Máquinas de Corriente Directa
El motor de corriente continua (denominado también motor de corriente directa, motor CC o motor DC) es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción del campo magnético.
Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes. El estator da soporte mecánico al aparato y contiene los devanados principales de la máquina, conocidos también con el nombre de polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, alimentado con corriente directa mediante escobillas fijas (conocidas también como carbones).
El principal inconveniente de estas máquinas es el mantenimiento, muy caro y laborioso, debido principalmente al desgaste que sufren las escobillas al entrar en contacto con las delgas.
Algunas aplicaciones especiales de estos motores son los motores lineales, cuando ejercen tracción sobre un riel, o bien los motores de imanes permanentes. Los motores de corriente continua (CC) también se utilizan en la construcción de servomotores y motores paso a paso. Además existen motores de CD sin escobillas.
Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes. El estator da soporte mecánico al aparato y contiene los devanados principales de la máquina, conocidos también con el nombre de polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, alimentado con corriente directa mediante escobillas fijas (conocidas también como carbones).
El principal inconveniente de estas máquinas es el mantenimiento, muy caro y laborioso, debido principalmente al desgaste que sufren las escobillas al entrar en contacto con las delgas.
Algunas aplicaciones especiales de estos motores son los motores lineales, cuando ejercen tracción sobre un riel, o bien los motores de imanes permanentes. Los motores de corriente continua (CC) también se utilizan en la construcción de servomotores y motores paso a paso. Además existen motores de CD sin escobillas.
Principio de funcionamiento
Según la ley de Fuerza simplificada, cuando un conductor por el que pasa una corriente eléctrica se sumerge en un campo magnético, el conductor sufre una fuerza perpendicular al plano formado por el campo magnético y la corriente, siguiendo la regla de la mano derecha. Es importante recordar que para un generador se usará la regla de la mano derecha mientras que para un motor se usará la regla de la mano izquierda para calcular el sentido de la fuerza.
F=BiL
F: Fuerza en newtons
i: Intensidad que recorre el conductor en amperios
L: Longitud del conductor en metros
B: Densidad de campo magnético o densidad de flujo teslas
F=BiL
F: Fuerza en newtons
i: Intensidad que recorre el conductor en amperios
L: Longitud del conductor en metros
B: Densidad de campo magnético o densidad de flujo teslas
Estructura
Estator: Formado por una corona de material ferromagnético denominada culata o yugo en cuyo interior, regularmente distribuidos y en número par, van dispuestos unos salientes radiales con una expansión en su extremo, denominados polos, sujetos por tornillos a la culata. Rodeando los polos, se hallan unas bobinas 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 de menos de 1 kW, encontramos también en el estator, alternando los polos antes citados, otros llamados polos de conmutación.
Rotor: Formado por una columna de material ferromagnético, a base de chapas de hierro, aisladas unas de las otras por una capa de barniz o de óxido. La corona de chapa magnética presenta en su superficie externa un ranurado donde se aloja el devanado inducido de la máquina. Este devanado está 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.
Colector: Constituido esencialmente por piezas planas de cobre duro de sección trapezoidal, llamadas delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de mica, formando el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado fuertemente. El colector tiene tantas delgas como bobinas posee el devanado inducido de la máquina.
Escobillas: dispuestas en los portaescobillas, de bronce o latón, que retienen las escobillas que establecerán el enlace eléctrico entre las delgas y el colector y el circuito de corriente continua exterior.
Rotor: Formado por una columna de material ferromagnético, a base de chapas de hierro, aisladas unas de las otras por una capa de barniz o de óxido. La corona de chapa magnética presenta en su superficie externa un ranurado donde se aloja el devanado inducido de la máquina. Este devanado está 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.
Colector: Constituido esencialmente por piezas planas de cobre duro de sección trapezoidal, llamadas delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de mica, formando el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado fuertemente. El colector tiene tantas delgas como bobinas posee el devanado inducido de la máquina.
Escobillas: dispuestas en los portaescobillas, de bronce o latón, que retienen las escobillas que establecerán el enlace eléctrico entre las delgas y el colector y el circuito de corriente continua exterior.
Tipos de pérdidas en la máquina de CD
PÉRDIDAS ELÉCTRICAS. Se presenta una pequeña pérdida de voltaje originada por una resistencia en el circuito de armadura, y que se reparte en los siguientes elementos:
• Embobinado de armadura.
• Conmutador.
• Superficie de contacto conmutador-escobillas.
• Escobillas.
