Los generadores de corriente continua funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos.
El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1.500 V. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo.
Figura 2: Generador y sus partes en dc.
FUNCIONAMIENTO COMO MOTOR.
En general, los motores de corriente continua son similares en su construcción a los generadores. De hecho podrían describirse como generadores que funcionan al revés.
Cuando la corriente pasa a través de la armadura de un motor de corriente continua, se genera un par de fuerzas por la reacción magnética, y la armadura gira. La acción del conmutador y de las conexiones de las bobinas del campo de los motores son exactamente las mismas que usan los generadores.
La revolución de la armadura induce un voltaje en las bobinas de ésta. Este voltaje es opuesto en la dirección al voltaje exterior que se aplica a la armadura, y de ahí que se conozca como voltaje inducido o fuerza contraelectromotriz.
Cuando el motor gira más rápido, el voltaje inducido aumenta hasta que es casi igual al aplicado. La corriente entonces es pequeña, y la velocidad del motor permanecerá constante siempre que el motor no esté bajo carga y tenga que realizar otro trabajo mecánico que no sea el requerido para mover la armadura. Bajo carga, la armadura gira más lentamente, reduciendo el voltaje inducido y permitiendo que fluya una corriente mayor en la armadura.
El motor puede así recibir más potencia eléctrica de la fuente, suministrándola y haciendo más trabajo mecánico.
Figura 3: Funcionamiento de un motor en dc.
Construcción
Existen varios procesos y modificaciones en cuanto a la construcción de las maquinas en dc.
Se dividen en:
Construcción de los polos y la estructura.
Construcción del rotor o armadura.
Colector y escobillas.
Aislamiento de los devanados.
CONSTRUCCION DE LOS POLOS Y LA ESTRUCTURA.
Piezas embutidas de polo principal y de conmutación: Estas piezas suelen ser más gruesas que las del rotor porque sólo las caras polares están sujetas a cambios de flujo de alta frecuencia; las piezas son de 0.062 a 0.125 pulgadas de grueso y por lo general van remachadas.
Guarnición de carcasa: Es común que esta pieza esté fabricada de placa de acero blando laminado pero, en grandes generadores de alta demanda en donde se presentan cambios rápidos de carga, se pueden usar laminaciones. La carcasa sólida tiene una constante magnética de tiempo de 1/2 s o más, dependiendo de su grosor; la de la carcasa laminada va de 0.05 a 0.005 s.
CONSTRUCCION DEL ROTOR O ARMADURA.
Piezas embutidas del núcleo de armadura. Por lo general, estas piezas son de acero laminado eléctrico de alta permeabilidad, de 0.017 a 0.025 pulgadas de grueso, y tienen entre ellas una película aislante. Las unidades pequeñas y medianas utilizan piezas embutidas segméntales como las que se ilustran en la figura 4, que también muestra los dedos que se usan para formar los ductos de ventilación.
Figura 4: Ranuras para la ventilación del rotor.
Devanados de armadura
Devanado de anillo: El devanado de anillo Gramme no se usa, porque la mitad de los conductores (los que están dentro del anillo) no cortan flujo y se desperdician.
Figura 5: Devanado de anillo
Devanados múltiples o imbricados: En la figura 6 muestra una bobina de devanado imbricado en la que los conductores que se ven del lado izquierdo están en el lado superior de la ranura de rotor; los del lado derecho están en la mitad inferior de otra ranura aproximadamente a un paso polar de distancia. En cualquier instante, los lados están bajo polos adyacentes y los voltajes que se inducen en los dos lados son aditivos. Otros lados de la bobina llenan las porciones restantes de las ranuras. Los hilos de la bobina están conectados a los segmentos del conmutador, y éste conecta también las bobinas para formar el devanado de armadura.
Figura 6: Bobina para un devanado imbricado
Casi todas las máquinas de cd medianas y grandes utilizan devanados imbricados símplex, en los que el número de trayectorias en paralelo en el devanado de la armadura es igual al número de polos principales. Esto permite que la corriente por trayectoria sea lo suficientemente baja para admitir conductores de medidas razonables en las bobinas.
Figura 7: Devanado simplex imbricado
Devanados de dos circuitos u ondulados: Es un devanado que presenta sólo dos trayectorias paralelas entre las terminales positiva y negativa, por lo que sólo se requieren dos juegos de carbones. Cada carbón pone en cortocircuito p/2 bobinas en serie; puesto que los puntos a, b y c están al mismo potencial (y también los puntos d, e y f), los carbones pueden localizarse en cada uno de estos puntos para permitir un conmutador de sólo un tercio de largo.
El devanado debe avanzar o retroceder una barra de conmutador cada vez que pase alrededor de la armadura para que sea cerrado sencillo. Por lo tanto, el número de barras debe ser igual a (kpl2) ± 1, en donde k es un número entero y p es el número de polos. El devanado no necesita igualadores porque todos los conductores pasan bajo todos los polos.
