
Ib
Ii
R
r
V
E. COMPUESTA
7.4.- REACCIÓN DE INDUCIDO. CONMUTACIÓN.
La reacción de inducido se produce para neutralizar el campo de reacción que
sobre los polos auxiliares ejerce el campo magnético inductor. Estos polos
auxiliares disponen de devanados en serie con los devanados del circuito
inductor, lo que produce una fuerza electromotriz inducida sobre los polos
auxiliares.
Esta neutralización de campos magnéticos de reacción se realiza mediante al
desplazamiento de la línea neutra de la máquina un ángulo α.
Para cuantificar el efecto de esta reacción de inducido tenemos las siguientes
expresiones:
La ecuación básica de la máquina de continua si reacción de inducido es:
V = E + ri .I i
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Si consideramos la reacción de inducido tendremos:
V = E´+ ri .I i + ∆Ve
Siendo E´ la fuerza electromotriz inducida teniendo en cuenta la reacción de
inducido, y ∆Ve la caída de tensión en las escobillas de la máquina
(aproximadamente 2 voltios por pareja de escobillas, o por pareja de polos).
Se entiende por conmutación, el conjunto de fenómenos vinculados con la
variación de corriente en las espiras del inducido al pasar estas por la zona
donde se las cierra en cortocircuito por las escobillas colocadas en el colector.
Una buena conmutación debe realizarse sin la formación de chispas en el
colector, que producirían un deterioro notable de la máquina si su trabajo es
continuado.
Las chispas entre colector y escobillas se deben principalmente a causas
mecánicas (defectuoso ajuste de escobillas y colector) y eléctricas (autoinducción
en el arrollamiento del inducido que provoca sobretensiones).
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7.5.- POTENCIA, RENDIMIENTO Y REGULACIÓN DE
VELOCIDAD.
El análisis de potencias de la máquina de corriente continua es similar al de
máquinas de alterna visto con anterioridad con la salvedad de consideración de
pérdidas de excitación:
P1 = PFE + PCU + Pexcitación + PMU
Siendo P1 la potencia eléctrica consumida, y PMT la potencia mecánica útil que
entrega la máquina sin tener en cuenta las pérdidas de origen mecánico.
PMT = E.Ii
Para el cálculo del rendimiento de la máquina de continua debemos distinguir si
el cálculo se realiza para generadores o para motores, de manera que:
η ( motor) =
PMU
η ( generador ) =
PMU
+ Pérdidas
V .I
V .I + Pérdidas
La regulación de velocidad de estas máquinas se obtiene partiendo de los
parámetros relacionados en la siguiente expresión de par y velocidad, deducida
para motores CC con excitación en derivación (tipo Shunt):
V .K 2φ K 1 K 2 2
−
φ n
ri
ri
Siendo K 1 y K2 constantes que relacionan el flujo inducido φ con la intensidad de
excitación Ie y la f.e.m. inducida:
M=
E = K 1.n.φ
φ= K 2.Ie
De la expresión anterior podemos actuar para la regulación de n mediante la
variación de φ o de la tensión de alimentación.
Para la regulación de velocidades por encima del régimen nominal se disminuirá
el flujo de corriente inducido mediante resistencias variables conectadas en serie
con la resistencia de excitación.
Para régimen inferior al nominal, la regulación de velocidad se realiza mediante la
variación de la tensión de alimentación.
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