Máquinas de corriente continua. 1 Motor de corriente continua El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica. Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, paro y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos. La llegada de la electrónica ha supuesto que los motores de corriente alterna sean controlados de igual forma, sustituyendo a los de continua. A pesar de esto los motores de corriente continua se siguen utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, micro motores, etc.) La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga. Principio de funcionamiento Esquema del funcionamiento de un motor de c.c. elemental de dos polos con una sola bobina y dos delgas en el rotor. Se muestra el motor en tres posiciones del rotor desfasadas 90º entre sí. 1, 2: Escobillas; A, B: Delgas; a, b: Lados de la bobina conectados respectivamente a las delgas A y B. 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, con módulo F = B l I (F: Fuerza en newtons, I: Intensidad que recorre el conductor en A, l: Longitud del conductor en metros y B: Densidad de campo magnético en teslas). La cruz indica intensidad entrante (alejándose de observador), el punto saliente.
Máquinas de corriente continua. 2 Regla de la mano derecha: si colocamos el dedo anular en el sentido de las líneas de fuerza del campo magnético, el dedo índice en el sentido de la corriente, el dedo pulgar marcara el sentido de la fuerza que aparece sobre el conductor. Esa fuerza hace que el conductor se desplace, pero al estar fijo sobre un eje al que solo se le permite girar se produce un movimiento giratorio de velocidad angular Ω. Debido a las delgas, que captan la corriente mediante las escobillas que friccionan sobre ellas, cuando el conductor se sitúa enfrente de otro polo distinto, se produce un cambio de polaridad y el movimiento sigue en la misma dirección, produciéndose un giro completo. Partes de un motor de cc Estator. Es la parte que no gira del motor, comprende la carcasa y los polos inductores, junto con sus bobinados, así como las conexiones exteriores. Polos. Son los electroimanes que crean el campo magnético estático, siempre se encuentran en número par. En motores muy pequeños pueden sustituirse por imanes permanentes.
Máquinas de corriente continua. 3 Rotor. Es la parte que gira del motor, comprende los bobinados inducidos, las delgas, el eje, etc. Colector de delgas. Son el conjunto de delgas, separadas y aisladas entre s si y dispuestas en forma de anillo que están conectadas a cada una de las bobinas del rotor y les aportan corriente a través de las escobillas. Escobillas. Formadas de grafito, son las piezas estáticas que rozan sobre las delgas y les transmiten por contacto la energía eléctrica. Bobinado o devanado del inducido. Son las bobinas dispuestas en el rotor, que forman el campo magnético que produce el giro del motor, debido a las fuerzas electromagnéticas que se crean entre estas bobinas y las del estator. Otros elementos del motor son el eje, los cojinetes o rodamientos, el ventilador y la placa de conexiones o de bornes. Generador de corriente continua También llamado dinamo, el generador es en realidad la misma máquina que el motor eléctrico, salvo que si este último transforma energía eléctrica en mecánica, el generador produce energía eléctrica a partir de energía mecánica. Cuando un conductor está sometido a un campo magnético variable, se genera en él una corriente eléctrica. Si el campo magnético es constante pero es el conductor el que se desplaza dentro de él, se consigue el mismo efecto ya que la intensidad del campo que afecte al conductor será diferente en cada momento. La diferencia de potencial que se genera en un conductor de longitud l que se desplaza en un campo magnético de densidad de campo B, a una velocidad v, recibe el nombre de fuerza electromotriz, y viene determinada por la expresión: E = B l v E se mide en voltios
