Descripción de las máquinas de corriente directa

Descripción General de las máquinas de corriente directa
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA
“DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS
MÁQUINAS DE CORRIENTE DIRECTA “
MONOGRAFÍA
Que para obtener el título de:
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA
PRESENTA:
FÉLIX RAMOS OLOARTE
DIRECTOR:
ING. AUGUSTO FERNÁNDEZ RAMÍREZ
XALAPA, VER.
Ramos Oloarte Félix
AGOSTO 2011
Página i
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Félix
Página ii
Descripción General de las máquinas de corriente directa
EL PRESENTE TRABAJO ESTÁ DEDICADO
CON AMOR A MIS FAMILIARES AMIGOS y
MAESTROS QUE CON SU APOYO Y
COMPRENSIÓN HICIERON POSIBLE SU
REALIZACIÓN.
LES AGRADEZCO A LOS MAESTROS QUE NO
SÓLO ME BRINDARON SU APOYO EN LA
REALIZACIÓN DE ESTA MONOGRAFÍA
TAMBIÉN RECIBÍ SU VALIOSA AYUDA EN EL
TRANSCURSO DEL TIEMPO EMPLEADO
PARA CURSAR TODA LA CARRERA
Ramos Oloarte Félix
Página iii
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Monografía para obtener el título
de Ingeniero Mecánico Eléctrico
titulada
“Descripción general de las
máquinas de corriente directa”
Presenta
Ramos Oloarte Félix
Xalapa ver.
Agosto de 2011
Ramos Oloarte Félix
Página iv
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Introducción
Capítulo 1
Historia de las máquinas de Corriente
Directa
Capítulo 2
Descripción y componentes de las maquinas
de Corriente Directa
Capítulo 3 Tipos de máquinas de Corriente Directa
Capítulo 4
Pérdidas en las máquinas de Corriente
Directa
Capítulo 5 Problemas con el funcionamiento en las
máquinas de Corriente Directa
Capítulo 6
Directa
Mantenimiento de las máquinas de Corriente
Conclusiones
Bibliografía
Ramos Oloarte Félix
Página v
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Contenido
Hoja de presentación
i
Documento de aprobación
ii
Dedicatoria y agradecimiento
iii
Contenido breve
v
Contenido
vi
Introducción
1
Capítulo 1
6
Historia de las máquinas de corriente directa
1.1 Leyes fundamentales
12
Ley de inducción de Faraday
12
Fuerza electromotriz de autoinducción y de
inducción mutua
13
Ley del circuito del campo magnético
15
Fuerzas ejercidas sobre los conductores de un campo
magnético (ley de Biot Savart)
17
Capítulo 2 Descripción y componentes de las máquinas de
corriente directa
22
2.1 Principios de funcionamiento de los generadores
22
2.2 Características de los motores de corriente directa
28
2.3 Componentes de las máquinas de corriente directa
29
Estator
30
Ramos Oloarte Félix
Página vi
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Carcasa
33
Piezas polares
33
Devanado inductor
34
Expansión polar
34
Polo auxiliar o de conmutación
34
Culata
35
Base
35
Tapas
35
Rotor ó armadura
36
Eje del rotor
37
Armadura
38
Devanado inducido
39
Bobinas del rotor
40
Devanado imbricado
43
Devanado ondulado
44
Devanado pata de rana
46
Núcleo del inducido
46
Conmutador
47
Escobillas
48
Entrehierro
49
Cojinetes
49
Caja de conexiones
51
Carcasa
51
Ramos Oloarte Félix
Página vii
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Placa de características
Capítulo 3 Tipos de máquinas de corriente directa
52
62
3.1 Dínamo tipo shunt
63
3.2 Dínamo serie
66
3.3 Dínamo compound
67
3.4 Generador de tres hilos
72
3.5 Generador homopolar
73
3.6 Generador con escobillas de regulación
74
3.7 Generador con polos en derivación
75
3.8 Generador para soldadura eléctrica
76
3.9 Aplicaciones de los generadores
77
3.10 Motores de corriente directa
79
3.11 Motores de corriente directa de imán permanente
79
3.12 Motores de corriente directa sin escobillas
80
3.13 Servomotores de corriente directa
80
3.14 Motores de corriente directa con campo devanado
81
3.15 Motores en derivación
81
3.16 Motor devanado serie
83
3.17 Motor compound
84
3.18 Motor WEG
84
3.19 clasificación de las máquinas según la NEMA
86
3.20 Aplicaciones de los motores de corriente directa
88
Ramos Oloarte Félix
Página viii
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Capítulo 4 Pérdidas en las máquinas de corriente directa
93
4.1 Pérdidas debidas al flujo principal
96
Pérdidas en el hierro del rotor
96
Pérdidas en las caras del polo
98
4.2 Pérdidas en el cobre
4.3 Pérdidas debidas a la corriente en el inducido
Pérdidas por efectos Skin
99
100
100
4.4 Pérdidas por rozamiento y resistencia del aire
102
4.5 Pérdidas mecánicas
103
4.6 Pérdidas diversas o varias
103
Capitulo 5 problemas en las máquinas de corriente directa
105
5.1 Problemas de conmutación en máquinas reales
105
5.2 Solución a los problemas de conmutación
107
Corrimiento de las escobillas
107
Polos auxiliares
108
Devanados de compensación
109
5.3 Operación en paralelo de las máquinas de corriente
directa
Ramos Oloarte Félix
109
Página ix
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Acoplamiento en paralelo de dos dínamos shunt
114
Acoplamiento en paralelo de dos dínamos compound 116
Capítulo 6 Mantenimiento a las máquinas de corriente directa 120
6.1 mantenimiento predictivo
123
Datos de placa
123
Inspección visual
123
Análisis de rodamientos
123
Análisis de vibraciones
123
Informe final
123
6.2 Reparación de las máquinas
124
Reparación del inducido
125
Ajustar la longitudinal del eje
125
Ajuste de las delgas del colector
125
Rebobinado del inducido
126
Equilibrio del inducido
126
Reparación de los cojinetes
126
6.3 Como implementar un óptimo mantenimiento
127
Mantenimiento
127
Documentación técnica
127
Historial del mantenimiento
128
Modificaciones
128
Reparaciones
128
Ramos Oloarte Félix
Página x
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Paradas y horas de funcionamiento
128
Actualizaciones
129
Uso de ideologías en el mantenimiento de las máquinas de
Corriente directa
129
Conclusiones
132
Bibliografía
134
Ramos Oloarte Félix
Página xi
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Introducción
El desarrollo del presente trabajo se hace en relación con el principio de
funcionamiento de las distintas versiones de máquinas eléctricas de corriente
directa que existen, dado el amplio campo para el cual son utilizadas. El
entendimiento de las máquinas de corriente continua, permiten no solo a los
ingenieros si no a las personas en general una eficaz elección además de la
posibilidad de evitar situaciones en las que se produzcan accidentes a causa del
uso u operación inadecuada de los equipos que trabajan con este tipo de energía.
En nuestra vida ha tomado gran importancia le energía eléctrica utilizada en la
iluminación que sería casi imposible vivir sin ella. En muchos momentos de
nuestra vida estamos en contacto con linternas, encendidos de automóviles,
radios portátiles, reproductores de audio y video, computadoras portátiles,
celulares, etc. Los cuales utilizan baterías como fuente de electricidad. Para estos
aparatos la energía tomada de la batería es relativamente baja, por lo cual, la
batería nos suministra corriente durante un periodo relativamente largo de tiempo
sin necesidad de cargarla nuevamente. Las baterías trabajan en buenas
condiciones cuando alimentan a dispositivos que consumen poca potencia. En la
actualidad existe gran variedad de baterías pero no son capaces de alimentar
dispositivos que requieren una potencia considerable para su funcionamiento.
La mayor parte de los equipos eléctricos requieren grandes cantidades de
corriente y tensiones altas para poder funcionar. Por ejemplo, las luces de los
automóviles y los motores, requieren tensiones e intensidades de corriente
mayores a las que puede suministrar una batería común para su normal
funcionamiento.
Por esto se requieren fuentes de electricidad que no sean baterías para abastecer
grandes cantidades de corriente. Estas grandes cantidades de corriente las
suministran más máquinas eléctricas rotativas que reciben el nombre de
generadores “dinamoeléctricos”. Los generadores dinamoeléctricos pueden
suministrar corriente continua para canalizarla a la utilización específica que
requiera el usuario. El generador puede diseñarse para altas o bajas corrientes.
Si faltara la energía eléctrica que producen los generadores, el mundo actual
quedaría prácticamente paralizado, ya que la mayoría de las actividades que
realiza el ser humano depende en su totalidad de la energía eléctrica. Si miramos
a nuestro alrededor nos daremos cuenta de la importancia de la corriente eléctrica
que producen los generadores en nuestro mundo moderno, el sistema de
alumbrado, las fábricas y todos los procesos industriales están accionados por la
Ramos Oloarte Félix
Página 1
Descripción General de las máquinas de corriente directa
corriente eléctrica que producen los generadores. Los generadores son tan
importantes en la vida moderna, como el corazón en la vida de nuestro organismo.
Sabemos que se puede producir electricidad haciendo que un conductor atraviese
un campo magnético. Este es el principio de producción de corriente de cualquier
generador, desde el más pequeño hasta los gigantescos que producen miles de
kilovatios de potencia.
Fig. 1 Grúa utilizada
ampliamente en la industria
este tipo de máquina es
movida por un motor de
corriente directa.
Los dispositivos eléctricos que necesitan de la corriente continua son tan
importantes en nuestra vida como los que usan la corriente alterna. La corriente
continua presenta una gran ventaja sobre la corriente alterna, esta es que se
puede almacenar. La desventaja que presenta es que no es posible su transporte
a grandes distancia debido a la pérdida que se presenta en los conductores al
menos que esta se transporte a muy elevados niveles de voltaje el cual representa
un costo muy elevado y casi imposible en su producción.
Ramos Oloarte Félix
Página 2
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 2 Máquina herramienta que
usa un motor de corriente
directa, en la parte inferior tiene
un compartimiento para el
alojamiento de la batería la cual
brinda la energía necesaria para
su funcionamiento
En los automóviles se utiliza una batería para almacenar temporalmente la energía
eléctrica para su uso posterior, el uso de la energía eléctrica en los automóviles es
de gran importancia ya que si ella sería imposible que nos pudiéramos transportar
de un sitio a otro durante la noche en por lugares en los cuales no se dispone de
la corriente alterna para la iluminación de caminos.
Fig. 3 El automóvil es un
ejemplo de donde usan
la corriente directa.
Ramos Oloarte Félix
Página 3
Descripción General de las máquinas de corriente directa
La corriente continua no solo es de gran importancia en los dispositivos
mencionados, en la industria existen gran cantidad de procesos en los cuales es
fundamental tener una gran precisión en la velocidad. En lo cual los motores de
corriente directa tienen una gran aplicación debido a la facilidad con la cual es
posible regular su velocidad.
Fig. 4 Motor usado
comúnmente en la industria
del papel.
Los generadores y motores de corriente directa que existen en la actualidad tienen
su aplicación dependiendo de sus características ya que los primeros pueden
ofrecer un nivel bajo o alto de voltaje y la intensidad de corriente puede variar. Los
motores pueden ofrecer alto par de arranque aun cuando estén sometidos a
carga, según la aplicación que se tenga es la máquina que se va a elegir siempre
buscando hacer la mejor elección.
Fig.5 Acople de un
Dinamo a una
bicicleta.
Ramos Oloarte Félix
Fig. 6 Muestra de las baterías
existentes en el mercado para
alimentar de energía a las
linternas y a los motores de
Corriente directa de los juguetes.
Página 4
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 7 En la imagen se puede
apreciar un motor de 200 HP.
Motor usado en la industria
papelera. La aplicación de
este motor es debido a que se
requiere una velocidad
uniforme en los rodillos
utilizados ampliamente en
este tipo de industria.
Ramos Oloarte Félix
Página 5
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Capitulo 1. Historia de las máquinas de corriente directa
Durante 1831 y 1832 el británico Michael Faraday descubre que un conductor
moviéndose en un campo magnético generaba una diferencia de potencial. “La
ley de la inducción”. Que inicio de fase al diseño construcción y operación de
todas las máquinas electromagnéticas y al mismo tiempo construye el primer
generador Homo Polar empleando un disco de cobre que giraba con ayuda de una
manivela entre los extremos de un imán con forma de herradura. Generándose
así una pequeña corriente continua. Este diseño fue muy utilizado como generador
de energía eléctrica en bicicletas para alimentar bombillas de poca intensidad
Fig. 8 Generador Homopolar de
Michael Faraday.
El dinamo fue el primer generador eléctrico apto para uso industrial, pues el
primero basado en los principios de Faraday. Fue construido en 1832 por el
fabricante francés de herramientas Hippolyte Pixii quien perfeccionó la
construcción de Faraday, su invento se basaba en el empleo de un imán
permanente que giraba por medio de una manivela. Este imán estaba colocado de
forma que sus polos norte y sur pasaban al girar junto a un núcleo de hierro con
un cable eléctrico enrollado (como un núcleo y una bobina). Pixii descubrió que el
imán giratorio producía un pulso de corriente en el cable cada vez que uno de los
polos pasaba junto a la bobina; cada polo inducia una corriente en sentido
contrario, esto es, una corriente alterna. Añadiendo al esquema un conmutador
eléctrico situado en el mismo eje de giro del imán, Pixii convirtió la corriente
alterna en corriente continua.
En 1831 aparece el primer generador británico, inventado por Michael Faraday. En
1836 Hippolyte Pixii, un francés que se dedicaba a la fabricación de instrumentos,
tomando como base los principios de Faraday, construyó la primera dinamo,
llamada Pixii’s dynamo. Para ello se utilizó un imán permanente que se giraba
mediante una manivela. El imán se colocó de forma que sus polos norte y sur
quedaran unidos por un pedazo de hierro envuelto con un alambre. Entonces se
dió cuenta que el imán producía un impulso de corriente eléctrica en el cable cada
vez que transcurría un polo de la bobina. Para convertir la corriente alterna a una
Ramos Oloarte Félix
Página 6
Descripción General de las máquinas de corriente directa
corriente directa ideó un colector que era una división de metal en el eje del
cilindro, con dos contactos de metal.
Fig. 9 Dínamo de
Pixii
A partir de estos dos generadores de laboratorio durante 30 años se construirían
innumerables generadores experimentales con el fin de sustituir con gran ventaja
las baterías usadas en varias aplicaciones de la energía que se estaba
desarrollando en esa época.
En 1849 la casa Alliance construye un generador de imanes permanentes
(magnetoeléctrico) de Florise Nollet. La bobina del inducido está montada sobre
un tambor que gira entre un gran número de imanes permanentes. A pesar de ser
muy aparatoso, se comenzó a utilizar en las industrias de dorado y plateado, así
como para alimentar las primeras lámparas eléctricas de arco que se instalaron en
los faros usados en esa época.
Fig. 10 Generador creado por
Florise Nollet
En 1860 Antonio Pacinotti, un científico italiano, ideó otra solución al problema de
la corriente alterna. Resolvió esto reemplazando la bobina giratoria por una de
Ramos Oloarte Félix
Página 7
Descripción General de las máquinas de corriente directa
forma toroidal, así, siempre estaba una parte de la bobina influida magnéticamente
por los imanes, suavizando la corriente.
Fig. 11 Dínamo de
Pacinotti
En 1865 un hombre llamado Henry Wilde sustituye los imanes permanentes por
electroimanes, cuyas bobinas inductoras se alimentan por medio de una fuente
exterior, que puede ser una batería de pilas eléctricas o un generador
magnetoeléctrico más pequeño, llamado excitatríz. Las tensiones que de este
modo se obtienen en el inducido son considerablemente mayores.
En 1867Georg Wilhelm Von Siemens inventa e introduce a la máquina dínamo
eléctrica la excitación propia lo que hace que aumente el empleo de los
embobinados de anillo cerrado pues hasta esa fecha se había usado una fuente
externa para la excitación. Al mismo tiempo que Georg Wilhelm Von siemens
introducía la excitación propia Helmer Atlenek introducía el uso del inducido con
embobinado en forma de tambor con los conductores periféricos concentrado en
forma apropiada.
En 1871 Zénobe diseñó la primer central comercial de plantas de energía, que
operaba en parís en la década de 1870. Una de sus ventajas fué la de idear un
mejor camino para el flujo magnético, rellenando el espacio ocupado por el campo
magnético con fuertes núcleos de hierro y reducir al mínimo las diferencias entre el
aire inmóvil y las piezas giratorias. El resultado fue la primera dinamo como
máquina para generar cantidades comerciales de energía para la industria.
La dínamo de Gramme
Los diseños de Faraday y Pixii sufrían del mismo problema: inducían picos
repentinos de corriente sólo cuando los polos norte o sur del imán pasaban cerca
de la bobina; la mayor parte del tiempo no generaban nada.
Ramos Oloarte Félix
Página 8
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 12 Arrollamiento de
Grame
Posteriormente Zénobe Gramme reinventó el diseño al proyectar los primeros
generadores comerciales a gran escala, que operaban en parís en torno a 1870.
Su diseño se conoce como la dinamo de Gramme cuya configuración se extiende
rápidamente a todas las aplicaciones industriales.
Fig. 13 Dínamo de
Gramme
En 1872 se logro hacer una máquina con inducido de tambor de Siemens, de
menores dimensiones y mayor eficacia que el inducido de anillo. Es el primer
generador de grandes dimensiones que se aproxima en su construcción a los
dinamos actuales.
Fig. 14 Generador creado por
Siemens.
Ramos Oloarte Félix
Página 9
Descripción General de las máquinas de corriente directa
A partir de entonces se han realizado nuevas versiones con mejoras, pero el
concepto básico de bucle giratorio sin fin permanece en todas las dinamos
modernas.
Uno de los usos más comunes que se le dio a la dinamo fue el de generador de
energía eléctrica para el automóvil. A medida que, desde el principio del siglo XX,
los automóviles se iban haciendo más complejos, se demostró que los sistemas
de generación de energía eléctrica con los que se contaba (principalmente
magnetos) no eran suficientemente potentes para satisfacer las necesidades del
vehículo. Esta circunstancia favoreció la implantación paulatina de la dinamo en el
mismo.
En 1905 Norggeranth construyo para la General Electric una máquina Homo
Polar que serviría de modelo para construir algunos de mayor capacidad que
generan de 300 a 500 volts y que giran a 3000 rpm.
Mientras tanto, a pesar de los primeros motores de corriente continua de tipo
experimental, desarrollados por Barlow (1822), Henry (1831), Jacobi (1845),
Froment (1845), Deprez (1865), todos ellos alimentados con pilas y basados en la
atracción y repulsión entre imanes o electroimanes, en esa época la gente se
encontraba desanimada por tener gran dificultad al intentar construir motores
eléctricos de aplicación industrial suficientemente eficaces.
Ramos Oloarte Félix
Página 10
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 15 Motor usado en la
industria en un principio.
Hasta esa época a nadie había descubierto o se le había ocurrido que los
generadores eléctricos de corriente continua pueden reversibles y que es posible
utilizarlos como motores. Parece ser que dicho descubrimiento se dió como
consecuencia de una avería que se produjo durante la Exposición Universal de
Viena de 1873.
Una vez conocido el principio de reversibilidad de los generadores de corriente
continua, la aplicación de los motores eléctricos con inducido de tambor tipo
Siemens se extendió a múltiples aplicaciones industriales y de tracción (máquinas
agrícolas, grúas). La consagración definitiva de los motores de corriente directa
vino con la construcción de la primera locomotora eléctrica para remolcar
vagonetas con carbón en las minas alemanas, por parte de Siemens y Halske, en
el año de 1879. Fue presentada en la Exposición Universal de Berlín, en una
demostración pública en la que arrastraba tres vagonetas con 6 personas cada
una. El desarrollo de la tracción eléctrica en tranvías y ferrocarriles fue en adelante
muy rápido, hasta el punto de que en menos de 20 años se dispuso de
locomotoras capaces de alcanzar hasta los 200 Km/h.
Ramos Oloarte Félix
Página 11
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 16 Tren movido por uno de los primeros motores de
corriente directa.
1.1 Leyes fundamentales
Todas las máquinas eléctricas, tanto las de corriente continua como las de
corriente alterna, funcionan según los mismos principios básicos y sólo unas
pocas leyes fundamentales gobiernan el comportamiento de estas máquinas. Es
conveniente tener un conocimiento sobre estas leyes fundamentales para el
estudio de las máquinas eléctricas.
1.- Ley de inducción de Faraday.
2.- Ley de Kirchhoff del circuito eléctrico.
3.- Ley del circuito del campo magnético (ley de Ampere).
4.- Ley de la fuerza ejercida sobre un conductor en un campo magnético (ley
de Biot y Savart).
1.- Ley de inducción de Faraday. Fuerza electromotriz inducida en un circuito
conductor cerrado debido al flujo producido por un imán. La ley de inducción de
Faraday establece: si el flujo magnético concatenado con un circuito conductor
cerrado varía, se induce una fuerza electromotríz en el circuito.
Si φ representa el flujo concatenado con el circuito y
durante el tiempo
la variación de flujo
entonces el valor de la f.e.m. inducida es proporcional a la
velocidad de variación del flujo,
Ramos Oloarte Félix
Página 12
Descripción General de las máquinas de corriente directa
El sentido de la f.e.m. inducida viene determinado por la ley de Lenz, lo cual
establece que la intensidad producida por la f.e.m. inducida se opone a la
variación del flujo.
e=-
Volts
La ley de inducción de Faraday, ecuación anterior, puede interpretarse también
de otra manera. En esta interpretación,
es la f.e.m. total inducida en el circuito
cerrado; o sea, si dicho circuito estuviera abierto en algún lugar y se insertara un
oscilógrafo, el valor de
medido en cada instante debería ser el del circuito
completo. En realidad,
es la suma de todas las f.e.m. elementales,
inducen en los elementos individuales,
, que se
, del circuito, la ecuación mencionada se
puede escribir de la siguiente forma
e
=-
Donde
Volts.
es el componente de la intensidad de campo eléctrico
en el sentido de
. Estas ecuaciones establecen que cada variación en las líneas de flujo
concatenadas a un circuito produce un campo eléctrico en el circuito, y la integral
curvilínea de la intensidad de este campo eléctrico (la f.e.m. inducida) es igual a
-
.
2.- Fuerza electromotriz de autoinducción y de inducción mutua. En el
apartado anterior se expuso que sí el flujo se produce mediante un imán y la
variación del flujo concatenado se debe al movimiento relativo entre una bobina y
un imán. Según la ley de inducción de Faraday, es sólo una variación del flujo
concatenado lo que hace que aparezca una f.e.m. en un circuito la cual va a ser
producto de este flujo.
Si es que el flujo varía en un circuito determinado debido a la variación de
intensidad de corriente en este se va a generar una f.e.m. en este circuito, o si el
flujo de un circuito adyacente cambia por variación de la intensidad en éste último
circuito.
En el primer caso ésta f.e.m. será una f.e.m. de autoinducción; en el segundo caso
una f.e.m. de inducción mutua.
En el caso de autoinducción, el flujo concatenado del circuito viene determinado
por su propia intensidad
Ramos Oloarte Félix
Página 13
Descripción General de las máquinas de corriente directa
=
ó
L es el coeficiente de autoinducción. De acuerdo con la ecuación anterior es el
flujo concatenado por unidad de intensidad. El valor de L depende de la
disposición geométrica de los conductores, del número de espiras y de la
naturaleza magnética del medio ambiente. El último factor mencionado juega un
papel importante en el valor del flujo
y del flujo concatenado. Si el medio
ambiente contiene materiales fotomagnéticos, la resistencia magnética
(reluctancia) es mucho menor y el flujo
es mucho mayor para la misma
intensidad que cuando no hay materiales ferromagnéticos presentes en el medio
ambiente.
Cuando no hay materiales ferromagnéticos presentes en el medio ambiente el flujo
es directamente proporcional a la fuerza magnetizante (la intensidad) y, por
consiguiente, en este caso el coeficiente de autoinducción
de la ecuación
anterior es constante. Por otra parte en los materiales ferromagnéticos, el flujo y la
fuerza magnetizante están relacionados mediante la curva de magnetización del
material que no es lineal; por lo tanto el coeficiente de autoinducción
no es
constante en este caso, si no que varia con la fuerza magnetizante
Para
constante, de acuerdo con la ecuación discutida anteriormente la f.e.m. de
autoinducción es:
Donde
=
se mide en Henry.
En el caso de inducción mutua, el flujo concatenado del circuito es:
El coeficiente de inducción mutua
depende de las mismas cantidades que , y
también de la posición relativa de ambos circuitos entre sí. Para
constante, la
