PRÁCTICA 1 1− INTRODUCCIÓN MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

PRÁCTICA 1
MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA
1− INTRODUCCIÓN
Las máquinas de corriente continua fueron las primeras que se construyeron. Actualmente tienden a utilizarse
poco como generador, puesto que se sustituye por las de corriente alterna. Como motor tiene grandes
inconvenientes: son mas caros, tienen problemas de mantenimiento, técnicos... Éstos se utilizan en siderurgia,
en tracción eléctrica de trayectos cortos...
Las máquinas de corriente continua son reversibles, es decir, la misma máquina puede trabajar como
generador o como motor:
− Generadores de corriente continua
Si una armadura gira entre dos polos de campo fijos, la corriente en la armadura se mueve en una dirección
durante la mitad de cada revolución, y en la otra dirección durante la otra mitad. Para producir un flujo
constante de corriente en una dirección, o continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un
medio para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución. En las máquinas
antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el
eje de una armadura. Las dos mitades del anillo se aislaban entre sí y servían como bornes de la bobina. Las
escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contra del conmutador, que al girar conectaba
eléctricamente la bobina a los cables externos. Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto
de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la
corriente invertía su dirección dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de una
dirección en el circuito exterior al que el generador estaba conectado. Los generadores de corriente continua
funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y
el conmutador a voltajes altos. El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de
1.500 V. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia
electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo.
Los generadores modernos de corriente continua utilizan armaduras de tambor, que suelen estar formadas por
un gran número de bobinas agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura y
conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador múltiple. Si una armadura tiene un solo circuito de
cable, la corriente que se produce aumentará y disminuirá dependiendo de la parte del campo magnético a
través del cual se esté moviendo el circuito. Un conmutador de varios segmentos usado con una armadura de
tambor conecta siempre el circuito externo a uno de cable que se mueve a través de un área de alta intensidad
del campo, y como resultado la corriente que suministran las bobinas de la armadura es prácticamente
constante. Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o más polos electromagnéticos que
aumentan el tamaño y la resistencia del campo magnético. En algunos casos, se añaden interpolos más
pequeños para compensar las distorsiones que causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico
del campo.
Los generadores de corriente continua se clasifican según el método que usan para proporcionar corriente de
campo que excite los imanes del mismo. Un generador de excitado en serie tiene su campo en serie respecto a
la armadura. Un generador de excitado en derivación, tiene su campo conectado en paralelo a la armadura. Un
generador de excitado combinado tiene parte de sus campos conectados en serie y parte en paralelo. Los dos
últimos tipos de generadores tienen la ventaja de suministrar un voltaje relativamente constante, bajo cargas
eléctricas variables. El de excitado en serie se usa sobre todo para suministrar una corriente constante a voltaje
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variable. Un magneto es un generador pequeño de corriente continua con un campo magnético permanente.
− Motores de corriente continua
En general, los motores de corriente continua son similares en su construcción a los generadores. De hecho
podrían describirse como generadores que funcionan al revés. Cuando la corriente pasa a través de la
armadura de un motor de corriente continua, se genera un par de fuerzas por la reacción magnética, y la
armadura gira (véase Momento de una fuerza). La acción del conmutador y de las conexiones de las bobinas
del campo de los motores son exactamente las mismas que usan los generadores. La revolución de la
armadura induce un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto en la dirección al voltaje exterior
que se aplica a la armadura, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o fuerza contraelectromotriz.
Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido aumenta hasta que es casi igual al aplicado. La corriente
entonces es pequeña, y la velocidad del motor permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo carga
y tenga que realizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para mover la armadura. Bajo carga, la
armadura gira más lentamente, reduciendo el voltaje inducido y permitiendo que fluya una corriente mayor en
la armadura. El motor puede así recibir más potencia eléctrica de la fuente, suministrándola y haciendo más
trabajo mecánico.
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Debido a que la velocidad de rotación controla el flujo de la corriente en la armadura, deben usarse aparatos
especiales para arrancar los motores de corriente continua. Cuando la armadura está parada, ésta no tiene
realmente resistencia, y si se aplica el voltaje de funcionamiento normal, se producirá una gran corriente, que
podría dañar el conmutador y las bobinas de la armadura. El medio normal de prevenir estos daños es el uso
de una resistencia de encendido conectada en serie a la armadura, para disminuir la corriente antes de que el
motor consiga desarrollar el voltaje inducido adecuado. Cuando el motor acelera, la resistencia se reduce
gradualmente, tanto de forma manual como automática.