Máquinas de corriente continua. 4 BALANCES ENERGÉTICOS Perdidas mecánicas: Debidas al rozamiento y a la dedicada a la refrigeración (ventilador). Perdidas electro-magnéticas: Debidas a corrientes de Foucauld, al entrehierro y al ciclo de histéresis. Perdidas eléctricas: debidas al efecto Joule. Rendimiento de la máquina = energía útil / energía absorbida En general usaremos la expresión en porcentaje: η =
Máquinas de corriente continua. 5 Balance de potencias La fuerza electromotriz (E), también conocida por f.e.m., generada en el interior del generador responde a la siguiente ecuación: Donde: 2p es el número de polos de la máquina, siendo p el número de pares de polos. Z es el número de conductores activos por rama. es el flujo por polo. n es la velocidad en revoluciones por minuto (rpm) de la máquina. 2ª es un parámetro que depende del tipo de bobinado. Bobinado imbricado 2a=2p, bobinado ondulado 2a=2. La potencia interna de la máquina será por lo tanto P interna = E Ii (Ii= corriente por el inducido). Dado que la fuerza electromotriz es consecuencia directa de la transformación mecánica interna, se puede decir que P internab = M interno W Donde w es la velocidad angula en rad/s y M interno es el par interno que es el par aplicado en el eje menos las perdidas mecánicas. Por lo tanto: M interno =, siendo, n en rpm. tenemos que Fuerza contraelectromotriz (E ). En un motor, por el hecho de tener unos conductores girando dentro de un campo magnético, se genera en ellos una fuerza electromotriz, en este caso llamada contraelectromotriz, ya que es de polaridad opuesta a la tensión aplicada en bornes del motor (Vb). Por lo tanto en un motor tenemos que la potencia interna es: P interna = E Ii = M interno W Tanto la fuerza contraelectromotriz, como el par se obtienen con las mismas ecuaciones que en caso del generador.
Máquinas de corriente continua. 6 El balance de potencias en un motor y en un generado serían los expresados en el siguientes gráficos, donde Ii es la intensidad por el devanado inducido, Iex es la que circula por el inductor o de excitación, Rex es la resistencia del devanado de excitación o del estator, Ri es la resistencia del devanado del inducido o rotor. Vb es la tensión en bornes del motor o del generador y E y E son la fem y la fcem respectivamente en generador y motor. Conexión serie. El devanado del inductor se conecta en serie con el del inducido, para que haya poca caída de tensión en el devanado inductor, este, está constituido con un devanado de pocas espiras y de gran sección, dado que la intensidad que lo recorre es elevada se consigue una buena intensidad de campo en los polos de la máquina. En general un motor de corriente continua en excitación serie suele tener un buen par de arranque, pero puede tender a acelerarse en vacío. Para evitar intensidades elevadas durante el arranque se puede recurrir a un reóstato de arranque, cuya resistencia (Ra) se coloca en serie con el inducido y se va eliminando a medida que el motor adquiere velocidad.
Máquinas de corriente continua. 7 Del análisis del circuito se desprenden las siguientes ecuaciones: Vb = E + Ri Ii + Rex Iex Dado que en este tipo de motor solamente existe una intensidad, tenemos que: Vb = E + Ri It + Rex It O lo que es lo mismo: Vb = E + (Ri + Rex) It En este tipo de motor, la intensidad absorbida es en todo momento: Dado que E depende de la velocidad de giro, a bajas vueltas, es prácticamente cero. Por lo que en el momento del arranque la intensidad será muy elevada ya que hemos dicho que la resistencia de los devanados es baja. Conexión paralelo o derivación En este tipo de conexión el devanado del estator o de excitación se conecta en paralelo con el del inducido. El devanado de excitación tiene muchas vueltas y poca sección, para conseguir al mismo tiempo una gran resistencia y una buena intensidad de campo. Del circuito se desprende: Vb = E + Ri Ii También: Vb = Rex Iex La intensidad total vendrá dada por: It = Ii+Iex
