TEMA 7. Máquinas rotativas de corriente continua. Principio y descripción CONSTITUCIÓN DE UNA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA.

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1 TEMA 7. Máquinas rotativas de corriente continua. Principio y descripción. CONTENIDO: Constitución de una máquina de corriente continua Principio de funcionamiento Tipos de excitación Reacción de Inducido. Conmutación Potencia, Rendimiento y Regulación de elocidad CONSTITUCIÓN DE UNA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA. Como introducción podremos describir esta máquina eléctrica partiendo de sus componentes más significativos. En ella contamos con un Estator (inductor) que a su vez ejerce la función de soporte mecánico. Así mismo se dispone del Rotor (inducido) formado por discos metálicos (el inducido propiamente) y un colector de delgas o láminas metálicas a modo de rectificador mecánico. Los devanados de las máquinas de corriente continua se cierran sobre si mismos ( sin principio ni fin) pudiendo ser imbricados u ondulados dependiendo del posible cruce de las partes de las bobinas. El colector de delgas es el componente que caracteriza esta máquina, y es el encargado de la conversión mecánica de la corriente alterna inducida en las bobinas, en corriente continua. Está formado por láminas de cobre o delgas aisladas entre sí por medio de un dieléctrico de mica. La extracción o suministro de corriente al colector se realiza por medio de escobillas de grafito que permanecen inmóviles en el espacio gracias a los portaescobillas que mediante un muelle en espiral consiguen que estas ejerzan presión sobre el colector. TEMA 7 Página 1 de 6

2 LÍNEA NEUTRA + N S _ PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. Como se ha expuesto anteriormente, esta máquina eléctrica puede funcionar tanto en régimen de generador como en régimen de motor. En los devanados del inducido de la máquina, al girar el rotor se inducirá una fuerza electromotriz en los conductores del núcleo al ser cruzados por el flujo del estator. El eje que forma la alineación de las escobillas se denomina LINEA NEUTRA que nos indica las posiciones en las que se produce la inversión de la fuerza electromotriz (f.e.m.) en las bobinas del inducido al pasar las espiras correspondientes de una a otra rama o polo del campo magnético inducido. En los inducidos en anillo, el número de circuitos derivados o ramas en paralelo coincide con el número de polos y escobillas. Para el funcionamiento de esta máquina como generador o como motor, el paso de corriente continua por los conductores del inducido provoca en el rotor un par electromagnético que tiene un carácter resistente para el trabajo como generador y carácter motor cuando la máquina mueve una carga mecánica. TEMA 7 Página 2 de 6

3 Para calcular la magnitud de ese par consideraremos la corriente total del inducido y la f.e.m. del mismo de manera que: M E. I i = n 2π 60 siendo este par resistente en el caso de transformación de energía mecánica en eléctrica (generador), y de rotación en el caso de un motor TIPOS DE EXCITACIÓN. Como se indica con anterioridad, representaremos los devanados inductor e inducido de una máquina de corriente continua según se muestra: I ex ex E INDUCTOR INDUCIDO Al aplicar una tensión de excitación ex de corriente continua al inductor de la máquina, se produce una corriente de excitación I ex que a su vez produce un flujo φ que hace incidir, debido al movimiento del rotor, una fuerza electromotriz E en el inducido. El tipo de excitación de la figura anterior es el Independiente. Es el sistema más antiguo y en la actualidad solo se utiliza en casos especiales y para la determinación de parámetros de la máquina de continua en régimen de vacío. Existen además otros tipos de máquinas de continua autoexcitadas (producen su propia excitación), entre las que destacamos las de excitación serie( Con caídas de tensión fuertes y proporcionales a la carga), paralelo o shunt (para aplicaciones con alto nivel de carga que requieran caídas de tensión no significativas) y compuesta o compound (útiles en máquinas de soldadura de CC en conexión diferencial por su caída de tensión en cargas elevadas). Se muestran a continuación sus esquemas de conexión: TEMA 7 Página 3 de 6

4 I t =I i I e I t R I i I i R r r E. SERIE E. SHUNT I e I b I i R E. COMPUESTA r REACCIÓN DE INDUCIDO. CONMUTACIÓN. La reacción de inducido se produce para neutralizar el campo de reacción que sobre los polos auxiliares ejerce el campo magnético inductor. Estos polos auxiliares disponen de devanados en serie con los devanados del circuito inductor, lo que produce una fuerza electromotriz inducida sobre los polos auxiliares. Esta neutralización de campos magnéticos de reacción se realiza mediante al desplazamiento de la línea neutra de la máquina un ángulo α. Para cuantificar el efecto de esta reacción de inducido tenemos las siguientes expresiones: La ecuación básica de la máquina de continua si reacción de inducido es: = E + r i. I i TEMA 7 Página 4 de 6

5 Si consideramos la reacción de inducido tendremos: = E + r. I i i + e Siendo E la fuerza electromotriz inducida teniendo en cuenta la reacción de inducido, y e la caída de tensión en las escobillas de la máquina (aproximadamente 2 voltios por pareja de escobillas, o por pareja de polos). Se entiende por conmutación, el conjunto de fenómenos vinculados con la variación de corriente en las espiras del inducido al pasar estas por la zona donde se las cierra en cortocircuito por las escobillas colocadas en el colector. Una buena conmutación debe realizarse sin la formación de chispas en el colector, que producirían un deterioro notable de la máquina si su trabajo es continuado. Las chispas entre colector y escobillas se deben principalmente a causas mecánicas (defectuoso ajuste de escobillas y colector) y eléctricas (autoinducción en el arrollamiento del inducido que provoca sobretensiones). TEMA 7 Página 5 de 6

6 7.5.- POTENCIA, RENDIMIENTO Y REGULACIÓN DE ELOCIDAD. El análisis de potencias de la máquina de corriente continua es similar al de máquinas de alterna visto con anterioridad con la salvedad de consideración de pérdidas de excitación: P = P + P + P + P 1 FE CU excitación MU Siendo P 1 la potencia eléctrica consumida, y P MT la potencia mecánica útil que entrega la máquina sin tener en cuenta las pérdidas de origen mecánico. P MT = E.I i Para el cálculo del rendimiento de la máquina de continua debemos distinguir si el cálculo se realiza para generadores o para motores, de manera que: η ( motor) = P MU P MU + Pérdidas. I η ( generador) =. I + Pérdidas La regulación de velocidad de estas máquinas se obtiene partiendo de los parámetros relacionados en la siguiente expresión de par y velocidad, deducida para motores CC con excitación en derivación (tipo Shunt):. K2φ K K M = φ n ri ri Siendo K 1 y K 2 constantes que relacionan el flujo inducido φ con la intensidad de excitación I e y la f.e.m. inducida: E = K 1.n.φ φ= K 2.I e De la expresión anterior podemos actuar para la regulación de n mediante la variación de φ o de la tensión de alimentación. Para la regulación de velocidades por encima del régimen nominal se disminuirá el flujo de corriente inducido mediante resistencias variables conectadas en serie con la resistencia de excitación. Para régimen inferior al nominal, la regulación de velocidad se realiza mediante la variación de la tensión de alimentación. TEMA 7 Página 6 de 6