Máquinas de corriente continua

Abstract— The electric machines are
based on the phenomena of electromagnetism, when manufacture is
necessary to know which materials are most appropriate for their
construction, these are chosen according to tables and graphs
that indicate whether the material to be used are appropriate In
this article we expose the C.C. machines an this
parts.

INTRODUCCION

Las máquinas eléctricas se han hecho
imprescindibles en los tiempos actuales, y comprenden desde las
grandes unidades de generadores (alternadores) situados en las
centrales productoras de energía eléctrica, hasta
las máquinas (motores empleados en el transporte de
viajeros y mercancías, en la industria, etc. Las
máquinas eléctricas son el resultado de una
aplicación de los principios del electromagnetismo y en
particular de las leyes de Faraday, Lenz, Lorentz y
Ohm.

El modo de funcionamiento más
característico de las máquinas de corriente
continua lo constituye su empleo como motor. La ventaja
fundamental de los motores de corriente continua frente a los de
alterna ha sido su mayor grado de flexibilidad para el control de
velocidad y el par, lo cual ha hecho muy interesante su
aplicación en diversos accionamientos
industriales.

DESCRIPCION DE
LAS PARTES CONSTITUTIVAS DE LA MÁQUINA

Las máquinas DC son generadores que convierten
energía mecánica en energía eléctrica
DC y motores que convierten energía eléctrica DC en
energía mecánica. La mayoría de las
máquinas DC son semejantes a las máquinas AC porque
tienen voltajes y corrientes AC dentro de ellas; las
máquinas DC tienen una salida DC sólo porque existe
un mecanismo que convierte los voltajes AC internos en voltajes
DC en sus terminales. Puesto que este mecanismo se denomina
conmutador, la máquina DC se conoce también como
máquina de colector o conmutada.

La estructura física de la máquina consta
de dos partes: el estator o parte estacionaria de la
máquina y el rotor o parte rotante de la máquina.
La parte estacionaria de la máquina consta de una
estructura que proporciona el soporte físico y las piezas
polares, las cuales se proyectan hacia dentro y proveen el camino
para el flujo magnético en la máquina. Los extremos
de las piezas polares cercanos al rotor se extienden hacia fuera,
sobre la superficie del rotor, para distribuir el flujo
uniformemente sobre la superficie del rotor. Estos extremos son
llamados zapatas polares. La superficie expuesta de una zapata
polar se llama cara polar y la distancia entre la cara polar y el
rotor se llama entrehierro.

En una máquina hay dos devanados principales: los
devanados inducidos (armadura) y los devanados de campo. Los
devanados de campo están definidos como aquellos que
producen el flujo magnético principal en la
máquina. En una máquina de CC, los devanados del
inducido están localizados en el rotor y los devanados de
campo están localizados en el estator.

En la figura 1 el arrollamiento del inducido es tipo
anillo, que hoy en día ya no se emplea por el poco
aprovechamiento que se obtiene del cobre. En la actualidad, los
arrollamientos son en tambor, disponiendo ambos lados activos de
las espiras en las generatrices externas del apilamiento del
rotor. Los devanados de las máquinas de corriente continua
son cerrados, lo cual indica que el bobinado se cierra sobre
sí mismo de principio a fin. Los devanados pueden ser
imbricados y ondulados, dependiendo de si se cruzan o no las
partes de la observadas desde el lado del colector.

En la figura 1 se observan las partes principales de una
máquina de corriente continua.

Figura1 Partes constitutivas de la
máquina de C.C.

1- Culata

2- Núcleo Polar

3- Zapata polar

4- Polo auxiliar

5- Polo auxiliar

6- Inducido

7- Devanado del inducido

8- Devanado de excitación

9- Devanado de los polos auxiliares

10- Colector de delgas

11- Escobilla

12- Escobilla

13- Pies de la máquina

A continuación se presenta una descripción
de las partes más importantes de la
máquina:

Polos Principales. El polo principal
viene dado en la figura 1. Este consta del núcleo polar
(inductor) armado de chapas de acero. Por el lado que se
encuentra frente al inducido, se tiene la zapata polar que sirve
para facilitar el paso del flujo magnético a través
del espacio de aire. En el núcleo polar va colocada la
bobina de excitación, por la cual pasa corriente continua.
La bobina se arrolla al armazón hecho bien de chapa de
acero de 1-2 mm. Para mejorar el enfriamiento, la bobina se
divide por su altura en dos o varias partes, entre las cuales se
dejan canales de ventilación de suficiente anchura. La
sujeción de los polos al armazón se realiza con la
ayuda de pernos.

