1. La máquina de corriente directa

UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y
ELÉCTRICA
“PROPUESTA DE MATERIAL DIDÁCTICO
PARA LA EXPERIENCIA EDUCATIVA DE
SISTEMAS ELÉCTRICOS DE CORRIENTE
DIRECTA“
TRABAJO PRACTICO TÉCNICO
Que para obtener el título de:
INGENIERO MECÁNICO ELÉCTRICISTA
PRESENTA:
FERNANDO RICARDEZ GALVÁN
DIRECTOR:
ING. JESÚS ANTONIO CAMARILLO
MONTERO
XALAPA, VER.
JUNIO 2014
Ricardez, 2014
2
DEDICATORIAS
El presente trabajo así como todo el esfuerzo y labor hecho a lo largo de mi
carrera se lo agradezco y dedico a:
A mi abuelita, Elvia Gutiérrez Chimal, que gracias a ella salí adelante como
persona, y me ha guiado durante toda mi vida, así como apoyado en mis días
buenos y sobre todo en los malos.
A mi padre, Fernando Ricardez Mendoza, y a mi madre, Rosa Aurora Galván
Gutiérrez, que gracias a su apoyo y sacrificio pude seguir adelante en mis
estudios y mi vida, al igual que me dieron las bases para ser una persona
triunfadora en la vida así como la mentalidad para siempre seguir adelante y
nunca darme por vencido.
A mis tíos que me han visto como un hijo y ayudado para nunca caer, así como
por sus consejos sobre la vida.
A mis maestros, que a lo largo de toda la carrera me enseñaron, apoyaron y
ayudaron para entender a sus asignaturas, al igual que por sus consejos para
ser un mejor estudiante, persona e ingeniero, en especial, a mi asesor y
director de este trabajo, el ingeniero, Jesús Camarillo Montero, el cual me
asistió siempre que lo requería y brindo ayuda en temas que desconocía.
A mis amigos y amigas, que durante la carrera me motivaron a seguir adelante
y a no darme por vencido en los momentos de frustración o en aquellos temas
que no entendía y me explicaban y brindaban su ayuda, en especial a mi
amiga, Melissa Vásquez Cruz, que durante toda la carrera me brindó su apoyo
y ayuda incondicional en aquellos pasajes de mi vida en los cuales me
encontraba con problemas y no sabía o entendía cómo resolverlos.
Ricardez, 2014
3
Índice
ÍNDICE
1.
LA MÁQUINA DE CORRIENTE DIRECTA. .................................................................. 1
1.1
Teoría y funcionamiento de la máquina de corriente directa. ...................... 3
1.1.1
1.2
Inducción electromagnética. ............................................................................... 15
1.2.1
1.3
Circuito magnético de una máquina CD. ................................................. 21
Pérdidas. ................................................................................................................... 24
1.4.1
Pérdidas rotacionales. .................................................................................. 26
1.4.2
Pérdidas variables. ........................................................................................ 29
1.4.3
Pérdidas diversas o varias. ......................................................................... 30
1.5
Problemas de conmutación................................................................................. 31
1.5.1
2.
Inducción electromagnética en una máquina CD. ................................. 17
Circuito magnético................................................................................................. 20
1.3.1
1.4
Componentes principales de las máquinas de corriente directa. ....... 5
Solución de los problemas en la conmutación. ..................................... 35
1.6
Obtención de la curva de saturación. ............................................................... 38
1.7
Construcción de las máquinas CD. ................................................................... 41
1.7.1
Construcción de los polos y la estructura. ............................................. 42
1.7.2
Construcción del rotor o armadura. .......................................................... 44
1.7.3
Colector y escobillas. .................................................................................... 44
1.7.4
Aislamiento de los devanados.................................................................... 46
FUENTES DE CORRIENTE DIRECTA. ....................................................................... 47
2.1
Generadores de corriente directa. ..................................................................... 48
Ricardez, 2014
4
Índice
2.1.1
Generador de excitación separada............................................................ 50
2.1.2
Generador CD en derivación. ...................................................................... 53
2.1.3
Generador CD serie. ...................................................................................... 60
2.1.4
Generador CD compuesto acumulativo. .................................................. 62
2.1.5
Generador CD compuesto diferencial. ..................................................... 68
2.2
Rectificadores polifásicos de potencia. ........................................................... 72
2.2.1
3.
MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA. ..................................................................... 80
3.1
Introducción a los motores CD........................................................................... 80
3.2
Circuito equivalente del motor CD. ................................................................... 81
3.3
Curvas de magnetización de una máquina CD. ............................................. 83
3.4
Tipos de motores CD............................................................................................. 84
3.4.1
Motores CD con excitación separada y motores CD en derivación. 84
3.4.2
Motor CD de imán permanente. .................................................................. 91
3.4.3
Motor CD serie. ............................................................................................... 94
3.4.4
Motor CD compuesto. ................................................................................... 98
3.5
4.
Rectificadores polifásicos. .......................................................................... 73
Determinación de la eficiencia. ........................................................................ 102
NORMATIVIDAD Y PRUEBAS PARA MÁQUINAS DE CD................................... 105
4.1
Resistencia de aislamiento. ............................................................................... 105
4.1.1
Pruebas de resistencia de aislamiento. ................................................. 107
4.1.2
Índice de polarización. ................................................................................ 108
4.1.3
Efectos de la temperatura en las medidas de resistencia................. 109
Ricardez, 2014
5
Índice
4.2
Método del puente de Wheatstone para medir la resistencia de los
bobinados. ......................................................................................................................... 110
5
4.3
Resistencia del circuito de armadura. ............................................................ 111
4.4
Resistencia de los campos. ............................................................................... 112
4.5
Longitud del entrehierro..................................................................................... 113
4.6
Vibración. ............................................................................................................... 114
4.7
Normas para fabricación y operación. ........................................................... 115
4.7.1
NEMA (National Electrical Manufacturers Association). ................... 115
4.7.2
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). .................. 120
SISTEMAS DE ALTO VOLTAJE EN CORRIENTE DIRECTA. ............................. 122
5.1
Tecnología de alta tensión en corriente directa (HVDC). .......................... 123
5.2
Componentes de una línea de transmisión de CD. ..................................... 124
5.2.1
Inductores y filtros de armónicos del lado de CD (convertidor de 6
pulsos). 125
5.2.2
Transformadores convertidores. ............................................................. 126
5.2.3
Fuente de potencia reactiva. ..................................................................... 128
5.2.4
Filtros de armónicos en el lado de CA. .................................................. 128
5.2.5
Enlace de comunicaciones. ....................................................................... 129
5.2.6
Electrodo de tierra. ...................................................................................... 129
5.2.7
Estación de convertidor tiristor................................................................ 131
5.2.8
Reactancia de suavizado............................................................................ 133
5.2.9
Interruptores. ................................................................................................. 134
5.3
Tipos de sistemas y configuraciones. ............................................................ 135
Ricardez, 2014
6
Índice
5.3.1
Tipos de conexiones en HVDC. ................................................................ 135
5.3.2
Configuraciones del sistema HVDC. ....................................................... 138
5.3.3
Sistemas de transmisión de alta tensión en corriente directa
(HVDC). 141
5.4
Sistemas convertidores de fuentes (VSC) y conversión de líneas de CA
en CD. .................................................................................................................................. 148
5.4.1
Tecnología VSC (Voltage Source Converter)........................................ 148
5.4.2
Tecnología LCD (Line Commutated Converter). .................................. 149
5.5
6
Cables para transmisión. ................................................................................... 150
5.5.1
Líneas aéreas. ............................................................................................... 150
5.5.2
Líneas subterráneas y submarinas. ....................................................... 151
5.6
Ventajas y desventajas con respecto a la transmisión en CA. ................ 153
5.7
Avances y tendencias en el uso de sistemas HVDC. ................................. 157
5.7.1
Interconexión de Egipto-Arabia Saudita. ............................................... 162
5.7.2
Interconexión GCD....................................................................................... 162
5.7.3
HVDC 2000...................................................................................................... 163
SISTEMAS DE CD EN VEHÍCULOS ELÉCTRICOS. .............................................. 166
6.1
Tipos vehículos eléctricos. ................................................................................ 167
6.1.1
Híbridos........................................................................................................... 168
6.1.2
Eléctricos........................................................................................................ 169
Componentes. ...................................................................................................... 171
6.2
6.2.1
6.3
Componentes principales. ......................................................................... 174
Sistema eléctrico del vehículo. ......................................................................... 181
Ricardez, 2014
7
Índice
6.3.1
Cadena de tracción en las que se utiliza un solo motor. ................... 183
6.3.2
Cadenas de tracción en las que se utilizan dos motores. ................. 184
6.3.3
Cadenas de tracción en las que se utilizan cuatro motores. ............ 184
6.4
7
Motores. .................................................................................................................. 185
6.4.1
Motores CD. ................................................................................................... 186
6.4.2
Motores síncronos. ...................................................................................... 187
6.4.3
Motores de reluctancia conmutada. ........................................................ 188
6.4.4
Necesidades de desarrollo en todos los tipos de motores. ............. 189
BATERÍAS. ..................................................................................................................... 190
7.1
Fundamentos......................................................................................................... 191
7.2
Tipos de baterías. ................................................................................................. 192
7.2.1
7.3
Aplicaciones convencionales. .......................................................................... 201
7.4
Baterías para automóviles eléctricos. ............................................................ 204
7.4.1
Recarga. .......................................................................................................... 206
7.4.2
Duración. ........................................................................................................ 207
7.4.3
Otras baterías. ............................................................................................... 207
7.5
8
Tipos de baterías más comunes. ............................................................. 195
Mantenimiento de las baterías. ......................................................................... 210
7.5.1
Definiciones y acronismos. ....................................................................... 211
7.5.2
Instrucciones. ................................................................................................ 211
APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE CD. ......................................................... 218
8.1
Aplicaciones de motores de corriente directa. ............................................ 218
Ricardez, 2014
8
Índice
8.1.1
Aplicaciones domésticas. .......................................................................... 220
8.1.2
Aplicaciones en transporte. ...................................................................... 220
8.1.3
Aplicaciones industriales........................................................................... 221
8.2
Aplicaciones de generadores de corriente directa. .................................... 222
8.3
Procesos electroquímicos. ................................................................................ 224
8.3.1
Términos de electroquímica. ..................................................................... 225
8.3.2
Celda electroquímica................................................................................... 226
8.3.3
Corrosión electroquímica. ......................................................................... 228
8.3.4
Aplicaciones de procesos electroquímicos. ......................................... 229
8.4
Procesos electrolíticos. ...................................................................................... 230
8.4.1
Significado del número de Avogadro en la electrólisis. .................... 233
8.4.2
Aplicaciones de la electrólisis. ................................................................. 233
CONCLUSIONES ................................................................................................................... 236
ANEXOS. ................................................................................................................................. 238
REFERENCIAS ...................................................................................................................... 242
Ricardez, 2014
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1. La máquina de corriente directa
1. LA MÁQUINA DE CORRIENTE DIRECTA.
Una máquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica
en energía eléctrica o energía eléctrica en energía mecánica. Cuando la
máquina es utilizada para convertir energía mecánica en energía eléctrica, se
denomina generador; cuando convierte energía eléctrica en energía mecánica,
se llama motor.
Casi todos los motores y generadores, convierten la energía de una a otra
forma a través de la acción de campos magnéticos. Existen cuatro principios
básicos que describen como se utilizan los campos magnéticos en estos
dispositivos:
Un conductor que porta corriente produce un campo magnético a su alrededor.
Un campo magnético variable con el tiempo induce un voltaje en una bobina de
alambre si pasa a través de esta (base del funcionamiento del transformador).
Un conductor que porta corriente en presencia de un campo magnético
experimenta una fuerza inducida sobre él (base de funcionamiento del motor).
Un conductor eléctrico que se mueva en presencia de un campo magnético
tendrá un voltaje inducido sobre él (base de funcionamiento del generador).
Una máquina eléctrica puede ser una máquina de rotación, en la que los
voltajes se generan en los devanados, al girar estos devanados de forma
mecánica a través de un campo magnético o al girar mecánicamente
campo magnético por el devanado.
un
Al conjunto de dichos devanados
conectados entre sí, comúnmente se le denomina devanado de armadura o
inducido.
Dentro de una máquina rotativa también existe un devanado de excitación el
cual consiste en un devanado secundario que lleva corriente directa y se utiliza
para producir el flujo principal de operación en la máquina.
Las leyes o principios bajo los que funciona una máquina eléctrica son los
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1
1. La máquina de corriente directa
siguientes:
Fuerza de Lorentz: cuando un conductor que transporta corriente se coloca en
un campo magnético, se somete a una fuerza llamada fuerza electromagnética.
Ley de Ampere: establece que la circulación de la intensidad del campo
magnético en un contorno cerrado es igual a la corriente que lo recorre en ese
contorno.
Figura 1.1 Una corriente eléctrica
produce un campo magnético,
siguiendo la Ley de Ampere.
Ley de Inducción Faraday: se define como la fuerza electromotriz inducida en
un circuito conductor cerrado, debido al flujo producido por un imán, es decir, si
el flujo magnético unido con un circuito conductor cerrado varia, se induce una
fuerza electromotriz en el circuito.
Figura 1.2 Representación de
la ley de inducción Faraday.
Ley de Lenz: menciona que el sentido de la corriente inducida seria tal que su
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1. La máquina de corriente directa
flujo se opone a la causa que la produce.
1.1 Teoría y funcionamiento de la máquina de corriente directa.
Las máquinas de corriente directa se caracterizan por su versatilidad. Por
medio de varias combinaciones de devanados de campos excitados en
derivación o paralelo, en serie y de excitación separada, son diseñadas para
mostrar una amplia variedad de características volt-ampere o velocidad-par,
tanto para funcionamiento dinámico como para funcionamiento de régimen
permanente.
Por la facilidad con que son controlados, los sistemas de corriente directa se
utilizan con frecuencia en aplicaciones que requieren una gran gama de
velocidades de motor o el control preciso del rendimiento del motor.
La mayoría de las máquinas CD son semejantes a las máquinas de corriente
alterna (CA) pues tienen voltajes y corrientes CA dentro de ellas; las máquinas
CD tienen una salida CD solo porque existe un mecanismo que convierte los
voltajes CA internos en voltajes CD en sus terminales. Este mecanismo se le
denomina conmutador, y debido a esto a la máquina CD se le conoce también
como maquinaria de colector o conmutada.
Figura 1.3 Funcionamiento de un conmutador.
El devanado de armadura o inducido de un generador de corriente directa se
encuentra en el rotor con corriente que se conduce mediante escobillas de
carbón. El devanado de excitación se localiza en el estator y se excita por
medio de corriente directa.
En la figura 1.4 se presenta el esquema de un generador muy elemental de
corriente directa bipolar. El devanado de armadura o inducido, que consiste en
una bobina única con N número de vueltas, se indica por medio de los dos
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1. La máquina de corriente directa
costados de la bobina a y –a colocados en puntos diametralmente opuestos en
el rotor con los conductores paralelos a la flecha.
Figura 1.4 Máquina elemental de corriente directa
con conmutador.
El rotor normalmente gira a velocidad constante por medio de una fuente
mecánica de potencia que se conecta a la flecha, llamada primomotor. En
general, la distribución de flujo del entrehierro se aproxima a una onda
rectangular, debido al chaflán que se les hace a los polos, en vez de la onda
sinusoidal que se presenta en las máquinas de corriente alterna, pues cuenta
con polos lisos, como la de la figura 1.5.
La rotación en la bobina genera un voltaje de bobina que es una función del
tiempo.
Figura 1.5 a) Ditribucion espacial de la densidad del flujo del
entrehierro en una máquina elemental de corriente directa; b)
forma de onda del voltaje entre escobillas.
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1. La máquina de corriente directa
Aunque el objetivo final es la generación de un voltaje directo, el voltaje
inducido en una bobina de inducido individual deberá rectificarse.
En la máquina de corriente directa convencional, la rectificación se produce de
forma mecánica por medio de un conmutador, que es un cilindro de material
aislado en el que se monta, también de manera aislada, la flecha del rotor.
Las escobillas de carbón estacionario se sostienen en contra de la superficie
del conmutador que conecta al devanado con las terminales externas del
armazón.
Para el generador elemental de corriente directa, el conmutador adopta la
forma que se muestra en la figura 1.5.
Para el caso de la dirección de rotación, que se esquematiza, el conmutador,
en la totalidad del tiempo, conecta el costado de la bobina que se ubica debajo
del polo sur con la escobilla positiva y el costado de la bobina que se localiza
debajo del polo norte con la escobilla negativa.
El conmutador suministra una rectificación total de onda, al transformar la
forma de onda del voltaje entre escobillas a una longitud de onda, como la que
se observa en la figura 1.5b y dispone un voltaje unidireccional al circuito
externo.
El efecto de la corriente directa en el devanado de excitación de una máquina
de CD es crear una distribución de flujo magnético que sea estacionario con
respecto al estator.
El efector del conmutador funciona de tal modo que cuando la corriente directa
fluye a través de las escobillas, el inducido crea una distribución de flujo
magnético que también se fija en el espacio y cuyo eje, determinado por el
diseño de la máquina, y la posición de las escobillas, generalmente es
perpendicular al eje del flujo de excitación.
1.1.1 Componentes principales de las máquinas de corriente directa.
Cuando se habla del funcionamiento y teoría de una máquina y en especial un
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1. La máquina de corriente directa
dispositivo eléctrico, hablamos de que componentes son los que hacen
funcionar a una máquina, pero la mayoría de estos, no son conocidos en la
realidad o en imagen por el que lo estudia por primera vez, por lo tanto, a
continuación se hará una breve descripción de los componentes de una
máquina de corriente directa.
Las partes principales que forman una máquina (generador o motor) de
corriente directa son el estator y rotor o armadura.
Figura 1.6 Componentes de una máquina de corriente directa.
Estator: está constituido por una corona de material ferromagnético
denominada culata, en cuyo interior van dispuestos unos salientes radiales con
una expansión en su extremo, denominados polos, los cuales se encuentran
distribuidos y en números par, y están sujetados por tornillos a la culata.
Rodeando los polos, se halla una bobina de hilo, o pletina de cobre aislado,
que al ser alimentadas por CD, crean el campo magnético inductor de la
máquina, el cual presentara alternativamente polos norte y sur.
Ricardez, 2014
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1. La máquina de corriente directa
Figura 1.7 Estator de una máquina CD
Yugo o carcasa: es el envolvente que sirve para proteger a la máquina y
sostener las partes fijas que consta el circuito magnético formado por partes del
mismo. Para máquinas de baja y media potencia, se fabrica de láminas de
acero rolado y para máquinas de mayor potencia se fabrican con laminación de
material magnético de buena calidad con el objetivo de reducir al mínimo las
perdidas magnéticas debidas a la histéresis y corrientes pulsantes.
Figura 1.8 Inductor de una máquina CD.
Piezas polares o polos: es la parte del circuito magnético situada entre la
culata y el entrehierro, incluyendo el núcleo y la expansión polar. Se fabrican
de un material magnético laminado utilizando en algunos casos laminación en
forma especial para obtener en el extremo de los polos un entrehierro o
espacio de aire que represente una reluctancia elevada para impedir la
distorsión y la desaparición de las líneas de fuerza del campo magnético
cuando se presenta en la máquina el remanente de la sección de armadura. En
la parte inferior del polo, que es de la forma apropiada y con una curvatura muy
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1. La máquina de corriente directa
aproximada, a la que tiene la armadura, se llama zapata polar.
Figura 1.9 Componentes constitutivos de una máquina de corriente directa.
Núcleo: parte del circuito magnético, rodeado por el devanado inductor.
Devanado inductor: conjunto de espiras, destinado a producir el flujo
magnético, al ser recorrido por la corriente eléctrica.
Expansión polar: es la parte de la pieza polar próxima al inducido y que
bordea al entrehierro.
Polo auxiliar o de conmutación: en polo magnético suplementario, provisto o
no, de devanados y destinado a mejorar la conmutación.
Campo de excitación: está formado por todas las bobinas que van colocadas
alrededor de cada polo y conectados todos en serie y a la vez en paralelo con
la armadura.
El campo de excitación en un generador CD está conectado en serie con una
resistencia variable que se conoce con el nombre de reóstato de excitación y
sirve para inducir un campo magnético que reforzara y multiplicara muchas
veces el valor del magnetismo remanente de la máquina para que al tener este
mayor flujo magnético pueda inducir una fuerza electromotriz mayor.
Culata: es una pieza de material ferromagnético, no rodeada por devanados, y
destinada a unir los polos de la máquina.
Base: la base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de
operación de la máquina, puede ser frontal o lateral.
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1. La máquina de corriente directa
Figura 1.10 Vista del polo de
conmutacion.
Tapas: las tapas del generador son colocadas y aseguradas al estator por
medio de pernos y colocados a ambos extremos del mismo y contienen el
alojamiento para los cojinetes del eje al rotor o armadura.
Rotor o armadura: el rotor se construye con chapas finas de 0.3 a 0.5 mm de
espesor, aisladas unas de otras por una capa de barniz o de óxido. Con
ranuras en las que se introduce el devanado inducido de la máquina. Este
devanado está constituido por bobinas de hilo o de pletina de cobre
convenientemente aislados, cerrado sobre sí mismo al conectar el final de la
última bobina con el principio de la primera.
Si se tratara de un rotor macizo, debido a la rotación y provocados por el
campo magnético, aparecieran intensas corrientes de Foucault en el hierro del
rotor y esto le provocaría un aumento crucial en la temperatura; con lo cual se
pondría en peligro al devanado. Para mejorar el enfriamiento del rotor, en el
cuerpo del mismo se le practican hendiduras para una adecuada ventilación y
en el lado anterior se pueden sujetar aspas para ventilarlo.
Figura 1.11 Rotor tipico de una máquina CD
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1. La máquina de corriente directa
Eje del rotor: se fabrica de acero debidamente maquinado y construido a
tratamiento térmico cuando se necesita ensamblar con el núcleo magnético de
la armadura.
Armadura: formada por un núcleo magnético de laminación de acero al silicio,
de buena calidad magnética y la laminación tiene un espesor que puede variar
de las 15 milésimas hasta las 30 milésimas de pulgada.
En las ranuras de la armadura se colocan debidamente aisladas las bobinas
que conectaran el embobinado de la máquina y las terminales de estas bobinas
van conectadas de acuerdo con el polo del embobinado y del paso del
conmutador a las delgas correspondientes del mismo.
Figura 1.12 Detalle de un inducido.
Devanado inducido: es el devanado conectado al circuito exterior de la
máquina y en el que se tiene lugar la conversión principal de la energía. Un
lazo conductor cerrado, que comienza y termina en la parte de la máquina
llamada conmutador y recibe el nombre de bobina.
Bobinas del rotor: en las máquinas de corriente directa, existen varias
maneras en las que se puede conectar las espiras del rotor (conocido como
inducido o armadura) a sus segmentos del conmutador. Estos diferentes tipos
de conexiones afectan el número de caminos de corrientes paralelas que
existen en el rotor, el voltaje de salida del rotor y el número y posición de las
escobillas montadas sobre los segmentos del conmutador.
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1. La máquina de corriente directa
La mayoría de los devanados del rotor están constituidos por bobinas
preformadas en forma de diamantes, insertadas en las ranuras del rotor como
una sola unidad. Cada bobina está hecha con un número de vueltas (espiras)
de alambre y cada una está envuelta con cinta y se encuentra aislada de las
otras y la ranura del rotor.
A
cada
lado
de
una
vuelta
se
la
llama
Normalmente una bobina abarca 180º eléctricos, por esto,
conductor.
si una bobina
abarca los 180º eléctricos los voltajes en los conductores en cualquier lado de
la bobina serán exactamente iguales en magnitud y opuestos en dirección en
todo momento, a este tipo de bobina se le llama bobina de paso diametral.
A las bobinas que abarcan menos de 180º eléctricos se les conoce como
bobinas de paso fraccionario y a su devanado se le llama devanado de
cuerdas. Una vez que se han instalado los devanados en las ranuras del rotor,
se deben conectar los segmentos del conmutador.
Existen dos secuencias básicas de conexiones de devanados del inducido:
devanados imbricados y devanados ondulados. Un tercer tipo recibe el nombre
de devanado de pata de rana, el cual combina el devanado imbricado y
ondulado en un solo rotor.
Devanado imbricado: es el tipo de devanado más sencillo que se utiliza en las
máquinas de corriente directa modernas. Consta de bobinas que contienen una
o más vueltas de alambre y los dos extremos de cada bobina salen de
segmentos del conmutador adyacentes; si el final de la bobina está conectado
al segmento siguiente a aquel al que está conectado su comienzo el devanado
es imbricado progresivo; si el final de la bobina está conectado al segmento
anterior a aquel al que comienza el devanado es imbricado regresivo.
Devanado ondulado: también llamado en serie, es otra forma de conectar las
bobinas del rotor a los segmentos del conmutador. En un devanado ondulado
siempre hay, solo dos caminos de corriente. Las escobillas en este tipo de
máquina estarán separadas unas de otras por un paso polar completo.
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1. La máquina de corriente directa
También se puede encontrar en progresivo y regresivo.
Figura 1.13 Devanado imbricado.
Si la segunda bobina se conecta al segmento siguiente a la primera bobina, el
devanado es progresivo; si se conecta al segmento anterior a la primera
bobina, el devanado es regresivo.
Figura 1.14 Devanado ondulado
Devanado de pata de rana: combina un devanado imbricado con un devanado
ondulado, de tal manera que los devanados ondulados pueden funcionar como
compensadores para el devanado imbricado.
Núcleo del inducido: formado por un cilindro de chapas magnéticas que están
construidas de acero laminado con silicio para mejorar las pérdidas en el
circuito magnético. Este cilindro se fija al eje de la máquina, el cual descansa
sobre unos cojinetes de apoyo. Las chapas que forman el inducido o rotor de la
máquina disponen de ranuras en las cuales se alojan los hilos de cobre del
devanado inducido.
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1. La máquina de corriente directa
Conmutador: es el conjunto de láminas conductoras construidas de
segmentos de cobre electrolítico que reciben el nombre de delgas, aisladas al
eje y unas de otras, pero conectadas a las secciones de corriente directa del
devanado y sobre las cuales frotan las escobillas. El conmutador va colocado a
una determinada distancia del núcleo magnético de la armadura y el extremo
de la delga que queda del lado del núcleo lleva una ranura en la cual se alojan
las terminales de las bobinas y se fijan con soldadura.
Figura 1.15 Conmutador de una
máquina CD en un esmeril.
Escobillas: su función es conducir las corrientes desde el conmutador hacia el
circuito externo, generalmente se fabrican de carbono y para generadores de
alto voltaje, de cobre. Las escobillas van colocadas en unos alojamientos
metálicos que van fijos al brazo porta escobillas y al anillo que lo sostiene.
Figura 1.16 Escobillas utilizadas en
máquinas CD
Entrehierro: es el espacio comprendido entre las expansiones polares y el
inducido, suelen ser normalmente de 1 a 3 mm, lo imprescindible para evitar el
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1. La máquina de corriente directa
rozamiento entre la parte fija y móvil.
Cojinetes: también conocidos como rodamientos, contribuyen a la óptima
operación de las partes giratorias de la máquina. Se utilizan para sostener y
fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se
consuma menos potencia.
Los cojinetes pueden ser de dos clases, de rodamiento y deslizamiento.
Los cojinetes de deslizamiento operan en base al principio de la película de
aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre la barra del eje
y la superficie de apoyo.
Los cojinetes de rodamiento se utilizan para tener un menor coeficiente de
fricción en el arranque, son compactos en su diseño y cuentan con alta
precisión de operación.
Figura 1.17 Tipos de cojinetes usados en
máquinas eléctricas.
Caja de conexiones: es un elemento que protege a los conductores que
alimentan al motor o que salen del generador, resguardándolos de la operación
mecánica del mismo, y contra cualquier elemento que pueda dañarlos.
Figura 1.18 Caja de conexiones de una
máquina CD.
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1. La máquina de corriente directa
Carcasa: es la parte que protege y cubre al estator y rotor, el material
empleado para su fabricación depende del tipo de máquina, de su diseño y su
aplicación. Puede ser cerrada, abierta, a prueba de goteo, a prueba de
explosiones o sumergible.
Placa de características: va alojada de tal modo que sus datos puedan leerse
incluso cuando se encuentre en servicio. Los datos importantes son: nombre
del fabricante, tipo, número y potencia de la máquina.
Figura 1.19 Placa de datos de una máquina CD.
1.2 Inducción electromagnética.
En su definición más simple, la inducción electromagnética, consiste en obtener
energía eléctrica a partir de variaciones de flujo magnético.
Cuando circula una corriente eléctrica por un conductor se crea un campo
magnético. Michael Faraday pensó que se podría producir el proceso inverso,
es decir, que un campo magnético produzca una corriente eléctrica y por la
tanto una diferencial de potencial. En 1831, descubre y publica la ley de
inducción electromagnética que puede resumir en que, a partir de campos
magnéticos variables respecto al tiempo, se pueden generar campos eléctricos
y en consecuencia corrientes eléctricos.
A continuación se ejemplifica un experimento que produce corriente inducida:
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1. La máquina de corriente directa
Figura 1.20 Inducción electromagnetica.
Se tiene un imán de barra en una posición fija, al acercar una espira circular
con una cierta velocidad, las líneas de campo magnético que cruzan el área de
la espira aumentan, es decir, el flujo por unidad de tiempo cambia, modificando
la posición de la aguja en el amperímetro al que se encuentra conectado la
espira circular. Al acercar el imán crece la corriente inducida y por lo tanto, la
fuerza electromotriz (fem) inducida también crece.
De acuerdo con la ley de Ohm, si existe una corriente, existirá una diferencia
de potencial o voltaje y de manera más general una fem que recibe el nombre
de fuerza electromotriz inducida.
También se obtiene una fuerza electromotriz si el imán se sustituye por un
solenoide o bobina, y se modifica la posición relativa entre los elementos o si a
uno de los solenoides se le aplica una señal variable con el tiempo, es decir, un
voltaje alterno o voltaje de continua, que se interrumpe momentáneamente por
medio de un switch, como se ejemplifica en las siguientes figuras:
Figura 1.21 Inducción debido al movimiento.
Figura 1.22 Induccion debido al movimiento
de un solenoide con corriente.
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1. La máquina de corriente directa
En el año de 1834, el físico alemán Lenz, realiza los mismos experimentos de
Faraday y explica el sentido de la fem y en consecuencia el de la corriente
inducida en un circuito sujeto a un flujo magnético variable en el tiempo.
El sentido de la corriente inducida se puede determinar aplicando la regla
enunciada por Lenz, el sentido de una corriente inducida debe ser tal, que se
oponga a la causa que lo produce.
Para entender este principio, analicemos lo que sucede al acercar el extremo
norte de un imán de barra a una espira, como se muestra en la figura 1.23. Se
tomara la convención de que si la corriente entra al instrumento por la terminal
positiva (rojo) la aguja se desviara a la derecha y si la corriente entra por la
terminal negativa (negro) la aguja se desviara a la izquierda en el instrumento.
Al acercar el imán de barra, el flujo magnético aumenta, la corriente inducida
entonces debe generar un campo magnético que se oponga al original.
Figura 1.23 Ley de Lenz.
1.2.1 Inducción electromagnética en una máquina CD.
Una máquina de corriente directa, funciona en base a las dos leyes enunciadas
anteriormente, la de Faraday y la de Lenz, es decir, a través de inducción
electromagnética.
Una máquina CD es más compleja, es decir, tiene más espiras, más bobinas,
más imanes, y dispositivos que se encargan de almacenar y transformar la
corriente y flujo magnético (fem) producido por la acción de la inducción
electromagnética, pero no por esto, deja de tener como base de
funcionamiento lo enunciado en las leyes anteriores.
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1. La máquina de corriente directa
La onda de la fem del inducido de una máquina CD se aproxima a una forma
de onda dentada, de manera más cercana que la onda senoidal, que presentan
las máquinas de CA.
La figura 1.24 muestra, en forma de diagrama de corte transversal, el inducido
o la armadura de una máquina CD bipolar. Las direcciones de la corriente, se
muestran mediante puntos y cruces. Las conexiones de la bobina del devanado
de armadura o inducido, se disponen de manera que el devanado de armadura
o inducido, produzca un campo magnético cuyo eje sea vertical, y por lo tanto,
perpendicular al eje del devanado de excitación.
Figura 1.24 Sección cruzada de una máquina
de corriente directa bipolar.
Mientras que el inducido gira, las conexiones de la bobina que van al circuito
externo cambian, gracias al conmutador, de manera que el campo magnético
inducido permanezca vertical.
Así, el flujo del inducido siempre será perpendicular al campo que produce el
devanado de excitación y este hecho da como resultado un par unidireccional.
La figura 1.25a muestra la naturaleza plana de este devanado. La onda de la
fem se ilustra en la figura 1.25b. Al suponer que las ranuras son estrechas,
esta forma de onda consiste en una serie de escalones.
La altura de cada uno de estos, es igual al número de amperes vuelta, 2Ncic en
una ranura, donde Nc representa el número de vueltas de cada bobina e ic
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1. La máquina de corriente directa
representa la corriente de la bobina al suponer un devanado de dos capas y
bobinas de paso completo.
El valor pico de la onda fem se ubica a lo largo del eje magnético inducido, a
mitad de la distancia de los polos de excitación. Este devanado es equivalente
a una bobina de 12Ncic amperes vuelta distribuidas alrededor del inducido.
Al asumir la simetría de cada polo, el valor pico de la onda fem de cada polo de
inducido es de 6 Ncic amperes vueltas. De manera aproximada, esta onda fem
se representa mediante la onda dentada que se trazó en la figura 1.25b y
1.25c.
Figura 1.25 a) Esquema desarrollado de la máquina de
corriente directa que se muestra en la figura 1.24; b)
onda de la fem; c) onda dentada equivalente a la fem, asi
como su componente fundamental y la intercalacion
equivalente rectangular de la corriente.
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1. La máquina de corriente directa
La distribución de la fem del entrehierro depende únicamente de la disposición
del devanado y de la simetría de la estructura magnética de cada polo. Sin
embargo, la densidad de flujo del entrehierro depende no solo de la fem, sino
también, de las condiciones de los límites magnéticos, en especial de la
longitud del entrehierro, del efecto de las aberturas para las ranuras y de la
forma de la cara del polo.
1.3 Circuito magnético.
Las máquinas eléctricas necesitan de un campo magnético para funcionar.
Igual que la corriente eléctrica necesita un circuito de material conductor (cobre
o aluminio) por donde circular, el campo magnético también necesita un circuito
de material ferromagnético por donde circular.
Para saber cuántas espiras debe tener la bobina que induce el campo
magnético, o que sección debe tener el circuito magnético etc. se hace
necesario estudiar los circuitos magnéticos.
Se denomina circuito magnético a un dispositivo en el cual las líneas de fuerza
del campo magnético se hallan canalizadas, trazando un camino cerrado. Para
su fabricación, se utilizan materiales ferromagnéticos, pues estos tienen
permeabilidad magnética mucho más alta que el aire o espacio vacío y por
tanto el campo magnético tiende a confinarse dentro del material (núcleo).
Existen de dos tipos:
Homogéneo, es aquel que en todo su recorrido es de la misma sustancia o
material y tiene idéntica sección y longitud.
Heterogéneo, es aquel circuito que no está compuesto por la misma sustancia,
o puede tener longitud o sección diferente. En estos habrá que distinguir varias
inducciones, debido a que hay varias secciones; también aparecen varias
reluctancias porque existen varias longitudes, secciones y permeabilidades.
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1. La máquina de corriente directa
Figura 1.26 Circuito magnético
en serie.
1.3.1 Circuito magnético de una máquina CD.
El flujo neto por polo es el que resulta de las fuerzas electromotrices
combinadas de los devanados de campo y armadura. Aunque en una máquina
de CD, de excitación separada o en derivación idealizada, la fem del inducido
produce flujo magnético solo a lo largo del eje de cuadratura, en un dispositivo
practico la corriente del inducido produce flujo a lo largo del eje directo, o de
manera directa como el producido, por un devanado de campo en serie, o de
forma indirecta por los efectos de saturación.
La interdependencia del voltaje Ea generado en inducido y las condiciones de
circuito magnético en la máquina son una función de la suma de todas las
fuerzas fem en la trayectoria de flujo por el eje directo o polar.
La fem es colocada intencionalmente en los polos principales del estator para
crear el flujo de trabajo, es decir, la fuerza magnetomotriz de campo principal, y
luego se incluyen los efectos de reacción del inducido.

