UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA DESCRIPCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTÍNUA MONOGRAFÍA PARA ACREDITAR LA EXPERIENCIA EDUCATIVA EXPERIENCIA RECEPCIONAL DE LA CARRERA DE INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA PRESENTAN: GARCIA PALACIOS JESUS SALVADOR RAMOS CASTILLO RODRIGO SOTO PÉREZ FRANCISCO JAVIER ASESOR: ING. CIRO CASTILLO PÉREZ Coatzacoalcos, Veracruz Mayo de 2010

2 AGRADECIMIENTOS Rodrigo Ramos Castillo A Dios: Ante todo, ya que me ha brindado el don de la vida, permitiéndome disfrutarla, con tropiezos y alegrías, y que me dio la dicha de llegar hasta esta meta que por fin puedo lograr. A mi Madre, Enfra. Norma S. Castillo Pasión: Ya que a través de ella pude ver la luz del sol por primera vez, educándome con gran amor de una manera excepcional, dándome todo su apoyo como padre y madre a la vez, e inculcándome valores que me servirán para desarrollarme como profesional, y que gracias a ella he logrado tener todo lo necesario permitiéndome lograr mi mayor meta, ser Ingeniero, te AMO mamá. A mis abuelos maternos: Que me dieron su apoyo en todo momento, siendo mis segundos padres e interviniendo en mi desarrollo como persona. A mi familia, Castillo Pasión: Ya que gracias a su unión, me dieron motivación para seguir adelante. A mis maestros: Ya que sin los conocimientos y experiencias brindados por ellos, no hubiera sido posible terminar este gran trabajo, en especial, al Ing. Ciro Castillo Pérez, por ser el asesor de este trabajo recepcional, brindándonos su apoyo incondicional en todo momento.

3 AGRADECIMIENTOS Francisco Javier Soto Pérez AGRADEZCO: A Dios: Por darme la dicha de la vida, salud, fortaleza, amor, por acompañarme a cada paso que doy, por sus infinitas bendiciones que día a día recibo y por ponerme en el lugar que hoy me encuentro. A mi madre, Sra. Modesta Soto Pérez: Por haberme dado la oportunidad de existir, por el amor incondicional que me has brindado durante toda mi vida, por cuidarme cuando he enfermado, porque siempre me has apoyado en todo lo que hago, por enseñarme el camino de la bondad, por darme el ejemplo de superación en la vida y porque este triunfo también es tuyo, gracias mamá! A mi Tía Julia: Porque también has formado parte de mi vida y siempre has estado para darme un consejo, por tu incondicional cariño y apoyo muchas gracias! A todos los facilitadores de la carrera: Por los conocimientos y sabios consejos que supieron inculcarme en las aulas que ayudaron a formarme como estudiante y que de ahora en adelante sabré poner en práctica.

4 AGRADECIMIENTOS Jesús Salvador García Palacios AGRADEZCO: A Dios: Porque invariablemente me estuvo cuidando de los malos individuos, a no caer en las tentaciones, trabajar con honestidad, sin juzgar ni robar perdonar y ser perdonado. A mi familia: A los que siempre les daré las gracias porque me dieron su apoyo, guía y comprensión sin condición ni medida desde el primer día de clase hasta el último para salir adelante con mi carrera, rompiendo esas barreras que me impedían trabajar a pesar de que hubo tiempos difíciles con la economía, enojos y regaños pero siempre estuvieron a mi lado. Quienes me guiaron por el camino de la educación y me alentaron a efectuar uno de mis anhelos más grandes de mi vida. Maestros: Los que siempre me ponían el ejemplo de ser puntual, ser una persona disciplinaria cuidando cualquier detalle y claro poner el ejemplo a mis compañeros y nuevas generaciones.

5 ÍNDICE TEMA: DESCRIPCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTÍNUA INTRODUCCIÓN 1 OBJETIVO.. 2 CAPÍTULO I DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA. 1.1 Descripción de las máquinas de corriente contínua y sus partes principales La máquina de corriente directa como generador Generador en derivación Generador serie Generador de excitación compound Amplidino Operación en paralelo de generadores en derivación Operación en paralelo de generadores compound La máquina de corriente directa como motor Motor de excitación independiente Motor en derivación Arrancadores para motores en derivación Motores serie Motor compound diferencial Motor compound acumulativo Conmutación.. 24

6 CAPÍTULO II DESCRIPCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DEL GENERADOR DE CORRIENTE CONTINUA 2.1 Generador de excitación independiente Característica en vacío Característica en carga Característica externa Curva de regulación Generador serie Característica en vacío Característica en carga Característica externa Generador de derivación Característica en vacío y aumento de tensión Influencia de la velocidad sobre la fem inducida en vacío Características en carga Característica externa Curva de regulación Influencia de la velocidad sobre la característica externa Generador compuesto acumulativo Característica en vacío Característica externa Aplicaciones de los diferentes tipos de generadores Generador de excitación independiente y generador derivación Generador compuesto acumulativo Generador compuesto diferencial Generador serie 57

7 CAPÍTULO III DESCRIPCION DE LAS CARÁCTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA 3.1 Características de los motores derivación Arranque del motor derivación Características de motores serie Característica del motor compuesto acumulativo Comparación de los diferentes tipos de motor Control de velocidad en los motores de C.C Aplicaciones de los motores Características de carga CONCLUSIONES. 85 BIBLIOGRAFIA.. 86