Figura 2 Corte transversal de un polo
principal

Las partes constitutivas se enumeran a
continuación:

1- Bobina de excitación

2- Armazón

3- Pernos

4- Armazón

5- Núcleo

6- Zapata

Polos Auxiliares. El polo auxiliar
así como el principal, consta del núcleo polar que
termina con la zapata polar, también consta de la bobina
que va colocada en el núcleo. Los polos auxiliares se
instalan estrictamente por la mitad entre los polos principales y
van empernados al armazón. Generalmente los polos
auxiliares se fabrican de forma maciza, pero en las
máquinas que funcionan con carga bruscamente variable, se
hacen de acero en chapas. En la figura 3 se observa la forma de
un polo auxiliar.

Figura 3 Polo Auxiliar

1- Núcleo

2- Bobina polar

Armazón. Se llama armazón
a la parte inmóvil de la máquina, a la que sujetan
los polos principales y auxiliares y con la ayuda de la cual la
máquina se sujeta a la cimentación. La parte de la
armazón, que sirve para conducir el flujo de los polos
principales y auxiliares se llama culata. La armazón se
fabrica de fundición o de acero con desempalme o sin el en
dependencia del tipo y la potencia de la
máquina.

Inducido. En la actualidad se emplean
inducidos dentados de tambor, hechos de chapas de acero para
transformadores de 0.5 mm de espesor para una frecuencia de
remagnetización del inducido normal para las
máquinas de corriente continua. Las chapas de acero se
arman en dirección axial de la máquina, y para
reducir las pérdidas por corrientes parásitas se
aíslan unas de otras con laca o papel de 0.03-0.05 mm de
espesor. En las figuras 4 y 5 se observan los inducidos devanados
y sin devanar.

Figura 4 Inducido sin devanar

Figura 5 Inducido devanado

El núcleo del inducido se prensa por ambos lados
con ayuda de dispositivos de apriete, que se sujetan de manera
especial. Para mejorar la refrigeración, las
máquinas de pequeña potencia van dotadas de aletas,
mientras que las de gran potencia tienen un ventilador. En la
figura 6 se observa una hoja de acero con la que se construye el
inducido.

Figura 6 Hoja de acero del inducido de
tambor

Devanado del Inducido. Lo mismo que
otros elementos de la máquina, el devanado del inducido de
la máquina de corriente continua ha sufrido una serie de
variaciones. Los devanados del inducido de tambor que se emplean
en la actualidad son los que se colocan en las ranuras del
núcleo.

En la figura 5 se observa un inducido sin devanar y el
mismo inducido ya devanado se observa en la figura 6. En la
figura 7 se muestran los dos tipos de devanados del inducido
tanto el ondulado como el imbricado.

Figura 7 Tipos de devanados del
inducido

Colector. El colector de delgas es una
pieza que caracteriza a este tipo de máquinas y es el
encargado de la conversión mecánica de la corriente
alterna inducida en las bobinas en corriente continua de
salida.

El colector está hecho de barras de cobre aislado
con mica. Las barras de cobre se fabrican suficientemente gruesas
para permitir un desgaste normal durante la vida útil del
motor. El aislamiento de mica entre los segmentos de
conmutación es más duro que el material del
colector en sí, en consecuencia con el paso del tiempo es
necesario socavar el aislamiento del colector para asegurarse de
que no sobresalga por encima del nivel de las barras de
cobre.

Figura 8 Corte de un colector de
delgas

Porta escobillas. Las escobillas de la
máquina, elaboradas en carbón, grafito, o una
mezcla de carbón y grafito tienen una alta conductividad
para reducir las pérdidas eléctricas, y tienen un
bajo coeficiente de rozamiento para reducir el desgaste excesivo.
Para la toma de corriente del colector rotatorio y para
suministrarle a este se emplea el aparato de escobillas, que
consta de:

• 1) Las escobillas

• 2) Los porta escobillas

• 3) Pernos

• 4) Coronas porta escobillas

• 5) Barras colectoras

Figura 9 Porta escobillas

DESCRIPCIÓN DEL
FUNCIONAMIENTO

La máquina de corriente continua puede funcionar
tanto como generador como motor. Para comprender el principio de
generación de la fem en las espiras del rotor, se va a
considerar el inducido en forma de anillo como se observa en la
figura 10. En este devanado, al girar el rotor, se induce un fem
en los conductores dispuestos en la cara exterior del
núcleo al ser cortados por el flujo del estator. En los
conductores interiores no aparece ninguna fem ye que no les
atraviesa el flujo de los polos, al estar sus líneas de
fuerza limitadas al circuito de baja reluctancia del
anillo.