Figura 8: devanado progresivo de dos circuitos
Diseño de armadura
Velocidades de rotor. Las normas enumeran las velocidades de generadores de cd tan altas como sea razonable para reducir su tamaño y costo. Las velocidades pueden ser limitadas por la conmutación, volts máximos por barra, o las velocidades periféricas del rotor o conmutador. Los conmutadores de generadores raras veces rebasan los 5000 ft/min, aun cuando los conmutadores de los motores pueden exceder de 7500 ft/min a altas velocidades; los rotores de generadores raras veces sobrepasan los 9500 ft/min.
Figura 9: Velocidades estándar de generadores en dc.
Diámetros del rotor: Los generadores conmutadores difíciles se benefician con el uso de diámetros grandes de rotor, pero los diámetros están limitados por los mismos factores que las velocidades de rotor enumeradas líneas arriba. La longitud resultante de armadura no debe ser menor que 60% del paso polar, debido a que una porción tan pequeña de la bobina de armadura se usaría para generar voltaje.
Figura 10: Curva de densidad aparente de espacio contra diámetro de armadura.
Colector y escobillas
Colector: El colector consta de delgas de cobre electrolítico, aisladas entre sí por separadores de micanita. Forma un cuerpo anular estratificado en todo el perímetro, que va aislado respecto a las piezas soporte. Para evitar vibraciones posteriores por solicitaciones térmicas o mecánicas y para conferirle mayor estabilidad mecánica, se trabaja con micanita especial con un reducido contenido en conglomerante del 3 % para las láminas aislantes y del 5 % para el aislamiento del cuerpo.
De acuerdo con la aplicación, se diferencian cinco tipos básicos de construcción de colectores:
Colector de cola de milano simple.
Colector de cola de milano doble.
Colector suspendido o de membrana.
Colector cónico.
Colector de material prensado.
El cuerpo anular del colector de cola de milano, tras un prensado radial cuidadoso, se le tornea en forma de cola de milano por ambos extremos y se le sujeta con un anillo aislante de la forma correspondiente. En colectores largos de alta velocidad periférica, a veces es necesario emplear un colector de cola de milano doble debido a la muy alta solicitación.
El colector suspendido o de membrana, se utiliza en máquinas de muy altas revoluciones, por ejemplo, en turbogeneradores o máquinas de vaivén. El cuerpo anular, que es sostenido radialmente con anillos de contracción, va fijado en el lado del devanado a un anillo soporte prensado al eje, mientras que el otro lado es guiado por un disco elástico (membrana) apoyado sobre el eje. Este permite una dilatación axial del colector, y reduce con ello la solicitación por efectos mecánicos y térmicos. Este tipo de construcción es efectivamente cara, pero satisface cualquier exigencia especial en relación con la resistencia.
El colector cónico surgió con motivo de la exigencia de un diámetro grande del eje y un diámetro pequeño del colector para velocidad periférica máxima. El cuerpo anular tiene en ambos extremos un taladro cónico. Se le soporta en sentido radial mediante anillos de contracción, en el lado del devanado se apoya en el eje cónico y se retiene con un anillo cónico.
El colector de material prensado posee un cuerpo soporte de conglomerado de resina sintética, en el que se funde el cuerpo formado por las delgas. Los suplementos previstos en el canto interior de las delgas de cobre aseguran la unión con el material prensado. Un casquillo de acero incrustado ofrece una transmisión directa de todo el colector con el eje. El colector de material prensado se utiliza fundamentalmente en pequeñas máquinas hasta un diámetro de colector de 200 mm.
Carbones y portacarbones. Estas piezas se seleccionan de diseños disponibles para limitar la densidad de corriente de carbones entre 60 y 70 A/in2 a plena carga, para obtener la distancia de guarda individual necesaria, y para obtener un calentamiento aceptable del conmutador.
Escobilla de carbón (o simplemente carbones): Estas piezas se deslizan sobre las barras del conmutador y llevan la corriente de carga de las bobinas del rotor al circuito externo. Los portacarbones sujetan los carbones contra la superficie del conmutador mediante resortes, para mantener una presión razonablemente constante y que se deslicen de modo uniforme.
Aislamiento de los devanados
Elevaciones permisibles de temperatura media: Las elevaciones permisibles en la temperatura de las partes están limitadas por la temperatura máxima de "lugar caliente" que el aislamiento puede resistir y aún tener vida útil razonable. Las temperaturas máximas superficiales están fijadas por el gradiente de temperatura por el aislamiento desde el lugar caliente hasta la superficie.
Las normas de aislamiento del IEEE han establecido las temperaturas de límite para lugar caliente para sistemas de aislamiento. La norma C50.4 del American National Standards Institute para máquinas de cd enumera los gradientes típicos para esos sistemas e indica calentamientos aceptables de superficies y de promedio de cobre arriba de las temperaturas especificadas, para diversos recintos en máquinas y ciclos de trabajo. Los valores típicos son elevaciones de 40ºC para sistemas Clase A, 60ºC para Clase B y 80ºC para Clase F en bobinas de armadura. Por lo general, los sistemas Clase H contienen siliconas y raras veces se usan en máquinas de cd de tamaño mediano y grande. Los vapores de siliconas pueden ocasionar un desgaste muy acelerado en los carbones del conmutador e intenso chisporroteo, en particular en máquinas cerradas.
