Máquinas eléctricas: Máquinas rotativas de corriente

Máquinas eléctricas: Máquinas rotativas de
corriente continua
Hola compañeros, ¿qué tal lo lleváis? Seguro que bien, ¿no os parece interesante esta unidad?
¿Verdad que si? Primero los transistores, luego un estudio general sobre las máquinas
eléctricas rotativas, y ahora partiendo de ese estudio, nos metemos de lleno en un tipo de
máquinas eléctricas rotativas: Las máquinas eléctricas de corriente continua (c.c). Como sabéis
hay 2 tipos de corrientes eléctricas, por tanto habrá 2 tipos de máquinas. Estas máquinas
funcionan con c.c. y generan c.c. Se utilizan bastante, pero no tanto como las máquinas de
corriente alterna que veréis en el siguiente tema. ¿Preparados? ¡Empecemos pues!
Imagen 1. Diversos motores eléctricos
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
El fundamento de los convertidores electromagnéticos está basado en 3 principios
fundamentales de la inducción electromagnética, que conocemos perfectamente:
1. La intensidad que circula por un conductor arrollado por un núcleo de hierro, hace que
se comporta como un imán.
2. Las intensidades ejercen entre sí fuerzas a distancias.
3. Cuando se mueve un conductor en el seno de un campo magnético, se induce en él una
f.e.m.
Como datos históricos a recordar, los 2 primeros principios fueron descubiertos por
Dominique Fracois Jean Arago y André Marie Ampére, y el responsable del 3º, como ya
sabéis fue nuestro amigo y bien conocido Michael Faraday, quien en 1832 mandó construir
el primer generador eléctrico.
Todos estos principios los estudiamos en la unidad: Conceptos y fenómenos
electromagnéticos, ¿Os acordáis?
Aquí os ponemos un video donde de forma general se explica el funcionamiento de los
motores y generadores eléctricos, además del funcionamiento del motor de explosión
de 4 tiempos utilizados en los automóviles y vehículos a motor. En la finalización de
este video se presentan animaciones en 3D de motores y generadores eléctricos muy
interesantes, espero que os gusten.
Video 1. Motores eléctricos. Fuente: Youtube
Os dejo también un artículo sobre la importancia que tiene la
electromagnética para la construcción de máquinas eléctricas rotativas:
inducción
Artículo de la inducción electromagnética
En el desarrollo de este tema empezaremos describiendo los conceptos básicos de las máquinas
eléctricas rotativas de c.c., para seguidamente clasificarlas y describir su funcionamiento,
características y aplicaciones como generador y como motor. ¿Preparados? ¡Pues vamos allá!
1 Generalidades sobre las máquinas eléctricas
rotativas de c.c.
Las máquinas eléctricas rotativas se construyen combinando circuitos eléctricos con
magnéticos y partes estáticas con partes en movimiento.
De esta forma, se consigue elaborar dispositivos como los generadores (transformación de
energía mecánica en eléctrica) y los motores (transformación de energía eléctrica en
mecánica).
Los principios de funcionamiento de estos dispositivos están basados en la inducción
electromagnética y en la fuerza que desarrollan los conductores eléctricos cuando son
recorridos por corrientes eléctricas y atravesados a su vez por campos electromagnéticos.
Las máquinas eléctricas de c.c. se definen como un convertidor electromecánico rotativo
basado en los fenómenos de inducción y de par electromagnético, que transforma la energía
mecánica en electricidad, bajo los efectos de una corriente continua (generador), o
viceversa, la energía continua, en energía mecánica (motor).
El motor de c.c. puede funcionar indistintamente como motor o como generador (dinamo),
por tanto la constitución de la máquina hace que sea igual en ambos casos.
Imagen 3. Motores de c.c. de varios tamaños.
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Busca por internet imágenes y fabricantes de máquinas de corriente continua.
1.1. Principio general de funcionamiento
Funcionamiento como motor de c.c.:
Funcionan aprovechando la siguiente ley: "Cuando un conductor está inmerso en el seno de
un campo magnético y por él hacemos circular una intensidad, aparecen unas fuerzas de
carácter electromecánico que tienden a desplazarlo". ¿A que esta ley os suena familiar?