8 INTRODUCCIÓN La corriente continua presenta grandes ventajas, entre las que destaca su capacidad para ser almacenada de una forma sencilla. Esto, junto a una serie de características peculiares de los motores de corriente continua, hace que existan diversas instalaciones que trabajan basándose en la corriente continua. Los generadores de corriente continua son las mismas máquinas que transforman la energía mecánica en eléctrica. No existe diferencia real entre un generador y un motor, a excepción del sentido de flujo de potencia. La máquina de corriente continua ha sido una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, par y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos, aunque con la llegada de la electrónica su uso ha disminuido en gran parte, pues las máquinas de corriente alterna, pueden ser controladas de igual forma a precios más accesibles para el consumidor medio de la industria. No obstante, las maquinas de corriente continua se siguen utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, micro motores, etc.) 1

9 OBJETIVO El objetivo de esta monografía es proporcionar al estudiante de ingeniería mecánica eléctrica una información clara acerca de las máquinas de corriente contínua, tales como sus descripciones generales y sus características principales, siendo este trabajo de sencilla comprensión, además de servir como material de apoyo en asignaturas propias de la carrera, obteniendo un recurso más en su biblioteca de consulta. 2

10 CAPÍTULO I DESCRIPCIÓN GENERAL DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA 3

11 1.1 DESCRIPCIÓN DE LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA Y SUS PARTES Y SUS PARTES PRINCIPALES Las máquinas de corriente continua son generadores que convierten energía mecánica en energía eléctrica de corriente continua, y motores que convierten energía eléctrica de corriente continua en energía mecánica. La mayoría las máquinas de corriente continua son semejantes a las máquinas de corriente alterna ya que en su interior tienen corrientes y voltajes de corriente alterna. Las máquinas de corriente continua tienen corriente continua sólo en su circuito exterior debido a la existencia de un mecanismo que convierte los voltajes internos de corriente alterna en voltajes corriente continua en los terminales. Este mecanismo se llama colector, y por ello las máquinas de corriente continua se conocen también como máquinas con colector. La máquina de corriente continua consta básicamente de las partes siguientes: INDUCTOR: Es la parte de la máquina destinada a producir un campo magnético, necesario para que se produzcan corrientes inducidas, que se desarrollan en el inducido. El inductor, a su vez, consta de las partes siguientes: Pieza polar: Es la parte del circuito magnético situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar. Núcleo: Es la parte del circuito magnético rodeada por el devanado inductor. Devanado inductor: Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica. 4

12 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. Suelen emplearse en las máquinas de mediana y gran potencia. Culata: Es una pieza de sustancia ferromagnética, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la máquina. INDUCIDO: Es la parte giratoria de la máquina, también llamado rotor. El inducido consta de las siguientes partes: Devanado inducido: Es el devanado conectado al circuito exterior de la máquina y en el que tiene lugar la conversión principal de la energía Colector: Es el conjunto de láminas conductoras (delgas), aisladas unas de otras, pero conectadas a las secciones de corriente continua del devanado y sobre las cuales frotan las escobillas. Núcleo del inducido: Es una pieza cilíndrica montada sobre el cuerpo (o estrella) fijado al eje, formada por núcleo de chapas magnéticas. Las chapas disponen de unas ranuras para alojar el devanado inducido. ESCOBILLAS: Son piezas conductoras destinadas a asegurar, por contacto deslizante, la conexión eléctrica de un órgano móvil con un órgano fijo. 5

13 ENTREHIERRO: Es el espacio comprendido entre las expansiones polares y el inducido; suele ser normalmente de 1 a 3 mm, lo imprescindible para evitar el rozamiento entre la parte fija y la móvil. COJINETES: Son las piezas que sirven de apoyo y fijación del eje del inducido. Diagrama de una máquina de corriente continúa. Los componentes de la máquina de corriente continua se pueden apreciar claramente en la figura Culata 2. Núcleo polar 3. Pieza polar 4. Núcleo de polo auxiliar 5. Pieza polar de polo auxiliar 6. Inducido 7. Arrollado del inducido 8. Arrollado de excitación 9. Arrollado de conmutación 10. Colector 11. Escobillas positivas 12. Escobillas negativas La parte de 1 a la 5 forman el inductor. En conjunto las partes 2 y 3 se designan por polo inductor. La parte 6 constituye el inducido, al que va arrollado un conductor de cobre formando el arrollamiento del inducido. Alrededor de los núcleos polares, va arrollando, en forma de hélice, el arrollamiento de excitación (8). Análogamente cada núcleo de los polos de conmutación lleva un 6

14 arrollamiento de conmutación (9). La parte 10 representa el conmutador o colector, que está constituido por varias láminas aisladas entre sí, formando un cuerpo cilíndrico. El arrollamiento del inducido está unido por conductores con las laminas del colector; inducido y colector giran conjuntamente. Sobre la superficie del colector rozan unos contactos a presión mediante unos muelles. Dichas piezas de contacto se llaman escobillas. El espacio libre entre las piezas polares y el inducido se llama entrehierro. 7

15 1.2 LA MÁQUINA DE CORRIENTE DIRECTA COMO GENERADOR Los tres tipos básicos de generadores de CD que emplean la construcción de dínamo de CD son los generadores en derivación (shunt o en paralelo), en serie y compuestos ( compound ). Las diferencias entre estos tipos se deben al modo en que se produce la excitación del campo de CD del estator. El objetivo del generador es producir un voltaje de CD mediante la conversión de energía mecánica en energía eléctrica, y parte de este voltaje se usa para excitar el devanado del campo magnético estacionario. Todas las máquinas eléctricas constan de un circuito magnético de hierro (o acero) y de un circuito eléctrico de cobre. En un generador, se hacen girar los conductores de la armadura de modo que corten el flujo procedente de los polos de campo y que entran a ellos. En el generador de corriente continua (excepto el tipo unipolar) la fem inducida en los conductores individuales es alterna, pero esta corriente se rectifica en el conmutador y las escobillas, de modo que la corriente que sale al circuito externo es unidireccional. 8

