Principio de funcionamiento de un generador de C.C

Principio de funcionamiento de un generador de C.C
En la unidad anterior se han representado los campos magnéticos mediante líneas de
fuerza y se ha visto que la forma que puede tomar dicho campo era un conjunto de
líneas paralelas y si estudiábamos a un conjunto recorrido por una corriente eléctrica, el
sentido de las líneas la determinábamos por la “regla del tirabuzón”.
Para estudiar estos fenómenos observaremos líneas de campo en el sentido entrante y un
conductor moviéndose dentro del campo magnético de acuerdo a la siguiente figura:
Dicho conductor tiene una cierta longitud “1” y si le aplicamos una cierta fuerza
exterior “FM” el mismo se moverá con una cierta velocidad “v”.Como consecuencia de
esto inducirá cierta F.e.m. “E” cuyo valor será:
E=(V^B) . 1 Y su módulo será |E|= V.B.1. Sen VB
Y su sentido determinado por la “regla de la mano derecha” de acuerdo con el gráfico 2.
Si aplicamos una resistencia exterior “R” va a circular una corriente:
I= E____
R+Re
Siendo Re la resistencia interna del conductor “1”.
Debido a esa circulación de corriente aparece una fuerza antagónica dada por:
Fa=(I ^ B) . 1 y de módulo |Fa|= I.B.1 sen IB
Aplicando la regla de la mano derecha de la siguiente manera:
Cuando se iguala la fuerza antagónica a la fuerza mecánica Fm=Fa el conductor se
moverá con velocidad “v” uniforme.
Partes Principales de la Estructura Electromagnética de una máquina de C.C
1) Los conductores del inducido que están en la periferia del entrehierro que forman el
arrollamiento del inducido.
2) El núcleo del inducido para cerrar el trayecto del flujo.
3) El arrollamiento inductor, también desarrollado en el entrehierro enfrentando al
anterior arrollamiento destinado a crear el flujo inductor.
4) El núcleo inductor donde se crea el flujo de trabajo.
A excepción de algunos magnetos, en todas las máquinas, el campo inductor “B” es producido por
solenoides, además para que el campo se establezca con máxima inducción el circuito magnético se
divide en 2 núcleos independientes: Uno fijo y Uno móvil. Para obtener la fuerza magneto-motriz
necesaria la cual es producida por el Flujo Inductor se reduce la separación en el entrehierro (espacio de
aire) el mínimo indispensable.
Proceso de Conmutación en una Máquina de C.C
Consideremos una espira dentro de un campo magnético, de acuerdo a la figura 1, la cual en principio se
encuentra en forma perpendicular a la dirección del campo. Si comenzamos a girar la misma en el sentido
de las agujas del reloj y aplicamos la “regla de la mano derecha” observamos en la Fig. 2 que se inducirá
una fuerza electromotriz en la espira cuyos sentidos se indican. Por lo expuesto en uno de los extremos
obtendremos la F.e.m. mencionada a través de la respectiva escobilla la cual tendrá el signo “+” y si
graficamos la misma se observa en la figura de la derecha.
En la fig.3 la espira se encuentran en forma paralela a la inducción “B” y en ese lugar la inducción será
máxima ya que las espiras se encuentran inmersas dentro de la mayor cantidad de flujo magnético.
Así sucesivamente la espira sigue su curso y su F.E.M va decreciendo paulatinamente (figura 4) hasta que
queda nuevamente en posición perpendicular a la inducción en la fig. 5 no habiendo F.E.M en los
extremos de la bobina.
Por último observamos en la figura n°6 que nos encontramos en una posición similar a la de la figura n°2
aunque los lados de la bobina están intercambiados, pero aplicando la “regla de la mano derecha”, las
F.E.M inducidas determinaran que siempre la misma escobilla recogerá corriente del mismo signo
repitiéndose el ciclo en forma sucesiva.
Si en lugar de una espira, consideramos muchísimas, el ciclo se repetirá en forma indefinida obteniéndose
en forma definitiva una corriente de tipo continua.
Excitación de los campos inductores
El campo de excitación es producido por electroimanes cuyo solenoide es recorrido por
corriente continua.