¡Claro que sí! La vimos en la unidad Conceptos y fenómenos electromagnéticos, donde
estudiamos el electromagnetismo. Esta ley satisface a la siguiente fórmula:
F=BxLxI
Para determinar su sentido se aplica la regla de Fleming de la mano izquierda, como en la
siguiente figura:
Imagen 4. Regla de la mano izquierda
Fuente: Wikipedia . Creative Commons
Funcionamiento como generador de c.c.:
Cuando movemos un conductor en el seno de un campo magnético se induce una f.e.m.
(Fenómeno de inducción electromagnética):
Einducida = B x L x V
Siendo E=f.e.m. inducida en V; v = velocidad en m/s.
El sentido de la I inducida es tal que tiende a oponerse de la causa que la originó (Ley de
Lenz: "El sentido de la corriente inducida sería tal que su flujo se opone a la causa que la
produce").
Siendo: F=Fuerza en N; B= Inducción en T. L=Longitud en m; I=Intensidad en A.
Para determinar el sentido de la Fuerza se aplica la regla de Fleming de la mano derecha,
como en la siguiente figura:
Imagen 5. Regla de la mano derecha
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Aquí os dejo un enlace a una página web donde nos resume y representa los
generadores y motores eléctricos, fijaros bien en los dibujos. Espero que os guste y
vayáis entendiendo lo que son este tipo de máquinas eléctricas:
Representación de generadores y motores eléctricos
1.2. Disposición constructiva
Debido a que el proceso de conversión de la energía mecánica en energía eléctrica es
reversible, la constitución de la máquina es idéntica para una dinamo o un motor. La
máquina consta de las partes siguientes:
Inductor:
Es la parte de la máquina destinada a producir el campo magnético (estátor). Consta de
las siguientes partes:
Culata: (Carcasa): sirve para cerrar el circuito magnético. Construida de hierro
fundido o de acero dulce.
Polos inductores: Destinados a obtener el máximo flujo con la intensidad mínima
de excitación. Son imanes permanentes o electroimanes sujetos a la carcasa.
Polos auxiliares: Sirven para mejorar los efectos de la reacción de inducido y la
conmutación (evitar la producción de chispas entre colector y escobillas). Estos efectos
los explicaremos más adelante. Se emplean en máquinas de mediana y gran potencia.
Construcción idéntica a los polos inductores.
Arrollamientos del sistema inductor: Lo forman las bobinas de excitación. Para su
construcción se emplean alambres y pletinas de cobre o aluminio.
Imagen 6. Estator de una máquina eléctrica
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Inducido:
Es la parte giratoria de la máquina, también llamada rotor. Consta de una pieza cilíndrica
formada por un núcleo de chapas magnéticas aisladas entre si por medio de barnices
montados sobre un eje. Cada chapa dispone de ranuras, donde se alojan las bobinas del
inducido, destinadas a la producción de f.e.m.
Imagen 7. Inducido de un motor eléctrico
Fuente: Banco de imágenes y sonidos del ITE
Creative Commons
Colector:
Es un cilindro formado por delgas de cobre trapezoidales, aisladas entre sí mediante mica, y
conectadas cada una a una bobina del inducido.
Imagen 8. Anillos del colector señalados en un rotor de c.c.
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Escobillas:
Son piezas de carbón o metálicas, que mantienen el contacto por frotación entre el colector
de delgas (parte móvil) y el circuito exterior (parte fija).
Imagen 9. Escobillas
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Entrehierro:
1.3. Clasificación de las máquinas de c.c.
Las máquinas de corriente continua se clasifican en:
Generadores (dinamos)
Motores de c.c.
Dependiendo del tipo de excitación pueden ser:
de excitación independiente
autoexcitación, y éstas a su vez pueden ser:
serie,
shunt o paralelo
compound.
Como podéis observar, todas las máquinas rotativas, sea del tipo que sean, siempre
se clasificarán por generadores y motores, es decir producen energía eléctrica o
generan movimiento.
2. Generadores de c.c. : Dinamos
Son máquinas que transforman la energía mecánica que reciba por un eje en energía
eléctrica, que suministran por sus bornes en forma de c.c.
