Resumen Tema 6 Máquinas Eléctricas de Corriente Continua

Máquinas eléctricas de corriente continua ========================================= 1. Clasificación y principio de funcionamiento ---------------------------------------------- Existen dos tipos de máquinas eléctricas que se diferencian claramente, están, por un lado, las estáticas y, por otro, l...

Máquinas eléctricas de corriente continua ========================================= 1. Clasificación y principio de funcionamiento ---------------------------------------------- Existen dos tipos de máquinas eléctricas que se diferencian claramente, están, por un lado, las estáticas y, por otro, las dinámicas o rotativas. Las estáticas hacen referencia a los transformadores, mientras que las rotativas se refieren a los generadores y motores de C.C. y corriente alterna. ### 1.1. Clasificación de las máquinas eléctricas rotativas de C.C. La clasificación de las máquinas eléctricas rotativas de corriente continua (C.C.) se basa en su función de conversión de energía. Si convierten energía eléctrica en mecánica, se consideran motores; si transforman energía mecánica en eléctrica, son generadores. Este proceso se rige por el principio de conservación de la energía, que establece que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Además, esta clasificación puede detallarse más, considerando aspectos como el tipo de corriente eléctrica utilizada o el número de fases. ### 1.2. Principio de funcionamiento Según los principios de la inducción electromagnética, al circular corriente eléctrica por una bobina, se genera un campo magnético con polaridades opuestas. Si este campo se alinea con el campo inductor, se produce un par de fuerzas que hace girar la bobina, actuando la máquina como un motor eléctrico. La conmutación, a través del colector y sus delgas, asegura que la corriente se mantenga en el mismo lado del campo, permitiendo la rotación continua. En contraste, si la bobina se mueve dentro de un campo magnético, se genera una fuerza electromotriz, convirtiendo la energía mecánica en eléctrica y funcionando como un generador. Un ejemplo de esto son los aerogeneradores, que transforman la energía mecánica de las aspas en energía eléctrica. 2. Constitución de máquinas eléctricas rotativas de C.C. -------------------------------------------------------- Una máquina de corriente continua, como toda máquina eléctrica, se compone de un circuito magnético y dos eléctricos. El circuito magnético de la máquina está compuesto por dos partes: una parte fija, alojada en el estator, y otra móvil, ubicada en el rotor. La parte fija se forma mediante masas o piezas polares que se fijan a la carcasa o culata para cerrar el circuito magnético. El número de polos de la máquina determina el número de piezas polares que se utilizan. El circuito rotativo está compuesto por una armadura cilíndrica de chapa magnética ranurada axialmente que se sitúa en el rotor. El eje de la máquina pasa por el centro de la armadura, donde se encuentran los rodamientos y el colector de delgas. El circuito eléctrico de la máquina se divide en dos partes: el inductor y el inducido. ### 2.1. Inductor El inductor, ubicado en el estator, es un electroimán que puede tener polos bipolares (dos polos) o multipolares (varios pares de polos). También conocido como devanado de excitación, su función es generar un campo magnético estacionario esencial para el funcionamiento del motor. Al aplicar corriente eléctrica al inductor, se crea un campo magnético que provoca la rotación del rotor dentro del estator. En algunos motores, como los de reluctancia conmutada, el estator no tiene un inductor fijo, sino que está compuesto por dientes salientes y ranuras que producen un campo magnético variable al aplicar corriente a los devanados. ### 2.2. Inducido El inducido es la parte móvil del rotor que gira en la máquina y está formado por un cilindro de núcleo magnético compuesto de láminas apiladas. Su función principal es minimizar las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas. En las ranuras del núcleo se encuentran los bobinados del inducido, hechos de conductores de cobre esmaltados. El núcleo está fijado a un eje que se desliza en cojinetes, permitiendo que el inducido gire entre las piezas polares del inductor. Las múltiples bobinas en el núcleo magnético buscan generar una fuerza electromotriz uniforme y continua, además de equilibrar las masas del rotor para evitar el desgaste en los cojinetes. ### 2.3. Elemento de conmutación El elemento de conmutación es crucial