• Embobinado interpolar.
• Embobinado de excitación en serie (para máquinas serie y compuestas).
PÉRDIDAS MECÁNICAS. Las pérdidas mecánicas se deben a dos factores: La fricción y la ventilación.
La fricción se presenta en los apoyos de la flecha (o cojinetes) y en la superficie de contacto conmutador-escobillas. En los apoyos tiene un valor relativamente alto cuando son de tipo chumacera, en cambio adquiere valores reducidos si son de tipo rodamientos. En el conmutador no es fácil reducir la fricción, ya que ahí se requiere un buen contacto que no acarree más pérdidas de las necesarias en la resistencia del circuito de armadura. Pequeñas inclusiones de grafito en las escobillas logran una lubricación adecuada sin impedir un buen contacto.
El parámetro que servirá para evaluar las pérdidas será el par de fricción, cuyo sentido es siempre, opuesto a la dirección de rotación. Generalmente se trata de fricción viscosa debido a la lubricación, y por tanto el par de fricción es una función de la velocidad.
Las pérdidas por ventilación se presentan en aquellas maquinas que tienen un ventilador interno para ayudar al enfriamiento. También se evalúan por su par de oposición y éste es función de la velocidad.
PÉRDIDAS MAGNÉTICAS. Las pérdidas magnéticas también se manifiestan por un par en oposición al sentido de rotación y tienen dos componentes que son la histéresis y las corrientes parásitas.
PÉRDIDAS ROTACIONALES. Tanto las pérdidas mecánicas como las magnéticas se manifiestan como pares de oposición al movimiento y solo cuando hay rotación. Por estas razones, las agruparemos con el nombre de pérdidas rotacionales Tr.
• Embobinado de armadura.
• Conmutador.
• Superficie de contacto conmutador-escobillas.
• Escobillas.
• Embobinado interpolar.
• Embobinado de excitación en serie (para máquinas serie y compuestas).
PÉRDIDAS MECÁNICAS. Las pérdidas mecánicas se deben a dos factores: La fricción y la ventilación.
La fricción se presenta en los apoyos de la flecha (o cojinetes) y en la superficie de contacto conmutador-escobillas. En los apoyos tiene un valor relativamente alto cuando son de tipo chumacera, en cambio adquiere valores reducidos si son de tipo rodamientos. En el conmutador no es fácil reducir la fricción, ya que ahí se requiere un buen contacto que no acarree más pérdidas de las necesarias en la resistencia del circuito de armadura. Pequeñas inclusiones de grafito en las escobillas logran una lubricación adecuada sin impedir un buen contacto.
El parámetro que servirá para evaluar las pérdidas será el par de fricción, cuyo sentido es siempre, opuesto a la dirección de rotación. Generalmente se trata de fricción viscosa debido a la lubricación, y por tanto el par de fricción es una función de la velocidad.
Las pérdidas por ventilación se presentan en aquellas maquinas que tienen un ventilador interno para ayudar al enfriamiento. También se evalúan por su par de oposición y éste es función de la velocidad.
PÉRDIDAS MAGNÉTICAS. Las pérdidas magnéticas también se manifiestan por un par en oposición al sentido de rotación y tienen dos componentes que son la histéresis y las corrientes parásitas.
PÉRDIDAS ROTACIONALES. Tanto las pérdidas mecánicas como las magnéticas se manifiestan como pares de oposición al movimiento y solo cuando hay rotación. Por estas razones, las agruparemos con el nombre de pérdidas rotacionales Tr.
Excitación en motores y generadores de CD
A continuación se listan los distintos tipos de excitación; en cada link se puede encontrar información mas detallada de cada uno.
Ecuación de Froelich
El conocimiento de la curva de magnetización de la máquina es fundamental para el análisis de su respuesta.
Una función analítica que reprodujera rigurosamente esa gráfica resultaría complicado y poco práctico. La función de Froelich en cambio, establece una relación sencilla entre el flujo y corriente de excitación, y se aproxima a la curva de magnetización de una manera satisfactoria. Su expresión es:
Una función analítica que reprodujera rigurosamente esa gráfica resultaría complicado y poco práctico. La función de Froelich en cambio, establece una relación sencilla entre el flujo y corriente de excitación, y se aproxima a la curva de magnetización de una manera satisfactoria. Su expresión es:
en donde c es una constante que gráficamente representa la altura de una asíntota horizontal, y b es otra constante que gráficamente representa la abscisa de otra asíntota vertical.
