Máquinas Eléctricas Rotativas ML 244 Máquinas Eléctricas Rotativas “Máquinas Eléctricas de Corriente Continua” Gregorio Aguilar Robles 07 de mayo de 2014
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Máquinas Eléctricas Rotativas ML 244
Máquinas Eléctricas Rotativas
“Máquinas Eléctricas de Corriente
Continua”
Gregorio Aguilar Robles
07 de mayo de 2014
Máquinas Eléctricas Rotativas ML 244
Máquinas Eléctricas de Corriente Continua
La primera máquina eléctrica que se empleó en aplicaciones de potencia fue
la máquina de corriente continua (DC) en la segunda mitad del Siglo XIX. La
razón de ello fue que, en un principio, no se pensó que la corriente alterna
tuviera las ventajas que hoy se le conocen, especialmente en la transmisión
de energía eléctrica a grandes distancias. De hecho los primeros sistemas de
potencia fueron sistemas de DC.
La máquina DC fue ideada por el belga Gramme alrededor de 1860 y
empleaba un enrollado de rotor especial (anillo de Gramme) para lograr la
conmutación o rectificación del voltaje alterno generado. Posteriormente, el
físico W. Siemens y otros, contribuyeron al desarrollo de estas máquinas
realizando mejoras en su construcción, hasta llegar a la máquina de DC que
se conoce hoy.
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Máquinas Eléctricas de Corriente Continua
Pese a las mejoras que
han sido desarrolladas en
su diseño, la máquina de
corriente continua es
constructivamente más
compleja que las
máquinas de corriente
alterna, el empleo de
escobillas, colector, etc.,
la hace comparativamente
menos robusta, requiere
mayor mantenimiento y
tiene un mayor volumen y
peso por kilo-watt de
potencia.
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Máquinas Eléctricas de Corriente Continua
No obstante lo anterior, la máquina DC tiene múltiples aplicaciones,
especialmente como motor, debido principalmente a que tiene:
- Amplio rango de velocidades, ajustables de modo continuo y controlables con
alta precisión.
- Característica de torque-velocidad variable.
- Rápida aceleración, desaceleración y cambio de sentido de giro, y
- Posibilidad de frenado regenerativo.
En el curso estudiaremos los principios de funcionamiento del generador y
motor DC, describiendo varios aspectos que afectan el desempeño de estas
máquinas, tales como, la característica de saturación del material
ferromagnético, los problemas de conmutación y las pérdidas en operación.
Además, trataremos las características más relevantes relativas a la
construcción de las máquinas DC y analizaremos en detalle el comportamiento
de generadores y motores para distintos tipos de conexión (serie, shunt,
compound y excitación independiente).
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VENTAJAS DE LAS MÁQUINAS DC CON RESPECTO A LAS MÁQUINAS DE
CORRIENTE ALTERNA (AC)
Aunque el precio de un motor DC es considerablemente mayor que el de un
motor de inducción de igual potencia, existe una tendencia creciente a
emplear motores DC en aplicaciones especiales.
La gran variedad de la velocidad, junto con su fácil control y la gran flexibilidad
de las características Par-Velocidad del motor DC, han hecho que en los
últimos años se emplee éste cada vez más con máquinas de velocidad
variable en las que se necesite amplio margen de velocidad y control fino de
las mismas.
Existe un creciente número de procesos industriales que requieren una
exactitud en su control o una gama de velocidades que no se puede
conseguir con motores de corriente alterna. El motor DC mantiene un
rendimiento alto en un amplio margen de velocidades, lo que junto con su alta
capacidad de sobrecarga lo hace más apropiado que el de corriente alterna
para muchas aplicaciones.
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APLICACIONES DE LAS MÁQUINAS DC
- Trenes de laminación reversibles. Los motores deben de soportar una alta carga.
Normalmente se utilizan varios motores que se acoplan en grupos de dos o tres.
- Trenes Konti. Son trenes de laminación en caliente con varios bastidores. En cada
uno se va reduciendo más la sección y la velocidad es cada vez mayor.
- Cizallas en trenes de laminación en caliente. Se utilizan motores en derivación.
- Industria del papel. Además de una multitud de máquinas que trabajan a velocidad
constante y, por lo tanto, se equipan con motores DC, existen accionamientos que
exigen par constante en un amplio margen de velocidades.
- Otras aplicaciones son las máquinas herramientas, máquinas extractoras, elevadores,
ferrocarriles.
- Los motores desmontables para papeleras, trefiladoras, control de tensión en
máquinas bobinadoras, velocidad constante de corte en tornos grandes.
- El motor DC se usa en grúas que requieran precisión de movimiento con carga
variable (cosa casi imposible de conseguir con motores de corriente alterna)
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Constitución de las Máquinas DC
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Estator
Rotor
La estructura física de la máquina de corriente continua (DC) consta de dos
partes: El Estator o parte estacionaria de la máquina y el Rotor o parte
giratoria.
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En las máquinas DC en el estator se ubica el bobinado de excitación (llamado
también bobinado inductor) y en el rotor el bobinado de la armadura (llamado
también bobinado del inducido). Ambos bobinados deben trabajar con
corriente continua. Para el caso del motor de DC se requiere dos fuentes de
corriente continua, posteriormente veremos que para determinados tipos de
motores DC, únicamente se requiere una sola fuente de energía DC.