f.e.m. de inducción mutua es.
Volts
Y viceversa
Volts
Ramos Oloarte Félix
Página 14
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Donde
se mide en henry.
3.- Ley del circuito del campo magnético (ley de Ampére). También se
establece una relación parecida a la ecuación
=-
x
Volt.
Para el circuito magnético o sea para un circuito cerrado por el cual circula un flujo
magnético. Si
es la intensidad de campo magnético en el elemento
del
circuito magnético,
magnético, e
el número de espiras que están atravesadas por el flujo
la intensidad que circula por el arrollamiento, entonces la ecuación
correspondiente es:
Esta ecuación establece que la integral curvilínea de la intensidad de campo
magnético a lo largo de un camino cerrado es igual a la suma de ampervueltas
con los cuales este camino está concatenado.
La siguiente figura muestra un solenoide y el flujo producido por él. La integral
curvilínea
es la misma para las tres líneas cerradas (1,2 y 3) puesto que
las tres están concatenadas con todas las espiras del solenoide y, por lo tanto, NI
es igual para los tres. El valor de
no depende de la forma o la longitud de
la línea de de fuerza seleccionada, con tal de que la línea de fuerza esté
concatenada con la totalidad de las N espiras. Para una línea larga tal como la 3,
el número de términos
que aparece en la suma aumentará, pero la intensidad
de campo será tanto más pequeña cuanto mayor sea la distancia a la bobina.
Ramos Oloarte Félix
Página 15
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 17 Flujo producido por
un solenoide.
La ecuación anterior puede ponerse fácilmente de forma parecida a la ley de Ohm
para el circuito eléctrico. Para la inducción magnética , la relación que se
establece es
Donde
es una constante igual a
y
es la permeabilidad relativa del
material, o sea, el cociente entre su permeabilidad y la permeabilidad en el
espacio libre (en el vacio). En las ecuaciones anteriores la intensidad está
expresada en ampéres,
en amper-vueltas por centímetro, que, en cuanto a
dimensiones fundamentales concierne, es lo mismo que ampére por centímetro,
en gauss, y
en gauss centímetro por ampére.
Para el aire
, mientras que para el hierro
es una variable que depende de
la saturación. Como ejemplo, la figura muestra el valor de
intensidad de campo
caso
en función de la
para un acero laminado eléctrico (1.0% de silicio); en este
presenta un valor máximo de 6100. Los valores de
verse en la figura. La curva
también pueden
se denomina curva de magnetización del material
en cuestión. Esta curva se usa en el cálculo de los circuitos magnéticos.
Ramos Oloarte Félix
Página 16
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 18 Inducción
permeabilidad
y
en función de
la intensidad del campo
magnético .
4.- Fuerzas ejercidas sobre los conductores de un campo magnético (ley de
biot y Savart).
Intensidad y sentido de la fuerza. Cuando un conductor por el cual circula una
corriente se coloca en un campo magnético se ejerce una fuerza sobre él. Si el
sentido de las líneas de inducción forma un ángulo α con el sentido de la
intensidad en el conductor, esta fuerza está dada por la siguiente ecuación:
(Libras)
Donde 𝑙 es la longitud del conductor en el campo magnético, en pulgadas,
intensidad en amperes, y
la
la intensidad del flujo (en líneas por pulgada cuadrada)
en el que está situado el conductor.
Ramos Oloarte Félix
Página 17
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 19 Fuerza
ejercida sobre un
conductor, por el que
circula corriente,
situado en un campo
magnético.
Fig. 20 Determinación
del sentido de la fuerza
sobre un conductor, por
el que circula corriente,
situado en un campo
magnético.
En las máquinas eléctricas vamos a encontrar que siempre, las líneas de
inducción y los conductores son siempre perpendiculares entre sí: por
consiguiente, en las máquinas eléctricas
(Libras)
El sentido de la fuerza
sobre el conductor puede determinarse mediante la regla
de la mano izquierda: esto se hace de la siguiente manera abriendo la mano
izquierda, pongamos dedos juntos y el mismo plano que la palma pero formando
un ángulo con los demás dedos. Si los dedos apuntan en el sentido de la
corriente, y el flujo entra por la palma formando un ángulo recto con ellos, el pulgar
apunta en el sentido de la fuerza ejercida.
Otra regla para la determinación del sentido de la fuerza
es la siguiente: dibujar
algunas líneas de inducción , dibujar un círculo entre las líneas representando la
sección transversal del conductor e indicar mediante dos flechas a a en el sentido
del campo debido a la intensidad en el conductor. El conductor tenderá a moverse
hacia la región de campos opuestos.
De estas reglas se deduce que la fuerza
forman y
siempre es perpendicular al plano que
.
Sentido de la fuerza en una máquina eléctrica. Consideremos la fuerza sobre la
bobina situada entre dos polos como se indica en la figura.
Ramos Oloarte Félix
Página 18
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 21 Fuerza ejercida sobre
una bobina de una máquina
eléctrica.
En la figura anterior se muestran el sentido de las fuerzas ejercidas sobre los dos
lados de la bobina. Debido a la gran diferencia entre las permeabilidades del aire y
del hierro, las líneas de inducción en el entrehierro son perpendiculares al hierro y
por tanto las fuerzas son tangenciales al inducido. Las fuerzas ejercidas sobre
ambas partes actúan como un par y tienden a hacer girar la bobina respecto al eje
del inducido. El par en cada conductor correspondientes a la fuerza , es igual a
, siendo
el radio del inducido. De acuerdo con la ley de acción y reacción,
este par actúa no solamente sobre los conductores sino también sobre los polos
magnéticos.
La ecuación
para las fuerzas y las figuras vistas en la
página anterior muestran que el sentido del par cambia si lo hace el sentido del
flujo o el de la intensidad. Cambiando simultáneamente el sentido de la intensidad
y del flujo no varía el sentido del par. Esto explica porqué es posible un par
unidireccional en una máquina de corriente continua.
Las fuerzas que aparecen en la figura de la parte superior se refieren a un
generador que es accionado (por una máquina motríz) en sentido horario es decir
en el mismo sentido en que giran que las agujas del reloj también muestran el
sentido del par producido por la intensidad generada: es opuesto al sentido
horario. Así, en el caso de un generador, el par desarrollado entre los conductores
y el flujo (par electromagnético) actúa en el sentido opuesto al de rotación y debe
ser vencido por la máquina motriz. En el caso de un motor, el par desarrollado
entre los conductores y el flujo tienen el mismo sentido que el movimiento de
rotación y se transmite a su eje. El equilibrio de pares se produce de tal manera
Ramos Oloarte Félix
Página 19
Descripción General de las máquinas de corriente directa
que en el generador el par transmitido por la máquina motriz se encuentra
equilibrado por el par electromagnético opuesto del inducido; en el motor el par
electromagnético producido por el inducido se encuentra equilibrado por el par
opuesto provocado por la carga. “es conveniente recordar que el generador
convierte la potencia mecánica en potencia eléctrica y el motor convierte la
potencia eléctrica en potencia mecánica”.
Las cuatro leyes fundamentales:
1.) Ley de inducción de Faraday
2.) Ley de Kirchhoff del circuito eléctrico
3.) Ley del circuito de campo magnético (ley de ampére)
4.) Ley de la fuerza ejercida sobre un conductor en un campo magnético (ley
de Biot y Savart), pueden relacionarse mediante el uso del siguiente
triangulo equilátero sencillo, que resulta muy útil para recordar fácilmente la
relación que guardan las cuatro leyes fundamentales
mencionadas
anteriormente. Esta representación ha sido propuesta por L. V. Bewley.
Si en el triángulo el lado izquierdo representa la intensidad, el lado derecho
representa la tensión y la base representa la intensidad de campo magnético
así como la densidad de flujo
y también el flujo
,
entonces el vértice superior que relaciona intensidad y tensión puede ser asignado
a la ley de Kirchhoff de mallas, el vértice izquierdo que relaciona intensidad y
puede asignarse a la ley de Ampére (ley del circuito del campo magnético), y el
vértice derecho que relaciona flujo y tensión puede asignarse a la ley de inducción
de Faraday. Como el vértice izquierdo relaciona no solamente intensidad y , sino
también intensidad y
, representa la ley de Ampére y la ley de Biot y Savart (ley
de la fuerza ejercida sobre un conductor en un campo magnético).
Ramos Oloarte Félix
Página 20
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Ley de Ohm
Ley de Kirchhoff
Intensidad
Tensión
Ley de Faraday
Ley de Ampére
Ley de Biot- Savart
Fig. 22 Correlación gráfica de las leyes
fundamentales
Ramos Oloarte Félix
Página 21
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Capítulo 2. Descripción y componentes de las máquinas de
corriente directa.
La corriente directa es una corriente casi unidireccional en las que todos son
valores positivos o negativos y en la que los cambios de valor son nulos o tan
pequeños que pueden despreciarse
Una máquina de corriente directa es la que genera o aprovecha una corriente
continua. La genera un generador también llamado dinamo y la aprovecha un
motor.
La misma máquina eléctrica puede operar como generador o como motor. Para
que opere como generador es necesario accionarlo con una maquina motriz y
conectarlo debidamente a un tablero de control, conectándolo a un reóstato de
excitación para regular el voltaje entre terminales. Para operarlo como motor hay
que acoplar una carga en un eje y alimentarlo con energía eléctrica a base de un
dispositivo que se llama reóstato de arranque o arrancador.
De lo anterior podemos establecer que un generador de corriente continua es una
máquina eléctrica que sirve para transformar energía mecánica en energía
eléctrica en forma de corriente continua y un motor es una máquina que convierte
la energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica.
2.1.- Principios de funcionamiento de los generadores electromagnéticos.
Los dos principios fundamentales en los que se basa cualquier máquina que
transforma la energía mecánica en energía eléctrica (generador electromagnético)
son los siguientes.
 Cuando un conductor que se encuentra situado en el interior de un campo
magnético se mueve de tal forma que corta líneas de flujo magnético, se
genera en él una fuerza electromotriz (fem).
 Al circular una corriente eléctrica a través de un conductor situado dentro de
un campo magnético, se produce una fuerza mecánica que tiende a mover
al conductor en dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético.
Ramos Oloarte Félix
Página 22
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 23 Generación de una
fem.
En las máquinas rotativas, los conductores se montan paralelos al eje de rotación
y sobre el inducido, como se representa en la siguiente figura.
Fig.24 Líneas de flujo
magnético y fem inducida en
una máquina eléctrica
rotativa.
Cuando el inducido se encuentra girando, los conductores (C) cortan las líneas de
campo magnético, de este modo se genera en ellos una fem. Los puntos y las
cruces representados en las secciones de los conductores (C) indican el sentido
de la fem generada cuando el inducido gira en sentido contrario a las agujas del
reloj.
Para poder extraer la corriente generada, hay que conectar los conductores del
inducido a un circuito de carga exterior por medio de las escobillas A + y A- , según
la siguiente figura, la cual representa el arrollamiento de anillo de Gramme.
Fig. 25 Arrollamiento de
Gramme.
Ramos Oloarte Félix
Página 23
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Si nuestra máquina funciona como generador, las fuerzas electromotrices
generadas tienden a enviar corrientes ascendientes por ambos lados. Si fijamos
nuestra atención en la figura que representa la generación de la (fem), vamos a
tener corriente entre los puntos a al b, pero no circulará corriente, puesto que la
tensión entre a y b tiende a que circulen corrientes opuestas por ambos lados del
arrollamiento (izquierdo y derecho).
Debido a que entre los puntos a y b existe una diferencia de potencial, si las
escobillas A+ y A- se conectan a un circuito exterior, representado por la resistencia
R, circulará una corriente por éste y por ambas partes del arrollamiento.
Si la tensión que se crea en cada conductor es Ec, y representamos el número
total de conductores que están en un momento dado frente a una cara polar con la
letra Z, la tensión que se genera entre las terminales a y b de la máquina será:
Haciendo uso de la ley de Ohm al circuito exterior de la máquina obtenemos la
siguiente ecuación.
Donde:
Resistencia del circuito exterior.
Resistencia del arrollamiento del inducido.
En los generadores de corriente directa (dínamos) el campo magnético permanece
en reposo, mientras que el inducido es el órgano móvil de la máquina.
Si el arrollamiento del anillo de Gramme se reduce a una sola espira de área
gira con una velocidad angular
uniforme
, siendo
que
perpendicular a las líneas de campo magnético
el ángulo que en un determinado instante de tiempo
forma
la perpendicular con las líneas de campo magnético.
Ramos Oloarte Félix
Página 24
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 26 Representación de
una espira en la generación
de la fem.
El valor del flujo magnético Ф que tendremos a través de la espira esta dado por la
siguiente ecuación.
Como el valor de
, si decimos que el producto
entonces
tenemos:
La fuerza electromotriz E
inducida
en la espira en un instante se obtiene derivando
el flujo con respecto al tiempo.
Haciendo
obtenemos la siguiente expresión:
De la última expresión vemos que la fem inducida en una espira es una función
sinusoidal.
Por lo tanto si se coloca una espira dentro de un campo magnético, ésta cortará
en su giro las líneas de fuerza del campo magnético creado por los polos norte y
sur, conectando de este modo sus extremos a ciertos anillos sobre los cuales se
apoyan las escobillas que están conectadas al circuito exterior a través de una
resistencia.
Ramos Oloarte Félix
Página 25
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 27 Representación del
generador elemental.
La forma de esta corriente electrica es una onda sinusoidal como lo es también la
fem inducida.
Por lo tanto, durante el giro de la espira de 0° a 360°, se produce una onda
sinusoidal que como se puede observar y ya se tiene conocimiento previo del
curso de máquinas rotatorias de corriente alterna corresponde a la representación
de una corriente y tensión alterna.
Fig. 28 Representación del
giro de la espira de 0° a 360°.
Fig. 29 Onda de salida
después de que la espira da
una vuelta completa.
Para obtener una corriente continua, bastará con sustituir los anillos por dos
semicilindros que giren en sincronía con la espira, de tal forma que cuando cambie
el sentido de la fem inducida en la espira, también cambien los semicilindros de la
escobillas, dando como resultado una corriente eléctrica que siempre irá dirigida
en el mismo sentido.
Ramos Oloarte Félix
Página 26
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 30 Generación de una
corriente directa.
Esta situación se consigue por medio del colector, sobre el cual se montan los
semicilindros llamados delgas.
La corriente así obtenida tiene carácter unidireccional, su intensidad varía con el
tiempo y se puede considerar como el resultado de superponer dos tipos de
corrientes: una constante y otra fluctuante alterna. En caso de que se precise una
corriente que tenga mayor componente constante, hay que aumentar el número de
espiras en la máquina, lo cual lo podemos observar en las siguientes figuras.
Fig. 31 Componente y
constante de la salida de una
máquina de corriente directa.
Fig. 32 Representación de la
salida después del aumento
del número de delgas en un
generador de corriente
directa.
Ramos Oloarte Félix
Página 27
Descripción General de las máquinas de corriente directa
2.2 Características de los motores de corriente directa
La diferencia fundamental entre un generador y un motor de corriente continua es
simplemente el tipo de conversión de energía que realizan porque los
componentes son básicamente los mismos.
Los diversos tipos de excitación de motores de corriente directa con los mismos
que se utilizan para los generadores, lo que implica que una misma máquina
funcione como generador o como motor.
Par electromagnético de una máquina de corriente directa.
Los conductores del inducido de una máquina de corriente directa se encuentran
sometidos a fuerzas que hacen que gire en sentido contrario a las agujas del reloj
debido a que por ellos circula una corriente eléctrica.
Fig. 33 Par electromagnético
de un generador (izquierda),
par electromagnético de un
motor (derecha).
El valor de la fuerza que impulsa el motor está dado por la siguiente ecuación:
Donde:
densidad media de flujo para el radio r del inducido.
longitud activa de los conductores en metros.
intensidad en amperios.
número total de los conductores.
Ramos Oloarte Félix
Página 28
Descripción General de las máquinas de corriente directa
El par esta dado por la siguiente ecuación.
En donde
es una constante y su valor depende de cada tipo de máquina y su
composición.
2.3 Componentes de las máquinas de corriente directa
Las partes principales que forman el generador de corriente directa son el
estator y el rotor o armadura.
Fig. 34 partes que constituyen las máquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Félix
Página 29
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 35 Partes constitutivas de las
máquinas eléctricas rotativas.
Estator.- es aquel que está constituido por una corona de material ferromagnético
denominada culata o yugo en cuyo interior, van dispuestos unos salientes radiales
con una expansión en su extremo, denominados polos. Estos se encuentran
regularmente distribuidos y en número par. Los cuales se encuentran sujetados
por tornillos a la culata. Rodeando los polos, se hallan una bobina de hilo, o pletina
de cobre aislado, cuya misión es, al ser alimentadas por corriente continua, crear
el campo magnético inductor de la máquina, el cual presentará alternativamente
polaridades norte y sur. Salvo las máquinas de potencia reducida, en general
menores a 1 KW de potencia, encontramos también el estator, alternando los
polos antes mencionados, otros llamados polos de conmutación. Todo el conjunto
de piezas fijas son descritas en los siguientes párrafos:
Ramos Oloarte Félix
Página 30
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 36 Estator de una máquina de
corriente directa.
Fig. 37 Aquí podemos observar otro
ángulo del estator de una máquina de
corriente directa.
Ramos Oloarte Félix
Página 31
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 38 Vista del estator de una máquina de corriente
directa de gran potencia.
Ramos Oloarte Félix
Página 32
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Yugo ó carcasa: llamada también envolvente que sirve para proteger a la maquina
y sostener lar partes fijas de que consta el circuito magnético formado por partes
del mismo.
Para máquinas de baja y media capacidad la carcasa se fabrica de laminas de
acero rolado y para maquinas de mayor capacidad se fabrican con laminación de
material magnético de buena calidad con el objetivo de reducir al mínimo las
pérdidas magnéticas debidas principalmente a la histéresis y a las corrientes
pulsantes.
Fig. 39 Vista de una carcasa
con sus componentes.
Fig. 40 Inductor de una
máquina de corriente directa.
Piezas polares también llamados polos: Es la parte del circuito magnético situada
entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar. Para
máquinas de pequeña capacidad se fabrican de una sola pieza y para máquinas
de mayor capacidad se fabrican siempre de un material magnético laminado
Ramos Oloarte Félix
Página 33
Descripción General de las máquinas de corriente directa
utilizando en algunos casos laminación en forma especial para obtener en el
extremo de los polos un entrehierro o espacio de aire que represente una
reluctancia elevada para impedir la distorsión y la desaparición de las líneas de
fuerza del campo magnético cuando se presenta en la máquina el remanente de la
sección de armadura.
En la parte inferior del polo que es de la forma apropiada y con una curvatura muy
aproximada a la que tiene la armadura se le llama zapata polar.
La parte superior del polo hay un qué sirve para dar alojamiento a un plano que lo
sujeta a la carcasa.
Núcleo. Es la parte del circuito magnético rodeado por el devanado inductor.
Devanado inductor. Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo
magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica.
Expansión polar. Es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que bordea al
entrehierro.
Polo auxiliar o de conmutación. Es un polo magnético suplementario, provisto o
no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación. Este suele usarse en las
máquinas de mediana y gran potencia.
Fig. 41 Vista del polo de
conmutación.
Ramos Oloarte Félix
Página 34
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 42 Vista de los polos y
polos auxiliares en una
máquina de corriente directa
de gran potencia.
Campo de excitación. Está formado por todas las bobinas que van colocados
alrededor de cada polo y conectados todos en serie y a la vez en paralelo con la
armadura.
El campo de excitación de un generador de corriente continua está conectado en
serie con una resistencia variable que se conoce con el nombre de reóstato de
excitación y sirve para inducir un campo magnético que reforzará y multiplicará
muchas veces el valor del magnetismo remanente de la máquina para que al tener
esta mayor flujo magnético pueda inducir una fuerza electromotríz inducida mayor.
Culata. Es una pieza de material ferromagnético, no rodeada por devanados, y
destinada a unir los polos de la máquina.
Base. La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de
operación de la máquina, puede ser de dos tipos:
a) Base frontal.
b) Base lateral.
Tapas. Las tapas del generador son colocadas y aseguradas al estator por medio
de pernos colocados a ambos extremos del mismo y contienen el alojamiento para
Ramos Oloarte Félix
Página 35
Descripción General de las máquinas de corriente directa
los cojinetes del eje al rotor o armadura. Las tapas pueden ser del tipo conocido
con el nombre de araña y pueden ser cerradas o abiertas según el generador se
construya para uso general o para prueba de polvo o de explosión.
Las tapas que van colocadas del lado del conmutador debe tener practicada una
ranura circular con sección en forma de cola de milano que sirve para alojar la
base a la cual se fija el anillo y brazos portaescobillas.
Rotor ó armadura. El rotor se construye con chapas finas de 0.3 a 0.5 mm de
espesor, aisladas unas de otras por una capa de barniz o de oxido. Con ranuras
en las que se introduce el devanado inducido de la máquina. Este devanado esta
constituido por bobinas de hilo o de pletina de cobre convenientemente aislados,
cerrado sobre sí mismo al conectar el final de la última bobina con el principio de
la primera. Si se tratara de un rotor macizo, debido a la rotación y provocadas por
el campo magnético, aparecerían intensas corrientes de Foucault en el hierro del
rotor y esto le provocaría un aumento crucial en la temperatura; con lo cual se
pondría en peligro al devanado. Para mejorar el enfriamiento del rotor, en el
cuerpo del mismo se le practican hendiduras para una adecuada ventilación y en
el lado anterior se pueden sujetar aspas para ventilarlo.
Fig. 43 Rotor típico de una máquina de
corriente directa
Ramos Oloarte Félix
Página 36
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 44 Pila de láminas de un
rotor de corriente directa.
El rotor consta de las siguientes partes:
Eje del rotor. Se fabrica de acero, debidamente maquinado y construido a
tratamiento térmico cuando se necesita ensamblar con el núcleo magnético de la
armadura
Fig.45 Rotor completo de una
máquina de corriente directa
de gran potencia.
Ramos Oloarte Félix
Página 37
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Armadura. Está formada por un núcleo magnético de laminación de acero al silicio
de buena calidad magnética y la laminación tiene un espesor que puede variar
desde los 15 milésimas hasta los 30 milésimas de pulgada.
La laminación se corta en la fábrica de acero de acuerdo con las especificaciones
del diseño haciendo uso de maquinas troqueladoras de acuerdo con una matriz
que se coloca a la maquina y que corresponde al diseño. Según la capacidad del
generador la laminación usa troquelados, las ranuras, el barreno y el uñero para el
eje y los barrenos que van a formar los ductos de ventilación de la armadura.
Según la longitud que va a tener el núcleo se le practicaran dos, tres, o más
ranuras periféricas que servirán para alojar un gancho de alambre de acero que
servirán para asegurar las laminas dentro de la armadura cuando se utilicen
ranuras de tipo abierto o semicerrado, para que los conductores no vayan a salir
