Generadores Electromágneticos de C.C. Las Dinamos PDF

Generadores Electromágneticos de C.C. Las Dinamos InlrDíJaoriÉPi En la actualidad, la generación de C.C. se realiza mediante pilas y acumuladores o se obtiene...

Generadores Electromágneticos de C.C. Las Dinamos InlrDíJaoriÉPi En la actualidad, la generación de C.C. se realiza mediante pilas y acumuladores o se obtiene de la conversión de C.A. a C.C. mediante los puentes rectificadores. El uso de la dinamo para la pro­ ducción de energía en forma de C. C. se estuvo utilizando hasta la llegada de los alternadores, que con el tiempo la han dejado totalmente desplazada. Hoy en día únicamente se utilizan las dinamos para aplicaciones específicas, como por ejemplo, para medir las velocidad de rotación de un eje (tacodinamos), ya que la tensión que presentan en los bornes de salida es proporcional a la veloci­ dad de la misma. Se puede decir que una dinamo es una máquina eléctrica rotativa que produce energía eléctrica en forma de corriente continua aprovechando el fenómeno de inducción electromagnética. Esta máquina consta fundamentalmente de un electroimán encargado de crear un campo magnético fijo conocido por el nombre de inductor, y un cilindro donde se enrrollan bobinas de cobre, que se hacen girar a una cierta velocidad cortando el flujo inductor, que se conoce como inducido. > Principio de funcionamiento de una dinamo. ;> Constitución de una dinamo. ;> Reacción del inducido. > Polos de conmutación y de devanado de compensación. > Dinamos de excitación independiente. y Dinamos autoexcitadas. Ensayos y curvas características de las dinamos. Describir el funcionamiento de la dinamo. Seleccionar las características de un dinamo para una determinada aplicación práctica. Analizar el funcionamiento de una dinamo en función de su tipo de excitación. Describir los tipos de ensayos fundamentales y normalizados que se deben realizar con las dinamos, identificando las magnitudes que se deben medir y explicando las curvas características que relacionan dichas magnitudes. ! i 19.1 Producción de corriente alterna en una espira que gira en el seno de un campo magnético Cuando hacemos girar una espira rectangular una vuelta completa entre las masas polares de un electroimán inductor (véase Figura 19.1), los conductores a y b del inducido cortan en su movimiento el campo magnético fijo y en ellos se indu- ce una f.e.m. inducida cuyo valor y sentido varía en cada ins­ tante con la posición. Figura 19.2. Colector de delgas de una dinamo. Figura 19.1. Alternador elemental. Cada uno de los terminales de la espira se conecta a un ani­ llo metálico conductor, donde dos escobillas de grafito reco­ gen la comente inducida y la suministran al circuito exterior. Figura 19.3. El sentido de la corriente permanece constante en la salida Para determinar el sentido de la corriente inducida, en cada de la espira gracias al colector de delgas. posición de los conductores, de la espira se aplica la regla de los tres dedos de la mano derecha, pudiéndose comprobar cómo se obtiene a la salida una tensión alterna senoidal. En la posición de la Figura 19.3 a, la corriente inducida en los conductores a y b posee el sentido que se indica con las 19.2 Rectificación de la corriente flechas. El semianillo 1 está en contacto con la escobilla A, y el semianillo 2 con la escobilla B. mediante el colector de delgas Al girar la espira hasta la posición de la Figura 19.3 b, la Dado que lo que deseamos es obtener corriente continua en corriente inducida en los conductores a y b ha cambiado de la salida del generador, necesitamos incorporar un dispositivo sentido, tal como se indica con las flechas, pero como el que convierta la C.A. generada en C.C. Esto se consigue semianillo 1 está ahora en contacto con la escobilla B y mediante el colector de delgas. el semianillo 2 queda en contacto con la escobilla A, el senti­ do de la corriente no cambia en los conductores A y B que Si, tal como se muestra en la Figura 19.2, conectamos los dos extremos de la espira, no ya en los dos anillos colectores, suministran energía a la carga. sino en dos semianillos conductores aislados uno del otro, En resumen, la corriente que fluye por la espira es alterna, sobre los que ponemos en contacto dos escobillas que recojan pero el colector formado por los semianillos aislados consi­ la corriente, conseguiremos obtener a la salida C.C. guen rectificar la corriente y convertirla en continua. Cuando la espira gira, la corriente inducida cambia de sen­ tido en una determinada posición. Si observamos atentamen­ Con una sola espira y dos anillos colectores conseguimos te en la Figura 19.3 las dos posiciones de la espira, ésta es una corriente continua similar a la obtenida en un puente solidaria a los dos semianillos 1 y 2 que giran con ella. Sin rectificador de onda completa, tal como se muestra en la embargo, las escobillas A y B son fijas. Figura 19.4.  