Principio de funcionamiento maquinas de corriente continua

Resumen

En el presente documento se desarrollara
una breve explicación acerca de los diferentes
parámetros que involucran a las máquinas de
corriente continua tanto los motores como los generadores como
son su principio de generación, funcionamiento del
colector de delgas, y todas aquellas variables que debemos tomar
en cuenta al momento de elegir una máquina de corriente
continua, además de las posibles soluciones y los aspectos
que esto implica ante una posible necesidad de la
máquina.

Palabras Clave—Generador, motor,
corriente continua.

I.
INTRODUCCIÓN

La corriente continua presenta grandes
ventajas, entre las cuales está su capacidad para ser
almacenada de una forma relativamente sencilla. Esto, junto a una
serie de características peculiares de los motores de
corriente continua, y de aplicaciones de procesos
electrolíticos, tracción eléctrica, entre
otros, hacen que existen diversas instalaciones que trabajan
basándose en la corriente continua.

Los generadores de corriente continua son
las mismas máquinas que transforman la energía
mecánica en eléctrica. No existe diferencia real
entre un generador y un motor, a excepción del sentido de
flujo de potencia. Los generadores se clasifican de acuerdo con
la forma en que se provee el flujo de campo, y éstos son
de excitación independiente, derivación, serie,
excitación compuesta acumulativa y compuesta diferencial,
y además difieren de sus características terminales
(voltaje, corriente) y por lo tanto en el tipo de
utilización.

Las máquinas de corriente continua
son generadores que convierten energía mecánica en
energía eléctrica de corriente continua, y motores
que convierten energía eléctrica de corriente
continua en energía mecánica.

La mayoría las máquinas de
corriente continua son semejantes a las máquinas de
corriente alterna ya que en su interior tienen corrientes y
voltajes de corriente alterna. Las máquinas de corriente
continua tienen corriente continua sólo en su circuito
exterior debido a la existencia de un mecanismo que convierte los
voltajes internos de corriente alterna en voltajes corriente
continua en los terminales.

Este mecanismo se llama colector, y por
ello las máquinas de corriente continua se conocen
también como máquinas con colector

Figura 1.- Maquina de corriente
continua

II. PRINCIPIO DE
GENERACIÓN

Figura 2.- Disco de Faraday

Una dinamo o dínamo es un generador
eléctrico destinado a la transformación de flujo
magnético en electricidad mediante el fenómeno de
la inducción electromagnética, generando una
corriente continua.

Está basado en la ley de Faraday,
esta ley nos dice que la variación de un conductor que
corta perpendicularmente un campo magnético se induce una
fuerza electromotriz (FEM) en los extremos del
conductor.

Figura 3. Principio de
generación

Si una armadura gira entre dos polos de
campo fijos, la corriente en la armadura se mueve en una
dirección durante la mitad de cada revolución, y en
la otra dirección durante la otra mitad. Para producir un
flujo constante de corriente en una dirección, o continua,
en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio para
invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez
durante cada revolución. En las máquinas antiguas
esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador,
un anillo de metal partido montado sobre el eje de una
armadura.

Las dos mitades del anillo se aislaban
entre sí y servían como bornes de la bobina. Las
escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían
en contra del conmutador, que al girar conectaba
eléctricamente la bobina a los cables externos.

Cuando la armadura giraba, cada escobilla
estaba en contacto de forma alternativa con las mitades del
conmutador, cambiando la posición en el momento en el que
la corriente invertía su dirección dentro de la
bobina de la armadura. Así se producía un flujo de
corriente de una dirección en el circuito exterior al que
el generador estaba conectado.

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.

? Punto Cero: El movimiento de los dos
conductores no corta el campo magnético es decir el flujo
es paralelo al movimiento de los conductores por lo que la
inducción es totalmente nula dándose una fuerza
electromotriz igual a 0 (FEM=0V).

Figura 4. Primer instante

? Punto Uno: Es el momento en el que el
conductor a corta en su totalidad al campo magnético,
dándose una inducción máxima por lo que la
fuerza electromotriz generada es la más alta Entrando por
el conductor A y sale por el conductor B.