por la acción de la fuerza centrifuga (en sustitución del alambre usado para los
ganchos se utilizan actualmente cintas de fibra de vidrio llamadas generalmente
(Polyglaes)
En las ranuras de la armadura se colocan debidamente aisladas las bobinas que
conectaran el embobinado de la máquina y las terminales de estas bobinas van
conectadas de acuerdo con el polo del embobinado y del paso del conmutador a
las delgas correspondientes del mimo.
Fig. 46 Formato de las ranuras usadas en los rotores de las máquinas
de corriente directa. En la parte izquierda podemos apreciar una ranura
abierta y en el lado derecho una ranura semicerrada.
Ramos Oloarte Félix
Página 38
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 47 Detalle de un inducido
Fig. 48 Rotor laminado usado comúnmente en las
máquinas de corriente directa.
Devanado inducido. Es el devanado conectado al circuito exterior de la máquina y
en el que tiene lugar la conversión principal de la energía. En la mayoría de los
casos se utilizan devanados de varillas o hilos. Un lazo conductor cerrado, que
comienza y termina en la parte la máquina llamada conmutador y recibe el nombre
de bobina. Un lazo conductor de varillas gruesas de cobre, planas, se denomina
devanado de varillas; en general, solo tienen una espira. Los lazos conductores
formados con un número mayor de espiras, de alambre, reciben el nombre de
devanados de hilo.
Ramos Oloarte Félix
Página 39
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 49 Tipos de devanados usados en las máquinas de
corriente directa. A la izquierda un devanado de varilla y a la
derecha un devanado con devanado matricial.
La distinción entre un devanado manual y un devanado matricial o de formato es
que en el devanado manual se puede observar en el lado opuesto al inversor de
corriente un acordonado. Todos los hilos son introducidos manualmente en las
ranuras. En el devanado de formato las bobinas son fabricadas con una máquina
especial y, posteriormente son introducidas en las ranuras. Este tipo de bobinas
presentan una forma curvada.
Fig. 51 Devanado de formato.
Fig. 50 Devanado tipo
manual
Bobinas del rotor
En las máquinas de corriente directa reales existen varias maneras en las que
podemos conectar las espiras en el rotor (también conocido como inducido o
armadura) a sus segmentos del conmutador. Estos diferentes tipos de conexiones
afectan el número de caminos de corriente paralelos que existen en el rotor, el
voltaje de salida del rotor y el número y posición de las escobillas montadas sobre
los segmentos del conmutador.
Ramos Oloarte Félix
Página 40
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Sin importar la manera en que se encuentren conectados los devanados a los
segmentos del conmutador. La mayoría de los devanados del rotor están
constituidos por bobinas preformadas en forma de diamante insertadas en las
ranuras del rotor como una sola unidad. Cada bobina está hecha con un número
de vueltas (espiras) de alambre y cada una está envuelta con cinta y se encuentra
aislada de las otras y la ranura del rotor. A cada lado de una vuelta se le llama
conductor. El número de conductores presentes en el inducido de una máquina
esta dado por
Donde:
= número de conductores en el rotor
= número de bobinas en el rotor
= número de vueltas en cada bobina
Normalmente una bobina abarca 180 grados eléctricos. Por esta razón cuando un
lado está debajo del centro de cierto polo magnético, el otro lado se encuentra
debajo del centro del polo magnético con polaridad opuesta. Los polos físicos
pueden no encontrarse a 180 grados mecánicos el uno del otro, pero el campo
magnético invierte por completo su polaridad cuando pasa por debajo de un polo
al siguiente. La relación entre el ángulo eléctrico y el ángulo mecánico en cualquier
máquina está dada por
Donde:
ángulo eléctrico, en grados
ángulo mecánico, en grados
número de polos magnéticos en la máquina
Si la bobina abarca 180 grados eléctricos, los voltajes en los conductores en
cualquier lado de la bobina serán exactamente iguales en magnitud y opuestos en
dirección en todo momento. Este tipo de bobina se llama bobina de paso
diametral.
Ramos Oloarte Félix
Página 41
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Existen bobinas que abarcan menos de 180 grados eléctricos a las cuales se les
llaman bobinas de paso fraccionario, al devanado con este tipo de bobinado se le
llama devanado de cuerdas. A veces se puede utilizar una pequeña cantidad de
encordado en los devanados del rotor para mejorar la conmutación.
La mayoría de los devanados de rotor consta de dos capas, lo cual implica que se
deben insertar dos lados de bobina en la misma ranura claramente cada lado es
de una bobina diferente. Los lados van a estar colocados uno al fondo de la ranura
y el otro en la parte superior de la misma. En este tipo de construcción se requiere
que se coloquen las bobinas individuales en las ranuras del rotor por medio de un
procedimiento muy complicado. Un lado de cada bobina se coloca en el fondo de
su ranura y una vez que se colocan todos los lados en el fondo, se coloca el otro
lado de cada bobina en la parte superior de la ranura. De esta manera, todos los
devanados se entretejen conjuntamente, incrementando la fuerza mecánica y la
uniformidad de la estructura final.
Después de que se han instalado los devanados en las ranuras del rotor, se deben
conectar los segmentos del conmutador. Hay varias formas de realizar dichas
conexiones y cada una posee ciertas ventajas y desventajas una sobre otra.
La distancia (en número de segmentos) entre los segmentos del conmutador a los
cuales están conectados los dos extremos de una bobina se le llama paso del
conmutador
. Si el extremo de una bobina se conecta a un segmento del
conmutador adelante del cual se encuentra conectado su comienzo, el devanado
recibe el nombre de devanado progresivo. Si el extremo de una bobina se conecta
a un segmento del conmutador que se encuentra detrás del segmento del
conmutador al que inicia este se le llama devanado regresivo.
Si todas las conexiones son iguales a excepción de los devanados, la dirección de
rotación de un rotor con devanado progresivo será inversa a la dirección de
rotación de u rotor con devanado regresivo.
Los devanados de inducido se clasifican de acuerdo con el conjunto de devanados
completos e independientes. Un devanado simple (simplex) de rotor es único,
completo y cerrado. Un devanado doble (dúplex) de rotor consta de dos conjuntos
de devanados de rotor consta de dos conjuntos de devanados de rotor completos
e independientes. Si un rotor tiene un devanado dúplex, entonces cada uno de los
devanados estará asociado con todos los segmentos pares o nones de
conmutación. Existen también devanados (tríplex) los cuales tienen tres conjuntos
de devanados de rotor completos e independientes y cada uno está conectado a
cada tercer segmento del conmutador en el rotor. Todos los inducidos con más de
un conjunto de devanados se les llaman devanados múltiples o múltiplex.
Ramos Oloarte Félix
Página 42
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Por último, los devanados del inducido se clasifican de acuerdo con la secuencia
de sus conexiones con los segmentos del conmutador. Existen dos secuencias
básicas de conexiones de devanados del inducido: devanados imbricados y
devanados ondulados. Hay un tercer tipo de devanado el cual recibe el nombre de
devanado de pata de rana, este tipo de devanado combina los devanados
imbricados y ondulados en un solo rotor.
Devanado imbricado.
Fig. 52 Arrollamiento
Imbricado
Es el tipo de construcción de devanado más sencilla que se utiliza en las
máquinas de corriente directa modernas. Un devanado imbricado simple de rotor
consta de bobinas que contienen una o más vueltas de alambre y los dos
extremos de cada bobina salen de segmentos del conmutador adyacentes. Si el
final de la bobina está conectado al segmento siguiente a aquel al que está
conectado su comienzo el devanado es imbricado progresivo y
; si el final
de la bobina está conectado al segmento anterior a aquel al que comienza el
devanado en imbricado regresivo y
.
Una de las características más importantes del devanado imbricado simple es que
tiene tantos caminos o trayectorias de corriente paralelos a través de la máquina
como polos en la misma. Suponiendo que el número de bobinas y segmentos del
conmutador presentes en el rotor son
y es el número de polos en la máquina,
entonces encontraremos
bobinas en cada uno de los
paralelos a través de la máquina. El hecho de tener
caminos de corriente
caminos de corrientes
también requiere que se tenga tantas escobillas en la máquina como polos para
conectar todos esos caminos de corriente.
El hecho de tener tantos caminos de corriente en la máquina multipolar hace al
devanado imbricado la opción ideal para fabricar máquinas que nos otorguen una
corriente alta y un voltaje relativamente bajo, puesto que las altas corrientes que
se requieren se pueden se pueden dividir entre varios de los diferentes caminos
de corriente. Esta división de corrientes hace que el tamaño de los conductores
Ramos Oloarte Félix
Página 43
Descripción General de las máquinas de corriente directa
del rotor individuales sea pequeño incluso cuando la corriente total es
extremadamente grande.
Sin embargo, el hecho de que se tengan muchos caminos paralelos a través de la
máquina multipolar puede causar un problema muy serio. Este problema consiste
en que se inducen voltajes más altos en los caminos de corriente que sus
alambres pasan por debajo de las caras polares inferiores en comparación con los
caminos cuyos alambres pasan por debajo de las caras superiores. Puesto que
todos los caminos se encuentran conectados en paralelo, por lo que se genera
una corriente circulante que fluye hacia afuera a través de algunas escobillas y
regresa a través de otras. Esta situación no es buena para la máquina, puesto que
la resistencia del devanado del circuito del rotor es relativamente pequeña, un
pequeño desequilibrio entre los voltajes en los caminos paralelos provocará
grandes corrientes circulantes a través de las escobillas y, potencialmente, serios
problemas de calentamiento. El problema descrito anteriormente no se puede
eliminar por completo en las máquinas eléctricas de corriente directa ni con las
tecnologías más modernas, pero se pueden reducir un poco por medio de la
instalación de compensadores o devanados de compensación en las máquina.
Los compensadores son barras ubicadas en el rotor de una máquina de corriente
directa de devanado imbricado que hacen cortocircuito en puntos con el mismo
potencial en diferentes caminos paralelos.
Devanado Ondulado
Fig. 53 Arrollamiento
Ondulado o en Serie
El devanado ondulado o en serie es otra manera de conectar las bobinas del rotor
a los segmentos del conmutador. En un devanado ondulado simple hay, sólo dos
caminos de corriente. Hay sólo la mitad de los devanados en cada camino de
corriente
. Las escobillas en este tipo de máquina estarán separadas unas de
otras por un paso polar completo.
Al igual que en el devanado imbricado el devanado ondulado lo podemos
encontrar progresivo y regresivo. La terminal de la segunda bobina se puede
conectar al segmento siguiente o anterior al segmento en el que se conectó el
Ramos Oloarte Félix
Página 44
Descripción General de las máquinas de corriente directa
comienzo de la primera bobina. Si la segunda bobina se conecta al segmento
siguiente a la primera bobina, el devanado es progresivo; si se conecta al
segmento anterior a la primera bobina, el devanado es regresivo.
La expresión general para el paso de conmutación en un devanado ondulado
simple es:
Donde:
es el número de bobinas en el rotor
es el número de polos en la máquina.
El signo positivo se usa en los devanados progresivos y el negativo en los signos
regresivos.
Puesto que sólo hay dos caminos de corriente a través de un rotor devanado
ondulado simple, sólo se necesitan dos escobillas para manejar la corriente. Esto
se debe a que los segmentos en proceso de conmutación conectan los puntos con
voltajes iguales bajo las caras polares. Si se desea, se pueden agregar más
escobillas en puntos separados por 180 grados eléctricos, puesto que estas tienen
el mismo potencial y están conectadas juntas por medio de los alambres en
proceso de conmutación de la máquina. Por lo general se agregan escobillas
extras a una máquina con devanado ondulado, incluso si no son necesarias,
porque esto reduce la cantidad de corriente que debe circular a través de un grupo
de escobillas.
Los devanados ondulados son ideales para la construcción de máquinas en las
que se quiere obtener un alto nivel de voltaje, debido al número de bobinas en
serie entre los segmentos del conmutador se permite acumular un mayor voltaje
más fácilmente que con un devanado imbricado. Un devanado ondulado múltiple
es un devanado compuesto por varios conjuntos independientes de devanados
ondulados en el rotor.
Ramos Oloarte Félix
Página 45
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Devanado de pata de rana
El devanado de pata de rana o también llamado devanado autocompensador toma
este nombre por la forma que tienen sus bobinas. Este tipo de devanado es la
combinación de un devanado imbricado y un devanado ondulado.
Un devanado de pata de rana combina un devanado imbricado con un devanado
ondulado, de tal manera que los devanados ondulados pueden funcionar como
compensadores para el devanado imbricado.
El número de caminos de corriente que hay en un devanado de pata de rana viene
a estar dado por la siguiente expresión:
Donde:
es
el
número
de
polos
presentes
en
la
máquina
es el número de devanados completos e independientes de devanados
imbricados
Fig. 54 Devanado para de
rana o autocompensador.
Núcleo del inducido. Está formado por un cilindro de chapas magnéticas que están
construidas, generalmente, de acero laminado con un 2% de silicio para mejorar
las perdidas en el circuito magnético. Este cilindro se fija al eje de la máquina, el
cual descansa sobre unos cojinetes de apoyo. Las chapas que forman el inducido
o rotor de la máquina disponen de ranuras en las cuales se alojan los hilos de
cobre del devanado inducido.
Ramos Oloarte Félix
Página 46
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Para la colocación y centrado del rotor en las máquinas de corriente continua se
hace lo siguiente: en las máquinas medias y pequeñas, el eje se sitúa en cojinetes
de chapas que se atornillan al armazón mediante anillos centradores. Las
máquinas mayores reciben caballetes libres de apoyo. Para las máquinas medias
y pequeñas regularmente se usan baleros y para las grandes, chumaceras
también llamados baleros deslizantes.
Conmutador. Es el conjunto de las láminas conductoras construidas con
segmentos de cobre electrolítico que reciben el nombre de “delgas”, aisladas al eje
y unas de otras, pero conectadas a las secciones de corriente continua del
devanado y sobre las cuales frotan las escobillas. El conmutador va colocado a
una determinada distancia del núcleo magnético de la armadura y el extremo de la
delga queda del lado del núcleo lleva una ranura en la cual se alojan las
terminales de las bobinas y posteriormente se fijan con soldadura.
Fig.55 Conmutador de
una máquina de
corriente directa usado
en una pequeña
esmeriladora
Fig. 56 Colector de un
pequeño motor
Ramos Oloarte Félix
Página 47
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Escobillas. La función de la escobillas es conducir las corrientes desde el
conmutador hacia el circuito externo generalmente se fabrican de carbono y para
generadores que operan con muy bajo voltaje se fabrican de cobre en algunos
casos de aleaciones de carbono y cobre. Las escobillas van colocadas en unos
alojamientos metálicos que van fijos al brazo porta escobillas y al anillo que lo
sostiene. El conjunto va debidamente aislado del material metálico de la máquina.
Según la capacidad de la máquina cada brazo porta escobillas podría elevar, una,
dos, tres o más escobillas para poder conducir toda la corriente generada en la
armadura hacia el circuito exterior. En generadores utilizados en procesos
electroquímicos como el de galvanoplastia en la que se necesitan elevados flujos
de corriente, se usan portaescobillas que tienen cuatro o hasta seis escobillas.
El alojamiento una muelle o resorte que mantiene las escobillas siempre haciendo
contacto con el conmutador para reducir al mínimo la resistencia por contacto de
escobillas. La presión recomendada de la muelle o resorte deber ser una a dos
libras por pulgada cuadrada.
Al seleccionar las escobillas para cada tipo de generador hay que utilizar los
conmutadores en las especificaciones de la máquina pues las hay de diferente
fuerza y sí por algún error se selecciona una de mayor fuerza que las
especificaciones se acorta demasiado la vida útil del conmutador que se desgasta
por la presión de las escobillas inapropiada.
Fig. 57 Escobillas utilizadas
en las máquinas de corriente
directa.
Ramos Oloarte Félix
Fig. 58 Sustentación de las
escobillas
Página 48
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 59 Vista de un
portaescobillas y las
escobillas montadas en él.
Entrehierro. Es el espacio comprendido entre las expansiones polares y el
inducido, suelen ser normalmente de 1 a 3 mm, lo imprescindible para evitar el
rozamiento entre la parte fija y la móvil.
Cojinetes. También conocidos como rodamientos, contribuyen a la óptima
operación de las partes giratorias de la máquina. Se utilizan para sostener y fijar
ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se
consuma menos potencia.
Ramos Oloarte Félix
Página 49
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Los cojinetes se pueden dividir en dos clases:
a) Cojinetes de deslizamiento. Operan en base al principio de la película de
aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre la barra
del eje y la superficie de apoyo.
b) Cojinetes de rodamiento. Se utilizan con preferencia en vez de los
cojinetes de deslizamiento por varias razones:
 Tienen un menor coeficiente de fricción, especialmente en el
arranque.
 Son compactos en su diseño.
 Tienen una alta precisión de operación.
 No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo deslizante.
 Se remplazan fácilmente debido a sus tamaños estándares.
Fig. 60 Tipos de cojinetes
usados en las máquinas
eléctricas.
Fig. 61 Vista de un Cojinete
montado en el eje del rotor de
una máquina de corriente
directa.
Ramos Oloarte Félix
Página 50
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Caja de conexiones. Por lo general, en la mayoría de los casos las máquinas
eléctricas cuentan con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento
que protege a los conductores que alimentan al motor o que salen del generador,
resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier elemento
que pudiera dañarlos.
Fig. 62 Caja de conexiones
de una máquina de corriente
directa de gran potencia.
Carcasa. La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el
material empleado para su fabricación depende del tipo de máquina, de su diseño
y su aplicación.
Podemos clasificarla de la siguiente forma:
a) Totalmente cerrada.
b) Abierta.
c) A prueba de goteo.
d) A prueba de explosiones.
e) De tipo sumergible.
Alrededor de los núcleos polares, va enrollado, en forma de hélice, el
arrollamiento de excitación. El núcleo de los polos de conmutación lleva enrollado
un arrollamiento de conmutación.
Ramos Oloarte Félix
Página 51
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Placa de características. La máquina eléctrica de corriente directa al igual que
cualquier máquina eléctrica debe llevar una placa de características que irá
alojada de tal modo que sus datos puedan leerse incluso cuando se encuentren en
servicio. Los datos más importantes son: nombre del fabricante, tipo, número y
potencia de la máquina
Fig. 63 Placa de datos de una
máquina de corriente directa.
Fig. 64 Tabla de características que contiene una placa de
las máquinas de corriente directa.
Ramos Oloarte Félix
Página 52
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 65 Placa de datos de un
motor de corriente directa.
Fig. 66 Componentes básicos en las máquinas de
corriente directa.
Ramos Oloarte Félix
Página 53
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 67 Componentes de las máquinas de
corriente directa.
Fig. 68 Detalle de la chumacera y los medios de
lubricación en una máquina ce corriente directa.
Ramos Oloarte Félix
Página 54
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 69 Detalle de los componentes de una máquina de
corriente directa.
1 Carcasa
2 Tapa del frente
3 Base
4 Flecha ó eje del rotor
5 Caja de conexiones
6 Tapa posterior
Componentes de una máquina de corriente directa.
Ramos Oloarte Félix
Página 55
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig.71 Vista sin tapa superior de un pequeño motor de corriente
directa
Fig. 72 Bobinas de inducido.
Ramos Oloarte Félix
Página 56
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 73 Inducido de un pequeño generador de corriente continua
en el cual se aprecian los bobinados con ángulo para la
compensación del movimiento del eje neutro durante su
funcionamiento.
Ramos Oloarte Félix
Página 57
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 74 Bobinas de inducido y colector de un
pequeño motor.
Fig. 75 Detalle del motor de
corriente directa usado en un
pequeño esmeril portátil.
Ramos Oloarte Félix
Página 58
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 76 Colector de un motor de gran
potencia
Fig. 77 Cojinete montado en el rotor de una máquina de
corriente directa
Ramos Oloarte Félix
Página 59
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 78 Cojinete de baleros montado y listo para albergar el eje del
rotor de la máquina.
Fig. 79. Cojinete de baleros usado en las máquinas
eléctricas.
Ramos Oloarte Félix
Página 60
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 80 Cojinete de rodillos usado en las máquinas de corriente
directa.
Ramos Oloarte Félix
Página 61
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Capítulo 3 Tipos de máquinas de corriente directa
Por regla general, el flujo magnético de cualquier máquina eléctrica está originado
por electroimanes, de esta forma se puede regular dicho flujo solo con variar la
corriente que circula por la bobina que constituye el electroimán. Éstas se
denominan bobinas excitadoras, y la corriente que circula por ellas, corriente de
excitación.
Dicha corriente puede ser suministrada por la propia máquina eléctrica,
denominándose, en este caso máquina auto-excitada.
Por el contrario, si la corriente de excitación se la suministra otra máquina
(generador auxiliar), entonces se dice que la máquina posee excitación
independiente.
Los distintos sistemas de excitación empleados dan lugar a que las máquinas
eléctricas, ya sean generadores o motores, poseen características de
funcionamientos diferentes y por lo tanto de utilización.
Eb
Fig. 81 Máquina con
excitación
independiente
Eb
Ramos Oloarte Félix
Página 62
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Eb
Eb
Fig. 82 Máquina autoexcitada
Las dínamos se dividen en tres clases, según la construcción de su inductor y sus
conexiones los cuales son los siguientes: dínamo SERIE o excitación en serie,
SHUNT o excitación en derivación y dínamo COMPOUND o con excitación
compuesta.
3.1 Dínamo SHUNT
Tiene sus bobinas inductoras conectadas en paralelo con el inducido. Las bobinas
inductoras de las dínamos shunt están compuestas de un gran número de vueltas
de alambre de pequeño diámetro y con una resistencia suficiente para que puedan
estar permanentemente conectadas a través de las escobillas y soportar todo el
voltaje del inducido durante el funcionamiento. Por consiguiente, la corriente que
circula por esas bobinas depende de su resistencia y del voltaje inducido.
El generador con excitación shunt suministra energía eléctrica a una tensión
aproximadamente constante, cualquiera que sea la carga, aunque no tan
constante como el caso de un generador con excitación independiente. Cuando el
circuito exterior está abierto, la máquina tiene excitación máxima porque toda la
corriente producida se destina a la alimentación del circuito de excitación; por lo
tanto, la tensión en bornes es máxima. Cuando el circuito exterior esta
cortocircuitado, casi toda la corriente producida pasa por el circuito del inducido, y
la excitación es mínima, la tensión disminuye rápidamente y la carga se anula. Por
lo tanto, un cortocircuito en la línea no compromete la máquina, que se desexcita
automáticamente, dejando de producir corriente; esto es una ventaja sobre el
generador de excitación independiente en donde un cortocircuito en la línea puede
Ramos Oloarte Félix
Página 63
Descripción General de las máquinas de corriente directa
producir graves averías en la máquina, al no existir este efecto de desexcitación
automática.
Los generadores shunt presentan el inconveniente de que no pueden excitarse si
no están en movimiento, ya que la excitación procede de la misma máquina. El
circuito de excitación no lleva fusibles por las razones ya indicadas en el caso del
