Maquinas Corriente Continua

MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

Introducción
El modo de funcionamiento mas característico de las maquinas de c.c lo constituye su empleo como motor. La ventaja fundamental de los motores de c.c frente a los motores de c.a ha sido su mayor grado de flexibilidad para el control de la velocidad y del par. Sin embargo, debe destacarse que debido al desarrollo tan espectacular de la electrónica de potencia su aplicación incluso es estos campos se ha ido reduciendo en pro de los motores de c,a. cuyo coste de fabricación y mantenimiento es mas reducido. por otro lado, el empleo de la maquina de c.c como generado o dinamo está prácticamente obsoleto debido a que la corriente alterna presenta mas ventajas para la generación, transporte y distribución de la energía eléctrica que la corriente continua, debido a la sencillez y economía que supone el uso de transformadores para convertir tensiones de un valor a otro.

Aspectos constructivos
La maquina de c.c está constituida por una parte fija o estator y una parte móvil o rotor. Dispone de dos devanados: el inductor que es el encargado de producir el campo magnético, formado por bobinas alrededor de los polos salientes situados en el estator, y el inducido donde se induce una f.e.m o una f.c.em según la máquina trabaje como motor o generador y se encuentra localizado en el rotor. Los devanados de las maquinas de c.c son cerrados, lo cual indica que el bobinado se cierra sobre sí mismo sin principio ni fin. Los devanados pueden ser inbricados y ondulados, dependiendo de si se cruzan o no las partes de la bobina observadas desde el lado del colector. Las bobinas que forman los devanados constan de dos lados activos que se sitúan debajo de polos de diferente nombre con objeto de obtener la mayor f.e.m posible. El colector de delgas es el órgano que caracteriza específicamente a estas maquinas y es el encargado de la conversión mecánica de la c.a inducida en las bobinas en c.c de salida. La fijación del conjunto se consigue merced a la presión que ejercen unos anillos extremos de forma cónica. La extracción o suministro de corriente al colector se realiza por medio de escobillas de grafito, aunque modernamente se emplean los tipos electrografíticos y metalográfiticos.

Principio de funcionamiento
La maquina de c.c puede funcionar tanto en régimen generador como en régimen motor. Para comprender el principio de generación de la f.e.m en las espiras del rotor, se va a considerar el inducido en forma de anillo. En este devanado, al girar el roto, se induce una f.e.m n los conductores dispuestos en la cara exterior del núcleo al ser cortados por el flujo del estator. En los conductores interiores no aparece ninguna f.e.m, ya que no les atraviesa el flujo de los polos, al estar sus líneas de fuerza limitadas al circuito de baja reluctancia del anillo.
Para utilizar la f.e.m del inducido y llevarla a un circuito exterior se han de conectar unas escobillas de salida A y B, situadas en el eje transversal de los polos para que puedan aprovechar la máxima f.e.m del devanado. Estas escobillas dividen el arrollamiento en dos ramas en paralelo con una misma f.e.m. El eje que forma la alineación de las escobillas se denomina línea neutra. Esta línea tiene gran importancia, pues indica las posiciones en las que se produce la inversión de f.e.m en las bobinas del inducido pasando las espiras correspondientes de una rama paralelo a la otra. Las escobillas de la maquina recogen las f.e.m.s inducidas en las distintas bobinas durante un semiperiodo, la f.e.m resultante en el inducido será igual a la suma de las f.e.m.s medidas de las distintas bobinas que componen cada rama en paralelo del devanado. Si éste consta de Z conductores que forman Z/2 bobinas y está dividido por las escobillas en 2c circuitos derivados, se tendrá en cada rama Z/4c bobinas conectadas en serie, que producirán una f.e.m resultante de magnitud: E=n/60 *Z*Ö* P/C=K_e*n*Ö
En cualquier caso, funcione la maquina de c.c. como generador o como motor, el paso de una corriente continua por los conductores del inducido provoca en el rotor un par electromagnético que tiene carácter resistente para el trabajo como generador y carácter motor cuando la maquina mueve una carga mecánica. El funcionamiento motor o generador depende del valor relativo de la f.e.m respecto de la tensión en bornes de la maquina. Par de la maquina en función del valor del flujo por polo: T=1/2pi*p/c*z*ô*Ii=K_T*I_i*ô
Potencia electromagnética: P_a=EI_i=T*Ù=T*2pi*n/60