Imagen 11. Dinamo
Fuente: Banco de Imágenes del ITE. Creative Commons
Imagen 12. Dinamo antigua para producir electricidad.
Museo de la Técnica de Terrasa
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
2.1. Producción de f.e.m. en una dinamo
Como hemos dicho antes se basa en la ley de inducción electromagnética:
E=BxLxv
Imagen 13. Principio de inducción electromagnética
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Si en lugar de un conductor se emplea una espira haciéndola girar en un campo magnético,
se inducirá en ella una f.e.m. alterna que puede aplicarse a un circuito exterior, por medio
de 2 escobillas, que frotan 2 anillos colectores. Si sustituimos los 2 anillos colectores por uno
solo, dividido en 2 partes (aislándolos entre sí) llamadas delgas, se obtendrá una f.e.m.
pulsatoria.
Si estudiamos la espira en varias posiciones diferentes y aplicamos la regla de la mano
derecha para determinar el sentido de la f.e.m. inducida, observamos que la Intensidad se
invierte en el conductor, pero no en el colector de delgas. Si quisiéramos invertir el sentido
de la f.e.m. bastará con invertir el sentido del movimiento o el campo magnético.
Si se emplean 2 espiras perpendiculares, llevando sus extremos a las 4 delgas del colector,
la f.e.m. será más continua. Por tanto al aumentar el nº de espiras desplazadas entre sí, la
f.e.m. resultante se va aproximando a una corriente continua pura (línea recta). Esto se
consigue en la práctica con 20 bobinas.
Imagen 14. Tensión producida por una dinamo con pocas delgas
Imagen 15. Tensión producida por una dina
Aquí os dejo un enlace a una página web donde se representa claramente cómo es un
generador eléctrico de c.c.:
Generador eléctrico de C.C.
2.2. Tensión de servicio y nomenclatura de las
máquinas eléctricas de c.c.
Bueno, bueno... esto se está poniendo muy interesante. Ya conocemos la clasificación de las
máquinas eléctricas de corriente continua, también sabemos cómo se produce electricidad en
los generadores, y antes de estudiar sus esquemas y funcionamiento de los mismos, vamos
a conocer las tensiones de servicio para su utilización y su nomenclatura, la cual hallaréis en
cualquier esquema de generadores o motores de c.c.
Con todo esto no tendréis problema en identificar dichas máquinas de c.c. ¡Vamos allá!
Tensión de servicio
Las tensiones nominales de un generador de c.c. están normalizadas y son las siguientes:
24v - 40v - 110v - 220v - 440v - 600v - 750v
Nomenclatura de las máquinas eléctricas de c.c.
Antes de poner los esquemas de cada uno de los tipos de generadores de c.c. definiremos
cual es su nomenclatura y definición de los bornes de cada una de las partes que componen
los diferentes esquemas de la máquinas de c.c. Esta nomenclatura es válida tanto para
generadores o dinamos como para motores de c.c.
Ri = AB = Devanado inducido.
Rd , Rp = CD = Devanado excitación shunt (paralelo)
Rs = EF = Devanado excitación serie
Raux, Rc = Devanado auxiliar
Rei = JK = Devanado excitación independiente.
Ra = Reostato de arranque.
Rv, Rr = Reostato de velocidad
2.3. Excitación de las dinamos
La intensidad de excitación, que es la que circula por las espiras del inductor para
producir el campo magnético puede provenir de una fuente de energía externa a la
dinamo (pilas, acumuladores), que en este caso se denominan dinamo con excitación
independiente, o también la propia dinamo puede producir la Intensidad necesaria
para su excitación, que en este caso se denominan dinamos autoexcitatrices.
En este último caso dependiendo como se coloque el circuito inductor, pueden ser:
serie, shunt o paralelo, y compound.
Esquemas de generadores de c.c. o dinamos.
Imagen 16. Esquema de un generador de corriente continua con excitación independiente.