Hay algunos tipos de máquinas de corriente continua en las cuales la excitación la
constituye un imán permanente, son los llamados magnetos, pero en este tipo de
máquinas el flujo resulta débil y además éste no puede regularse, sólo se obtienen
F.E.M reducidas y se obtienen para ciertas aplicaciones especiales (instrumentos de
medición, magnetos de encendido).
En las máquinas que pueden obtenerse la excitación con una fuente externa, se las
denomina excitación independiente.
Si de la corriente continua que suministra el generador, una parte es tomada para excitar
el campo los generadores se denominan autoexcitados.
Si los polos inductores no están recorridos por la corriente, no habría flujo inductor y
por lo tanto f.e.m, pero en realidad esto no sucede, dado que de acuerdo a las
propiedades magnéticas del hierro que constituyen los polos inductores, en él subsiste
un cierto magnetismo remanente, que es suficiente para crear en el inducido una débil
f.e.m, la cual provoca a su vez una corriente que se lleva a los circuitos inductores
sirviendo para reforzar el campo en el inductor iex= E____
re+Re
aumentando entonces la fuerza magnetomotriz los campos inductores lo que lleva a un
posterior aumento de la F.e.m inducida y por lo tanto de la corriente, siguiendo así el
ciclo hasta llegar al punto de saturación del hierro, estableciéndose un equilibrio que
depende de dicho punto de saturación. La pendiente de la recta R está compuesta por la
resistencia del arrollamiento inductor re y del reóstato de campo Re.
Vemos que cuando llegamos al punto de saturación del hierro, la influencia del aumento
de la fuerza magnetomotriz sobre el hierro se hace menor hasta que en el punto de
intersección P no se produce más aumento de flujo y la F.e.m , se mantiene constante
para ese valor de la resistencia del reóstato de campo Re.
En máquinas que nunca fueron utilizadas, o en aquellas que se ha invertido el sentido de
giro la corriente cambia de sentido y se anula el efecto del campo remanente (punto
P).En ese caso para restablecer el magnetismo residual es necesario crear un
magnetismo artificial mediante una excitación independiente con una fuente externa.
Principio de funcionamiento del motor de C.C
Un generador de corriente continua es una máquina reversible, o sea que sí alimentamos
su rotor con corriente de línea funciona como motor. Si colocamos un conductor dentro
de un campo magnético y conectamos sus extremos a una fuente de alimentación Ub el
mismo será recorrido por una corriente I que producirá una acción dinámica en el
alambre que tenderá a desplazarlo hacia afuera del campo.
Para encontrar el sentido en que se desplaza el conductor, aplicamos la “regla de la
mano izquierda” considerando que por la palma entra el flujo principal, los 4 dedos
indican la dirección de la corriente y como consecuencia de ello el dedo pulgar indica la
dirección en que desplaza el conductor.
Esta fuerza tendrá un valor:
F= (I^B) .1
Debido a la aparición de ésta corriente existe una tensión que se opone a la causa que la
produce creándose una fuerza contraelectromotriz la cual hace aparecer una fuerza que
se opone a la anterior. Su valor será: E= (F^B) .1
En definitiva la corriente real en el conductor será:
I= Ub-E
Re
Siendo Re la resistencia del conductor. Cabe acotar que es una máquina ideal E=Ub
por lo tanto I= 0
Fuerza Contraelectromotriz
De acuerdo a lo dicho la f . c. e. m se le puede hallar su sentido de acuerdo a la regla de
la mano derecha o sea en sentido opuesto a la corriente principal. Por lo dicho al
aparecer esta fuerza contraelectromotriz se deberá aumentar la tensión aplicada al
motor para que asegure la circulación de corriente del rotor.
Si una espira corta un flujo a razón de N revolución por minuto la f.e.m inducida valdrá:
E= P. n [v] siendo P=N ° de polos
60
= Flujo magnético [Wb]
Ahora sí en vez de 1 espira considera a N cantidad de espiras en el rotor formando un
bobinado cerrado tenemos:
e=P . . n . N 

Si consideramos constantes los valores de P´ ; N los datos numéricos (60) representados
bajo la letra K tenemos:
E= K. n
Como se ve solo depende del flujo inductor y la velocidad del rotor. Cualquiera de estos
factores que se alteren afectará la F.C.E.M
Tensión aplicada al motor
La tensión que deberemos aplicar al motor deberá responder a la ecuación:
V= E+Iri (A)
O sea que la tensión aplicada deberá vencer a la f.c.e.m más el valor de la caída de tensión
producida por la corriente que circula por los bobinados y todas las resistencias intercaladas en
el circuito.