16 Existen tres tipos estándares de generadores de corriente continua: generador en derivación, generador serie y generador compound Generador en derivación El campo de este generador en serie con su reóstato, están conectados en forma directa a través de la armadura, como se muestra en la figura siguiente: Fig. 1.A Generador en derivación Esta máquina mantiene un voltaje de terminales más o menos constante en su rango de trabajo con carga. A medida que se aplica carga, cae el voltaje en las terminales debido a la caída en la resistencia de la armadura, y a la reacción de la armadura que hace que disminuya el flujo. La caída en el voltaje en las terminales reduce la corriente de campo que, a su vez reduce el flujo; de ahí la fem inducida, etc. Con frecuencia se emplean reguladores automáticos que operan a través de la resistencia de campo para mantener un voltaje constante. 9

17 Los generadores en derivación se usan en sistemas interconectados. Su estabilidad, cuando están conectados en paralelo, es una ventaja. Si un generador no levanta voltaje, quizá se debe a: 1) que está conectada la carga 2) que la resistencia de campo es demasiado alta 3) el circuito de campo puede estar abierto 4) el magnetismo residual es insuficiente 5) las conexiones de campo pueden estar invertidas Generador serie En el generador serie (fig. 1.B) toda la corriente de carga circula por el devanado de campo, el cual consta de relativamente pocas vueltas de alambre de diámetro suficiente para soportar la totalidad de la corriente de carga sin sobrecalentamiento. Fig. 1.B Generador en serie La excitación de campo y, por tanto, el voltaje en las terminales, depende de la magnitud de la corriente de carga. El generador suministra una corriente casi constante y se utilizó durante años para alimentar las lámparas de arco en serie del 10

18 alumbrado público que requerían corriente contínua. Excepto en algunas aplicaciones especiales, el generador serie ha caído en desuso Generador de excitación compound Con la adición de un devanado en serie a una generador en derivación, el voltaje entre terminales puede mantenerse casi constante en forma automática, o bien, con una proporción adecuada de las vueltas en serie, puede hacerse que el voltaje en las terminales aumente según la carga, para compensar la pérdida de voltaje en la línea, con lo cual se mantiene un voltaje más o menos constante en la carga. Si el campo en derivación se conecta fuera del campo en serie (fig. 1.C), se dice que la máquina es de derivación larga; si el campo en derivación se conecta dentro del campo en serie, es decir, en forma directa en las terminales de armadura, es de derivación corta. En lo tocante a características de operación, no hay gran diferencia si la máquina se conecta en una u otra forma. Fig. 1.C Generador de corriente continua con devanado compound 11

19 Los generadores de excitación compound se usan principalmente en las plantas pequeñas y aisladas, y para generadores que sólo alimentan una carga de motor sujeta a fluctuaciones rápidas, como en los ferrocarriles. La primera vez que se pone en servicio un generador de excitación compound hay que conectar el campo en derivación en tal forma que la máquina intensifique su voltaje. Luego se conecta el campo en serie, de modo que ayude al campo en derivación Amplidino El amplidino es un generador de corriente contínua, en la cual una pequeña cantidad de corriente suministrada a un campo de control sirve para controlar la salida del generador y la respuesta es casi proporcional a la entrada del campo de control. La amplidina es un amplificador de corriente continua que puede suministrar grandes cantidades de corriente. El amplificador funciona sobre el principio de la reacción de la armadura. En la fig. 1.D, NN y SS son los polos convencionales norte y sur de un generador de corriente contínua, con cavidades centrales. BB son las escobillas usuales colocadas en ángulos rectos a los ejes polares de NN y SS. Un devanado de control CC de baja capacidad, quizá apenas de 100 W, está devanado sobre los polos de campo. En la figura, por sencillez, se muestra el devanado de control en un solo polo. Las escobillas BB están en corto circuito, por lo cual una pequeña fuerza magnetomotriz (fmm) de excitación en el campo de control produce una corriente de corto circuito a lo largo del eje de las escobillas BB. Esta intensa corriente de corto circuito produce un intenso flujo AA de reacción de la armadura a lo largo del eje de las escobillas BB. La armadura que gira dentro de éste campo produce un alto voltaje a lo largo del eje de las escobillas B B. La corriente de trabajo se toma en las escobillas B B como se muestra. En la figura la corriente de trabajo se ilustra sólo con las cruces y los puntos que están dentro de los círculos. La corriente de corto circuito se ilustraría con cruces colocadas en los conductores que quedan a la 12

20 izquierda de las escobillas BB y con puntos en los conductores que están a la derecha de ellas. Fig. 1.D Amplidina Una pequeña corriente existente en el devanado de control produce alto voltaje y corriente, como resultado de la intensa corriente de corto circuito en las escobillas BB. Para que las escobillas B B no pongan en corto circuito a los conductores que cortan el flujo de los polos NN y SS, se le hacen cavidades a esos polos. Además, la corriente de carga procedente de las escobillas B B produce una fmm de reacción de armadura en oposición al flujo A A producido por el campo de control CC. Si se deja sin compensación esta fmm, el flujo A A y la salida de la máquina ya no se determinaría por completo por el campo de control. Por ello, se utiliza un campo de compensación FF en serie con la armadura, el cual neutraliza la fmm de reacción de armadura que produce la corriente de trabajo. Para sencillez de la ilustración, el campo de compensación se muestra sobre un solo polo de campo. 13