Máquinas de corriente continua. 8 Este tipo de motor no se acelera en vacío ya que su intensidad de arranque nunca es muy elevada, ya que Iex es consatante. Por contrapartida es un motor que no posee el elevado par de arranque que tiene el de conexión serie. Conexión compound o compuesta. Se trata de la búsqueda del equilibrio entre ambos tipos de conexión por lo que se dividió el bobinado de excitación en dos partes, una de gran resistencia y muchas vueltas colocada en paralelo y otra de pocas vueltas y gran sección colocada en serie. tamaño como en presupuesto. En un principio esta conexión aporta mas estabilidad en el arranque, al mismo tiempo que se obtiene un buen par de arranque. El problema es que al tener doble bobinado en cada uno de los polos la maquina crece tanto en Del análisis del circuito se desprenden las siguientes ecuaciones: Vb = E + (Ri + Rex Serie) Ii O también: Vb = Rex Paral. Iex It = Ii + Iex
Máquinas de corriente continua. 9 GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA O DINAMOS Las posibles conexiones internas de una dinamo son las mismas que en el caso de los motores. En esos casos la corriente fluye desde dentro, siendo la f.e.m. superior a la tensión en bornes, ya que se produce una caída de tensión en los devanados. En función del tipo de conexión las ecuaciones son las siguientes: Generador serie Vb = E - Ri Ii - Rex Iex Vb = E - (Ri + Rex) It Conexión paralelo o derivación Del circuito se desprende: Vb = E - Ri Ii También: Vb = Rex Iex It = Ii-Iex Conexión compound o compuesta. Vb = E - (Ri + Rex Serie) Ii También: Vb = Rex Paral. Iex It = Ii - Iex
Máquinas de corriente continua. 10 EJERCICIOS MAQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA 1. Un motor derivación de 440V, 20A, 10Cv y 1500 rpm, tiene una resistencia de inducido de 0,2Ω y de excitación de 440Ω. Calcular funcionando a plena carga: a)f.c.e.m b)intensidad de arranque c)valor de la resistencia del reóstato de arranque que habría que colocar para que la intensidad de arranque no sea superior a dos veces la nominal. 2. Una dinamo tetrapolar de devanado imbricado y 400 conductores activos, gira a 1200 rpm. Calcular la fuerza electromotriz generada si el flujo útil por polo es de 0,03Wb. 3. Una dinamo serie de 5 Kw y 125V tiene una resistencia del inducido de 0,1 Ω y del devanado de excitación de 0,05Ω. Calcular la f.e.m. a plena carga. 4. Una dinamo serie suministra a una carga de 20Ω una intensidad de 10A, sabiendo que la resistencia del inducido es de 0,15Ω y la de excitación es de 0,05Ω. Calcular a)la tensión en bornes b)potencia útil c)valor de la f.e.m d) Potencia perdida por efecto Joule 5. Un motor con bobinado imbricado, tiene 700 conductores, gira a 800 rpm, el flujo por polo es de 0,09Wb y la intensidad por el inducido es de 216A. Calcular: a) fuerza contraelectromotriz b) Potencia interna c)par útil si consideramos despreciables las perdidas mecánicas. 6. Un motor serie de corriente continua de 20Cv, 230V, 900 rpm y un rendimiento del 84,2%, tiene una resistencia de inducido de 0,02Ω y de excitación de 0,05Ω. Calcular cuando función a plena carga: a) Intensidad que consume b) Valor de la f.e.m. c) Momento de rotación útil d)potencia interna e)potencia perdida por efecto Joule d)resistencia del reostato de arranque para que la intensidad de arranque no sea superior a 1,5 veces la nominal. 7. Un motor derivación tiene una resistencia de excitación de 600Ω y de inducido de 0,1Ω. En la placa de características figuran los siguientes datos: 600V, 100Cv, 138 A, 1200 rpm. Calcular para estos valores nominales: a)rendimiento a plena carga b) Intensidad de corriente de inducido c) valor de la f.c.e.m d) Potencia electromagnética (interna) e) Par útil f)intensidad de corriente por el inducido en el momento del arranque g) valor de la resistencia del reóstato de arranque que habría que colocar en serie con el inducido para que la intensidad de arranque no superes 1,5 veces la nominal. 8. Un motor compound de 25Cv, 240V, 89A, 600 rpm tiene una resistencia de inducido de 0,8Ω, de excitación serie de 0,02Ω y de excitación paralelo o derivación de 160Ω. Calcular: a)intensidad por el devanado de derivación. b)intensidad por el inducido c)rendimiento d)valor de la f.c.e.m e)par interno f)par útil.