El denominador b+Iex influye sobre la pendiente de la curva, haciéndola mas pequeña conforme crece la corriente de excitación, por lo que se le llamará factor de saturación
El denominador b+Iex influye sobre la pendiente de la curva, haciéndola mas pequeña conforme crece la corriente de excitación, por lo que se le llamará factor de saturación
Devanados
El objetivo del devanado de estator es producir un campo en el entrehierro, constante en el tiempo y fijo en el espacio.
Devanado del estator = devanado de campo. El devanado es del tipo concentrado, es decir que únicamente está formado por un paquete (bobina) constituido por "n" espiras.
B. Devanados del rotor
Las espiras del rotor se pueden conectar de diferentes maneras a las delgas del colector. La forma como se conecten determina el número de ramas en paralelo en que se divide la corriente del rotor, las magnitudes del voltaje final de salida y la cantidad y ubicación de las escobillas.
La mayoría de los arrollamientos de los rotores están conformados por bobinas hexagonales que se colocan en las ranuras del rotor. Cada bobina consta de un cierto número de vueltas (espiras) de alambre, cada una aislada de las demás. Cada uno de los lados de una espira se denomina un conductor. El número total de conductores en la armadura de una máquina está dado por:
Z = 2 C Nc
Dónde:
Z : # de conductores del rotor
C : # de bobinas del rotor
Nc: # de espiras de una bobina
Si una bobina abarca 180 grados eléctricos, los voltajes en los conductores de los dos lados de la bobina tendrán exactamente la misma magnitud y sentido opuesto en todo momento. Esta bobina se llama bobina de paso diametral o de paso total.
En algunos casos las bobinas tienen menos de 180 grados eléctricos. Entonces se llaman bobinas de paso fraccionario, y el devanado del rotor que tenga estas bobinas se llama devanado de cuerda. El nivel de acortamiento de un devanado se puede describir mediante el factor de paso o factor de ancho de bobina, que está definido por la ecuación.
Con frecuencia se emplean, en máquinas de cc, los devanados con un pequeño acortamiento en el paso de bobina para mejorar la conmutación.
C. Tipos de devanado del rotor
Los inducidos generalmente tienen 2 tipos de arrollamientos o devanados; el imbricado y el ondulado.
Para que el colector cumpla su función los arrollamientos de los inducidos de las máquinas de c.c debe ser tal que partiendo de un punto, recorremos toda la periferia del rotor (a través de las espiras) llegaremos al punto de partida.
La fem inducida en la bobina es mayor cuando el ancho de bobina es igual al paso polar (paso entero). Por esta razón el ancho de bobina se hace igual o prácticamente igual al paso polar. Además todos los elementos del devanado deben conectarse entre sí de tal manera que las f.e.m. de cada elemento se sumen, caso contrario la maquina simplemente no funciona.
Que las f.e.m. de los elementos se sumen se consigue conectando la salida de un elemento con la entrada del siguiente elemento ubicados en polos opuestos o de distinta polaridad.
1) Devanado imbricado
En este tipo de devanados sus 2 extremos están conectados a 2 delgas adyacentes. Si el extremo final de la bobina se conecta a la delga siguiente se tiene un devanado imbricado progresivo Yc=1, si el extremo final se conecta a la delga anterior se tiene un devanado imbricado regresivo Yc=-1
Un aspecto interesante del devanado imbricado simple es que tiene tantas ramas en paralelo como polos tenga la máquina, este hecho hace que el devanado imbricado resulte bastante favorable para máquinas de bajo voltaje y alta corriente.
P: # de polos de la maquina
k: # delgas del colector; # de ranuras
El devanado ondulado o serie es otra manera de conectar las bobinas a las delgas del colector, en este arrollamiento el final de la segunda bobina se conecta a una delga adyacente donde comenzó la primera. Es decir entre dos delgas adyacentes hay 2 bobinas en serie cada una de las cuales tiene un lado frente a
un polo. El Voltaje final es la suma de los voltajes inducidos frente a cada polo y no puede haber desequilibrio de tensión.
Si la conexión se hace a la delga siguiente el devanado es progresivo si se hace a la delga anterior el devanado es regresivo. En general si la maquina tiene "P" polos hay P/2 bobinas en serie entre delgas adyacentes.
Se usan en voltajes elevados.
c: # de bobinas del rotor (+) Progresivo; (-) Regresivo
P: # de polos de la maquina
Devanado del estator = devanado de campo. El devanado es del tipo concentrado, es decir que únicamente está formado por un paquete (bobina) constituido por "n" espiras.