Imagen de elaboración propia
Imagen 17. Esquema de un generador de corriente continua con excitación shunt o paralelo
Imagen de elaboración propia
2.4. Aplicaciones de los generadores de c.c.
Dependiendo de cómo sea la excitación del devanado en los generadores de corriente continua
tendremos una serie de características a tener en cuenta para poder elegir el generador que
más nos convenga. Los más utilizados son los generadores de excitación independiente y
compound.
Generador con excitación independiente:
En la gráfica se puede comprobar que la Tensión que proporciona la dinamo a la carga
disminuye al aumentar la Intensidad de carga. Esto es debido a que la Tensión se produce
en la Resistencia de inducido (Ri) aumenta proporcional a la Intensidad.
Imagen 20. Características en carga de una dinamo con excitación independiente.
Imagen de elaboración propia
Generación con excitación shunt:
En la gráfica observamos que la tensión que proporciona el generador se reduce más
drásticamente con los aumentos de la Intensidad de carga. Esto se debe a que al aumentar
la Tensión en el inducido con la carga se produce una disminución den la Vb, que provoca a
su vez, una reducción de la Iex. Esto hace que la f.e.m. inducida se vea reducida,
pudiéndose llegar a perder la excitación de la dinamo para cargar muy elevadas. Por
consiguiente se emplea cuando no hay cambios frecuentes y considerables de carga.
Imagen 21. Características en carga de una dinamo en derivación.
Imagen de elaboración propia
Generador de excitación en serie:
Toda la Intensidad que el generador suministra a la carga fluye por ambos devanados. El
inconveniente es que cuando trabaja en vacío (sin carga conectada), al ser la Intensidad
nula, ya que el circuito está abierto, no se excita.
Cuando aumenta mucho la Intensidad de carga, también lo hace el flujo inductor por lo que
a la Vb de la dinamo también se eleva, por consiguiente es muy inestable y apenas se usa
industrialmente.
Generador con excitación Compound:
Gracias a la combinación de los efectos serie y derivación en la excitación de la dinamo, se
consigue que la Tensión que suministra el generador a la carga sea más estable para
cualquier régimen de carga. Esta gran estabilidad hace que ésta sea en la práctica la más
utilizada para la generación de energía.
3. Motores de c.c.
Es una máquina de c.c. que transforma la energía eléctrica en mecánica.
Presentan los inconvenientes de que sólo pueden ser alimentados a través de equipos que
conviertan la c.a. suministrada por la red eléctrica en c.c. y que su construcción es mucho más
compleja que las de c.a. y necesitan colectores de delgas y escobillas para su funcionamiento,
necesitando trabajos de mantenimiento.
Presentan las ventajas de: poseer un par de arranque elevado y que su velocidad puede ser
regulada fácilmente entre amplios límites, lo que les hace ideales para ciertas aplicaciones:
tracción eléctrica (tranvías y trenes).
Aquí te muestro un vídeo donde se muestra cómo es el funcionamiento del motor de
corriente continua de una manera muy básica, para seguidamente poder entender todo sin
ninguna duda:
Video 2. Motores de corriente continua.
Fuente: Youtube
3.1. Principio de funcionamiento
Se basa en las fuerzas que aparecen en los conductores cuando son recorridos por una
intensidad y a su vez, están sometidos a la acción de un campo magnético: F = B x L x I.
La espira es recorrida por una intensidad que se suministra a través de un colector de delgas
y se sitúa sobre éste unas escobillas, de tal forma que esta intensidad aplicada por una
fuente de alimentación puede llegar a esta espira. Esta espira está situada entre 2 polos de
un imán, que es el encargado de producir el campo magnético.
Cómo las intensidades que circulan por ambos lados de la espira son contrarias, aparecen
unas fuerzas también contrarias en cada lado activo de la espira, lo que determina un par de
giro.
El colector de delgas se encarga de que la intensidad circule siempre en el mismo sentido en
la espira y así el par de fuerzas siempre girará también en el mismo sentido.
Video 3. Direct Current Electric Motor.
Fuente: Youtube
Si queremos invertir el sentido de giro del motor, deberemos invertir también el par de
fuerzas y esto se consigue cambiando el sentido de las intensidades del rotor y
manteniendo el campo magnético inductor constante.