19.3 Constitución de una dinamo Las partes fundamentales de una dinamo son el inductor, el inducido, y el colector. Inductor. El inductor es fijo y se sitúa en el estator (parte estática o sin movimiento de la máquina). Está formado por un electroimán de dos polos magnéticos en las máquinas bipolares (Figura 19.7), o de varios pares de polos en las mul- tipolares. Figura 19.4. Aspecto de la corriente continua que se presenta a ia salida del colector, Esta corriente continua presenta muchas variaciones, o lo que es lo mismo, un rizado excesivo e indeseable. Si incluyé­ semos en el inducido una segunda espira situada a 90° de la primera y conectada a otros dos nuevos semianillos o delgas, obtendríamos una corriente en la salida de la dinamo como la representada en la Figura 19.5, que como se puede comprobar posee un rizado menor que en el caso de una sola espira (la corriente ya no llega a descender a cero). En este caso el Figura 19.7. Inductor de una dinamo. colector constaría de cuatro delgas. El bobinado y las piezas polares de hierro dulce del elec­ troimán están rodeados por una carcasa o culata de fundición o de acero moldeado que sirve de soporte a la máquina y per­ mite el cierre del circuito magnético (véase Figura 19.13). El inducido. El inducido es móvil y se sitúa el rotor (parte que se mueve en sentido giratorio de la máquina). Está com­ puesto de un núcleo magnético en forma de cilindro y cons­ tituido por chapas magnéticas apiladas, con el fin de evitar las pérdida por histéresis y comentes parásitas, donde se bobinan las espiras con conductores de cobre esmaltados, tal como se muestra en la Figura 19.8. El núcleo de chapas dis­ pone de una serie de ranuras donde se alojan los bobinados del inducido. Figura 19.5. Corriente de salida de una dinamo con cuatro delgas. Si incluimos en el inducido cuatro espiras con ocho delgas obtenemos una comente de salida todavía mucho más lineal, como la representada en la Figura 19.6. En la práctica, cuan­ do se desea obtener una tensión continua lo más rectilínea posible, se construyen dinamos con un número considerable de espiras y delgas. Figura 19.8. Inducido de una dinamo, El núcleo queda fijado a un eje, cuyos extremos se deslizan apoyados en cojinetes fijos a la carcasa. De esta forma el inducido se sustenta entre las piezas polares del inductor, pudiendo ser impulsado en un movimiento de rotación rápido. El colector. En el eje del inducido se fija el colector de del­ gas formado por láminas de cobre electrolítico con el fin de poderle conectar los diferentes circuitos del inducido. Las del­ gas se aíslan del eje y entre sí por hojas de mica (Figura 19.9),  Figura 19.9, Colector de delgas. La comente se recoge en el colector con la ayuda de dos o varios contactos deslizantes de grafito o de carbón puro, lla­ mados escobillas (Figura 19.10). Figura 19.12. Circuito magnético de una dinamo. Es importante hacer notar que las líneas de fuerza deben transcurrir por un pequeño espacio no ferromagnético exis­ tente entre las piezas polares y el entrehierro. Nos referimos al entrehieiTo formado por aire. Dado que las líneas de fuerza se establecen muy mal por el entrehierro, se intenta reducir al máximo su tamaño, procurando que esto no impida que el rotor pueda girar libremente y sin fricciones. Figura 19.10. Escobillas. Cada escobilla se monta en un portaescobillas, que asegura la presión de la misma contra el colector mediante muelles (Figura 19.11). Dé las escobillas parten los conductores que se conectan a la placa de bomas de la dinamo, de donde se conec­ tarán al circuito exterior. Dada la fricción a la que se somete a las escobillas, se produce un desgaste progresivo de las mismas que limita su vida útil, teniendo que reponerlas cada ciertos períodos de tiempo. E = fuerza electromotriz (V) (f> = flujo por polo (Wb) n = n° de conductores del inducido N = velocidad de giro del inducido ( r.p.m.) Figura 19.11. Portaescobillas. a = pares de circuitos del inducido p = pares de polos Como los términos n, p y c son constantes para una máqui­ na de C.C., tenemos que: 19.4 Circuito magnético de una dinamo En la Figura 19.12 se ha representado el circuito recomido por las líneas de fuerza del campo magnético inductor. Estas se cierran a iravés de las piezas polares del electroimán, el Eli jUÉrZCt elsctWrTlOtt'li, 6S dii'&Ctttní&nt6 pWpOi'CiOnül (il inducido y la carcasa o culata de la dinamo. flujo inductor y al número de revoluciones de la dinamo.  