Para que la Maquina CD funcione se requiere básicamente un campo magnético de magnitud y dirección definido, un juego de bobinas conectadas a un grupo de delgas que puedan girar libremente y un conjunto de escobillas que permanezca estático. Al anillo conformado por todas las delgas de la máquina se le denomina colector.
· COMPOSICIÓN DEL ESTATOR DE LA MAQUINA CD
Las partes principales que debe tener una Maquina CD en el estator para que pueda funcionar son el campo magnético y las escobillas.
El campo magnético puede estar formado por imanes permanentes, pero su uso está muy limitado a máquinas muy pequeñas debido a que con estos se logran densidades de campo muy pequeñas y no permiten variar el campo o su polaridad externamente. Por consiguiente, en términos generales, el campo de las Maquina de CD está formado por electroimanes.
El campo de la Maquina CD está constituido por cualquier número de pares de polos magnéticos. Un polo magnético está construido por un arrollamiento de espiras montado sobre un núcleo magnético de baja reluctancia y alta permeabilidad magnética, normalmente acero al silicio. Al arrollamiento de espiras se le conoce con el nombre de bobinas de campo y al núcleo magnético sobre el cual se montan las bobinas de campo se les conoce con el nombre de piezas polares. Este núcleo debe ser laminado para reducir las pérdidas por corrientes de Foucault. En la Figura 1 se presenta la forma de un polo magnético de una máquina de corriente directa.
Figura 1. Polo magnético del estator de una máquina DC
Usar electroimanes para crear los polos de la máquina tiene varias ventajas sobre los imanes permanentes en el funcionamiento de la máquina:
· Con el electroimán se pueden conseguir densidades de flujo mayores que las que se consiguen con imanes permanentes y por consiguiente se pueden lograr mayores fuerzas electromotrices.
· Los imanes permanentes están construidos con una polaridad definida (Norte y sur definidos) que proporcionan una densidad de campo con una dirección invariable. En los electroimanes la dirección del campo magnético producido por el polo está definido por el sentido de circulación de la corriente; luego, para variar el sentido de la densidad de campo magnético solo se requiere invertir el sentido de circulación de la corriente, en otras palabras, invertir la polaridad de la fuente que alimenta al polo. La inversión de la polaridad del campo magnético invertirá la polaridad de la fem inducida.
· El flujo magnético producido por el electroimán es proporcional al número de espiras y a la corriente que circula por la bobina, así:
Donde:
f: Campo magnético producido por la espira
K: Constante de proporcionalidad que depende de las características del núcleo de la bobina
N: Número de espiras de la bobina
I: Corriente que circula por la bobina.
Si se requiere variar el campo magnético, simplemente se varía la corriente que circula por la bobina de campo variando el voltaje con que es excitada. Al variar el campo varía la densidad de campo magnético y por ende, varía la fem inducida. En el caso de los imanes permanentes la densidad de campo no puede variarse.
Acorde con esta característica, las bobinas de campo de las máquinas de corriente directa (DC) se construyen con un gran número de espiras y de conductores delgados (baja corriente), con el fin de lograr una variación del campo más fina. La Figura 2 presenta una vista del estator de una máquina de cuatro polos.
Figura 2. Representación del estator de una máquina DC
Tal como se observa en la figura, los polos se interconectan entre sí y se alimentan con una fuente de corriente directa de tal forma que la polaridad de los polos sea alternada, N-S-N-S.
Además de las partes mostradas en la Figura 2, el estator también contiene las escobillas que sirven para tener disponible al exterior de la máquina la fem inducida en los conductores del rotor. Esta fem será de corriente directa si los terminales de las bobinas del rotor se conectan entre sí mediante delgas.
Las escobillas van fijas al estator mediante los portaescobillas que les permiten mantenerse en una buena posición y cuentan con un resorte que les ayuda a mantener buen contacto al colector.
· COMPOSICIÓN DEL ROTOR DE LA MAQUINA CD
En términos generales, las partes que constituyen el rotor de la máquina DC son: el eje, el colector, el núcleo y las bobinas. En la Figura 3 se presenta esquemáticamente las partes que constituyen el rotor de la máquina.
El eje: Sostiene y mantiene centradas las demás partes del rotor. Va montado sobre los rodamientos ubicados en las tapas del estator para permitir que el rotor gire libremente.