REACCIÓN DEL INDUCIDO IGNORADA.
Sin carga en la máquina o con los efectos de reacción del inducido ignorados,
la fem es la suma algebraica de las fuerzas magnetomotrices que actúan en el
eje directo o principal. Para el generador o motor compuesto usual que tiene Nf
vueltas de campo en derivación por polo o Ns vueltas de campo en serie o polo,
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1. La máquina de corriente directa
Observe que la fem en el campo en serie puede sumarse o restarse de la del
campo en derivación; la convención de signos de la ecuación 1.1 es tal que las
fem se suman.
Habrá más términos en la ecuación 1.1 cuando existan más devanados de
campo en los polos principales. Cuando esté ausente el campo en serie o el
campo en derivación, el término correspondiente en la ecuación 1.1 se omite.
La ecuación 1.1 aumenta en ampere vueltas por polo la fuerza magnetomotriz
de los devanados de campo principal que actúan en el circuito magnético
principal. La curva de magnetización de una máquina CD se da en función de
la corriente solo en el devanado de campo principal, el cual invariablemente es
el
devanado
de
campo
en
derivación
cuando
hay
uno
presente.
Las unidades de fuerza magnetomotriz de una curva de magnetización y de la
ecuación 1.1 pueden hacerse iguales mediante uno de dos pasos.
La corriente de campo en la curva de magnetización se multiplica por las
vueltas por polo en dicho devanado, y se obtiene una curva en función de
ampere vueltas por polo; o ambos lados de la ecuación 1.1 se divide entre Nf
con lo que las unidades se convierten en la corriente equivalente en la bobina
Nf sola, la cual produce la misma fem. Por lo tanto:
(
)
El voltaje Ea generado a cualquier velocidad W m está dado por las siguientes
ecuaciones, repetidas en función del estado estable del voltaje generado:
(
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)
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1. La máquina de corriente directa
O en función de la velocidad de rotación r/min (solo para una máquina CD en
derivación):
(
)
Cabe mencionar, que las ecuaciones 1.3 y 1.4 son válidas para los
generadores en derivación, siempre y cuando el efecto de la variación de la
carga no altere el flujo magnético.
En estas ecuaciones, wm0 y n0 son la velocidad de la curva de magnetización
en rad/seg y r/min, respectivamente, y Ea0 es el voltaje interno generado
correspondiente.

EFECTOS INCLUIDOS DE LA REACCIÓN DEL INDUCIDO.
La corriente en el devanado del inducido ocasiona un efecto desmagnetizador
que es provocado por una reacción del inducido de magnetización transversal.
En el análisis del desempeño de una máquina, la inclusión de la reacción del
inducido es una cuestión de utilizar la curva de magnetización que corresponde
a la corriente de inducido implicada.
El efecto de la reacción del inducido es aproximadamente el mismo que la
fuerza magnetomotriz desmagnetizadora Far que actua sobre el eje del campo
principal. Este término adicional, puede incluirse en la ecuación 1.1, con el
resultado de que es posible suponer que la fuerza magnetomotriz neta a través
del eje directo es:
La curva de magnetización sin carga se utiliza como la relación entre la fem
generada y la excitación neta bajo carga con la reacción del inducido
considerada como una fem desmagnetizadora. Es posible suponer que el
efecto desmagnetizador de la reacción del inducido es aproximadamente
proporcional a la corriente del inducido.
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1. La máquina de corriente directa
1.4 Pérdidas.
Las máquinas de corriente directa obedecen a la ley de la conservación de la
energía. Los generadores de corriente directa toman potencia mecánica y
producen potencia eléctrica de corriente directa, los motores de corriente
directa toman potencia eléctrica de corriente directa y producen potencia
mecánica. Con esto hacen valido el lema “la energía no se crea ni se destruye
sólo se transforma”.
En cualquiera de los dos casos no toda la potencia que entra a la máquina es
la misma que sale de la máquina en forma útil para la utilización de la misma.
Los dos elementos principales de la máquina eléctrica, el flujo magnético y la
corriente en los conductores del inducido, producen una cierta cantidad de
calor en la máquina.
Siempre hay pérdidas asociadas al proceso, por lo que la eficiencia de una
máquina se puede expresar con la ecuación siguiente:
Por lo tanto, si se conocen las pérdidas en las máquinas de corriente directa se
puede obtener el rendimiento correspondiente a cualquier potencia útil o
absorbida.
Si estamos hablando de un generador la potencia mecánica es la potencia
absorbida por la máquina eléctrica y la potencia eléctrica es la suministrada por
dicha máquina.
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1. La máquina de corriente directa
Si es que se trata de un motor la potencia eléctrica es la absorbida por la
máquina y la potencia mecánica es la suministrada por la máquina. La curva de
rendimiento proporciona la variación del rendimiento de la máquina en función
de la variación de la carga en la misma, tal y como se puede apreciar en la
figura siguiente:
Figura 1.27 Curva de rendimiento característica
en una máquina de corriente directa.
Tal como se puede apreciar en la figura, el rendimiento en una máquina va
aumentando conforme aumenta la carga, tal como podemos apreciar el
máximo rendimiento se tiene cuando se presenta el 70% de la carga nominal y
de ahí el rendimiento va disminuyendo pero con una pendiente menos
pronunciada.
Algo importante a mencionar para poder comprender porque ocurren las
pérdidas de potencia en una máquina CD, son las corrientes de Foucault
(corriente parasita, también conocida como “corrientes torbellino”, o Eddy
currents) el cual es un fenómeno descubierto por el físico León Foucault en
1851.
Se produce cuando un conductor atraviesa un campo magnético variable, o
viceversa. El movimiento relativo causa una circulación de electrones, o
corriente inducida dentro del conductor. Estas corrientes circulares de Foucault
crean electroimanes con campos magnéticos que se oponen al efecto del
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1. La máquina de corriente directa
campo magnético aplicado. Cuando más fuerte sea el campo magnético
aplicado, o mayor la conductividad del conductor, o mayor la velocidad relativa
de movimiento, mayores sean las corrientes de Foucault y los campos
opuestos generados.
Las corrientes de Foucault aparecen en las chapas laminadas simples y
producen calor.
Las pérdidas por corrientes de Foucault, dependen de la densidad de campo,
del número de ciclos magnéticos por segundo, del espesor de las chapas, de la
calidad del hierro y de su volumen.
1.4.1 Pérdidas rotacionales.
Las pérdidas de potencia se pueden dividir en dos clases:

Pérdidas eléctricas. Se producen por el flujo de la corriente a través de
las diversas partes de los devanados de las máquinas.

Pérdidas rotacionales o de potencia parasita. Son en función directa de
la rotación dinámica de la máquina, a su vez se dividen en dos
categorías:
i) Pérdidas mecánicas que resultan de la rotación.
ii) Pérdidas en el hierro o núcleo que resultan de la rotación.

PÉRDIDAS EN EL HIERRO (POR HISTÉRESIS).
Pérdidas en el hierro del rotor. Dado que el inducido debe girar con respecto al
campo magnético para que se induzca una f.e.m. en los conductores, las
partículas de hierro del rotor se magnetizan alternativamente primero en un
sentido y luego en el otro. Esto produce pérdidas por histéresis.
La magnitud de las pérdidas por histéresis depende del área encerrada en la
curva de histéresis, del número de ciclos magnéticos por segundo y del
volumen de hierro.
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1. La máquina de corriente directa
Donde:
Ph = es una medida de la energía eléctrica necesaria para superar la
retentividad del hierro en la trayectoria del flujo magnético.
kh = constante para el grado de hierro que se esté utilizando.
V = volumen de hierro de la máquina que está sujeto al cambio de flujo.
Bx = densidad de flujo, “x”, valores cercanos a 2.
f = frecuencia.
En la práctica se usan unas curvas de pérdidas en el hierro que representan las
pérdidas totales en el hierro en watt por libra en función de la densidad del flujo
(figura 1.28).
Donde:
Pe: pérdidas por corrientes parasitas.
k1 = constante de corriente parasita para el material conductor.
t = espesor del material conductor.
B = densidad del flujo.
f = frecuencia.
V = volumen del material sujeto al cambio de flujo.
Figura 1.28 Curvas de pérdidas a 60 ciclos para acero
usado en transformadores y dinamos.
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1. La máquina de corriente directa
Los valores encontrados en la gráfica son solo una parte de las pérdidas en el
hierro totales producidas por el flujo principal. Esto se debe a muchos factores
adicionales que aumentan la histéresis así como a las pérdidas por corrientes
de Foucault, pero principalmente a estas últimas.
Pérdidas en las caras del polo. Las pérdidas del hierro no sólo aparecen en
el hierro del rotor, sino también en el hierro del polo. A causa de las ranuras, la
curva de distribución del flujo se distorsiona.
La densidad de flujo es mayor en los puntos opuestos a los dientes que en los
puntos opuestos a las ranuras, debido a la diferencia de reluctancia magnética.
A la densidad media del flujo se encuentra superpuesta una ondulación, cuya
onda es igual al paso de una ranura, esta ondulación presenta un movimiento
con relación a los polos e induce corrientes de Foucault en la superficie del
polo.
Debido a que un ciclo completo corresponde a un paso de ranura, la frecuencia
de esta pulsación viene a estar dada por:
Donde Q es el número de ranuras en el rotor. La amplitud de la pulsación del
flujo, es decir, la diferencia entre la densidad máxima y media del flujo,
depende de la abertura de la ranura. Es mucho mayor en las maquinas con
ranuras abiertas que en máquinas con ranuras semicerradas.
La pérdida rotacional, es una pérdida constante siempre y cuando la velocidad
permanezca constante. Las pérdidas que varían con la corriente de armadura
(IA) lo hacen de acuerdo con el cuadrado de la carga (L).
A carga nominal, la perdida en el cobre de la armadura, corresponde a la
corriente total de armadura al cuadrado por la resistencia de armadura.
A su vez, la corriente de armadura, involucra a la corriente de carga (IL) y la
corriente de campo (IF). Cabe mencionar que a medida que aumenta la carga,
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1. La máquina de corriente directa
también aumentara la eficiencia.

PÉRDIDAS MECÁNICAS.
Las pérdidas en una máquina de corriente directa están asociadas con los
elementos mecánicos. Hay dos tipos básicos de pérdidas mecánicas: Fricción
entre las piezas móviles y fricción con el aire. Estas son las pérdidas causadas
por la fricción de los rodamientos de la máquina y las causadas por la fricción
entre las partes móviles de la máquina y el aire dentro de la carcasa de la
máquina.
Las pérdidas de fricción de cojinetes dependen de la velocidad, la carga del
cojinete y la lubricación. Las pérdidas por resistencia al viento dependen de la
construcción del rotor, su velocidad periférica y las restricciones de la máquina
al movimiento del aire.
1.4.2 Pérdidas variables.
Las pérdidas variables (que varían de según el cuadrado de la corriente de
armadura), son las del cobre de la armadura. La pérdida variable aumenta de
acuerdo con el cuadrado de aumento de carga.
El flujo principal influye en las pérdidas en el devanado de excitación y también
el devanado del inducido. Para poder generar el flujo polar es necesaria una
corriente en el devanado de excitación.
En las máquinas de corriente continua que generalmente están más saturadas
que otras máquinas eléctricas, una pequeña parte del flujo principal va a través
de las ranuras y los conductores. Dado que el flujo concatenado con el cobre
del inducido cambia con la posición de los polos respecto a los conductores, se
inducen corrientes de Foucault en los conductores y, principalmente, en
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1. La máquina de corriente directa
aquellos que están en la parte superior de la ranura cerca del entrehierro.
Pérdidas por corrientes de Foucault en las partes estructurales. En las
máquinas de corriente continua el devanado del inducido se sostiene en su
lugar gracias a bandas que están situadas en los surcos del núcleo del rotor. El
flujo principal induce corrientes de Foucault en estas bandas de alambre de
acero.
Pérdidas en el cobre en el devanado del inducido debidas a la distorsión
del flujo. La fuerza magnetomotriz del inducido distorsiona el flujo polar, lo cual
provoca que aumente la densidad de flujo en una mitad del polo y disminuya en
la otra mitad de dicho polo. Esto causa pérdidas por corrientes de Foucault en
los conductores del inducido, del mismo tipo que las producidas por el flujo
principal en vacío. Estas pérdidas son despreciables en máquinas de corriente
directa con devanado de compensación, porque no hay distorsión del flujo.
La máxima eficiencia se da, cuando las pérdidas variables, son iguales a las
fijas, las cuales consisten a grandes rasgos en la perdida de campo y en la
rotacional.
1.4.3 Pérdidas diversas o varias.
Son las pérdidas que no se pueden clasificar en ninguna categoría. Podemos
mencionar los errores de lectura en los aparatos de medición, también la
precisión, etc.
Pérdida debida al limado de ranuras: cuando se han ensamblado las
laminaciones, se encontrará en algunos casos que las ranuras son ásperas y
deben limarse para evitar cortar el aislamiento de bobina. Esto introduce
rebabas en las laminaciones y tiende a poner en cortocircuito la resistencia
interlaminar.
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1. La máquina de corriente directa
Las pérdidas debidas a distribución no uniforme de flujo en el núcleo de rotor
son difíciles de anticipar. Al calcular la densidad de núcleo, se acostumbra
suponer distribución uniforme sobre la sección del núcleo. Sin embargo, el flujo
toma la trayectoria de menor resistencia y se concentra tras los dientes hasta
que la saturación la obliga a pasar en las trayectorias más largas y menos
usadas que se encuentran abajo.
Como resultado de la concentración, la pérdida de núcleo que es
aproximadamente proporcional al cuadrado de la densidad, es mayor que lo
calculado.
Por lo tanto, no es posible predeterminar la pérdida total del núcleo mediante el
uso de fórmulas fundamentales.
1.5 Problemas de conmutación.
Existen diferentes tipos de fallas por lo que no produce voltaje un generador de
corriente continua y una de ellas es debido a los problemas de conmutación.
Conmutación es el proceso de convertir los voltajes y corrientes de corriente
alterna existentes en el rotor de una máquina de corriente directa en voltajes y
corrientes de corriente directa.
El proceso de conmutación no es tan simple como parece, en teoría existen
dos efectos que lo impiden, dichos efectos son:
1). Reacción de armadura. Si los arrollamientos que producen el campo
magnético en la máquina se conectan a una fuente de excitación y el rotor se
hace girar por medio de una fuente de potencia mecánica, entonces se
presentaran voltajes inducidos en los conductores del rotor, estos voltajes se
rectifican por la acción del colector para obtener una salida de corriente directa.
Sí se conecta una carga a las terminales de la máquina de corriente directa va
a circular una corriente por el devanado de armadura. Esta corriente genera su
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1. La máquina de corriente directa
propio campo magnético, que distorsiona el campo magnético original de los
polos de la máquina, esta distorsión del flujo en la máquina a medida que se
incrementa la carga se llama reacción de armadura o reacción del inducido.
Esta reacción produce serios problemas en las máquinas reales de corriente
directa.
El primer problema causado por la reacción de armadura es el corrimiento del
plano neutro, el plano neutro magnético se define como el plano dentro de la
máquina donde la velocidad de los conductores del rotor es exactamente
paralela a la dirección de las líneas de flujo magnético, de tal manera que la
fuerza electromotriz inducida en esos conductores del plano neutro es
exactamente cero.
El desplazamiento del plano neutro (figura 1.29), trae como consecuencia que
el colector debe tener en corto las delgas que en un momento determinado
tengan voltaje cero.
Sí las escobillas se mantienen en el plano vertical, efectivamente pondrán en
cortocircuito las delgas de voltaje cero, pero solamente mientras la máquina
este trabajando sin carga conectada, cuando la máquina se le conecta una
carga el plano neutro se corre y las escobillas quedan haciendo el cortocircuito
entre delgas que tienen un voltaje diferente a cero.
El resultado es que ahora fluye una corriente entre las delgas en corto y la
escobilla, en el instante en el que la escobilla pierde el contacto con ellas se
interrumpe la corriente y aparece una chispa entre las delgas y la escobilla.
El resultado final es que se inicia un arco de chispas en las escobillas, este es
un problema que puede reducir la duración de las escobillas, desajustar las
delgas del colector y por lo tanto aumentar los costos de mantenimiento.
En casos extremos el corrimiento del plano neutro puede ocasionar descargas
entre las escobillas y las delgas cercanas, normalmente en las proximidades de
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1. La máquina de corriente directa
las escobillas el aire se ioniza como resultado de las chispas, la descarga se
presenta cuando el voltaje de las delgas adyacentes es el suficiente para
mantener un arco a través del aire ionizado, cuando hay descarga el arco
resultante puede llegar a fundir la superficie del colector.
Figura 1.29 Desarrollo de la reacción del inducido en un generador CD. a) en
principio, el flujo polar esta uniformemente distribuido y el plano magnético
neutro es vertical: b) efecto del entrehierro en la distribución del flujo polar;
c) campo magnético resultante en el inducido cuando se conecta carga a la
máquina; d) se muestran juntos los flujos del rotor y polar, indicando puntos
donde se suman y donde se restan; e) flujo resultante bajo los polos. El
plano neutro ha sido desplazado en dirección del movimiento.
Otro problema provocado por la reacción de armadura es el debilitamiento del
flujo.
La mayoría de las máquinas operan con una densidad de flujo cercana al punto
de saturación, entonces en la zona de la superficie del polo en la cual la fuerza
magnetomotriz del rotor se suma a la fuerza magnetomotriz del polo, se
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1. La máquina de corriente directa
presenta un pequeño aumento del flujo, sin embargo en la zona de la superficie
del polo en donde la fuerza magnetomotriz del rotor se opone a la fuerza
magnetomotriz del polo, se presenta una notoria disminución del flujo, el
resultado neto es que el flujo promedio bajo el polo se disminuye.
2). El segundo problema importante que crea la conmutación es el voltaje auto
inducido que se presenta en las delgas puestas en corto por las escobillas.
Este voltaje algunas veces se llama golpe inductivo, a pesar de que la
inductancia de la espira es pequeña se induce un voltaje significativo entre las
delgas en cortocircuito.
Este voltaje alto ocasiona chisporroteo en las escobillas resultando un arco y
por lo tanto los mismos problemas del corrimiento del plano neutro.
Figura 1.30 a) Inversión del flujo de corriente en una bobina bajo
conmutación. Nótese que la corriente en la bobina, entre los
segmentos a y b, debe invertir la dirección mientras la escobilla
cortocircuita conjuntamente a los dos segmentos de conmutación.
b) inversión de corriente de la bobina bajo conmutación, como
función del tiempo tanto para conmutación ideal como para una
conmutación real, teniendo en cuenta la inductancia de la bobina.
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1. La máquina de corriente directa
1.5.1 Solución de los problemas en la conmutación.
Se han desarrollado tres procedimientos para corregir parcial o totalmente los
problemas de la reacción de armadura y de los voltajes auto inducidos.
1.) Corrimiento de las escobillas. El primer intento por mejorar el proceso de
conmutación en máquinas de corriente directa comenzó eliminando el
chisporroteo en las escobillas causado por el desplazamiento de la zona
neutral y por el voltaje auto inducido, una solución fue poner las
escobillas un poco corridas para eliminar las chispas, pero en la práctica
hay varios inconvenientes asociados.
El desplazamiento del plano neutro varia con la carga y además la
dirección del desplazamiento cambia cuando la máquina opera como
generador o como motor, por lo que sería necesario ajustar la posición
de las escobillas en todo momento de acuerdo con la variación de la
carga de la máquina, además al correr las escobillas se pueden eliminar
las chispas, pero se acentúa el debilitamiento del flujo esto se debe a:
1. La fuerza magnetomotriz del rotor tiene una componente que se opone a
la fuerza magnetomotriz de los polos.
2. El cambio en la distribución de corrientes de la armadura produce una
concentración de flujo en la zona saturada de las áreas pobres.
Otra propuesta fue fijar las escobillas en una posición intermedia, en este
caso hay chispas cuando la máquina funciona en vacío o a plena carga.
El corrimiento de las escobillas solo se usa en máquinas muy pequeñas
donde otro método seria costoso.
Ricardez, 2014
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1. La máquina de corriente directa
Figura 1.31 a) Fuerza magnetomotriz neta en una máquina de cuyas
escobillas están en el plano vertical. b) Fuerza magnetomotriz neta en
una máquina de cuyas escobillas están sobre el plano neutro desplazado.
Nótese que ahora hay una componente de la fuerza magnetomotriz del
inducido directamente en oposición a la fuerza magnetomotriz de los
polos, y se reduce la fuerza magnetomotriz neta de la máquina.
2.) Polos auxiliares de conmutación o interpolos. Debido a la desventaja
que presenta el ajuste en la posición de las escobillas para condiciones
de carga se buscó la forma de solucionar los problemas de conmutación
en las máquinas. La idea básica es que si se logra hacer cero el voltaje
en los conductores en el proceso de conmutación entonces no habrá
chispas en las escobillas.
Para lograrlo se colocaron polos más pequeños entre los polos
principales y se les llamaron polos de conmutación o interpolos. Los
polos de conmutación no modifican las condiciones de operación de la
máquina pues se hacen tan pequeños que solamente afectan a los
conductores que están en conmutación, tampoco se modifica la reacción
de armadura frente a los polos principales pues el efecto de los polos de
Ricardez, 2014
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1. La máquina de corriente directa
auxiliares no se extiende tanto, es decir, el debilitamiento del flujo no se
modifica con la presencia de los polos de conmutación.
Figura 1.32 Máquina CD con interpolos.
Para lograr que la anulación del voltaje sea perfecta para cualquier
condición de carga, simplemente conectando los devanados de los polos
auxiliares en serie con el devanado del rotor, así cuando se incrementa
la carga, crece la corriente del rotor y también aumentan sus efectos, el
corrimiento del plano neutro y la magnitud del voltaje autoinducido.
También aumentaran el voltaje de los conductores en conmutación, sin
embargo el flujo del polo auxiliar también crece, produciendo en los
conductores un voltaje también alto y de sentido opuesto al ocasionado
por el crecimiento del plano neutro.
El resultado neto es que los dos efectos se anulan para un rango
bastante amplio de cargas, los polos auxiliares trabajan para cualquier
forma de operación de las máquinas. Los interpolos deben tener la
polaridad del polo principal que le sigue.
3.) Devanados de compensación. Para motores que operan en condiciones
de trabajo muy pesadas el debilitamiento del flujo puede convertirse en
un problema serio, para eliminar completamente los dos efectos de la
reacción de armadura se colocan devanados de compensación en
ranuras hechas en las caras de los polos asentadas paralelamente a los
conductores del rotor con el fin de eliminar el efecto de distorsión del
Ricardez, 2014
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1. La máquina de corriente directa
campo creado por la reacción de armadura.
Estos devanados se conectan en serie con el devanado del rotor, de tal
manera que si cambia la carga, también cambia la corriente en el
devanado de compensación.
La mayor desventaja de los devanados de compensación es que son
costosos, ya que deben ser maquinados en las caras de los polos.
Figura 1.33 Efecto de los devanados de compensación en una máquina
CD. a) Flujo polar en la máquina; b) flujos del inducido y de los
devanados de compensación; nótese que son iguales y opuestos. c)
Flujo neto en las máquinas, justamente el flujo original del polo.
1.6 Obtención de la curva de saturación.
En la práctica, existen varios efectos que impactan la eficiencia y el
funcionamiento de las máquinas de CD. Las más relevantes son la
característica de saturación del material ferromagnético, la reacción de
armadura y las pérdidas eléctricas y mecánicas.
Las últimas dos ya se han mencionado y explicado anteriormente, ahora toca
Ricardez, 2014
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1. La máquina de corriente directa
turno a la curva de saturación del material ferromagnético.
Puesto que las máquinas de corriente continua están constituidas de material
ferromagnético con características no ideales, es conveniente analizar el efecto
de la saturación del material en las relaciones de voltaje y corriente de
armadura y de campo.
Para ello, se usa la llamada característica de excitación de la máquina de C.D.
o curva de saturación en vacío, la cual, es la misma para la máquina actuando
como generador o como motor.
Para un material ferromagnético, la relación entre la densidad de flujo y la
intensidad de campo no es constante debido al alineamiento de los dipolos que
conforman el material. El mismo efecto se aprecia al observar la curva de flujo
vs corriente de campo debido a las relaciones de proporcionalidad
involucradas, es decir, φαB e IφH, figura 1.35.
En la práctica, es difícil medir el flujo generado en forma directa, por lo cual, el
procedimiento empleado consiste en configurar la máquina de CD como un
generador de excitación separada y hacerlo funcionar en vacío de modo de
medir el voltaje generado en los bornes del rotor, figura 1.36.
Figura 1.34 Curva de excitación.
Figura 1.35 Generador de excitación separada operando en vacío.
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1. La máquina de corriente directa
En esta configuración la máquina de corriente directa opera como generador y
el voltaje generado Ea es proporcional al flujo φ, de manera que la curva de
magnetización del material ferromagnético se analiza en el gráfico Ea vs Ic. Si
mantenemos una misma velocidad la fem inducida Ea será proporcional al flujo
φ. Por otra parte, de acuerdo a la ley de Ampere la intensidad de campo
magnético H es proporcional a la corriente Ic.
En consecuencia, la curva Ea vs Ic corresponde a la característica de
excitación o curva de saturación en vacío, según se muestra en la Figura 1.37.
Figura 1.36 Característica de excitación o
curva de saturación en vacío.
Esta curva se puede obtener en un laboratorio conectando la máquina de CD
como generador de excitación separada y midiendo el voltaje generado en los
bornes de la armadura, cuando se aumenta progresivamente la corriente de
campo (a través de la variación del reóstato Rr).
Es importante notar que la velocidad de giro del eje debe mantenerse
constante durante toda la prueba, ya que de lo contrario, la relación de
proporcionalidad entre el flujo y el voltaje generado varía y la curva de
saturación en vacío se deforma.
En general, basta con obtener la característica de saturación en vacío para una
única velocidad n1, ya que una vez obtenida, es posible determinar fácilmente
esta curva para cualquier otra velocidad n2 distinta a la anterior.
El método que se emplea para hacerlo, consiste en construir el gráfico Ea vs Ic
Ricardez, 2014
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1. La máquina de corriente directa
punto a punto considerando que, para una corriente de campo constante, los
valores de voltaje inducido tienen una relación de proporcionalidad idéntica a la
que existe entre las velocidades:
Desde un punto de vista práctico, las máquinas de CD se diseñan de modo de
lograr una máxima potencia por unidad de peso. Esto se consigue al situar el
punto de operación nominal de la máquina cercano al codo de la curva de
saturación del material ferromagnético, con lo cual, cualquier aumento del
voltaje generado en torno a este punto va a requerir de un aumento importante
de la corriente de campo que se está proporcionando a la máquina.
Figura 1.37 Curvas de excitación a distintas velocidades.
1.7 Construcción de las máquinas CD.
La figura 1.38 muestra un esquema de una máquina CD. 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.
Ricardez, 2014
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1. La máquina de corriente directa
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.
Figura 1.38 Diagrama simplificado de una máquina CD.
En una máquina CD hay dos devanados principales: los devanados del
inducido (armadura) y los devanados de campo. Los devanados del inducido
están definidos como aquellos en los cuales es inducido voltaje, y los
devanados de campo están definidos como aquellos que producen el flujo
magnético principal en la máquina.
En una máquina CD, los devanados del inducido están localizados en el rotor y
los devanados de campo están localizados en el estator. Debido a que los
devanados del inducido están localizados en el rotor, el rotor en una máquina
CD es llamado a veces armadura.
1.7.1 Construcción de los polos y la estructura.
Con frecuencia los polos principales de las viejas máquinas CD se fabricaban
en una sola pieza fundida de metal, con los devanados de campo envueltos a
su alrededor. Los extremos laminados estaban atornillados para reducir las
pérdidas en el núcleo en las caras polares. Puesto que los grupos
Ricardez, 2014
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1. La máquina de corriente directa
controladores de estado sólido han llegado a ser comunes, los polos
principales de las máquinas más recientes están elaborados por completo en
material laminado.
Esto se debe a que hay mucho mayor contenido alterno en la potencia
suministrada a los motores CD alimentados por estos grupos controladores de
estado sólido, lo cual origina perdidas mucho mayores en los estatores de las
máquinas, debidas a las corrientes parasitas.
Las caras polares son típicamente achaflanadas o excéntricas en su
construcción, lo cual significa que los extremos de una cara polar son
ligeramente más espaciados de la superficie del rotor que el centro de la cara
polar, figura 1.39. Esta acción aumenta la reluctancia en los extremos de la
cara polar y reduce el efecto de agrupamiento del flujo ocasionado por la
reacción del inducido en la máquina.
Figura 1.39 Polos con amplitud de entrehierro adicional en los extremos
para reducir la reacción del inducido.
a) Polos achaflanados; b) polos excéntricos o uniformemente nivelados.
Los polos de la máquina CD se llaman polos salientes porque se proyectan
hacia fuera de la superficie del estator.
Los interpolos en las máquinas CD están localizados entre los polos
principales. En ellos es cada vez más común la construcción laminada debido a
los mismos problemas de pérdidas que ocurren en los principales.
Algunos fabricantes están también construyendo en láminas la porción de la
estructura que sirve como camino de retorno al flujo magnético (culata) para
reducir más las perdidas en el núcleo en motores controlados electrónicamente
Ricardez, 2014
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1. La máquina de corriente directa
1.7.2 Construcción del rotor o armadura.
El rotor o armadura de una máquina CD consiste en un eje maquinado de una
barra de acero y un núcleo montado sobre él. El núcleo está compuesto de
muchas láminas troqueladas de una placa de acero, con ranuras a lo largo de
su superficie exterior para alojar los devanados del inducido. El colector está
construido sobre el eje del rotor en un extremo del núcleo.
Las
bobinas del inducido se disponen en las ranuras del núcleo, y sus
extremos están conectados a los segmentos de conmutación. La figura 1.40
muestra el rotor de una máquina CD.
Figura 1.40 Rotor de una máquina CD.
1.7.3 Colector y escobillas.
En una máquina CD (figura 1.41), el colector esta 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
sobresalga por encima del nivel de las barras de cobre.
Las escobillas de la máquina, elaboradas en carbón, grafito, metal grafitado o
una mezcla de carbón y grafito, tienen una alta conductividad para reducir
pérdidas eléctricas, y tienen bajo coeficiente de rozamiento para reducir el
desgaste excesivo.
Se fabrican deliberadamente de un material mucho más blando que el de los
Ricardez, 2014
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1. La máquina de corriente directa
segmentos del colector para que la superficie de este se desgaste muy poco.
Escoger el grado de dureza de las escobillas es difícil; si las escobillas son
demasiado blandas, deberán ser reemplazadas con bastante frecuencia; si son
demasiado duras, la superficie del colector se desgastara en exceso durante la
vida útil de la máquina.
Figura 1.41 Estructura completa de una máquina CD.
Todo desgaste ocurrido en la superficie del colector es resultado directo del
rozamiento obligatorio de las escobillas con ella para convertir el voltaje CA de
los conductores del rotor en voltaje CD en los terminales de una máquina.
Si la presión de las escobillas es muy grande, tanto las escobillas como las
barras del colector se desgastaran demasiado; sin embargo, si la presión de
ellas es muy pequeña, las escobillas tienden a apoyarse ligeramente sobre el
colector y ocurre una gran cantidad de chisporroteo en la interfaz escobillasegmento de conmutación.
Este chisporroteo es igualmente dañino para las escobillas y para la superficie
del colector. Por tanto, la presión de la escobilla sobre la superficie del colector
se debe ajustar con cuidado para lograr máximo de vida.
Otro factor que afecta el desgaste de las escobillas y los segmentos del
colector en una máquina CD es la cantidad de corriente que fluye en la
máquina. Normalmente, las escobillas descansan en la superficie del colector
sobre una delgada capa de óxido que lubrica el movimiento de la escobilla
Ricardez, 2014
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1. La máquina de corriente directa
sobre los segmentos.
Sin embargo, si la corriente es muy pequeña, esta capa se desintegra y
aumenta más la fricción entre las escobillas y el colector. Este aumento de
rozamiento contribuye a un rápido desgaste. Para maximizar la vida de la
escobilla, la máquina debe cargarse por lo menos parcialmente todo el tiempo.
1.7.4 Aislamiento de los devanados.
Además del colector, la parte más crítica del diseño de un motor CD es el
aislamiento de sus devanados. Si se avería el aislamiento de los devanados del
motor, este se cortocircuita. La reparación de una máquina con aislamiento en
corto es muy costosa, si es posible repararla.
Para evitar que se dañe el aislamiento de los devanados de las máquinas por
sobrecalentamiento, es necesario limitar la temperatura de los devanados. Esto
se puede lograr de manera parcial, proporcionándoles refrigeración por aire,
pero en últimas, la máxima temperatura de los devanados limita la potencia
máxima suministrada continuamente por la máquina.
El aislamiento casi nunca se rompe de inmediato a una temperatura crítica. En
cambio, el incremento de la temperatura produce una degradación paulatina
del aislamiento haciéndolo susceptible de falla por otras causas como impacto,
vibración o esfuerzo eléctrico.
Para estandarizar los límites de temperatura del aislamiento de las máquinas
de los Estados Unidos, la National Electrical Manufacturers Association
(NEMA) definió una serie de clases de aislamiento. Cada clase especifica la
máxima elevación permisible de temperatura para cada tipo de aislamiento.
Existen cuatro clases de aislamiento estándar NEMA para motores CD: A, B, F
y H. Cada clase representa una temperatura permisible en el devanado, mayor
que la anterior. Se debe limitar a 70ºC para el de clase A de aislamiento, 100ºC
para el de la clase B, 130ºC para el de la clase F y 155ºC para el de la clase H.
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2. Fuentes de corriente directa
2. FUENTES DE CORRIENTE DIRECTA.
Por regla general, el flujo magnético de cualquier máquina eléctrica está
originado por electroimanes, de esta forma se puede regular dicho flujo solo
con variar la corriente que circula por la bobina que constituye el electroimán.
Éstas se denominan bobinas excitadoras, y la corriente que circula por ellas,
corriente de excitación.
Dicha corriente puede ser suministrada por la propia máquina eléctrica,
denominándose, en este caso máquina auto-excitada.
Por el contrario, si la corriente de excitación se la suministra otra máquina
(generador auxiliar), entonces se dice que la máquina posee excitación
independiente. Los distintos sistemas de excitación empleados dan lugar a que
las
máquinas
eléctricas,
ya
sean
generadores
o
motores,
poseen
características de funcionamientos diferentes y por lo tanto de utilización.
Figura 2.1 Máquina con excitación
independiente.
Figura 2.2 Máquina autoexcitada.
Ricardez, 2014
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2. Fuentes de corriente directa
2.1 Generadores de corriente directa.
Los generadores CD son máquinas de corriente continua utilizadas como
generadores. No hay diferencia real entre un generador y un motor excepto por
la dirección del flujo de potencia. Existen cinco tipos principales de
generadores CD, clasificados de acuerdo con la manera de producir su flujo de
campo:
1. Generador de excitación separada. En un generador de excitación
separada, el flujo de campo se obtiene de una fuente de potencia separada
del generador en sí mismo.
2. Generador en derivación. En un generador en derivación, el flujo de
campo se obtiene conectando el circuito de campo directamente a través
de los terminales del generador.
3. Generador en serie. En un generador en serie, el flujo de campo se
produce conectando el circuito de campo en serie con el inducido del
generador.
4. Generador compuesto acumulativo. En un generador compuesto
acumulativo están presentes tanto un campo en derivación como un campo
en serie, y sus efectos son aditivos.
5. Generador
compuesto
diferencial.
En
un
generador
compuesto
diferencial están presentes tanto un campo en derivación como un campo
en serie, pero sus efectos se restan.
Estos tipos de generadores CD difieren en sus características en terminales
(voltaje-corriente) y, por tanto, en las aplicaciones para las cuales son
adecuados.
Los generadores CD son comparados por sus voltajes, potencias nominales,
eficiencias y regulaciones de voltaje. La regulación de voltaje (VR) está definida
por la ecuación:
Ricardez, 2014
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2. Fuentes de corriente directa
Donde
es el voltaje en los terminales del generador en vació y
es el
voltaje en los terminales del generador a plena carga. Es una medida
aproximada de la forma de la característica voltaje-corriente del generador: una
regulación de voltaje positiva significa una característica descendente y una
regulación de voltaje negativa una característica en ascenso.
Figura 2.3 Características Volt-Ampere de
generadores CD.
Todos los generadores están accionados por una fuente de potencia mecánica
denominada motor primario del generador. Un motor primario para un
generador CD puede ser una turbina de vapor, un motor diésel o también un
motor eléctrico.
Puesto que la velocidad del motor primario afecta el voltaje de salida del
generador, y las características de velocidad de los motores primarios pueden
variar ampliamente, es costumbre suponer que la velocidad de los motores
primarios es constante para comparar la regulación de voltaje y las
características de salida de los diferentes generadores.
Los generadores CD son muy escasos en los sistemas de potencia modernos.
Incluso sistemas de potencia CD como los de los automóviles utilizan
generadores AC más rectificadores para producir la potencia CD.
El circuito equivalente de un generador CD de excitación separada se muestra
en la figura 2.4; en la figura 2.5, una versión simplificada de aquel. Ambos son
similares a los circuitos equivalentes de un motor CD, excepto que la dirección
Ricardez, 2014
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2. Fuentes de corriente directa
del flujo de corriente y las perdidas en las escobillas se invierten.
Figura 2.4 Circuito equivalente de un generador CD.
Figura 2.5 Circuito equivalente simplificado de un
generador CD, en que RF combina las resistencias de las
bobinas de campo y del control variable.
2.1.1 Generador de excitación separada.
Un generador de excitación separada es aquel cuya corriente de campo es
suministrada por una fuente externa separada de voltaje CD. El circuito
equivalente de tal máquina se muestra en la figura 2.6.
En este circuito, Vt representa el voltaje actual medido en los terminales del
generador e IL representa la corriente que fluye en las líneas conectadas a los
terminales. El voltaje interno generado es EA y la corriente del inducido es IA. Es
claro que la corriente del inducido es igual a la corriente de línea en un
generador de excitación separada:
Figura 2.6 Generador CD de excitación separada.
Ricardez, 2014
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2. Fuentes de corriente directa