3.2. Comportamiento en servicio. Características
funcionales
Cuando la intensidad recorre los conductores, se produce un par de giro en el rotor, el cual
empieza a acelerarse hasta alcanzar sus revoluciones nominales. Esta intensidad que
aparece en el inducido, dependerá de la f.c.e.m (fuerza contra electromotriz) que se
desarrolla en el mismo.
Vamos a estudiar la relación entre estas variables.
F.c.e.m.:
Cuando un motor gira, impulsado gracias al par de giro desarrollado por los conductores del
inducido cuando son recorridos por una intensidad, dichos conductores cortan en su
movimiento a las líneas de campo magnético del inductor, lo que hace que se induzca en
ellas una f.e.m. El sentido de estas f.e.m. es tal que tiende a oponerse a la causa que lo
produjo (la intensidad del inducido y la tensión aplicada al motor). Esta f.e.m. se denomina
f.c.e.m. y produce un efecto de limitación de la intensidad del inducido y su valor se obtiene
aplicando el principio de Faraday que depende del flujo magnético que corten los
conductores, así como lo rápido que lo hagan y el número de ellos.
Siendo:
E: f.e.m. entre escobillas.
2p: nº de polos de la máquina.
z: nº de conductores activos.
n: velocidad en r.p.m.
2a: nº de ramas en paralelo, que dependen del tipo de inducido (bobinado):
Imbricado simple: 2a = 2p
Ondulados: 2a = 2
La f.c.e.m. es proporcional al flujo inductor y al número de revoluciones del motor.
Un motor eléctrico de corriente continua bipolar posee dos caminos de arrollamientos
en paralelo en el arrollamiento inducido, con 700 conductores activos. En
funcionamiento normal gira a 1500 r.p.m. siendo el flujo útil por polo de 600.000
Maxwell.
Calcular la fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m)
Con esta fórmula también se puede calcular la f.e.m. inducida en una dinamo:
Calcular la f.e.m. inducida en una dinamo hexapolar que tiene 680 conductores
activos totales en el inducido, gira a 700rpm y el flujo máximo por polo es de
300mWb.
a. En el caso de que la dinamo tenga el devanado de inducido simple.
b. En el caso de que la dinamo tenga el devanado de inducido ondulado simple.
Corriente de inducido:
Cuando el motor trabaja en vacío, el par motor originado por los conductores de inducido
provoca un aumento de la velocidad del motor, debido a la poca resistencia que encuentra.
Este aumento de la velocidad, produce a su vez una mayor f.c.e.m. que limita la intensidad
del rotor a valores de intensidad de vacío.
Cuando el motor arrastra una carga mecánica, la velocidad tiende a decrecer, con lo cual
disminuye la f.c.e.m. y la intensidad aumenta, elevándose con ella el par de fuerzas. La
intensidad que el motor absorbe depende del trabajo mecánico que tenga que realizar.
Siendo:
Vb: Tensión en los bornes del motor.
E: f.c.e.m.
Ri: Resistencia de inducido
Ue: la tensión en las escobillas
En un motor de c.c. ¿Qué se entiende por corriente de excitación y por corriente de
inducido?
Intensidad absorbida en el arranque:
La intensidad absorbida en el arranque de un motor de c.c. es muy elevada, debido a que en
el momento del arranque del rotor está parado y su f.c.e.m. es nula:
Por tanto es necesario limitar a unos valores más moderados esta intensidad de arranque.
En un motor de c.c. es sencillo limitar dicha intensidad, intercalando unas Resistencias
adicionales en serie con el inducido. Según el motor va acelerando se va disminuyendo el
valor de dichas resistencias.
El reglamento electrotécnico de baja tensión (REBT), en la instrucción 034, establece
el número de veces que la intensidad de arranque de los motores puede superar a la
intensidad nominal.
Para reducir la intensidad que se absorbe en el arranque se coloca una resistencia en
serie con el inducido, el reostato de arranque, denominada Ra.