Motor DC, mostrando los terminales de
la armadura.
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El Estator de una Máquina DC
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El Estator
Constituye la parte fija de la máquina. Su función
es suministrar el flujo magnético que será usado
por el bobinado del rotor para realizar su
movimiento giratorio.
Está formado por una corona de material
ferromagnético denominada culata o armazón
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
El Yugo es necesario para cerrar el circuito
magnético de la máquina, generalmente
constituido de hierro fundido o acero (suele ser
macizo).
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Los Polos de una Máquina DC, se ubican en el interior de la culata y están
fabricados de acero silicio laminado. Las láminas de polo no están aisladas entre
sí, debido a que el flujo no varía con el tiempo.
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Los Polos de una Máquina DC:
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Las Bobinas de Campo de los Polos de una Máquina DC, están arrolladas
sobre sobre los polos y el material empleado es el cobre, ya que entre los
materiales relativamente baratos el cobre (Cu), es el que posee la menor
resistividad; y, por lo tanto, menores pérdidas por efecto Joule.
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Los Interpolos de una Máquina DC (Solo para máquinas grandes 700, 800, 1 000 HP), están hechos de láminas de acero silicio y llevan un arrollamiento de alambre grueso. La finalidad de los interpolos es evitar la producción de chispas en el colector que pueden producirse cuando las bobinas del inducido son cortocircuitadas por las escobillas sobre el colector.
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Polo Interpolo
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Las Escobillas y Portaescobillas de una Máquina DC, todas las máquinas DC requieren de por lo menos 2 escobillas. Estas escobillas están constituidas de carbón o de cobre grafito y van alojados en los portaescobillas que están sujetos a un anillo que esta atornillado al yugo.
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Las Escobillas y Portaescobillas de una Máquina DC:
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Las Escobillas de carbón, como contacto deslizante, desempeñan un papel
importante en la transmisión de corriente de infinidad de máquinas eléctricas.
Su importancia reside en las características del carbono y del grafito en cuanto
a deslizamiento, conductividad eléctrica y térmica, y su comportamiento frente
a las elevadas temperaturas.
Grafito de Dinamarca, España y Mozambique Escobilla de Cobre - Grafito
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El Rotor
Está conformado por el Inducido y el
colector de delgas o conmutador.
El inducido se construye con discos de
chapa de acero al silicio
convenientemente ranurado para alojar
en él el correspondiente devanado.
Está 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.
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Ranuras del Rotor de una Máquina DC
Ranuras abierta (a)
Semicerradas (b, y c)
Las ranuras abiertas tienen sus flancos paralelos, por lo que dan lugar a dientes
trapeciales. Este ranurado permite preparar el bobinado totalmente acabado en una
bobinadora e introducir luego las bobinas enteras en las ranuras. A continuación estas
se cierran mediante cunas aislantes.
Las ranuras semicerradas se comunican con el entrehierro por medio de una estrecha
abertura. En maquinas pequeñas si fueran de flancos paralelos darían lugar en el rotor
a dientes con una base demasiado estrecha que los haría mecánicamente débiles. Para
evitarlo las ranuras se redondean en sus zonas inferior y superior. En estas ranuras el
devanado se coloca haciendo pasar los hilos uno por uno a través de la garganta de la
entrada. Aquí, al igual que en las ranuras abiertas, una cuna de material aislante sirve
de cierre de la abertura de la ranura.
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El hierro del inducido
(armadura) debe
estar laminado y las
chapas aisladas entre
sí, de otra manera el
flujo del polo induce
una fuerza
electromotriz en el
hierro (como los hace
en los conductores)
que producirá
elevadas corrientes
parásitas y las
correspondientes
pérdidas.
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Las ranuras y los conductores del inducido (armadura) generalmente se colocan paralelo al eje del mismo, pero a veces son oblícuos con el eje formando un pequeño ángulo, esto se hace para reducir el ruido que se produce en la maquina en la superficie del hierro.
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Colector de Delgas o
Conmutador
El colector de delgas, esta
formado por un conjunto de
laminas (delgas) montadas sobre
el cilindro, aisladas entre sí, que
permite la conexión eléctrica de
los bobinados a través de las
escobillas con la fuente de
alimentación exterior.
La finalidad del colector es hacer
que la máquina funcione, con
respecto a un circuito externo,
como si produjese una tensión
constante.
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Colector de Delgas o Conmutador
En un colector existe un roce mecánico entre las escobillas y las delgas que
produce un desgaste de sus piezas. Es mas fácil reemplazar las escobillas
que cambiar el colector, por lo que interesa que las piezas sometidas a
mayor desgaste sean aquellas y no este. Es por esta razón que las
escobillas se fabrican con un material mas blando (grafito) que las delgas
(cobre).
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Conmutador y Delgas
Delga
Conmutador
Aislamiento
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Delga de un Colector
Delga
1: Superficie de
contacto con las
escobillas.
2: Talón para la
conexión a las
bobinas.
3: Cola de
milano.
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Esquema de conexión entre el bobinado, colector y escobillas
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Máquina de Corriente Continua
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Máquina de Corriente Continua
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