Ecuación de velocidad
Tomando en cuenta la ecuación de la tensión aplicada al motor A tenemos:
V=E+IRi siendo E=K. (). n reemplazando
V=K. ().n + Iri
V- I ri =n
estando n en r.p.m
K
Ecuación del par motor o cupla motora
Definimos a la cupla o par motor al momento de una fuerza con respecto a un eje y está dado
por el producto de una fuerza por el radio de giro:
T= F.R
Siendo F=H. L. I considerando a
H= intensidad de campo magnético ;
L = Longitud del conductor
I = corriente
En consecuencia tenemos T = 2 x R x H x I x l (1)
Considerando que la espira, abarca en forma completa una superficie de valor
S=2R.L (longitud de la espira de ancho 2R)
Esta superficie que ocupa la espira es igual a la que ocupa el flujo magnético del motor.
Entonces tenemos: HS=  reemplazando en 1
T= K. . I siendo K una constante de proporcionalidad numérica con
referencia a las unidades utilizadas.
Sentido de rotación
Para cambiar el sentido de rotación de un motor de C.C ,se pueden hacer las siguientes
modificaciones, pero sólo una de ellas:
1°) Invertir la polaridad de la tensión aplicada en las escobillas (con ellas se invierte la corriente
y por lo tanto el sentido del par).
2°) Invertir la polaridad de la tensión aplicada al arrollamiento de excitación o de campo o sea
inversión del inductor con lo que se invierte también el sentido del par.
Curvas características de motores
Las características de funcionamiento de motores C.C revelan las relaciones que hay entre la
corriente y la cupla o la velocidad de giro.
En la figura se observa como varían la cupla y la velocidad al aumentar la corriente de carga. Se
observa que la cupla crece linealmente, pero después aumenta en forma menos notable. En
cuanto a la velocidad decrece la carga. O sea que a plena carga, gira más despacio que en vacío.
Motores Serie
En este tipo de motores la cupla aumenta mucho con la carga. La velocidad varía en forma
hiperbólica dado que con poca carga el flujo será pequeño y la velocidad grande de acuerdo a la
expresión de n. Al aumentar la Ic aumenta el flujo y por lo tanto la velocidad se reduce.
Su aplicación más importante se encuentra en motores de vehículos eléctricos.
Motores Compound
Considerando que los motores derivación son aptos para un servicio que se requiere velocidad
poco variable (máquinas, herramientas) y los serie son muy útiles cuando la velocidad debe
variar mucho con la carga, nos encontramos con la necesidad de obtener un motor cuya
velocidad sea lo más constante posible. Se recurre entonces al motor compound diferencial, en
cuyo gráfico nos encontramos con la curva del campo derivación (1) y la del campo serie (2).Si
efectuamos la diferencia de las mismas se obtiene la curva (3).
Arranque de un motor
Si consideramos la fórmula 1.(A)
V=E+I r i y después despejamos I
I=V-E osea I=V-K n
Ri
Ri
Siendo I la corriente que toma del motor.
Si consideramos cuanto vale la corriente en el momento del arranque tenemos:
Ia= V
Ri
Desapareciendo el término K .  . n , pues n=0 en el primer momento del arranque.
Este valor de Ia es >> In
Como ningún bobinado es capaz de soportar a Ia por su alto valor y puesto que el
mismo se debe limitar porque sólo dura un instante; tomamos a Ia un 50% superior a
(In o sea):
Ia= 1,5 In
Para lograr esto solo se puede colocar una resistencia limitadora al paso de la corriente
cuyo valor será:
1,5In=
V__ o sea
R= V - ri
Ri+R
1,5In
En la práctica se elimina Ri pues muchas veces es desconocido y solo aumenta el valor
de R en pequeña proporción.
en general
R= V__
1,5In
Regulación de la velocidad
Para el caso de un motor de C.C, debemos partir de la ecuación de la velocidad:
n=V-Iri
K. 