en las máquinas eléctricas, ya que conecta el circuito exterior con los devanados del inducido, permitiendo la entrega de energía en modo generador o su obtención en modo motor. Este componente es el que más se deteriora debido al funcionamiento de la máquina. Entre sus partes se encuentran: - **Colector**: Compuesto por láminas de cobre electrolítico, conecta los circuitos del inducido y está aislado por mica. - **Escobillas**: Generalmente de grafito, establecen la conexión eléctrica con el inducido a través del colector. - **Portaescobillas**: Mantienen la presión de las escobillas sobre el colector mediante muelles o resortes. ### 2.4. Placa de bornes Es una placa de material aislante en la que se disponen tornillos o elementos de fijación donde irán las terminaciones de los circuitos de las máquinas. La disposición entre tornillos y bornes está normalizada. 3. Sistemas de excitación ------------------------- El sistema inductor es fundamental para generar el campo magnético necesario para producir corrientes inducidas. Este campo puede ser creado mediante imanes permanentes o electroimanes alimentados por corriente continua. Sin embargo, los imanes permanentes, que ofrecen un campo magnético de baja potencia y poco constante, son más adecuados para dinamos pequeñas, como las de bicicletas, y no son viables para aplicaciones industriales.. Para obtener un campo magnético de excitación elevado y regulable, se utilizan bobinas inductoras que rodean las piezas polares y se alimentan con corriente continua. Estas bobinas se dividen en dos tipos: el bobinado inductor principal, que genera la fuerza electromotriz (f.e.m.) en el inducido, y el secundario, que mejora el funcionamiento de la máquina. Las bobinas se construyen por separado, y su diseño debe permitir que, al ser recorridas por una corriente de excitación, produzcan el flujo magnético necesario. Las máquinas de corriente continua (C.C.) se clasifican según su sistema de excitación: - **Excitación independiente**: La corriente es suministrada por una fuente externa y puede regularse. - **Autoexcitación (serie)**: La corriente generada por el inducido alimenta las bobinas inductoras. - **Autoexcitación (derivación o shunt)**: Un devanado inductor en paralelo con el inducido permite que parte de la corriente genere un campo magnético adicional. - **Autoexcitación (compuesta o compound)**: Combina circuitos en serie y shunt, aprovechando las características de ambos. 4. Bobinados de las máquinas eléctricas de C.C. ----------------------------------------------- La fuerza electromotriz generada en un bobinado inducido depende del número de hilos activos que están dispuestos paralelamente al eje de rotación de las bobinas. Los bobinados pueden ser en anillo o en tambor; sin embargo, los bobinados en anillo son poco utilizados debido a su complejidad de construcción y al ineficiente uso del cobre. En cambio, los bobinados en tambor son más comunes debido a sus múltiples ventajas. La fórmula que describe la fuerza electromotriz es F = 1,25 × i × Ns, donde \"i\" es la corriente y \"Ns\" el número de espiras. Entre estas ventajas, destacan: Cada bobina muestra dos haces o lados activos. Aprovecha al máximo posible el cobre. Menor resistencia óhmica. Mayor rendimiento por las menores pérdidas de calor. ### 4.1. Bobinado de una y dos capas por ranura Los bobinados en tambor pueden ser de una o dos capas por ranura. Esto depende de si hay uno o dos lados activos de bobinas diferentes en una misma ranura. En los de dos capas, se llama inferior a la situada en el fondo y superior a la que se encuentra junto al entrehierro. Las máquinas de C.C. se bobinan en dos capas ### 4.2. Bobinados cerrados Se caracteriza por tener el conjunto de las bobinas formando uno o varios circuitos cerrados. Es el bobinado comúnmente utilizado en las máquinas de corriente continua, las cuales requieren la colocación de un colector de delgas sobre el cual frotan las escobillas. Es importante mantener la continuidad en el bobinado para el correcto funcionamiento de la máquina. ### 4.3. Condiciones del bobinado inducido de C.C. Se construyen en tambor, en dos capas, habitualmente, debiendo cumplir las siguientes condiciones: Deben ser cerrados. Las f.e.m. generadas en los distintos circuitos paralelos deben ser iguales. La resistencia óhmica de cada circuito paralelo también debe ser igual. Se requiere que número de vueltas y longitud en las bobinas sea idéntico para poder cumplir los puntos anteriores. ### 4.4. Otros tipos de bobinado Existen varios tipos de bobinados en máquinas de corriente continua: 1. **Bobinado imbricado simple**: Este tipo se caracteriza por tener partes conectadas de manera secuencial y con un espaciado uniforme. El final de cada sección se une al principio de la siguiente, pudiendo ser a la izquierda (bobinado regresivo) o a la derecha (bobinado progresivo). Esto afecta la polaridad de las escobillas y puede causar que la máquina se descebe si se invierte la corriente. 