generador de excitación independiente; en este circuito no es necesario un
interruptor porque para excitar la máquina basta con ponerla en marcha y para
desexcitarla no hay más que pararla. El amperímetro en el circuito de excitación
puede también suprimirse, aunque resulta conveniente su instalación para
comprobar si, por alguna avería, el generador absorbe una corriente de excitación
distinta a la normal. Para la regulación de la tensión a las distintas cargas, se
dispone también de un reóstato de campo.
Cuando se dispone permanentemente de tensión en las barras especiales o
generales, muchas veces se prefiere tomar la corriente de excitación de estas
barras y no de las escobillas del generador. si, al poner en marcha el generador,
hay tensión en las barras generales, la máquina se comporta como generador de
excitación independiente, si no hay tensión, como generador shunt.
Para la puesta en marcha debe cuidarse de que el interruptor general esté abierto
y que el reóstato de campo tiene todas las resistencias intercaladas en el circuito.
En estas condiciones, se ponen en marcha la máquina motriz, aumentando
paulatinamente su velocidad hasta que alcance su valor nominal; al mismo tiempo,
aumenta la corriente de excitación y, por lo tanto, la tensión en los bornes del
generador, lo que indicará el voltímetro. Si en la red no existen baterías de
acumuladores, se acopla a ella el generador a una tensión algo inferior a la
nominal, para conseguir esta tensión se maniobra el reóstato de campo
paulatinamente, quitando resistencia. No resulta conveniente acoplar el generador
a la red antes de excitarlo o a una tensión muy baja, porque si la resistencia
exterior fuese muy baja (es decir, que la red estuviese en condiciones próximas al
cortocircuito), la corriente de excitación sería muy pequeña e insuficiente para
excitar a la máquina.
De la misma forma que para el caso del generador con excitación independiente,
si en la red hubiese baterías de acumuladores, se cerrará el interruptor general,
solamente cuando la tensión en bornes de la máquina sea igual a la tensión de la
red. Conviene atender que las baterías de acumuladores no descarguen sobre la
máquina, para lo cual es conveniente que el circuito del generador vaya provisto
de un interruptor de mínima tensión.
Ramos Oloarte Félix
Página 64
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Cuando se necesite para el generador, se descargará disminuyendo la excitación
por medio del reóstato de campo teniendo cuidado de que las baterías no se
descarguen sobre el generador y, por lo tanto, manteniendo siempre la tensión
nominal. Si no hay baterías acopladas a la red, puede disminuirse la velocidad de
la máquina motriz. En cuanto el amperímetro indique una intensidad de corriente
nula o casi nula, se abre el interruptor principal, y se para la máquina motriz. Por
efecto de la inercia, el gobernador seguirá girando durante algún tiempo y se
desexcitará poco a poco; si se tuviera la necesidad de desexcitarlo rápidamente,
se abrirá el circuito de excitación con las debidas precauciones y se frenará el
volante de la máquina motriz.
Los generadores shunt son recomendables en aplicaciones donde no se requieren
cambios frecuentes y considerables de carga o bien cuando haya elementos
compensadores, tales como generadores auxiliares, baterías de acumuladores,
etc.
Si existen acumuladores como reserva o para servicios auxiliares, también se
recomienda este tipo de generador ya que la máquina no corre el peligro de que
se invierta la polaridad del circuito de excitación; en efecto, cuando el generador
carga la batería la corriente tiene el sentido de la máquina motriz hacia la batería
la cual la va a atravesar desde el polo positivo al polo negativo. Si por causa
accidental (por ejemplo una pérdida de velocidad en el generador),disminuye la
tensión de la máquina y queda inferior a la existente en la batería, la corriente
suministrada por la batería, atraviesa la máquina en sentido opuesto al anterior
entrando por el borne positivo y saliendo por el negativo, pero en el circuito de
excitación circula en el mismo sentido de la corriente producida cuando la máquina
funcionaba como generador, en consecuencia, la máquina funciona ahora como
motor, continua girando en el sentido que tenía antes, cuando funcionaba como
generador.
Fig. 83 Carga de una batería
de acumulador con un
generador con excitación
shunt.
De lo mencionado anteriormente, puede deducirse fácilmente, que el generador
shunt puede acoplarse en paralelo sin peligro con otros generadores, aun en el
Ramos Oloarte Félix
Página 65
Descripción General de las máquinas de corriente directa
caso de que por causa de una avería accidental en el regulador de la máquina
motriz, un generador sea conducido como motor por otro generador.
En lo que se refiere al cambio de sentido de giro, es necesario cambiar las
conexiones del circuito del inducido, porque haciéndolo así se invierte solamente
la polaridad del circuito del inducido pero no la del circuito de excitación, con lo
que se evita que la máquina se descebe. No deben tocarse las conexiones de los
polos de conmutación, pero sí el ángulo de de cada lado de las escobillas.
Fig. 84 Dínamo con
excitación en derivación.
ARM
3.2 Dínamo SERIE
En este tipo de máquina, las bobinas inductoras están conectadas en serie con el
inducido y la carga. El bobinado inductor suele estar compuesto de alambre o
platina muy gruesos, de modo que pueda soportar una corriente alta sin sufrir
calentamiento cuando la máquina se encuentre trabajando a plena carga.
Si no hay ninguna carga conectada a la línea, será imposible que pase ninguna
corriente por el arrollamiento inductor en serie y que por consiguiente, la dínamo
serie desarrolle voltaje, cuando arranca es preciso que haya alguna carga
conectada al circuito de línea.
Como en este generador el campo de excitación está conectado en serie con la
carga y con la armadura. La fuerza electro motriz (f.e.m.) inducida en la máquina
depende de la magnitud de la carga que se está alimentando en virtud de que el
flujo magnético se incrementará a medida que aumenta la corriente que se
entregue a la carga.
Ramos Oloarte Félix
Página 66
Descripción General de las máquinas de corriente directa
El campo de excitación está formado por bobinas colocadas en cada polo las
cuales tienen escasos números de vueltas pero de la suficiente capacidad de
conducción de corriente para alimentar la carga.
La corriente de armadura que será la misma que se le entrega a la carga, deberá
circular a través de todos los conductores del campo de excitación produciendo
una fuerza magneto motriz de tal magnitud que impulsará las líneas de flujo
magnético para que se induzca una fuerza electromotriz (f.e.m.) que en todo
momento dependerá del valor de la corriente que demanda la carga.
El diagrama eléctrico para las conexiones de este tipo de generador se indica en
la siguiente figura:
Eb
Eb
Fig. 85 Conexión de un generador
serie
3.3 Dínamo COMPOUND
En las dínamos compound, las bobinas inductoras están formadas por
arrollamientos en serie y en paralelo, sobre cada polo están conectados dos
bobinados distintos.
La bobina inductora shunt está conectada en paralelo. La bobina inductora en
serie, estando en serie con el inducido y la carga tendrá su intensidad variable
según la carga. Por consiguiente estas máquinas tendrán algunas de las
características de las dínamos Shunt y de los Serie.
Hemos visto que el voltaje de la dínamo shunt tiende a bajar cuando aumenta la
carga y que el voltaje de la dínamo serie aumenta con la carga. Por consiguiente,
Ramos Oloarte Félix
Página 67
Descripción General de las máquinas de corriente directa
diseñando una dínamo compound con las proporciones adecuadas entre los
inductores en derivación y en serie, podemos construir una máquina que
mantenga un voltaje casi constante con cualquier variación de carga.
El bobinado inductor shunt de una dínamo compound suele ser el principal y
produce la mayor parte, con mucho del flujo inductor. Los bobinados inductores en
serie suelen componerse de sólo unas cuantas vueltas, o sea las suficientes para
reforzar el campo magnético cuando aumenta la carga y compensar la caída de
voltaje en el inducido y las escobillas. El campo magnético en derivación de estos
generadores puede ajustarse mediante un reóstato en serie con el arrollamiento,
también por medio de un shunt en paralelo con la bobinas inductoras en serie, sin
embargo el reóstato de campo shunt de esas máquinas no suele emplearse, por lo
general para hacer frecuentes ajustes en su voltaje, sino que se destina a
establecer un ajuste correcto entre las intensidades inductoras en serie y en
derivación cuando las máquinas de ponen en marcha.
La variación en la intensidad de campo magnético en serie, compensa la caída de
voltaje al variar la carga, hace innecesario el uso frecuente del reóstato de campo
shunt, que se usa en las dínamos shunt.
El generador con excitación compound tiene la propiedad de que puede trabajar a
una tensión prácticamente constante, es decir, casi independiente de la carga
conectada a la red, debido a que, por la acción del arrollamiento shunt la corriente
de excitación tiende a disminuir al aumentar la carga, mientras que la acción del
arrollamiento serie es contraria, o sea, que la corriente de excitación tiende a
aumentar cuando aumenta la carga. Eligiendo convenientemente ambos
arrollamientos puede conseguirse que se equilibren sus efectos haciendo la acción
conjunta, una tensión constante cualquiera que sea la carga. Incluso podemos
obtener, dimensionando convenientemente el arrollamiento serie, que la tensión
en bornes aumente si aumenta la carga, conexión que se denomina
hipercompound y que permite compensar la pérdida de tensión en la red, de forma
que la tensión permanezca constante en los puntos de consumo.
El generador compound tiene la ventaja respecto al generador shunt, la cual es
que este no disminuye su tensión con la carga, y, además que puede excitarse
aunque no esté acoplado al circuito exterior. Tal como sucede con el generador
shunt.
Durante la puesta en marcha funciona como un generador shunt; una vez
conectado a la red, la tensión en bornes del generador shunt, tendería a disminuir
si no fuera por la acción del arrollamiento serie, que compensa esta tendencia. Es
Ramos Oloarte Félix
Página 68
Descripción General de las máquinas de corriente directa
decir, que el arrollamiento serie sirve para regular la tensión del generador, en el
caso de que la resistencia exterior descienda más allá de cierto límite.
Un generador compound no puede utilizarse para cargar baterías de
acumuladores. Si la contratensión de la batería es mayor que la tensión en bornes
del generador, la corriente en el circuito tiene el sentido indicado por la flecha de
puntos, y por lo tanto, pasa en sentido contrario por la excitación en serie; si esta
corriente es mayor que la correspondiente al arrollamiento shunt estando también
invertida la polaridad del inducido, mientras que el sentido de rotación permanece
invariable, el generador está en serie con la batería lo que facilita la descarga
peligrosa.
Para invertir el sentido de giro sin suprimir el magnetismo remanente, es necesario
invertir las conexiones de los dos circuitos de excitación; de esta forma queda
invertida solamente la polaridad de las escobillas.
El generador compuesto o compound es el tipo más empleado y concierne por lo
tanto comprender los factores que influyen en sus características de tensión y sus
condiciones de funcionamiento.
Como una práctica normal se tiene acordado conectar siempre el devanado serie
a la polaridad negativa. Los fabricantes de los generadores, los de los tableros de
distribución y control han acordado lo anterior ya que la uniformidad es esencial en
este tipo de conexiones.
El efecto del campo serie es el de producir unos Amperes --- Vuelta adicionales
proporcionales a la carga, neutralizando así la característica descendente de la
máquina Shunt. La tensión resultante del generador compuesto es
aproximadamente igual, pero no del todo a la suma de las ordenadas de las dos
curvas por separado, debiéndose la diferencia a que en una máquina compuesta
la tensión de excitación del devanado paralelo es aproximadamente constante.
Hay varias formas de modificar las características de tensión. Un método
adoptado en las fabricas es el de ajustar el entre hierro poniendo o quitando
suplementos de chapa fina entre los polos y la culata. Otro método es el empleo
de resistencias delimitadoras conectadas en paralelo con el devanado serie, con el
fin de modificar el efecto de dicho devanado.
Para terminar diremos que el generador compound (igual que sucedía con el
generador de excitación independiente), no puede funcionar en cortocircuito
porque entonces, la acción del arrollamiento serie puede llegar a ser superior al
Ramos Oloarte Félix
Página 69
Descripción General de las máquinas de corriente directa
efecto del arrollamiento shunt, y como consecuencia la corriente en el inducido
puede alcanzar un valor de dos a tres veces mayor del normal, con el consiguiente
peligro para los arrollamientos de la máquina.
Los generadores compound tienen aplicación en las centrales para tracción
eléctrica que precisan de una tensión constante y en todos aquellos casos en que
haya de contar con variaciones bruscas de carga, como sucede en los talleres con
grúas de gran potencia, laminadores etc.…, suponiendo que no se dispone de
sistemas compensadores, y que se necesita la mayor constancia posible para la
tensión en la barras colectoras. También puede emplearse en pequeñas
instalaciones que precisen de tensión constante, sustituyendo al generador shunt,
para evitar una vigilancia continua a causa de las variaciones de carga; sin
embargo, hay que tener en cuenta que, en este caso, la autorregulación no es
perfecta por lo que en instalaciones de mayor importancia en que se desee una
tensión constante sin vigilancia, debe sustituirse el generador compound por otros
procedimientos.
Fig. 86 Diagrama de la
máquina con derivación
corta
Eb
Eb
Ramos Oloarte Félix
Fig. 87 Diagrama de una
máquina con derivación
larga.
Página 70
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Eb
Fig. 88 Esquema de una
máquina de excitación
compuesta.
Fig. 89 Diagrama de una
máquina compuesta con
conexión larga.
Fig. 90 Diagrama de una
máquina compuesta con
conexión corta.
Ramos Oloarte Félix
Página 71
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 91 Conexión compuesta
acumulativa.
Fig. 92 Conexión compuesta
diferencial.
3.4 Generador de 3 hilos
El sistema de generadores de 3 hilos es muy común en las instalaciones
modernas y en aquellas en las que el voltaje normal para alumbrado es de 115
volts. Este sistema permite tener un voltaje de fuerza de 230 Volts y un voltaje
para el control del alumbrado de 115 volts. En los generadores de 3 hilos se hacen
derivaciones o tomas en el devanado del inducido a 180° conectándose a dos
anillos.
Para una máquina de dos polos los anillos colectores se abren a un compensador
o equilibrador estático del cual se toma el neutro como el que se ve en el
esquema. El compensador es un autotransformador, los núcleos de hierro que
tienen una elevada inductancia con el fin de proporcionar una elevada impedancia
a la corriente alterna generada en el inducido. La resistencia óhmica es pequeña y
por eso ofrece poca resistencia a la corriente continua procedente del neutro. El
voltaje de pico de la corriente alterna en los anillos es igual que el voltaje de la
corriente continua del generador y la corriente en el compensador. Cuando la
corriente esta desequilibrada es una consternación de corriente alterna y corriente
continúa.
Ramos Oloarte Félix
Página 72
Descripción General de las máquinas de corriente directa
El devanado serie de cada polo tiene que estar dividido en dos partes, una de
ellas conectada al positivo y otra al negativo, en forma similar los interpolos, todo
esto con el fin de obtener el efecto de carga total en la máquina.
Si se prevé el funcionamiento en paralelo de este tipo de generadores son
necesarios dos hilos de equilibrio que habrán de conectarse entre los interpolos y
los devanados serie. Por eso es lógico que los interpolos se conecten entre el
inducido y el devanado serie.
3.5 Generadores homopolares ó unipolares.
En los generadores ordinarios de corriente directa se engendra una f.e.m.
alternativa y la corriente producida se ha de rectificar o conmutar para obtener el
tipo de corriente deseada. En el generador Unipolar se produce una f.e.m.
unidireccional y no se necesita colector para la conmutación. El principio del
generador unipolar es el de la dinamo de disco de Faraday. Si se hace girar un
disco entre los dos polos de un imán se induce una tensión entre el centro y el
borde del disco y finalmente se puede captar la corriente del disco colocando una
escobilla en el centro y otra en el borde.
La principal desventaja del generador unipolar es que la f.e.m. generada es muy
baja, aunque las velocidades son elevadas, es necesario conectar varias delgas
en serie si se quieren obtener tensiones de valor comercial. Otra desventaja es la
dificultad para recoger la corriente del disco dada la elevada velocidad con que se
necesita girar estos generadores.
Pueden aplicarse como generadores de gran velocidad movidos por turbinas y que
producen corrientes de gran intensidad y baja tensión. Debido a la superioridad de
los generadores con inducido devanado, el uso del generador unipolar a sido muy
limitado.
Fig. 93 Generador homopolar
diseñado por Michael
Faraday.
Ramos Oloarte Félix
Página 73
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Teóricamente resulta posible producir directamente corriente continua sin recurrir
al uso de un colector. Las máquinas homopolares son llamadas así porque el
conductor siempre se mueve en un campo de la misma polaridad. Este tipo de
maquinas no se ha utilizado prácticamente nunca, debido que las tensiones
producidas son muy bajas y las intensidades de corriente son elevadas, y resulta
muy difícil aumentar la tensión y reducir la intensidad.
Las máquinas de corriente continua usadas en la práctica son, en realidad
máquinas de corriente alterna con un dispositivo especial, llamado colector, el cual
hace posible restablecer desde los arrollamientos un valor instantáneo fijo de la
tensión de corriente alterna. Respecto al circuito externo, la tensión aparece
entonces como una cantidad constante.
3.6 Generadores con escobillas de regulación.
En algunos tipos de generadores pequeños particularmente en aquellos que
funcionan a velocidad variable como por ejemplo los utilizados en el automóvil,
presenta ventajas, aprovechar la reacción del inducido para regular la intensidad
de la corriente, sí se emplea un generador Shunt o Compound ordinario para la
carga de la batería del automóvil producirá poca corriente a pequeña velocidad y
excesiva a la velocidad máxima.
Un método muy usado para regular la corriente en los generadores empleados en
el automóvil es el de disponer una escobilla conectándose en el arrollamiento
shunt del inductor entre una de las escobillas principales y una pequeña escobilla
entre las dos principales. Esta tercera escobilla se dispone a 60° con respecto a la
escobilla negativa en dirección opuesta al sentido de rotación.
El arrollamiento shunt del inductor se conecta entre la tercera escobilla y la
escobilla positiva.
Cuándo estos generadores se emplean para cargar baterías, como en el caso del
automóvil debe ponerse un disyuntor ó interruptor que conecte la batería al
generador solamente cuando éste llegue a generar una tensión ligeramente
superior a la que se tenga en la batería, si la velocidad del generador disminuye, el
disyuntor se abre cuándo la corriente se invierte y empieza a circular de la batería
al generador.
Ramos Oloarte Félix
Página 74
Descripción General de las máquinas de corriente directa
3.7 Generadores con polos en derivación.
Este generador es de excitación Compound y en él la tensión se regula derivando
una parte mayor o menor del flujo principal, para que no pase por el inducido,
empleando para ello un shunt magnético. Las características que así se obtienen
presentan ciertas ventajas sobre las del generador Compound usual
especialmente para cargar baterías.
Para lograr esto es necesario colocar unos pequeños polos entre los polos
principales por medio de un puente magnético, en cada puente magnético se le
práctica una ranura longitudinal con objeto de reducir su sección transversal en
ese punto y hacer que el hierro junto a la ranura se sature fácilmente. Alrededor
del polo de derivación se devanan espiras en serie y el sentido del arrollamiento
es tal que este polo es del mismo signo que el principal al que esta enlazado.
El arrollamiento en serie no puede dar lugar a ninguna inversión del flujo en el
campo principal, debido a que la reducida reacción del puente limita el flujo que
puede pasar a través del mismo. Además, el flujo que va del polo de derivación
hacia el inducido que queda limitado por la saturación del mismo polo, como estos
polos están saturados en el eje de las escobillas poca influencia sobre la F.E.M.
del inducido. Los polos de derivación tienen además la ventaja de que el flujo
según el eje de escobillas es de polaridad tal que ayuda a la conmutación con lo
que actúan también como polos de conmutación.
En serie actúan haciendo conmutar el flujo que pasa por el inducido del puente y
como resultado, se aumenta el flujo que pasa por el inducido.
Estos generadores se utilizan principalmente para cargar baterías. No presentan el
efecto de los generadores shunt, dicho efecto es que la tensión cae con la carga,
ni la del generador Compound cuya característica es conmutar debido a la
saturación. La característica casi lineal de los generadores con polos de
desviación se debe al hecho de que al aumentar la carga no se añade flujo al polo
principal para satúralo si no que solamente se aprovecha el flujo dispersado
derivándolo hacia el inducido, a diferencia del tipo de generador con excitación
Compound y característica rectilínea. Este generador no marcha cuando
accidentalmente recibe corriente, es decir, no actuará como motor.
Ramos Oloarte Félix
Página 75
Descripción General de las máquinas de corriente directa
3.8 Generadores para soldadura eléctrica.
La soldadura eléctrica es hoy en día un valioso auxiliar para las construcciones de
hierro y acero, debido al paso constante de iones entre el ánodo y cátodo es más
fácil mantener un arco con corriente directa.
Las características del generador para soldadura por arco deben adaptarse a las
condiciones especiales elegidas por el arco.
El generador debe de funcionar intermitentemente partiendo de circuito abierto
hasta llegar al corto circuito que se produce cuando se ceba el arco o cuando las
partículas del metal fundido aumentan la conductividad del arco. Las curvas
características de la tensión del generador en función de la intensidad de corriente
deben ser tales que el arco se mantenga estable. La longitud del arco y por
consiguiente, la intensidad de la corriente y la tensión varían rápidamente con el
tiempo de manera que el generador funciona continuamente en condiciones
transitorias, produciéndose variaciones con rapidez.
En la práctica, el funcionamiento del generador no se adapta ordinariamente
debido a las condiciones transitorias del arco.
Los generadores para soldadura se fabrican de chapas de hierro y reduciendo con
esto las corrientes inducidas en el núcleo. También se intercalan frecuentemente
una auto inductancia en serie con la carga, que se opone a la variación de la
corriente, cuando cambia la intensidad de la corriente. La f.e.m. de auto
inductancia actúa efectivamente de modo que la característica transitoria tiende a
coincidir con la característica de régimen constante.
Para superar el efecto del cambio transitorio en la corriente de excitación
producido por el cambio del flujo, se dota con frecuencia la auto inductancia en
serie con la carga de un secundario conectado a un arrollamiento dispuesto sobre
el circuito magnético, la dirección de este arrollamiento es tal que se conecte
inducida esta oposición con la que se induce el arrollamiento inductor y por lo
tanto contrasta prácticamente el efecto de la variación de la corriente él.
Existen muchos tipos especiales de generadores para soldadura, construidos de
modo que tengan las características requeridas tanto en régimen transitorio como
en régimen constante. El tipo WD (Welding Generators) construido por la general
electric, es uno de ellos, de modo que no necesita autoinducción para estabilizar el
arco. Este tipo de generador lleva cuatro polos principales de los cuales dos polos
son adyacentes, lo que en realidad hace que sea tipo bipolar con los dos polos
principales divididos, las escobillas se disponen en el plano neutro geométrico así
como los polos de conmutación.
Ramos Oloarte Félix
Página 76
Descripción General de las máquinas de corriente directa
3.9 Aplicaciones de los Generadores
El papel más importante que desempeña el generador de corriente continua es