Par motor:
El par motor que desarrollan los conductores de inducido, al ser recorridos por una
intensidad, dependerá del valor de dicha intensidad y del flujo desarrollado por el campo
inductor:
También se puede expresar como la relación entre la potencia útil desarrollada por el rotor y
la velocidad angular del mismo:
Velocidad de giro:
Se obtiene combinando la ecuación de la f.c.e.m. y la intensidad de inducido:
Igualando estas 2 ecuaciones:
Y despejando la n:
La velocidad de giro de un motor de c.c. aumenta con la tensión aplicada, al disminuir la
intensidad de inducido, Ii, y al disminuir el flujo producido por el campo inductor.
Para regular la velocidad se puede hacer de 2 formas diferentes:
1. Manteniendo constante el flujo y variando la tensión aplicada.
2. Manteniendo constante la tensión y variando el flujo de excitación. Éste sistema es el
más utilizado por su sencillez, ya que es suficiente con intercalar una Resistencia variable
en serie con el circuito encargado de producir el campo magnético inductor.
Reacción de inducido:
Cuando los conductores del inducido son recorridos por una intensidad, producen un campo
magnético. La dirección de este campo transversal de reacción adquiere la misma dirección
que el eje de las escobillas, con lo que resulta ser perpendicular al campo principal producido
por los polos inductores.
El campo transversal debido a la reacción de inducido se suma vectorialmente al principal,
dando un campo magnético resultante que queda desviado de la posición original.
Imagen 23. Suma vectorial resultante debido a la reacción de inducido.
Elaboración propia
Esta desviación del campo inductor produce una serie de problemas cuando las escobillas
conmutan de una delga a otra en el colector, dando como resultado chispas que perjudican
notablemente el funcionamiento de la máquina.
Existen 2 posibilidades para evitar los efectos perjudiciales de la reacción de inducido:
1. Desviar las escobillas, hasta que el eje de las mismas coincida con la perpendicular al
campo resultante. Inconveniente: La desviación de las escobillas será adecuada para sólo
una intensidad determinada.
2. Disponer de unos polos auxiliares de conmutación. Éstos se disponen en la culata
del motor de tal forma que produzcan un campo transversal del mismo valor y de sentido
contrario al flujo transversal de reacción de reacción de inducido. Para que esto sea así los
polos de conmutación se conectan en serie con el inducido para que la intensidad por ellos
sea igual que la del inducido, de tal forma que cuando crece el campo transversal de
reacción de inducido por una aumento de la intensidad, también lo hace el flujo de
compensación producida por los polos de conmutación y así conseguiremos eliminar el
campo magnético de reacción de inducido.
Te presento una página web, donde se te muestra de una forma más detallada la
reacción de inducido. Fíjate en los esquemas y dibujos. Con ello te quedará
perfectamente claro este problemilla que se presentan en los motores de c.c.:
Reacción de inducido y fenómeno de conmutación
Fenómeno de conmutación:
Se define como la modificación de la intensidad en las secciones cortocircuitadas por las
escobillas durante la duración del cortocircuito. Las espiras pasan de un instante
determinado de una posición a otra cambiando el sentido de la corriente. Esta inversión de
corriente en la espira que está cortocircuitada bajo la presión de la escobilla puede
perjudicar a la bobina.
Imagen 24. Fenómeno de conmutación producido en el colector de delgas
Elaboración propia
La inversión de la intensidad en la bobina lleva consigo una variación de flujo que produce
una f.e.m. de autoinducción denominada "Tensión reactiva de conmutación" y que será por
tanto mayor cuanto mayor sea el valor de la variación del flujo y menor el tiempo de
conmutación.
La existencia de la tensión reactiva origina chispas en el colector de delgas y tiende a
retardar la inversión de la Intensidad según la ley de Lenz.
3.3. Balance de potencias en los motores de c.c.
Este apartado lo estudiaremos mediante un esquema y un ejercicio posterior, ya que en el
anterior tema hemos visto el balance de potencias de las máquinas eléctricas rotativas.
Mediante este ejercicio este apartado quedará perfectamente claro para poder afrontar
cualquier problema o ejercicio referido al balance de potencias de los motores de corriente
continua.
Imagen 25. Balance de potencias de los motores de c.c.