2. **Bobinado imbricado múltiple**: Es esencial para máquinas de alta potencia, donde la corriente en cada rama no debe exceder los 400-500 amperios. Este tipo de bobinado permite dar varias vueltas alrededor del núcleo de la armadura, siendo el bobinado doble el más comúnmente utilizado. 3. **Bobinado ondulado serie**: En este diseño, se avanza por ambas caras del bobinado. Se requiere recorrer un número de secciones igual al de pares de polos antes de completar una vuelta. Al finalizar la primera vuelta, se puede cambiar a la ranura adyacente, clasificándose como simple o en serie. Estos bobinados también pueden ser cruzados o sin cruzar, similar a los imbricados 5. Valores característicos de los motores de C.C. ------------------------------------------------- El motor de corriente continua (C.C.) comparte una estructura similar con el generador de C.C. y es una máquina reversible, lo que le permite funcionar tanto como motor como generador. Al aplicar corriente a los conductores del inducido, se genera un par motor en el rotor, lo que permite que el motor arranque y alcance sus revoluciones nominales. La cantidad de corriente que fluye a través del inducido está influenciada principalmente por la fuerza contraelectromotriz generada en el mismo. Fuerza contraelectromotriz: Esta fuerza produce un efecto de limitación de la corriente del inducido y se calcula exactamente igual que el de una dinamo. Corriente del inducido: La corriente que absorbe el motor depende del trabajo mecánico que tiene que realizar. I i = corriente del inducido (A); UL = Tensión de línea aplicada al inducido (V); E=f.c.e.m. (V); 2Ue = caída de tensión de las escobillas (V); ri =resistencia del inducido (Ω). Corriente absorbida en el arranque: En el primer momento de arranque de un motor, el rotor está parado y la f.c.e.m. es nula. La corriente solo se limita por la pequeña caída de tensión de las escobillas y por la resistencia del inductor. Rendimiento de un motor eléctrico Pp = potencia perdida en el motor; P=potencia eléctrica activa tomada de la red eléctrica; Pu = potencia útil que el motor va a desarrollar en su eje. Par motor: Es directamente proporcional tanto a la corriente que fluye por el devanado del inducido como al flujo del campo magnético producido por el inductor. M = Par en newtons\*metro (Nm); F = Fuerza en newtons (N); r = Radio en metros (m). Velocidad de giro 6. Curvas características de las máquinas eléctricas de C.C. ------------------------------------------------------------ Las características de operación de los motores de corriente continua (C.C.) se pueden obtener mediante curvas que muestran la relación entre la velocidad y el par electromagnético con respecto a la corriente en el inducido, mientras que la tensión permanece constante. Para representar estas curvas gráficamente, se pueden utilizar las fórmulas del par y la de la velocidad para los diferentes tipos de excitación que poseen los motores de C.C. Par electromagnético g Velocidad g Para el caso de un motor en derivación, la tensión en bornes ( ) y la corriente de excitación ( ) son constantes, al igual que el flujo. Par motor g Velocidad g Estos motores poseen la velocidad regulable. En los motores de corriente continua (C.C.) en serie, las curvas características del par y la velocidad se obtienen manteniendo constante la tensión en bornes. A medida que aumenta la corriente de carga, también lo hace el flujo de excitación, ya que la corriente en el inducido es igual a la corriente de excitación. El par electromagnético generado es directamente proporcional a la corriente de carga, lo que significa que un aumento en la carga incrementa el par. Las curvas características se pueden calcular mediante expresiones matemáticas relacionadas con el par y la velocidad del motor. Si la carga disminuye, el flujo también disminuye, lo que obliga al motor a aumentar su velocidad para mantener la fuerza contraelectromotriz necesaria. Sin embargo, una reducción en la intensidad de carga puede provocar un aumento rápido de la velocidad, lo que podría causar daños irreversibles en el motor.