Figura 10 Máquina de corriente
continua

Analizando la figura 10 se observa que el sentido de la
fem de los conductores situados debajo del polo norte son de
signo contrario a la de los conductores situados debajo del polo
sur. Como quiera que la estructura de la máquina es
simétrica, las fem correspondientes a la parte izquierda
del inducido serán opuestas a las de la parte derecha, y
en consecuencia no circulará ninguna corriente por el
arrollamiento. Para utilizar la fem del inducido y llevarla a un
circuito exterior se han de conectar unas escobillas de salida Ay
B situadas en el eje transversal de los polos para que puedan
aprovechar la máxima fem del devanado. Estas escobillas
dividen el arrollamiento en dos ramas en paralelo con una misma
fem. En cada una de estas ramas, las fem deben tener el mismo
sentido, pues de lo contrario no se utilizarán totalmente
las fem generadas en el arrollamiento. 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 fem en
las bobinas del inducido pasando las espiras correspondientes de
una rama paralelo a otra. La posición exacta de la
línea neutra se determina experimentalmente moviendo el
collar de las escobillas hasta encontrar el punto en el que se
producen las mínimas chispas en el colector de
delgas.

En los inducidos en anillo y también en los que
llevan un devanado imbricado simple el número de circuitos
derivados coincide con el de polos. Si se denomina 2p el
número de polos y 2c el número de circuitos
derivados o ramas en paralelo, se tendrá:

En los devanados ondulados simples, el número de
circuitos derivados es siempre igual a 2, sea cual sea el
número de polos de la máquina, es decir:

Para calcular la fem producida en el inducido de una
máquina de corriente continua, debe tenerse en cuenta que
en cada bobina del arrollamiento se obtiene una fem alterna, de
tal forma que en un semiperíodo de la misma el flujo
concatenado varía entre los límites +F y -F, en
consecuencia el valor medio de la fem obtenida en la bobina en el
tiempo mencionado será:

Donde T indica el período de la tensión.
La frecuencia de la tensión generada va ligada al
número de polos 2p y a la velocidad de rotación en
rpm por la relación:

La fem media en una espira del inducido
será:

Las fem recogidas por las escobillas de la
máquina en las distintas bobinas durante un
semiperíodo dan como resultado una fem que será la
suma de todas las bobinas que componen cada rama en paralelo del
devanado. Si este constan de Z conductores que forman Z/2 bobinas
conectadas en serie, producirían una fem resultante de
magnitud:

Donde es
una constante determinada para cada máquina. De esta
expresión se deduce que la fem puede regularse variando la
velocidad del rotor o cambiando el flujo inductor mediante el
ajuste de la corriente de excitación en los
polos.

• I. GENERADORES DE
  C.C.

Los generadores de c.c. o dinamos convierten una
energía mecánica de entrada en energía
eléctrica de salida en forma de corriente continua. En la
actualidad, estos generadores han caído en desuso y han
sido sustituidos por los rectificadores, generalmente de silicio,
que transforman c.a. en c.c. en forma estática y con mayor
rendimiento. Desde el punto de punto de vista del circuito
eléctrico, las máquinas de c.c. constan de un
inductor o excitación colocado en el estator y de un
circuito giratorio provisto de colector a delgas. El inducido
gira dentro del campo magnético del inductor y genera una
fem continua E en vacío.

Al conectar una carga eléctrica en el 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. Si
se denomina Vesc la caída de tensión por par de
escobillas, la aplicación de las leyes de Kirchhoff al
circuito inducido de la figura 11 conduce a la siguiente
ecuación:

Donde V indica la tensión terminal en bornes de
la máquina. En esta ecuación se ha supuesto
despreciable la posible acción desmagnetizante del
inducido sobre el inductor. Cuando se considera esta
acción se suele expresar como tanto por ciento la
reducción de la fmm de la excitación o su
equivalente caída de tensión del
inducido.