Reacción de inducido
Cuando el dinamo está en carga el flujo del inductor se distorsiona
debido al flujo magnético creado por la corriente del inducido, el cual
es perpendicular al flujo magnético principal creado por los polos inductores
Aunque aparentemente el flujo principal
no varía, pues se reduce en los cuernos de entrada pero aumenta en los
cuernos de salida, e realidad el flujo principal disminuye pues la distorsión
de del mismo aumenta su recorrido, es decir su reluctancia magnética,
se crea saturación de los cuernos polares y además aumentan las
fugas magnéticas, coadyugando todo ello en la disminución de
y disminuyendo por tanto la fem en carga Ec respecto a la fem en vacio EV. Este
fenómeno se conoce con el nombre de reacción magnética
en el inducido.
Figura 11: Campo magnético del inductor.
Figura 12: Campo magnético del inducido.
En las figuras 11 y 12 se representa los dos campos magnéticos presentes en una maquina en dc, si sumamos los dos campos encontramos nuestro campo resultante que podremos apreciar en la figura 13.
Figura 13: Campo magnético resultante
Como observamos en la figura 13 la corriente en el inducido provoca un cambio de magnitud y dirección del campo lo que conlleva a la consecuencia de que la línea neutra (línea que une los conductores que no producen fem) en carga, adelanta respecto del sentido de giro un ángulo a, tomada como referencia la línea neutra en vacío:
Figura 14: Desviación de la línea neutra.
Inconvenientes de la reacción del inducido.
Disminuye la fem en carga Ec.
Disminuye indirectamente el rendimiento (pues se ha de aumentar la corriente de excitación para compensar el efecto anterior, disminuye el rendimiento).
Crea peligro de chispas en el colector
Aumenta las dificultades para realizar una buena conmutación.
Deformación del campo magnético en la máquina, lo que da origen al desplazamiento de la línea teórica.
Aumento considerable de las pérdidas en el hierro al existir una mayor densidad de flujo.
Disminución del flujo útil originando una menor fem inducida.
Conmutación
El proceso de conmutación no es tan simple ya que se debe realizar un exhaustivo diseño para lograr la menor pérdida posible.
El problema de la conmutación es originado cuando fruto del desplazamiento del rotor, las escobillas quedan pisando diferentes delgas, por lo que se puede dar el caso de que la escobilla pise una delga al inicio al final o pise dos delgas a la vez.
Esto produce picos en la conmutación provocando:
Pérdidas de potencia.
Generación de voltajes L di/dt.
Reduce el funcionamiento de la máquina.
Posibles soluciones:
Devanados de compensación: Para eliminar el debilitamiento del flujo, se desarrolló una técnica diferente que incluye la disposición de devanados de compensación en ranuras labradas en las caras de los polos paralelos a los conductores del rotor para cancelar el efecto de distorsión de la reacción del inducido. Estos devanados están conectados en serie con los devanados del rotor, de modo que cuando cambia la carga en el rotor, cambia también la comente en los devanados de compensación. Como se muestra en la figura:
La figura muestra un desarrollo más cuidadoso del efecto de los devanados de compensación en una máquina de. Nótese que la fuerza magnetomotriz debida a los devanados de compensación es igual y opuesta a la fuerza magnetomotriz debida al rotor cada punto situado bajo las caras polares. La fuerza magnetomotriz neta resultante es causada por los polos, de modo que el flujo en la máquina no se modifica, independientemente de la carga.
Figura 15: Devanados de compensación.
Figura 16: Estator de una gran máquina dc con devanados de compensación.
Desventaja
La principal desventaja de los devanados de compensación es que son costosos, puesto que deben maquinarse las caras de los polos. Todo motor que los utiliza debe tener interpolos ya que los devanados de compensación no cancelan los efectos L di/dt.
Los interpolos no deben ser tan robustos sin embargo, puesto que cancelan únicamente los voltajes L di/dt en los devanados y no los voltajes debidos al desplazamiento del plano neutral. Debido a lo costoso que resulta tener devanados de compensación e interpolos en tal máquina, éstos devanados sólo se utilizan cuando la naturaleza muy pesada del trabajo del motor lo demanda.
Conclusión
Las maquinas de corriente continua son máquinas eficaces y capaces de desarrollar grandes cantidades de flujo sin un gran concepto de teoría científica y de procesos largos y dificultosos.
El gran problema de las máquinas de corriente continua es su fabricación, ya que se debe optar por el mejor diseño para que evite la mayoría de pérdidas y tal vez por eso su demanda cada vez va decayendo
Referencias
[1] http://galeon.com/el-papi/Maquinas/Armadura.pdf
[2] http://www.tuveras.com/maquinascc/motor/motor.htm
[3] http://html.rincondelvago.com/generadores-y-motores-de-corriente-continua.html
[4] http://html.rincondelvago.com/maquina-de-corriente-continua.html
[5]http://referencias111.wikispaces.com/file/view/Capitulo1.pdf
Autor:
Kevin Santiago Ríos Jaramillo
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