CARACTERÍSTICA EN TERMINALES DE UN GENERADOR DE
EXCITACIÓN SEPARADA.
La característica en terminales de un dispositivo es una gráfica de las
cantidades de salida del dispositivo comparadas entre sí. En un generador CD,
las cantidades de salida son su voltaje en terminales y su corriente de línea. La
característica en terminales de un generador con excitación separada es una
gráfica de VT contra IL a una velocidad constante ω.
Por la ley de voltajes de Kirchhoff, el voltaje en los terminales es:
El voltaje interno generado es independiente de
, la característica en los
terminales de un generador de excitación separada es una línea recta, como se
muestra en la figura 2.7a.
Figura 2.7 característica de los terminales de un
generador de excitación separada: a) con los
devanados de compensación y b) sin estos.
Ricardez, 2014
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2. Fuentes de corriente directa
¿Qué ocurre en un generador de esta clase cuando aumenta la carga? Cuando
se incrementa la carga suministrada por el generador, IL (y por tanto
)
aumenta. Como la corriente del inducido aumenta, se incrementa la caída
y cae el voltaje en los terminales del generador.
Esta característica en los terminales no es siempre del todo exacta. En
generadores sin devanados de compensación, un aumento en
origina un
incremento en la reacción del inducido y esta causa debilitamiento del flujo, que
a su turno ocasiona una disminución en
, la cual disminuye aún más el
voltaje en los terminales del generador. La característica resultante en los
terminales se muestra en la figura 2.7b.

CONTROL DEL VOLTAJE EN LOS TERMINALES.
El voltaje en los terminales de un generador CD de excitación separada puede
controlarse cambiando el voltaje interno generado
de la máquina. Según la
ley de Kirchhoff VT=EA-IARA, de modo que, si EA aumenta, VT aumentara y si EA
disminuye, VT disminuirá. Puesto que el voltaje interno generado EA está dado
por la ecuación EA=Kφω, hay dos formas posibles de controlar el voltaje de
este generador:
1. Cambio de la velocidad de rotación. Si ω aumenta, entonces EA = Kφω
se incrementa; por tanto, VT=EA-IARA, también aumenta.
2. Cambio de la corriente de campo. Si RF disminuye, entonces aumenta la
corriente de campo (IF = VF / RF). En consecuencia, el flujo φ en la
máquina aumenta. Como el flujo aumenta, EA = Kφω debe elevarse
también, de modo que VT = EA-IARA se incrementa.
En muchas aplicaciones, el rango de velocidad del motor primario es muy
limitado; por tal razón el voltaje en los terminales se controla, cambiando la
corriente de campo.

ANÁLISIS NO LINEAL DE UN GENERADOR CD DE EXCITACIÓN
SEPARADA.
Ricardez, 2014
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2. Fuentes de corriente directa
Debido a que el voltaje interno generado es una función no lineal de la fuerza
magnetomotriz de un generador, no es posible calcular sencillamente el valor
de EA esperado para una corriente de campo dada. La curva de magnetización
del generador debe utilizarse para calcular aproximadamente el voltaje de
salida correspondiente a un voltaje de entrada dado.
Además, si una máquina tiene reacción del inducido, su flujo se reducirá con
cada aumento de carga y hará que EA disminuya. La única forma para
determinar aproximadamente el voltaje de salida en la máquina con reacción
del inducido es utilizar el análisis gráfico.
La fuerza magnetomotriz total en un generador de excitación separada es la
fuerza magnetomotriz del circuito de campo menos la fuerza magnetomotriz
debida a la reacción del inducido (AR):
El voltaje resultante EA0 puede determinarse localizando la corriente
equivalente sobre la curva de magnetización. La corriente equivalente de
campo de un generador CD de excitación separada está dada por:
La diferencia entre la velocidad de la curva de magnetización y la velocidad real
del generador debe ser tomada en cuenta utilizando la ecuación 2.6:
2.1.2 Generador CD en derivación.
Un generador CD en derivación es aquel que suministra su propia corriente de
campo conectando su campo directamente a los terminales de la máquina. El
circuito equivalente de un generador CD en derivación se muestra en la figura
2.8. En este circuito, la corriente del inducido alimenta tanto al circuito de
campo como a la carga conectada a la máquina:
Ricardez, 2014
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2. Fuentes de corriente directa
La ecuación correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff para el circuito del
inducido de esta máquina es:
Figura 2.8 Circuito equivalente de un
generador CD en derivación.
Este tipo de generador tiene una clara ventaja sobre el generador CD de
excitación separada porque no requiere fuente externa alguna para el circuito
de campo, aunque esto deja una importante pregunta sin responder: si el
generador suministra su propia corriente de campo, ¿Cómo obtiene el flujo de
campo inicial para arrancar cuando se energiza en primera instancia?

AUMENTO DE VOLTAJE EN UN GENERADOR EN DERIVACIÓN.
Si el generador de la figura 2.8 no tiene carga conectada a él y el motor
primario comienza a girar el eje del generador, ¿Cómo aparece el voltaje inicial
en los terminales de una maquina? El aumento de voltaje en un generador CD
depende de la presencia de un flujo residual en los polos del generador.
Cuando un generador comienza a girar, se generará un voltaje interno dado
por:
Ricardez, 2014
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2. Fuentes de corriente directa
Este voltaje aparece en los terminales del generador (puede ser solo uno volt o
dos). La aparición de ese voltaje en los terminales causa un flujo de corriente
en la bobina de campo del generador (IF = VT ↑/ RF). Esta corriente de campo
produce una fuerza magnetomotriz en los polos que incrementa el flujo en
ellos, el cual aumenta
, que a su turno incrementa el voltaje en los
terminales VT. Cuando se eleva VT, IF se eleva aún más, aumentando más el
flujo φ, que incrementa EA, etc.
Este comportamiento de aumento de voltaje se muestra en la figura 2.9. Nótese
que el efecto de la saturación magnética en las caras polares limita con el
tiempo el voltaje en los terminales del generador. La figura 2.9 muestra el
aumento del voltaje como si hubiese ocurrido en pasos discretos.
En un generador real, el voltaje no aumenta en pasos discretos: en su lugar
tanto EA como IF aumentan simultáneamente hasta que alcanzan las
condiciones de estado estacionario.
Figura 2.9 Aumento del voltaje en el arranque
de un generador CD en derivación.
Hay varias causas posibles para que no aumente el voltaje durante el arranque:
1. Ausencia de flujo magnético residual en el generador para comenzar el
proceso. Si el flujo residual
= 0, entonces EA = 0 y el voltaje nunca
aumentaría. Si esto ocurre, es necesario desconectar el campo del
circuito del inducido y conectarlo directamente a una fuente CD externa
(batería).
Ricardez, 2014
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2. Fuentes de corriente directa
El flujo proveniente de la fuente externa dejara un flujo residual en los
polos que permitirá un arranque normal. Este procedimiento se conoce
como “centello del campo”.
2. Inversión de la dirección de rotación del generador o de las conexiones
del campo. En todo caso, el flujo residual produce un voltaje interno
generado EA. Este voltaje EA origina una corriente de campo que genera
un flujo que se opone al residual, en lugar de sumarse a él. En estas
circunstancias, el flujo disminuye por debajo de
y no puede
generarse ningún voltaje.
Este problema puede solucionarse invirtiendo la dirección de las
conexiones de campo o centellando el campo con la polaridad
magnética opuesta.
3. Ajuste de la resistencia de campo a un valor superior al de la resistencia
critica. Para entender este problema vea la figura 2.10. El generador en
derivación aumentara el voltaje hasta el punto en que la curva de
magnetización interseca la línea de resistencia del campo. Si la
resistencia de campo tiene el valor R2 mostrado en la figura, su línea es
aproximadamente paralela a la curva de magnetización.
En ese punto, la fluctuación del voltaje del generador puede ser muy
amplia y presentar solo pequeños cambios en RF IA. Este valor de la
resistencia se llama resistencia crítica. Si
RF excede el valor de la
resistencia critica (como en R3 de la figura), entonces el voltaje de
operación en estado estacionario está en el nivel residual y nunca se
elevara. La solución a este problema es reducir RF.
El voltaje de la curva de magnetización varia como función de la
velocidad del eje, así que la resistencia critica varia también con la
velocidad. En general, cuanto más baja sea la velocidad del eje, mejor
es la resistencia crítica.
Ricardez, 2014
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2. Fuentes de corriente directa
Figura 2.10 Efecto de la resistencia de campo en
derivación, sobre el voltaje en los terminales de un
generador en vacío. Si RF > R2 (resistencia critica),
entonces el voltaje del generador nunca se elevará.

CARACTERÍSTICA DE LOS TERMINALES DE UN GENERADOR
CD EN DERIVACIÓN.
La característica de los terminales de un generador CD en derivación difiere de
la de un generador de excitación separada en que la cantidad de corriente de
campo en la máquina, depende del voltaje en sus terminales. Para entender la
característica de los terminales de un generador en derivación, se parte de la
máquina descargada, luego se adiciona carga.
Como se incrementa la carga sobre el generador, IL aumenta y por tanto IA = IF
+ IL también aumenta. Un aumento en IA, incrementa la caída de voltaje en la
resistencia del inducido IA RA y causa que VT = EA – IA RA disminuya. Este es el
mismo comportamiento observado en un generador de excitación separada.
Sin embargo, cuando VT disminuye, la corriente de campo en la máquina
disminuye con él. Esto causa que el flujo en la máquina disminuya, y se
reduzca EA. La reducción de EA causa una reducción más fuerte del voltaje en
los terminales VT = EA – IARA. La característica de los terminales resultantes se
muestra en la figura 2.11.
La regulación de voltaje de este generador es peor que la regulación de voltaje
Ricardez, 2014
57
2. Fuentes de corriente directa
lograda con el mismo equipo conectado con excitación separada.
Figura 2.11 Característica de los terminales de
un generador CD en derivación.

CONTROL DE VOLTAJE PARA UN GENERADOR CD EN
DERIVACIÓN.
Existen dos maneras de controlar el voltaje de un generador en derivación:
1. Cambio de la velocidad del eje ωm del generador.
2. Cambio de la resistencia de campo del generador y, por tanto,
cambiando la corriente de campo.
El cambio de la resistencia de campo es el principal método utilizado para
controlar el voltaje en los terminales de los generadores reales en derivación.
Si la resistencia de campo RF disminuye, entonces la corriente de campo IF =
VT / RF aumenta. Cuando IF se incrementa el flujo φ de la máquina aumenta y
originan un incremento en el voltaje interno generado EA. El aumento en EA
causa que el voltaje en los terminales del generador también aumente.

ANÁLISIS DE GENERADORES CD EN DERIVACIÓN.
El análisis de un generador CD en derivación es complicado, debido a que la
corriente de campo de la máquina depende directamente de su propio voltaje
de salida. En primer lugar se aborda el análisis del generador en derivación
para máquinas sin reacción del inducido y después se incluyen los efectos de
reacción del inducido.
La figura 2.12 muestra una curva de magnetización de un generador CD en
Ricardez, 2014
58
2. Fuentes de corriente directa
derivación, dibujada a la velocidad real de operación de la máquina. La
resistencia de campo RF que es igual a VT / IF, aparece como una línea recta
tendida sobre la curva de magnetización. En vacío, VT = EA y el generador
opera al voltaje, en el cual, la curva de magnetización interseca la línea de
resistencia de campo.
Figura 2.12 Análisis gráfico de un
generador CD en derivación, con
devanados de compensación.
La diferencia entre el voltaje interno generado y el voltaje en los terminales
corresponde a la caída IA RA en la máquina. La línea de todos los valores
posibles de EA es la curva de magnetización, y la línea de todos los voltajes
posibles en los terminales es la línea de resistencia (IF = VT / RF).
Por tanto, para encontrar el voltaje en los terminales para una carga dada, es
necesario determinar la caída IA RA y localizar el lugar de la gráfica donde la
caída encaja exactamente entre la línea EA y la línea VT. Existen por lo menos
dos lugares de la curva donde la ciada IA RA encajara exactamente.
Si un generador en derivación presenta reacción del inducido, este proceso se
complica aún más. La reacción del inducido produce una fuerza magnetomotriz
desmagnetizante en el generador, simultánea con la caída IARA en la máquina.
Para analizar un generador que presenta reacción del inducido, supóngase que
se conoce su corriente del inducido; entonces se conoce la caída de voltaje
resistiva IARA y así mismo, la fuerza magnetomotriz desmagnetizante de la
Ricardez, 2014
59
2. Fuentes de corriente directa
corriente del inducido.
El voltaje en los terminales de este generador debe ser suficientemente alto
para suministrar el flujo del generador después de restar los efectos
desmagnetizantes de la reacción del inducido. Para cumplir esto, tanto la
fuerza magnetomotriz de la reacción del inducido como la caída IARA debe
encajar entre la línea EA y la línea VT.
Para determinar el voltaje de salida para una fuerza magnetomotriz dada, se
debe localizar el lugar bajo la curva de magnetización donde el triángulo
formado por los efectos de la reacción del inducido y de IARA encaja
exactamente entre la línea de los posibles valores VT y la línea de los posibles
valores EA (figura 2.13).
Figura 2.13 Análisis gráfico de un generador
CD en derivación con reacción del inducido.
2.1.3 Generador CD serie.
Un generador CD serie es aquel cuyo devanado de campo está conectado en
serie con su inducido. El inducido tiene una corriente mucho mayor que un
campo en derivación, el campo serie en un generador de esta clase tendrá solo
unas muy pocas vueltas de alambre y el conductor utilizado será mucho más
grueso que el de un campo en derivación.
Puesto que la fuerza magnetomotriz está dada por la ecuación ₣=NI, unas
pocas vueltas con alta corriente pueden producir una fuerza magnetomotriz
igual a la producida por muchas vueltas con baja corriente. Un campo serie se
Ricardez, 2014
60
2. Fuentes de corriente directa
diseña para que tenga la más baja resistencia posible, dado que la corriente de
plena carga fluye a través de él.
En la figura 2.14 se muestra el circuito equivalente de un generador serie CD.
Aquí, la corriente del inducido, la corriente de campo y la corriente de línea son
iguales. La ecuación correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff para esta
máquina es:
Figura 2.14 Circuito equivalente de un
generador CD serie.

CARACTERÍSTICA DE LOS TERMINALES DE UN GENERADOR
SERIE.
La curva de magnetización de un generador CD serie se parece mucho a la de
cualquier generador. En vacío, sin embargo, no hay corriente de campo; por
tanto, VT se reduce a un pequeño nivel dado por el flujo residual de la máquina.
Cuando aumenta la carga, aumenta la corriente de campo y EA se eleva con
rapidez. Aunque la caída IA (RA+RS) también aumenta, al principio el aumento
en EA es más rápido que la caída IA (RA+RS), en consecuencia, VT aumenta. Al
poco rato, la máquina se aproxima a la saturación y EA llega a ser casi
constante. En ese punto, la caída resistiva es el efecto predominante, y VT
comienza a caer.
En la figura 2.15 se muestra este tipo de característica. Es obvio que esta
máquina no sería una buena fuente de voltaje constante. En efecto, su
regulación de voltaje es un número negativo grande.
Ricardez, 2014
61
2. Fuentes de corriente directa
Figura 2.15 Deducción de la característica de
los terminales para un generador CD serie.
Los generadores serie se utilizan solo en unas pocas aplicaciones especiales
donde puede explotarse la característica empinada del voltaje del equipo. Una
de tales aplicaciones es la soldadura de arco. Los generadores en serie
utilizados en soldadura de arco se diseñan deliberadamente con gran reacción
del inducido, la cual les da una característica de los terminales.
Cuando los electrodos del soldador hacen contacto entre sí, antes de comenzar
a soldar, fluye una corriente muy alta. Cuando el operador separa los
electrodos del soldador, se produce un aumento muy empinado en el voltaje
del generador, mientras la corriente permanece alta. Este voltaje asegura que
el arco de soldadura se mantenga en el aire, entre los electrodos.
2.1.4 Generador CD compuesto acumulativo.
Un generador CD compuesto acumulativo es un generador CD con campo
serie y campo en derivación, conectados de tal manera que las fuerzas
magnetomotrices de los dos campos se suman.
La figura 2.16 muestra el circuito equivalente de un generador CD compuesto
acumulativo en conexión de “derivación larga”.
Los puntos que aparecen en las dos bobinas de campo tienen el mismo
significado que los puntos sobre un transformador: la corriente que fluye hacia
dentro de las bobinas por el extremo marcado con un punto produce una fuerza
magnetomotriz positiva.
Nótese que la corriente del inducido fluye hacia dentro por el extremo de la
bobina de campo serie marcado con un punto y que la corriente del campo en
Ricardez, 2014
62
2. Fuentes de corriente directa
derivación IF fluye hacia dentro por el extremo de la bobina de campo en
derivación marcado con un punto.
Entonces, la fuerza magnetomotriz total de esta máquina está dada por:
Donde
es la fuerza magnetomotriz del campo en derivación,
magnetomotriz del campo serie y
es la fuerza
es la fuerza magnetomotriz de la reacción
del inducido.
Figura 2.16 Circuito equivalente de un
generador CD compuesto acumulativo con
conexión en derivación larga.
Las otras relaciones de voltaje y corriente para este generador son:
Otra forma de acoplar un generador compuesto acumulativo es la conexión en
“derivación corta”, donde el campo serie está fuera del circuito de campo en
derivación y tiene una corriente IL que fluye a través de él, en lugar de IA.
En la figura 2.17 se muestra un generador CD compuesto acumulativo en
derivación corta.
Ricardez, 2014
63
2. Fuentes de corriente directa
Figura 2.17 Circuito equivalente de un
generador CD compuesto acumulativo
conectado en derivación corta.

CARACTERÍSTICA DE LOS TERMINALES DE UN GENERADOR
CD COMPUESTO ACUMULATIVO.
Para entender la característica de los terminales de un generador CD
compuesto acumulativo, es necesario comprender los efectos que actúan
dentro de la máquina.
Si aumenta la carga sobre el generador, entonces la corriente de carga IL
aumenta. Puesto que IA = IF+IL, la corriente del inducido IA también aumenta.
En este punto, ocurren dos efectos en el generador:
1. Como se eleva IA, la caída de voltaje IA (RA+RS) aumenta. Esto tiene a
causar una disminución en el voltaje en los terminales VT = EA-IA (RA+RS).
2. Cuando aumenta IA, la fuerza magnetomotriz del campo serie ₣SE = NSE IA
aumenta. Esto incrementa la fuerza magnetomotriz total ₣TOT = NFIF+NSEIA,
la cual aumenta el flujo en el generador. El incremento del flujo en el
generador eleva EA, que a su vez tiende a hacer que VT=EA-IA (RA+RS)
aumente.
Estos dos efectos se oponen entre si pues el uno tiende a aumentar VT y el
otro, a disminuirlo. ¿Cuál efecto predomina en una máquina dada? Todo
depende de cuantas vuelta en serie tengan los polos de la máquina. La
pregunta puede ser respondida tomando varios casos individuales:
1. Pocas espiras en serie (NSE pequeño). Si hay solo unas pocas espiras
en serie, prima el efecto de la caída resistiva de voltaje. El voltaje cae
como en un generador en derivación, pero no en forma tan abrupta. Este
Ricardez, 2014
64
2. Fuentes de corriente directa
tipo de construcción, donde el voltaje en los terminales a plena carga es
menor que el de vacío, se llama hipocompuesto o compuesto parcial.
2. Más espiras en serie (NSE mayor). Si hay mayor cantidad de espiras de
alambre en serie sobre los polos, al comienzo prima el efecto de
fortalecimiento del flujo y el voltaje en los terminales aumenta con la
carga.
Sin embargo, cuando la carga continua aumentando, se crea saturación
magnética y la caída resistiva es más fuerte que el efecto de aumento
del flujo. En tal máquina, el voltaje en los terminales aumenta primero y
luego cae, cuando la carga aumenta. Si VT en vacío es igual a VT a
plena carga, el generador se denomina generador compuesto plano.
3. Se añaden aún más espiras en serie (NSE grande). Si se añaden aún
más espiras en serie al generador, el efecto del fortalecimiento del flujo
predomina un tiempo más prolongado antes de que prime la caída
resistiva. El resultado es una característica cuyo voltaje en los terminales
a plena carga supera el correspondiente en vacío. Si VT a plena carga
excede a VT
en vacío, el generador se denomina generador
hipercompuesto.
Todas
estas
posibilidades
se
ilustran
en
la
figura
2.18.
Figura 2.18 Característica en terminales de
generadores CD compuestos acumulativos.
También es posible reunir todas estas características de voltaje en un solo
generador si se utiliza una resistencia de desviación. La figura 2.19 muestra un
generador CD compuesto acumulativo con un número relativamente grande de
espiras en serie NSE y una resistencia de desviación conectada alrededor del
Ricardez, 2014
65
2. Fuentes de corriente directa
campo serie.
Si la resistencia Rdiv se ajusta a un valor grande, la mayoría de la corriente del
inducido fluye a través de la bobina campo serie, y el generador es
hipercompuesto. Si la resistencia Rdiv se ajusta a un valor pequeño, la mayoría
de la corriente fluye por fuera de la bobina de campo serie, a través de Rdiv y el
generador es hipocompuesto. Se puede ajustar uniformemente con la
resistencia para obtener la cantidad de compuesto deseada.
Figura 2.19 Generador CD compuesto
acumulativo con resistencia de desviación.

CONTROL DE VOLTAJE EN GENERADORES CD COMPUESTO
ACUMULATIVOS.
Las técnicas disponibles para controlar un generador CD compuesto
acumulativo son las mismas que se utilizan para controlar el voltaje de los
generadores CD en derivación:
1. Cambio de la velocidad de rotación. Un aumento en ω causa que EA =
Kφω aumente, incrementándose el voltaje en los terminales VT = EA-IA
(RA+RS).
2. Cambio en la corriente de campo. Una disminución en RF causa que IF
=VT/RF aumente, lo que incrementa la fuerza magnetomotriz total en el
generador. Como ₣tot aumenta, el flujo φ en la máquina aumenta y EA =
Kφω se eleva. Finalmente, un aumento en EA eleva VT.

ANÁLISIS
Ricardez, 2014
DE
LOS
GENERADORES
CD
COMPUESTOS
66
2. Fuentes de corriente directa
ACUMULATIVOS.
Las ecuaciones 2.15 y 2.16 son la clave para describir las características en
terminales de un generador CD compuesto acumulativo. La corriente
equivalente del campo en derivación Ieq, debida a los efectos del campo serie y
de la reacción del inducido, está dada por:
Por tanto, la corriente efectiva de campo en derivación de la máquina es:
La caída resistiva en el generador está dada por IA (RA+RS). La corriente
equivalente
y la caída resistiva de voltaje IA (RA+RS) dependen de la
potencia de corriente del inducido IA. Son los dos lados de un triángulo cuyo
tamaño es función de IA.
Para encontrar el voltaje de salida para una carga dada, se determina el
tamaño del triángulo y se halla un punto donde el triángulo encaja exactamente
entre la línea de corriente de campo y la curva de magnetización. Esta idea se
ilustra en la figura 2.20.
Figura 2.20 Análisis gráfico de un generador CD
compuesto acumulativo.
El voltaje en los terminales, en condiciones de vacío, será el punto en el cual se
intersecan la línea de resistencia y la curva de magnetización. Cuando se
adiciona carga al generador, aumenta la fuerza magnetomotriz del campo serie
Ricardez, 2014
67
2. Fuentes de corriente directa
y se elevan, la corriente equivalente del campo en derivación
y la caída
resistiva del voltaje IA (RA+RS) en la máquina.
Para encontrar el valor del nuevo voltaje de salida en el generador, es preciso,
deslizar el borde izquierdo del triángulo resultante a lo largo de la línea de
corriente de campo en derivación hasta que el vértice superior del triángulo
toque la curva de magnetización. El vértice superior del triángulo representa el
voltaje interno generado de la máquina, mientras que la línea inferior
representa el voltaje en terminales de la máquina.
2.1.5 Generador CD compuesto diferencial.
Un generador CD compuesto diferencial es un generador con dos campos, el
campo en derivación y el campo en serie, pero sus fuerzas magnetomotrices
se restan entre sí.
En la figura 2.21 se muestra el circuito equivalente de un generador CD
compuesto diferencial. Nótese que la corriente del inducido está fluyendo hacia
fuera de una bobina con el extremo marcado con un punto, mientras que la
corriente de campo en derivación está fluyendo hacia dentro por el extremo de
la bobina marcado con un punto. En esta máquina la fuerza magnetomotriz
neta es:
Y la corriente equivalente de campo en derivación debida al campo serie y la
reacción del inducido está dada por:
La corriente total efectiva de campo en derivación en esta máquina es:
Ricardez, 2014
68
2. Fuentes de corriente directa
Figura 2.21 Circuito equivalente de un generador CD
compuesto diferencial con conexión en derivación larga.
Como el generador compuesto acumulativo, el generador compuesto
diferencial puede ser conectado en derivación larga o en derivación corta.

CARACTERÍSTICA DE LOS TERMINALES DE UN GENERADOR CD
COMPUESTO DIFERENCIAL.
En el generador CD compuesto diferencial ocurren los mismos efectos que se
presentaron en el generador CD compuesto acumulativo. Esta vez, sin
embargo, ambos efectos actúan en la misma dirección. Ellos son:
1. Cuando aumenta IA, aumenta también la caída de voltaje IA (RA+RS). Este
aumento tiende a causar una disminución en el voltaje en los terminales VT
= EA-IA (RA+RS).
2. Cuando incrementa IA, la fuerza magnetomotriz del campo serie ₣SE = NSEIA
también aumenta. Este aumento en la fuerza magnetomotriz del campo
serie reduce la fuerza magnetomotriz neta del generador (₣tot = NFIF -NSEIA)
que a su vez, reduce el flujo neto en el generador. Una disminución de flujo
disminuye a EA, lo cual también, disminuye a VT.
Puesto que ambos efectos tienden a disminuir a VT, el voltaje cae
drásticamente cuando aumenta la carga en el generador. En la figura 2.22 se
muestra una característica de los terminales típica para un generador CD
Ricardez, 2014
69
2. Fuentes de corriente directa
compuesto diferencial.
Figura 2.22 Característica de los terminales de
un generador CD compuesto diferencial.

CONTROL DE VOLTAJE DE GENERADORES CD COMPUESTOS
DIFERENCIALES.
Aunque las características de caída de voltaje en un generador CD compuesto
diferencial son bastante malas, es posible ajustar el voltaje en los terminales
para una carga dada. Las técnicas disponibles para ajustar el voltaje en los
terminales son las mismas empleadas en los generadores CD en derivación y
compuestos acumulativos:
1. Cambio de la velocidad de rotación ωm.
2. Cambio de la corriente de campo IF.

ANÁLISIS GRÁFICO DE UN GENERADOR CD COMPUESTO
DIFERENCIAL.
El voltaje característico de un generador CD compuesto diferencial es
determinado gráficamente de la misma forma utilizada para el generador CD
compuesto acumulativo. Para encontrar la característica de los terminales de la
máquina, vea la figura 2.23.
La corriente efectiva de campo remanente está dada por Ieq, y es la suma de
los efectos del campo serie y de la reacción del inducido. Esta corriente
equivalente Ieq, representa una distancia negativa horizontal a lo largo del eje
Ricardez, 2014
70
2. Fuentes de corriente directa
de la curva de magnetización, puesto que ambos, el campo serie y la reacción
del inducido, son sustractivos.
Figura 2.23 Análisis gráfico de un
generador CD compuesto diferencial.
La caída resistiva en el generador está dada por IA (RA+RS), la cual representa
una distancia a lo largo del eje vertical de la curva de magnetización. Para
encontrar el voltaje de salida para una carga dada, se determina el tamaño del
triángulo, formado por la caída de voltaje resistiva e Ieq y se halla un punto en
donde el triángulo encaja exactamente entre la línea de corriente de campo y la
curva de magnetización.
La figura 2.24 muestra el proceso, repetido varias veces, para construir una
característica completa de los terminales para el generador.
Figura 2.24 Deducción grafica de loa característica de los
terminales de un generador CD compuesto diferencial.
Ricardez, 2014
71
2. Fuentes de corriente directa
2.2
Rectificadores polifásicos de potencia.
La electrónica desarrolla en la actualidad una gran variedad de tareas. Los
principales usos de los circuitos electrónicos son: el control, el procesado, la
distribución de información así como la conversión y distribución de la energía
eléctrica.
Estos dos usos implican la creación o detección de campos electromagnéticos
y corrientes eléctricas. Entonces se puede decir que la electrónica abarca en
general las áreas de electrónica de control, telecomunicaciones y electrónica
de potencia.
Se denomina electrónica de potencia a la rama de la ingeniería eléctrica que
consigue adaptar y transformar la electricidad, con la finalidad de alimentar
otros equipos, transportar energía, controlar el funcionamiento de las máquinas
eléctricas, etc.
Se refiere a la aplicación de dispositivos electrónicos (principalmente
semiconductores) al control y transformación de potencia eléctrica. Esto incluye
tanto aplicaciones en sistemas de control como de suministro eléctrico a
consumos industriales o incluso la interconexión de sistemas eléctricos de
potencia.
El principal objetivo de la electrónica de potencia es el procesamiento de
energía con la máxima eficiencia posible, por lo que se evitan utilizar elementos
resistivos o potenciales generadores de pérdidas por efecto Joule. Los
principales dispositivos utilizados por tanto son bobinas y condensadores, así
como semiconductores trabajando en modo corte/saturación (on/off).
La conversión de potencia es el proceso de convertir una forma de energía en
otra, esto puede incluir procesos electromecánicos o electroquímicos. Dichos
dispositivos son empleados en equipos que se denominan convertidores
estáticos de potencia, clasificados en:

Rectificadores. Convierten corriente alterna en corriente directa.

