Máquinas de corriente continua

Máquinas de corriente continua
Acostumbro llamar a estas máquinas las del engaño continuado. Un mecanismo de conmutación tan
ingenioso como sencillo logra invertir las corrientes de una serie de espiras, en secuencia, para que
permanentemente, mientras giran, mantengan el campo magnético de cada una de ellas en ángulo
respecto a otro campo fijo, de forma tal que siempre se produce un torque que hace girar al conjunto.
El esquema funcional de una máquina de corriente contínua es
más o menos como se muestra en la figura. Un núcleo de hierro
(estator) que tiene un arrollado (bobina del campo) con el que se
induce un flujo magnético constante en el material. Otra bobina
montada en una pieza que puede girar (el rotor – la bobina de la
armadura) que es permeada por el flujo del campo. Ambos
arrollados son alimentados con corriente contínua, de modo que
los campos magnéticos inducidos en cada bobina son de una
polaridad que depende exclusivamente del sentido de los
arrollados y del sentido de circulación de las corrientes. La
conexión de la fuente que alimenta a la armadura (rotor) es un
contacto que puede cambiar de posición, mientras que la del
campo es fija.
Si se alimentan las bobinas, aparecen los flujos que se indican
en la figura de la derecha. Las líneas rojas indican el flujo
magnético inducido por la bobina del campo (estator), mientras
que las azules indican el flujo magnético inducido por la bobina
de la armadura. En el eje de giro del rotor, indicado con un
punto negro, están concentrados los equivalentes vectoriales
de ambos flujos (suponiendo que las polaridades y sentidos de
las corrientes así lo determinen). Se puede apreciar que,
debido al ángulo que existe entre ellos, se produce un torque
resultante (señalado en verde) que, lógicamente, hace que la
pieza gire en el sentido indicado (el campo fijo del estator y el
campo de la armadura, solidario con el rotor). La intensidad del
torque irá disminuyendo en la medida en que se reduzca el
ángulo entre ambos vectores, pero la velocidad angular irá
creciendo mientras el torque no se anule.
Los contactos de la fuente de la armadura están indicados en la
figura anterior con las letras A y A', B y B', suponiendo que A' y
B' son los contactos de la bobina del rotor y los otros son los
bornes de conexión a la máquina. Una vez que el rotor alcanza
la posición indicada en la figura de la izquierda, el torque
resultante se hace cero, debido a que ambos campos están
alineados, pero el rotor ha alcanzado su velocidad máxima. Es
aquí donde comienza el engaño.
Justo en esta posición se desconectan A' y B': la bobina del rotor queda desenergizada y sin campo
magnético. El punto amarillo es una referencia para identificar la posición real de la bobina montada en
el rotor. Al no haber campos interactuando no hay torque. Si la bobina se mantuviera energizada, la
tendencia del rotor sería la de reducir su velocidad angular, debido al torque negativo de la interacción
entre los dos. Sin embargo, cuando se desconecta y se queda sin campo, el rotor sigue girando por
inercia, y continuaría haciéndolo mientras no se alimente de nuevo la bobina del rotor o se detenga por
efecto del roce. En la figura siguiente se representa la bobina del rotor desenergizada y sólo aparece el
flujo producido por el campo del estator.
Un pequeño engaño sería dejar que la bobina gire en sentido
horario, sin conexión, y energizarla cuando alcance de nuevo la
posición inicial (el punto amarillo arriba), tal y como se muestra
en la primera de las figuras. De este modo, cada vez que el
punto amarillo llegue a la posición inicial y se energice de
nuevo la bobina, habrá un torque que acelere de nuevo al rotor
y este irá acumulando velocidad angular (en cada paso habrá
un incremento en la velocidad angular porque ya el rotor viene
con una velocidad inicial producto de la aceleración anterior).
El engaño no termina aquí. Esperar a que el punto amarillo llegue a la posición inicial produciría una
especie de velocidad pulsante, debido a que el rotor recibiría un “impulso” de un cuatro de vuelta por
cada tres cuartos de vuelta.
Se aprovecharía mejor si ahora los arrollados del rotor se
alimentaran al revés cuando el punto amarillo esté abajo, es
decir, conectando el terminal A con el B' y el B con el A'. Al
hacerlo de este modo, aún cuando el punto amarillo sigue
abajo (ver la figura), el sentido opuesto de la corriente entrando
a la bobina, hace que el flujo magnético inducido tenga el
sentido adecuado para producir el mismo torque de la posición
inicial. Con esta inversión en las conexiones se logra entonces
acelerar el rotor cada dos cuartos de vuelta, provocando un
“suavizado” de la aceleración y una velocidad menos pulsante.