Figura 5. Segundo instante

? Punto Dos: Se retorna nuevamente al punto
en el que los conductores no cortan el flujo magnético por
lo que la FEM es nula, por lo tanto el voltaje en bornes es igual
a 0V.

Figura 6. Tercer instante

? Punto Tres: Se induce una fuerza
electromotriz que sale ahora por el conductor A, pero de igual
manera es una FEM máxima inducida.

Figura 7. Cuarto instante

? Punto Cuatro: Se vuelve a la
posición inicial 0, en donde la inducción es nula
debido a lo mencionado en el punto cero, cumpliéndose el
primer ciclo, es decir se cumplieron los 360°
eléctricos de un ciclo.

Figura 8. Ultimo instante

III.
FUNCIONAMIENTO DEL COLECTOR DE DELGAS

A. Colector y
escobillas

1) 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:

? 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.

2) 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 porta carbones sujetan
los carbones contra la superficie del conmutador mediante
resortes, para mantener una presión razonablemente
constante y que se deslicen de modo uniforme.

IV.
REACCIÓN DEL INDUCIDO

Cuando la 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 9.- Campo magnético del
inductor

Figura 10.- Campo magnético del
inducido

En las figuras 17 y 18 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 19.

Figura 11.- Campo magnético
resultante

Como observamos en la figura 19 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 12.- Desviación de la
línea neutra

A. 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.

V.
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.

1) 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 13.- Devanados de
compensación

Figura 14.- Estator 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.

VI.
CONCLUSIONES

Al concluir el presente ensayo se pudieron
obtener varios resultados los cuales nos han servido para tener
en cuenta al momento en el que necesitemos utilizar una
máquina de corriente continua saber escoger correctamente
la maquina dependiendo del tipo de aplicación en la que se
vaya a utilizar la máquina, se ha podido observar que las
máquinas de corriente continua son utilizadas ampliamente
en lo que son aplicaciones de pequeño tamaño como
son en motores de herramientas manuales ya que al estos necesitar
de escobillas resultaría un elevado costo de
operación y mantenimiento en aplicaciones grandes, siendo
una gran desventaja ante las máquinas de corriente
alterna.

Una gran ventaja que poseen estas
máquinas es que pueden ser utilizadas tanto como motores y
generadores, lo cual significa que la maquina puede ser utilizada
en diferentes aplicaciones, lo cual no limita su uso y por lo
tanto equipara las desventajas ante las máquinas de
CA.

Se pudo observar cual es el principio de
funcionamiento de estas maquinas cuando generan energía
eléctrica y como reaccionan internamente las diferentes
partes ante cada situación de utilización de las
mismas y los métodos para evitar estos problemas,
teniéndose en cuenta cada una de las desventajas que estos
producen.

REFERENCIAS

[1] Página web:
http://avaluos1.blogspot.com/2008/01/construccion
maquinas.html

[2] Referencias bibliográficas:
MONTILLA, Alexander, "Maquinas Eléctricas" MORA,
Jesús, "Maquinas Eléctricas", quinta edición
A.E.FitzGerald,"Teoría y análisis de las Maquina
Eléctricas"

[3] Página web:
www.mcgraw-hill.es/bcv/guide/capitulo/8448141784.pdf

[4] Página web:
http://www.mitecnologico.com/iem/Main/Maquinas dc

[5] Página web:
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/~41001719/electricos/2fp2/t2fp205.
html

Autor:

Andrés Francisco Murillo
Peñafiel

Carrera: Ingeniería
Electrónica

Lugar de estudio: Universidad
Politécnica Salesiana

Títulos: Bachiller Técnico en
Instalaciones, Equipos y Maquinas Eléctricas. Residencia:
Cuenca-Ecuador

Jorge Andrés Aucay

Carrera: Ingeniería
Electrónica

Lugar de estudio: Universidad
Politécnica Salesiana

Títulos: Bachiller Técnico en
Instalaciones, Equipos y Maquinas Eléctricas. Residencia:
Cuenca-Ecuador