Imagen de elaboración propia
Pulsa sobre la imagen para ampliarla
De este esquema se puede ver como el motor absorbe de la red la potencia eléctrica (Pab),
mientras que en inducido únicamente se transforma en potencia mecánica una parte de ella,
denominada potencia interna o electromagnética (Pe).
De la potencia interna desarrollada en el inducido sólo una parte es aprovechada en el eje
del motor, siendo esa parte la potencia útil o mecánica (Pu):
1.
2.
3.
4.
5.
6.
¿Qué
¿Qué
¿Qué
¿Qué
¿Qué
¿Qué
es
es
es
es
es
es
el
el
la
la
la
la
rendimiento eléctrico?
rendimiento industrial?
potencia útil?
Pfe?
Pm?
Pj?
Un motor de corriente continua serie tiene una tensión en bornes de 230V y absorbe
de la red 15A. La f.c.e.m. generada en el inducido es de 220V y las pérdidas en el
hierro más las mecánicas son de 250W.
Calcular:
1. El rendimiento eléctrico.
2. El rendimiento industrial.
3. Las pérdidas de potencia por efecto Joule.
Sabiendo cómo es el balance de potencias de un motor de c.c., explica cómo sería el
balance de potencias en un generador de c.c.
Al ser un generador de c.c., puedes hacer un símil hidráulico partiendo de la Potencia
mecánica y sabiendo que su fin es la Potencia eléctrica.
Una vez estudiadas el balance de potencias de una dinamo, resolveremos unos ejercicios
relativos al balance de potencias de este tipo de máquinas de corriente continua.
Como comprobarás no son tan difíciles, ¡Vamos allá!
Ejercicio para el cálculo del par interno y potencia interna de una dinamo:
En una dinamo hexapolar que tienes 680 conductores activos totales en el inducido y
gira a 700 rpm y el flujo máximo por polo es de 30mWb, y su devanado es imbricado
simple.
Calcular:
a. Par interno, si por su inducido circulan 20A.
b. Potencia interna
3.4. Conexión de los motores de c.c. Aplicaciones
Dependiendo de cómo se conecte el devanado de excitación respecto al inducido los motores
pueden ser:
Motor con excitación independiente:
El devanado de excitación se conecta a una fuente de tensión diferente a la aplicada al
inducido. Esta separación aporta la ventaja de mayores posibilidades de regulación de
velocidad que el de derivación.
Imagen 27. Esquema de un motor de corriente continua con excitación independiente.
Imagen de elaboración propia
Se aplica donde se requiera una velocidad prácticamente constante
Motor con excitación en derivación o shunt:
El devanado de excitación se conecta en paralelo con el inducido. La velocidad de un motor
con excitación en derivación permanece prácticamente constante para cualquier régimen de
carga.
Imagen 28. Esquema de un motor de corriente continua con excitación en derivación o shunt.
Imagen de elaboración propia
Imagen 29. Gráficas de velocidad y carga en un motor con excitación en derivación o shunt.
Imagen de elaboración propia
Cuando se aumenta el par resistente aplicado al motor, la Ii aumenta para producir un par
motor igual al mismo. Dada su estabilidad, éste posee un campo de aplicación muy amplio:
máquinas, herramientas para metales, madera, plásticos...etcétera.
Un motor derivación de 4 polos posee un inducido del tipo imbricado simple con 800
conductores. La resistencia del inducido es de 0,15Ω y la del devanado inductor de
220Ω. La tensión de la red es de 220V. En condiciones nominales el motor gira a
1500 rpm. El flujo por polo vale 1.060.000 Maxwell.
Calcular:
1. Intensidad absorbida por el motor.
2. Potencia absorbida.
3. Par o momento angular interno.
4. Si la velocidad admisible en el arranque es 2 veces la nominal, deducir el valor
que deberá tener la resistencia del reostato de arranque.
5. Momento angular o par de arranque.
Motor con excitación en serie:
El devanado de excitación se conecta en serie con el inducido, por lo tanto la Iex = Ii. Según
aumenta la intensidad del motor, el motor va perdiendo velocidad. Para intensidades muy
pequeñas el motor tiende a alcanzar velocidades muy elevadas.
Imagen 31. Esquema de un motor de corriente continua con excitación en serie.