Reacción de inducido
Cuando una maquina de c.c funciona en vacío, no existe corriente en el inducido y el flujo en el entrehierro está producido únicamente por la f.m.m del inductor. Cuando se cierra el circuito del inducido sobre una resistencia de carga aparece una corriente de circulación por los conductores del rotor que dan lugar a una f.f.f que combinada con la del estator producen el flujo resultante en el entrehierro de la maquina. Se conoce con el nombre de reacción del inducido al efecto que ejerce la f.m.m de este entrehierro respecto a los valores que la maquina presentaba en vacío. Cuando la maquina trabaja en vacío, actúa la excitación de los polos, de esta forma se obtiene una distribución de campo magnético en el entrehierrro que es constante y máxima debajo de cada polo y que decrece rápidamente en el espacio interpolar hasta hacerse cero en la línea neutra. Si las escobillas se disponen en la línea neutra, la f.m.m del inducido será máxima en esta línea interpolar; en consecuencia, la f.m.m de reacción de inducido tiene carácter transversal respecto a la f.m.m del inductor. Si la maquina no está saturada, esta magnetización transversal no modifica su f.e.m ya que el flujo se conserva constate.
Como quiera que la reacción del inducido es proporcional a la corriente de carga, el desplazamiento de las escobillas debería ser variable con el régimen de carga de la máquina. Esto supondría una operación de gran complejidad que los constructores han intentado evitar. Por ello , en la practica, en las maquinas de mediana y gran potencia se impide el desplazamiento de la línea neutra atenuando el efecto de la reacción transversal. La solución mas eficaz consiste en neutralizar la reacción del inducido a lo largo de toda la periferia de éste, mediante la incorporación de un arrollamiento de compensación.

Conmutación
Se entiende por conmutación el conjunto de fenómenos vinculados con la variación de corriente en las espiras del inducido al pasar éstas por la zona donde se las cierra en cortocircuito por las escobillas colocadas en el colector. Una buena conmutación debe realizarse sin la formación de chispas en el colector, mientras que una mala conmutación, produce, para un trabajo prolongado de la maquina, un deterioro notable de la superficie del colector que perturba el buen funcionamiento de la maquina. en el instante inicial, la corriente I_i de salida de la escobillas se toma de la delga 3; la corriente en la sección C considerada es I_i/2 y tiene sentido de derecha a izquierda. En un instante intermedio la sección C está pasando por la línea neutra y debe invertir su sentido. El momento en que la corriente de la bobina es nula coincide precisamente con media duración de la conmutación. El final de la misma se obtiene cuando la escobilla deja de hacer contacto con delga 3, en cuyo instante la corriente en la sección C se ha invertido y vuelve a tomar el valor de partidaI_i/2. El intervalo de tiempo necesario para la conmutación de la sección se denomina periodo T de conmutación.

Generadores de c.c: aspectos generales
Los generadores de c.c o dinamos convierten una energía mecánica de entrada en energía eléctrica de salida en forma de corriente continua. Desde el punto de vista de circuito eléctrico, las maquinas de c.c constan de un inductor o excitación, colocado en el estator, y de n inducido giratorio provisto de colector de delgas. Al conectar una carga eléctrica exterior aparece una corriente Ii de circulación que provoca una caída de tensión en el inducido, que se debe en parte a la resistencia propia de este devanado Ri y en parte a la resistencia que presentan los contactos escobillas-colector. Se denomina
V_esc a la caída de tensión E=V+R_i*I_i+V_esc
Para determinar el proceso de transformación de energía mecánica en eléctrica en un generador de c.c se tiene las siguientes ecuaciones de circuito:
Inductor: V_e=R_e*I_e , Inducido: E=V+R_i*I_i+V_esc
Desde el punto de vista de comportamiento y condiciones de trabajo, tiene una gran importancia la forma en que se conectan entre sí los devanados inductor e inducido, y así se distinguen:
a) Maquinas con excitación independiente, en las qie el devanado inductor es alimentado mediante una fuente de alimentación externa a la maquina
b) Maquinas autoexcitadas en las que la máquina se excita a sí misma tomando la corriente inductora del propio inducido o de la misma red que alimenta el inducido
Las maquinas de c.c con autoexcitacion se clasifican a su vez en :
1- Maquinas serie, en las que el inductor está en serie con el inducido; en este caso el devanado de excitación está preparado con pocas espiras de hilo grueso
2- Maquinas derivación o shunt, en las que el devanado inductor se conecta directamente a los terminales de la maquina, quedando en paralelo con el inducido; en este caso el devanado de excitación está formado por arrollamientos de hilo delgado con gran número de espiras.
3- Maquinas compuestas o compound, en las que la excitación total está repartida entre dos devanados, uno colocado en serie y otro colocado en paralelo con el inducido.