Extendiendo ahora el artilugio electromecánico, se
colocan en el rotor dos arrollados en cuadratura, de
modo tal que cuando no se le está aplicando el
engaño a una de las bobinas, se le aplica a la otra,
y con esto se logra que siempre haya un torque en
cada cuarto de vuelta. En la actualidad, los motores
de corriente contínua realmente tienen varios
arrollados separados por un pequeño ángulo,
ordenados en una especie de bobina contínua con
las que se logra que la mayor parte del tiempo haya
una bobina (o grupo de espiras) que tienen un
ángulo recto respecto al flujo magnético del campo
(estator) y con el que entonces se logra un torque
más contínuo y una velocidad más estable. Más
adelante explicaremos en detalle el funcionamiento
del conmutador
Una vez que haya quedado claro el proceso de arranque o giro del rotor, revisaremos cuales son las
condiciones por las que la velocidad angular se estabiliza en un valor fijo. Según lo que hemos
argumentado hasta ahora, cada cuarto de vuelta el rotor se acelera, por lo que no parece haber límite a
la velocidad que puede alcanzar la máquina.
La fuente contínua que alimenta la armadura se mantiene conectada a los bornes de la máquina. El
sistema de conmutación lo que hace es modificar la forma en que se alimentan las bobinas del rotor,
logrando la inversión de corrientes que se explicó antes. La corriente que circula por este circuito
cerrado “fuente-conmutador-bobinas”, es el resultado de dividir el voltaje entre la resistencia de todo el
camino (Ley de Kirchoff).
Recordemos ahora que los arrollados del rotor son como cualquier otro arrollado y que estos están
cambiando su posición relativa bajo la influencia de un campo magnético fijo. El ángulo entre los dos,
rotor y campo, varía en función del giro del rotor por lo que estos arrollados son permeados por un flujo
magnético que está variando. Según la Ley de Faraday, en estos arrollados se induce un voltaje alterno
en sus extremos proporcional a la frecuencia angular, debida a la velocidad de giro del rotor.
El trabajo del conmutador, el que cambia el sentido de giro de las corrientes, resulta ser también el de
un rectificador mecánico de los voltajes alternos inducidos en cada bobina del rotor. Al desconectar y
conectar los extremos de las bobinas, el voltaje “percibido” en los bornes del conmutador es siempre de
la misma polaridad. Estos bornes donde se “percibe” el voltaje rectificado son los mismos en donde se
conecta la fuente de alimentación, por lo que el voltaje efectivamente aplicado a las bobinas es el
resultado del voltaje de la fuente menos el voltaje rectificado (percibido) por el conmutador. La corriente
entonces del circuito será la diferencia entre estos voltajes, dividida entre la resistencia del camino.
Si analizamos el voltaje que se induce en las bobinas del rotor, notaremos que mientras más rápido gire
el rotor, mayor voltaje se inducirá en las espiras (εRMS =4,44∗Bmax∗Area∗N 2∗ frecuencia ) . En esta
relación, la frecuencia es el giro del rotor. Por esta razón, mientras más rápido gire mayor será el voltaje
alterno inducido. Mientras más alto el voltaje inducido, más alto el voltaje rectificado y más pequeño el
voltaje efectivo aplicado a las bobinas (diferencia entre la fuente y el rectificado). Esta diferencia
eventualmente se hará cero y la corriente hacia las bobinas también será cero. Por lo tanto, el torque
resultante de la interacción entre los dos campos, rotor-estator, será nulo y la velocidad será entonces
constante, ya que la aceleración angular se hará cero. La velocidad se estabilizará.
Viendo lo descrito anteriormente en forma de ecuaciones, tenemos que el voltaje contínuo que se
genera por la reacción de la armadura usualmente se denomina εa, y el voltaje aplicado a los bornes se
llama Va. La corriente en la armadura es entonces Ia = (Va - εa)/Ra, donde Ra es la resistencia de todo
el circuito (conductores, bobinas, resistencia de contacto del conmutador, etc.). Lo mismo se puede
decir para la corriente que crea el campo Ic = Vc/Rc, donde Rc es la resistencia de los arrollados.
En este típico modelo circuital de la máquina de
corriente contínua se muestran los parámetros
indicados en la explicación. El voltaje de armadura
Va y la reacción de armadura εa , junto a la
resistencia Ra, como los que determinan la corriente
Ia. Así mismo el voltaje Vc, la resistencia Rc y la
corriente resultante de ambos Ic.
El voltaje inducido y rectificado εa depende de la
intensidad de flujo del campo (estator), el que a su
vez depende de la magnitud de corriente Ic y de la
geometría de la máquina (materiales, distancias,
números de vueltas del arrollado, etc.). Estos efectos
usualmente se representan en conjunto por una constante llamada de acople magnético y se indica con
la letra G. Ya argumentamos también que la velocidad angular w del rotor influye en la intensidad del
voltaje inducido. Tenemos entonces que la reacción de armadura se calcula como εa = G*Ic*w.
El estudio del transitorio de la máquina de corriente contínua incluye además la consideración de la
inductancia de los arrollados, pero eso está bien desarrollado y explicado en la bibliografía.
También existen otros elementos que se incluyen en el diseño y que contribuyen a mejorar la eficiencia
de la máquina, como pueden ser los devanados de compensación, que ayudan a reducir los efectos de
la inversión de la corriente (conmutación); la saturación magnética en los bordes del estator por
superposición de los campos (reacción); las resistencias de arranque, protecciones y otros tantos
dispositivos que conforman el equipamiento básico de las máquinas de hoy en día y que pueden ser
consultados en cualquier referencia sobre el tema.