Figura 11 Circuito equivalente de un
Generador de C.C.

Para determinar el proceso de transformación de
energía mecánica en eléctrica en un
generador de c.c. se va a considerar el esquema de la figura 11
en el que se tienen las siguientes ecuaciones de
circuito:

Inductor:

Inducido:

En la figura 12 se observa el principio básico de
obtener c.c. en la salida de un generador de c.c.

Figura 12 Generación de
C.C.

• II. MOTORES DE C.C.

A diferencia de los generadores, los motores de c.c.
transforman tensión continua en sus bornes en movimiento
mecánico en su eje. Los diferentes tipos de motores de
c.c. se clasifican de acuerdo con el tipo de excitación,
de acuerdo a la que se hacía con los generadores, y
así se tiene: motores con excitación independiente,
serie, derivación y compuesta. El circuito equivalente del
motor se observa en la figura 13.

Figura 13 Circuito equivalente de un
Motor de C.C.

El par electromagnético viene determinado por la
expresión:

Desde un punto de vista práctico, estos motores
de c.c. presentan una gran ventaja sobre los motores de c.a.
debido a su posibilidad de regular la velocidad. De acuerdo con
la ecuación:

Si se incluye Ri la resistencia del y escobillas se
tiene:

Teniendo en cuenta la expresión general de la
fem:

Y al sustituir las ecuaciones anteriores y despejando la
velocidad n, se tiene:

Que indica la posibilidad de regular la velocidad de un
motor de c.c. a base de las siguientes variables:

• a) El flujo por polo producido por la corriente
  de excitación. Al disminuir el flujo, aumenta la
  velocidad de rotación, y de ahí el peligro de
  poner en marcha el motor sin conectar la excitación,
  ya que se dará lugar a un embalamiento del motor,
  limitado únicamente por el magnetismo remanente de los
  polos.

• b) La tensión de alimentación V
  aplicada al motor. Al disminuir/aumentar la tensión de
  alimentación se reduce/aumenta la
  velocidad.

• c) La resistencia del circuito inducido, lo que
  se consigue conectando en serie con este devanado una
  resistencia o reóstato variable. Al aumentar/disminuir
  la resistencia del inducido, la velocidad
  disminuye/aumenta.

Estos métodos se emplean en la práctica de
forma independiente o combinada para obtener unas
características adecuadas al régimen de trabajo que
se necesita.

Para invertir el sentido de rotación de un motor
de c.c. es necesario invertir únicamente la corriente en
un solo devanado el cual puede ser el inducido o el
inductor.

CONCLUSIONES

Una máquina de corriente continua está
formada de varias partes y su estructura puede parecer un poco
compleja, pero su principio de funcionamiento se basa en las
leyes fundamentales del electromagnetismo como la ley de
inducción de Faraday. Las piezas que la conforman son
varias pero hemos estudiado las principales como lo son el
inductor que son los polos de la máquina los cuales
generan el flujo magnético necesario para que en el
inducido se generen las tensiones, las cual se juntan en el
colector a delgas y son recogidas por las escobillas para ser
tomadas en el exterior por los bornes de la
máquina.

La importancia de la existencia de las máquinas
de corriente continua radica principalmente en algunas de las
ventajas que presentan frente a las de corriente alterna, como la
regulación de la velocidad y del torque lo cual para estas
máquinas se lo regula con la intensidad de la corriente,
mientras que para las de CA es más complicado la
regulación de estos parámetros.

La principal diferencia o característica de una
máquina de corriente continua es quizá el modo en
que se toma la tensión generada, la cual se la toma del
colector a delgas el cual en lugar de tomar todo el
período de la tensión, toma solo el semiciclo
positivo de la misma dando como resultado una tensión
continua.

Referencias

• [1] Libro "Máquinas eléctricas",
  autor Steven Chapman, capítulo 1, tercera
  edición.

• [2] Libro "Máquinas eléctricas",
  autor Jesús Fraile Mora, capítulo 6, quinta
  edición.

ANEXO

MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA CON
TODAS SUS PARTES

Autor:

José González
Romero

Universidad Politécnica
Salesiana

Facultad de Ingenierías,
Ingeniería Eléctrica Cuenca-Ecuador