Generadores de c.c caracteristicas de servicio
1-Característica de vacío E=f(I_e), I=0 y n=cte que representa la relación entre la f.e.m generada por la dinamo y la corriente de excitación, cuando la máquina funciona en vacío; es decir, el inducido no alimenta ninguna carga
2-Característica en carga V=f(I_e), I=cte y n=cte que representa la relación entre la tensión terminal y la corriente de excitación para una intensidad de carga I constante. En particular, cuando la I es igual a cero se obtiene la curva de vacío.
3-Característica externa V=f(I), I_e=cte y n=cte, que representa la tensión en bornes en función de la corriente de carga, para una intensidad de excitación constante.
4-Característica de regulación I_e=f(i), V=cte y n=cte que representa la relación entre la corriente de excitación y la corriente de carga, para una tensión en bornes constante
a) Características de un generador con excitación independiente: la diferencia entre las ramas en la característica de vacío se debe a la histéresis magnética. La característica externa es perfectamente estable, es decir, con incrementos de la corriente de carga al exterior se producen disminuciones de la tensión. V=f(I) cuando se mantiene constante tanto la corriente de excitación como la velocidad de giro del motor primario.
V=E-R_i*I_i-V_esc
b) Características de un generador serie: Cuando la maquina está en vacío, al ser I_e=I=I_i=0, se obtiene una f.e.m muy pequeña y que se debe al magnetismo remanente de los polos. La curva de vacío requiere para su determinación desconectar el inductor y alimentarlo por una fuente auxiliar de c.c de muy poca tensión y gran corriente.
c) Característica de un generador con excitación compuesta: Las f.m.m.s de los devanados serie y derivación suelen ser del mismo signo, es decir, aditivas, pero puede realizarse una conexión sustractiva o diferencial. La característica exterior de este generador, en caso aditivo, se obtiene como suma de las características derivación y serie. Si se incrementa el número de espiras en serie, la tensión terminal puede aumentar con la carga, lo que da lugar a la característica hipercompuesta. En caso contrario, la tensión puede reducirse con la carga como en el generador derivación, dando lugar a la característica hipercompuesta.

Motores de c.c: Aspectos generales
Un motor de c.c transforma una energía de entrada en una energía mecánica de salida. E=V+R_i*I_i+V_esc. Si la f.e.m E es superior a la d.d.p V_i, el sentido de la corriente en el inducido coincide con el de E; en consecuencia, la máquina trabaja como generador suministrando una potencia electromagnética E*I_i. Si se disminuye la f.e.m del generador, reduciendo la velocidad de rotación o la excitación del inductor, cuando E se hace menor que la tensión V_i, la corriente I_i del inducido cambiará de sentido. Se dice entonces que la maquina produce una fuerza contra-electromotriz, ya que E se opone a la corriente I_i

Motores de c.c: Características de funcionamiento
·Tipos: Motores con excitación independiente, con excitación derivación, con excitación serie y con excitación compuesta.
T=K_M*Ö*I_i E=v-R_i*I_i
·Regulación de velocidad:
-variando el flujo (I_e). Si Ö disminuye => n aumenta
-variando la tensión de alimentación. Si v disminuye n disminuye
-conectando un reóstato en serie con R_i. n disminuye
n=V-R_i*I_i/K_e*Ö

Motores de c.c con excitación independiente y derivación. Sistema de regulación Ward-Leonard
Consiste en un motor asíncrono trifásico que lleva acoplado mecánicamente un generador de c.c de excitación separada, cuyo ajuste permite obtener diferentes tensiones de excitación independiente. La tensión necesaria para la alimentación de los conductores se obtiene de un pequeño generador en derivación acoplado al mismo eje mecánico del grupo motor de c.a-generador de c.c. La polaridad del inductor del generador principal se puede invertir con objeto de proceder al cambio del sentido de marcha del motor de c.c
Sistema Ward leonor: Motor asíncrono trifásico encargado de "mover" a todo el grupo. Dos maquinas de c.c de excitación independientes iguales, una de ellas como generador y otra como motor. Permite una regulación de la velocidad por control de tensión del inducido y por control de la corriente de excitación.

Motores de c.c con excitación serie
El flujo de la maquina depende de la corriente del inducido I=I_i y en consecuencia depende de la carga. Si no hay saturación en el circuito magnético, el flujo es directamente proporcional a la corriente I_i y la característica de carga se puede obtener mediante las ecuaciones: T=K_T*Ö*I_i ; V=E+R_i*I_i ; E=K_E*n*Ö;
Si el motor no esta saturado y se cumple la proporcionalidad Ö=K_I*Ii: T=K_T*K_i*I_i²=> I_i= raiz de T/(K_T*K_I)
Característica del par: n=V-(R_i*I_i)/(K_E*Ö) = V/(K_E*K_I*I_i)-R_i/(K_E*K_I) =
1/K_E*raiz de (K_t/K_I)*V/raiz de (T)-R_i/K_E*K_I