21 La amplidina es capaz de controlar y regular la velocidad, voltaje, corriente y potencia con respuestas rápida y precisa. La amplificación es de a veces en máquinas de 1 a 50 kw nominales. Las amplidinas con frecuencia, se utilizan en combinación con generadores Selsyns, y se emplean para control de cañones y torres, y como controles precisos en muchas aplicaciones industriales Operación en paralelo de generadores en derivación Es deseable operar los generadores en paralelo para que la capacidad de la estación pueda adaptarse a la carga. Los generadores en derivación, son de estabilidad inherente cuando están en paralelo. Para conectarlos en paralelo es necesario conectar los interruptores de tal modo, que los polos iguales se conecten con las mismas barras colectoras, cuando los interruptores se cierren. Supóngase que está funcionando un generador; para conectar otro generador en paralelo, primero se acelera con su velocidad normal el generador de entrada y se ajusta su voltaje de terminales a un valor un poco mayor que el voltaje en la barra colectora. Después, este generador puede conectarse en paralelo con el otro sin dificultad. La división correcta de la carga entre ellos se ajusta por medio de los reóstatos de campo y se mantienen en forma automática si las máquinas tienen características similares para regulación de voltaje Operación en paralelo de generadores compound Como regla general, los generadores compound tienen características de voltaje planas o crecientes. Por lo tanto, cuando se conectan en paralelo tienen una inestabilidad inherente. No obstante, puede obtenerse la estabilidad con una conexión un compensador, la fig. 1.E, que conecte las terminales del generador a 14

22 las uniones de los campos en serie. Esta conexión es de baja resistencia, de modo que cualquier aumento en la corriente se divide en forma proporcional entre los campos en serie de las dos máquinas. El interruptor del compensador (E.S) es el primero que se cierra y el ultimo que se abre, si es posible. En la práctica, el interruptor compensador es con frecuencia una aspa de un interruptor tripolar y las otras dos son las del interruptor S de las barras colectoras, como se muestra en la fig. 1.E. Fig. 1.E Conexiones para un generador con devanado compound trabajando en paralelo Cuando los generadores compound se utilizan en un sistema de tres hilos, se necesitan dos campos en serie uno en cada terminal de armadura y dos compensadores. Es posible operar en paralelo cualquier número de generadores compound siempre y cuando sus características no sean demasiado diferentes y que se utilice la conexión del compensador. 15

23 1.3 LA MÁQUINA DE CORRIENTE DIRECTA COMO MOTOR Los Motores de Corriente Directa (CD) o Corriente Continua (CC) se utilizan en casos en los que es importante el poder regular continuamente la velocidad del motor, además, se utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o baterías. Este tipo de motores debe de tener en el rotor y el estator el mismo número de polos y el mismo número de carbones. Como su nombre lo indica, un motor eléctrico de corriente continua, funciona con corriente continua. En estos motores, el inductor es el estator y el inducido es el rotor. Fueron los primeros en utilizarse en vehículos eléctricos por sus buenas características en tracción y por la simplicidad de los sistemas de control de la electricidad desde las baterías. Presentan desventajas en cuanto al mantenimiento de algunas de sus piezas (escobillas y colectores) y a que deben ser motores grandes si se buscan potencias elevadas, pues su estructura (y en concreto el rozamiento entre piezas) condiciona el límite de velocidad de rotación máxima. 16

24 Los motores de corriente continua funcionan según el principio de que un conductor, por el cual circula una corriente y se encuentra dentro de un campo magnético, tenderá a moverse en ángulos rectos con ese campo (fig. 1.F). Fig. 1.F Efecto de la corriente en un campo magnético uniforme El generador ordinario de corriente continua operará en forma enteramente satisfactoria como motor y tendrá la misma capacidad nominal. Los conductores del motor giran en un campo magnético y, por tanto, deben genera una fem igual que el generador. El momento de torsión en la polea es un poco menor que el momento de torsión interno, debido al momento de torsión necesario para contrarrestar las perdidas rotacionales, como la fricción, fricción del aire, perdidas por corrientes parasitas e histéresis que ocurren en el hierro de la armadura y en las caras de los polos. Existen motores de imán permanente (PM, permanent magnet), 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 17

25 no hay probabilidad de que se presente una sobrevelocidad debida a pérdida del campo. Se mejoran 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 (PM) se puede usar en donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitación continua Motor de excitación independiente Los motores de excitación independiente tienen como aplicaciones industriales el torneado y taladrado de materiales, extrusión de materiales plásticos y goma, ventilación de horno, retroceso rápido en vacío de ganchos de grúas, desenrollado de bobinas y retroceso de útiles para serrar. El motor de excitación independiente es el más adecuado para cualquier tipo de regulación, por la independencia entre el control por el inductor y el control por el inducido. El sistema de excitación más fácil de entender es el que supone una fuente exterior de alimentación para el arrollamiento inductor. En la siguiente figura, se representa el inducido por un círculo; la flecha recta interior representa el sentido de la corriente principal y la flecha curva, el sentido de giro del inducido; el arrollamiento inductor o de excitación, se representa esquemáticamente, y el sentido de la corriente de excitación, por medio de una flecha similar. 18

26 1.3.2 Motor en derivación En el motor en derivación (fig 1.G) el flujo es sustancialmente constante y la velocidad sólo tiene ligera variación con la carga, por lo cual al motor se adapta para trabajo que requiere velocidad constante. La regulación de la velocidad de los motores de velocidad constante se define por la norma ANSI/IEEE std en el Standard Dictionary of Electrical and Electronic Terms, como sigue: La regulación de velocidad de un motor de corriente continua u velocidad constante es el cambio en la velocidad cuando la carga se reduce en forma gradual desde el valor nominal hasta cero, con voltaje aplicado constante y graduación del reóstato de campo, expresado en porcentaje de la velocidad a la carga nominal. Fig. 1.G Conexiones de motores de c.c. en derivación y sus arrancadores, a) caja de tres puntos; b) caja de cuatro puntos El motor es capaz de desarrollar el momento de torsión a plena carga y más elevado al arranque; pero el arrancador normal no está diseñado para soportar la corriente necesaria para el arranque con carga. Si se va a arrancar un motor con carga, el arrancador debe estar provisto con resistores adaptados para soportar la corriente 19