La velocidad a la que funciona un motor depende de la intensidad del campo magnético que actúa sobre la
armadura, así como de la corriente de ésta. Cuanto más fuerte es el campo, más bajo es el grado de rotación
necesario para generar un voltaje inducido lo bastante grande como para contrarrestar el voltaje aplicado. . Por
esta razón, la velocidad de los motores de corriente continua puede controlarse mediante la variación de la
corriente del campo.
Las escobillas cierran el circuito de la fuente con las dos delgas y la espira conectada a ellas, de esta forma
circula corriente por las espiras, como esto ocurre dentro de un campo magnético, aparecen fuerzas sobre las
espiras y el rotor comienza a girar.
Como la espira gira dentro del campo lo hace cortando líneas de campo, lo mismo ocurre con las fuerzas, pero
esto induce una fuerza electromotriz que se opone a la de la fuente y se denomina fuerza contra electromotriz
(fcem) según la ley de Lenz.
V = fcem + I·Ri
Donde: V: tensión de la fuente.
fcem: fuerza contra electromotriz (E).
Ri: resistencia interna de la máquina (resistencia de las espiras más resistencia de los carbones).
Multiplicando ambos términos por la corriente:
V·I = I·E + I2·Ri
Donde: V.I: Potencia absorbida.
I.E: Potencia mecánica.
I2.Ri: Potencia disipada en el cobre.
Si:
E = k··n
Donde:
: Flujo del campo.
n: velocidad de giro (r.p.m.)
Se tiene la fórmula principal de la máquina:
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E = k··n + I·Ri
De donde se deduce que para cualquier máquina de corriente continua disminuye el campo disminuyendo el
número de vueltas.
n = V − I·Ri
k·
2 − CONSTITUCIÓN
Estator: Parte fija formada por polos salientes y culata.
Inductor: Devanado formado por bobinas situadas a¡rededor del núcleo de los polos principales. que al ser
recorridos por la corriente de excitación crea el campo magnético inductor .
Rotor: Parte móvil que gira alrededor del eje.
Entrehierro: Distancia entre los polos principales y el rotor.
Inducido: Devanado situado en las ranuras del rotor y que por la influencia del campo eléctrico, es objeto de
fuerzas electromotrices inducidas y de fuerzas mecánicas.
Zonas neutras: Puntos del inducido en los que el campo es nulo.
Colector: Cilindro formado por delgas de cobre endurecido separadas por aislante, conectadas al inducido y
giran conjuntamente con él.
Escobillas: Piezas conductoras metalografíticas resistentes al rozamiento que estando fijas frotan con el
colector móvil conectando el inducido con el exterior, al tiempo que provoca la conmutación para que trabaje
con corriente continua.
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Polos auxiliares: Polos salientes situados entre los polos principales. cuyo arrollamiento está conectado en
serie con el inducido de forma que al crear un campo contrario al de reacción del inducido evita sus problemas
y provoca una buena conmutación sin chispas.
3 − FUNDAMENTOS TEÓRICOS
La máquina de corriente continua es un convertidor electromecánico de energía reversible, basado en los
fenómenos de inducción electromagnética, que transforma la energía mecánica que recibe por su eje en
energía eléctrica de corriente continua cuando funciona como generador (dínamo) o viceversa si funciona
como motor. Esto es, transforma la energía eléctrica de corriente continua que recibe por sus bornes en
energía mecánica que cede por su eje.
El sentido de giro en los generadores lo impone el sistema motriz y en los motores el sentido del campo
magnético y la corriente del inducido.
El campo inductor lo crea el sistema inductor de los polos principales pero las corrientes que circulan por el
inducido determinan el llamado campo de reacción del inducido y la superposición de ambos da lugar al
campo real resultante.
El devanado inductor puede ser independiente del inducido o conectarse con él, en cuyo caso su constitución
es diferente con objeto de limitar las caídas internas de tensión y las pérdidas de energía de forma que un
devanado en conexión serie tiene pocas espiras de hilo grueso, mientras que el conectado en derivación
(shunt) está formado por muchas espiras de hilo fino.
El campo de reacción del inducido provoca una serie de inconvenientes que disminuyen el rendimiento de la
máquina y junto con otros factores propios de la conmutación (inversión de la corriente en las bobinas
cortocircuitadas por las escobillas a través de las delgas del colector) favorecen la aparición de chispas
perjudiciales en el colector .
Para evitar estos inconvenientes se utilizan unos polos auxiliares situados entre los polos principales cuyas
bobinas se conectan en serie opuesta con el inducido para excitarse con la corriente del mismo. Como
excepción en máquinas pequeñas se prescinde de ellos o se dispone de la mitad del número de polos
principales.
− Nomenclatura de los circuitos:
Inducido.........................................A − B
Polos de conmutación...................G − H
Excitación independiente...............J − K
Excitación serie..............................E − F
Excitación derivación.....................C − D
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