El colector: Se denomina colector al conjunto de delgas a las cuales van conectadas las bobinas y que permiten que la fem que se induce en las bobinas del rotor sea tomada como corriente directa por las escobillas, por tal motivo se dice que el colector de la máquina DC actúa como rectificador.
El núcleo: Las bobinas del rotor, sobre las cuales se induce la fem, van montadas sobre un núcleo de material magnético que permite la concentración de líneas de campo magnético que atraviesan las bobinas. El núcleo del rotor debe ser laminado y de material idéntico al del núcleo del estator. En la Figura 3 se puede ver la forma del núcleo de una máquina de corriente directa, en él se pueden distinguir tres partes: la ranura es el espacio en el cual se colocan las bobinas, el diente es el espacio saliente de núcleo que hay entre dos ranuras consecutivas y el yugo es todo el núcleo que queda por debajo de las ranuras hasta el eje.
Las bobinas: Se construyen de material conductor, normalmente alambre esmaltado de cobre. Van conectadas entre sí a través del colector y su forma de conectarse es lo que determina el tipo de devanado del inducido o rotor de la máquina DC.
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE CD
El motor de CD es una máquina eléctrica rotativa que recibe energía mecánica externa y la convierte en energía eléctrica, entregando a la salida un voltaje de corriente directa.
Puede ser usada como generador de corriente directa o como motor CD. En la Figura 5 se presentan los circuitos equivalentes de la máquina CD tanto para el motor como para el generador.
Figura 4. Movimiento giratorio del Motor
Figura 5. Circuito equivalente del generador y del motor
En el motor, la corriente va desde la fuente externa hacia el inducido y está en el mismo sentido del voltaje de la fuente de alimentación, pero en sentido opuesto a Eg. En el generador, fem inducida Eg está en la misma dirección de la corriente de armadura.
La resistencia variable incluida entre la fuente de alimentación y el inducido cuando la máquina funciona como motor, sirve para variar el voltaje aplicado a la armadura.
En la Figura 6 se representa la máquina trabajando como generador y como motor. En el primer caso, gira en sentido horario con una velocidad h y su campo tiene la polaridad indicada, por consiguiente en los conductores se induce una fuerza electromotriz entrando al plano del papel para los conductores frente al polo norte y saliendo del plano del papel para los conductores frente al polo sur. Al poner carga circulará por el inducido una corriente en la misma dirección de la fuerza electromotriz inducida.
Figura 6. funcionamiento de la maquina CD como generador / motor
Para el caso del motor, la máquina se ha alimentado con un voltaje V y empieza a circular corriente por los conductores con dirección saliendo del plano del papel para los conductores frente al polo norte y entrando al plano del papel para los conductores frente al polo sur. Se observa claramente que el sentido de circulación de la corriente es contrario en el motor con respecto al sentido de circulación de corriente del generador, tal como se representó en los circuitos de la Figura 5.
Como por los conductores de la armadura del motor circula corriente y como estos conductores están sometidos a un campo magnético producido por las bobinas de campo, los conductores del rotor experimentan una fuerza cuya dirección y magnitud está dada por:
Debido a la fuerza que experimenta cada conductor de la armadura sobre el eje se ejercerá un PAR que hará girar al rotor en el sentido horario, que es el mismo sentido de giro de la máquina cuando funciona como generador.
CIRCUITO EQUIVALENTE DE LA MAQUINA CD
En la Maquina CD se pueden diferenciar dos partes principales: el campo formado por los polos principales que producen el flujo polar o flujo principal de la máquina y el inducido o armadura formado por el bobinado del rotor con salida a través de las escobillas.
Circuitalmente el campo se representa como se indica en la Figura 7. Está alimentado con corriente directa, y la corriente a través de él se denomina la corriente de excitación de la máquina y se denota como Iexc. Sus terminales se marcan con la letra F tal como se indica en la figura. Normalmente es deseable poder variar el flujo polar en la máquina; esto se hace variando el voltaje aplicado entre los terminales del campo, frecuentemente mediante un reóstato denominado reóstato de excitación denotado en la figura como Rexc.
Figura 7. Representación circuital de la Maquina CD
Circuitalmente El inducido de la máquina está formado por dos elementos: la resistencia de armadura Ra formada por la suma de la resistencia propia del devanado del inducido más la resistencia de las escobillas y la fuerza electromotriz Eg inducida por el giro del inducido dentro del campo. En los terminales del inducido, marcados con la letra A, se conecta la carga.