27 necesaria sin sobrecalentarse. También pueden utilizarse un controlador para arranque con carga. Los polos de conmutación han mejorado de tal forma la conmutación de las máquinas de corriente continua, que es posible usar un entrehierro mucho más corto que en máquinas antiguas. Debido a que con el entrehierro más corto se requiere menos ampere vueltas en los devanados de campos, la armadura se magnetiza con intensidad con respecto al campo. Por ello, una sobrecarga repentina podría debilitar el campo por la reacción de la armadura y ocasionar un aumento en la velocidad; el efecto puede volverse acumulativo y el motor se desbocará. Para impedirlo, los motores modernos en derivación suelen estar provistos con un devanado estabilizador, que consta de unas cuantas vueltas sobre el devanado de campo, en serie con la armadura y que ayuda al campo en derivación. El aumento resultante de los amperevueltas del campo según la carga compensará con creces cualquier debilitamiento del campo por la reacción de la armadura. Las vueltas en serie son tan pocas que no tienen efecto apreciable de composición o de compoundaje. El motor en derivación se utiliza para impulsar ejes de transmisión para velocidad constante, en máquinas-herramienta, etc. Como su velocidad puede variarse en forma eficiente, es muy útil cuando se necesita velocidades ajustables, como en los accionamientos individuales para máquinas-herramienta Arrancadores para motores en derivación Cuando el motor está parado, su fuerza contraelectromotriz es cero y la resistencia de la armadura es muy baja. Por tanto, excepto para motores muy pequeños, se necesita, para el arranque, conectar resistencias en serie en el circuito de armadura. No obstante, los campos deben estar conectados a través de la línea para obtener plena excitación. 20

28 En la figura 1.G se muestran los dos tipos comunes de cajas de arranque utilizadas para arrancar motores en derivación. La resistencia de armadura sólo permanece en el circuito durante el arranque. En la caja de tres puntos (fig 1.G.a), se sostiene la palanca de arranque en la posición de marcha, en contra de la fuerza de un resorte, mediante un electroimán conectado en serie al circuito de campo, de modo que si se interrumpe el circuito de campo o el voltaje de línea se vuelve muy bajo, se libera la palanca y se abre en forma automática el circuito de armadura. En la caja de cuatro puntos, el electroimán está conectado directamente a través de la línea, como se ilustra en la figura 1.G.b. En este tipo el brazo se libera en forma instantánea al fallar el voltaje de línea. En el tipo de tres puntos, transcurre cierto tiempo antes que la corriente de campo caiga lo suficiente para efectuar la liberación. Algunos reóstatos para arranque están provistos con un dispositivo de carga, a fin de interrumpir el circuito en forma automática si la armadura recibe una corriente demasiado intensa. La caja de cuatro puntos se utiliza cuando se obtiene un amplio rango de velocidades por medio del reóstato de campo. Con esto el electroimán no se afecta por los cambios en la corriente de campo. En los motores grandes y en muchos pequeños se usan mucho los arrancadores automáticos. Las ventajas del arrancador automático son que la corriente se mantiene entre ciertos valores máximo y mínimo como por lo cual el circuito no se abre con un arranque demasiado rápido, como ocurriría con un arrancador manual; la aceleración es suave y casi uniforme. Como el operario puede arrancar o parar y parar un motor con sólo oprimir un botón, se obtiene una economía considerable, pro que puede pararse en motor cuando no se necesita. Los controles automáticos son esenciales en los motores para ascensores son el fin de poder aceleración rápida y uniforme comparadas y arranques frecuentes. El arranque automático también es muy necesario en coches de ferrocarriles eléctricos conectados en múltiple y en los motores de laminadoras, que siempre están sometidos a aceleración, paradas e inversiones rápidas. 21

29 1.3.4 Motores serie En los motores serie, la armadura y los campos están conectados en serie; por tanto, si se pasa por alto la saturación, el flujo es proporcional a la corriente y el momento de torsión varía como el cuadrado de la corriente. Por tanto, cualquier aumento en la corriente producirá un aumento proporcional mucho más grande en el momento de torsión. Esto hace que el motor se adapte en particular para los trabajos de tracción, grúas, malacates, montacargas y otros tipos de trabajo que requieren un elevado momento de torsión para el arranque. En la figura 1.H se muestra una caja de arranque para motores/serie sin interruptor por falta de voltaje. Fig. 1.H Arrancador del motor en serie, con interrupción por cero voltaje 22

30 1.3.5 Motor compound diferencial El devanado compound acumulativo de un generador se convierte en un devanado compound diferencial cuando la máquina se utiliza como motor. Su velocidad puede hacerse considerablemente más constante que la de un motor en derivación o, si se desea, puede ajustarse para que aumente junto con la carga. Como la velocidad de motor en derivación es lo bastante constante para la mayoría de las aplicaciones y el motor diferencial tiende hacia la inestabilidad, en particular al arranque y con sobrecargas, éste último motor tiene muy poco uso Motor compound acumulativo Produce un aumento más rápido en el momento de torsión con carga que los motores en derivación fig; por otra parte tienen una regulación de velocidad muy poco eficiente. Por ello se utiliza cuando se necesita un momento de torsión al arranque mayor que el desarrollado por el motor en derivación, por ejemplo, en algunos impulsores industriales. Son de particular utilidad cuando ocurren aumentos grandes e intermitentes del momento de torsión, como en la impulsión de cizallas, punzonadoras, laminadoras, etc. Además, el incremento súbito en el momento de torsión que desarrolla el motor con aplicaciones súbitas de carga, el hecho de que su velocidad disminuya con rapidez y ocasione que las partes rotatorias cedan parte de su energía cinética es otra importante ventaja, porque reduce los picos en las plantas generadoras. Los datos de rendimiento de los motores compound acumulativos se dan en la siguiente tabla: 23