determinada. Para una corriente mayor o menor, la desviación 19.6 Reacción del inducido de la escobillas también tendría que ser diferente. Cuando los conductores del inducido son recorridos por una corriente eléctrica, producen un campo magnético cuya dirección y sentido se obtiene aplicando la regla del sacacor­ chos. La dirección de este campo transversal de reacción adquiere la misma dirección que el eje de las escobillas, con lo que resulta ser perpendicular al campo principal producido por los polos inductores (Figura 19.13). Figura 19.13. Flujo transversal generado por los conductores del inducido. Figura 19.15. Desviación de las escobillas para reducir el efecto de la reacción del inducido. El campo transversal debido a la reacción del inducido se suma vectorialmente al principal, dando como fruto un campo magnético resultante que queda desviado de la posición origi­ nal (Figura 19.14). Esta desviación del campo inductor pro­ Los polos de conmutación se disponen en la culata del duce una serie de problemas cuando las escobillas conmutan generador de tal forma que produzcan un campo magnético de una delga a otra en el colector, dando como resultado chis­ transversal del mismo valor y de sentido contrarío al flujo pas que perjudican notablemente el funcionamiento de la transversal de reacción del inducido (Figura 19.16). Para que máquina. esto sea así, los polos de conmutación se conectan en serie con el inducido para que la corriente que pasa por ellos sea igual que la del inducido. / De esta forma, cuando crece el campo transversal de reac­ ción del inducido por un aumento de corriente, también lo hace el flujo de compensación producido por los polos de conmutación. En este caso siempre se consigue eliminar con efectividad el campo magnético de reacción del inducido. Figura 19.14, Desviación del campo magnético inductor provocada por la reacción del inducido. Existen dos posibilidades para evitar los efectos perjudi­ ciales de la reacción del inducido: desviar las escobillas o dis­ poner de polos auxiliares de conmutación: La desviación de las escobillas debe hacerse en el mismo sentido de giro de la dinamo hasta que el eje de las mismas coincida con la perpendicular al campo resultante (Figura 19.15). El inconveniente que conlleva este sistema es que, al ser el valor del campo transversal de reacción del inducido dependiente de la corriente que absorba el inducido, la des­ Figura 19.16. Polos de conmutación para eliminar el campo viación de la escobillas será la adecuada para una corriente transversal del inducido.  Los terminales A y B se corresponden con los del circuito 19.7 D e van a d o de com p ensación del inducido y los terminales K e I con los del devanado del inductor. En las máquinas de gran potencia, aparte de los polos de conmutación, se coloca en las ranuras de los polos principales un devanado compensador, cuya misión es eliminar las dis­ torsiones del campo magnético principal originados por el flujo transversal. Este devanado se conecta en serie con el de conmutación y el inducido (Figura 19.17). Figura 19.18. Esquema de conexiones de dinamo con excitación independiente. Figura 19.17. Devanado de compensación. 19.8 Excitación de los inductores El campo magnético necesario para que una dinamo pueda funcionar se puede producir de dos formas claramente dife­ Figura 19.19. Características en carga de una dinamo con renciadas: mediante un imán permanente o mediante electroi­ excitación independiente. manes alimentados por comente continua. Dado que los imanes permanentes producen un campo En la Figura 19.19 se muestra la característica en carga de magnético no muy intenso y constante (sin posibilidad de una dinamo con excitación independiente para una velocidad regulación) su uso se hace interesante para pequeñas dinamos determinada y constante. Aquí se puede comprobar que la ten­ como, por ejemplo, dinamos taquimétricas, magnetos, etc. sión que proporciona la dinamo a la carga disminuye al Cuando se desea la obtención de un campo magnético de aumentar la intensidad de carga. Esto se debe fundamentale- excitación elevado y con posibilidad de regulación se recurre mente a que la caída de tensión que se produce en la resisten­ a bobinas inductoras que rodean las piezas polares y que son cia interna del inducido aumenta proporcionalmente a la alimentados por una corriente continua intensidad. En la característica de la Figura 19.19 se han incluido dos curvas; se puede comprobar que al disminuir la Dependiendo de cómo se obtenga la energía eléctrica nece­ corriente de excitación del inductor se consigue reducir tam­ saria para alimentar el circuito inductor de una dinamo y de bién la tensión de salida de la dinamo. cómo se conecten surgen diferentes tipos de excitación. La dinamo de excitación independiente posee el inconve­ Dinamos de excitación independiente. niente de que necesita de una fuente de alimentación de C.C. : Dinamos autoexcitadas. para la alimentación del inductor; sin embargo la independen­ cia entre la corriente de excitación y la tensión en bornes del inducido la hacen interesante para ciertas aplicaciones. 