CLASES DE MAQUINA CD
· MAQUINA CD DE EXCITACIÓN INDEPENDIENTE
La Máquina CD de excitación independiente requiere de una fuente de corriente directa externa para alimentar el campo, su esquema de conexiones se presenta en la Figura 8(a) y en la Figura 8(b) se presenta su curva característica.
Figura 8. Maquina CD de excitación independiente
La Máquina CD de excitación independiente se utiliza cuando se requiere tener la posibilidad de variar el voltaje de salida entre 0 V y el voltaje nominal, es decir cuando se requiere tener la posibilidad de una regulación de voltaje muy amplia. Su desventaja es que requiere de una fuente de corriente directa adicional.
En el esquema de la figura se ha puesto un reóstato para controlar el voltaje que alimenta el campo, con lo cual se varía la corriente de excitación y por consiguiente la magnitud del campo o flujo polar. A dicho reóstato se le conoce con el nombre de reóstato de campo o reóstato de excitación.
· MAQUINA CD SHUNT
Esta Maquina CD no requiere de una fuente adicional para alimentar a su campo; éste es alimentado por el mismo voltaje generado en el inducido.
Su funcionamiento consiste en que al poner a girar la máquina, debe existir un flujo remanente en los polos. Debido al flujo remanente y al giro que se le ha impuesto a la máquina, se induce una pequeña fem en el inducido llamado “voltaje remanente” de la máquina. Con este voltaje remanente comienza a circular por una pequeña corriente de excitación el campo que hace que el flujo polar aumente ya que éste es proporcional a la corriente de excitación (fp=KNIexc). Al aumentar el flujo polar, aumenta la fem inducida en la armadura (Eg=Khfp). Al aumentar la fem inducida en la armadura, aumenta nuevamente la corriente de excitación, aumenta el campo y nuevamente aumenta la fem inducida en la armadura. Este proceso termina cuando la corriente de excitación de los polos llega a la saturación. La curva característica de esta máquina se presenta en la Figura 9(b) y el esquema de la máquina se presenta en la Figura 9(a).
Figura 9. Maquina CD shunt
Acorde con el proceso de generación de la Maquina CD shunt, se debe poner primero a girar la máquina a su velocidad nominal teniendo el reóstato de excitación Rexc en su mínimo valor para que permita un buen aumento de la corriente de excitación cuando la máquina comienza a generar. Cuando ya se tiene generando la máquina a condiciones nominales, es posible variar su voltaje generado variando su velocidad o variando su flujo polar mediante el reóstato de excitación; sin embargo, para un buen funcionamiento se usa esta máquina para cargas que tienen un voltaje cercano al nominal, normalmente un voltaje que en la curva característica este en la parte del codo.
· LA MAQUINA CD COMPUESTA (COMPOUND)
La Máquina CD compuesta es una variación de la Maquina CD shunt. Al igual que en ésta, su campo se conecta en paralelo con el inducido pero adicionalmente tiene una bobina de pocas espiras y de conductor grueso (para soportar la corriente de armadura) montada sobre los polos principales y conectada en serie con la armadura. A esta bobina se le llama “bobina serie”.
Para conectar el campo se tienen dos formas: conectarlo directamente a los terminales del inducido, en cuyo caso se tiene la conexión compound corta, o conectarlo en paralelo a la rama de la bobina serie con el inducido, en cuyo caso se tiene la conexión compound largo, tal como presenta en la Figura 10.
Figura 10. Maquina CD compound
Al poner carga al generador, el voltaje de salida V disminuye debido en parte a la caída de tensión en la resistencia de armadura, la corriente de carga circula por la bobina serie la cual esta arrollada de tal forma que genera un campo adicional de la misma polaridad al flujo polar. Así, al poner carga, el flujo de la máquina es reforzado por el flujo de la bobina serie, restaurando el voltaje de salida de la máquina.
Este tipo de Maquina CD se utiliza cuando se tienen cargas muy variables en las cuales es importante mantener un voltaje constante.
TOMA DE CARGA Y CONTROL DE VELOCIDAD DEL MOTOR CD
De acuerdo con el circuito equivalente del motor de CD presentado en la Figura 4, se tiene para el inducido la ecuación:
Dónde:
V: Voltaje aplicado a la armadura del motor
I: Corriente que circula por la armadura
Ra: Resistencia propia de la armadura
Eg: Fuerza contraelectromotriz inducida en la armadura
Despejando de esta ecuación la corriente de la armadura del motor se tiene:
Reemplazando
, la corriente queda expresada como:
, la corriente queda expresada como:
Al ponerle carga al motor, éste se frena por efecto mecánico de la carga y por consiguiente, la fem inducida se reduce y la corriente de la máquina aumenta. Al aumentarse la corriente por la armadura, la fuerza que experimentan los conductores también se aumenta, aumentando el torque sobre el eje y el motor es capaz de mover la carga.