Si es de tipo derivación para producir una reducción de la velocidad debemos intercalar
una resistencia en serie con el bobinado del rotor para que produzca una caída de
tensión (R1 en el gráfico). Su inconveniente es que la misma produce una pérdida de la
potencia.
Para aumentar la velocidad debemos disminuir el flujo de acuerdo a la fórmula 1 y esto
se logra con la resistencia R2 en serie con la bobina de excitación. Su inconveniente es
la disminución del flujo que afecta negativamente a la cupla [T=K . . I]
En los motores tipo serie si bien la velocidad es proporcional a la carga, si se desea
aumentar la misma se conecta una resistencia en paralelo con el bobinado de excitación.
Esto produce un reparto de la corriente entre ambos y por ende el bobinado tendrá
menos corriente y se producirá menos flujo de acuerdo a la fórmula 1.
Motores serie universales
Se denominan así los motores capaces de funcionar con ambas clases de corriente, aunque se comporten bien
con una de ellas y con ciertas deficiencias en la otra; la versatilidad compensa tales inconvenientes en los
casos de potencias reducidas y usos domésticos (ventiladores, etc.)
Para el funcionamiento (fig.155) recordemos algunas características de los motores de corriente continua con
excitación en serie. Si se invierte el sentido de corriente en el campo y no en el inducido o viceversa se
produce inversión de sentido de giro, pero si se invierte la polaridad de la red, se producirá un cambio
simultáneo de la circulación de corriente en los dos devanados, inducido e inductor, y el motor mantendrá el
movimiento de rotación original.
Supongamos que cambiamos la polaridad de la red rápidamente, muchas veces por segundo, y las cosas
pasarán como recién se explicó, salvo que aumentará el chisporroteo en las escobillas. Si el motor se conecta
a una red de corriente alterna, en la que la polaridad cambia muchas veces por segundo, en cantidad
correspondiente con la frecuencia, el motor debe mantener el sentido de giro y funcionar.
Pero hay que hacer algunas observaciones, pues ese funcionamiento no será normal.
El devanado del inductor, sea de dos o más polos, está formado por un núcleo de hierro alrededor del cual se
arrolla una gran cantidad de espiras. Los distintos núcleos polares llevan sus bobinados casi siempre
conectados en serie y el conjunto, a su vez, se conecta con el inducido. Este está también compuesto por una
cantidad de bobinas, cada una con espiras y teniendo núcleo de hierro.
Es lógico pensar que todo el conjunto presentará a la corriente continua una resistencia que será mucho
menor que la impedancia que le ofrece a la corriente alternada, pues los electroimanes inductores por
ejemplo, tienen muy baja resistencia óhmica pero alta reactancia, por lo que la intensidad de corriente, si se lo
conecta a la red continua, será la prevista, pero en alternada será mucho menor y no se obtendrá un
funcionamiento regular.
El problema se puede solucionar más o menos eficientemente en el inductor, en la forma como veremos
enseguida, pero no tan fácil en el rotor, por lo que se opta por diseñar al inducido de manera que se comporte
más o menos bien en las dos corrientes, sacrificando un bobinado ideal para corriente continua en aras de
obtener otro que sirva para las dos clases de corriente.
El inductor puede ser hecho de dos maneras distintas, bien con un solo devanado con derivaciones o sino con
dos devanados distintos. La primera solución es más económica, y se emplea en los motores más pequeños,
y la segunda es más racional pero aumenta el tamaño de los campos y con ello, el del motor.
La figura 156 muestra el esquema de conexiones empleado en el primer sistema es decir, haciendo los
campos inductores con derivaciones. En corriente continua trabaja toda la bobina de campo, y cuando se
desea conectar el motor a una red de corriente alterna se corre la palanca de un conmutador a la posición de
c.a y sólo queda insertado en el circuito una parte del bobinado. Es común que ésta parte de la bobina esté
hecha con alambre más grueso que la otra sección, para reducir aún mas la impedancia sin disminuir el
número de Ampervueltas, que ya resulta menor por tomar sólo una fracción del arrollamiento.