Inversores. Convierten corriente directa en corriente alterna.
Ricardez, 2014
72
2. Fuentes de corriente directa

Cicloconversores. Convierten corriente alterna en corriente alterna,
utilizado para variar la frecuencia. En electrónica de potencia, se puede
ver en los variadores de velocidad.

Choppers. Convierten corriente directa en corriente directa. Se
observan en generadores de pulsos.
Las principales aplicaciones de los convertidores electrónicos de potencia son
las siguientes:

Fuentes de alimentación: en la actualidad han cobrado gran
importancia un subtipo de fuentes de alimentación electrónicas,
denominadas fuentes de alimentación conmutadas. Estas fuentes se
caracterizan por su elevado rendimiento y reducción de volumen
necesario. El ejemplo más claro de aplicación se encuentra en la fuente
de alimentación de los ordenadores.

Control de motores eléctricos: la utilización de convertidores
electrónicos permite controlar parámetros tales como la posición,
velocidad o par suministrado por un motor. Este tipo de control se
utilizad en los sistemas de aire acondicionado.

Calentamiento por inducción: consiste en el calentamiento de un
material conductor a través del campo generado por un inductor. La
alimentación del inductor se hace a alta frecuencia generalmente en el
rango de los KHz de manera que se hacen necesarios convertidores
electrónicos de frecuencia.
2.2.1 Rectificadores polifásicos.
Se llama rectificador a todo dispositivo eléctrico que solo permite el paso de la
corriente en un sentido.
Figura 2.25 Diodo PN.
Ricardez, 2014
73
2. Fuentes de corriente directa
En la figura se muestran los símbolos utilizados para representar un diodo PN.
La zona P, donde va la flecha se llama ánodo, y la zona N, cátodo. Un diodo
posee elevada conductividad cuando el polo negativo de la fuente de tensión
se conecta a su cátodo y el polo positivo de la misma a su ánodo.
Entonces se cierra el circuito desde el polo negativo al positivo a través del
cátodo, del ánodo y de la carga.
Figura 2.26

RECTIFICADOR
TRIFÁSICO
DE
ONDA
COMPLETA
NO
CONTROLADO.
Los rectificadores trifásicos se utilizan normalmente en la industria para
producir tensión y corriente directa para grandes cargas. En la siguiente figura
se muestra el rectificador trifásico en puente completo. El generador trifásico de
tensión está equilibrado y la secuencia de fases es a-b-c.
Figura 2.27 Rectificador trifásico. Puente trifásico.
Análisis y descripción del rectificador trifásico.

La ley de Kirchhoff para las tensiones aplicadas al circuito, muestra que
solo puede conducir un diodo a la vez en la mitad superior del puente
(D1, D2 O D3). El diodo en estado de conducción tendrá su ánodo
conectado a la tensión de fase de mayor valor en ese instante.
Ricardez, 2014
74
2. Fuentes de corriente directa

La ley de Kirchhoff para las tensiones también muestra que solo puede
conducir un diodo a la vez en la mitad inferior del puente (D4, D5 o D6).
El diodo en estado de conducción tendrá su cátodo conectado a la
tensión de fase de menor valor en ese instante.

D1 y D4, no podrán conducir al mismo tiempo como consecuencia de las
observaciones 1 y 2. De la misma manera, tampoco podrán conducir
simultáneamente D2 y D5, ni D3 y D6.

La tensión de salida en la carga es una de las tensiones de línea del
generador. Por ejemplo, cuando D1 y D5 conducen la tensión de salida
es vab (van – vbn). Además la tensión de línea de mayor valor
instantáneo determinara los diodos que estarán en conducción.

Existen seis combinaciones de tensiones de línea (tres fases
combinadas de dos en dos). Si consideramos que un periodo del
generador son 360º, la transición de la tensión de línea de mayor valor
deberá producirse cada 360º/6=60º.
El circuito se denomina rectificador de seis pulsos debido a las seis
transiciones que se producen en cada periodo de la tensión del
generador.

La pulsación fundamental de la tensión de salida es 6ω, donde ω es la
pulsación del generador trifásico.
Con la unión de ambas partes, conseguimos que durante todo el tiempo se
conecte el mayor de las tres tensiones a uno de los terminales de la carga y al
otro terminal el menor de dichas tensiones.
Figura 2.28 La parte superior es de la forma de onda del
grupo tipo P y la inferior del tipo N.
Ricardez, 2014
75
2. Fuentes de corriente directa
La tensión en la carga puede considerarse como la suma de las tensiones de
dos rectificadores de media onda trifásicos, con relación al neutro “n”.

RECTIFICADOR
TRIFÁSICO
DE
ONDA
COMPLETA
SEMI-
CONTROLADO.
Los rectificadores semi controlados trifásicos se utilizan en aplicaciones
industriales hasta el nivel de 120 KW., en lo que se requiere una operación en
cuadrante. Conforme aumenta el ángulo de retraso se reduce el factor de
potencia de este convertidor, aunque es mejor que el de los convertidores
trifásicos de media onda.
En la figura 2.29 se muestra un semi convertidor trifásico. Se coloca una carga
altamente inductiva; la corriente de carga se supone continua y libre de
componentes ondulatorias. La frecuencia de voltaje de salida para este
montaje es 3·fs. El ángulo de retraso a se puede variar desde 0 hasta p.
Figura 2.29 Puente rectificador trifásico semi controlado.
Durante el periodo (p/6) vt (7p/6), el tiristor T1 tiene polarización directa o
positiva. Cuando este se dispara en vt= (p/6+a), hasta vt = (7p/6) T1 y D1
conducen y el voltaje de línea vca aparecerá a través de la carga. En vt = (p/6),
el voltaje vca es negativo y el diodo de marcha libre Dm tiene polarización
directa, entrando en conducción.
La corriente de carga circula ahora a través de Dm, pasando T1 y D1 al estado
de desactivación. Si no existe un diodo de marcha libre, T1 continua
Ricardez, 2014
76
2. Fuentes de corriente directa
conduciendo hasta que el tiristor T2 se dispara vt = (5p/6+a), hasta vt = (11p/6),
circulando entonces la corriente de carga por T2-D2.
El factor de potencia del rectificador semi controlado es superior al valor que se
obtiene para el totalmente controlado y por esa razón es más útil para el control
de motores.

RECTIFICADOR TRIFÁSICO DE ONDA COMPLETA TOTALMENTE
CONTROLADO.
Este tipo de rectificador permite variar el voltaje promedio de salida, empleando
para su funcionamiento tiristores de potencia con los cuales se puede variar el
ángulo de disparo y por ende la potencia entregada a la carga. Los tiristores se
disparan a un intervalo de π/3.
La frecuencia del rizo de voltaje en la salida es seis veces la frecuencia de la
fuente de entrada (6fs), y el filtrado resulta menos complejo en comparación
con el de los convertidores de media onda ya que este presenta menos rizo en
el voltaje de salida.
Para cada periodo de la tensión de alimentación, el circuito de disparo ha de
suministrar 6 impulsos de control, distanciados 60º en el tiempo. Estos
impulsos de control tienen una duración de 180º, contado desde el punto de
conmutación natural.
Figura 2.30 Puente rectificador trifásico controlado.
Ricardez, 2014
77
2. Fuentes de corriente directa
La tensión de las fases del secundario se encuentra en 3 fases desfasadas
120º entre si y las tensiones de línea 6 fases desfasadas 60º entre sí.
El orden de conducción de los tiristores es: T1-T6, T6-T2, T2-T4, T4-T3, T3-T5
y T5-T1.

RECTIFICADOR TRIFÁSICO DE DOCE PULSOS.
Un puente trifásico produce un voltaje de salida de seis pulsos. Para
aplicaciones con grandes potencias, como por ejemplo transmisión de CD de
alto voltaje (HVCD), y para impulsores de CD para motores, se requiere en
general una salida de 12 pulsos para reducir los rizos en la salida, y para
aumentar las frecuencias de los mismos.
Se pueden combinar dos puentes de 6 pulsos, sea en serie o en paralelo, para
producir una salida con 12 pulsos efectivos. Para un circuito convertidor se
puede obtener un desplazamiento de fase de 30° entre los devanados
secundarios, conectando un secundario en estrella (Y) y el otro en delta (Δ).
Con este rectificador se puede llevar a cabo una reducción mayor de armónicos
de salida, que en un rectificador de 6 pulsos. Mediante una conexión en serie la
tensión total de salida es la suma de las salidas de los dos puentes de 6
pulsos. Los ángulos de disparo de los puentes suelen ser iguales.
Entre las ventajas que presenta el rectificador de 12 pulsos con respecto al
convertidor de 6 pulsos tenemos:

Tiene un total de 12 transiciones para cada periodo del generador de
alterna, dado que se produce una transición entre los tiristores en
conducción cada 30º.

La salida presenta frecuencias armónicas que son múltiplos de 12 veces
la frecuencia del generador (12k, k = 1, 2, 3…).

El filtrado necesario para generar una salida de corriente continua,
relativamente pura, es menos costoso que el necesario para el
rectificador de 6 pulsos.
Ricardez, 2014
78
2. Fuentes de corriente directa
Figura 2.31 Circuito y formas de onda de un
rectificador trifásico de doce pulsos.
Ricardez, 2014
79
3. Motores de corriente directa
3. MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA.
Los motores de corriente directa son máquinas CD utilizadas como motores. La
misma máquina física puede operar como motor o generador, dependiendo de
la dirección del flujo de potencia a través de ella.
3.1 Introducción a los motores CD.
Los primeros sistemas de potencia en los Estados Unidos fueron sistemas CD
pero, hacia 1890, los sistemas de CA fueron primando sobre los sistemas CD.
A pesar de esto, los motores CD continuaron siendo una fracción importante de
la maquinaria comprada cada año hasta los años de 1960. Los sistemas de
potencia CD son comunes aun en automóviles, camiones y aviones. Cuando
un vehículo tiene un sistema de potencia CD, tiene sentido considerar el uso de
los motores CD.
Los motores de CD también se aplicaban cuando se requerían amplias
variaciones de velocidad, antes de la amplia difusión del uso de inversores
rectificadores de potencia electrónicos. Hoy en día se prefieren los motores de
inducción con grupos de controladores de estado sólido para la mayoría de las
aplicaciones de control de velocidad. Sin embargo, todavía hay aplicaciones
donde se prefieren los motores CD.
Los motores CD se comparan frecuentemente por sus reguladores de
velocidad. La regulación de velocidad (SR) de un motor se define como:
Es una medida aproximada de la forma de la característica par-velocidad de un
motor; una SR positiva significa que la velocidad del motor disminuye con el
aumento de carga y una SR negativa significa que la velocidad aumenta
cuando aumenta la carga.
Ricardez, 2014
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3. Motores de corriente directa
Figura 3.1 Uno de los primeros motores
CD, construido por Elihu Thompson en
1886. Su capacidad era de ½ hp.
La magnitud de la regulación de velocidad dice, aproximadamente, que tan
empinada es la pendiente de la curva par-velocidad.
Los motores CD son accionados por una fuente de potencia CD. A menos que
se especifique otra cosa, se supone que el voltaje de entrada es constante,
esta suposición simplifica el análisis de los motores y la comparación entre los
diferentes tipos de ellos.
Hay cinco clases principales de motores CD de uso general:
1. Motor CD de excitación separada.
2. Motor CD con excitación en derivación.
3. Motor CD de imán permanente.
4. Motor CD serie.
5. Motor CD compuesto.
3.2 Circuito equivalente del motor CD.
En la figura 3.2 se muestra el circuito equivalente de un motor CD.
En esta figura, el circuito del inducido está representado por una fuente ideal de
voltaje EA y una resistencia RA.
Esta representación es el equivalente de Thevenin de la estructura total del
rotor, incluidos las bobinas del rotor, los interpolos y los devanados de
compensación, si los hay.
La caída de voltaje en la escobilla está representada por una pequeña batería
Ricardez, 2014
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3. Motores de corriente directa
Ves opuesta en dirección al flujo de la corriente de la máquina. Las bobinas de
campo que producen el flujo magnético en el generador están representadas
por la inductancia LF y la resistencia RF.
La resistencia separada Radj representa una resistencia exterior variable,
utilizada para controlar la cantidad de corriente en el circuito de campo.
Figura 3.2 a) Circuito equivalente de un motor CD. B) Circuito
equivalente simplificado en que se elimina la caída de voltaje en la
escobilla y se combina Radj con la resistencia de campo.
Existen algunas variantes y simplificaciones de este circuito equivalente básico.
Con frecuencia, el voltaje de caída en la escobilla es solo una pequeña fracción
del voltaje generado en una máquina.
En esos casos en los cuales no es demasiado crítico, el voltaje de caída en la
escobilla puede despreciarse o incluirse aproximadamente en el valor de RA, a
veces, la resistencia interna de las bobinas de campo también se agrupa con la
resistencia variable y a ese total se le llama RF (figura 3.2b).
Una tercera variante es aquella en la cual los generadores tienen más de una
bobina de campo, todo lo cual aparecerá en el circuito equivalente.
El voltaje interno generado en esta máquina está dado por la ecuación:
Ricardez, 2014
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3. Motores de corriente directa
Y el par inducido desarrollado por la máquina está dado por:
Estas dos ecuaciones, la correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff del
circuito del inducido y la curva de magnetización de la máquina, son las
herramientas necesarias para analizar el comportamiento y el funcionamiento
de un motor CD.
3.3 Curvas de magnetización de una máquina CD.
El voltaje interno generado EA de un motor o generador CD está dado por la
ecuación:
En consecuencia, EA, es directamente proporcional al flujo en la máquina y a la
velocidad de rotación de ella.
La corriente de campo en una máquina CD produce una fuerza magnetomotriz
de campo dada por ₣ = NFIF, la cual produce un flujo en la máquina de acuerdo
con la curva de magnetización (figura 3.3).
Figura 3.3 Curva de magnetización de un
materia ferromagnético (φ contra Ϝ).
Puesto que la corriente de campo es directamente proporcional a la fuerza
magnetomotriz y EA
es directamente proporcional al flujo, es costumbre
presentar la curva de magnetización como la gráfica de EA contra la corriente
de campo a una velocidad ω dada (figura 3.4).
Ricardez, 2014
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3. Motores de corriente directa
Figura 3.4 Curva de magnetización de una
máquina CD expresada como una gráfica de EA
contra IF, a una velocidad ω dada.
3.4 Tipos de motores CD.
3.4.1 Motores CD con excitación separada y motores CD en derivación.
La figura 3.5a muestra el circuito equivalente de un motor CD con excitación
separada; la figura 3.5b, el de un motor CD en derivación.
Figura 3.5 a) Circuito equivalente de un motor CD con
excitación separada. b) Circuito equivalente de un motor
CD en derivación.
Un motor con excitación separada es un motor cuyo circuito de campo es
alimentado por una fuente de potencia separada, de voltaje constante, mientras
que un motor CD en derivación es aquel cuyo circuito de campo obtiene su
Ricardez, 2014
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3. Motores de corriente directa
potencia directamente de los terminales del inducido del motor.
Si se supone que el voltaje de alimentación al motor es constante, no hay casi
diferencia de comportamiento entre estas dos máquinas. Siempre que se
describe el comportamiento de un motor en derivación, también se incluye el
motor de excitación separada.
La ecuación correspondiente a la ley de Kirchhoff para el circuito del inducido
de estos motores es:

CARACTERÍSTICA DE LOS TERMINALES DE UN MOTOR CD EN
DERIVACIÓN.
En un motor, las cantidades de salida son el par al eje y la velocidad; por tanto,
su característica de los terminales es una gráfica del par contra la velocidad en
su salida.
¿Cómo responde un motor CD en derivación a una carga? Suponer que
aumenta la carga en el eje del motor; entonces el par de carga τ carga excederá
al par inducido τind en la máquina, y el motor comenzara a reducir la velocidad.
Cuando el motor se frena, su voltaje interno generado disminuye (EA=Kφω) y la
corriente del inducido del motor IA = VT -EA/RA aumenta. Cuando aumenta la
corriente del inducido, aumenta el par inducido τ ind=KφIA y finalmente, el par
inducido igualara al de carga a una velocidad mecánica de rotación ω más
baja.
La característica de salida de un motor CD en derivación se puede deducir de
las ecuaciones del voltaje inducido y del par del motor, junto con la ecuación
correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff. Esta última ecuación, aplicada
al motor en derivación es:
El voltaje inducido EA=Kφω tal que:
Ricardez, 2014
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3. Motores de corriente directa
Puesto que τind=KφIA, la corriente IA puede ser expresada como:
Combinando las ecuaciones 3.8 y 3.9 se obtiene:
Finalmente, despejando la velocidad del motor se obtiene:
Esta ecuación representa justamente una línea recta con pendiente negativa.
La característica resultante par-velocidad de un motor CD en derivación se
muestra en la figura 3.6a.
Figura 3.6 a) Característica par-velocidad de un
motor CD en derivación o de un motor CD con
excitación separada, y devanados de
compensación para eliminar la reacción del
inducido. b) Característica par-velocidad del
motor, con reacción del inducido presente.
Ricardez, 2014
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3. Motores de corriente directa
Es importante tener en cuenta que, para una variación lineal de la velocidad del
motor con respecto al par, los otros términos de esta expresión deben
permanecer constantes cuando cambia la carga. Se supone que el voltaje en
los terminales, suministrado por la fuente de potencia CD, es constante; si no
es constante, las variaciones de voltaje afectaran la forma de la curva parvelocidad.
La reacción del inducido es otro efecto interno del motor que también puede
afectar la forma de la curva par-velocidad. Si un motor presenta reacción del
inducido, el efecto de debilitamiento del flujo reduce el flujo en la máquina a
medida que aumenta la carga. La reducción del flujo aumenta la velocidad del
motor, a cualquier carga dada.
La figura 3.6b muestra la característica de par-velocidad de un motor en
derivación con reacción del inducido. Si un motor tiene devanados de
compensación, es claro que no se presentaran los problemas de debilitamiento
del flujo en la máquina y éste será constante.
Si un motor CD en derivación tiene devanados de compensación tal que su
flujo es constante, independientemente de la carga, y si se conocen la
velocidad y la corriente del inducido del motor, para cualquier valor de la carga,
es posible calcular su velocidad para cualquier otro valor de esta, mientras se
conozca o pueda determinarse la corriente del inducido.

ANÁLISIS NO LINEAL DE UN MOTOR CD EN DERIVACIÓN.
El flujo φ y el voltaje interno generado EA de una máquina CD es una función
no lineal de su fuerza magnetomotriz. Entonces, cualquier fenómeno que altere
la fuerza magnetomotriz en la máquina tendrá un efecto no lineal en el voltaje
interno generado de ella.
EA no se puede calcular analíticamente, debe utilizarse la curva de
magnetización de la máquina, para determinar con aproximación su EA para
una fuerza magnetomotriz dada.
Los dos elementos principales que ayudan a formar la fuerza magnetomotriz de
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3. Motores de corriente directa
la máquina son la corriente de campo y la reacción del inducido. La curva de
magnetización es una gráfica de EA contra IF para una velocidad ω dada.
Si una máquina presenta reacción del inducido, su flujo se reducirá a medida
que aumenta la carga. En un motor CD en derivación, la fuerza magnetomotriz
total es igual a la fuerza magnetomotriz del circuito de campo menos la fuerza
magnetomotriz debida a la reacción del inducido (AR):
Una corriente equivalente de campo produciría el mismo voltaje de salida que
la combinación de todas las fuerzas magnetomotrices en la máquina. El voltaje
resultante EA puede ser determinado localizando esa corriente equivalente en
la curva de magnetización. En un motor CD en derivación la corriente
equivalente de campo está dada por:
En una máquina, las curvas de magnetización se dibujan para una velocidad
particular, usualmente la velocidad nominal de la máquina.
En una máquina CD, cuando la velocidad se expresa en rev/min, la ecuación
para el voltaje inducido es:
El voltaje interno generado está relacionado con la velocidad por:
Donde
y
representan los valores de referencia, del voltaje y de la
velocidad respectivamente. Si se conocen las condiciones de referencia de la
curva de magnetización y el valor real de
por la ley de voltajes de Kirchhoff,
entonces, es posible determinar la velocidad actual n.
Para cualquier carga dada, la velocidad del motor con reacción del inducido es
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3. Motores de corriente directa
mayor que la del motor sin reacción del inducido.

CONTROL DE VELOCIDAD EN MOTORES CD EN DERIVACIÓN.
Las dos formas más comunes utilizadas para controlar la velocidad de una
máquina CD en derivación son:
A. Ajustando la resistencia de campo RF y por tanto el flujo del campo.
B. Ajustando el voltaje en los terminales, aplicado al inducido.
C. El método menos común de control de velocidad es:
Insertando una resistencia en serie con el circuito del inducido.
A. Cambio de la resistencia de campo. El comportamiento causa-efecto
involucrado en este método de control de velocidad, tiene las siguientes
características:
1. El aumento de RF causa una disminución de IF (=VT/RF).
2. Ante la disminución de IF, disminuye φ.
3. La disminución de φ baja EA (=Kφω).
4. La disminución de EA aumenta IA (=VT –EA)/RA.
5. El aumento de IA incrementa τind (=KφIA).
6. El aumento de τind hace a τind>τcarga, y la velocidad ω aumenta.
7. El aumento de ω aumenta otra vez EA=Kφω.
8. El aumento de EA disminuye IA.
9. La disminución de IA reduce τind hasta que τind=τcarga a una velocidad
mayor ω.
El efecto de aumentar la resistencia de campo sobre la característica de salida
de un motor en derivación se muestra en la figura 3.7a.
B. Cambio de voltaje del inducido. El comportamiento causa-efecto en
este método de control de velocidad, cuenta con las siguientes
características:
1. Un aumento de VA eleva IA= (VA-EA)/RA.
2. El aumento de IA incrementa τind (=KφIA).
3. El aumento de τind hace que τind> τcarga y aumenta ω.
Ricardez, 2014
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3. Motores de corriente directa
4. El aumento de ω incrementa a EA (=Kφω).
5. El aumento de EA hace que disminuya IA= (VA-EA)/RA.
6. La disminución de IA reduce a τind hasta que τind= τcarga a una mayor
velocidad ω.
Figura 3.7 Efecto del control de velocidad por
resistencia de campo sobre la característica
par-velocidad de un motor CD en derivación:
a) en el rango de operación normal del motor;
b) en el rango completo desde la condición de
vacío hasta la condición de rotor frenado.
En la figura 3.8 se muestra el efecto de un aumento en EA sobre la
característica par-velocidad de un motor con excitación separada. Nótese que
en este método de control, varia la velocidad vacío del motor, pero la pendiente
de la curva permanece.
Estas dos técnicas de control de velocidad son complementarias. El control de
voltaje del inducido funciona bien para velocidades inferiores a la nominal; la
resistencia de campo o control de corriente de campo, funciona bien para
velocidad por encima de la nominal.
Combinando las dos técnicas de control en el mismo motor, es posible obtener
Ricardez, 2014
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3. Motores de corriente directa
un rango de variación de velocidad de hasta 40 a 1 o más. Los motores CD en
derivación y de excitación separada tienen excelentes características de control
de velocidad.
Figura 3.8 Efecto de control de velocidad por
voltaje del inducido sobre la característica parvelocidad de un motor CD en derivación.
3.4.2 Motor CD de imán permanente.
Un motor CD de imán permanente (PMCD) es un motor CD cuyos polos están
hechos de imanes permanentes. En algunas aplicaciones, los motores de imán
permanente ofrecen muchos más beneficios que los motores CD en derivación.
Puesto que estos motores no requieren circuito de campo externo, no tienen
las perdidas en el cobre del circuito de campo asociadas con los motores CD
en derivación. Debido a que no se requieren devanados de campo, estos
motores pueden ser más pequeños que los correspondientes motores CD en
derivación.
Los motores PMCD son muy comunes en tamaños pequeños de caballaje
fraccional y subfraccional, en los cuales no puede justificarse el costo y espacio
de un circuito separado de campo.
Sin embargo, los motores PMCD tienen algunas desventajas porque los
imanes permanentes no pueden producir tan alta densidad de flujo como la de
un campo externo en derivación.
En consecuencia, el motor PMCD tendrá un par inducido τ ind menor que el de
un motor en derivación del mismo tamaño y construcción. Además los motores
PMCD corren el riesgo de la desmagnetización. En una máquina PMCD, el
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3. Motores de corriente directa
flujo polar es justamente el residual en los imanes permanentes.
Si la corriente del inducido llega a ser muy grande, se corre el riesgo de que la
fuerza magnetomotriz del inducido, desmagnetice los polos, reduciendo y
reorientando permanentemente el flujo residual en ellos. La desmagnetización
también pude ser causada por calentamiento excesivo, el cual puede ocurrir
durante periodos prolongados de sobrecarga.
La figura 3.9 muestra una curva de magnetización para un material
ferromagnético típico. Es un dibujo de la densidad del flujo B contra la
intensidad de campo magnético H (o lo que es igual, un dibujo del flujo de
campo φ contra la fuerza magnetomotriz ₣).
Figura 3.9 Curva de magnetización de un material
ferromagnético típico. Nótese el lazo de histéresis.
Después que se aplica una gran intensidad de campo
magnetizante H al núcleo y luego es removida, una
densidad de flujo residual Bres permanece en el núcleo.
Este flujo puede ser llevado a cero si se aplica al núcleo
una intensidad de campo magnetizante coercitiva Hc de
polaridad opuesta. En este caso, un valor relativamente
pequeño de ella desmagnetizara al núcleo.
Cuando se aplica a este material una fuerza magnetomotriz externa fuerte y
luego se quita, un flujo residual Bres permanecerá en el material. Para que el
flujo residual sea cero, es necesario aplicar una intensidad magnetizante
coercitiva Hc con una polaridad opuesta a la polaridad de la intensidad
magnetizante H que originalmente estableció el campo magnético.
Para aplicaciones comunes en máquinas como rotores y estatores, deberá
Ricardez, 2014
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3. Motores de corriente directa
escogerse un material ferromagnético que tenga tan pequeña Bres y Hc como
sea posible, ya que este material tendrá bajas perdidas por histéresis.
Por otra parte, un buen material para fabricar los polos de un motor PMCD
deberá tener tanto la mayor densidad del flujo residual Bres posible como la
mayor
intensidad
magnetizante
coercitiva
Hc
posible.
La
curva
de
magnetización de este material se muestra en la figura 3.10.
Figura 3.10 Curva de magnetización de
un material ferromagnético adecuado
para utilizarlo en imanes permanentes.
Nótese la alta intensidad de flujo
residual Bres y la relativamente grande
intensidad de campo magnetizante Hc.
La Bres grande produce un gran flujo en la máquina, mientras que Hc grande
indica que se requeriría una gran corriente para desmagnetizar los polos.
En los últimos 40 años se han desarrollado varios materiales magnéticos
nuevos con características deseables para fabricar imanes permanentes. Los
principales tipos son los materiales ceramicomagnéticos (ferrita) y los
materiales magnéticos de tierras raras.
La figura 3.11 muestra el segundo cuadrante de las curvas de magnetización
de algunos imanes cerámicos y de tierras raras, comparados con la curva de
magnetización de una aleación ferromagnética convencional (Alnico 5).
Los mejores imanes de tierras raras pueden producir el mismo flujo residual
que las mejores aleaciones convencionales ferromagnéticas y ambos son
bastante inmunes a los problemas de desmagnetización debidos a la reacción
Ricardez, 2014
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3. Motores de corriente directa
del inducido.
Figura 3.11 Segundo cuadrante de las curvas de
magnetización de algunos materiales típicos.
Nótese que los imanes de tierras raras combinan
un alto flujo residual con una alta intensidad de
campo magnetizante coercitiva.
Un motor de imán permanente es básicamente la misma máquina CD en
derivación, excepto que el flujo de un motor PMCD es fijo. Por tanto, no es
posible controlar la velocidad de un motor PMCD variando la corriente o el flujo
de campo.
Los únicos métodos de control de velocidad disponibles para un motor PMCD
son los de control de voltaje del inducido y control de la resistencia del
inducido, siendo el primero de éstos el más común y fácil de emplear.
3.4.3 Motor CD serie.
Un motor CD serie es un motor cuyo devanado de campo relativamente consta
de unas pocas vueltas conectadas en serie con el circuito del inducido. El
circuito equivalente de un motor CD serie, se muestra en la figura 3.12.
En un motor CD serie, la corriente del inducido, la corriente de campo y la
corriente de línea son iguales. La ecuación correspondiente a la ley de voltajes
de Kirchhoff para este motor es:
Ricardez, 2014
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3. Motores de corriente directa
Figura 3.12 Circuito equivalente de un motor CD serie.

PAR INDUCIDO EN UN MOTOR CD SERIE.
La característica en terminales de un motor CD serie, es muy diferente de la del
motor CD en derivación. El comportamiento básico de un motor CD serie se
debe al hecho de que el flujo es directamente proporcional a la corriente del
inducido, al menos hasta llegar a la saturación.
Cuando se incrementa la carga del motor, también aumenta su flujo. Un
aumento de flujo en el motor ocasiona una disminución en su velocidad; el
resultado es una caída drástica en la característica de par-velocidad de un
motor en serie.
En esta máquina, el flujo es directamente proporcional a la corriente del
inducido (al menos hasta que el metal se satura). Entonces, el flujo puede estar
dado por:
Donde c es una constante de proporcionalidad. En esta máquina el par
inducido está dado por:
El par en el motor es proporcional al cuadrado de la corriente del inducido.
Como resultado de esta relación, es fácil observar, que un motor serie produce
más par por amperio que cualquier otro motor CD. El motor serie se utiliza en
aplicación que requieren pares muy altos.
Ejemplos de tales aplicaciones son los motores de arranque en vehículos
Ricardez, 2014
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3. Motores de corriente directa
automotores, motores de elevadores y motores de tracción en locomotoras.

CARACTERÍSTICA EN LOS TERMINALES DE UN MOTOR CD
SERIE.
Para determinar la característica en los terminales de un motor CD serie, el
análisis se basara en la premisa que la curva de magnetización es lineal.
Suponer que la curva de magnetización es lineal, implica que el flujo en el
motor será dado por la ecuación:
Esta ecuación se utilizara para deducir la curva característica par-velocidad del
motor serie. La deducción de la característica par-velocidad de un motor serie
comienza por aplicar la ley de voltajes de Kirchhoff:
La corriente del inducido puede expresarse como:
√
También, EA = Kφω. Sustituyendo estas expresiones en la ecuación 3.16 se
obtiene:
√
Si en esta expresión pudiera eliminarse el flujo, el par de un motor se
relacionara directamente con su velocidad. Para eliminar el flujo en la
expresión, nótese que:
Y la ecuación de par inducido se puede escribir de nuevo como:
Ricardez, 2014
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3. Motores de corriente directa
En consecuencia, el flujo en el motor puede volverse a escribir como:
√ √
Sustituyendo la ecuación 3.23 en la ecuación 3.20 y resolviendo para la
velocidad, la relación par-velocidad resultante es:
√
√
Nótese que en un motor en serie no saturado, la velocidad del motor varía con
el inverso de la raíz cuadrada del par. Esta relación es bastante inusual. Esta
característica ideal par-velocidad se dibuja en la figura 3.13.
Figura 3.13 Característica par-velocidad
de un motor CD serie.
En esta ecuación se observa de inmediato una desventaja de los motores CD
serie. Cuando el par de este motor tiende a cero, su velocidad tiende a infinito.
En la práctica, el par nunca puede llegar a cero, debido a que es necesario
contrarrestar las perdidas mecánicas en el núcleo. Sin embargo, si no se
conecta otra carga al motor, este puede girar con demasiada rapidez y producir
un daño severo.
Nunca descargue por completo un motor serie ni conecte uno de ellos a una
carga mediante una correa u otro mecanismo que pudiera romperse. Si
ocurriera eso y el motor llegase a quedar sin carga mientras está girando, el
Ricardez, 2014
97
3. Motores de corriente directa
resultado podría ser grave.

CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES CD SERIE.
A diferencia del motor CD en derivación, hay solo una forma eficiente de variar
la velocidad de un motor CD serie: cambiar el voltaje en los terminales del
motor. Si se aumenta el voltaje en los terminales del motor, el primer término
de la ecuación 3.24 aumenta y resulta una mayor velocidad para cualquier par
dado.
La velocidad de los motores CD serie puede ser controlada también insertando
una resistencia en serie en el circuito del motor, pero esta técnica despilfarra
potencia y solo se utiliza en periodos intermitentes durante el arranque de
algunos motores.
Hasta hace 30 años o más, no había forma conveniente de cambiar VT, de
modo que el único método de control de velocidad disponible fue la
antieconómica resistencia en serie. Todo eso ha cambiado hoy en día, debido
a la introducción de los circuitos de control, basados en los SCR.
3.4.4 Motor CD compuesto.
Un motor CD compuesto es aquel que tiene campo en derivación y campo en
serie. Tal motor se muestra en la figura 3.14
Figura 3.14 Circuito equivalente de los motores CD
compuestos: a) conexión en derivación larga; b)
conexión en derivación corta.
Ricardez, 2014
98
3. Motores de corriente directa
Los puntos que se marcan en las dos bobinas de campo tienen el mismo
significado que los marcados en el transformador: la corriente que fluye hacia
dentro, por el punto, produce una fuerza magnetomotriz positiva.
Si la corriente fluye hacia dentro por los puntos marcado en las dos bobinas de
campo, las fuerzas magnetomotrices resultantes se suman para producir una
fuerza magnetomotriz total mayor. Esta situación se conoce como composición
acumulativa.
Si la corriente de una bobina fluye hacia dentro por el punto, mientras que la
corriente de la otra bobina de campo sale por el punto, las fuerzas
magnetomotrices se restan.
En la figura 3.14 los puntos redondos corresponden a la composición
acumulativa del motor y los cuadros, a la composición diferencial.
La ecuación correspondiente a la ley de voltajes de Kirchhoff para un motor
compuesto es:
La corriente en el motor compuesto está relacionada por:
La fuerza magnetomotriz neta y la corriente efectiva del campo en derivación
en el motor compuesto están dadas por:
Donde el signo positivo en las ecuaciones está asociado a un motor compuesto
acumulativo y el signo menos se asocia al motor compuesto diferencial.
Ricardez, 2014
99
3. Motores de corriente directa

CARACTERÍSTICA
PAR-VELOCIDAD
DE
UN
MOTOR
CD
COMPUESTO ACUMULATIVO.
En el motor CD compuesto acumulativo hay una componente de flujo que es
constante y otra componente que es proporcional a la corriente del inducido (y,
por tanto, a su carga). Por consiguiente el motor compuesto acumulativo tiene
un par de arranque mayor que un motor en derivación (cuyo flujo es constante),
pero menor par de arranque que un motor serie (cuyo flujo total es proporcional
a la corriente del inducido).
En algún grado, el motor compuesto acumulativo combina las mejores
características del motor en derivación y del motor serie. Como en el motor
serie, tiene par extra para el arranque; como en un motor CD en derivación, no
se desboca en vacío.
Con cargas ligeras, el campo serie tiene un efecto muy pequeño de modo que
el motor se comporta casi como un motor en derivación. Cuando la carga llega
a ser muy grande, el flujo del devanado serie es muy importante y la curva parvelocidad comienza parecerse a la característica del motor serie.
La figura 3.15 muestra una comparación de las características par-velocidad de
cada uno de los tipos de estas máquinas.
Para determinar la curva característica de un motor CD compuesto acumulativo
por análisis no lineal, se utiliza una técnica similar a la empleada en los
motores CD en derivación y en serie.