Imagen de elaboración propia
Tiene un par elevado de arranque, ya que si la intensidad es elevada, el par crecerá de
forma cuadrática a esa intensidad.
La velocidad del motor disminuye según se le exige un mayor par resistente.
Imagen 32. Gráficas de velocidad, par y par-velocidad en un motor con excitación en serie.
Imagen de elaboración propia
Pulsa sobre la imagen para ampliarla
Se utilizan para los casos que se exige un gran par de arranque: tranvías, locomotoras,
grúas... etcétera, y es muy práctica su utilización en tracción eléctrica.
Un motor serie posee una resistencia en el inducido de 0,2Ω. La resistencia del
devanado de excitación serie vale 0,1Ω. La tensión de la línea es de 220V y la f.c.e.m.
es de 215V.
Determinar:
1. La intensidad que absorbe en el arranque.
2. La intensidad nominal de la línea.
3. La resistencia a conectar para reducir la intensidad de arranque al doble de la
nominal.
Resolver el ejercicio:
a. Despreciando la caída de tensión en las escobillas.
b. Sin despreciar la caída de tensión en las escobillas.
Motor con excitación en compound:
Las características del motor compound están comprendidas entre las del motor shunt y las
del motor serie.
Estos motores se emplean en muy pocas ocasiones, debido al peligro de embalamiento para
fuertes cargas.
Aún así su mayor utilización es en grúas, tracción, ventiladores, prensas, limadores,
etcétera, y en máquinas que requieran elevado par de arranque, como compresores,
laminadoras, etcétera.
Imagen 34. Motor de c.c. de pequeña potencia.
Fuente: Banco de imágenes del ITE . Creative Commons
Este problema es de un examen de prueba de acceso a la universidad, ¿lo
hacemos?
Un motor de c.c. de excitación compound larga tiene por características:
F.c.e.m. E`= 230V.
Resistencia de inducido, Ri = 0,1Ω.
Resistencia de excitación serie, Rs = 0,1Ω.
Resistencia de excitación derivación, Rd = 40Ω.
Si se alimenta a una tensión de 240V, determinar:
1. Las corrientes que circulan por sus devanados.
2. La potencia mecánica suministrada (Potencia útil), la potencia absorbida de la
línea de alimentación, y las pérdidas de calor en sus devanados.
3. El par motor, sabiendo que gira a 1000 rpm.
Como habréis comprobado la resolución de problemas de máquinas eléctricas de corriente
continua son relativamente sencillos. Lo primero que tenéis que hacer para resolver
cualquier ejercicio de este estilo es dibujar su esquema y sustituir sus valores, al hacerlo se
queda un circuito eléctrico sencillo donde hallaréis el dato o los datos que os pidan.
Luego con el esquema del balance de potencias, el cálculo de cada una de ellas no es
complicado.
Y por último el par, que manejando bien el balance de potencias no es complicado.
En el archivo de tareas se os propondrán varios ejercicios y habrá un apartado de problemas
propuestos en PAU, PAEG, etcétera.
3.5. Inversión del sentido de giro
Existen 2 formas, cambiando la polaridad del inducido, manteniendo fija la polaridad del
devanado de excitación o viceversa.
En la práctica se suele optar por la primera, ya que invertir la polaridad de excitación
ocasiona ciertos inconvenientes.
Imagen 36: Esquema de fuerza correspondiente a la inversión de giro de un motor con excitación serie.
Imagen de elaboración propia
3.6. Regulación y control de los motores de c.c.
En la actualidad y gracias a la electrónica, ya no se suelen utilizar los reóstatos como
elementos de regulación.
Los modernos reguladores construidos a base de tiristores y sensores son capaces de
conocer en todo momento el punto de funcionamiento del motor de tal forma que se
consigue el control y regulación de todas las variables con la máxima efectividad.
Imagen 37. Motor de c.c. con excitación shunt.
Imagen 38. Motor de c.c. con excitación serie.
Fuente: Banco de imágenes del ITE. Creative Commons
Fuente: Banco de imágenes del ITE Creative Commons
Imagen 39. Motor de c.c. con excitación compound.
Fuente: Banco de imágenes del ITE. Creative Commons