El núcleo del inductor debe ser hecho con chapas y no macizo, porque sino en la conexión para corriente
alterna se inducirían en la masa de hierro corrientes parásitas de valor elevado, que aumentarían
desmesuradamente las pérdidas y el calentamiento del motor.
El rotor también se hace con palastro,
pero en los motores de corriente continua lo mismo debe hacerse así porque como se mueve dentro de un
campo magnético, se inducen en su masa corrientes parásitas aunque no se conecte el motor a una fuente de
corriente alternada. De modo que la diferencia está en el inductor, que en los motores de continua puede ser
macizo, mientras que en los universales es laminado.
Generalmente se construyen las chapas para el rotor y para el estator de una sola placa circular, obteniéndose
las dos piezas por estampado, en el que quedan separadas ambas partes. Se une luego un paquete de chapas
para cada núcleo, dando el entrehierro conveniente para cada torneado. Generalmente el número de ranuras
del estator de estos motores es reducido, y el número de delgas es doble del anterior.
También casi siempre son bipolares, salvo algunos casos de motores tetrapolares.
Dijimos que otra manera de obtener el funcionamiento del inductor en las dos clases de corriente era dotarlo
de dos bobinados distintos, solución que puede verse en la fig. 157.Un conmutador se encarga de pasar de
una bobina de campo a la otra. La que corresponde a corriente alternada tiene menor cantidad de espiras y
está devanada con alambre de mayor diámetro, que la de continua, para presentar menor impedancia.
Esta solución no es la más generalizada, porque se consiguen los mismos resultados si se aprovecha el
bobinado de alternada y se agregan las espiras necesarias en serie para trabajar en corriente continua, como se
ve en la figura 156.
Hay todavía tipos de motores universales que son aún flexibles que los anteriores. Se trata de los que, además
de funcionar en ambas corrientes, pueden trabajar con distintas tensiones de la red. Para ello se sacan en el
devanado o sección del devanado inductor que corresponde a cada una de las dos clases de corriente y se
llevan a selector, como se ve en la figura 158.
Por un extremo el bobinado de campo queda conectado al inducido mediante una escobilla, y por el otro
queda unido a un borne de la red a través del selector, de manera que se intercala en serie con el rotor una
bobina de campo de resistencia ajustable a la tensión disponible en la red.
Hay que observar que en el inducido no se cambian las conexiones, de modo que la tensión máxima de
trabajo no puede ser desmesuradamente distinta de la mínima, porque habría que anular todo el inductor para
tener la misma circulación de corriente.
Los motores universales no rinden en corriente alternada la misma potencia que en corriente
continua, pues en el mejor de los casos se obtiene un 70 a 75 % de esta última. Además, en
corriente alternada tienen peor conmutación, es decir, mayor chisporroteo en las escobillas.
Si se desea obtener regulación de la velocidad de giro, se pueden insertar resistencias en el circuito
inductor, pues debilitando el campo magnético se aumenta la velocidad y reduciendo la tensión
aplicada al motor disminuye el número de giros por minuto. El procedimiento es en todo similar al
que se aplica a los motores de corriente continua.
Cuestionario Máquinas de Corriente Continua
1) Explicar y graficar el principio de funcionamiento de un generador de corriente
continua
2) Explicar y graficar las partes principales de una máquina de C.C.
3) Explicar y graficar el proceso de conmutación de un generador de C.C.
4) Explicar y graficar la excitación de los campos inductores y los tipos de
máquinas Autoexcitadas.
5) Explicar y graficar el fenómeno de Autoexcitación.
6) Explicar y graficar el principio de funcionamiento de una motor de C.C.
7) Explicar y graficar el cambio de sentido de rotación de un motor de C.C.
8) Explicar y graficar la forma de las curvas de los Motores derivación, serie y
compound.
9) Justifique porque se debe agregar 1 resistencia limitadora de corriente para el
arranque de motores.
10) Explicar y graficar como se regula la velocidad de los motores derivación y
serie.
11) ¿A qué se denominan Motores serie universales?
12) Explicar y graficar ( Fig.155) el principio de funcionamiento de un motor
universal
13) Justifique las diferencias de conexionado que existen en las figuras (156,
157,158).
14) Cómo es el rendimiento de los motores universales en C.A. con respecto a la
C.C.