CARACTERÍSTICA
PAR-VELOCIDAD
DE
UN
MOTOR
CD
COMPUESTO DIFERENCIAL.
En un motor CD compuesto diferencial, las fuerzas magnetomotrices del campo
en derivación y del campo en serie se restan una de otra. Esto significa que
cuando la carga aumenta en el motor IA se incrementa y el flujo en el motor
disminuye. Como el flujo disminuye, la velocidad del motor aumenta.
Este aumento de velocidad causa otro incremento en la carga, el cual eleva
Ricardez, 2014
100
3. Motores de corriente directa
más a IA, disminuye más el flujo e incrementa de nuevo la velocidad. Como
resultado de esto, el motor compuesto diferencial es inestable y tiende a
embalarse. Esta inestabilidad es peor que la de un motor en derivación con
reacción del inducido. Es tan mala, que un motor compuesto diferencial es
inadecuado para cualquier aplicación.
Figura 3.15 a) Característica par-velocidad
de un motor CD compuesto acumulativo,
comparado con los motores serie y en
derivación de la misma capacidad a plena
carga. B) Característica par-velocidad de un
motor CD compuesto acumulativo,
comparado con un motor en derivación con
la misma velocidad en vacío.
Para agravar la situación, es imposible arrancar el motor. En condiciones de
arranque la corriente del inducido y la corriente del campo serie son muy
grandes. Puesto que el flujo serie se resta del flujo en derivación, el campo
serie puede invertir la polaridad magnética de los polos de la máquina.
El motor permanecerá típicamente quieto o girara con lentitud en dirección
contraria mientras se quema debido a la excesiva corriente del inducido.
Cuando va a arrancarse este tipo de motor, su campo serie debe
cortocircuitarse de modo que se comporte como un motor común en derivación
Ricardez, 2014
101
3. Motores de corriente directa
durante el periodo de arranque.
Debido a los problemas de estabilidad del motor CD compuesto diferencial, no
es utilizado intencionalmente casi nunca. La figura 3.16 muestra una
característica en terminales, típica de un motor CD compuesto diferencial.
Figura 3.16 Característica par-velocidad
de un motor CD compuesto diferencial.

CONTROL DE VELOCIDAD EN EL MOTOR CD COMPUESTO
ACUMULATIVO.
Las técnicas disponibles para controlar la velocidad de un motor CD compuesto
acumulativo son iguales a las empleadas en el motor en derivación:
1. Cambio de la resistencia de campo RF.
2. Cambio del voltaje del inducido VA.
3. Cambio de la resistencia del inducido RA.
Los argumentos que describen los efectos del cambio en RF o en VA son muy
similares a los expuestos para el motor en derivación.
En teoría, el motor compuesto diferencial podría ser controlado de manera
semejante, pero esto poco importa, puesto que el motor compuesto diferencial
casi nunca se utiliza.
3.5 Determinación de la eficiencia.
Para calcular la eficiencia de un motor CD, se deben determinar las siguientes
perdidas:
Ricardez, 2014
102
3. Motores de corriente directa
1. Perdidas en el cobre.
2. Perdidas por caída en las escobillas.
3. Perdidas mecánicas.
4. Perdidas en el núcleo.
5. Perdidas misceláneas.
Las pérdidas en el cobre del motor, equivalen a las pérdidas I2R en los circuitos
de campo y de inducido del motor. Estas pérdidas se pueden encontrar
conociendo las corrientes en la máquina y las dos resistencias.
Para determinar la resistencia en el circuito del inducido de una máquina,
bloquéese el rotor de modo que no pueda girar y aplíquese un pequeño voltaje
CD a los terminales del inducido. Ajústese este voltaje hasta que la corriente
que fluye en el inducido sea igual a la corriente nominal del inducido de la
máquina.
La relación entre el voltaje aplicado y el flujo de corriente resultante del
inducido es RA. Cuando se efectúa esta prueba, la corriente debe ser casi igual
al valor de plena carga porque RA varia con la temperatura y, al valor de
corriente de plena carga, los devanados del inducido estarán cerca de su
temperatura normal de operación.
La resistencia resultante no será precisa porque:
1. El enfriamiento que ocurre normalmente cuando el motor está girando no
se producirá.
2. Puesto que hay un voltaje CA en los conductores del rotor durante la
operación normal, estos experimentan alguna cantidad del efecto pelicular,
lo cual aumentara más la resistencia del inducido.
La resistencia de campo se determinará suministrando el voltaje nominal total
de campo al circuito de campo y midiendo la corriente de campo resultante. La
resistencia de campo RF es justamente la relación entre el voltaje de campo y
la corriente de campo.
Las pérdidas por caída en las escobillas se aproximan con frecuencia
Ricardez, 2014
103
3. Motores de corriente directa
agrupándolas con las pérdidas de cobre. Si se tratan por separado, puede
determinarse una gráfica del potencial de contacto contra la corriente, según el
tipo particular de escobilla que esté utilizándose.
Las pérdidas por caída en las escobillas son justamente el producto del voltaje
de caída en la escobilla VBD por la corriente del inducido IA.
Las pérdidas en el núcleo y las pérdidas mecánicas se determinan en conjunto.
Si se deja girar libremente un motor en vacío a la velocidad nominal, entonces
no hay potencia de salida de la máquina. Puesto que el motor esta sin carga, IA
es muy pequeña y las pérdidas en el cobre del inducido son despreciables.
Por tanto, si las pérdidas en el cobre del campo se restan de la potencia de
entrada del motor, el remanente de esta, está formado por las pérdidas
mecánicas y las pérdidas en el núcleo de la máquina a esa velocidad.
Estas pérdidas se llaman perdidas rotacionales en vacío del motor. Mientras la
velocidad del motor permanezca aproximadamente igual a la que tenía cuando
se midieron las pérdidas, las pérdidas rotacionales en vacío son una buena
estimación de las pérdidas mecánicas y las pérdidas en el núcleo, bajo carga
en la máquina.
Ricardez, 2014
104
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
4. NORMATIVIDAD Y PRUEBAS PARA MÁQUINAS DE
CD.
4.1 Resistencia de aislamiento.
Una prueba de resistencia del aislamiento mide la resistencia que presenta un
material de aislamiento al flujo de corriente que se genera al aplicar un voltaje
CD.
El potencial CD se aplica normalmente entre los conductores que transportan la
corriente y la tierra. Idealmente esta resistencia es infinita, pero en la realidad
tiene un valor finito. Esta prueba generalmente se realiza en un producto luego
de que se fabrica, instala o repara.
También se realiza comúnmente como una prueba de rutina de mantenimiento
en productos, tales como motores o generadores, y puede ayudar a predecir si
el producto fallará.
La prueba de resistencia del aislamiento es una prueba cualitativa, que entrega
una indicación de la calidad relativa del sistema de aislamiento de un producto.
Esta es una prueba ideal para estudiar, medir y registrar la estabilidad a largo
plazo de los materiales de aislamiento a través del tiempo.
La ANSI/IEEE 43-2000 recomienda un procedimiento para la medición de la
resistencia de aislamiento de los bobinados de la armadura y del campo en
máquinas rotatorias de potencias de 1HP, 750 W o mayor, y se aplica a:

Máquinas síncronas.

Máquinas de inducción.

Máquinas de CD (corriente continua).

Condensadores síncronos.
La norma indica la tensión de CD que se debe aplicar a la prueba de
aislamiento (basada en los potencia de la máquina, y durante un minuto) y los
valores mínimos aceptables de la resistencia de aislamiento para los bobinados
Ricardez, 2014
105
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
de las máquinas rotatorias para CA y CD (es decir, la resistencia medida al
cabo de un minuto).
La tabla 4.1 proporciona las guías para el voltaje de CD.
Tabla 4.1 Guías para el voltaje CD en prueba de resistencia de aislamiento.
Voltaje (V) del bobinado (V es la tensión
entre fases para maquinas trifásicas y
monofásicas, y la tensión nominal para
máquinas de CD o bobinados de campo)
Voltaje que se
aplicará en la prueba
de aislamiento
<1000
500
1000-2500
500-1000
2501-5000
1000-2500
5001-12000
2500-5000
>12000
5000-10000
Guías para el voltaje de CD que será aplicado durante una prueba de resistencia
de aislamiento.
Las mediciones de resistencia de aislamiento deben ser hechas con todo el
equipo
externo
(cables,
capacitores,
supresores
de
disturbios,
etc.)
desconectados y conectados a tierra debido a que estos objetos pueden
influenciar la lectura de la resistencia.
Deberá usarse un punto común de tierra. La resistencia de aislamiento mínima,
recomendada, después de un minuto y a 40°C, puede ser determinada de la
tabla 4.2:
Tabla 4.2 Resistencia de aislamiento mínima en diversas pruebas.
Resistencia mínima, en Mohm,
según IEEE43-2000
Maquina bajo prueba
KV+1
(donde kV es la tensión nominal de la
máquina, media en kilovoltios)
100
Ricardez, 2014
Para bobinados fabricados antes de
1970
Para motores de c.c y estatores AC
construidos después de 1970
106
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
5
Para máquinas de bobinado aleatorio
y formado, de tensiones menores a 1
kV.
Resistencia de aislamiento recomendada después de 1 minuto y a 40º C.
La norma indica que si la resistencia a 1 minuto es mayor a 500 Mohm,
entonces el cálculo del IP puede dejarse de lado.
Figura 2.1 Medidor de Aislamiento y
Continuidad MEGGER.
4.1.1 Pruebas de resistencia de aislamiento.
La medición de resistencia de aislamiento ha sido recomendada y utilizada por
más de medio siglo para evaluar la condición de aislamiento eléctrico.
Mientras que las mediciones de resistencia de aislamiento individuales pueden
ser de dudoso valor, el registro cuidadosamente mantenido de mediciones
periódicas, acumulados a lo largo de meses y años de servicio, es de un valor
incuestionable como medida de algunos aspectos de la condición del
aislamiento eléctrico.
El aislamiento eléctrico se degrada con el tiempo debido a las distintas fatigas
que se le imponen durante su vida normal de trabajo. El aislamiento está
diseñado para resistir esas fatigas por un periodo de años que se considera
como la vida de trabajo de ese aislamiento (es decir, décadas).
La fatiga anormal puede llevar a un incremento en este proceso natural de
envejecimiento que puede acortar severamente la vida de trabajo del
aislamiento. Por esta razón es buena práctica realizar pruebas regulares para
Ricardez, 2014
107
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
identificar si tiene lugar un incremento del envejecimiento y, si es posible,
identificar si los efectos son reversibles o no.
En su forma más simple, las pruebas de diagnóstico toman la forma de una
“prueba puntual (spot)”. La mayoría de los profesionales de mantenimiento
eléctrico han hecho pruebas puntuales (spot) cuando se aplica un voltaje al
aislamiento y se mide una resistencia (prueba con megohmetro).
Pero lamentablemente la información brindada por una sola lectura del
megohmetro es poca, aunque es la clase de prueba que se aplica
generalmente a los circuitos de bajo voltaje donde el costo de una falla es bajo
y el equipo puede reemplazarse fácilmente y sin grandes desembolsos.
Pero cuando hablamos de equipos muy costosos, y/o para media o alta
tensión, lo que generalmente se recomienda es comparar con las lecturas
registradas del megohmetro con otras realizadas anteriormente para poder ver
una tendencia y prescribir las acciones correctivas.
En marzo del 2000 la directiva de estándares del IEEE (Asociación
Internacional de Ingenieros Electrónicos y Eléctricos), aprobó una revisión del
standard que ha servido de guía para las medidas de aislamiento en máquinas
rotatorias, el ANSI/IEEE 43-2000 (“Práctica recomendada para la medida de
resistencia de aislamiento de máquinas rotatorias”).
De acuerdo con el IEEE, el standard está dirigido para quienes fabrican,
operan, prueban, dan mantenimiento o son responsables para la aceptación de
máquinas rotatorias.
El standard solicita: la prueba de resistencia de aislamiento y la prueba del
índice de polarización (IP), y recomienda que ambas pruebas sean hechas (si
es posible).
4.1.2 Índice de polarización.
Cuando se desea obtener el índice de polarización IP, se realiza la prueba de
resistencia durante 10 minutos. El resultado de dividir la lectura de resistencia a
Ricardez, 2014
108
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
diez minutos entre la lectura de 1 minuto da como valor el IP. El resultado es
un número puro y se puede considerar independiente de la temperatura.
En general, una relación baja indica poco cambio, consecuentemente
aislamiento pobre, mientras que una relación alta indica lo opuesto.
Los valores mínimos recomendados para el IP están basados en la clase de los
materiales de aislamiento y se aplican a todos los materiales de aislamiento
indiferentemente de su aplicación de acuerdo con el IEC 60085-01: 1984.
Tabla 4.3 Valores recomendados para el IP.
Tipo de aislación
VALOR MINIMO DE
IP
CLASE A
1.5
CLASE B, F o H
2.0
Valores mínimos recomendados para el IP basados en el tipo
de aislamiento.
Generalmente los valores de IP son entre 2 a 5. Pero un IP muy alto (mayor de
5) puede estar indicando problemas de resecamiento en el aislamiento y
posiblemente, luego de una inspección visual observemos zonas quebradizas
en el aislamiento.
4.1.3 Efectos de la temperatura en las medidas de resistencia.
Las variaciones de temperatura pueden tener un efecto crítico en las lecturas
de resistencia de aislamiento. La resistencia cae marcadamente con un
incremento en la temperatura para el mismo aparato. Cada tipo de material
aislante tiene un grado diferente de cambio de resistencia con la temperatura.
Se han desarrollado tablas de factores de corrección por temperatura para
distintos tipos de aparatos eléctricos y pueden adquirirse del fabricante. A falta
de estas, se recomienda que uno desarrolle sus propias tablas de factores de
corrección registrando dos valores de resistencia para el mismo equipo a dos
temperaturas diferentes.
En lugar de datos detallados, la regla práctica es que por cada 10° C de
Ricardez, 2014
109
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
incremento en temperatura, la resistencia se reduce a la mitad; o por cada 10°
C de disminución de la temperatura, la resistencia se dobla.
4.2 Método del puente de Wheatstone para medir la resistencia de los
bobinados.
El método del puente de Wheatstone constituye uno de los métodos más
preciso para determinar el valor de una resistencia desconocida.
El método consiste en conectar como se muestra en la figura 4.2. Para lo cual
se necesita una fuente de alimentación de corriente continua (E), dos
resistencias con valores conocidos (R1, R3), un potenciómetro con valor
conocido (R4), un galvanómetro y un interruptor (S). La resistencia R2 es la
resistencia cuyo valor se desea conocer.
Figura 4.2 Método del puente de
Wheatstone.
Una vez que se tenga conectado el circuito de la figura 4.2, la idea es equilibrar
el puente. El puente de Wheatstone está equilibrado cuando no circula
corriente por el galvanómetro. Para poder equilibrar el puente debe regularse el
potenciómetro R4 convenientemente hasta lograr que no circule corriente por el
galvanómetro.
Una vez que está equilibrado el puente, o sea no circula ninguna corriente por
el galvanómetro, se tiene que: I1=I3 y I2=I4.
Además de esto se tiene que los puntos B y D están al mismo potencial, por lo
Ricardez, 2014
110
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
que: VR1=VR2 y VR3=VR4, hasta llegar a obtener la ecuación:
4.3 Resistencia del circuito de armadura.
La prueba de la resistencia del circuito de bobinado de armadura, abarca la
suma de varios componentes (excepto resistencia de contacto de las escobillas
y de las escobillas) conectados de acuerdo con el diagrama del bobinado de la
máquina.
Esta adición debe ser hecha solamente después que cada componente de la
resistencia se ha corregido a una temperatura común. Estos componentes
pueden ser medidos según lo siguiente:
Método A. Este método es limitado para armaduras con bobinado ondulado
incluyendo todos los enrollamientos del rotor de dos polos. Para otros tipos de
bobinados o si el tipo de bobinado no se sabe, los métodos B o C deben ser
utilizados.
Usando este método, la resistencia de la armadura puede ser determinada
aplicando un puente de resistencia a través de dos segmentos del conmutador
tan cerca como sea posible a un polo. En el caso simple, de los bobinados del
rotor de dos polos que tienen un número impar de segmentos, un contacto del
puente debe cubrir dos segmentos adyacentes.
Método B. Consiste en una conexión conveniente de una resistencia baja que
se debe conectar al bobinado del rotor o a cualquier canalización vertical o en
los segmentos del conmutador para entrar en contacto con el bobinado del
rotor en cada localización de la escobilla.
Para un bobinado simple la conexión debe entrar en contacto con un segmento
del conmutador por polo. Para un rotor a dos caras el bobinado debe entrar en
contacto con dos segmentos adyacentes del conmutador simultáneamente en
cada posición de la escobilla.
Ricardez, 2014
111
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
En caso de que el bobinado del rotor no se conozca, una aproximación cercana
a la resistencia del bobinado puede ser lograda conectando como se describió
para un bobinado doble o un método C a dos caras puede ser aplicado.
La resistencia medida conectando el puente entre los tramos de los terminales
de esta conexión que simula las escobillas positivas y negativas se considera
como la resistencia del bobinado del rotor.
Método C. Este es el método de la caída de voltaje de medir la resistencia de
la armadura. La conexión de la escobilla debe ser ensamblada correctamente.
El rotor se debe bloquear convenientemente para prevenir la rotación. La
conexión de la escobilla se debe utilizar como la conexión actual y los dos
componentes potenciales de los terminales se deben aplicar a los segmentos
del conmutador aproximadamente uno a cada polo.
Estos componentes en los terminales se deben situar en segmentos cerca del
centro de la superficie de contacto de la escobilla como sea posible.
Los componentes potenciales en los terminales deben ser desplazados y
registrar las lecturas para cada polo. La corriente debe ser constante para
todas estas mediciones.
4.4 Resistencia de los campos.
En las máquinas no compensadas, la resistencia de campo, se puede medir
directo en sus terminales. Si el final de la bobina está conectado
permanentemente con la escobilla, la conmutación de la resistencia de campo
se debe medir entre esta punta y la terminal exterior.
En las máquinas que son compensadas, este bobinado se puede interpolar con
el bobinado compensado de campo (bobinado del polo). En tales diseños la
resistencia combinada de estos dos bobinados debe ser medida.
La resistencia de un bobinado de campo serie, se debe medir en las terminales
de
todos
los
bobinados
distintos.
Si
el
bobinado
está
conectado
permanentemente con uno de los otros bobinados inmóviles y solamente una
Ricardez, 2014
112
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
conexión distinta entre la unión de los dos bobinados, la resistencia de campo
serie se debe medir entre la terminal y esta unión distinta a la conexión.
Si se interpola el bobinado de campo serie, o no tiene una conexión distinta
entre los bobinados, su resistencia se debe medir conjuntamente con el otro
bobinado del estator a los cuales se interconecta.
4.5 Longitud del entrehierro.
La medida del entrehierro debe incluir una verificación de la instalación correcta
de los polos principales, de la prueba de la deformación posible del rodamiento
o del soporte de rodadura, y del montaje apropiado del rotor con respecto al
estator.
La asimetría del entrehierro del polo de conmutación de campo, puede causar
dificultades tales como ondulación del voltaje o sobrecalentamiento excesivo
de ecualizadores.
Para medir el entrehierro mínimo debajo del centro (aproximadamente) de cada
polo principal y de cada polo de campo conmutado, se debe usar una galga
conveniente o un calibrador de precisión para determinar el entrehierro por lo
menos a los 0.100 milímetros (0.005 pulgadas) para los motores con caballos
de fuerza integral y a los 0.050 milímetros (0.002 pulgadas) para los motores
con caballos de fuerza fraccionario.
Todas las medidas se deben hacer entre las superficies del hierro de los polos
y el rotor. En la práctica, una punta común en el rotor se selecciona y la punta
se gira a cada polo alternadamente mientras que se hacen las medidas.
Donde las aberturas no son proporcionales, la uniformidad del entrehierro
puede ser determinada comprobando que el rotor gira libremente en la
máquina ensamblada con el bobinado con el alambre, espaciado alrededor de
la periferia del rotor.
Para esta prueba el diámetro del alambre debe ser por lo menos 70 % de la
mitad de la diferencia entre la distancia diametral del polo principal y del
Ricardez, 2014
113
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
diámetro exterior del rotor. .
4.6 Vibración.
La vibración del motor causada por asimetría mecánica o electromagnética se
debe medir usando una fuente inferior de corriente directa tal como un
generador.
Tales medidas se hacen generalmente sin ninguna carga y a la velocidad
especificada usando una balanceadora en la extensión del eje. La frecuencia
de vibración se relaciona con la velocidad de la rotación.
La figura 4.3 muestra la relación entre la velocidad de rotación a la que va un
motor de CD y la compresión que debe resultar a esa velocidad.
Figura 4.3 Tabla de compresion para motores CD.
Las pruebas se deben realizar con varias cargas sobre el rango de velocidad
entero de la máquina incluyendo el control de velocidad por voltaje de la
armadura.
Para distinguir entre la vibración debido a la ondulación de la corriente y que
deriva a la ondulación de ranura o a otros factores, las frecuencias de vibración
se deben examinar como la velocidad de rotación va cambiando lentamente.
Las medidas axial-dirigidas radialmente y de vibración se deben hacer en el
soporte del cojinete de la máquina. Si los soportes del cojinete no son
accesibles, las lecturas se deben tomar en el soporte de la cubierta o lo más
cerca como sea posible.
Ricardez, 2014
114
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
4.7 Normas para fabricación y operación.
4.7.1 NEMA (National Electrical Manufacturers Association).
La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) (Asociación Nacional
de Fabricantes Eléctricos) es una asociación industrial estadounidense, creada
el 1 de septiembre de 1926 tras la fusión de la Associated Manufacturers of
Electrical Supplies (Fabricantes de Suministros Eléctricos Asociados) y la
Electric Power Club (Club de Potencia Eléctrica).
Su sede principal está en Rosslyn, en Arlington (Virginia), y cuenta con más de
400 miembros asociados. Este organismo es el responsable de numerosos
estándares industriales comunes usados en el campo de la electricidad.
Entre otros, la NEMA ha establecido una amplia gama de estándares para
encapsulados de equipamientos eléctricos, publicados como NEMA Standards
Publication 250. Además de su sede en Rosslyn, Virginia, NEMA también tiene
oficinas en Beijing y Ciudad de México.
El objetivo fundamental de NEMA es promover la competitividad de sus
compañías socias, proporcionando servicios de calidad que impactarán
positivamente en las normas, regulaciones gubernamentales, y economía de
mercado.
Una norma de la NEMA define un producto, proceso o procedimiento con
referencia a las siguientes características:

Nomenclatura

Composición

Construcción

Dimensiones

Tolerancias

Seguridad

Características operacionales

Performance
Ricardez, 2014
115
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.

Alcances

Prueba

Servicio para el cual es diseñado
La NEMA establece una clasificación para describir las características de los
tipos de motores y generadores desde el punto de vista mecánico, o sea de su
construcción, así como desde el punto de vista eléctrico.

DISEÑO MECÁNICO.
Al hablar de diseño mecánico nos referimos al tipo de construcción que posee
el motor para hacerlo capaz de trabajar en condiciones satisfactorias para que
sus partes internas no se vean afectadas perjudicialmente por las condiciones
ambientales en las que va a operar el motor.
Los diferentes tipos de carcasa, tal como los define la NEMA, se encuentra en
la siguiente lista (el número entre paréntesis es el número de la NEMA):
1. Hermético. Hermético al agua, al polvo, etc., cuando está construido de
forma que la carcasa excluya el material especificado. (IC50-18)
2. A prueba de. A prueba de salpicaduras, de polvo, etc., cuando esté
construida, protegida o tratada de manera que su funcionamiento
correcto no sea interferido cuando esté sujeto al material o condición
especificados. (IC50-20)
3. Resistente. Resistente a la humedad, al humo, etc., cuando esté
construida, protegida de tal forma que no se vea dañado cuando esté
sujeto al material especificado. (IC50-23)
4. Máquina con ventilación propia. Máquina cuyo aire de ventilación
circula por medios integrados en la máquina. (MG50-41)
5. Máquina con ventilación independiente. Máquina cuyo aire de
ventilación está proporcionado por un ventilador independiente o externo
Ricardez, 2014
116
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
a la máquina. (MG50-41)
6. Máquina abierta. Máquina con ventilación propia que no tiene otra
restricción a la ventilación que la necesaria para su construcción
mecánica. (MG50-40)
7. Máquina a prueba de goteo. Máquina en la cual las aberturas de
ventilación están construidas de forma que los líquidos vertidos o las
partículas sólidas caen sobre la máquina con un ángulo no mayor de
150º de la vertical y no pueden entrar a la máquina, ya sea directamente
o golpeando y corriendo a lo largo de una superficie horizontal o
inclinada hacia dentro. (MG50-14)
8. Máquina a prueba de salpicaduras. Máquina en la cual las aberturas
de ventilación de forma que las gotas de líquido o las partículas sólidas
que caen sobre la máquina en línea recta con cualquier ángulo no mayor
de 1000º de la vertical, no pueden entrar en la máquina de ninguna
forma. (MG50-16)
9. Máquina totalmente cerrada. Máquina cerrada de tal forma que se
impida el cambio de aire entre el interior y el exterior de la carcasa, pero
no tan cerrada como para considerarse herméticamente al aire.
10. Máquina totalmente cerrada y refrigerada por un ventilador. Máquina
cerrada totalmente y equipada para su refrigeración exterior con un
ventilador o ventiladores, integrados en la máquina, pero externos a las
partes encerradas por la carcasa. (MG50-44)
11. Máquina a prueba de explosión. Máquina en una caja cerrada que
está diseñada y construida para resistir una explosión de un gas o polvo
especificado, que pueda ocurrir dentro de ella y para evitar la ignición del
gas o polvo, que por chispas, descargas o explosiones pueda ocurrir
Ricardez, 2014
117
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
dentro de la carcasa de la máquina. (MG50-18)
12. Máquina a prueba de agua. Máquina totalmente cerrada construida de
forma que expulse el agua aplicada sobre ella en forma de chorro.
Máquina totalmente cerrada construida de tal forma que un chorro de
agua (de diámetro no inferior a 1 pulgada) bajo una cabeza de 35 pies y
desde una distancia aproximada de 10 pies se pueda arrojar sobre la
máquina sin pérdida alguna, excepto la pérdida que pueda producirse
alrededor del eje y que se considera admisible, dado que no puede
entrar en el depósito de aceite y que existe un mecanismo para el
secado automático de la máquina. (MG50-20)
13. Máquina hermética al polvo. Máquina construida de tal forma que la
carcasa excluya el polvo. (MG50-22)

