Máquina de corriente directa
Definición:
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.
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
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.
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.
Excitación en motores y generadores de CD
A continuación se listan los distintos tipos de excitación:
- Generador con excitación independiente
- Generador con excitación en paralelo (shunt)
- Generador con excitación compound
- Generador con excitación en serie
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:
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.
Generador con excitación independiente
En este tipo de generador, la tensión en los bornes es casi independiente de la carga de la máquina y de su velocidad, ya que la tensión se puede regular por medio del reóstato de campo, aunque naturalmente, dentro de ciertos límites, porque la excitación del campo inductor no puede aumentar más allá de lo que permite la saturación.
En la figura se representa el esquema de conexiones completo de un generador de corriente continua con excitación independiente; se supone que el sentido de giro de la máquina es a derechas lo que, por otro lado, es el que corresponde a casi todas las máquinas motrices. Si hubiere que cambiar el sentido de giro, bastará con cambiar, las conexiones del circuito principal.
Generador con excitación en paralelo
El generador con excitación shunt suministra energía eléctrica a una tensión aproximadamente constante, cualquiera que sea la carga, aunque no tan constante como en el caso del 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 está 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 línea puede producir graves averías en la máquina al no existir éste efecto de desexcitación automática.
Respecto a los generadores de excitación independiente, 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 simplemente hay que 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 de la normal.
Cuando se dispone permanentemente de tensión en las barras especiales generales, muchas veces se prefiere tomar la corriente de excitación de éstas barras y no de las escobillas del generador, es decir, 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 pone en marcha la máquina motriz, aumentando paulatinamente su velocidad hasta que éste 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 resistencias.
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 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 los bornes de la máquina sea igual a la tensión de la red.
Conviene atender a que las baterías de acumuladores no descarguen sobre la máquina, para lo cual es conveniente que el circuito del generador esté provisto de un interruptor de mínima tensión, que debe montarse tal como se indica en la siguiente figura.
Cuando se necesite detener 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 detiene la máquina motriz. Por efecto de la inercia, el gobernador seguirá girando durante algún tiempo y se desexcitará gradualmente; si hubiera 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 se recomiendan cuando no haya cambios frecuentes y considerables de carga o bien cuando haya elementos compensadores, tales como generadores auxiliares, baterías de acumuladores, entre otros.
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 flecha de línea continua, y atraviesa la batería desde el polo positivo al polo negativo. Si por una causa accidental (por ejemplo, una pérdida de velocidad en el generador), disminuye la tensión de la máquina y queda inferior a la de la batería, la corriente suministrada por la batería, atraviesa la máquina en sentido opuesto, 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, y continúa girando en el mismo sentido que tenía antes, cuando funcionaba como generador. De lo dicho, puede deducirse fácilmente, que el generador shunt puede acoplarse en paralelo sin peligro con otros generadores, aún en el 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 descalado de las escobillas.
Generador con exitación compound
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 aumente la carga. Eligiendo convenientemente ambos arrollamientos puede conseguirse que se equilibren sus efectos siendo la acción conjunta una tensión constante cualquiera que sea la carga. Incluso, se puede 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, de que no disminuye su tensión con la carga, y, además, que puede excitarse aunque no esté acoplado al circuito exterior, tal como vimos que sucedía en 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 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.
En la Figura 9 se expresan las conexiones completas de un generador compound. Las maniobras relativas a la puesta en marcha, parada y regulación de un generador compound, son idénticas a las estudiadas para un generador shunt.
Un generador compound no puede utilizarse para cargar baterías de acumuladores.
En la Figura se observa que si la contra tensión 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 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 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.
Generador con excitación en serie
El devanado inductor se conecta en serie con el inducido, de tal forma que toda la corriente que el generador suministra a la carga fluye por igual por ambos devanados.
Dado que la corriente que atraviesa al devanado inductor es elevada, se construye con pocas espiras de gran sección.
Tiene el inconveniente de no excitarse al trabajar en vacío. Así mismo se muestra muy inestable por aumentar la tensión en bornes al hacerlo la carga, por lo que resulta poco útil para la generación de energía eléctrica.
Para la puesta en marcha es necesario que el circuito exterior esté cerrado.
La excitación de un generador en serie se lleva a cabo cuando los devanados de excitación y del inducido se conectan en serie y, por lo tanto la corriente que atraviesa el inducido en este tipo de generador es la misma que la que atraviesa la excitación. Este último devanado, está constituido por pocas espiras con hilo conductor de gran sección, pues la f.e.m. necesaria para producir el campo principal se consigue con fuertes corrientes y pocas espiras.