19.8.1 Dinamos de excitación independiente 19.18.2 Dinamos autoexcitadas La comente de excitación con la que se alimenta a las En la práctica resulta más interesante conseguir que el bobinas inductoras se proporciona mediante una fuente de propio generador produzca la energía necesaria para la ali­ energía exterior de C.C., como por ejemplo una batería de mentación del circuito inductor. Esto presenta un problema, acumuladores o una fuente de alimentación (Figura 19.18). que es cómo conseguimos que la dinamo comience a produ­ cir f.e.m. si inicialmente no existe campo magnético en el En la Figura 19.21 se muestra la curva característica de una inductor. Este problema se solventa fácilmente gracias al dinamo en derivación o shunt en carga. Aquí se puede obser­ pequeño magnetismo remanente que poseen los núcleos var que la tensión que proporciona el generador a la carga se magnéticos de las piezas polares. reduce más drásticamente con los aumentos de la corriente de carga que en la dinamo con excitación independiente. Esto es Efectivamente, cuando un material magnético es sometido debido a que al aumentar la caída de tensión en el inducido a una imantación, aunque retiremos la causa imanadora, con la carga, se produce una disminución de la tensión en bor­ dicho material siempre queda algo magnetizado, dependien­ nes, que provoca, a su vez, una reducción de la corriente de do de la intensidad del magnetismo remanente del material excitación. Esto hace que la f.e.m. inducida se vea reducida, utilizado. De esta forma, si conectamos el circuito del indu­ pudiéndose llegar a perder la excitación total de la dinamo cido con el del inductor, por ejemplo, en paralelo con el para corrientes de carga muy elevadas. inductor, al girar el inducido a su velocidad nominal, los con­ ductores del mismo cortan el débil campo magnético debido al magnetismo remanente, produciéndose una pequeña f.e.m., pero suficiente para alimentar con una pequeña corriente al circuito inductor. Esto, a su vez, produce un aumento del flujo magnético inductor, que hace que aumente la f.e.m. en el inducido, produciéndose un ciclo repetido de aumentos de la f.e.m. y de flujo inductor hasta que se alcan­ za la f.e.m. nominal. Según como se conecte el devanado inductor respecto al inducido surgen tres tipo de dinamos autoexcitadas: dinamo Figura 19.21. Curva característica en carga de una dinamo derivación. con excitación en derivación, dinamo con excitación en serie y dinamo excitación compound. 19.8.4 Dinamo con excitación en serie 19.8.3 Dinamo con excitación en derivación En este caso se conecta el devanado inductor en serie con el inducido, de tal forma que toda la corriente que el genera­ dor suministra a la carga fluye por igual por ambos devanados Aquí se conecta el devanado inductor en paralelo con el (Figura 19.22). Dado que la corriente que atraviesa al deva­ inducido, tal como se muestra en la Figura 19.20. Para produ­ nado inductor es elevada, es necesario construirlos con pocas cir el flujo magnético necesario se montan bobinas inductoras espiras y una gran sección en los conductores. con un gran número de espiras, ya que la corriente de excita­ ción que se alcanza con este montaje es pequeña, siendo redu­ cida la sección de los conductores. En el esquema eléctrico de la Figura 19.20 se ha incluido un reostato de regulación de campo conectado en serie con el devanado inductor. Al modificar la resistencia de este reosta­ to conseguimos variar la corriente de excitación y con ella el flujo magnético inductor, consiguiendo así tener un control efectivo sobre la tensión de salida del generador. Figura 19.22. Esquema de conexiones de una dinamo con excitación en serie. El inconveniente fundamental de este tipo de generador es que cuando trabaja en vacío (sin conectar ningún receptor exterior), al ser la corriente nula, no se excita. Además, cuan­ do aumenta mucho la corriente de carga, también lo hace el flujo inductor por lo que la tensión en bornes de la dinamo también se eleva, tal como se muestra en la curva caracterís­ tica de carga de la Figura 19.23. Esto hace que este generador Figura 19.20. Esquema de conexiones de una dinamo con sea muy inestable en su funcionamiento y, por lo tanto, poco excitación en derivación. útil para la generación de energía eléctrica.  