Figura 5.- Bobinados de un estator de una máquina de 2 polos
Figura 6.- Circuito equivalente del estator
Figura 7.- Forma de onda en el tiempo producida por una máquina de 4 polos
El sentido de la corriente de estos bobinados deben ser de tal forma que origine polos alternados, en una maquina bipolar los polos están diametralmente opuestos.B. Devanados del rotor
Las espiras del rotor se pueden conectar de diferentes maneras a las delgas del colector. La forma como se conecten determina el número de ramas en paralelo en que se divide la corriente del rotor, las magnitudes del voltaje final de salida y la cantidad y ubicación de las escobillas.
La mayoría de los arrollamientos de los rotores están conformados por bobinas hexagonales que se colocan en las ranuras del rotor. Cada bobina consta de un cierto número de vueltas (espiras) de alambre, cada una aislada de las demás. Cada uno de los lados de una espira se denomina un conductor. El número total de conductores en la armadura de una máquina está dado por:
Z = 2 C Nc
Dónde:
Z : # de conductores del rotor
C : # de bobinas del rotor
Nc: # de espiras de una bobina
Figura 8.- Conexión del bobinado al colector
Normalmente una bobina abarca 180 grados eléctricos. Esto significa que cuando un lado de la bobina está frente al centro de un polo, el otro lado está frente al centro del polo de polaridad contraria. Los polos físicos pueden encontrarse separados por una distancia diferente de 180 grados mecánicos, pero el campo magnético invierte su polaridad de un polo al siguiente.En algunos casos las bobinas tienen menos de 180 grados eléctricos. Entonces se llaman bobinas de paso fraccionario, y el devanado del rotor que tenga estas bobinas se llama devanado de cuerda. El nivel de acortamiento de un devanado se puede describir mediante el factor de paso o factor de ancho de bobina, que está definido por la ecuación.
C. Tipos de devanado del rotor
Los inducidos generalmente tienen 2 tipos de arrollamientos o devanados; el imbricado y el ondulado.
Para que el colector cumpla su función los arrollamientos de los inducidos de las máquinas de c.c debe ser tal que partiendo de un punto, recorremos toda la periferia del rotor (a través de las espiras) llegaremos al punto de partida.
La fem inducida en la bobina es mayor cuando el ancho de bobina es igual al paso polar (paso entero). Por esta razón el ancho de bobina se hace igual o prácticamente igual al paso polar. Además todos los elementos del devanado deben conectarse entre sí de tal manera que las f.e.m. de cada elemento se sumen, caso contrario la maquina simplemente no funciona.
Que las f.e.m. de los elementos se sumen se consigue conectando la salida de un elemento con la entrada del siguiente elemento ubicados en polos opuestos o de distinta polaridad.
1) Devanado imbricado
En este tipo de devanados sus 2 extremos están conectados a 2 delgas adyacentes. Si el extremo final de la bobina se conecta a la delga siguiente se tiene un devanado imbricado progresivo Yc=1, si el extremo final se conecta a la delga anterior se tiene un devanado imbricado regresivo Yc=-1
Figura 9.- (a) Bobina de un devanado progresivo
(b) Bobina de un devanado regresivoUn aspecto interesante del devanado imbricado simple es que tiene tantas ramas en paralelo como polos tenga la máquina, este hecho hace que el devanado imbricado resulte bastante favorable para máquinas de bajo voltaje y alta corriente.
k: # delgas del colector; # de ranuras
Figura 10.- Arrollamiento progresivo máquina de 4 polos
Figura 11.- Diagrama del devanado imbricado del rotor
2) Devanado onduladoEl devanado ondulado o serie es otra manera de conectar las bobinas a las delgas del colector, en este arrollamiento el final de la segunda bobina se conecta a una delga adyacente donde comenzó la primera. Es decir entre dos delgas adyacentes hay 2 bobinas en serie cada una de las cuales tiene un lado frente a
un polo. El Voltaje final es la suma de los voltajes inducidos frente a cada polo y no puede haber desequilibrio de tensión.
Si la conexión se hace a la delga siguiente el devanado es progresivo si se hace a la delga anterior el devanado es regresivo. En general si la maquina tiene "P" polos hay P/2 bobinas en serie entre delgas adyacentes.
Se usan en voltajes elevados.
P: # de polos de la maquina
Figura 12.- Devanado ondulado del rotor
Figura 13.- Diagrama del devanado ondulado del rotor
Comentarios
Publicar un comentario