alimentar de electricidad al motor de corriente continua. En esencia produce
corriente libre de rizo y un voltaje fijo de manera muy precisa a cualquier valor
deseado desde cero hasta la máxima nominal; ésta es en realidad corriente
eléctrica de corriente continua que permite la mejor conmutación posible en el
motor, porque carece de la forma de las ondas bruscas de energía de corriente
continua de los rectificadores. El generador tiene una respuesta excelente y es
particularmente apropiado para el control preciso de salida por reguladores de
retroalimentación de control además de estar bien adaptado para producir
corriente de excitación de respuesta y controlada en forma precisa tanto ara
máquinas de corriente alterna como para máquinas de corriente continua.
El campo de aplicación del generador con excitación independiente, es general,
siempre que se disponga de una línea independiente de corriente continua. Sin
embargo, debe hacerse la advertencia de que estas máquinas “nunca deben
trabajar en cortocircuito”, pues existe el peligro de quemarlas; esto procede, según
puede comprenderse fácilmente de la independencia entre el circuito inducido y el
circuito de excitación. Básicamente, los generadores con excitación
independiente tienen, dos aplicaciones típicas: una, como amplificadormultiplicador; y la otra, como tacómetro.
Los generadores con excitación serie ya no se emplean en las centrales. Se
emplearon hace ya algún tiempo para la alimentación de grandes circuitos de
lámparas de arco, pero estas lámparas han sido sustituidas por otros tipos más
modernos, como por ejemplo, las lámparas de xenón. Los generadores con
excitación en serie tienen aplicación en aquellas actividades en las que se precise
una intensidad prácticamente constante, como puede ser en equipos de
soldaduras y en determinados sistemas de alumbrados.
Los generadores compound, tienen aplicación en las centrales para tracción
eléctrica que precisan de una tensión constante y en todos aquellos casos en que
se haya de contar con variaciones bruscas de carga, como sucede en los talleres
con grúas de gran potencia, laminadores, etcétera; suponiendo que no se
disponga de sistemas compensadores, y que se desee la mayor constancia
posible para la tensión en las barras colectoras. También puede emplearse en
pequeñas instalaciones que precisen de tensión constante, sustituyendo al
generador shunt, para evitar una vigilancia continua a causa de las variaciones de
carga; sin embargo, hay que tener en cuenta que, en este caso, la autorregulación
no es perfecta por lo que, en instalaciones de mayor importancia en que se desee
Ramos Oloarte Félix
Página 77
Descripción General de las máquinas de corriente directa
una tensión constante sin vigilancia, debe sustituirse el generador compound por
otros procedimientos.
Los generadores con excitación mixta (compound) son utilizados en el sistema de
generación de energía eléctrica de corriente continua en aviones polimotores, en
los que existe un generador para cada motor y se realiza un acoplamiento en
paralelo de los mismos para atender a toda la energía eléctrica necesaria.
Ramos Oloarte Félix
Página 78
Descripción General de las máquinas de corriente directa
3.10 Motores de corriente directa.
Los motores de corriente continua se usan en una amplia variedad de aplicaciones
industriales en virtud de la facilidad con la que se puede controlar la velocidad. La
característica par- velocidad se puede hacer variar para casi cualquier forma útil.
Es posible la operación continua sobre un rango de velocidades de muy amplio.
En tanto que los motores de corriente alterna tienden a pararse, los motores de
corriente continua pueden entregar más de 5 veces el par nominal (si lo permite la
alimentación de energía eléctrica). Se puede realizar la operación en reversa sin
conmutar la energía eléctrica.
Los motores de corriente continua los podemos encontrar en una amplia variedad
de presentaciones entre los cuales encontramos los siguientes:
3.11 Motores de corriente directa de imán permanente.
Existen motores de imán permanente, en tamaños de fracciones de caballo y de
números pequeños enteros de caballos. Tienen varias ventajas respecto a los del
tipo de campo devanado. No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica
para excitación ni el devanado asociado. Se mejora la confiabilidad, ya que no
existen bobinas excitadoras del campo que fallen y no hay probabilidad de que se
presente una sobrevelocidad debida a pérdida de campo. Se mejora la eficiencia y
el enfriamiento por la eliminación de pérdida de potencia en un campo excitador.
Así mismo, la característica par contra corriente se aproxima más a lo lineal. Un
motor de imán permanente se puede usar donde se requiere un motor por
completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación continua.
Los efectos de la temperatura dependen de la clase de material que se use en el
imán. Los motores de número entero de caballos de potencia con imán de tipo
Álnico resultan menos afectados por la temperatura que los que tienen imanes de
cerámica, porque el flujo magnético es constante. Por lo común, los imanes de
cerámica que se utilizan en los motores de fracción de caballo tienen
características que varían con la temperatura muy aproximadamente como varían
los campos en derivación de las máquinas excitadas.
Las desventajas son la falta de control del campo y de características especiales
par- velocidad. Las sobrecargas pueden causar desmagnetización parcial que
cambia las características de velocidad y de par del motor, hasta que se
restablece por completo la magnetización. En general, un motor de imán
permanente de número entero de caballos es un poco más grande y más caro que
un motor equivalente con devanado en derivación, pero el costo total del sistema
puede ser menor.
Ramos Oloarte Félix
Página 79
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Un motor de imán permanente es un término medio entre los motores de
devanado compound y los devanados en serie. Tienen mejor par de arranque,
pero alrededor de la mitad de la velocidad en vacio de un motor devanado serie.
3.12 Motores de corriente directa sin escobillas.
Los motores de corriente directa sin escobillas tienen una armadura estacionaria y
una estructura rotatoria del campo, exactamente en forma opuesta a como están
dispuestos esos elementos en los motores convencionales de corriente directa.
esta construcción aumenta la rapidez de disipación del calor y reduce la inercia del
rotor. Imanes permanentes suministran el flujo magnético para el campo. La
corriente directa hacia la armadura se conmuta con transistores, en vez de las
escobillas y las delgas del colector de los motores convencionales de corriente
directa.
Es normal que las armaduras de los motores de corriente continua sin escobillas
contengan de dos a seis bobinas, en tanto que las armaduras de los motores
convencionales de corriente continua contienen de 10 a 50 bobinas. Los motores
sin escobillas tienen menos bobinas porque se requieren de dos o cuatro tiristores
para conmutar cada bobina del motor. Esta disposición se vuelve cada vez más
costosa e ineficiente a medida que aumenta el número de devanados.
Los transistores que controlan cada devanado de un motor sin escobillas de
corriente continua se activan y desactivan a ángulos específicos del rotor. Los
transistores suministran pulsos de comente a los devanados de la armadura, los
cuales son semejantes a los que suministra un conmutador. La secuencia de
conmutación se dispone para producir un flujo magnético rotatorio en el
entrehierro, que permanece formando un ángulo fijo con el flujo magnético
producido por los imanes permanentes del rotor. El par producido por un motor sin
escobillas de corriente continua es directamente proporcional a la corriente de la
armadura.
3.13 Servomotores de corriente directa.
Los servomotores de corriente continua son motores de alto rendimiento que por
lo general se usan como motores primarios en computadoras, maquinaria
controlada numéricamente u otras aplicaciones en donde el arranque y la
detención se deben hacer con rapidez y exactitud. Los servomotores son de peso
ligero, y tienen armaduras de baja inercia que responden con rapidez a los
cambios en el voltaje de excitación. Además, la inductancia muy baja de la
armadura en estos motores da lugar a una baja constante eléctrica de tiempo (lo
normal entre 0.05 y 1.5 ms) que agudiza todavía más la respuesta del motor a las
señales de comando. Los servomotores incluyen motores de imán permanente,
Ramos Oloarte Félix
Página 80
Descripción General de las máquinas de corriente directa
circuito impreso y bobina (o coraza) móvil. El rotor de un motor acorazado consta
de una coraza cilíndrica de bobinas de alambre de cobre o de aluminio. El alambre
gira en un campo magnético en el espacio anular entre las piezas polares
magnéticas y el núcleo estacionario de hierro. El campo es producido por imanes
de fundición de Álnico cuyo eje magnético es radial. El motor puede poseer dos,
cuatro o seis polos.
Cada uno de estos tipos básicos tiene sus propias características, como la inercia,
forma física, costos, resonancia de la flecha, configuración de ésta velocidad y
peso. Aun cuando estos motores tienen capacidades nominales similares de par,
sus constantes físicas y eléctricas varían en forma considerable. La selección de
un motor puede ser tan sencilla como ajustar uno al espacio del que se disponga.
Sin embargo, en general éste no es el caso, ya que la mayor parte de los
servosistemas son muy complejos.
3.14 Motores de corriente directa con campo devanado.
La construcción de esta categoría de motores es prácticamente idéntica a la de los
generadores de corriente directa; con un pequeño ajuste, la misma máquina de
corriente continua se puede operar como generador o como motor de corriente
directa.
Los motores de corriente continua de imán permanente tienen campos
alimentados por imanes permanentes que crean dos o más polos en la armadura,
al pasar flujo magnético a través de ella. El flujo magnético hace que se cree un
par en la armadura que conduce corriente. Este flujo permanece básicamente
constante a todas las velocidades del motor: las curvas par- velocidad y
corriente- par son lineales.
3.15 Motores en derivación.
Es el tipo de motor de corriente continua cuya velocidad no disminuye más que
ligeramente cuando el par aumenta. En los motores de corriente continua y
especialmente los de velocidad prácticamente constante, como los shunt, la
variación de velocidad producida cuando funciona en carga y en vacio da una
base de criterio para definir sus características de funcionamiento.
Excepcionalmente, la reacción del inducido debería ser suficientemente grande
para que la característica de velocidad fuera ascendente al aumentar la carga. Los
polos de conmutación han mejorado la conmutación de los generadores de tal
Ramos Oloarte Félix
Página 81
Descripción General de las máquinas de corriente directa
manera que es posible usar un entrehierro mucho más estrecho que
antiguamente.
Como la armadura de un motor gira en un campo magnético, se genera una f.e.m.
en los conductores que se oponen a la dirección de la corriente y se le conoce
como fuerza contaelectromotriz. La f.e.m. aplicada debe ser bastante grande como
para vencer la fuerza contraelectromotriz y también para enviar la corriente de la
armadura a través de la resistencia del devanado de la armadura y las escobillas.
La
aplicada y
. Puesto que la
a la velocidad cero, es decir, en el arranque, es
idénticamente cero y como por lo general la resistencia de la armadura es
pequeña, si observamos la ecuación anterior, a menos que se tomen medidas
para reducir el voltaje aplicado, circulara una corriente excesiva en el motor
durante ese arranque. Lo normal es que se usen dispositivos de arranque que
consisten en resistores variables en serie, para limitar la corriente de arranque de
los motores.
El par de un motor es proporcional al número de conductores en la armadura, la
corriente por conductor y el flujo magnético total en la máquina.
En el caso del motor en derivación
y
son constantes, las curvas de
velocidad y el par se ven en la curva (1). El par efectivo es menor que el generado
por el par para la fricción del viento, los cojinetes y las escobillas. La caída en la
velocidad desde la condición en vacio hasta la de plena carga. Rara vez se
sobrepasa el 5%, como el flujo magnético por polo disminuye al aumentar la
carga, debido a la reacción de la armadura, es posible que la velocidad
permanezca aproximadamente constante hasta la plena carga.
Ramos Oloarte Félix
Página 82
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 94 Curvas características
de los motores de corriente
directa existentes en la
industria.
3.16 Motor devanado serie
Es el motor cuya velocidad disminuye sensiblemente cuando el par aumenta y
cuya velocidad en vacio no tiene límite hablando teóricamente.
Los motores con excitación en serie son aquellos en los que el inductor esta
conectado en serie con el inducido. El inductor tiene un número relativamente
pequeño de espiras, debe ser de sección suficiente para que se pase por él la
corriente de régimen que requiere el inducido.
En los motores serie, el flujo depende totalmente de la intensidad de la corriente
del inducido. Si el hierro del motor se mantiene a saturación moderada, el flujo
será casi directamente proporcional a dicha intensidad.
En el caso de los motores devanados en serie, el flujo aumenta en proporción a la
corriente en la armadura, por esto el par va a ser proporcional a la corriente de
armadura elevada al cuadrado
si no fuera porque el circuito se satura al
aumentar la corriente. Como la corriente crece con la carga, la velocidad cae a
medida que aumenta la carga. Las características de velocidad y par se muestran
en las curvas (3) de las curvas características. Si la carga en un motor devanado
en serie se hace pequeña, la velocidad aumenta mucho de modo que un motor de
este tipo siempre debe conectarse a la carga a través de un engranaje reductor o
directamente. Si se conecta mediante una banda y ésta se rompiera, la velocidad
del motor se dispararía y el motor probablemente estallaría por dicho aumento.
Para una carga dada y, por lo tanto, para una corriente dada, la velocidad de un
motor devanado en serie se puede incrementar al poner en derivación el
Ramos Oloarte Félix
Página 83
Descripción General de las máquinas de corriente directa
devanado en serie al poner en cortocircuito algunas de las vueltas en serie, de
modo que se reduzca el flujo magnético. La velocidad se puede reducir al
introducir una resistencia en serie con la armadura.
3.17 Motor compound
El motor compound es un término medio entre los motores devanados en serie y
los de en derivación. En virtud de la existencia del devanado en serie, que ayuda
al devanado en derivación, el flujo magnético por polo aumenta con la carga, de
modo que el par se incrementa con mayor rapidez y la velocidad disminuye más
rápidamente que si no estuviera conectado el devanado en serie. El motor
compound no se puede desbocar con cargas ligeras, por la presencia de la
excitación en derivación. En las curvas (2) de las curvas características de los
motores de corriente directa se pueden apreciar las curvas velocidad y par para
este tipo de máquina.
La velocidad de un motor compound se puede ajustar por medio de reóstatos en la
armadura y el campo, como en el caso de la máquina en derivación.
3.18 Motores de corriente directa WEG
Estos motores son concebidos con las más modernas tecnologías de proyecto,
resultando en máquinas compactas y con excelentes propiedades dinámicas,
atendiendo las más difíciles aplicaciones en las áreas de automatización y control
de procesos.
Sus características técnicas son realmente asombrosas ya que por tratarse de una
tecnología de punta la que se usa en su fabricación podemos encontrar una
amplia línea de motores de corriente directa que incluyen un rango de potencia de
hasta 10,000 KW, con pares de 2 a 200,000 N-m y son usados en las más
diversas aplicaciones industriales, tales como la industria del papel y el plástico,
etc.
Ramos Oloarte Félix
Página 84
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 95 Aspecto de un motor
WEG
Proyectados para accionamientos a través de convertidores tiristorizados, los
motores de corriente directa permiten un amplio rango de tensiones de armadura
que pueden ir desde 110 a 800 Volts,
Características constructivas.
Carcasa: laminada en chapas de acero de alta calidad en forma rectangular,
hexagonal o octagonal, permitiendo alimentación por convertidores estáticos en
regímenes de alta dinámica, con rápidas variaciones de par y corriente.
Bobinados del rotor y estator: son bobinados con alambre esmaltados clase H y
con sistema de aislamiento e impregnación clase F.
Tapas: de arrabio o soldadas permiten acoplamiento de tacogeneradores WEG y
un buen funcionamiento de la máquina bajo situaciones de gran demanda de
trabajo.
Conmutadores: construidos de cobre y con materiales aislantes de la más alta
calidad, permiten un contacto perfecto con las escobillas y aseguran excelentes
condiciones de conmutación.
Portaescobillas: fabricadas con alta tecnología, presentan dimensiones,
tolerancias y presiones adecuadas a cada aplicación, asegurando una larga vida
útil al sistema mecánico.
Ramos Oloarte Félix
Página 85
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Escobillas: electrografíticas, grafíticas o especificadas conforme las condiciones
de carga, aseguran una larga vida útil de las escobillas.
Rodamientos: estos pueden ser de esferas o rodillos, conforme tamaño y
aplicación del motor. Descansos de deslizamiento lubricados con aceite para
aplicaciones específicas.
Muy aparte de la composición interna que tienen las máquinas eléctricas de
corriente directa, las podemos encontrar con gran variedad de estructura externa.
Esto se hace con la finalidad de tener un amplio rango de aplicación de estas
máquinas. Las normas que rigen la manufactura y el uso de las máquinas
especifican las características que deben cubrir la máquina y el ambiente de
trabajo para cada tipo de máquina que se produce dentro de la fábrica.
La variedad de aplicaciones en la industria que tienen las máquinas de corriente
directa y si a esto de le agregamos la gran variedad en el tipo de clima que existe
en el mundo obliga a los usuarios a elegir el tipo adecuado de máquina.
Entre los distintos tipos de máquinas, la más ampliamente usada es la máquina
abierta, es decir aquella en la que no hay otra restricción de ventilación que la
necesaria para una buena construcción mecánica. Sin embargo a causa del medio
ambiente, puede ser necesaria una carcasa más o menos completa.
3.19 Clasificación de las máquinas según la NEMA
Los diferentes tipos de carcasa, tal como los define la N.E.M.A. (National Electric
Manufacturers Associatión), se encuentra en la siguiente lista (el número entre
paréntesis es el número de la N.E.M.A.):
1. Hermético. Hermético al agua, al polvo, etc., cuando está construido de forma
que la carcasa excluya el material especificado. (IC50-18)
2. A prueba de. A prueba de salpicaduras, de polvo, etc., cuando esté construida,
protegida o tratada de manera que su funcionamiento correcto no sea interferido
cuando esté sujeto al material o condición especificados. (IC50-20)
3. Resistente. Resistente a la humedad, al humo, etc., cuando esté construida,
protegida de tal forma que no se vea dañado cuando esté sujeto al material
especificado. (IC50-23)
4. Máquina con ventilación propia. Máquina cuyo aire de ventilación circula por
medios integrados en la máquina. (MG50-41)
5. Máquina con ventilación independiente. Máquina cuyo aire de ventilación está
proporcionado por un ventilador independiente o externo a la máquina. (MG50-41)
Ramos Oloarte Félix
Página 86
Descripción General de las máquinas de corriente directa
6. Máquina abierta. Máquina con ventilación propia que no tiene otra restricción a
la ventilación que la necesaria para su construcción mecánica. (MG50-40)
7. Máquina a prueba de goteo. Máquina en la cual las aberturas de ventilación
están construidas de forma que los líquidos vertidos o las partículas sólidas caen
sobre la máquina con un ángulo no mayor de 150 de la vertical no pueden entrar a
la máquina, ya sea directamente o golpeando y corriendo a lo largo de una
superficie horizontal o inclinada hacia dentro. (MG50-14)
8. Máquina a prueba de salpicaduras. Máquina en la cual las aberturas de
ventilación de forma que las gotas de líquido o las partículas solidas que caen
sobre la máquina en línea recta con cualquier ángulo no mayor de 1000 de la
vertical, no pueden entrar en la máquina de ninguna forma. (MG50-16)
9. Máquina totalmente cerrada. Máquina cerrada de tal forma que se impida el
cambio de aire entre el interior y el exterior de la carcasa, pero no tan cerrada
como para considerarse herméticamente al aire.
10. Máquina totalmente cerrada y refrigerada por un ventilador. Máquina cerrada
totalmente y equipada para su refrigeración exterior con un ventilador o
ventiladores, integrados en la máquina, pero externos a las partes encerradas por
la carcasa. (MG50-44)
11. Máquina a prueba de explosión. Máquina en una caja cerrada que está
diseñada y construida para resistir una explosión de un gas o polvo especificado,
que pueda ocurrir dentro de ella y para evitar la ignición del gas o polvo, que por
chispas, descargas o explosiones pueda ocurrir dentro de la carcasa de la
máquina. (MG50-18)
12. Máquina a prueba de agua. Máquina totalmente cerrada construida de forma
que expulse el agua aplicada sobre ella en forma de chorro.
Máquina totalmente cerrada construida de tal forma que un chorro de agua (de
diámetro no inferior a 1 pulgada) bajo una cabeza de 35 pies y desde una
distancia aproximada de 10 pies se pueda arrojar sobre la máquina sin pérdida
alguna, excepto la pérdida que pueda producirse alrededor del eje y que se
considera admisible, dado que no puede entrar en el depósito de aceite y que
existe un mecanismo para el secado automático de la máquina. (MG50-20)
13. Máquina hermética al polvo. Máquina construida de tal forma que la carcasa
excluya el polvo. (MG50-22)
Ramos Oloarte Félix
Página 87
Descripción General de las máquinas de corriente directa
3.20 Aplicaciones de los motores de corriente directa.
Los motores de corriente continua en derivación son adecuados para aplicaciones
en donde se necesita velocidad constante a cualquier ajuste de control o en los
casos en que es necesario un rango apreciable de velocidades (por medio del
control de campo).
El motor en derivación se utiliza en aplicaciones de velocidad constante, como en
los accionamientos para los generadores de corriente continua en los grupos
motogeneradores de corriente directa. El motor devanado en serie se usa en
aplicaciones en las que se requiere un alto par de arranque, como en la tracción
eléctrica, grúas, malacates, etc. En los motores compound la caída de la curva
característica par- velocidad se puede ajustar para que se adecue la carga.
En aplicaciones en las que tradicionalmente se emplean motores en compound,
podría considerarse el motor imán permanente en los casos en que se necesita
una eficiencia un poco más alta y una mayor capacidad de sobrecarga. En las
aplicaciones de motores devanados en serie, la consideración del costo puede
influir en la decisión de hacer el cambio. Por ejemplo, en tamaños de armazón
menores de 5 pulgadas de diámetro, el motor devanado serie es más económico;
pero en tamaños de más de 5 pulgadas, este motor cuesta más en volúmenes
grandes y el motor de imán permanente en estos tamaños más grandes desafía al
motor devanado en serie con sus pares altos y su baja velocidad en vacio.
Los motores de excitación independiente tienen como aplicaciones industriales el
torneado y taladrado de materiales, trefilación, extrusión de materiales plásticos y
goma, ventilación de horno, retroceso rápido en vacio de ganchos de grúas,
desenrollando de bobinas y retroceso de útiles para serrar.
Los motores de excitación en derivación tienen aplicaciones como ventiladores,
bombas, máquinas herramientas además de los mencionados para el motor de
excitación independiente. Entre las aplicaciones del motor serie cabe destacar
tracción eléctrica, grúas bombas hidráulicas de pistón y en general aquellos
procesos donde lo importante sea vencer un par de gran precisión en la velocidad.
El mayor uso del motor compound aditivo es en estrujadoras, grúas tracción,
calandras, ventiladores, prensas, limadores, etc.
El motor compound diferencial presenta el peligro de embalarse para fuertes
cargas, por lo que su empleo es muy limitado. Los motores de imán permanente
se emplean para el movimiento de maquinaria (tornos) en procesos de fabricación
automática, arrastre de cintas de audio y video, movimiento de cámaras, etc.
Ramos Oloarte Félix
Página 88
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Debido a su versatilidad en las aplicaciones, el motor de corriente continua posee
una gran parcela del mercado de motores eléctricos en la realización de procesos,
destacándose:

Máquinas operadas en general.

Bombas de pistón.

Pares de fricción.

Herramientas de avance.

Tornos.

Bobinadoras.

Mandriladoras.

Trituradoras.

Máquinas textiles.

Gañidos y grúas.

Pórticos.

Vehículos de tracción.

Prensas.

Máquinas de papel.

Industria química y petroquímica.

Industrias siderúrgicas.

Hornos, separadores y cintas transportadoras para industria de cemento
y otras.
Ramos Oloarte Félix
Página 89
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 96 Motor de corriente directa de 325 KW usado en un cilindro tensor de
alimentación de tiras.
Fig. 97 Motores de corriente directa con capacidades de 448 KW y
1119 KW. Usados para la laminación en frio en la industria del acero.
Ramos Oloarte Félix
Página 90
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 98 Motor de corriente directa de 746 KW usado para la molienda de caña
de azúcar en la industria azucarera.
Fig. 99 Motor de corriente directa de 350 KW usado para mover cintas
trasportadoras en las minas.
Ramos Oloarte Félix
Página 91
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 100. a) Máquina con
ventilación forzada
independiente.
Fig. 100. c) Máquina con
ventilación forzada independiente
axial.
Fig.100. b) Máquina
autoventilada.
Fig. 100. d) Máquina sin
ventilación.
Fig. 100. e) Máquina con
ventilación por intercambiador
de calor aire- aire.
Fig. 100. f) Máquina con
ventilación por
intercambiador de calor aireaire.
Fig. 100 Diferentes tipos de máquinas existentes en la industria
Ramos Oloarte Félix
Página 92
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Capítulo 4 Pérdidas en las máquinas de Corriente Directa
Las máquinas de corriente directa obedecen a la ley de la conservación de la
energía. Los generadores de corriente directa toman potencia mecánica y
producen potencia eléctrica de corriente directa, los motores de corriente directa
toman potencia eléctrica de corriente directas y producen potencia mecánica. Con
esto hacen valido el lema “la energía no se crea ni se destruye sólo se
transforma”. En cualquiera de los dos casos no toda la potencia que entra a la
máquina es la misma que sale de la máquina en forma útil para la utilización de la
misma.
Los dos elementos principales de la máquina eléctrica, el flujo magnético y la
corriente en los conductores del inducido, producen una cierta cantidad de calor
en la máquina.
Cada máquina eléctrica es un convertidor de energía. El generador convierte la
energía mecánica en eléctrica, el motor convierte la energía eléctrica en mecánica,
el motor generador y los convertidores rotativos convierten la energía eléctrica en
energía eléctrica. El calor producido en la máquina por el flujo y la corriente es una
pérdida de energía que reduce su rendimiento. Debido a esto la energía que entra
a las máquinas debe ser mayor que la obtenida en la salida.
Siempre hay pérdidas asociadas al proceso, por lo que la eficiencia de una
máquina se puede expresar con la ecuación siguiente.
Ƞ=
x 100
Ƞ=
x 100
Ƞ=
x 100
Por lo tanto, si se conocen las pérdidas en las máquinas de corriente directa se
puede obtener el rendimiento correspondiente a cualquier potencia útil o
absorbida.
En el ámbito eléctrico se está más familiarizado con las magnitudes eléctricas que
las mecánicas en la determinación del rendimiento de las máquinas eléctricas. Se
aplica a los generadores (potencia útil eléctrica) y a los motores (potencia
absorbida eléctrica).
El rendimiento puede determinarse midiendo la potencia útil (suministrada) y la
absorbida, tomando su relación tal y como se indico en las ecuaciones anteriores.
Ramos Oloarte Félix
Página 93
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Con frecuencia, esto es muy difícil o impracticable. Aunque en un generador es
sencillo medir la potencia útil con aparatos eléctricos, en cambio el medir la
potencia motriz resulta muy difícil ya que requiere la medida del par.
Fig. 101 Pruebas hechas a
una máquina de corriente
directa
Si se dispone de un dinamómetro eléctrico, se simplifica mucho la medición, pero
esta clase de dinamómetro no se dispone ordinariamente más que en equipos
especiales. Con los motores se determina fácilmente absorbida, con aparatos
eléctricos y la útil mediante un freno de Prony o un dinamómetro.
Sin embargo para pequeñas potencias, es difícil absorber la energía en un freno
de Prony, al igual los dinamómetros son instrumentos muy especiales y limitados
hasta potencias de 100 HP. Tanto para los motores como los generadores,
especialmente para potencias elevadas, es con frecuencia imposible suministrar y
absorber la energía que se necesita para la prueba.
Freno de Prony
Fig. 102 Freno
dinamométrico, para medir la
fuerza de motores.
Ramos Oloarte Félix
Página 94
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Descripción.
El freno consta de un brazo, sobre el que van montados un dinamómetro y una
rueda, que tiene adosada una cincha de alto rozamiento. Esta rueda es la que se
conecta al eje del motor del cual se quiere medir su potencia. El ajuste de la
cincha es variable, pudiéndose controlar así el torque de carga aplicada al motor
Usos.
Este freno provee una forma sencilla de aplicar un torque de carga al eje principal
de salida de un motor. La potencia de salida es disipada en forma de calor por el
material de freno. Ajustándose la fuerza del freno, se puede cambiar la fuerza del
torque combinando la medición de ese torque (mediante un dinamómetro colocado
en el brazo del freno, a una distancia conocida del eje del motor) con la medición
de la velocidad de rotación del eje, puede calcularse la potencia de salida del
motor.
Cuándo se emplean las expresiones anteriores un error porcentual en la potencia
útil o en la absorbida conduce al mismo error porcentual en el rendimiento, y como
la precisión de los aparatos eléctricos es elevada, la diferencia entre la potencia
útil y la absorbida suele ser pequeña. En las máquinas que tienen cargas de
pequeña magnitud, las pérdidas son pequeñas comparadas con la potencia útil o
la absorbida, y cualquier error que se produzca en la evaluación de las pérdidas
afecta el rendimiento únicamente en una fracción pequeña del mismo.
Si estamos hablando de un generador la potencia mecánica es la potencia
absorbida por la máquina eléctrica y la potencia eléctrica es la suministrada por
dicha máquina.
Si es que se trata de un motor la potencia eléctrica en bornes es la absorbida por
la máquina y la potencia mecánica es la suministrada por la máquina.
La curva de rendimiento proporciona la variación del rendimiento de la máquina en
función de la variación de la carga en la misma, tal y como se puede apreciar en la
figura siguiente.
Ramos Oloarte Félix
Página 95
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 103 Curva de
rendimiento característica en
una máquina de corriente
directa.
Tal como se puede apreciar en la figura el rendimiento en una máquina va
aumentando conforme aumenta la carga, tal como podemos apreciar el máximo
rendimiento se tiene cuando se presenta el 70% de la carga nominal y de ahí el
rendimiento va disminuyendo pero con una pendiente menos pronunciada.
Para máquinas que van a trabajar con una carga parcial a la nominal conviene
reducir el valor de las pérdidas constantes. Conviene también que la máquina no
marche con carga débil pues observando la curva de rendimiento se deduce que
el rendimiento es muy bajo en estos casos; por lo tanto no es aconsejable emplear
máquinas cuya potencia sobrepasa excesivamente la potencia necesaria para el
servicio requerido.
4.1 Pérdidas debidas al flujo principal.
Pérdidas en el hierro del rotor. Dado que el inducido debe girar con respecto al
campo magnético para que se induzca una f.e.m. en los conductores, las
partículas de hierro del rotor se magnetizan alternativamente primero en un
sentido y luego en el otro. Esto produce pérdidas por histéresis.
Ramos Oloarte Félix
Página 96
Descripción General de las máquinas de corriente directa
La magnitud de las pérdidas por histéresis depende del área encerrada en la curva
de histéresis, del número de ciclos magnéticos por segundo y del volumen de
hierro.
El hierro del rotor está laminado de forma perpendicular a la dirección de la
corriente en los conductores del inducido, para evitar corrientes parasitas de
Foucault, que se produce cuando el hierro se mueve paralelamente a los
conductores provocando así pérdidas. Sin embargo, las corrientes de Foucault
aparecen en las chapas laminadas simples y producen calor. Las pérdidas por
corrientes de Foucault dependen de la densidad de campo, del número de ciclos
magnéticos por segundo, del espesor de las chapas, de la calidad del hierro y de
su volumen.
En la práctica se usan unas curvas de pérdidas en el hierro que representan las
pérdidas totales en el hierro en watt por libra en función de la densidad del flujo .
Fig. 104 Curvas de pérdidas
a 60 ciclos para acero usado
en transformadores y
dínamos.
Los valores encontrados en la grafica son solo una parte de las pérdidas en el
hierro totales producidas por el flujo principal. Esto se debe a muchos factores
adicionales que aumentan la histéresis así como a las pérdidas por corrientes de
Foucault, pero principalmente a estas últimas.
Ramos Oloarte Félix
Página 97
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Para fines de cálculos se supone que la densidad del flujo se distribuye de forma
sinusoidal en el entrehierro. Esto no es así en la máquina de corriente continua. Si
la curva de distribución del flujo en la máquina de corriente continua se desarrolla
en una serie de Fourier, mostrara un fundamental con armónicos de amplitud
considerable. Estos armónicos producirán pérdidas adicionales, de forma que las
pérdidas por corrientes de Foucault en los dientes son aproximadamente el doble
que las determinadas en la figura.
La distribución no uniforme del flujo en la sección transversal del núcleo del
inducido es un factor que aumenta las pérdidas en el hierro. Mientras que este
factor puede aumentar las pérdidas por histéresis del núcleo desde un 5% hasta
un 30%, las pérdidas por corrientes de Foucault en el núcleo pueden aumentar
desde un 20% hasta un 80%. El índice de aumento depende de la relación entre
los diámetros interior y exterior del núcleo.
El proceso de troquelado de las chapas aumenta las pérdidas en el hierro desde
un 7% hasta un 15%. El limado para sacar las rebabas aumenta las pérdidas
desde un 10% hasta un 15%, pero esto ocasiona costos adicionales de
manufactura. Se pueden suponer que todos estos factores aumentan las pérdidas
en el hierro debidas al flujo principal desde un 40% hasta un 60%.
Pérdidas en las caras del polo.
Las pérdidas del hierro no sólo aparecen en el hierro del rotor, sino también en el
hierro del polo. A causa de las ranuras, la curva de distribución del flujo se
distorsiona.
Fig. 105 Ondulación en la
curva de excitación debida a
las aberturas de las ranuras.
La densidad de flujo es mayor en los puntos opuestos a los dientes que en los
puntos opuestos a las ranuras, debido a la diferencia de reluctancia magnética. A
la densidad media del flujo se encuentra superpuesta una ondulación, cuya onda
es igual al paso de una ranura esta ondulación presenta un movimiento con
relación a los polos e induce corrientes de Foucault en la superficie del polo.
Ramos Oloarte Félix
Página 98
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Debido a que un ciclo completo corresponde a un paso de ranura, la frecuencia
de esta pulsación viene a estar dada por:
Donde Q es el número de ranuras en el rotor. La amplitud de la pulsación del flujo,
es decir, la diferencia entre la densidad máxima y media del flujo, depende de la
abertura de la ranura. Es mucho mayor en las maquinas con ranuras abiertas que
en máquinas con ranuras semicerradas.
Para una abertura de una ranura dada disminuye conforme aumenta el
entrehierro. Las pérdidas en la superficie del polo dependen, por lo tanto, de la
abertura de la ranura, del entrehierro y de la frecuencia
es decir, del número
de ranuras y de la velocidad
también es importante el hecho de que el polo sea
laminado o macizo. Los polos de las máquinas de corriente continua son
generalmente laminados. Las pérdidas en la cara del polo van desde un 15%
hasta un 40% de las pérdidas debidas al flujo principal.
4.2 Pérdidas en el cobre.
El flujo principal influye en las pérdidas en el devanado de excitación y también el
devanado del inducido. Para poder generar el flujo polar es necesaria una
corriente en el devanado de excitación. Las pérdidas debidas a l corriente de
excitación son:
Donde:
es el número total de espiras del devanado de excitación,
de una espira,
la sección del conductor,
la resistividad del material.
es la resistividad a 20°C y
Cobre:
la longitud media
el número de circuitos en paralelo y
depende de
la temperatura.
Así
pues,
el coeficiente de temperatura de la resistencia.
;
Ramos Oloarte Félix
Página 99
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Aluminio:
Latón:
En las máquinas de corriente continua que generalmente están más saturadas
que otras máquinas eléctricas, una pequeña parte del flujo principal va a través de
las ranuras y los conductores. Dado que el flujo concatenado con el cobre del
inducido cambia con la posición de los polos respecto a los conductores, se
inducen corrientes de Foucault en los conductores y, principalmente, en aquellos
que están en la parte superior de la ranura cerca del entrehierro. Estas pérdidas
adicionales en el cobre van desde un 10% hasta un 30% de las pérdidas en el
cobre debidas a la corriente del inducido.
Pérdidas por corrientes de Foucault en las partes estructurales.
En las máquinas de corriente continua el devanado del inducido se sostiene en su
lugar gracias a bandas que están situadas en los surcos del núcleo del rotor. El
flujo principal induce corrientes de Foucault en estas bandas de alambre de acero.
4.3 Pérdidas debidas a la corriente del inducido (carga).
Pérdidas por efecto Joule en los arrollamientos del inducido, de los polos
auxiliares, de la excitación en serie y de compensación.
La resistencia del devanado del inducido está dada por la siguiente expresión:
Donde
es la longitud media de una espira y A la sección transversal del
conductor.
Todas las máquinas de corriente continua excepto las de pequeña potencia, tienen
polos auxiliares con su devanado. Este devanado es excitado por la corriente del
inducido. Sus pérdidas deben sumarse a las provocadas por el devanado del
inducido. Si es que en la máquina hay excitación serie y un devanado de
compensación, las pérdidas de estos devanados se deben añadir también a las
del devanado del inducido.
Pérdidas por efecto Skin.
La corriente que circula por los conductores del inducido de una máquina de
corriente continua no es una corriente continua, sino alterna. Esta corriente
desarrolla un ciclo completo, mientras el conductor pasa por un par de polos. Si
Ramos Oloarte Félix
Página 100
Descripción General de las máquinas de corriente directa
es el número de revoluciones por minuto, entonces la frecuencia de la corriente
del conductor, en ciclos por segundo, es:
El flujo que consideramos para el análisis del efecto Skin es el flujo de dispersión
de la ranura producido por la corriente en el conductor. El flujo principal, cuyo
camino va a través del núcleo, esta concatenado por igual con todos los hilos e
induce la misma f.e.m. en todos ellos.
Supongamos que el conductor está dispuesto de forma perpendicular a la
profundidad de la ranura, en un número determinado de hilos. El hilo, en la base
del conductor, esta concatenado con el flujo con el flujo total producido por el
conductor completo. Cada hilo que está por encima del de la base va a estar
concatenado con solo una parte del flujo total, de este modo el hilo que se
encuentra en la parte superior del conductor está concatenado con relativamente
poco flujo.
Debido a que el flujo de dispersión ( ) concatenado no es el mismo para todos los
hilos, la reactancia de dispersión (
) producida por una c.a. en el conductor es
diferente para cada hilo. La corriente es muy pequeña en el hilo inferior y es
máxima en el hilo superior, la corriente se desplaza desde la base hacia la parte
superior de la ranura. A este fenómeno se le conoce como el efecto Skin. El
efecto Skin aumenta conforme crece la altura del conductor y con la frecuencia a
la que está trabajando la máquina. No se presenta el efecto Skin en máquinas
que trabajan con baja frecuencia o continua (
).
Dado que el efecto Skin aumenta con la altura del conductor, es posible reducirlo
haciendo una división del conductor en hilos en forma perpendicular a su altura, lo
cual es efectivo solo y solo si se encuentran aislados los hilos entre ellos.
Las pérdidas por efecto Skin en el devanado del inducido se encuentran en un
rango que va desde el 5% hasta un 25% de sus pérdidas en el cobre en corriente
continua.
Fig. 106 Explicación del
efecto Skin en los
conductores debido al efecto
Skin
Fig. 107 Distribución de la corriente
en una ranura con dos conductores
(debida al efecto Skin)
Ramos Oloarte Félix
Página 101
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Pérdidas en el cobre en el devanado del inducido debidas a la distorsión del flujo.
La fuerza magnetomotriz del inducido distorsiona el flujo polar, lo cual provoca que
aumente la densidad de flujo en una mitad del polo y disminuya en la otra mitad de
dicho polo. Esto causa pérdidas por corrientes de Foucault en los conductores del
inducido, del mismo tipo que las producidas por el flujo principal en vacio. Estas
pérdidas son despreciables en máquinas de corriente directa con devanado de
compensación, porque no hay distorsión del flujo. La cantidad de estas pérdidas
en máquinas que no cuentan con devanado de compensación se encuentran
aproximadamente en el rango de 0.5% hasta 0.6% de la potencia de salida de la
máquina.
4.4 Pérdidas de rozamiento y por resistencia del aire. Debido a la rotación se
produce en todas las máquinas rotatorias pérdidas por rozamiento en los
cojinetes. La pérdida en los cojinetes va a depender de la presión en los cojinetes,
de la velocidad periférica de rozamiento en el cojinete, del coeficiente de
rozamiento entre el cojinete y el eje y del rozamiento entre colector y escobilla. En
máquinas de colector, las pérdidas por rozamiento de las escobillas son bastante
grandes.
Las normas de la A.I.E.E recomiendan como valores medios de las pérdidas por
rozamiento de las escobillas:
de contacto por
de
velocidad periférica para escobillas de carbón y grafito, y
contacto por
de
de velocidad periférica para escobillas de metal grafito.
Las pérdidas por resistencia del aire producidas en las máquinas rotatorias
dependen de la velocidad periférica del rotor, del diámetro del mismo, de la
longitud del núcleo, y espaciamiento de la construcción de la máquina. Mientras
que las pérdidas por rozamiento se pueden calcular de una manera casi exacta,
las pérdidas provocadas por la resistencia del aire solo se pueden estimar
mediante pruebas en las máquinas similares o por pruebas reales.
Ramos Oloarte Félix
Página 102
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 108 Pérdida por
rozamiento y por resistencia
del aire en máquinas grandes.
4.5 Pérdidas Mecánicas. Las pérdidas en una máquina de corriente directa están
asociadas con los elementos mecánicos. Hay dos tipos básicos de pérdidas
mecánicas: Fricción entre las piezas móviles y fricción con el aire. Estas son las
pérdidas causadas por la fricción de los rodamientos de la máquina y las causadas
por la fricción entre las partes móviles de la máquina y el aire dentro de la carcasa
de la máquina y normalmente están calculadas en el 2% de la velocidad de la
máquina.
La mayor parte de las máquinas de corriente continua de gran tamaño usan
cojinetes de metal Babbitt y muchas máquinas pequeñas utilizan cojinetes de
bolas o rodamientos, aun cuando ambos tipos de cojinetes se pueden usar en
máquinas de cualquier tamaño. Las pérdidas de fricción de cojinetes dependen de
la velocidad, la carga del cojinete y la lubricación. Las pérdidas por resistencia al
viento dependen de la construcción del rotor, su velocidad periférica y las
restricciones de la máquina al movimiento del aire.
4.6 Pérdidas diversas ó Varias. Son las pérdidas que no se pueden clasificar en
ninguna categoría, no importando que se les encuentre mucha lógica pues se
toman que se efectúan. Podemos mencionar los errores de lectura en los aparatos
de medición, también la precisión, etc. Se pueden tomar con un valor igual o
aproximado al valor de 1% que entrega la máquina trabajando a plena carga.
Las pérdidas de remolino se reducen al usar hierro con resistencia eléctrica tan
alta como sea factible. El hierro de muy alta resistencia presenta tendencia a tener
Ramos Oloarte Félix
Página 103
Descripción General de las máquinas de corriente directa
baja permeabilidad de flujo y a ser mecánicamente quebradizo y costoso; raras
son las veces en las que se justifica su uso en máquinas de corriente continua. La
pérdida se mantiene a un valor aceptable mediante el uso de laminaciones
delgadas de núcleo que va desde 0.017 a 0.025 pulgadas de grueso.
Aun así hay otras pérdidas en el núcleo que se pueden diferir grandemente incluso
en máquinas idénticas y que no se prestan a cálculos. Estas pérdidas son:
Pérdida debida al limado de ranuras: cuando se han ensamblado las
laminaciones, se encontrará en algunos casos que las ranuras son ásperas y
deben limarse para evitar cortar el aislamiento de bobina. Esto introduce rebabas
en las laminaciones y tiende a poner en cortocircuito la resistencia interlaminar.
Las pérdidas en el cepo (o manguito) sólido, placas de extremo de núcleo y
soportes de bobina de flujos de fuga pueden ser considerados.
Las pérdidas debidas a distribución no uniforme de flujo en el núcleo de rotor son
difíciles de anticipar. Al calcular la densidad de núcleo, se acostumbra suponer
distribución uniforme sobre la sección del núcleo. Sin embargo, el flujo toma la
trayectoria de menor resistencia y se concentra tras los dientes hasta que la
saturación la obliga a pasar en las trayectorias más largas y menos usadas que se
encuentran abajo. Como resultado de la concentración, la pérdida de núcleo que
es aproximadamente proporcional al cuadrado de la densidad, es mayor que lo
calculado.
Por lo tanto, no es posible predeterminar la pérdida total del núcleo mediante el
uso de formulas fundamentales. En consecuencia, los cálculos de pérdida de
núcleo para nuevos diseños se basan por lo general en los resultados de pruebas
en máquinas similares construidas bajo las mismas condiciones.
Ramos Oloarte Félix
Página 104
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Capítulo 5 Problemas en las máquinas de corriente directa
Diferentes tipos de fallas por lo que no produce voltaje un generador de corriente
continúa y forma de rendimiento.
Por conexión defectuosa del campo de excitación. También se le conoce a esta
falla con el nombre de “conexiones invertidas”. La máquina no genera en virtud de
que al estar invertidas las terminales del campo, el campo magnético inducido por
la corriente de excitación anula el magnetismo remanente de los polos, y la
máquina no podrá generar. Para corregir este tipo de falla lo único que hay
necesidad de hacer es invertir las terminales del campo de excitación para que la
corriente cambie de sentido y así tenga el sentido en el embobinado tal que todos
los polos adquieran la polaridad correcta y el campo magnético inducido por la
excitación refuerce o multiplique el magnetismo remanente de la máquina.
El generador haya perdido el magnetismo remanente. Sucede con frecuencia que
cuando se ha dejado de operar un generador por un lapso de 4 meses o más
tiempo, al ponerlos nuevamente en operación no produce energía debido a que
perdió su magnetismo remanente, la pérdida de magnetismo remanente en una
máquina también se puede deber a un fuerte impacto recibido por la máquina por
lo cual tampoco podrá producir energía. Para la reparación de este problema es
necesario conectar un acumulador y con las terminales del mismo darle a las
terminales del campo de la máquina dos o tres toques sucesivos hasta que estas
adquieran un magnetismo remanente. Podría suceder que la máquina no adquiera
su magnetismo remanente debido a que la máquina tenga presente el problema
de que estén invertidas sus terminales en el campo.
5.1 Problemas de conmutación en máquinas reales
Conmutación es el proceso de convertir los voltajes y corrientes de corriente
alterna existentes en el rotor de una máquina de corriente directa en voltajes y
corrientes de corriente directa.
El proceso de conmutación no es tan simple como parece, en teoría existen dos
efectos que lo impiden dichos efectos son:
1). Reacción de armadura
2). Voltaje auto inducido
1).Reacción de armadura.
Ramos Oloarte Félix
Página 105
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Si los arrollamientos que producen el campo magnético en la máquina se
conectan a una fuente de excitación y el rotor se hace girar por medio de una
fuente de potencia mecánica, entonces se presentaran voltajes inducidos en los
conductores del rotor, estos voltajes se rectifican por la acción del colector para
obtener una salida de corriente directa.
Sí se conecta una carga a las terminales de la máquina de corriente directa va a
circular una corriente por el devanado de armadura. Esta corriente genera su
propio campo magnético, que distorsiona el campo magnético original de los polos
de la máquina, esta distorsión del flujo en la máquina a medida que se incrementa
la carga se llama reacción de armadura o reacción del inducido.
Esta reacción produce serios problemas en las máquinas reales de corriente
directa.
El primer problema causado por la reacción de armadura es el corrimiento del
plano neutro, el plano neutro magnético se define como el plano dentro de la