31 1.3.7 Conmutación Las escobillas que están sobre el conmutador de un motor o de un generador se deben asentar en una tal posición, que sea cero la fem inducida en las bobinas de armadura sometidas a conmutación y que, por ende, están en corto circuito por las escobillas. En la práctica es condición, en el mejor de los casos, sólo puede lograrse en forma aproximada; con frecuencia, las condiciones son tales, que distan mucho de poder alcanzarse. Sin carga, las escobillas se deben colocar en una posición que corresponda con geométrico neutro de la máquina, por que en estas condiciones es de cero la fem inducida en las bobinas puestas en corto circuito por las escobillas. Cuando se aplica la carga hay dos factores que producen chisporroteos debajo de las escobillas. La fuerza magnetomotriz (fmm) de la armadura, o reacción de inducido, deforma el flujo; cuando se invierte la corriente en las bobinas que están sujetas a conmutación, una fem de autoinducción (L-di/dt) tiende a prolongar el flujo de la corriente lo cual produce chisporroteo. En un generador la reacción de armadura deforma el flujo en la dirección de rotación y las escobillas se deben desplazar en avance. Para neutralizar la fem de la autoinducción, las escobillas se deben colocar un poco hacia el frente del plano neutro, de modo que la fem inducida 24

32 en las bobinas cortocircuitadas por el corte del flujo marginal del polo siguiente sea opuesta a esta fem de autoinducción. En un motor, las escobillas se desplazan hacia atrás de modo correspondiente, en sentido opuesto a la rotación. En teoría, las escobillas se deberían desplazar con cada cambio en la carga. Sin embargo, la casi totalidad de los generadores y motores de corriente contínua tienen polos de conmutación (o interpolo) y, con ellos, las escobillas pueden permanecer en el plano neutro para funcionamiento sin carga y pueda obtenerse buena conmutación en toda la variedad de carga. Los polos de conmutación son polos pequeños que están entre los polos principales como en la siguiente figura. Fig. 1.I polos de conmutación de un motor Y se excitan con un devanado en serie con la armadura. Su función es neutralizar la deformación del flujo en el plano neutro producido por la reacción de inducido, también suministrar un flujo que ocasione la inducción de una fem en los devanados sometidos a conmutación, igual y opuesta a la fem de autoinducción. Dado que tanto la reacción de inducido como la fem de autoinducción son proporcionales a la corriente de armadura, sin tener en cuenta la saturación, en teoría se neutralizan con 25

33 cualquier carga. Con los polos de conmutación se han logrado generadores y motores de corriente continua con voltaje mucho más elevado, velocidades más altas y mayores capacidades nominales en kw que lo que sería posible sin ello. En ocasiones, los polos de conmutación pueden estar conectados incorrectamente. En un motor, si se pasa desde un polo N principal en la dirección de rotación de la armadura, se debe encontrar un polo N de conmutación como se indica en la figura 1.I. En un generador bajo éstas condiciones, se debe encontrar un polo S de conmutación. La prueba se efectúa con toda facilidad con una brújula. Si dos interpolos muy fuertes ocasionan una conmutación deficiente, el devanado puede estar derivado. Si los polos son muy débiles y no puede reducirse la derivación, puede reforzarse con laminillas de hierro entre el polo y el yugo para reducir el entrehierro. Aunque las fem inducidas en las bobinas en que se efectúa la conmutación son muy pequeñas, la resistencia de las propias bobinas es baja; por lo cual, si no se introduce resistencia adicional, las corrientes de cortocircuito serian muy intensas. Por tanto, con la excepción de ciertos generadores de bajo voltaje, casi siempre se utilizan escobillas de carbón que tienen resistencia de contacto relativamente grande. Además, el grafico de las escobillas tiene acción lubricante y la escobilla usual de carbón no puede escoriar el conmutador. 26

34 CAPÍTULO II DESCRIPCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS DE OPERACIÓN DEL GENERADOR DE CORRIENTE DIRECTA 27

35 2.1 GENERADOR DE EXCITACIÓN INDEPENDIENTE Característica en vacío En los generadores de excitación independiente, la fem generada en el inducido viene dada por la siguiente ecuación: Como no circula corriente por el inducido, en flujo depende sólo de la fem de excitación, o, como para una máquina dada el número de espiras de la excitación es constante, depende de la intensidad de excitación. Si n es constante, Donde. Ésta es la característica en vacío; da la tensión en bornes, en vacío, en función de la intensidad de excitación y se obtiene usando las conexiones que muestra la siguiente figura: Fig 2.A Diagrama de conexiones para determinar por ensayo la característica en vacio de un generador de excitación independiente 28

36 es el inducido, el devanado de excitación, y la fuente que alimenta la intensidad de excitación. La resistencia se usa para variar la intensidad de excitación. En la siguiente ilustración, muestra la característica en vacío, la curva a da la tensión 0 en función de ex cuando la intensidad de excitación aumenta desde cero a exm ; y la curva b da la tensión 0 en función de ex cuando la intensidad de excitación se reduce de éste valor exm a cero. Debido al efecto del magnetismo remanente las dos curvas no coinciden. El magnetismo remanente es también causa de que el dibujo de la curva a generalmente empiece encima del punto cero para intensidad de excitación nula. Figura 2.B Característica en vacio de un generador de excitación independiente 29