DISEÑO ELÉCTRICO.
Por lo que a diseño eléctrico se refiere existen los siguientes diseños NEMA:
DISEÑO NEMA B. El diseño NEMA “B” corresponde a aquellos motores cuya
corriente y pares de arranque son normales.
Corriente de arranque normal se considera aquella cuyo valor se encuentra
entre 5 y 6 veces la corriente de plena carga de un motor y las cifras de los
pares de arranque están tabuladas por las normas NEMA, así como por las
normas nacionales (NOM y CDONNIE), reconocidas oficialmente por la
Secretaría de Comercio y elaboradas por los principales fabricantes de motores
del país.
Además, el deslizamiento de estos motores a plena carga debe ser de 1 a 5%.
Obviamente, se comprende que este motor es el de mayor consumo y
aplicación en la industria, ya que por propia conveniencia de los fabricantes de
maquinaria llevan a cabo sus diseños de tal manera que los motores que vayan
Ricardez, 2014
118
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
a requerir sean los más apegados a lo que se conoce como motor normalizado
(standard), desde el punto de vista de diseño eléctrico.
DISEÑO NEMA C. El diseño NEMA “C” se refiere a aquellos motores que
teniendo una corriente normal de arranque, desarrolla pares de arranque
superiores a los que desarrolla un motor de diseño “B”. Los valores para par de
arranque del diseño NEMA “C” también están tabulados tanto en las normas
NEMA como en las nacionales.
Las características de este diseño hacen fácil de definir y comprender su
campo de aplicación, ya que se refiere a todos aquellos casos en que por la
naturaleza de la carga se requiere un par con valor absoluto elevado, para
vencer la inercia y una vez iniciado el movimiento, el comportamiento que se le
solicita al motor es idéntico al del Diseño NEMA “B”.
Un caso típico de aplicación para estos motores se refiere a los
transportadores, que por cualquier causa prevista tenga que iniciar un ciclo de
trabajo con la carga específica. El deslizamiento de estos motores a plena
carga debe ser de 2 a 5%.
DISEÑO NEMA D. El diseño NEMA “D” se refiere a motores que desarrollan un
par de arranque nunca menor que el 275% del par a plena carga con una
corriente de arranque normal y con un deslizamiento que nos permite hacer 3
grupos: el primero con un deslizamiento de 5 a 8%, el segundo requiere de un
deslizamiento de 8 a 13% y el tercero de 13 a 18%.
Los motores de este tipo de diseño tienen su principal aplicación en máquinas
como cizallas, prensas y en general en todos aquellos casos en donde el
equipo viene dotado de un volante cuya función es almacenar energía para
“sacar a flote” al motor, durante los lapsos en que se presenta la demanda
máxima de potencia.
Por consiguiente, al especificar un motor, entre otras características, es
necesario mencionar su tipo de diseño mecánico (protección contra el medio
ambiente) y el tipo de diseño eléctrico.
Ricardez, 2014
119
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
El deslizamiento se define como la diferencia entre la velocidad síncrona Ns.
Se expresa generalmente por medio de la siguiente expresión:
Dónde: NS = velocidad síncrona del campo giratorio. Nr = velocidad del rotor,
que depende principalmente de la carga.
El deslizamiento máximo es del 18% en motores de alto deslizamiento.
4.7.2 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).
IEEE, corresponde a las siglas de Institute of Electrical and Electronics
Engineers, en español Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, una
asociación técnico-profesional mundial dedicada a la estandarización, entre
otras cosas.
Con cerca de 425,000 miembros y voluntarios en 160 países, es la mayor
asociación internacional sin ánimo de lucro formada por profesionales de las
nuevas tecnologías, como ingenieros eléctricos, ingenieros en electrónica,
científicos de la computación, ingenieros en informática, matemáticos
aplicados, ingenieros en biomédica, ingenieros en telecomunicación e
ingenieros en Mecatrónica.
Su creación se remonta al año 1884, contando entre sus fundadores a
personalidades de la talla de Thomas Alva Edison, Alexander Graham Bell y
Franklin Leonard Pope. En 1963 adoptó el nombre de IEEE al fusionarse
asociaciones con el AIEE (American Institute of Electrical Engineers) y el IRE
(Institute of Radio Engineers).
Según el mismo IEEE, su trabajo es promover la creatividad, el desarrollo y la
integración, compartir y aplicar los avances en las tecnologías de la
información, electrónica y ciencias en general para beneficio de la humanidad y
de los mismos profesionales.
Ricardez, 2014
120
4. Normatividad y pruebas para máquinas de C.D.
Mediante sus actividades de publicación técnica, conferencias y estándares
basados en consenso, el IEEE produce más del 30% de la literatura publicada
en el mundo sobre ingeniería eléctrica de potencia, electrónica en
computación, telecomunicaciones, telemática, mecatrónica y tecnología de
control y robótica, biomédica y biónica, procesamiento digital de señales,
sistemas energéticos, entre otras ramas derivadas y correspondientes a la
Ingeniería Eléctrica.
Organiza más de 1000 conferencias al año en todo el mundo, y posee cerca de
900 estándares activos, con otros 700 más bajo desarrollo.
Las pruebas de resistencia de aislamiento se hacen de acuerdo a los
estándares de la IEEE (ANSI/IEEE 43-2000). Los métodos, pruebas y tipos de
conexiones
puente ocupados para medir la resistencia del circuito de
armadura y resistencia de los campos, están estandarizados de acuerdo a las
normas propuestas por la IEEE.
Ricardez, 2014
121
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
5 SISTEMAS DE ALTO VOLTAJE EN CORRIENTE
DIRECTA.
Por lo general, la transmisión de potencia eléctrica no despierta tanto interés
como su generación y uso, así que en ocasiones se tiende a ignorar este
importante tema.
La energía eléctrica es transportada por conductores tales como líneas de
transmisión elevadas y cables subterráneos. Aunque estos conductores
parecen muy ordinarios, poseen importantes propiedades eléctricas que
afectan en gran medida la transmisión de potencia eléctrica.
Para suministrar energía eléctrica a los consumidores de manera que puedan
utilizarla, un sistema de transmisión y distribución debe satisfacer algunos
requerimientos básicos. Por lo tanto, el sistema debe:
1. Suministrar, siempre, la potencia que los consumidores necesitan.
2. Mantener un voltaje nominal estable que no varíe más de ±10%
3. Mantener una frecuencia estable que no varíe más de ±0.1 Hz
4. Suministrar energía a un precio aceptable.
5. Satisfacer las normas de seguridad.
6. Respetar las normas ambientales.
La potencia es transportada a través de líneas de extra alto voltaje (EHV, por
sus siglas en inglés), de alto voltaje (HV, por sus siglas en inglés), de mediano
voltaje (MV) y de bajo voltaje (LV, por sus siglas en inglés).
Las líneas de alto voltaje (AV), conectan las subestaciones principales con las
plantas de generación. Las líneas se componen de conductores aéreos o
cables subterráneos que operan a voltajes por debajo de 230 kV. En esta
categoría también se encuentran las líneas que transmiten potencia entre dos
sistemas de energía, para incrementar la estabilidad de la red.
Ricardez, 2014
122
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
5.1 Tecnología de alta tensión en corriente directa (HVDC).
HVDC (Corriente directa en alto voltaje) es un sistema de transmisión de
potencia eléctrica que utiliza corriente directa para la transmisión masiva de
potencia eléctrica, en contraste con el sistema más común de corriente alterna
(CA). Para la transmisión a larga distancia, los sistemas HVDC pueden ser
menos costosos y sufrir menores pérdidas eléctricas.
La forma moderna de la transmisión HVDC utiliza tecnología ampliamente
desarrollada en la década de 1930 en Suecia (ASEA) y en Alemania. El enlace
HVCD más largo del mundo es actualmente el de Xiangjiaba-Shanghai con
2,071 kilómetros, ± 800 kV, 6,400 MW que conectan a la presa Xiangjiaba de
Shanghai, en la República Popular de China.
El enlace más largo del sistema HVCD que esta por construirse es el de Rio
Madeira, Brasil , que se compondrá de dos bipolos de ± 600 kV, 3,150 MW
cada una, que conecta Porto Velho , en el estado de Rondônia al área São
Paulo, con una de longitud de la línea CD de 2,375 kilómetros.
La conversión práctica entre CA y CD se hizo posible con el desarrollo de la
electrónica de potencia con dispositivos tales como válvulas de arco de
mercurio y, a partir de la década de 1970, los dispositivos semiconductores
como tiristores , tiristores conmutados de puerta integrada (IGCT), tiristores
controlados-MOS (MCT) y transistores bipolares de puerta aislada (IGBT).
El desarrollo de convertidores electrónicos de alto voltaje y alta potencia han
hecho posible transmitir y controlar grandes bloques de potencia por medio de
corriente directa. La transmisión de corriente directa ofrece características
únicas que complementan las características de redes de CA existentes.
La tecnología clásica de HVCD está basada en conversoras de conmutación,
usando tiristores como elemento de rectificación e inversión.
La característica más importante de estas conversoras es que necesitan de
una red con generación para poder operar. Las conversoras consumen
potencia reactiva y ésta es generada en parte por los filtros de CA y si esto no
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5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
fuere suficiente se agregan bancos de capacitores. Tanto los bancos de
capacitores como los filtros son conectados y desconectados con interruptores.
Se suele requerir un 50 % de la potencia activa del enlace en potencia reactiva.
Figura 5.1 Convertidor HVDC monopolar, 600 MW – 450KV
y sus partes principales de una estación conversora.
5.2 Componentes de una línea de transmisión de CD.
Para funcionar apropiadamente, un sistema de transmisión de CD debe contar
con componentes auxiliares, además de los convertidores básicos. De acuerdo
con la figura 5.2, los componentes más importantes son:
1. Inductores de línea de CD (L)
2. Filtros de armónicos del lado de CD (FCD)
3. Transformadores convertidores (T1, T2)
4. Fuente de potencia reactiva (Q1, Q2)
5. Filtros de armónicos en el lado de ca (Fca)
6. Enlace
de
comunicación
de
microondas
entre
las
estaciones
convertidoras.
7. Electrodos de tierra (Gd)
Figura 5.2 Diagrama esquemático que muestra algunos de los componentes
más importantes de un sistema de transmisión HVCD.
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5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
Figura 5.3 Esquema básico de transmisión HVDC.
5.2.1 Inductores y filtros de armónicos del lado de CD (convertidor de 6
pulsos).
Las tensiones armónicas que se generan en el lado de continua, tanto en el
proceso de rectificado como en el de inversión, se traducen en corrientes
(corrientes alternas) armónicas de orden ‘pn’ que se superponen a la onda de
continua y originan radio interferencias en sistemas de comunicación vecinos
aunque se instalen bobinas de suavizado (reactancia de suavizado).
Al igual que en el lado de CA se emplean filtros sintonizados con un
determinado número de armónicos, así como filtros pasa-bajos.
Cuando se emplea la configuración ‘back-to-back’ o cuando la conexión es por
cable subterráneo estos armónicos quedan apantallados y es posible prescindir
de estos filtros.
Los armónicos de voltaje se producen en el lado de CD tanto del rectificador
como del inversor. Dan lugar a la 6a. y la 12a. corrientes armónicas, y si se
permite que fluyan por la línea de CD, podrían producir un serio problema de
ruido en líneas telefónicas cercanas.
En consecuencia, se requieren filtros para evitar que las corrientes fluyan por la
línea. Los filtros constan de dos inductores L y un filtro en derivación F CD. Éste
se compone de dos circuitos LC en serie, cada uno sintonizado para poner
respectivamente en cortocircuito la 6a. y la 12a. corrientes armónicas a tierra.
Los inductores L también evitan que la corriente directa de línea se incremente
Ricardez, 2014
125
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
con demasiada rapidez si ocurre una falla en la línea. Esto permite que los
tiristores asuman el control antes de que la corriente llegue a ser demasiado
grande para controlarla electrónicamente.
En la figura 5.4d se puede ver un filtro armónico del lado de CD.
Figura 5.4 Elementos de un sistema HVDC (en la imagen se muestra un sistema bipolar).
5.2.2 Transformadores convertidores.
El propósito básico del transformador convertidor del lado del rectificador es
transformar el voltaje de la red de CA EL1 para generar el voltaje de CA E1
requerido por el convertidor. Tiene como objetivo adaptar el voltaje que llega a
las válvulas del convertidor, y en muchos casos actúa también como filtro en el
lado de alterna (fig. 5.4b).
Se utilizan transformadores trifásicos, conectados en Y-Y o Y-delta. En
ocasiones se agrega un devanado terciario a voltaje más bajo para conexión
directa a una fuente de potencia reactiva (Q1).
En general, adapta el voltaje de alterna de entrada para que se ajuste al valor
de tensión que es requerido en la salida de continua, y a la salida del inversor
para que se adapte al nivel de CA.
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5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
Para un convertidor de doce pulsos la configuración es de tres devanados, un
devanado primario en estrella y dos devanados secundarios estrella- triángulo,
o en el caso de conexión bipolar un convertidor con transformador estrellatriángulo y otro con transformador estrella-estrella.
En ambos casos con el secundario dotado de regulación para ajustar el nivel
de tensión y mantenerlo constante en el lado de continua. Estos
transformadores se pueden suministrar en unidades monofásicas o trifásicas.
Figura 5.5 Transformador convertidor
Siemens usado en sistemas HVDC.
El voltaje de línea de CD Ed se mantiene esencialmente constante desde la
condición sin carga hasta la condición a plena carga. Además, para reducir la
potencia reactiva absorbida por el convertidor, el ángulo de activación α se
debe mantener pequeño.
Esto significa que la relación entre la entrada de voltaje de CA y la salida de
voltaje de CD del convertidor es esencialmente fija. Como E d es constante,
entonces E1 también debe ser esencialmente constante.
Por desgracia, el voltaje EL1 de la red puede variar significativamente durante
todo el día. Por consiguiente, los transformadores convertidores en el lado del
rectificador disponen de tomas para que el voltaje de entrada variable E L1
produzca un voltaje de salida E1 razonablemente constante.
Las tomas son conmutadas automáticamente por medio de un cambiador de
tomas motorizado siempre que el voltaje EL1 de la red cambia durante un
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5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
tiempo significativamente largo. Por la misma razón, se requieren tomas en los
transformadores convertidores en el lado del inversor.
5.2.3 Fuente de potencia reactiva.
La potencia reactiva Q absorbida por los convertidores debe ser suministrada
por la red de CA o por una fuente de potencia reactiva local. Como la potencia
activa transmitida varía a lo largo del día, la fuente reactiva también debe ser
variada. Por consiguiente, se requieren capacitores estáticos variables o un
capacitor síncrono.
En transmisiones HVDC operando normalmente, se consume energía reactiva
aproximadamente con un valor del 60% de la energía activa que se está
transmitiendo.
Los condensadores en paralelo (Fig. 5.4f) que se instalan en el lado de CA del
convertidor, suministran la energía reactiva necesaria para mantener el nivel de
tensión en el convertidor. Estos se conectan o desconectan automáticamente
mediante interruptores y pueden hacer las veces de filtros de armónicos.
5.2.4 Filtros de armónicos en el lado de CA.
Los convertidores de 6 pulsos trifásicos producen 5o., 7o., 11o., 13o. (y más
altos) armónicos de corriente en el lado de CA. Estos armónicos son resultado
directo de las formas de onda de corriente recortadas. Estos armónicos
distorsionan la onda, generan interferencias en las telecomunicaciones y
calentamientos en equipos de CA.
Para amortiguar el efecto de los armónicos en el lado de alterna se emplean
filtros sintonizados y filtros pasa-altos que ofrecen un camino de baja
impedancia a las corrientes armónicas (fig. 5.4c).
Las corrientes son desviadas a través de filtros Fca de baja impedancia
conectada entre las líneas trifásicas y tierra. Los filtros para cada frecuencia se
conectan en Y, y el punto neutro se conecta a tierra. En una red de 60 Hz, cada
filtro trifásico consta de un conjunto de circuitos LC resonantes en serie
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5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
sintonizados respectivamente a 300, 420, 660 y 780 Hz.
A 60 Hz estos circuitos LC son casi capacitivos. En consecuencia, también
suministran una parte de la potencia reactiva Q absorbida por cada convertidor.
Figura 5.6 Doce filtros armónicos monofásicos de una
estación de inversor.
Los doce filtros armónicos de la figura 5.6, están sintonizados para 300 Hz, 420
Hz, 660 Hz y 780 Hz. Están conectados entre las tres líneas y el neutro de la
línea de transmisión saliente de 230 Kv y 60 Hz. El filtro en primer plano está
sintonizado a 720 Hz.
Es un circuito en serie compuesto de un resistor de 2 V, un grupo de
capacitores con capacitancia total de 0.938 μF y un inductor lleno de aceite de
44.4 mH. La potencia reactiva a 720 Hz asociada con el circuito LC asciende a
18.8 Mvar.
5.2.5 Enlace de comunicaciones.
Para controlar los convertidores en ambos extremos de la línea, es esencial un
enlace de comunicaciones entre ellos. Por ejemplo, para mantener el margen
de corriente ΔI, el inversor en un extremo de la línea debe “saber” cuál es el
ajuste de la corriente I1del rectificador.
Esta
información
es
transmitida
continuamente
por
un
enlace
de
comunicaciones de alta velocidad entre los dos convertidores.
5.2.6 Electrodo de tierra.
Los electrodos de puesta a tierra (Fig. 5.4j), para el retorno de la corriente, son
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5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
un elemento a tener en cuenta en una instalación HVDC, ya que aportan
protección y son una solución económicamente más rentable a un retorno
metálico, incluso para transmisiones de corta distancia, en el que un conductor
hace de camino de retorno de la corriente.
Las corrientes directas en la tierra tienen un efecto corrosivo en tuberías,
cables y estructuras metálicas. Por ello, el electrodo de tierra real generalmente
se localiza a varios kilómetros de la estación de convertidor, para garantizar
que las corrientes directas dirigidas a tierra no produzcan un problema local
alrededor de la estación.
Se utilizan tanto en sistemas con conexión monopolar como bipolar, y en esta
última, se pueden instalar los electrodos de puesta a tierra como si de un
neutro se tratara, para que en caso de una falla, exista la posibilidad de operar
con este camino.
Merece la pena señalar que aunque en una conexión bipolar la corriente está
equilibrada entre los dos polos, siempre existe una pequeña corriente de fuga a
tierra, motivo por el que los electrodos se suelen instalar alejados de las
estaciones.
El alambre de conexión a tierra para corrientes directas entre la estación y el
sitio de conexión a tierra se instala en un poste o en un cable blindado. En el
sitio de conexión a tierra se utilizan medios especiales para reducir al mínimo la
resistencia del electrodo.
Esto es particularmente importante cuando un sistema bipolar opera
temporalmente en el modo monopolar. En estas circunstancias, la corriente a
tierra puede exceder los 1,000 A, y el calor generado seca eventualmente el
lecho de conexión a tierra, lo que hace que se incremente su resistencia.
Los electrodos para un sistema HVDC pueden instalarse en tierra, en la costa o
en el mar (submarinos), estos dos últimos pueden ser instalados como pares
anódicos o catódicos (fig. 5.6)
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5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
Figura 5.7 Clasificación general de los
electrodos para HVDC.
Las mejores tierras se obtienen cerca de, o en, grandes cuerpos de agua. Pero
incluso en este caso se deben utilizar métodos de conexión a tierra
sofisticados.
5.2.7 Estación de convertidor tiristor.
Consiste en la asociación en serie o paralelo (depende de la tensión de trabajo
del convertidor) de tiristores junto con dispositivos auxiliares, para formar
módulos (Fig.5.8a).
Figura 5.8 a) Módulo con válvulas a base de tiristores LTT. b) Tiristor LTT.
El disparo de los tiristores se realiza mediante un impulso eléctrico, conocido
este dispositivo como tiristor activado por electricidad o ETT (Electrical
Triggered Thyristor), en las instalaciones recientes se suelen transmitir las
señales de disparo por fibra óptica mediante fotones, esto se conoce como
tecnología de tiristor activado por luz o LTT (Light Triggered Thyristor Fig.
5.8b).
La conversión óptico-eléctrica se realiza en el propio interruptor, aportando un
alto nivel de aislamiento galvánico.
En un sistema HVDC la conmutación se lleva a cabo básicamente del siguiente
modo: se aplica un pulso eléctrico positivo en la puerta del tiristor para producir
Ricardez, 2014
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5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
el disparo de este y en ese momento pasa a conducir la corriente, el dispositivo
continúa en conducción hasta que la onda de corriente trata de invertirse.
Es por esto que un convertidor (Fig. 5.4a) requiere una red de CA para poder
conmutar, y poder funcionar como inversor.
El convertidor realiza la transformación de la energía de CA-CC y CC-CA,
pudiendo considerase como la parte más importante de un sistema HVDC.
Los convertidores de arco de mercurio han sido sustituidos por convertidores a
base de tiristores y el diseño de éstos ha llegado a ser casi estándar. Cada
polo se compone de dos convertidores de 6 pulsos. Por lo tanto, el convertidor
consta de doce válvulas repartidas en dos convertidores de seis pulsos con lo
que en el caso de la rectificación se consigue una onda de continua con un
rizado menor.
Durante su trabajo se generan armónicos de orden 12n±1 en el lado de alterna
y de orden 12n en el lado de continua, con lo que se reduce la tasa de
distorsión armónica y se estabiliza la onda de salida si se compara con el
rectificador de seis pulsos.
La figura 5.9 muestra cómo se conectan dos convertidores de 200 kV para
producir una salida de CD de 400 kV.
Figura 5.9 Diagrama esquemático de un polo de una
estación de convertidor de ±400 kV.
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5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
El diagrama de la figura 5.9 se compone de dos convertidores de 200 kV
conectados en serie en el lado de CD. Los convertidores son unidades de 6
pulsos, conectados respectivamente a voltajes trifásicos que están 30° fuera de
fase. El filtro de CD está sintonizado al 12o. armónico.
Los filtros de CA evitan que los armónicos 11o., 13o. y más altos entren al
sistema de 230 kV. El compensador variable estático suministra la potencia
reactiva requerida por el convertidor. Los dos convertidores actúan como un
convertidor de 12 pulsos.
La figura 5.10 muestra las tres válvulas que conforman un convertidor de 12
pulsos, junto con las conexiones de CA y de CD. Las válvulas se llaman
válvulas cuádruples porque cada una se compone de cuatro brazos puente.
Figura 5.10 Diagrama esquemático del convertidor
de 12 pulsos que muestra los dos convertidores
de 6 pulsos y las conexiones de línea. Tres
válvulas cuádruples constituyen los componentes
principales de un polo del pasillo de válvulas.
5.2.8 Reactancia de suavizado.
A este elemento se le conoce también como bobina de choque o suavizado, o
reactancia de continua (Fig. 5.4e). Se trata de una reactancia inductiva
normalmente, en serie con la línea de salida en CD. Cumple las siguientes
funciones:
a) Prevenir corrientes intermitentes, debido al rizado de la corriente.
b) Limitar las faltas de corriente en el lado de CD.
c) Prevención de efectos de resonancia en el circuito de CD.
d) Reducción de corrientes armónicas e interferencias en líneas de
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133
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
comunicación.
5.2.9 Interruptores.
1. Interruptores de CA (Fig. 5.4i): El sistema de corriente alterna se conecta a
un sistema HVDC mediante las conexiones de la subestación, que no es
más que una barra colectora a la cual se conecta la estación convertidora.
Las conexiones de CA (red alimentadora/receptora), las conexiones de CD
(entrada/salida del convertidor), y los filtros de armónicos de CA junto con
otros elementos, pueden disponerse de diferentes maneras en función de
varios requisitos como son la fiabilidad, la redundancia, el nivel de
protección, el diseño de la subestación, etc.
Entre los tipos de interruptores de CA más empleados en las subestaciones
se encuentran: de gran volumen de aceite, de pequeño volumen de aceite,
neumáticos, de vacío o de hexafluoruro de azufre.
2. Interruptores rápidos de CD (Fig. 5.4h): Con el objetivo de evitar
interrupciones de corriente y poder conmutar diferentes caminos de
transmisión de CD en conexiones con más de un polo terminal, se disponen
interruptores, diferenciando entre los siguientes tipos:
a) NBGS (Neutral Bus Ground Switch): Este interruptor permanence abierto
en su funcionamiento normal, pero cuando se cierra conecta la toma de
tierra de la estación convertidora a la malla de tierra, cuando por ejemplo
deja de funcionar una línea en un bipolo equilibrado.
b) NBS (Neutral Bus Switch): En caso de falta a tierra de la subestación, este
interruptor desvía una parte de la corriente continua a tierra. Se conecta en
cada polo en serie con el neutro, de manera que si uno de ellos sufre una
falta a tierra ese polo se bloquea, pero el polo restante puede seguir
funcionando por la conexión común del neutro.
Ricardez, 2014
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5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
c) GRTS (Ground Return Transfer Switch): Se utiliza para volver a operar
una línea en modo bipolar con retorno por tierra, después de una falla en
una estación cuando la línea ha estado funcionando como monopolar con
retorno metálico.
d) MRTB (Metallic Return Transfer Breaker): Se utiliza junto con el GRTS
para conmutar la corriente entre el retorno por tierra y el retorno metálico
(paralelos). Cuando en un bipolo ocurre una falta en una de las estaciones,
pasa a ser primero monopolar con retorno por tierra y finalmente, cuando el
MRTB se conecta y el GRTS se desconecta, bipolar con retorno metálico.
De este modo se consigue continuidad en el suministro.
5.3 Tipos de sistemas y configuraciones.
5.3.1 Tipos de conexiones en HVDC.

MONOPOLAR.
La configuración monopolar consiste en la utilización de un único conductor
para transmitir potencia entre una estación de conversión y otra, realizando el
retorno mediante los electrodos de las subestaciones conectados a tierra.
Figura 5.11 Conexión monopolar. a) Retorno por tierra mediante
electrodos. b) Retorno metálico.
Este tipo de conexión supone un ahorro en el cable conductor pero se tiene
que tener presente que no siempre es recomendable su uso, especialmente
cuando las pérdidas por la tierra son muy grandes o no se puede instalar por
razones medio ambientales .En estos casos se puede instalar un retorno
Ricardez, 2014
135
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
metálico.
a)
RETORNO A TIERRA.
Si no se instala un conductor metálico, la corriente fluye en la tierra y/o mar
entre dos electrodos de tierra diseñados especialmente. Este arreglo es un tipo
de retorno por tierra de un solo cable del sistema.
Los electrodos están situados generalmente algunas decenas de kilómetros de
las estaciones y están conectados a las estaciones a través de medio voltaje
de una línea de electrodo. El diseño de los propios electrodos depende de si se
encuentran en la tierra o en el mar.
Para la configuración monopolar con retorno a tierra, el flujo de corriente a
tierra es unidireccional, lo que significa que el diseño de uno de los electrodos
(el cátodo) puede ser relativamente simple, aunque el diseño del ánodo es
bastante complejo.
b)
RETORNO METÁLICO.
Consiste en la instalación de un conductor metálico de retorno entre los dos
extremos de la línea de transmisión monopolar. Como un terminal de los
convertidores está conectado a tierra, el conductor de retorno no necesita ser
aislado para la completa transmisión de voltaje que hace que sea menos
costoso que un conductor de alta tensión.
La decisión de si debe o no utilizar un conductor de retorno metálico se basa en
factores económicos, técnicos y ambientales.
c)
MONOPOLAR SIMÉTRICO.
Una alternativa es usar dos conductores de alta tensión, que funcionen a ±
medio del voltaje de CD, con sólo un único convertidor en cada extremo. En
esta disposición, conocida como monopolar simétrica, los convertidores sólo
están conectados a tierra a través de una alta impedancia y no hay corriente a
tierra.
Ricardez, 2014
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5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
La disposición simétrica monopolar es poco frecuente, con convertidores
conmutados, pero es muy común con convertidores de fuente de voltaje
cuando se utilizan cables.

BIPOLAR.
La mayoría de las líneas de transmisión de CD son bipolares. Poseen una línea
positiva y una línea negativa y un retorno a tierra común (Figura 5.12). Un
convertidor está instalado en el extremo de cada línea y las corrientes I d1 e Id2
fluyen en las direcciones mostradas.
Los convertidores 1 y 3 actúan como rectificadores mientras que los
convertidores 2 y 4 son inversores. Obviamente, la potencia fluye por ambas
líneas desde la red de ca 1 hasta la red de ca 2. La corriente a tierra es I d1 - Id2.
En general es pequeña porque los convertidores mantienen automáticamente
las corrientes iguales en las líneas positiva y negativa.
La configuración bipolar tiene tres ventajas. En primer lugar, la corriente a tierra
es pequeña, bajo condiciones normales. Por consiguiente, la corrosión de
tuberías, estructuras, etc., se reduce al mínimo.
En segundo lugar, las mismas torres de línea de transmisión pueden soportar
dos líneas, con lo cual se duplica la potencia, con un incremento relativamente
pequeño de la inversión de capital.
En tercer lugar, si se interrumpe el flujo de potencia en una línea, la otra puede
seguir funcionando y suministrando la mitad de la potencia normal entre las
redes de ca.
Figura 5.12 Línea bipolar que transmite potencia de la red 1 a la red 2.
Ricardez, 2014
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5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
Para invertir el flujo de potencia en una línea bipolar, cambiamos los ángulos
de activación de modo que todos los rectificadores se transformen en
inversores y viceversa. Esto invierte la polaridad de las líneas de transmisión,
pero las corrientes de línea Id1 e Id2 continúan fluyendo en la misma dirección
que antes (Figura 5.13).
Figura 5.13 La inversión de potencia de la red 2 a la red 1 se
obtiene invirtiendo las polaridades de la línea.
Figura 5.14 Conexión monopolar y bipolar.
5.3.2 Configuraciones del sistema HVDC.
De forma análoga a los sistemas de corriente alterna, en HVDC existen unas
estructuras de red básicas. Estas configuraciones vienen fijadas por el uso y
aplicaciones que hasta hoy han tenido las redes en corriente continua.

PUNTO A PUNTO.
La configuración punto a punto, es la tipología más utilizada para conectar dos
puntos lejanos mediante una línea de corriente continua. Esta instalación
consiste en dos estaciones convertidoras conectadas mediante una línea de
transmisión. Debido a las aplicaciones de la tecnología hasta día de hoy, es la
Ricardez, 2014
138
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
configuración más extendida hasta el momento.
Una de las estaciones funcionara como rectificador y la otra como inversor en
función de las necesidades del sistema.
Se utiliza también en conexiones submarinas, permitiendo la transmisión a
cargas aisladas (estaciones petrolíferas) o sistemas de generación aislados
(parques eólicos en alta mar), o para apoyar sistemas insulares (eléctricamente
débiles) desde sistemas continentales, entre otras aplicaciones.
Figura 5.15 Estructuras de conexión en sistemas HVCD.

BACK-TO-BACK.
La configuración back-to-back (o B2B, para abreviar), es la conexión utilizada
para conectar dos sistemas asíncronos (a distinta frecuencia). La instalación
consiste en la interconexión de dos convertidores situados en la misma
estación convertidora, uno para cada sistema eléctrico.
La interconexión se realiza mediante un enlace en corriente continua, sin la
necesidad de una línea de transmisión. La longitud de la línea de corriente
continua se debe mantener tan corta como sea posible en una estación de
HVCD back-to-back.
El voltaje de CD del circuito intermedio se puede elegir libremente para
estaciones HVCD back-to-back debido a la longitud corta del conductor. El
voltaje de CD se selecciona generalmente para ser tan bajo como sea posible,
con el fin de construir una pequeña sala de válvulas y para reducir el número
de tiristores conectados en serie en cada válvula.
Por esta razón, en las estaciones de HVCD back-to-back las válvulas deben
tener la corriente más alta disponible (en algunos casos, hasta 4,500 A).
Ricardez, 2014
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5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
Figura 5.16 Configuración ‘back-to-back’.

MULTITERMINAL.
La tipología multiterminal consiste en la conexión de tres o más conversores
separados geográficamente. Este tipo de configuración presenta las bases
para crear el concepto de bus de transmisión en corriente continua.
Existen dos tipos de conexiones multiterminales, una conocida como paralelo,
que consistente en la interconexión de los convertidores en paralelo, así cada
uno vería la misma tensión y otra de serie donde se conectarían los
convertidores en serie. También pueden existir conexiones hibridas combinado
serie y paralelo.

Paralela: todas las subestaciones estas conectadas a la misma tensión.
Se utilizan cuando todas las subestaciones superan el 10 % de la
potencia total de las estaciones rectificadoras.

Serie: las subestaciones se conectan en serie y a cada una de ella llega
una tensión diferente. Unas subestaciones conectada en serie no puede
consumir más del 10 % de la potencia total de las estaciones
rectificadoras para no afectar el nivel de tensión que llega a las otras.
Figura 5.17 Configuración multiterminal.
Ricardez, 2014
140
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
5.3.3 Sistemas de transmisión de alta tensión en corriente directa
(HVDC).
El reto de hoy en la transmisión de energía exige soluciones técnicas y
efectivas. La tecnología de los sistemas de alto voltaje CD es la solución
adecuada para una transmisión de energía económica sobre largas distancias
y un método confiable para conectar redes asincrónicas de diferentes
frecuencias. Con esto, la transmisión de energía HDVC es la única alternativa
real a la tecnología CA.

HVCD CLÁSICO.
Un enlace CD HVDC clásico conecta dos sistemas CA de alta tensión a larga
distancia de cables aéreos o submarinos así como dos sistemas vecinos
independientes con parámetros eléctricos incompatibles.
Los sistemas de corriente continua de alto voltaje (HVDC) se utilizan para la
transmisión de potencia a nivel mundial. Es un complemento útil o en algunos
casos la única alternativa para los sistemas de alto voltaje de corriente alterna
(HVAC) tradicionales.
Estos sistemas de transmisión HVDC se utilizan específicamente para
transmitir económicamente la energía eléctrica a grandes distancias a través
de líneas aéreas o por cable o conectar redes asíncronas con diferentes
frecuencias. Usa las configuraciones del sistema bipolar y back to back.
Los sistemas de transmisión HVDC conectan dos sistemas de corriente alterna
de alta tensión separados a través de un circuito intermedio.
El principio básico de funcionamiento de un sistema HVDC se basa en la
conversión de corriente alterna a corriente continua y viceversa por medio de
válvulas convertidoras que comprenden tiristores de potencia, que son el
corazón de una estación convertidora.
La capacidad de control total de los sistemas de HVDC es una característica
superior en comparación con un sistema de HVAC.
Ricardez, 2014
141
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
Tabla 5.1 Comparación entre el control de una conexión CD y una conexión CA.
Conexión de CD
Conexión de CA
Flujo de carga.
Totalmente controlado por el
operador en ambas
direcciones.
Sin control,
dependiendo de las
condiciones de red
actual
Pico de
suministro.
Capacidad de sobrecarga
inherente, por ejemplo, para
la carga pico se puede utilizar
de forma activa.
Capacidad de
sobrecarga no
controlada por el
operador.
Estabilización
de las redes de
corriente alterna
conectados.
La estabilización de la tensión
y la frecuencia de suministro
de energía activa y reactiva
controlada de forma
independiente.
Hay características
controladas.
Comparación del control de una conexión de CD y CA, tomando como parámetro
la medición de flujo de carga, pico de suministro y estabilización de redes.

Su
HVDC PLUS.
diseño
innovador
permite
ventajas
técnicas
y
económicas.
Vía
implementación de un nuevo concepto de convertidores de voltaje, procedente
de varios niveles modulares, HVDC plus es la solución preferida en la que la
falta de espacio es un criterio.
Es ideal para la conexión de las plataformas marinas remotas y los parques
eólicos a la red en tierra, así como para las zonas de alta densidad de la fuente
de alimentación, como las megas ciudades.
HVDC plus ofrece ventajas tecnológicas significativas para las redes de
transmisión:

Puede funcionar en redes de CA con muy bajos niveles de cortocircuito
o con cargas pasivas.

Cuenta con un control independiente de la potencia activa y reactiva
(funcionamiento completo de cuatro cuadrantes).

Puede ser operado en una red asimétrica (por ejemplo, durante los fallos
de red de CA) y proporciona un control de desequilibrio para compensar
Ricardez, 2014
142
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
cargas asimétricas.

Es flexible con respecto a la potencia reactiva y ofrece un control de
voltaje para débiles redes de CA.

Es bueno con respecto a los fallos de red de CA y sirve como servidor
de seguridad para limitar la propagación de las perturbaciones del
sistema.

Está totalmente adecuado para la aplicación del sistema Back-to-Back,
así como para la transmisión de larga distancia con cables de CD o con
CD-línea aérea.
Las características de HVCD PLUS son:

Menor necesidad de espacio.

Baja altura de la instalación.

Instalación y puesta en marcha a corto plazo.

Alta confiabilidad.