máquina donde la velocidad de los conductores del rotor es exactamente paralela
a la dirección de las líneas de flujo magnético, de tal manera que la fuerza
electromotriz inducida en esos conductores del plano neutro es exactamente cero.
El desplazamiento al plano neutro, trae como consecuencia que el colector debe
tener en corto las delgas que en un momento determinado tengan voltaje cero. Sí
las escobillas se mantienen en el plano vertical, efectivamente pondrán en
cortocircuito las delgas de voltaje cero, pero solamente mientras la máquina este
trabajando sin carga conectada, cuando la máquina se le conecta una carga el
plano neutro se corre y las escobillas quedan haciendo el cortocircuito entre
delgas que tienen un voltaje diferente a cero.
El resultado es que ahora fluye una corriente entre las delgas en corto y la
escobilla, en el instante en el que la escobilla pierde el contacto con ellas se
interrumpe la corriente y aparece una chispa entre las delgas y la escobilla.
El resultado final es que se inicia un arco de chispas en las escobillas, este es un
problema que puede reducir la duración de las escobillas, desajustar las delgas
del colector y por lo tanto aumentar los costos de mantenimiento.
En casos extremos el corrimiento del plano neutro puede ocasionar descargas
entre las escobillas y las delgas cercanas, normalmente en las proximidades de
las escobillas el aire se ioniza como resultado de las chispas, la descarga se
presenta cuando el voltaje de las delgas adyacentes es el suficiente para
mantener un arco a través del aire ionizado, cuando hay descarga el arco
resultante puede llegar a fundir la superficie del colector.
Ramos Oloarte Félix
Página 106
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Otro problema provocado por la reacción de armadura es el debilitamiento del
flujo. la mayoría de las máquinas operan con una densidad de flujo cercana al
punto de saturación, entonces en la zona de la superficie del polo en la cual la
fuerza magnetomotriz del rotor se suma a la fuerza magnetomotriz del polo, se
presenta un pequeño aumento del flujo, sin embargo en la zona de la superficie
del polo en donde la fuerza magnetomotriz del rotor se opone a la fuerza
magnetomotriz del polo, se presenta una notoria disminución del flujo, el resultado
neto es que el flujo promedio bajo el polo se disminuye.
El segundo problema importante que crea la conmutación es el voltaje auto
inducido que se presenta en las delgas puestas en corto por las escobillas. Este
voltaje algunas veces se llama golpe inductivo, a pesar de que la inductancia de la
espira es pequeña se induce un voltaje significativo entre las delgas en
cortocircuito. Este voltaje alto ocasiona chisporroteo en las escobillas resultando
un arco y por lo tanto los mismos problemas del corrimiento del plano neutro.
5.2 Solución de los problemas en la conmutación
Se han desarrollado tres procedimientos para corregir parcial o totalmente los
problemas de la reacción de armadura y de los voltajes auto inducidos.
1. Corrimiento de las escobillas.
2. Polos auxiliares.
3. Devanado de compensación.
1.) Corrimiento de las escobillas. El primer intento por mejorar el proceso de
conmutación en máquinas de corriente directa comenzó eliminando el
chisporroteo en las escobillas causado por el desplazamiento de la zona
neutra y por el voltaje auto inducido, una solución fue poner las escobillas
un poco corridas para eliminar las chispas, pero en la práctica hay varios
inconvenientes asociados.
El desplazamiento del plano neutro varia con la carga y además la dirección del
desplazamiento cambia cuando la máquina opera como generador o como motor,
por lo que sería necesario ajustar la posición de las escobillas en todo momento
de acuerdo con la variación de la carga de la máquina, además al correr las
escobillas se pueden eliminar las chispas, pero se acentúa el debilitamiento del
flujo esto se debe a:
1. La fuerza magnetomotriz del rotor tiene una componente que se opone a la
fuerza magnetomotriz de los polos.
Ramos Oloarte Félix
Página 107
Descripción General de las máquinas de corriente directa
2. El cambio en la distribución de corrientes de la armadura produce una
concentración de flujo en la zona saturada de las áreas pobres.
Otra propuesta fue fijar las escobillas en una posición intermedia, en este caso hay
chispas cuando la máquina funciona en vacio o a plena carga. El corrimiento de
las escobillas solo se usa en máquinas muy pequeñas donde otro método seria
costoso.
2.) Polos auxiliares de conmutación o interpolos. Debido a la desventaja
que presenta el ajuste en la posición de las escobillas para condiciones de
carga se busco la forma de solucionar los problemas de conmutación en las
máquinas. La idea básica es que si se logra hacer cero el voltaje en los
conductores en el proceso de conmutación entonces no habrá chispas en
las escobillas.
Para lograrlo se colocaron polos más pequeños entre los polos principales y
se les llamaron polos de conmutación o interpolos. Los polos de
conmutación no modifican las condiciones de operación de la máquina pues
se hacen tan pequeños que solamente afectan a los conductores que están
en conmutación, tampoco se modifica la reacción de armadura frente a los
polos principales pues el efecto de los polos de auxiliares no se extiende
tanto, es decir, el debilitamiento del flujo no se modifica con la presencia de
los polos de conmutación.
Para lograr que la anulación del voltaje sea perfecta para cualquier
condición de carga, simplemente conectando los devanados de los polos
auxiliares en serie con el devanado del rotor, así cuando se incrementa la
carga, crece la corriente del rotor y también aumentan sus efectos, el
corrimiento del plano neutro y la magnitud del voltaje autoinducido.
Los cuales aumentaran el voltaje de los conductores en conmutación, sin
embargo el flujo del polo auxiliar también crece, produciendo en los
conductores un voltaje también alto y de sentido opuesto al ocasionado por
el crecimiento del plano neutro.
El resultado neto es que los dos efectos se anulan para un rango bastante
amplio de cargas, los polos auxiliares trabajan para cualquier forma de
operación de las máquinas.
Los interpolos deben tener la polaridad del polo principal que le sigue.
Ramos Oloarte Félix
Página 108
Descripción General de las máquinas de corriente directa
3.) Devanados de compensación. Para motores que operan en condiciones
de trabajo muy pesadas el debilitamiento del flujo puede convertirse en un
problema serio, para eliminar completamente los dos efectos de la reacción
de armadura se colocan devanados de compensación en ranuras hechas
en las caras de los polos asentadas paralelamente a los conductores del
rotor con el fin de eliminar el efecto de distorsión del campo creado por la
reacción de armadura.
Estos devanados se conectan en serie con el devanado del rotor, de tal
manera que si cambia la carga, también cambia la corriente en el devanado
de compensación.
La mayor desventaja de los devanados de compensación es que son
costosos, ya que deben ser maquinados en las caras de los polos.
5.3 Operación en paralelo
En la mayoría de las centrales de energía eléctrica resulta más conveniente
disponer siempre de varios generadores de corriente continua para suministrar
potencia a la instalación que la requiere. Si se trata de una central autónoma de
corriente continua porque hacer trabajar un solo generador durante largos
periodos de tiempo a una carga parcial también llamado “a media carga”, por lo
tanto a bajo rendimiento; La ventaja que se presenta al usar dos o más unidades
pequeñas en paralelo es que en las horas de pequeña carga exigida solo
funcionan una o dos unidades de las que se tienen disponibles, acoplando en
paralelo las restantes a medida que lo exigen las condiciones del servicio.
Las máquinas eléctricas deben recibir mantenimiento periódicamente y las
máquinas de corriente directa no son la excepción por ellos se han de parar las
máquinas de la central generadora para su revisión, limpieza y, si fuera necesario,
su reparación; si solamente se dispone de un generador, durante las operaciones
de revisión y limpieza, la central no podría suministrar energía eléctrica: por el
contrario si están instalados varios generadores, éstos pueden inspeccionarse y
limpiarse uno a uno y mientras se realizan las actividades los demás generadores
pueden suministrar energía eléctrica a los usuarios.
En el caso de las centrales de corriente alterna, donde es necesaria la corriente
directa para la excitación de los generadores de corriente alterna y, en muchas
ocasiones para la carga de los bancos de baterías que tiene la central generadora
de reserva por alguna anomalía en su funcionamiento, cabe hacer análogas
consideraciones, sobre todo en los casos en que la central dispone de barras de
Ramos Oloarte Félix
Página 109
Descripción General de las máquinas de corriente directa
excitación comunes para todos los generadores: el tener un solo generador de
corriente continua puede resultar fatal para la central, si se avería el generador de
corriente continua, puede significar el paro total de la central, mientras que si se
disponen de varios generadores, la avería de uno de ellos significará cuanto más,
el paro de un solo generador.
De acuerdo con esto, resulta fácil comprender que, además de los generadores de
corriente continua que se consideren necesarios, conviene instalar también uno o
más generadores de reserva pues, de esta forma, se facilita la inspección y
limpieza de los generadores, sin necesidad de que la central haya de funcionar a
una parte de su carga nominal.
El acoplamiento de los generadores eléctricos de corriente continua, puede
realizarse en serie o en derivación o paralelo. Pero excepto en casos muy
especiales, el acoplamiento se realiza en la mayoría de las aplicaciones en
paralelo.
Las condiciones necesarias para que dos o más generadores de corriente
continua puedan acoplarse en paralelo son:
1. ° Las máquinas han de tener la misma tensión nominal.
2. ° Las máquinas y las barras colectoras han de tener la misma polaridad. La
conexión a las barras colectoras con diferente polaridad provocaría un
cortocircuito.
Además de estas condiciones necesarias, es muy conveniente que los
generadores en paralelo tengan las mismas (o, por lo menos, parecidas)
características de funcionamiento.
Solo si se cumplen las condiciones indicadas, puede conseguirse que la carga de
la red se reparta automáticamente entre las máquinas acopladas
proporcionalmente a la potencia de las mismas. Si, por el contrario las
características de funcionamiento difieren mucho entre sí se ha de tener mucho
cuidado en que la máquina con excitación más fuerte no resulte sobrecargada, lo
que se evitara en lo posible, accionando el regulador de tensión.
Cuando funcionan dos máquinas en paralelo, cualquier variación de la carga va
hacer entrar en acción el regulador de la máquina, produciendo una fluctuación de
velocidad y como consecuencia en el voltaje presente en los bornes de la
máquina. Si no hay hilo de equilibrio el equipo que está funcionando a mayor
velocidad reportara más carga que la que proporcionalmente le corresponde, lo
que a su vez aumentara su intensidad de campo serie, asiéndolo captar más
Ramos Oloarte Félix
Página 110
Descripción General de las máquinas de corriente directa
carga, incluso esto puede hacer que el otro generador pierda toda su carga. El
proceso continuara hasta que la corriente del segundo generador disminuye,
convirtiéndose en un motor Compound diferencial. Al invertirse la corriente de su
devanado inductor en serie.
En la práctica todo esto se lleva a cabo con una gran rapidez y a menos que se
interrumpa inmediatamente el circuito, puede producirse graves daños en la
máquina.
El efecto que se produce en función de lo que acabamos de especificar se conoce
con el nombre de inversión de polaridad, por lo que habrá que comprobarla muy
cuidadosamente antes de poner en marcha el generador.
Para corregir el efecto anterior se procede de la siguiente manera:
Se separan las escobillas del conmutador y se cierra a continuación el interruptor
principal, de tal forma que el campo en paralelo quede excitado desde las barras
colectoras.
Se hace girar el reóstato de campo hasta el punto de pleno campo y después
antes de abrir el interruptor principal se vuelve a la posición de campo mínimo
(esta operación es de suma importancia)
Es muy impactante que el interruptor equilibre la carga entre los generadores
conectados en paralelo, hay que prestar una atención especial a sus
características de voltaje, siendo necesaria la instalación de un hilo de equilibrio
aun cuando los generadores sean idénticos en diseño y características, es
probable que se encuentren diferencias en sus propiedades magnéticas y
eléctricas.
Muchas veces es necesario conectar en paralelo máquinas de distintas
características ó diferentes marcas. En la práctica no hay dos generadores que
tengan idénticas características de regulación o reaccionen con la misma rapidez
a las variaciones de carga, por eso, el funcionamiento en paralelo de diferentes
tipos o distintos tamaños de generadores presentan a veces sus dificultades.
A continuación se presenta un diagrama de conexión en paralelo de dos unidades
conectadas a través de dos barras y un hilo de equilibrio.
Ramos Oloarte Félix
Página 111
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 109 Conexión de dos generadores en paralelo con
hilo de compensación
Fig. 110 Conexión de dos generadores en
paralelo.
Fig. 111 Conexión de dos generadores en paralelo con arrollamiento
de equilibrio
Ramos Oloarte Félix
Página 112
Descripción General de las máquinas de corriente directa
La corriente se dividirá en proporción inversa a la resistencia combinada del
campo serie más la resistencia de las conexiones, buscando la proporción
correcta de estas resistencias se puede conseguir que las máquinas de tamaño
desigual o a distancia variable del tablero de distribución reportan su proporción
exacta de carga.
Comparación de las características de generadores funcionando en paralelo.
Características nominales de dos generadores trabajando en paralelo de distinta
potencia.
El reparto desigual e insatisfactorio de la carga puede deberse a dos causas
principales:
a) descripción en la forma de la curva de voltaje, lo que hace que los vientres
de la curva sean muy diferentes.
b) Amplias diferencias de caída de tensión en el campo serie y en las
conexiones de los conductores.
Si el inciso (a) es la causa probable el método para comprobarlo es trazar las
curvas junto, en la misma gráfica los voltajes deben expresarse como valores
reales.
Ramos Oloarte Félix
Página 113
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Acoplamiento en paralelo de dos generadores Shunt
Las dínamos shunt son muy aptas para funcionar en paralelo, a causa de su
característica descendente.
Fig. 112 Conexión de dos
dínamos Shunt en paralelo.
Fig. 113 Características de
los generadores shunt
acoplados en paralelo.
Si las dos dínamos se conectan en paralelo, sus tensiones en los bornes son
iguales, si se desprecia la pequeña caída que puede haber en los conductores que
los unen. Para una tensión del generador uno V1, el generador 1 suministra
amperios y el 2
. Es decir, el generador de características más descendente
lleva la menor parte de la carga. Por lo tanto, dos dínamos shunt que funcionen en
paralelo deben tener características idénticas si se quiere que en todo momento la
carga se reparta por igual entre las dos. Si los generadores son de distintos
valores nominales, la caída de tensión desde vacio a plena carga será la misma.
Ramos Oloarte Félix
Página 114
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Cuando funcionan en paralelo, cada dínamo debe tener su propio amperímetro.
Para todos los generadores basta en cambio un solo voltímetro. Cada generador
se debe conectar a las barras de tensión por medio de contactos de clavijas o
interruptores selectivos. Además, se deben colocar interruptores automáticos en el
circuito de cada generador.
Suponiendo que el generador 2 se encuentra fuera de servicio y que la unidad 1
se encuentra suministrando toda la carga. Se desea ahora poner en servicio a la
unidad 2. Primero debemos poner en marcha a la máquina 2, de manera que ésta
alcance su velocidad de régimen. Su excitación se ajusta de forma que su tensión
sea igual que la de las barras, lo cual se puede observar en el voltímetro
mencionado anteriormente. El interruptor selectivo y el automático se cierran, y la
unidad 2 queda conectada al sistema. Sin embargo en estas condiciones la unidad
2 no suministra carga al sistema, ya que su f.e.m. inducida iguala a la tensión de
las barras, y no puede circular corriente entre dos puntos que se encuentran al
mismo potencial. En el ámbito eléctrico se dice que el generador 2 esta “flotante”.
Para que la unidad 2 pueda suministrar corriente a la carga la f.e.m. debe ser
mayor que la tensión entre las barras. Por consiguiente, la excitación de 2 se
aumenta hasta que el generador toma su parte de carga. Puede ser necesario
disminuir la excitación de la máquina 1 con la finalidad de mantener constante el
valor del voltaje en la barras.
Para retirar de servicio un generador, su excitación se disminuye y la del otro
generador se aumenta hasta que la carga del primero sea nula. El interruptor y el
selectivo se abren sucesivamente, liberando la máquina. Conectando y retirando
de servicio de esta manera a los generadores se evitan las sacudidas y
perturbaciones en la máquina motriz o en el sistema. Si la excitación de uno de los
generadores se disminuye demasiado, el sentido de la corriente se invierte. La
máquina que se encontraba funcionando como generador empieza a comportarse
como motor y arrastra a la máquina motriz.
Ramos Oloarte Félix
Página 115
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Acoplamiento en paralelo de dínamos Compound
Fig. 114 Generadores
Compound en paralelo.
Función inestable.
En el diagrama se pueden observar dos generadores compound conectados a la
barras, respetando la polaridad de los bornes. Ajustando convenientemente la
excitación, puede conseguirse que cada generador tome una parte de la carga,
momentáneamente, cuando los dos están conectados en paralelo. Suponiendo
que por alguna razón, como una ligera variación de la velocidad, el generador 1
toma un poco más de carga. La corriente del arrollamiento serie aumenta, lo cual
refuerza la excitación y hace aumentar la F.e.m., por lo que el generador absorbe
todavía más carga. Por otra parte, como la carga del sistema se supone fija, el
generador 2 se descarga a su vez, debilitándose su excitación serie y por
consiguiente disminuyendo más su carga. Casi instantáneamente, el generador 1
hará funcionar al generador 2 como motor y, al fin, el automático de uno de los
generadores se abrirá violentamente los interruptores que tienen las máquinas.
Estos generadores Compound están en equilibrio inestable. Es decir, que un
efecto que tiende a romper el equilibrio de las mismas se refuerza por las
reacciones resultantes, que resultan acumulativas.
Los generadores se pueden estabilizar conectando los dos arrollamientos serie en
paralelo. Esta conexión es que une las dos escobillas negativas, se hace con un
conductor de poca resistencia al que se le llama conductor de equilibrio o
equilibrador. La misión de este conductor es la siguiente: supóngase que el
generador 1 empieza a sobrecargarse. El aumento de carga produce un aumento
de la corriente, no solo en el arrollamiento serie del generador 1, sino también, por
medio del conductor de equilibrio, en el arrollamiento serie del generador 2. Por lo
tanto ambos generadores se ven afectados de la misma forma y ninguno de los
dos se sobrecarga.
Ramos Oloarte Félix
Página 116
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 115 Conexión en paralelo
de dos generadores
Compound en paralelo con
conductor se equilibrio.
Se observa que, para cualquier valor de la carga la distribución deseada de la
misma entre generadores shunt o Compound se puede obtener por el ajuste de
sus reóstatos de campo. Sin embargo, suele ser conveniente que la distribución
sea constante a todas las cargas, especialmente si no hay un operario que vigile
continuamente. Es conveniente que los generadores cuando se encuentren
funcionando en paralelo tengan características tales que la caída de tensión de
vacio a plena carga sea la misma para todos.
El amperímetro de carga de los generadores Compound se debe conectar entre el
borne del inducido y las barras. Si se conecta en el circuito de la excitación serie
puede ser que el amperímetro no marque la corriente del generador por el hecho
de que parte de la corriente puede circular por el conductor de equilibrio.
Los generadores Compound se ponen y retiran de servicio de la misma forma que
los shunt. La carga se ajusta y reparte por medio del reóstato de campo.
Aparte de los problemas descritos las máquinas de corriente directa puede
presentar problemas causados por defectos mecánicos ocasionados por la fricción
entre las partes móviles de la máquina las cuales provocaran fuertes daños a las
máquinas ya que les provocan desgastes y por ende la lubricación no será la
suficiente provocando calentamiento que puede causar daño al material aislante
de la máquina y finalmente provocar una falla de tipo eléctrico.
Las máquinas deben contar con una cimentación adecuada para lograr un buen
funcionamiento de las máquinas. No importa si se trata de un motor o un
generador estos no deben tener todas sus juntas, cojinetes y una lubricación tal y
como lo indica el fabricante para una larga vida útil.
Ramos Oloarte Félix
Página 117
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 116 Curvas
características de carga de
los generadores de corriente
directa.
Fig. 117 Curvas
características par- velocidad
de los motores de corriente
directa.
Fig. 118 Curva característica
de un generador de corriente
directa con conectado en
serie.
Ramos Oloarte Félix
Página 118
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 119 Curva característica
de tensión de un generador
con excitación en derivación.
Ramos Oloarte Félix
Página 119
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Capítulo 6 Mantenimiento en las máquinas de corriente directa
En toda industria, en toda empresa se produce desgaste de la maquinaria y las
instalaciones; aparecen zonas de aglomeración y el personal experimenta fatigas
indebidas, todo ello repercute en la elaboración del producto acabado y en el
encarecimiento, lo cual lleva a pérdidas de competencia en el mercado.
Para conseguir aumentar la productividad se tiene que racionalizar el proceso,
estudiando la forma de mejorar y de eliminar zonas poco eficaces, persiguiendo
conseguir una mayor economía, a base de conservar la maquinaria en perfectas
condiciones de funcionamiento.
La necesidad de efectuar periódicamente un mantenimiento preventivo- correctivo
en las máquinas usadas en la vida cotidiana, es una inversión que está
plenamente justificada para aquellas máquinas que, por sus características o
régimen de trabajo, puedan ocasionar grandes pérdidas para la empresa hasta
llegar al extremo de un paro por avería en las máquinas.
Un personal experimentado o con suficiente conocimientos sobre el
funcionamiento de las máquinas sabe, que es tiempo improductivo por cada
máquina parada puede ser importante, especialmente cuando se manipulan
máquinas de corriente continua. A las que se le realizan todas las verificaciones a
motor parado. Lo cual significa que para una línea de producción a la que se le
realicen diagnósticos a varios motores y en la que solamente intervenga uno o dos
personas, quedará improductiva durante un intervalo muy prolongado de tiempo.
El mayor tiempo empleado en efectuar una diagnostico es para las verificaciones a
motor parado.
En la industria por lo regular se hacen verificaciones a las máquinas usadas en los
diferentes procesos. Estas verificaciones no se hacen siempre a motor parado,
también se pueden hacer con el motor en marcha y en otras circunstancias.
Ramos Oloarte Félix
Página 120
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 120 Frecuencia con la que se realizan las revisiones a las máquinas.
En las verificaciones a motor parado se visualizan los datos de placa, se hace una
inspección visual minuciosa del colector, escobillas, portaescobillas, chumaceras,
y todas las partes que componen la máquina. La inspección del aislamiento es
muy importante ya que es la causa por la cual se presentan las fallas eléctricas en
los equipos usados en la industria. Se mide el valor de la resistencia y la
temperatura ya que estos son la causa principal por la cual falla el aislamiento en
las máquinas eléctricas.
Fig. 121 Pruebas que se
hacen a un colector de una
máquina de corriente
continua.
Entre las verificaciones que se encuentran dentro de la categoría de “Varios”
podemos encontrar la extracción de protecciones para su reparación o sustitución
de la máquina ya que esta se puede acción se puede hacer cuando la máquina
esta parada o en movimiento. La preparación de herramientas para su reparación
posterior también entra en esta división.
Ramos Oloarte Félix
Página 121
Descripción General de las máquinas de corriente directa
En las verificaciones que se hacen a una máquina en movimiento se debe tener
especial cuidado ya que la principal causa de los accidentes con máquinas
suceden cuando estas se encuentran en movimiento. El personal que realiza las
acciones de mantenimiento a las máquinas realiza las verificaciones a las
máquinas en movimiento con la ayuda de dispositivos electrónicos que son
instalados en las máquinas por el personal experto en el área.
Entre las verificaciones que se hacen en una máquina en movimiento se
encuentran las mediciones de:







Tensión de inducido.
Tensión de excitación.
Corriente de inducido.
Corriente de excitación.
Velocidad (rpm).
Análisis de rodamientos.
Análisis de vibraciones.
Si encontramos en las verificaciones que el valor de uno de estos parámetros
es diferente al esperado entonces se deben tomar medidas preventivas para
evitar un mal funcionamiento de la máquina y por consiguiente una avería en
la misma. Aproximadamente un 30% de las averías están producidas por
problemas mecánicos, rotura de rodamientos, rotura y desgaste de ejes, etc., y
que estos a su vez pueden provocar daños muy graves en los bobinados del
rotor y del estator.
El departamento de mantenimiento de la empresa debe disponer de un estricto
programa de mantenimiento preventivo, predictivo y correctivo para sus
máquinas, ya que de su buen funcionamiento depende la producción de la
misma.
Existen empresas con personal altamente entrenado y expertos en el área de
mantenimiento de maquinaria que ofrecen sus servicios a las industrias. Estas
empresas trabajan con una ideología bien fundamentada para la realización de
mantenimiento rápido y efectivo de las máquinas. Las empresas dedicadas al
mantenimiento cuentan con tecnología de punta para la realización de pruebas
que diagnostican la posible ocurrencia de una falla o el motivo por el cual
ocurrió la falla dando así un veredicto para saber si la falla ocurrió por un mal
uso de la máquina o por una falla de fabricación.
En el mantenimiento que se le realiza a las máquinas se debe realizar
periódicamente las cuales deben incluir básicamente aquellas partes de la
máquina más significativas como pueden ser las vibraciones de la máquina,
Ramos Oloarte Félix
Página 122
Descripción General de las máquinas de corriente directa
estado de los rodamientos, para cuando sea preciso, de acuerdo con las
necesidades de las máquinas debidas al tipo de trabajo que realizan. Con los
resultados obtenidos de las verificaciones realizadas con anterioridad
determinar la situación de la máquina.
Con este procedimiento se intenta reducir al máximo el tiempo de las
máquinas paradas, ofreciendo al mismo tiempo un servicio de calidad con
unas mínimas operaciones.
6.1 Mantenimiento Predictivo.
Procedimiento a seguir en las operaciones realizadas:
Datos de placa. Se toman los datos de placa para su identificación y una
posterior comparación con la máquina en marcha dichos datos pueden ser:
 Corriente de inducido
 Temperatura de trabajo.
 Velocidad nominal.
 Corriente de excitación.
 Voltaje de inducido.
 Voltaje de excitación.
Inspección visual.
Se analizan aquellos puntos accesibles de la máquina: suciedad, estado de los
conectores, rodamientos, caja de bornes, estado del colector, aislamiento,
escobillas, verificación de los dispositivos electrónicos que realizan las mediciones
en la máquina, etc.
Análisis de rodamientos.
Se toman los datos del estado en el cual se encuentran, luego se hace una
comparación con el historial de otras tomas anteriores, observando su evolución
durante toda la vida de los rodamientos.
Análisis de vibraciones.
Se toman datos en algunos puntos de la máquina para detectar cualquier variación
de desequilibrio y poder prevenir posibles averías, principalmente en los
rodamientos y sus alojamientos.
Informe final
Con todos los datos recopilados se hace un informe donde se especifican
detalladamente todas las incidencias o posibles anomalías detectadas y las
acciones que se aconsejan realizar. Este informe se debe almacenar para su
Ramos Oloarte Félix
Página 123
Descripción General de las máquinas de corriente directa
posterior contrastación en un tiempo futuro con nuevas tomas, realizando de esta
manera un seguimiento individualizado para cada motor.
El mantenimiento predictivo se realiza generalmente cada 6 meses o en menor o
mayor tiempo todo dependiendo del régimen de trabajo de cada máquina.
6.2 Reparación de las máquinas.
Como medida sistemática todos los motores deben ser inspeccionados y
diagnosticados al ser llevados al departamento de reparación, efectuándose un
análisis de su estado y valoración del costo de reparación.
A continuación se detalla una relación de los principales trabajos a realizar y
métodos a seguir en la reparación de las máquinas.
 Inspección de entrada de la máquina y toma de datos si es que lleva,
verificación del codificador.
 Verificación de la tacodínamo, conexiones, rizado, imanes, estator
(magnetización) si fuera necesario el cambio de esta.
 Análisis de los rodamientos y si es necesario su cambio.
 Análisis de vibraciones, debe ponerse especial cuidado en el equilibrio
del rotor ya que de este depende el buen funcionamiento de la máquina.
 Verificación de los imanes del estator para una magnetización de estos
si fuese necesario.
 Control del par del freno.
 Limpieza de todas las partes mecánicas del motor tales como: eje
chavetero, alojamiento de rodamientos, juntas, cojinetes, etc.
 Verificación del bobinado del rotor, si fuera necesario impregnación con
barniz epoxy y secado al horno.
 Verificación de las escobillas, estas se deben cambiar si es necesario.
 Cambio de rodamientos y juntas.
 Montaje del motor y ajuste del freno.
 Pruebas de salida a la máquina para verificar un funcionamiento óptimo.
 Control final, pintado, embalaje, etc.
Si la máquina llevase ventilación forzada, se le realizaran todas las operaciones
necesarias para su mantenimiento y óptimo desempeño.
Ramos Oloarte Félix
Página 124
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 122 Comparación de
unos servomotores a la
entrada y a la salida del
trabajo de mantenimiento
pertinente
Reparación del inducido de una máquina de corriente directa.
En el inducido del motor podemos hacer los trabajos siguientes:
 Primero se verifica que el eje no se encuentra torcido haciéndolo girar en
una “U” y observaremos los extremos de los ejes de forma que no marquen
elipses y nos defina un eje concéntrico.
 Ajustar la longitudinal del eje: consiste en que el motor suele estar sujeto
longitudinalmente por una arandela de cobre en el extremo de la carcasa y
por unas arandelas de teflón o nylon en el extremo del colector.
Si situamos el inducido en la carcasa este busca la posición de equilibrio
provocado por los imanes de la carcasa, por lo que en ese punto tendremos
que ajustar la arandela de cobre y al montar el cabezal tendremos una
distancia desde el colector a la tapa del cabezal en este caso deberemos
añadir o quitar las arandelas de nylon para dejar una holgura mínima de en
torno al medio milímetro. Con esto conseguiremos que las escobillas
ataquen una franja lo más limitada posible y no trabajen con la oscilación
del eje al desplazarse longitudinalmente.
 Ajuste de las delgas del colector: en este caso se deben revisar las delgas
donde hacen el contacto los carbones. Verificamos que no estén
despegadas y las podemos fijar con una gota mínima de pegamento de
contacto.
Ramos Oloarte Félix
Página 125
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Posteriormente se repasan estas delgas limando con un papel de lija de lo
más fino, las asperezas de los cantos de las delgas y que estos queden sin
rebabas.
Otra opción es el pulido al espejo del colector con la ayuda de un taladro en
el cual pondremos el extremo del eje y lo haremos girar procediendo a su
pulido o lijado con lija de agua o aceite procurando rematar el trabajo con
un pulido y posteriormente una limpieza para eliminar residuos del pulido o
pasta que hayamos empleado en el trabajo.
 Rebobinado del inducido: se utiliza cuando el inducido está quemado. Esto
se verifica comprobando el aislamiento de las bobinas con un multimetro.
Para ello montaremos un hilo de cobre de igual sección y le daremos el
mismo número de espiras por bobina que el original, si disminuimos el
número de espiras por bobina aumentando la sección variaremos el
comportamiento del motor obteniendo más revoluciones, en el caso de los
motores scx tendremos que soldar el hilo en las delgas, en los mabuchi
estos van pensados por el extremo de la delga.
 Equilibrio del inducido: con la ayuda de un taladro primero hacemos un
lijado muy fino y muy suave para eliminar las rebabas de las delgas del
núcleo del inducido. A continuación ponemos el eje en un soporte en “U” y
lo hacemos girar. Marcamos la parte superior con una línea, este punto nos
da el extremo más ligero del eje, volvemos a hacer girar el inducido y
observamos si se repite el punto. Si es así lijaremos un poco el inducido en
el lado opuesto retirando un poco de material de las delgas del núcleo, con
lo que quitaremos un poco de masa. Repetiremos la operación de hacer
girar el eje y observaremos su posición, y repitiendo el proceso hasta que el
eje pare de forma aleatoria lo cual indicará que lo tendremos equilibrado.
 Reparación de los cojinetes: la revisión y ajuste de los cojinetes resulta
esencial en el mantenimiento de las máquinas el fabricante diseña los
cojinetes para soportar ciertas condiciones de trabajo si es que la máquina
está trabajando en un ambiente diferente al estipulado por el fabricante
estos de deben cambiar más seguido de lo recomendado.
Ramos Oloarte Félix
Página 126
Descripción General de las máquinas de corriente directa
6.3 Como implementar un óptimo mantenimiento.
1. Mantenimiento. Se realizan las supervisiones y reparaciones necesarias
en el equipo con la finalidad de tenerlo trabajando en el optimo
desempeño.
2. Documentación técnica. Para que un mantenimiento sea eficaz, es
necesario disponer de los datos que pueda dar el fabricante, cuando se
decide la compra de un nuevo equipo se debe exigir toda la
documentación técnica que ayude a conocer las siguientes
características del equipo:
 Conocer como está constituido, forma de funcionamiento,
características físicas.
 Conocer cómo funciona la máquina, tanto en condiciones
normales como en casos excepcionales, que estará descrito en el
manual de la máquina.
 Saber cómo mantenerlo en buen funcionamiento, es decir, como
realizar el mantenimiento, tanto preventivo como correctivo, y en
este se hallan las instrucciones técnicas complementarias, planos
de conjunto y despiece.
 Asegurar la puesta a punto y puesta en marcha
 Por último para seguir los circuitos, ya sean neumáticos,
hidráulicos, eléctricos y electrónicos a través de esquemas.
 Libro de instrucciones de uso (Manual): Permite saber cómo
utilizar el equipo y este contiene:
 Instrucciones de uso.
 Imperativos de funcionamiento.
 Imperativos de seguridad.
 Actuaciones rutinarias de puesta en marcha y rearme.
 Modos de selección de los distintos programas.
 Programación de parámetros.
 Preparaciones y reglajes.
 Instrucciones ante anomalías en el funcionamiento.
 Libro de mantenimiento mecánico. En este libro han de estar
todas las informaciones necesarias para mantener el buen
estado del equipo, es decir, saber cómo y cuándo realizar su
mantenimiento mecánico preventivo y correctivo, donde se puede
encontrar.
 Planos de conjunto y su despiece. Nomenclaturas de conjuntos y
componentes, instrucciones técnicas complementarias de
Ramos Oloarte Félix
Página 127
Descripción General de las máquinas de corriente directa

funcionamiento y mantenimiento de útiles y equipos especiales
complementarios, consignas de seguridad en la utilización y
mantenimiento del equipo (en algunas ocasiones son
anotaciones a mano).
Listado de piezas de recambio: Planes de mantenimiento
preventivo, programa de mantenimiento predictivo.
3. Historial de mantenimiento
Comprende todas las incidencias que afectan a la conservación de la
maquinaria, como son las modificaciones en las reparaciones de
mantenimiento y de corrección así como de horas de funcionamiento y
paradas por inactividad.
4. Modificaciones.
En el expediente de cada equipo existirá un apartado en el que figuren
las modificaciones que se vayan produciendo en el montaje y
construcción del equipo.
5. Reparaciones.
A fin de determinar la fiabilidad y la calidad de una máquina, se anotaran
las fechas y causa de averías, así como reposición de piezas de
repuestos diferenciando las recomposiciones previstas en el libro de
mantenimiento de las imprevistas, tiempo de duración de la reparación y
tiempo de tardanza del repuesto.
6. Paradas y horas de funcionamiento.
La vida media de una máquina depende mucho de las horas de
funcionamiento de la máquina, cada vez que se produce una incidencia
sea de tipo preventivo o correctivo, además de anotarse la fecha se
debe anotar las horas de funcionamiento. En raras ocasiones las
máquinas son sometidas a largos periodos de inactividad, cuando las
paradas son muy prolongadas las máquinas se deterioran tanto o más
como si estuvieran sometidas a sobrecargas, particularmente
oxidaciones y agarrotamientos, para evitar estos inconvenientes se
recomienda someter la maquinaria a funcionamiento preventivo con
anotación del tiempo y de las indicaciones de todos los medidores de
control, así como las observaciones que se consideren dignas de
atención.
Ramos Oloarte Félix
Página 128
Descripción General de las máquinas de corriente directa
7. Actualización.
Todo libro de mantenimiento debe tener hojas suficientes para ir
agregando los datos que se deriven de cada incidencia, en caso de
completarse las hojas que se agreguen deberán estar debidamente
numeradas. Por cada nueva anotación deberá de aparecer el nombre de
la persona que hace la anotación, o una clave de número que lo
identifique, pero este no es suficiente para identificar al autor de la
anotación. Cuando las reparaciones las realiza personal ajeno a la
empresa, se debe indicar la empresa que hizo las reparaciones, con
especificaciones del domicilio y cuanto tiempo se empleo en
solucionarlo.
Uso de ideologías en el mantenimiento de las máquinas de corriente directa
Para lograr que una empresa o industria logre la producción prevista, las
máquinas y equipos han de hallarse sometidas a un buen programa de
mantenimiento, que permite lograr las mejores condiciones de funcionamiento
continuo. En muchas empresas existen importantes fallos en los proyectos de
construcción, montaje y utilización, lo que produce pérdidas de producción muy
elevadas en los primeros mese de utilización, así como elevados costos de
mantenimiento desequilibrando el costo ideal del ciclo de vida de los equipos.
Por otra parte, los grandes avances de la industria se aplican con mayor prontitud
a los sistemas productivos volviéndose cada día más sofisticada, por lo que deben
hacerse los esfuerzos necesarios que satisfagan las necesidades de fabricación y
mantenimiento, reduciendo los costos y mejorando la productividad y la calidad.
Para un mejor resultado se puede debe hacer uso de las ideologías usadas en los
controles de calidad puesto que el departamento de mantenimiento debe tener
una alta calidad en su trabajo.la calidad del trabajo hecho en el mantenimiento
marcará la pauta para un buen desempeño de la maquinaria. Para esto se debe
hacer uso del sistema poka yoke, esta ideología creada por los japoneses y
puesta en marcha en un inicio por la compañía automotriz Toyota por allá de la
década de los 60’s por el ingeniero Shigeo Shingo. Ya que es inevitable el error
humano se deben crear sistemas que sean a prueba de errores los cuales pueden
ayudar a evitar grandes pérdidas provocadas por el error humano. Los dispositivos
poka yoke son diseñados para imposibilitar los errores humanos y resaltar los
errores cometidos.
Otra implementación que se puede hacer, es el uso del método (5 S) denominada
así por la primera letra en japonés que designa cada una de las 5 etapas.
Ramos Oloarte Félix
Página 129
Descripción General de las máquinas de corriente directa
La integración de las 5 S al plan de trabajo del departamento de mantenimiento
satisface múltiples objetivos y cada etapa tiene un objetivo en particular.
Denominación
Español
Japonés
Clasificación
Seiri
Concepto
Objetivo particular
Separar
innecesarios
Orden
Seiton
Situar necesarios
Limpieza
Seiso
Suprimir suciedad
Eliminar del espacio
de
trabajo
todo
aquello que sea inútil
para el desempeño
de
la
labor
enmendada.
Organizar el espacio
de forma eficaz para
un buen desempeño.
Mejorar en nivel de
limpieza
de
los
lugares para evitar
accidentes.
Prevenir la aparición
de la suciedad y el
desorden
en
el
ambiente de trabajo.
Fomentar
los
esfuerzos por parte
del equipo de trabajo
para
mantener
y
hacer eficaces las
acciones anteriores.
Normalización Seiketsu
Señalizar
anomalías
Mantener la
disciplina
Seguir mejorando
shitsuke
Fig. 123 Comparación del espacio de trabajo aplicando y no
aplicando 5S
Ramos Oloarte Félix
Página 130
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Fig. 124 Aplicación de las 5 S en el ámbito laboral
Ramos Oloarte Félix
Página 131
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Conclusiones
La adquisición de los conocimientos adecuados y necesarios del funcionamiento
de las diversas máquinas de corriente directa que existen, determinan la
capacidad de un ingeniero o el personal encargado a elegir el generador y/o motor
ideal para la satisfacción de los requerimientos de cualquier proceso para el cual
sea necesario la participación de estos equipos.
Cada característica en particular, como el tipo de excitación de los distintos
sistemas, puede ser determinante para el uso futuro de los equipos. Como por
ejemplo, los generadores con excitación independiente, cuya tensión en los
bornes es independiente de la velocidad de la velocidad (ya que es regulada por
un reóstato). Quizás no se considere para las situaciones en las que se necesite
poca vigilancia del equipo, ya que los pasos para la carga de un acumulador, de
no ser evaluados los riesgos cuidadosamente antes de utilizar la máquina en la
aplicación puede ponerse en riesgo el buen funcionamiento de la máquina.
Los generadores de excitación en paralelo (shunt) gracias a su autoexcitación
(fenómeno basado en el principio dinamoeléctrico), puede mantenerse en
movimiento, aun luego de realizada su labor de carga; es decir. Procesos para los
cuales se necesita de corriente a tensión constante y para los cuales se cuenta
con elementos compensadores, en los que no se producen cambios en el sentido
de la polaridad, a diferencia de los de excitación independiente en los cuales el
sentido de giro determina la polaridad de la corriente que sale del generador. Pero
si se cuenta con los recursos necesarios, la elección de un generador con
excitación compound (mixta) brindaría los beneficios de un hibrido de los dos
antes mencionados, adquiriendo la capacidad de los generadores con excitación
en paralelo de disminuir la excitación al aumentar la carga ofrecida y superando la
limitación del mismo en cuanto no disminuye su tensión con la carga.
Además con el aprendizaje de la decodificación de la información en placa de los
distintos tipos de máquinas de corriente continua se está en la capacidad de
conocer los diferentes parámetros e información de interés acerca de la máquina,
involucrados en un proceso que requiera del uso de un motor de corriente
continua, dada su versatilidad en la industria gracias a la facilidad del control de la
velocidad procedente del diseño de este equipo y, lo más importante, la capacidad
de entregar hasta 5 veces el par nominal en comparación con un motor de
corriente alterna de la misma capacidad.
Cada motor cuenta con características en cuanto a inercia, forma física, costo,
velocidad y peso que se adecua a las exigencias de los diferentes usos para los
que se recomienda (grúas, tracción eléctrica, entre otros). Todos estos son
Ramos Oloarte Félix
Página 132
Descripción General de las máquinas de corriente directa
factores estudiados minuciosamente para la optimización de todos los recursos
disponibles y para así diseñar el mejor motor. Como resultado del estudio de los
motores de corriente directa, se puede recomendar el uso de motores en
derivación en el caso de necesitarse velocidades constantes a cualquier ajuste de
control, a diferencia de los motores con devanado en serie. También, de la
comprensión del funcionamiento del motor en compound, se considera su elección
debido a su velocidad ajustable, originada por reóstatos en la armadura y el
campo.
Cuando sea necesaria una baja potencia y no se disponga de alimentación de
energía para su funcionamiento de la máquina en el lugar de aplicación, se
recomienda el uso de motores de imán permanente. Estas máquinas aunque solo
ofrecen la mitad de la velocidad en vacio que un motor devanado en serie, poseen
mayor par de arranque, sus desventajas son que las sobrecargas pueden causar
desmagnetización parcial y pérdida de la energía acumulada en él.
Aunque las tendencias modernas apuntan hacia el desplazamiento de la
tecnología en el caso de los generadores de corriente directa. Esto es ocasionado
por el gran avance que se ha tenido en los últimos años en la electrónica, ya que
es posible hacer uso de la electricidad en corriente alterna para las aplicaciones
donde se usa corriente directa con la intervención de puentes rectificadores. El
transporte de la corriente alterna es más barato y factible ya que en la actualidad
es el tipo de energía de más uso debido a la facilidad con la cual se puede elevar
de voltaje para su trasporte económico desde las centrales generadoras hasta el
punto de consumo. El hecho de que no se utilizan como principales fuentes de
electricidad. Se usa comúnmente en procesos de menor envergadura (como la
carga de acumuladores de reserva principalmente.
Ramos Oloarte Félix
Página 133
Descripción General de las máquinas de corriente directa
Bibliografía:
1.
2.
Chapman, Stephen. J., Máquinas Eléctricas. mcGraw-Hill, México
2005, 4a. Edición.
CH.L.DAWES, Electricidad Industrial tomo
editorial Reverte, S.A.,
a
España 1981, 2 Edición.
3.
Robert W. Smeaton, Motores eléctricos Selección, mantenimiento y
reparación.
McGraw Hill, México 1990, 2a Edición (primera en
español).
4.
Michael Liwschits-Garik Clyde C. Whipple, Máquinas de corriente
continua. Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V. México 1988, 4 a
Edición.
5.
Fitzgerald, A. E., Máquinas Eléctricas, McGraw Hill, México 2004, 6a
Edición.
6.
Kosow, I. L. (1992). Máquinas Eléctricas y Transformadores,
(traducción de Electrical Machinery and Transformers). Barcelona;
México, Reverte, 1992.
7.
Robert Arnold Wilhelm Stehr Máquinas Eléctricas volumen 2
corriente continua, Editorial trillas, S.A. de C.V, México 1983.
8.
Manzano Orrego Juan José, mantenimiento de máquinas eléctricas,
Editorial Thomson paraninfo, S.A., España 2002 , 4a Edición.
9.
Apuntes de la clase de Máquinas Rotatorias de Corriente Directa
Ramos Oloarte Félix
Página 134
Descripción General de las máquinas de corriente directa
10.
11.
http://www.mty.itesm.mx/etie/deptos/ie/profesores/hnunez/cursos/cdeii/tareas/CD.
htm
http://www.inele.ufro.cl/apuntes/Maquinas_e_r/Capitulo1.pdf
12.
http://www.monografias.com/trabajos74/motores-corriente-directa/motorescorriente-directa2.shtml
13.
http://www.aloj.us.es/notas_tecnicas/Mto_Pred_Maquinas_Rotativas.pdf
14.
http://www.uco.es/~el1bumad/docencia/oopp/tema7.pdf
Ramos Oloarte Félix
Página 135