37 2.1.2 Característica en carga Si el inducido está en carga, la tensión en bornes es menor que la fem generada en el arrollamiento del inducido, debido a la reacción del inducido ( d ), a la caída de tensión en el inducido y en otros arrollamientos ( ), y a la caída por resistencia de contacto en las escobillas (2 ). La curva de la tensión en bornes en función de la intensidad de excitación, para velocidad e intensidad de corriente en el inducido constantes, se conoce como característica en carga. La figura 2.C muestra las conexiones usadas para obtener la característica en carga. La intensidad de carga se ajusta mediante la resistencia c. Figura 2C Diagrama de conexiones para determinar por ensayo la característica en carga de un generador de excitación independiente La curva III de la figura 2.D es una característica en carga. La curva I es la característica en vacío de la misma máquina. Si se suma la cantidad 2 a la característica en carga, la curva II, así obtenida es la fem generada en el arrollamiento del inducido por el flujo resultante. La distancia entre la curva II y la 30

38 curva característica en vacío I es la caída de tensión producida por la reacción del inducido. Para mantener la tensión en bornes tanto en vacío como a plena carga, es necesario un aumento de la intensidad de excitación necesaria para compensar el efecto de la reacción del inducido (M d ) y las caídas de tensión. Figura 2.D Característica en carga de un generador de c.c. de excitación independiente La característica en carga (curva III) puede hallarse aproximadamente de la siguiente manera. En el punto m de la característica en carga, es igual a cero (el inducido esta cortocircuitado). Para que la intensidad I i para la cual tiene que determinarse la característica en carga, pueda circular por el inducido en estas condiciones de funcionamiento, debe generarse la fem en el inducido y para esto se necesita una intensidad de excitación. Además, es necesario para compensar la reacción del inducido una componente adicional de la intensidad de excitación 31

39 Los lados de los bornes del triángulo son proporcionales a la intensidad de carga, y, como esta corriente es constante, el triángulo es el mismo para cualquier valor de. Por tanto, puede encontrarse la característica en carga moviendo el triángulo paralelamente a sí mismo a lo largo de la característica en vacio (curva I). El punto del triangulo recorre entonces la característica de carga (curva III). Debe observarse que la característica en carga así obtenida es correcta solo cerca del codo puesto que d se ha determinado para esta parte de la característica. Para saturaciones menores, los valores de son demasiado bajos; para saturaciones mayores, demasiado elevadas Característica externa La curva que relaciona la tensión en bornes con la intensidad de carga a velocidad y a intensidad de excitación constantes, se denomina característica externa (curva III de la figura 2.E). Al aumentar la intensidad de carga, aumenta la reacción del inducido y las caídas de resistencia en el arrollamiento del inducido. Por tanto, al aumentar la intensidad de carga, la tensión en bornes disminuye. 32

40 Figura 2.E Característica externa de un generador de excitación independiente Si la caída de tensión 2 se suma a la característica externa, se obtiene de la fem generada en el arrollamiento del inducido por el flujo resultante (curva II)., la diferencia entre la curva I, que corresponde a la tensión en vacío 0, y la curva II, es la caída de tensión provocada por la reacción del inducido. Con ayuda de la característica externa, puede determinarse la regulación de tensión (ε) de la máquina. Es (fig 2.E): 100 Donde es el valor de la tensión en bornes a la carga nominal. Las conexiones usadas para obtener la característica externa son las mismas que las usadas para la característica en carga. 33

41 Con ayuda de la característica en vacío, la característica externa puede determinarse aproximadamente de la siguiente manera. En la figura 2.F, es la intensidad de excitación constante para la cual se quiere encontrar la característica externa. La tensión en vacío para esta intensidad de excitación es. Supongamos una intensidad de excitación cualquiera. Para esta corriente se determina 2 Fig. 2.F Construcción de la característica externa de un generador de c.c. con excitación independiente a partir de la característica en vacio Si el triángulo se coloca de manera tal que permanezca sobre, sea paralela al eje de abscisas, y permanezca sobre la característica en vacío, entonces es la tensión en bornes para la intensidad de carga. A la izquierda resulta. Para la intensidad de carga supuesta, la tensión en 34

42 bornes es, correspondiente a una caída de valor respecto a la tensión en vacío. La componente de la caída se debe a 2 y se debe al efecto de la reacción del inducido que reduce el flujo. Como la fem inducida es puede considerarse que la intensidad de excitación efectiva es, que corresponde a una reducción de d respecto a la intensidad de excitación real. En el triángulo, es aproximadamente proporcional a la intensidad de carga, mientras que no es exactamente proporcional a la intensidad de carga, pues el flujo transversal de la reacción del inducido tampoco lo es. Se ha supuesto, sin embargo que también es proporcional a la intensidad de carga. Entonces para cualquier otra intensidad de carga supuesta, debe construirse un nuevo triángulo tal como, para el cual será la tensión en bornes. El supuesto de que la fmm de la reacción del inducido sea proporcional a la intensidad de carga es aproximadamente correcto para una saturación elevada, pero es incorrecto para baja saturación. La construcción usada anteriormente por consiguiente da resultados correctos para los puntos que están situados por encima del codo de la característica en vacío Curva de regulación Si la tensión en bornes permanece constante al aumentar la intensidad de carga, debe aumentarse la intensidad de excitación; el aumento de la intensidad de excitación depende de las caídas por reacción del inducido y en las resistencias. La curva de regulación da la intensidad de excitación en función de la intensidad de carga para una tensión en bornes y una velocidad constantes. 35