De la ecuación anterior se despeja la velocidad de la máquina h, dada en RPM:
De esta ecuación se deduce que los únicos parámetros que se pueden variar externamente para modificar la velocidad de la máquina, son el voltaje aplicado V y el flujo polar fp.
Luego, para aumentar la velocidad de la máquina se puede aumentar el voltaje aplicado a la armadura V o disminuir el flujo polar fp. Sin embargo, el flujo polar no se puede llevar a un valor cercano a cero porque la velocidad de la máquina tendería a ser infinita, en otras palabras, el motor se embala. En consecuencia, se usa la variación de voltaje para hacer grandes variaciones de velocidad y la variación de flujo para hacer pequeños ajustes, teniendo en cuenta siempre que el flujo de la máquina no se puede reducir demasiado y que la conexión del campo de la máquina debe ser el más seguro y debe estar protegido para que, contra eventuales fallas de desconexión de este, se desconecte automáticamente también la alimentación de la armadura.
ANÁLISIS DE LA REACCIÓN DE INDUCIDO EN EL MOTOR DC
Como se explicó en la Maquina CD, la corriente que circula por los conductores del rotor produce un flujo magnético alrededor de ellos, cuya dirección está dada por la regla de la mano derecha.
Este campo magnético interactúa con el campo magnético producido por los polos de la máquina, dando como resultado un campo magnético resultante. La magnitud y dirección de este flujo resultante varía con la corriente por los conductores del inducido.
La zona neutra de la máquina es siempre perpendicular al flujo resultante y varía de sentido según cambie la magnitud de la corriente de armadura. En la Figura 11 se presenta el efecto de reacción de inducido y la variación de la zona neutra para el generador y para el motor, tomando como referencia la máquina de la Figura 6.
Figura 11. Reacción del inducido en la máquina DC
En la Figura 11 se aprecia que para la máquina girando en el sentido horario como generador y como motor, el sentido de las corrientes por la armadura es contrario, así mismo, el sentido del flujo de reacción de inducido producido por la armadura de ambas máquinas es opuesto y la zona neutra se desplazará en sentidos opuestos para las dos máquinas.
Luego, PARA EL GENERADOR, LA ZONA NEUTRA SE DESFASA un ángulo q EN EL SENTIDO DE GIRO DE LA MÁQUINA y PARA EL MOTOR, LA ZONA NEUTRA SE DESPLAZA un ángulo q EN SENTIDO CONTRARIO AL GIRO DE LA MÁQUINA.
De la misma forma que la máquina funcionando como generador, como motor existen dos métodos para corregir el chispeo producido por el efecto de la reacción de inducido: EL DESFASE DE ESCOBILLAS y EL USO DE INTERPOLOS o polos auxiliares; sin embargo, si la reacción de inducido en el motor se da en sentido contrario a como se da en el generador, el desfase de escobillas y la polarización de los interpolos también deberá hacerse en sentido contrario, como se explica a continuación.
Si la carga es constante se desfasan las escobillas así:
· EN EL GENERADOR SE DESFASAN LAS ESCOBILLAS EN EL SENTIDO DE GIRO DE LA MÁQUINA HASTA LA NUEVA ZONA NEUTRA.
· EN EL MOTOR SE DESFASAN LAS ESCOBILLAS EN SENTIDO CONTRARIO AL DEL GIRO DE LA MÁQUINA HASTA LA NUEVA ZONA NEUTRA.
Si la máquina trabaja con cargas variables se usan los interpolos, su polaridad con respecto a la polaridad del campo principal, tomándolo en el sentido de giro de la máquina es:
· PARA EL GENERADOR: N – s – S – n
· PARA EL MOTOR: N – n – S – s
Donde se ha tomado en mayúscula la polaridad de los polos principales y en minúscula la de los polos auxiliares.
· Apuntes de clase Maquinas de CD, Profesor Emiro Diez, UPB - Semestre 1/2013
· Máquinas Eléctricas, Unidad 4. Gloria E. Bernal Tobón - Alexandra María Gutiérrez Correa