SISTEMA DE TRANSMISIÓN HVDC LIGHT.
La figura 5.18 da una idea global del novedoso sistema de transmisión HVDC
Light. Consta de:
• Una línea muy corta 1, 2, 3 que conecta el convertidor 1 a una red
trifásica de 60 Hz.
• Un convertidor 1 de CA a CD que convierte potencia de CA en CD.
• Un cable de CD largo que conecta el convertidor 1 al convertidor 2 en el
sitio remoto.
• Un convertidor 2 de CD a CA que convierte la potencia de CD en CA.
• La carga de CA en el sitio remoto.
El convertidor 1 está conectado a la red de potencia por medio de tres
reactores que corresponden a las inductancias L1. Las terminales 7 y 8 están
conectadas al cable de CD. El otro extremo del cable está conectado a las
terminales 9 y 10 del convertidor 2.
Ricardez, 2014
143
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
Figura 5.18 Vista global de un sistema de transmisión HVCD Light que
utiliza convertidores PWM. El convertidor 1 convierte potencia de CA en
potencia de CD. El convertidor 2 transforma energía de CD en energía
de CA. El convertidor 2 genera el voltaje trifásico deseado y la
frecuencia requerida en el sitio remoto. La corriente de línea y el factor
de potencia en el sitio dependen de la carga.
Éste suministra potencia a la carga por medio del reactor x que es similar a los
asociados con el convertidor 1. Para simplificar el circuito, los filtros armónicos
L2, C2 y R2 no se muestran. Están conectados respectivamente entre las
terminales 1, 2, 3 y el neutro local N y entre las terminales d, e, f y el neutro
remoto N.
El convertidor 2 genera un voltaje trifásico fundamental (y armónicos) entre las
terminales a, b y c. La salida filtrada aparece a través de las terminales d, e y f.
Sin embargo, es más fácil seguir el comportamiento del convertidor observando
los componentes fundamentales del voltaje y la corriente de sólo una fase.
La potencia activa por fase está dada por la expresión:
El cable de CD conduce sólo el componente activo de la potencia absorbida
por la carga. Por consiguiente, la potencia total transportada por el cable es 3 X
P. Como el voltaje de CD es EH, la corriente directa en el cable es:
¿Cuál es la relación entre el voltaje de CA Eab de línea a línea y el voltaje de
CD EH? Para no recortar los picos de la forma de onda sinusoidal, el valor pico
del voltaje de línea a neutro nunca debe ser mayor que E H/2. En estas
Ricardez, 2014
144
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
condiciones, se puede demostrar que EH es aproximadamente dos veces el
valor eficaz del voltaje de línea a línea del convertidor. Por lo tanto, se escribe:
Donde,
= voltaje de CD de línea a línea del cable (kV),
= voltaje de ca
eficaz de línea a línea del convertidor (kV).
Ignoremos por un momento las pérdidas en los convertidores y el cable de CD.
En condiciones permanentes, la potencia activa 3P absorbida por el convertidor
1 de la red trifásica es necesariamente igual a la potencia activa suministrada a
la carga en el sitio remoto.
CONVERTIDORES PWM. Los convertidores PWM (modulación por ancho de
pulso, por sus siglas en inglés) son extremadamente versátiles porque pueden
generar un voltaje de cualquier forma, frecuencia y fase con sólo aplicar una
señal de conmutación apropiada a los IGBTs.
Esta característica es particularmente atractiva en sistemas de distribución
debido a los armónicos que están presentes tanto en los voltajes como en las
corrientes.
Otra razón que favorece a los convertidores PWM es su capacidad de generar
voltajes sinusoidales a 60 Hz en lugar de las ondas rectangulares producidas
por los GTOs. Por consiguiente, los convertidores PWM se pueden conectar
directamente a la red de distribución sin tener que filtrar o desplazar la fase de
los armónicos de los pulsos rectangulares de 60 Hz.
Una razón final para utilizar convertidores PWM es que muchas formas de
onda distorsionadas producidas por procesos industriales contienen armónicos
de voltaje y corriente que no guardan relación alguna con la frecuencia de línea
de 60 Hz.
Los convertidores de conmutación PWM son capaces de generar voltajes y
corrientes en oposición a estas distorsiones aleatorias, con lo cual las
neutralizan.
Ricardez, 2014
145
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DEL IGBT (transistores bipolares con
compuerta aislada, por sus siglas en ingles).
El IGBT es un interruptor
controlado por voltaje cuyas terminales están identificadas del mismo modo
que las de un transistor, es decir, colector, emisor y base.
Las características en los estados activo e inactivo se muestran en la figura
5.19, junto con los voltajes y corrientes limitantes. Los IGBTs pueden manejar
mucha más potencia que otros controladores de voltaje.
Figura 5.19 Propiedades típicas y límites
aproximados de IGBTs.
CONTROL DE POTENCIA ACTIVA. La potencia activa total absorbida por el
convertidor 1 es controlada por el voltaje de CD E H en las terminales del cable.
Para demostrar por qué es así, ignoremos otra vez las pérdidas en los
convertidores y el cable.
En condiciones permanentes, la potencia activa de la carga remota es
constante. Como resultado, la potencia absorbida del cable entre las terminales
9 y 10 es igual a la potencia absorbida por el cable entre las terminales 7 y 8
(Figura 5.18). Por consiguiente, el voltaje EH y la corriente Id son estables.
Sin embargo, si la carga conectada al convertidor 2 disminuye, mientras el
ángulo θ1 y el voltaje E4N permanecen sin cambios (figura 5.20), la entrada de
potencia al cable será mayor que su salida.
La diferencia entre las dos cargará los capacitores C1 lo que, a su vez,
producirá un rápido incremento del voltaje de CD EH a través del cable. Este
rápido incremento es detectado por el sistema de control del convertidor 1. Una
Ricardez, 2014
146
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
señal correctora reducirá inmediatamente tanto el ángulo θ1 como el voltaje
E4N.
Figura 5.20 Diagrama fasorial de
los voltajes y de la corriente de
línea en el punto 1 de la red que
suministra la potencia activa.
Como resultado, la potencia de CA absorbida por el convertidor 1 disminuirá, lo
que a su vez reducirá la potencia suministrada al cable. En cuanto sea igual a
la potencia de CD absorbida por el convertidor 2, el voltaje en el cable será
restaurado a casi su valor nominal.
Contrario a la forma tradicional de controlar flujo de potencia de CD mediante
tiristores, no hay necesidad de telecomunicar continuamente el estado de los
dos convertidores en cada extremo de la línea.
Además, ya no requieren los grandes y costosos filtros. La razón es que las
frecuencias armónicas más bajas son aproximadamente 40 veces la frecuencia
fundamental del sistema. Por lo tanto, sobre una base de 60 Hz, el armónico
más bajo será de aproximadamente 2,400 Hz.
Los filtros de alta frecuencia son pequeños y baratos. En un sistema de
transmisión de CD convencional se requieren filtros grandes para absorber los
armónicos 5o., 7o., 11o. y 13o. de frecuencia relativamente baja.
Obviamente, los convertidores PWM ofrecen varias ventajas sobre los
convertidores controlados por tiristores que utilizan conmutación de línea
natural. Si incluimos la ventaja de utilizar un cable subterráneo, protegido
contra las inclemencias del clima y con la libertad de asegurar derechos de vía,
los convertidores PWM son aún más atractivos.
Ricardez, 2014
147
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
Sin embargo, los IGBTs aún no pueden manejar potencias tan grandes como la
que manejan los tiristores.
5.4 Sistemas convertidores de fuentes (VSC) y conversión de líneas de
CA en CD.
5.4.1 Tecnología VSC (Voltage Source Converter).
La tecnología VSC (Voltage Source Converter) se basa en el uso de
dispositivos semiconductores de conmutación forzada. Estos semiconductores,
habitualmente IGBT (insulated gate bipolar transistor) pueden conmutar sin
necesidad de la red, permitiendo el control simultáneo e independiente de
potencia activa y reactiva, así como controlar el encendido y apagado de los
dispositivos del convertidor.
Puede operar en sistemas con baja potencia e incluso, iniciar un sistema desde
cero (blackout), lo que es de gran ayuda al energizar cargas aisladas pasivas o
recuperar un sistema débil.
La señal de salida del convertidor tiene siempre la misma amplitud (máxima),
pero los pulsos que la componen varían su duración, lo que supone la entrega
de una señal con una tensión media que varía en función del ancho del pulso.
La forma de onda a la salida tendrá en cada momento el valor de la tensión
media de cada pulso. Así es posible controlar tanto la frecuencia como la
amplitud de la señal.
A nivel comercial, existen distintas configuraciones de convertidores aplicadas
a la tecnología VSC. Siendo las más importantes la tecnología HVDC Plus®
diseñada por Siemens y la tecnología HVDC Light® desarrollada por ABB.
Figura 5.21 Esquema de un convertidor VSC.
Ricardez, 2014
148
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
Tanto la tecnología HVDC Plus como la tecnología HVDC Light utilizan una
estructura de subestación muy similar. Su principal diferencia es el uso de una
estructura de convertidor a tres niveles (tres niveles de IGBT) por parte de la
tecnología desarrollada por Siemens y el uso de un convertidor a dos niveles
(dos niveles de IGBT) por parte de la tecnología desarrollada por ABB.
Igual que en la tecnología LCD, las estaciones equipadas con VSC requieren
filtros en el lado de continua como en el de alterna para minimizar el efecto de
los armónicos. A diferencia que la tecnología anterior, la VSC no requiere
ninguna fuente de reactiva ya que el propio convertidor es capaz de controlarla.
5.4.2 Tecnología LCD (Line Commutated Converter).
La tecnología de convertidores LCD (Line Commutated Converter) se basa en
el uso de la conmutación natural.
Originalmente se usaban válvulas de mercurio pero durante los años 70, la
evolución y aumento de las potencias y tensiones de los dispositivos
semiconductores permitieron sustituir las válvulas por tiristores o SCR (silicon
controlled rectifiers) o más modernamente LASCR (light activated silicon
controlled rectifiers).
Esto resulta en un convertidor con dispositivos semicontrolados, dado que este
circuito permite seleccionar el momento (ángulo) de disparo o conexión durante
la polarización directa del dispositivo, pero no es posible controlar el corte, que
no llegara hasta que sea polarizado inversamente.
El empleo de tiristores permite el control del momento del disparo del tiristor
pero no del apagado. Como consecuencia de esto, los rectificadores LCD
permiten controlar la potencia activa pero no la reactiva.
Los tiristores usados actualmente en HVCD se caracterizan por:

Tensión de bloqueo hasta 8 kV.

Intensidad máxima de 4 kA.

Señal de puerta óptica. Technologic LTT (light triggered thyristor) o ETT
Ricardez, 2014
149
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
(electrical triggered thyristor).
Para el rectificado en las estaciones de conversión equipados con la tecnología
LCD, suelen usarse dos rectificadores de seis tiristores conectados a dos
transformadores
cuyos
devanados
están
desfasados
30º
entre
sí,
denominando a esta configuración rectificador de doce pulsos.
Esta configuración de 12 pulsos, se destaca por reducir la distorsión armónica
frente al rectificador convencional de seis pulsos.
También se requieren filtros en el lado de continua como en el de alterna para
minimizar el efecto de los armónicos en la red. Al mismo tiempo, se requiere
una fuente de reactiva en el lado de alterna para asegurar un buen
funcionamiento de la estación convertidora.
Figura 5.22 Esquema de un centro de
conversión LCD.
5.5 Cables para transmisión.
De los 70,000 MW de capacidad de transmisión de HVDC instalados, un 12 %
corresponden a cables subterráneos/submarinos (~8,000 MW) y un 88 %
corresponden a líneas aéreas (~62,000 MW).
5.5.1 Líneas aéreas.
Las líneas aéreas de un sistema de HVDC presentan una serie de ventajas
importantes respecto a las aéreas HVAC. Una de ellas es el tamaño de las
torres. Si bien la distancia entre líneas debido a la tensión es superior en
Ricardez, 2014
150
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
HVDC, el número de líneas es inferior (2 líneas HVDC frente a 3 HVAC).
Esta diferencia entre la distancia en líneas es debida a que en CA, depende de
la tensión entre fases, mientras que en CD depende de la existente entre fase y
tierra. El resultado son una torre de menor tamaño y menor necesidad de
derecho de vía (servidumbre).
Figura 5.23 Franja de servidumbre para el caso de 500 KV HVAC (izquierda) y ± 500
HVDC (derecha) para transportar 3,000 MW,
En contra se podría decir que los aisladores de los circuitos HVDC han de ser
de mayor calidad, ya que acumulan mayor cantidad de residuos en su
superficie debido al sentido unidireccional de la corriente.
5.5.2 Líneas subterráneas y submarinas.
Los últimos cables HVDC desarrollados tienen capacidades entorno a los 800
MW y una tensión de 500 kV, utilizando aislamientos tanto extruido como de
papel impregnado. Existen diferentes tecnologías disponibles en cables para
CD, algunas de ellas comunes a las existentes en CA.

CABLE DE PAPEL IMPREGNADO (MI, MASS IMPREGNATED).
Está formado por un conductor central de cobre laminado cubierto por capas de
papel impregnado en aceite y resinas. A continuación, el cable es cubierto por
unas capas de polietileno extruido y acero galvanizado que lo protege contra la
corrosión y contra las deformaciones mecánicas durante su funcionamiento.
También suele reforzarse con una capa de acero y/o plomo. Es el único cable
instalado a una profundidad de 1000 m. Está disponible para tensiones de
hasta 500kV y potencias de 800 MW. Su capacidad está limitada por la
temperatura que puede alcanzar el conductor, pero no tiene limitada su
Ricardez, 2014
151
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
longitud.

CABLE DE ACEITE (OF, OIL FILLED).
Este tipo de cables es similar al MI, pero utiliza un papel impregnado de menor
densidad y un conducto longitudinal en el eje del conductor, para el aceite
refrigerante.
Este conductor también alcanza grandes profundidades, pero su longitud está
limitada a unos 100 km debido a la necesidad de hacer circular el líquido
refrigerante a lo largo del cable (estaciones de bombeo). Además, el riesgo de
fugas hace que sea cuestionado medio ambientalmente.
Figura 5.24 Cable MI y cable OF.

CABLE XLPE (CROSS-LINKED POLIETHYLENE).
Este cable utiliza como aislante un polímero extruido, resultando un cable con
aislamiento seco. Este material permite una temperatura de trabajo de 90° C y
una de cortocircuito de hasta 250° C.
Actualmente se utiliza en conexiones HVDC con generación o consumos en
alta mar, como aerogeneradores o estaciones petrolíferas.

CABLE PPLP (POLYPROPYLENE LAMINATED PAPER).
Utiliza un aislamiento formado por capas de papel y polipropileno laminado con
objeto de reducir las pérdidas dieléctricas. Se utiliza en HVDC debido a su
comportamiento térmico y su aislamiento, superiores a los del papel
impregnado, que resultan en una mayor capacidad de transporte. Es débil, ante
cambio de polaridad en la tensión.
Ricardez, 2014
152
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa

EXTRUIDO PARA VSC.
Esta tecnología aparece con el objetivo de superar las limitaciones de los
cables extruidos existentes en HVDC convencional. Estos nuevos cables
plásticos combinan gran capacidad para trabajos a altas tensiones en CD (100
kV) con un bajo peso (1 kg/m) y potencias elevadas (mayor de 30 MW).
Figura 5.25 A la izquierda, cable XLPE trifásico y monofásico.
En el centro, cable PPLP. A la derecha, cable extruido VSC.
5.6 Ventajas y desventajas con respecto a la transmisión en CA.
1. La potencia de CD se puede controlar con mucha más rapidez. Por
ejemplo, la potencia en el rango de megawatts puede ser invertida en
una línea de CD en menos de un segundo. Esta característica hace que
sea útil operar líneas de transmisión de CD en paralelo con redes de CA
existentes.
Cuando está a punto de ocurrir una inestabilidad (debido a una
perturbación en el sistema de CA), la amplitud de la potencia de CD se
puede cambiar para contrarrestar y amortiguar las oscilaciones de
potencia.
Control rápido de potencia también significa que las corrientes directas
de cortocircuito pueden ser limitadas a valores mucho más bajos que las
encontradas en redes de CA.
2. La potencia de CD se puede transmitir a través de cables a largas
distancias. La capacitancia de un cable limita la transmisión de potencia
Ricardez, 2014
153
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
de CA a unas cuantas decenas de kilómetros. Más allá de este límite, la
potencia reactiva generada por la capacitancia del cable excede la
capacidad del cable mismo.
Como la capacitancia no interviene en condiciones de CD constantes,
teóricamente no existe límite para la distancia a la que se puede
transportar la potencia de esta manera. Por consiguiente, la potencia
puede ser transmitida por cable debajo de grandes extensiones de agua,
donde el uso de cables de CA es impensable.
Además, los cables de CD subterráneos pueden ser utilizados para
suministrar potencia a grandes centros urbanos. A diferencia de las
líneas elevadas, los cables subterráneos son invisibles, están libres de la
contaminación atmosférica y resuelven el problema del aseguramiento
de derechos de vía.
La transmisión HVDC es más eficiente para la transferencia masiva de
potencia a largas distancias (por ejemplo, más de 600–1,000 km) con
líneas aéreas.
Los sistemas HVDC tienen una capacidad de transporte entre 2 y 5
veces la de una línea de CA de voltaje similar (Fig. 5.26).
Figura 5.26 Las líneas HVDC tienen menos pérdidas
por transmisión a larga distancia que las líneas HVAC.
Ricardez, 2014
154
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
3. La potencia de CA sólo se puede transmitir entre centros que operan a
la misma frecuencia. Además, la potencia transmitida depende de la
reactancia de la línea y del ángulo de fase entre los voltajes en cada
extremo de la línea.
Pero cuando la potencia es transmitida por CD, las frecuencias y los
ángulos de fase no figuran y la reactancia de línea no limita el flujo de
potencia constante. En todo caso, es sólo la resistencia de la línea la
que limita el flujo.
Esto también significa que la potencia puede ser transmitida a grandes
distancias por medio de CD. Sin embargo, éste es un beneficio mínimo
porque ya se están transportando grandes bloques de potencia de CA a
distancias de más de 1,000 km.
4. Las líneas de transmisión de CD elevadas se vuelven económicamente
competitivas con las líneas de CA, cuando la longitud de la línea es de
varios cientos de kilómetros.
El ancho del corredor de potencia es menor, y la experiencia a la fecha
ha demostrado que las fallas de corriente provocadas por descargas
atmosféricas se reducen un poco.
Por consiguiente, se están utilizando líneas de transmisión de CD para
transportar potencia directamente de una planta de generación
localizada cerca de una mina de carbón o cascada, al centro de carga.
5. En el extremo opuesto de gran distancia se encuentran los convertidores
espalda con espalda, los cuales interconectan grandes sistemas de CA
adyacentes con una línea de transmisión de CD que mide unos cuantos
metros de largo.
Ricardez, 2014
155
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
Los convertidores espalda con espalda permiten que los dos sistemas
operen a sus frecuencias y ángulos de fase respectivos. Como
resultado, las perturbaciones en un sistema no tienden a desestabilizar
el otro sistema.
Además, el flujo de potencia entre los sistemas puede ser modificado e
incluso invertido en cuestión de milisegundos (mucho más rápido que en
un sistema de CA).
A diferencia de las líneas de transmisión de CA, no es fácil tomar potencia en
diferentes puntos a lo largo de la línea de CD. De hecho, por lo general las
líneas de CD son sistemas de punto a punto, típicamente de una gran planta
de generación a un gran centro de consumo de energía.
Se instalan convertidores electrónicos en cada extremo de la línea de
transmisión, pero ninguno intermedio. Sin embargo, si es necesario se pueden
realizar arreglos multiterminales para derivar circuitos, como es el caso de
Radisson, cerca de James Bay, para suministrar potencia a Nueva Inglaterra y
otros tres puntos en Quebec.
Figura 5.27 Análisis técnico-económico, HVCD vs HVAC.
La figura 5.28 muestra el ahorro económico de la transmisión de potencia en
HVDC contra HVAC, comparando el voltaje transmitido a 765 KV en CA, 500
Ricardez, 2014
156
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
KV en CD y 800 KV en CD, permitiendo observar el derecho de vía (en metros)
que conlleva la transmisión en CA y CD tomando como parámetro un voltaje
similar, así como los costos por cada estación y número de líneas al igual que
sus pérdidas.
Figura 5.28 Análisis técnico-económico, HVCD vs HVAC.
5.7 Avances y tendencias en el uso de sistemas HVDC.
La transmisión de potencia mediante corriente directa se utiliza en muchas
partes del mundo. Las siguientes instalaciones dan al lector una idea de los
diversos tipos de sistemas que se han construido en el transcurso de los años
y el problema particular para cuya solución fueron diseñados.
1. Schenectady. De interés histórico es la línea de transmisión de 17 millas,
5.25 MW y 30 kV instalada entre Mechanicville y Schenectady, Nueva
York, en 1936. Con convertidores de arco de mercurio, vinculó un
sistema de 40 y 60 Hz.
2. Gotland. La primera línea de transmisión de CD importante fue instalada
en Suecia, en 1954. Conectó la isla de Gotland (en medio del mar
Báltico) con el continente por medio de un cable submarino de 96 km. El
cable de un solo conductor opera a 100 kV y transmite 20 MW. La
corriente dirigida a tierra regresa por el mar.
Ricardez, 2014
157
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
3. Canal Inglés. En 1961 se tendió un enlace submarino bipolar en el Canal
Inglés entre Inglaterra y Francia. Dos cables, uno operando a +100 kV y
el otro a -100 kV, tendidos uno al lado del otro, transportan 160 MW de
potencia en una dirección o la otra.
Resultó que el intercambio de potencia entre los dos países era
económico porque las zonas horarias son diferentes, así que los picos
del sistema no ocurren al mismo tiempo. Además, durante la primavera,
Francia
tiene
un
excedente
en
su
capacidad
de
generación
hidroeléctrica, lo que hace atractiva la exportación de potencia.
4. Pacific Intertie. En 1970 se instaló un enlace bipolar que opera a ±400
kV entre The Dalles, Oregon, y Los Ángeles, California. La línea elevada
transmite un total de 1440 MW a una distancia de 1370 km. Se puede
hacer
que
fluya
potencia
en
ambas
direcciones,
según
los
requerimientos de las respectivas regiones NO y SO.
El enlace de CD también ayuda a estabilizar el sistema de transmisión
de CA trifásico que conecta las dos regiones.
5. Río Nelson. La potencia hidroeléctrica generada por el Río Nelson,
situado a 890 km al norte de Winnipeg, Canadá, es transmitida por
medio de dos líneas bipolares que operan a ±450 kV. Cada línea bipolar
transporta 1620 MW, los cuales son convertidos y alimentados al
sistema de CA cerca de Winnipeg.
De acuerdo con estudios realizados, era un poco más económico
transmitir potencia por medio de CD que por medio de ca a lo largo de
esta considerable distancia.
6. Río Eel. La estación espalda con espalda en el río Eel, Canadá,
constituye un interenlace asíncrono entre los sistemas eléctricos de 230
Ricardez, 2014
158
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
kV de Quebec y Nueva Brunswick. Aunque ambos sistemas operan a
una frecuencia nominal de 60 Hz, no fue factible conectarlos
directamente, debido a cuestiones de estabilidad.
En esta aplicación, la “línea de transmisión” de CD es de sólo unos
cuantos metros de largo, es decir, la longitud de los conductores que
conectan los rectificadores e inversores. La potencia puede fluir en
ambas direcciones, hasta un máximo de 320 MW.
Figura 5.29 Esta estación de convertidor y playa de distribución en
el río Eel conecta las redes de ca de Québec y Nueva Brunswick por
medio de un enlace de CD. El rectificador y el inversor están
alojados en el edificio grande en el centro. Utilizó por primera vez
tiristores transistorizados en aplicaciones HVCD.
7. Proyecto CU. La salida de potencia de una planta de generación situada
junto a las minas de carbón lignítico cerca de Underwood, Dakota del
Norte, es convertida en CD y transmitida a 436 millas en dirección este
hasta una terminal cerca de Minneápolis, Minnesota, donde es
reconvertida en CA.
La línea bipolar transmite 1000 MW a ±400 kV y 1250 A. Se dispone de
un regreso a tierra metálico en caso de que una línea quede fuera de
servicio durante un periodo prolongado (vea la figura 5.30).
Ricardez, 2014
159
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
Figura 5.30 Diagrama esquemático simplificado del sistema de
transmisión HVCD bipolar que enlaza la terminal de Coal Creek en Dakota
del Norte con la terminal Dickinson en Minnesota.
En la figura 5.30 la línea de ±400 kV suministra 1000 MW a una distancia de
702 km. La salida de los turboalternadores de 500 MW se eleva a 230 kV y se
transmite a la terminal de Coal Creek, donde la potencia de ca es convertida en
CD. Los transformadores convertidores de cambio de tomas con carga TCD
están conectados en Y-Y y delta-Y para operación de conversión de 12 pulsos.
Los inductores alisadores de 0.4 H están en serie con las líneas conectadas a
tierra, con lo cual se reducen significativamente los requerimientos de
aislamiento. Los filtros de CD FCD, cada uno compuesto de un inductor de
48.8 mH en serie con un banco de capacitores de 1 μF, impiden que el 12o.
voltaje armónico entre a las líneas de CD.
Las líneas de transmisión positivas y negativas constan de dos haces de
conductores (2 x 1590 MCM, ACSR). Las tierras de CD están situadas a 10.3
km y 20 km de las terminales respectivas. En condiciones normales las
corrientes de línea son controladas automáticamente de modo que la corriente
a tierra sea de 20 A o menos.
La estación de inversor de 12 pulsos (terminal de Dickinson) suministra al
sistema 345 kV, 60 Hz y los transformadores convertidores de cambio de
tomas TD se utilizan para regular el nivel del voltaje del inversor.
8. Subestación de Châteauguay. La subestación de Châteauguay,
localizada cerca de Montreal, es una estación de convertidor espalda
Ricardez, 2014
160
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
con espalda con capacidad de 1000 MW (Figura 5.31). Para asegurar
una alta confiabilidad, se compone de dos pasillos de válvulas
independientes, cada uno con capacidad de 500 MW.
Por lo general, la potencia fluye del sistema de CA de 735 kV de HydroQuébec al sistema de CA de 765 kV en el estado de Nueva York.
Debido al enlace rectificador/ inversor, los cambios de frecuencia en un
sistema no afectan al otro.
Además, se puede invertir la dirección del flujo de potencia,
dependiendo de las circunstancias. Los tiristores son enfriados con agua
desionizada, mediante un elaborado intercambiador de calor de
agua/glicol/aire.
Figura 5.31 Vista de un convertidor de CD espalda
con espalda de 500 MW, 140 kV y 3600 A en la
subestación de Châteauguay. Consta de 6 válvulas
cuádruples. Las tres válvulas del lado derecho
generalmente operan como rectificadores y las tres
del lado izquierdo como inversores. El pasillo de
válvulas mide 17.5 m de ancho y 18 m de altura.
Figura 5.32 Proyectos de la empresa SNC-LAVALIN, de sistemas HVCD en diferentes continentes.
Ricardez, 2014
161
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
5.7.1 Interconexión de Egipto-Arabia Saudita.
Características del proyecto:

Costo del capital: $ 1.5 billones.

1300 km de la línea bipolar de ±500 kV, 3000 MW.

Tres estaciones convertidoras multiterminales: 3000 MW en Badr y
Madinah, 1500 MW en Tabuk.

25 km de cable submarino de 500 kV HVCD.
Retos del proyecto:

Sistema muy débil en la terminal de Tabuk.

Posibilidad de resonancia en varias frecuencias armónicas.

Alta variación entre carga mínima y carga máxima del sistema.

Aislamiento de línea difícil debido a las condiciones climáticas

Investigación de electrodos.

Varias restricciones sobre el cruce submarino.
Figura 5.33 Interconexión EgiptoArabia Saudita.
5.7.2 Interconexión GCD.
Características del proyecto:

Interconexión de Kuwait, Arabia Saudita, Bahrain y Catar.

800 km de línea de doble circuito de 400 kV.

Tres estaciones HVCD back to back de 600 MW.

40 km de cable submarino de 400 kV AC.

Subestaciones GIS de 400 kV.
Ricardez, 2014
162
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa

Centro de control de la interconexión.
Retos del proyecto:

Primer centro de control automatico de reserva primaria en el mundo.

Interconexión de seis países.

Sistema débil de un lado.

Problemas para la instalación del cable submarino.
Figura 5.34 Interconexión GCD.
5.7.3 HVDC 2000
A fines de la década de los noventa, ABB lanzó un paquete llamado HVDC
2000. Las partes más importantes de éste son:

CDC - Conversora Conmutada por Capacitores.

Filtros con reactor ConTune.

Filtros activos de corriente directa.

Sistema de control MACH2.

Válvulas modulares de exterior.
Las conversoras conmutadas por capacitores, CDC, son especialmente
atractivas cuando las redes de alterna, donde se va a conectar la estación
conversora, son débiles, es decir, con relación de cortocircuito menor a 2.
El hecho de tener un capacitor en serie entre el transformador y las válvulas de
tiristores hace que el conversor tolere fluctuaciones de voltaje en el lado de
Ricardez, 2014
163
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
alterna.
Figura 5.35 Banco de capacitores de CDC.
El hecho de conectar en serie parte de la capacitancia necesaria para la
operación del convertidor permite el uso de filtros continuamente sintonizados,
ConTune.
Los filtros de corriente alterna con reactores ConTune requieren menor parte
pasiva, ahorrando de ésta manera espacio y costos.
Los filtros activos de corriente directa están compuestos por una parte pasiva
(mínima) y una parte activa. El principio de funcionamiento se basa en tomar
muestras de los armónicos del lado de corriente continua, amplificarlos,
ponerlos en contrafase y volver a inyectarlos en el sistema.
De ésta manera se obtiene un filtrado efectivo con un filtro pasivo reducido.
Cuando los requerimientos de filtrado de armónicos del lado de directa son
elevados el costo de filtros pasivos aumenta en forma exponencial y el
correspondiente a los filtros activo es lineal y mucho menor.
El sistema de control, MACH2, fue específicamente desarrollado para
aplicaciones de HVDC FACTS. Está basado en computadoras estándar con
encapsulado industrial y plataforma Microsoft, lo que lo hace muy flexible y
funcional. El sistema de control MACH2 ya ha sido implementado en más de 20
proyectos de HVDC y FACTS.
Las válvulas de exterior aisladas en aire fueron desarrolladas para acortar los
tiempos de entrega y minimizar la obra civil. Las válvulas de tiristores son
encapsuladas en contenedores que puede ser transportado por medios
Ricardez, 2014
164
5. Sistemas de alto voltaje en corriente directa
normales. Las válvulas son probadas con las normas aplicables antes de ser
enviadas al lugar de instalación.
Proyectos donde se han implementado las soluciones HVDC 2000 son, la
interconexión Brasil-Argentina de 2 x 1000 MW, Rapid City CD Tie de 2 x 100
MW, el enlace con cable submarino entre Polonia y Suecia Swepol de 600 MW.
Figura 5.36 Sistema de control MACH 2.
Ricardez, 2014
165
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
6 SISTEMAS DE CD EN VEHÍCULOS ELÉCTRICOS.
El automóvil eléctrico se presenta en las últimas décadas como la alternativa
de futuro en cuanto a transporte urbano se refiere. Las comparaciones que se
realizan con su inmediato competidor, el automóvil de combustión, se inclinan
siempre hacia el lado de estos últimos por razones económicas, y referentes a
la infraestructura.
A pesar de ellos, su desarrollo e investigación está más que justificado. Las
grandes compañías de automóviles siguen trabajando en el automóvil eléctrico
como alternativa a los problemas derivados de los automóviles actuales.
El automóvil eléctrico posee innumerables beneficios en lo que a tráfico en
grandes ciudades se refiere, trae consigo además una disminución
considerable del consumo energético y sobretodo trae como consecuencia la
disminución de la contaminación medioambiental en las grandes ciudades.
En los últimos años, los vehículos eléctricos han de dejado de ser considerados
una quimera para convertirse en una prometedora realidad. A finales de 2010,
alrededor de treinta modelos de este tipo de vehículos estaban listos para
circular por las calles y carreteras de diversos países, y las expectativas son
que esta cifra se incremente hasta cerca de setenta modelos para finales del
2014.
Sin duda, todavía es demasiado pronto para conocer el nivel de demanda de
estos vehículos, aunque los de gama alta parecen haber experimentado una
fuerte demanda en los últimos meses y en algunos países ya existen listas de
espera para su compra.
En términos de rendimiento global, el sistema de generación de energía,
almacenamiento y propulsión del vehículo eléctrico es mucho más eficiente que
el del motor térmico.
Sin embargo, desde la perspectiva del ciudadano, el precio del vehículo
eléctrico sigue siendo demasiado elevado en comparación con el de uno
Ricardez, 2014
166
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
térmico de la misma gama, incluso puede llegar a duplicarlo.
Aunque el coste de la energía puede ser hasta tres o cuatro veces inferior al de
combustión, y que en pocos años el ahorro energético permita amortizar buena
parte de dicho sobrecoste, el ciudadano suele basar su decisión en el precio
inicial.
Son muchas las marcas que ya están comercializando o están a punto de
lanzar al mercado vehículos eléctricos, con autonomías de 160 kilómetros
nominales, pero hay que acelerar la implantación de infraestructuras de
recarga que faciliten el uso, y por consiguiente, promuevan su elección, por
parte de los ciudadanos.
Figura 6.1 Beneficios del vehículo eléctrico.
6.1 Tipos vehículos eléctricos.
La figura 6.2 muestra los 3 tipos de automóviles eléctricos y que se están
desarrollando en la actualidad, el HEV vehículo eléctrico hibrido, PHEV
vehículo eléctrico hibrido enchufable y el BEV vehículo eléctrico de batería.
Figura 6.2 Tipos de automóviles eléctricos.
Ricardez, 2014
167
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
6.1.1 Híbridos.
Un vehículos hibrido consta de 2 sistemas de almacenamiento de energía, un
depósito de combustible, una batería eléctrica, una doble motorización, térmica
y eléctrica, de manera que mueven el vehículo de manera individual o conjunta.
Podemos destacar 3 tipos principales:
1. HEV: Son los únicos que actualmente ruedan por las calles y carreteras
del mundo y que contienen 2 motores, uno de combustión interna
(gasolina o gas-oil) y otro eléctrico.
Empezaron siendo híbridos “ligeros”, es decir, añadiendo un motor
eléctrico al vehículo existente, el cual ayuda al motor de combustión y
economiza combustible y contamina menos.
De ahí se pasó al hibrido completo, en el que los dos motores se
complementan funcionando ambos y mediante una centralita de control
se distribuye el funcionamiento y potencia de cada motor, según las
circunstancias.
Estos automóviles son más ecológicos que los de un solo motor de
combustión interna ya que, al poseer un motor eléctrico, emiten menos
gases contaminantes. También consumen menos gasolina por la misma
razón.
2. Híbridos enchufables: Plug-in Hybrid o PHEV, parecidos a los
eléctricos puros, pues la batería de ion litio se recarga en cualquier toma
de corriente mediante un enchufe.
La autonomía puede llegar a ser similar a la de un coche eléctrico y si se
hace un uso urbano bastara con cargarlos por las noches. Pero el motor
térmico garantiza el no quedarse tirado. Un ejemplo es el Toyota Prius
enchufable.
Ricardez, 2014
168
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
3. Híbridos de autonomía extendida, ERHEV (Extended Range Hybrid
Electric Vehicle): los cuales tienen las características de que las ruedas
se mueven únicamente por acción del motor eléctrico. Disponen de un
pequeño motor de combustión interna para cargar la batería, en general
de ion litio.
Consiguen una pequeña autonomía de 60 o 90 km funcionando solo con
la batería, pero dicha autonomía se extiende hasta 500 o 600 km gracias
a un pequeño motor de gasolina o diésel, el cual no mueve el coche,
sino que se utiliza para cargar la batería. Un ejemplo de estos es el Opel
Ampera.
Figura 6.3 Automóvil hibrido, Opel Ampera.
6.1.2 Eléctricos.
En el año 1997, General Motors lanzo un coche totalmente eléctrico, el EV-1, a
instancias legales del gobierno de California, que quería conseguir en 10 años
que un 2 % de los automóviles fueran eléctricos. Diez años después el
proyecto había muerto y todos los automóviles se habían retirado (hay que
tener en cuenta que únicamente están disponibles en alquiler).
Sin embargo, hoy en día prácticamente todos los fabricantes de automóviles
tienen en marcha un proyecto de coche eléctrico: Renault, Nissan, Honda,
Mercedes, BMW, Mitsubishi, Subaru, Chevrolet, Dodge, Toyota, etc. Se han
sumado nuevos fabricantes de automóviles con proyectos de automóviles
exclusivamente eléctricos, como son: Think, Tesla, Pininfarina/Bollore, etc.
De manera breve, se presentan las ventajas y los inconvenientes de los
Ricardez, 2014
169
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
automóviles eléctricos comparados con los de combustión interna.

VENTAJAS.

Más fáciles de fabricar: menos componentes y sistemas.

Más barato, cuando la producción sea en grandes cantidades.

1,2, 3 o 4 motores (en las ruedas).

Transmisiones más ligeras y eficientes. Incluso algunos modelos sin
ellas.

Las fábricas y los talleres limpios.

Consumo mucho menor: del 20 al 30 % en relación a uno actual
equivalente.

Menores costos de mantenimiento.

Silenciosos.

Más fáciles de conducir.

Motores:
o Par motor elevado y prácticamente constante.
o Rendimiento elevado: eficiencia del 80-90 %.
o Recuperando energía al frenar y desacelerar.
o No necesitan funcionar al ralentí (star-stop).
o Tamaño y peso más reducido.

INCONVENIENTES.

Baterías grandes y pesadas.

Necesario control de las mismas.

Menor velocidad de punta.

Menor autonomía.

Necesidad de red-infraestructura de recarga.

Cambio de entorno industrial.
o Electricidad frente al petróleo.
o Industria auxiliar y talleres.
Ricardez, 2014
170
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
6.2 Componentes.
Figura 6.4 Componentes principales de un
vehículo eléctrico.
Los vehículos 100 % eléctricos, están constituidos por un chasis, uno o varios
motores, una gran batería, una centralita electrónica y los sistemas necesarios
de suspensión, frenos, neumáticos y seguridad de confort similares a los
demás automóviles.
Pero se suprime el motor térmico, con su innumerable número de componentes
(cilindros, bielas, válvulas, etc.), los sistemas de distribución, alimentación,
escape, caja de cambios, etc. y por ende, todo lo referente a los sistemas de
engrase por aceite, con su consiguiente ventaja de limpieza.
Esto va a suponer un gran cambio en la industria del automóvil, tanto en la
fabricación de automóviles como en la industria auxiliar. Al ser vehículos
totalmente silenciosos y no escucharse más que un leve sonido de rodadura de
los neumáticos, será necesario desarrollar sistemas de aviso de paso
diferentes a los actuales.
Qué tiene un automóvil con motor de combustión interna, que no tenga uno
eléctrico:

Motor térmico, pistones, bielas, cigüeñal, árbol de levas, válvulas, etc.

Sistema de engrase por aceite, bomba, etc.

Embrague.

Caja de cambios, con múltiples engranajes, etc. automáticas en muchos
casos.
Ricardez, 2014
171
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos

Sistema de encendido, bujías, etc.

Sistemas de distribución, bandas, etc.

Sistemas de refrigeración del motor, ventilador, bomba de agua, etc.

Dinamo o alternador.

Sistemas de escape, tubos, etc.
Qué tiene un automóvil eléctrico que no tenga uno de combustión interna:

Una gran batería de ion-litio o similar, aunque el de combustión interna
tiene una pequeña batería de ácido.