43 Fig. 2.G Construcción de la curva de regulación La curva de regulación puede determinarse de la siguiente manera (ver figura 2.G). La tensión en bornes permanece constante en el valor. En vacio la intensidad de excitación necesaria es. Para cualquier intensidad de carga supuesta se dibuja AB= 2. Entonces es la fem generada necesaria y, si no existiera la reacción del inducido, la intensidad de excitación debería aumentarse en la cantidad hasta el valor. Sin embargo, debido a la reacción del inducido, se necesita un incremento mayor d para vencer la fmm de reacción del inducido. La intensidad total de excitación es ahora. Si la carga se eliminara y se mantuviera, la tensión en bornes se elevaría a. Para otras intensidades de carga supuestas, pueden obtenerse y dibujarse los valores de como se muestra en la fig 2.H. 36

44 Figura 2.H Curva de regulación de un generador de excitación independiente 37

45 2.2 GENERADOR SERIE Característica en vacío Para esta máquina, la característica en vacío puede tomarse solo con excitación independiente puesto que la autoexcitación necesitaría que circulase corriente por el inducido, y la característica en vacío implica que no circule corriente por el mismo Característica en carga Para el generador serie la característica en carga también debe tomarse con excitación independiente, pues con autoexcitación la intensidad del inducido y la de la excitación variarían al mismo tiempo. Las características en vacío y en carga de un generador serie son, por tanto, idénticas que las características en vacío y en carga de un generador de excitación independiente Característica externa Los rasgos específicos que distinguen el generador serie de los otros tipos de generadores de corriente contínua pueden verse en su característica externa. La figura 2.I muestra las conexiones usadas para obtener la característica externa. 38

46 Fig. 2.I Diagrama de conexiones para determinar por ensayo la característica externa de un generador serie de c.c. La intensidad de carga varía mediante la resistencia de carga. Como para excitar el devanado inductor se usa la corriente del inducido, la fmm de la excitación y, por tanto, la fmm generada en el arrollamiento inducido y la tensión en bornes aumentan al aumentar la intensidad de carga. La curva III de la figura 2.J es la característica externa de un generador serie. La curva 1 es la característica en vacío de la máquina. Si la caída de tensión 2 ) se suma a la curva III, la curva II obtenida es la fem generada en el arrollamiento del inducido por el flujo resultante. La diferencia entre la curva II y la curva I, característica en vacío, es, por tanto, la caída de tensión provocada por la reacción del inducido. 39

47 Fig. 2.J Característica externa de un generador serie 40

48 2.3 GENERADOR DE DERIVACIÓN Característica en vacío y aumento de tensión La fig. 2.K muestra las conexiones para obtener la característica en vacío. es el devanado de excitación derivación. La intensidad de excitación varía mediante el reóstato de la excitación derivación. Al hallar la característica en vacío el inducido suministra la corriente de excitación. Como esa corriente sólo es porcentaje muy pequeño de la corriente del inducido en carga, la caída de tensión que provoca en la resistencia del arrollamiento del inducido y en las escobillas así como la reacción del inducido producido por ella, son muy pequeñas. Por tanto la característica en vacío para autoexcitación coincide prácticamente con la obtenida para excitación independiente. Por consiguiente, la característica en vacío puede obtener con excitación independiente (fig 2.K). Fig. 2.K Diagrama de conexiones para determinar por ensayo la característica en vacio de un generador derivación de c.c. 41

49 Respecto al aumento de tensión en un generador derivación se aplica lo siguiente. En un generador derivación, el circuito de excitación se conecta directamente a los bornes del inducido; por lo tanto, la tensión en bornes del inducido es la misma que se aplica al circuito de excitación derivación. Puede verse la relación entre e en la curva de saturación de la figura 2.L. La relación también viene expresada por la ecuación, donde es la resistencia total del circuito de excitación, y que está representada por la línea recta, denominada línea de resistencia de excitación. Para cualquier punto sobre esta línea proporcional. La intersección en A representa la solución gráfica de las 2 relaciones funcionales, la curva de saturación, y, línea de resistencia de excitación. La tensión en bornes debe estar situada siempre sobre la línea. es Fig.2.L Construcción de la curva tensión, intensidad de excitación para un generador derivación 42

50 En vacío, la tensión aumentará siempre hasta el punto de intersección de la línea de resistencia de excitación y la curva de saturación (punto A de la fig 2.L). Un punto no satisfará la condición de régimen permanente, puesto que, con una intensidad de excitación, la fem sería, mientras que, con esa intensidad de excitación, la tensión en bornes del circuito de excitación necesitaría sólo, que es la caída de tensión en. Por tanto puede considerarse como un exceso de tensión, o como una tensión de aceleración que provoca el aumento de por encima de y de por encima de. Cuanto mayor es el segmento interceptado, más rápido es el aumento de la tensión en bornes, hasta que se alcanza el punto. Si la resistencia del circuito de excitación aumenta hasta 1, la tensión sólo aumentaría hasta. Si la resistencia de excitación aumentara hasta coincidir con la línea de tangente al primer tramo de la curva, la tensión sería indeterminada. Ésta resistencia se denomina a veces resistencia de excitación crítica. Si la línea de resistencia de excitación es, la máquina no dará ninguna tensión Influencia de la velocidad sobre la fem inducida en vacío La fem inducida en un generador derivación no es directamente proporcional a su velocidad cuando es constante, pues su corriente de excitación varía con la velocidad. Supongamos en la figura 2.M.a que sea la característica en vacío a la velocidad nominal, y sea la línea de resistencia de excitación. La tensión en vacío a la velocidad nominal es entonces y la intensidad de excitación. Si la velocidad de la máquina se reduce de a, la característica en vacío vendrá representada por la curva ( y, para la misma resistencia total en el circuito de excitación, la tensión en vacío será P 1 T 1 y la intensidad de excitación 1. En la figura 2.M.b se observan las relaciones siguientes 43