19.9. Ensayos en una dinamo Al igual que se hace con los transformadores, las dinamos también pueden ser sometidas a una serie de ensayos con el fin de determinar sus características y analizar su comporta­ miento en diferentes situaciones de funcionamiento. De esta forma, se pueden realizar ensayos para determinar el rendi­ miento, para evaluar el calentamiento de la máquina para dife­ rentes regímenes de funcionamiento, medir la resistencia de Figura 19.23. Curva característica en carga de una dinamo serie. aislamiento, la rigidez dieléctrica, etc. Además, a través de los ensayos se pueden determinar las curvas características de la dinamo, como pueden ser: 19.8.5 Dinamo con ; Característica de vacío: Vb =f(Iex )Para una velocidad de rotación fija (N - cíe) y estando la dinamo trabajando en excitación compound vacío (I¡ = 0), la curva representa el valor de la tensión en bornes (Vb) en función de la corriente de excitación (Iex), En la excitación mixta o compound se divide un circuito inductor en dos partes independientes, conectando una en j Característica en carga: Vb - f ( I ex ) Para una velocidad serie con el inducido y otra en derivación, tal como se mues­ de rotación fija (N = cte) y estando la dinamo trabajan­ tra en el esquema de la Figura 19.24. do en carga a una intensidad constante (I¡ = cte), la curva representa el valor de la tensión en bornes (Vb) en fun­ ción de la corriente de excitación (Iex). j Característica de excitación o regulación: Iex - f (¡ ). Para una velocidad de rotación y una tensión en bornes constantes (N = cte, Vb = cte), la curva representa la corriente de excitación (I£X) en función de la corriente suministrada por el inducido (I¡). > Característica de cortocircuito: IÜX ~ f (l). Para una velocidad constante (N = cte) y una tensión en bornes igual a cero (Vb = 0), la curva representa la comente de excitación (I£X) en función de la corriente suministrada por el inducido (I¡). o Característica exterior: Vh Para una corriente de excitación y velocidad constantes (Iex = cte, N - cte), la curva representa la tensión en la carga (Vb) en función de la corriente suministrada por la dinamo (I). Figura 19.24. Esquema de conexiones de una dinamo con J Característica interior: E = f ( I i ). Para una comente de excitación compound. excitación y velocidad constantes (Iex = cte, N - cte), la curva representa la f.e.m. inducida por la dinamo (E) en Gracias a la combinación de los efectos serie y derivación función de la comente suministrada por el inducido (1¡), en la excitación de la dinamo se consigue que la tensión que Para llevar a cabo estos ensayos son necesarios los siguien­ suministra el generador a la carga sea mucho más estable para tes equipos: cualquier régimen de carga, tal como se muestra en la curva > Motor de arrastre con posibilidad de regulación y con­ característica en carga de la Figura 19.25. trol de velocidad. En la Figura 19.26 se ha utilizado un motor de corriente continua en derivación en el que, modificando su corriente de excitación (variando el reostato Rr) y tensión del inducido (variando la tensión en la fuente de alimentación F.A. regulable) se puede conseguir un amplio margen de velocidad. > Fuente de alimentación de C.C. regulable para alimenta­ ción del motor de arrastre. Fuente de alimentación de C.C. regulable para alimenta­ ción de la excitación de la dinamo. } Aparatos de medida de alcance adecuado para medir ten­ Figura 19.25. Curva característica en carga de una dinamo compound. sión y comente en los diferentes circuitos. j Un tacómetro para medir la velocidad de la dinamo (la La gran estabilidad conseguida en la tensión por las dina­ mayor parte de los ensayos se hacen a velocidad cons­ mos con excitación compound hacen que ésta sea en la prác­ tante, que deberá corresponderse con la nominal de la tica la más utilizada para la generación de energía. dinamo. Para conseguir mantener esta velocidad cons­  tante en el circuito de la Figura 19,26 habrá que ajustar excitación independiente. Para realizar las curvas de una la tensión de alimentación y la comente de excitación dinamo con la excitación en derivación o serie no sería nece­ del motor de arrastre). sario utilizar la fuente de alimentación para la alimentación de excitación, ya que la dinamo con estas conexiones se auto-.> Reostatos para regular corriente del inducido o de la excita. excitación (R, Rr). En la Figura 19.26 se muestra, como ejemplo, el circuito para obtener las curvas en vacío y carga de una dinamo de Figura 19.26. Esquema de conexiones para la obtención de las curvas características de una dinamo de excitación independiente.