Una compleja central de electrónica, aunque el de combustión interna
también tiene una, pero mucho más simple.
Qué tienen ambos:

Sistema de frenado.

Suspensión.

Dirección.

Aire acondicionado.

Calefacción: hay que tener en cuenta que al depender de la refrigeración
del motor de combustión interna, el cual no existe en los eléctricos, exige
posiblemente unas resistencias eléctricas, con el gran consumo que eso
conlleva, aunque los eléctricos necesitan refrigerar las baterías.

Sistemas de luces, limpieza de parabrisas, etc.

Sistemas de seguridad como cinturones de seguridad, ABS, ESP, etc.
Las características de un coche eléctrico se basan en sus 2 componentes
principales: motor y batería. Por ello, podemos destacar que un coche eléctrico
tiene un aceración muy buena, debido a que un motor eléctrico proporciona un
par constante y por lo tanto el par máximo desde el arranque.
Por ejemplo el TESLA Roadster anuncia entre sus características una
aceleración de 0 a 100 km/h en menos de 4 segundos. Esta misma
característica de motores de par constante hace que los automóviles eléctricos,
sean en principio, buenos escaladores, es decir, las pendientes no son un
Ricardez, 2014
172
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
problema.
Lo que si hay que tener en cuenta, es que la autonomía depende del esfuerzo
a que se somete el vehículo. Así, la autonomía teórica disminuirá si se utiliza
sometiéndole
a
grandes
esfuerzos,
como
muchas
pendientes,
altas
velocidades u otras condiciones extremas.
De hecho la mayoría de los automóviles, aun pudiendo alcanzar velocidades
más altas salen con su velocidad máxima limitada a 120, 130 o 140 km/h lo
cual, dadas las limitaciones actuales de las carreteras no debe suponer un
problemas para la mayoría de los conductores.
No obstante, hay automóviles como el mismo ejemplo anterior del TESLA
Roadster que desarrollaran una velocidad máxima de 200 km/h.
El LIGHTNING es un automóvil deportivo inglés, que promete una velocidad
máxima de más de 210 km/h y una aceleración de 0 a 100 km/h en menos de 5
seg.
Automóviles como este último equipan características estándar tales como:

Antibloqueo de frenos (ABS).

Control de tracción.

Frenos regenerativos (carga de la batería al frenar).

Puertas eléctricas.

Bloqueo central de puerta.

Alarma e inmovilizador del coche.

Ventanillas eléctricas.

Tapicería parcial de cuero.

Cristales tintados.

Sistemas de recarga en hogar con dispositivo de seguridad integral
(EVCS).

Faros de halógeno Hella.

Luces leds en partes delanteras, traseras y laterales.
Ricardez, 2014
173
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos

Colores: azul, negro y plata.
Lo que demuestra que los automóviles eléctricos no tienen prácticamente
limitaciones en cuanto a dispositivos o sistemas de seguridad y de comodidad.
Figura 6.5 Vehículo eléctrico, LIGHTNING.
6.2.1 Componentes principales.
La cantidad de energía que puede ser almacenada en las baterías de un
vehículo eléctrico, se encuentra mucho más limitada que la que puede ser
almacenada, en forma de combustible líquido, en un VCI.
Se hace, pues, necesaria una atención especial a este hecho, de forma que
este pequeño volumen de energía pueda aprovecharse de manera óptima,
consiguiendo unas autonomías aceptables.
Una menor fuerza de rodadura, por ejemplo, se traduciría en un mayor
aprovechamiento de la energía disponible por el vehículo y un menor consumo.
Esta fuerza de rodadura depende de diversos factores:

Masa del vehículo a plena carga.

Aceleración.

Coeficientes de rozamiento estático y dinámico.

Velocidad.

Inclinación del terreno sobre el que circula el vehículo.

Superficie frontal del vehículo.

Coeficiente de penetración aerodinámico.
Algunos de estos factores se encuentran estrechamente relacionados con la
forma física del vehículo. Así, la resistencia al avance podría disminuirse
Ricardez, 2014
174
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
actuando directamente sobre ella, de manera que se consiguieran:

Carrocerías y chasis más ligeros.

Una menor influencia del rozamiento aerodinámico sobre la carrocería.

Una reducción de la resistencia a la rodadura de los neumáticos.
Conseguir una menor resistencia aerodinámica no es demasiado viable, al
menos para un tipo de conducción urbana, pero si será importante lograr un
buen rendimiento de rodadura, así como una reducción considerable el peso
del vehículo.

ELEMENTOS RODANTES (RUEDAS).
Las ruedas constituyen la masa no suspendida de un vehículo, es decir, el
punto de apoyo del automóvil sobre el suelo.
Sus pequeñas zonas de contacto con el piso soportan el peso del coche y de
su carga, lo sujetan al suelo para resistir esfuerzos laterales y absorben las
vibraciones que las pequeñas desigualdades del terreno causarían al
automóvil, a la vez que transmiten la fuerza del motor en el avance y la de los
frenos en las paradas.
En los automóviles se utilizan ruedas neumáticas, llamadas así porque
contienen aire a presión, gracias al cual la rueda es capaz de soportar el peso
que gravita sobre ella.
Desde el punto de vista de la construcción de un automóvil eléctrico, los
neumáticos utilizados, será el factor principal, sobre el que se deberá actuar,
para disminuir los rozamientos generados por el suelo, y que se traducen en
unas pérdidas que afectan de una manera muy negativa a las prestaciones del
vehículo.
Los automóviles eléctricos pueden hacer uso de neumáticos de alta presión,
especialmente diseñados, y que presentan, aproximadamente, la mitad de la
resistencia a la rodadura que los convencionales. Al igual en vehículo eléctrico,
se pueden utilizar neumáticos un poco más estrechos que los normales.
Ricardez, 2014
175
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos

CHASIS Y CARROCERÍA.
El chasis y la carrocería de un vehículo constituyen su masa suspendida, es
decir, la que no tiene contacto directo con el suelo o superficie de rodaje.
El chasis o bastidor es el armazón sobre el que se monta y sujetan todos los
mecanismos, soportando el peso de unos y quedando otros colgados de él. La
carrocería está unida al chasis y se destina al transporte de pasajeros o carga.
Estos dos, influyen de forma directa en el consumo de energía del vehículo,
pues constituye una carga estática (peso) y además, está sometido al
rozamiento con el aire en la marcha.
El diseño de chasis y carrocería se encamina en una misma dirección tanto en
el caso de VCI como de VE, con un objetivo común: conseguir vehículos más
seguros, menos pesados y que opongan una menor resistencia al avance
(mejor aerodinámica).
Para los VE, se trata de una cuestión vital que le ayudaría superar algunas de
sus desventajas: falta de seguridad asociada a los vehículos de dimensiones
reducidas y la insuficiente autonomía, que se vería potenciada con un menor
consumo.
Además de tratar de conseguir un vehículo de líneas agradables, se evalúan
una serie de parámetros que influirán de manera directa en sus futuras
prestaciones: seguridad, aerodinámica y peso.
a)
SEGURIDAD.
El chasis deberá reunir dos características antagónicas: por una parte, deberá
ser lo suficientemente rígido como para proteger a quienes van en su interior
en caso de choque, y por otra, deberá ser blando para deformarse y absorber
de este modo, la energía que se libera en caso de impacto.
En el caso del VE, debido a su uso típicamente urbano, y en consecuencia, a
sus reducidas dimensiones, no hay espacio suficiente para disponer de unas
zonas deformables convenientemente resueltas, por lo que se debe prestar
Ricardez, 2014
176
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
mucha más atención a conseguir una estructura en anillo lo suficientemente
segura para que los ocupantes sufran, en menor grado las consecuencias de
un impacto.
El reducido tamaño de un vehículo eléctrico, no es el único inconveniente que
presenta en cuanto a seguridad. También hay que tener en cuenta su peso.
Esto hace que, en un choque real, un vehículo ligero se situé en clara
desventaja ante un pesado.
Así, al estudiar las características de seguridad que deberá cumplir un VE, será
necesario analizar su comportamiento en relación con otros automóviles.
b)
AERODINÁMICA.
Las carrocerías se diseñan y construyen de manera que el vehículo ofrezca la
mínima resistencia al avance, resultando ideal la forma de gota de agua, es
decir, vehículos bajos y alargados. Sin embargo, en ambientes urbanos, se
requieren vehículos cortos, incluso algo altos, para dar sensación de mayor
espacio interior.
c)
PESO.
La forma más directa de reducir el consumo de energía de un VE, actuando
sobre su estructura física, es reducir su peso. Para ello podemos ayudarnos de
nuevos materiales alternativos al acero, que se encuentran en desarrollo.
ALUMINIO. El uso de aluminio en múltiples componentes del automóvil, y
sobre todo, en la construcción de carrocerías. Las principales ventajas que
aporta son una notable reducción de peso (que podría ser de hasta el 50 por
100), además una rigidez y absorción de impactos muy superior al acero.
Los inconvenientes que presenta son el costo y el proceso de ensamblaje y
reparación bastante más complejo.
COMPOSITES. Se trata de plásticos reforzados con distintos tipos de fibras
que forman un entramado capaz de mantenerse en su lugar pese a sufrir
grandes esfuerzos. Las fibras que se obtienen presentan alta resistencia al
Ricardez, 2014
177
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
impacto.
En ahorro de peso, puede llegar a un 20 por 100. Sin embargo, su adaptación a
los procesos en serie resulta bastante difícil, sobre todo porque implica un
cambio en la cultura de fabricación: se pasa del estampado de acero y
soldadura, a la moldura e integración de todo un conjunto por medios
adhesivos.
ACERO. La industria del acero ha respondido con el proyecto, Ultra Light Steel
Body. Utilizando avanzados métodos de análisis, construcción y unión de las
distintas partes que componen el cuerpo de un automóvil, han demostrado que
el peso de una carrocería puede reducirse hasta en un 35 por 100.
No solo los materiales a utilizar, también la forma de cada elemento y del
conjunto del vehículo se estudian a consciencia para tratar de lograr la
reducción del peso.

CÁLCULO DE LAS CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO DEL
VE.
El par que debe transmitir a las ruedas debe ser el adecuado para vencer las
resistencias opuestas al desplazamiento (par de rodadura) y a la vez,
proporcionar aceleración que se pretenda lograr (par de aceleración). Además
también debe ser capaz de hacer frente a ciertos casos particulares, como la
superación de obstáculos o una pendiente.
PAR EN EL EJE (RUEDA) = PAR DE RODADURA + PAR DE
ACELERACIÓN + PAR DE CASOS
PARTICULARES
a)
PAR DE RODADURA.
El par de rodadura (Trod) es el requerido para mantener el movimiento del
vehículo. Para ello se necesitan vencer tanto la resistencia debida al contacto
entre las ruedas y el piso sobre el que se avanza (representada por el par de
fricción) como la ofrecida por los flujos de aire que rodean al vehículo
Ricardez, 2014
178
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
(representada por el par aerodinámico).
PAR DE FRICCIÓN (Tf). La fuerza de fricción (Ff) es una fuerza horizontal que
se opone a la marcha del vehículo y que es debida, básicamente, a la
resistencia a la rodadura que presentan los neumáticos, ocasionado por las
pérdidas de histéresis en el material.
Incluye también aspectos como el estado del piso sobre el que se avanza, el
peso que soportan las ruedas y las condiciones de conducción.
PAR AERODINÁMICO (Taer). El par aerodinámico se crea por la acción de
una fuerza de resistencia aerodinámica (Faer), que afecta a todos los vehículos
que se mueven bajo la atmosfera.
Esta fuerza se opone siempre al avance del vehículo, y se hace más
importante a medida que se incrementa la velocidad, pues aumento al
cuadrado de ella.
El par de rodadura lo conseguimos sumando los dos anteriores:
PAR DE RODADURA = PAR DE FRICDIÓN + PAR AERODINÁMICO
b)
PAR DE ACELERACIÓN.
El par de aceleración (Tacel) es el necesario para alcanzar la velocidad
requerida. Para conseguirlo se necesita, por una parte, vencer la inercia de las
masas rodantes y, por otra, disponer de un par suficientemente capaz de
acelerar la masa del vehículo.
El par de aceleración lo conseguimos sumando:
PAR DE ACELERACIÓN
=
PAR INERCIAL RUEDAS
+
PAR
ACELERADOR MASA VEHÍCULO
c)
PAR CASOS PARTICULARES.
PAR DE SUPERACIÓN DE PENDIENTES (Tp). Cuando el vehículo se
encuentra sobre una pendiente, el hecho de que la fuerza del peso no sea
perpendicular al terreno, hace que aparezca un componente de esta fuerza en
Ricardez, 2014
179
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
la misma dirección del avance, que llamada Fp.
PAR DE SUPERACIÓN DE OBSTÁCULOS EN UNA RUEDA (Tobs). Cuando
el vehículo debe superar un obstáculo, por ejemplo, subir un bordillo, se
necesita un aporte de par extra, debido a la distancia existente entre el punto
de apoyo en el bordillo, sobre el que va a rotar la rueda, y el punto de
aplicación de la fuerza de reacción del peso sobre el suelo, es decir, la
componente normal.

DIMENSIONAMIENTO DE UN VEHÍCULO ELÉCTRICO.
A continuación, se enumeran una serie de pasos, ordenados de manera lógica,
que pueden seguirse a la hora de plantear un diseño de vehículo,
concretamente de VE:
1. Establecer una base teórica que nos permita realizar una serie de
cálculos previos. Dependiendo del uso que queramos dar a nuestro VE,
deberemos estimar algunas de sus características, así como de las
prestaciones exigidas. Podemos citar:

Peso estimado.

Autonomía deseada.
2. Dimensionamiento de la cadena de tracción:

En par: cálculo de los pares máximos a desarrollar en las ruedas
motrices.

En potencia: potencias máximas a aplicar a las ruedas.
3. Establecer la potencia necesaria del motor y, según la autonomía
deseada, podremos conocer la capacidad necesaria de las baterías.
4. Una vez conocidos los requerimientos de la cadena de tracción,
elegiremos e instalaremos los elementos que la componen:

Conjunto motor-convertidor de potencia.

Baterías.

Neumáticos.

Cargador de baterías.

Frenos.
Ricardez, 2014
180
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos

Otros.
Se debe tener en cuenta, a la hora de componer la cadena de tracción, que es
interesante conseguir un reparto equilibrado de las masas.
6.3 Sistema eléctrico del vehículo.
La principal diferencia entre un vehículo eléctrico y un vehículo de combustión
interna, se encuentra en que el sistema propulsor del primero es eléctrico. Este
hecho trae consigo la instalación de todo un sistema eléctrico en el interior del
vehículo, que incluye:

Motor de tracción.

Convertidor de potencia, asociado al motor y que puede ofrecer
posibilidad de frenado regenerativo.

Sistema de almacenaje energético. El más usual es el basado en
baterías eléctricas, pero existen otros procedimientos que pueden
resultar igualmente viables.
A diferencia de un vehículo de combustión interna, la energía de tracción
necesaria para dotar a las ruedas de un vehículo eléctrico de movimiento se
consigue por medio de un sistemas eléctrico, cuyo elemento fundamental es, el
motor eléctrico.
Figura 6.6 Sistema eléctrico de un vehículo eléctrico.
El motor eléctrico es el que se encarga de transformar la energía eléctrica,
almacenada en las baterías, en energía de tracción. Su unión a la rueda puede
ser directa o a través de un sistema mecánico reductor-diferencial. Las
diferentes disposiciones dependerán en gran medida del tipo de motor
Ricardez, 2014
181
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
utilizado.
Las baterías constituyen el elemento de almacén de energía. Pueden ser
cargadas directamente de red, para lo que se necesitara un convertidor que
adapte los distintos niveles de voltaje.
Gracias a ellas se alimenta, por una parte, las necesidades de energía para
propulsión del vehículo, y por otra, una batería opcional auxiliar, de
características similares a la de un vehículo de combustión interna, que puede
servir
para
alimentar
los
sistemas
de
alumbrado,
limpiaparabrisas,
climatización, etc.
Completando el conjunto, aparece una caja electrónica que contiene los
diferentes sistemas encargados de controlar las funciones eléctricas y
electrónicas del motor.
Este sistema se compone de una gestión de potencia que controla la corriente
que llega al motor y de un sistema de mando que analiza y transmite las
órdenes del conductor. Gracias a este control electrónico se puede disponer
también de frenado regenerativo.
El sistema eléctrico de un vehículo eléctrico se integra dentro de un sistema
electromecánico global denominado cadena de tracción, que recoge este
nombre de la terminología asociada vehículo de combustión interna porque su
objetivo principal es el mismo.
La mayoría de los vehículos eléctricos que existen en el mercado, utilizan
sistemas de transmisión originalmente desarrollados para su uso en vehículo
de combustión interna basados en la simple idea de reemplazar el motor
térmico por uno eléctrico.
Sin embargo, los motores eléctricos ofrecen una utilización mucho más flexible
que los térmicos, por lo que se pueden pensar en diferentes configuraciones de
cadenas de tracción.
En general, la cadena de tracción de un vehículo eléctrico, o hibrido, puede
Ricardez, 2014
182
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
dividirse en tres subsistemas principales: suministro de energía, transmisión
eléctrica y transmisión mecánica.
Figura 6.7 Subsistemas de la cadenas de tracción de
un vehículo eléctrico o hibrido.
El diseño de estos subsistemas, así como de los componentes de que se
constituyen, pueden variar considerablemente dependiendo del vehículo al que
van dirigidos. Dentro de las consideraciones a tener en cuenta en el diseño de
la cadena de tracción, podemos citar los siguientes:
Tipo de tracción: delantera, trasera o a las cuatro ruedas:

Numero de motores que van a utilizarse.

Transmisión equiparable a la de un VCI o directa.

Utilización o no de caja de velocidades.
6.3.1 Cadena de tracción en las que se utiliza un solo motor.
El motor eléctrico sustituye al de combustión y los elementos de la cadena de
tracción de un vehículo de combustión interna se conservan.
Una variante de esta configuración consiste en no utilizar caja de velocidades,
acoplando el motor eléctrico directamente al árbol de entrada del diferencial.
Esta solución es posible gracias a que los motores eléctricos, a diferencia de
los térmicos, desarrollan un alto par en el arranque y ofrecen, un ancho rango
de velocidad.
Ricardez, 2014
183
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
Sin embargo, las características del motor o del vehículo no siempre aconsejan
omitir la caja de velocidades. Esta solución es preferible, económicamente, a
la realización de una caja de velocidades especifica.
6.3.2 Cadenas de tracción en las que se utilizan dos motores.
Una versión mejorada de la estructura anterior consiste en incorporar dos
motores de tracción: el diferencial se sustituye por un motor para cada rueda
propulsora.
Figura 6.8 Cadena de tracción en vehículos
con dos motores.
Los dos motores eléctricos arrastran las ruedas motrices bien directamente,
bien a través de reductores. El montaje sin reductor parece una solución
seductora, puesto que la no utilización de un elemento intermedio disminuiría el
peso del sistema y, consecuentemente, las pérdidas asociadas a él.
Sin embargo, para conseguir un par sobre la rueda equivalente al
proporcionado por un conjunto de motor-reductor, el motor debe desarrollar un
par 8-10 veces superior, lo que se traduce en un sobredimensionamiento
importante.
Además, se debe tener en cuenta que, para el tipo de conducción exigido al
vehículo eléctrico la velocidad máxima de rotación de las ruedas es del orden
de 1000 rpm, por lo que los motores de alta velocidad necesitaran de
reducción.
6.3.3 Cadenas de tracción en las que se utilizan cuatro motores.
A fin de mejorar las prestaciones del vehículo podemos imaginar que las cuatro
ruedas son motrices y son arrastradas por motores eléctricos, de forma directa
Ricardez, 2014
184
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
o a través de reductores.
En esta disposición los motores pueden también estar integrados en las
ruedas, para lo que será importante que sean ligeros y desarrollen un alto par.
6.4 Motores.
En el vehículo eléctrico, el órgano propulsor lo constituye el motor eléctrico.
Existen diferentes tipos de motores que podrían adaptarse perfectamente a las
necesidades de un vehículo eléctrico.
En un vehículo eléctrico, el motor eléctrico se encarga de convertir la energía
eléctrica suministrada por las baterías en energía mecánica capaz de dotar a
las ruedas de un par de tracción.
En los vehículos eléctricos se han venido utilizando motores de corriente
continua debido a su capacidad de operar directamente con la corriente de
baterías sin necesidad de compleja electrónica. Los recientes avances en
electrónica de potencia han conseguido motores de corriente alterna más
eficientes y prácticos para uso en vehículo eléctrico.
Su utilización podría hacer innecesaria la caja de velocidades (los motores de
CA son capaces de suministrar alta potencia durante un rango de velocidades
mayor que los de CD), además, resultan ideales para el uso en sistemas de
frenado regenerativo; sin embargo, necesitan de electrónica adicional para
convertir la energía de CD de las baterías en CA.
La comparación entre distintas soluciones no se debe basar tan solo en el tipo
de motor, sino que también han de tenerse en cuenta los elementos asociados
a él y que constituyen la cadena de tracción: convertidor de potencia, sistema
de mando eléctrico y sistema de reductor diferencial.
Para poder conseguir una potencia elevada en un motor de tracción de un
vehículo eléctrico, conservando a la vez un volumen y masa reducidos, las
máquinas utilizadas deben girar a una velocidad de rotación muy grande,
próxima a su límite mecánico.
Ricardez, 2014
185
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
El ciclo de trabajo exigido al motor de un vehículo eléctrico hace que este no
funcione a régimen nominal de forma permanente, sino que regularmente lo
hace en zonas de sobre par y sobre potencia. Por tanto, su calentamiento debe
ser vigilado y controlado por un sistema de refrigeración muy eficaz.
Además de por estos problemas de calentamiento, la potencia y el par de la
máquina eléctrica están limitados por la electrónica de potencia.
A continuación se mencionan los tipos de motores eléctricos cuya utilización
resultaría adecuada en un vehículo eléctrico:
 Corriente directa:

Motor serie.

Motor CD de excitación independiente.
 Corriente alterna:
 Motor asíncrono (de inducción).
 Motor síncrono:
a)
De rotor bobinado.
b)
De imanes permanentes (brushless).
 Motor de reluctancia conmutada.
6.4.1 Motores CD.
Los motores de CD fueron los primeros en utilizarse en la propulsión de VE, por
las buenas características que presentan en tracción y su habilidad de operar
directamente desde la batería sin necesidad de electrónica compleja.
Los primeros motores de CD utilizados en VE fueron los de excitación en serie
por su característica T-v (par-velocidad) de forma hiperbólica, que los hace
capaces de aportar un par de arranque elevado que se va debilitando a altas
velocidades, lo que resulta adecuado para su uso en tracción.
Con el desarrollo de la electrónica de potencia y, en particular, de los choppers
a tiristores o transistores, el uso de motores CD de excitación independiente se
Ricardez, 2014
186
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
ha visto impulsado. Este tipo de motor presenta, frente al de devanado serie, la
ventaja de no sufrir el riesgo de elevadas velocidades con bajos pares de
carga.
Ofrecen un funcionamiento a par constante por debajo de una velocidad base y
a potencia constante por encima, para lo que se deben alimentar por medio de
una fuente de excitación regulable.
Ventajas de los motores CD:

Ofrecen una buena respuesta siempre que se requieren altos pares o
amplia variación de velocidad.

Relativa simplicidad de los sistemas de control actuales.
Desventajas:

Uso de escobillas y colectores, que necesitan mantenimiento.

La estructura del rotor, y el rozamiento entre la escobilla y el colector
restringe el límite de velocidad de rotación máxima.

Pérdidas elevadas en el rotor y que producen un incremento térmico
difícil de evacuar.
La reversibilidad de una cadena de tracción se refiere al hecho de que posibilita
la recuperación, al menos en parte, de la energía de frenado. En el caso de
motores CD, esto es posible en la medida en que el convertidor de potencia del
motor sea reversible.
6.4.2 Motores síncronos.
Los motores síncronos ofrecen en teoría los mejores resultados: su rendimiento
es elevado y, además, al encontrarse el inducido en el estator se facilita la
evacuación del calor, reduciéndose el tamaño del motor.
El
motor
síncrono
de
rotor
bobinado
presenta
unas
características
electromecánicas idénticas a las de un motor de CD y el mismo modo de
funcionamiento: par constante hasta una velocidad base y potencia constante,
Ricardez, 2014
187
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos
desexcitando la máquina.
Para el uso en tracción, se presenta como opción interesante el motor síncrono
de imanes permanentes (sin escobillas), que evita los problemas de
mantenimiento ocasionados por las escobillas.
En ellos, el rotor porta los imanes permanentes, mientras que el estator está
formado por un devanado trifásico conectado en estrella. El control de voltaje y
velocidad se realiza por circuitos de electrónica de potencia.
6.4.3 Motores de reluctancia conmutada.
Los motores de reluctancia conmutada (SRM, switched reluctance motors), se
han considerado durante mucho tiempo ideales para su uso en vehículos
eléctricos, de no ser porque generan mucho ruido.
Ventajas:

La estructura del motor es muy sencilla y su banda de control es alta.

Son muy robustos y no requieren prácticamente de mantenimiento.

Tienen capacidad de producir altos pares a velocidades bajas, lo que
resulta ideal para aplicaciones de tracción.

Presentan baja inercia que, unida a su alta densidad de par, permite
acelerar y frenar en forma rápida el vehículo y su carga. El tiempo
preciso de la frenada depende de la inercial total.

Capacidades de altas velocidades, que permite diseños más compactos.

Extensa banda de par que permite, en ciertos casos, la posibilidad de
eliminar o simplificar la caja de cambios.

Comparados con el motor de inducción, ofrecen unas dimensiones más
pequeñas, bajo coste, mayor eficiencia y una salida en potencia que
puede llegar a ser el 160 por 100 de la correspondiente a un motor de
inducción de tamaño equivalente.
Desventajas:

Son ruidosos.
Ricardez, 2014
188
6. Sistemas de CD en vehículos eléctricos

Se encuentran en desarrollo.
En cuanto a las perspectivas de futuro en el uso de motores eléctricos para
vehículos, se puede decir que es posible que los motores CD, a pesar de ser la
opción más antigua, sigan siendo los más utilizados, en tanto los VE se
fabriquen con volúmenes de producción limitados.
Esto se debe, principalmente, a su simplicidad y a que el bajo coste del
conjunto motor + accionamiento se toma como factor prioritario. Sin embargo,
los problemas asociados al uso de una máquina con colectores dentro del
entorno de un VE, hacen que se prefieran, al menos en teoría los sistemas de
CA.
Resulta lógico pensar que el creciente interés en los VE favorezca la aparición
y el desarrollo de nuevas máquinas, que respondan mejor a las necesidades
de este tipo de vehículos.
6.4.4 Necesidades de desarrollo en todos los tipos de motores.
A continuación se resumen una serie de aspectos mejorables en los motores
eléctricos para su uso en tracción:

Menor tamaño, menor peso, menor momento de inercia, mayor
eficiencia y menor coste (incluyendo la transmisión).

Asegurar un ancho rango de velocidades y control de par.

Introducir métodos de refrigeración para aplicar durante altas potencias
de salida.

Buscar soluciones a los problemas de ondas electromagnéticas
generadas por el accionamiento del motor, ya que interfieren en el uso
de radio y equipos de comunicaciones.
El tema sobre baterías para vehículos eléctricos, se abordara en el capítulo 7.
Ricardez, 2014
189
7. Baterías
7 BATERÍAS.
La batería es un equipo compuesto por dos o más celdas dispuestas en serie o
paralelo, la cual almacena energía eléctrica. La batería es una máquina
química (convierte energía química en energía eléctrica). En la celda la energía
química se convierte en energía eléctrica.
La energía eléctrica se almacena en el interior de la celda en forma de
potencial químico enlazado entre los materiales activos de la celda. A medida
que la celda se carga o descarga se modifica la composición química. Las pilas
y celdas eléctricas se usan como fuente de energía obtenida de la reacción
química.
En general se componen de celdas electrolíticas en las que dos placas
eléctricas de metales distintos (cátodo y ánodo) están separadas entre sí por
una solución iónica que es el medio capaz de conducir electrones entre ambas
placas.
Estos elementos están contenidos en un envase o recipiente metálico o
plástico, con separadores de los elementos activos como papel o cartón,
auxiliares constructivos como plomo o cadmio que mejoran la embutición o
mercurio que limita la corrosión, además de elementos de presentación
comercial.
Figura 7.1 Funcionamiento
básico de una batería.
La corriente eléctrica fluye del ánodo al cátodo porque existe una diferencia de
potencial eléctrico entre ambos electrolitos.
Ricardez, 2014
190
7. Baterías
7.1 Fundamentos.
Electrólito líquido: El líquido de las baterías recibe el nombre de electrólito. En
una batería de plomo se emplea ácido sulfúrico diluido con agua, a manera de
electrólito.
Electrólito fijado: Para evitar daños debidos a que se pueda derramar el
electrólito se puede emplear un electrólito fijado. Es posible solidificar el
electrólito conjuntamente con un gelificante. Agregando ácido silícico al ácido
sulfúrico, el electrólito se solidifica, transformándose en una masa gelatinosa.
Otra forma de fijar el electrólito se consigue empleando vellón de fibra de vidrio
como material separador. El vellón de fibra de vidrio inmoviliza el electrólito e
impide que se derrame en caso de producirse daños en la carcasa de la
batería.
Operaciones de carga y descarga:

Carga: significa la retroalimentación de energía eléctrica en la batería.
Durante la operación de carga se transforma energía eléctrica en
energía química.

Descarga: significa el consumo de energía eléctrica de una batería. Con
motivo de la operación de descarga se transforma energía química en
energía eléctrica. Una batería se somete a descarga en cuanto se
encuentra conectada con un consumidor activado.
Capacidad: Es la cantidad de electricidad disponible en una batería o en una
celda, medida en Ampere-hora (Ah). La capacidad depende de la temperatura
de la batería y de la corriente de descarga.
Capacidad nominal K20: Es la capacidad de la batería, indicada por el
fabricante y expresada en amperios-hora. Una batería nueva, cargada al
máximo, debe entregar a temperatura ambiente una corriente en una magnitud
de K20: 20 h durante veinte horas. La tensión de la batería no debe caer por
debajo de 10.5 V durante esa operación.
Ricardez, 2014
191
7. Baterías
Corriente de prueba en frío: La capacidad de arranque de la batería en frío
viene identificada por la corriente de prueba en frío. Es la corriente de descarga
que, según indicación del fabricante, debe suministrar una batería nueva,
cargada al máximo, expuesta a -18 °C durante un lapso de tiempo definido en
la norma correspondiente. El límite de tensión determinado en la norma no
debe ser inferior en la práctica.
Tensión de la celda: es la diferencia de los potenciales que surge entre las
placas positivas y negativas en el electrólito. La tensión de las celdas no es una
magnitud constante. Depende esencialmente del estado de carga (densidad
del ácido).
Densidad: Es una medida de peso del electrolito comparado al peso del agua
(técnicamente conocida como gravedad específica).
Tensión entre bornes: es la tensión que hay entre los dos bornes terminales
de la batería.
Tensión de gasificación: es la tensión de carga, por encima de la cual una
batería empieza a gasificar de un modo manifiesto. Esto hace que se produzca
hidrógeno superfluo en una gran cantidad (gas detonante).
Tensión en reposo: La tensión en reposo o tensión sin carga es aquella que
posee una batería desembornada, no sometida a carga, después de haber
alcanzado un valor de equilibrio.
7.2 Tipos de baterías.
Existen muchos tipos de baterías que se pueden clasificar inicialmente en dos
grandes grupos:
1. Primarias o pilas: que se agotan por haberse convertido la energía
química en eléctrica, no es posible recuperar el estado de carga. En
estas baterías la reacción química no es reversible. Este tipo de baterías
sólo pueden ser descargadas. No pueden recargarse, a estas baterías
se les conoce como baterías primarias.
Ricardez, 2014
192
7. Baterías
Un ejemplo de éstas son las baterías utilizadas en lámparas y radios
portátiles. Habitualmente se les encuentra en las pilas alcalinas;
principalmente en las pilas de zinc-carbón, con una barra de carbón
como cátodo y una pieza de zinc como ánodo. El ánodo siempre es el
electrodo negativo y el cátodo el positivo.
Figura 7.2 Pilas alcalinas.
2. Baterías secundarias: Existe otro tipo de baterías que son recargables,
en estas baterías la reacción química en el interior es reversible. A las
baterías recargables se les conoce con el nombre de baterías
secundarias.
Este tipo de baterías pueden descargarse y recargarse muchas veces,
cuando un número de celdas secundarias se conectan en serie para
rendir un voltaje de salida deseado se le llama a esta combinación
Batería de acumulación o simplemente Acumulador.
Las baterías convierten la energía química en energía eléctrica. En las
baterías secundarias este proceso es reversible y también pueden
convertir la energía eléctrica en energía química.
Las baterías recargables vienen en diferentes tamaños y emplean
diferentes
combinaciones
de
productos
químicos.
Las
celdas
secundarias utilizadas con más frecuencia son las de plomo-ácido, la de
níquel-cadmio (NiCd), la de níquel-metal hidruro (NiMH), la de iones de
litio (Li-ion), y la de polímero de iones de litio (polímero de Li-ion).
Las baterías recargables pueden ofrecer beneficios económicos y
ambientales en comparación con las pilas desechables. Algunos tipos de
Ricardez, 2014
193
7. Baterías
baterías recargables están disponibles en los mismos tamaños que los
tipos desechables.
Aunque las pilas recargables tienen un mayor costo inicial, pueden ser
recargadas muchas veces. La selección adecuada de una batería
recargable puede reducir los materiales tóxicos desechados en los
vertederos, frente a una serie equivalente de pilas de un sólo uso.
CARGA Y DESCARGA DE UNA BATERÍA SECUNDARIA.
Durante la carga, el material activo del electrodo positivo se oxida, liberando
electrones, y el material del electrodo negativo es reducido, captando dichos
electrones. Estos electrones constituyen el flujo de corriente eléctrica que
atraviesa el circuito externo.
El electrolito puede servir como un simple medio de transporte para el flujo de
iones entre los electrodos, como en el caso de la batería de iones de litio y la
batería de níquel-cadmio, o puede ser un participante activo en la reacción
electroquímica, como en la batería de plomo-ácido.
La energía utilizada para cargar las baterías recargables en su mayoría
proviene de corriente alterna de la red eléctrica, utilizando un adaptador
(cargador).
Figura 7.3 Pilas
recargables.
La mayoría de los cargadores de baterías pueden tardar varias horas para
cargar una batería. La mayoría de las baterías pueden ser cargadas en mucho
Ricardez, 2014
194
7. Baterías
menos tiempo de lo que emplean los cargadores de baterías más comunes y
simples.
Las baterías recargables son susceptibles a daños debido a recarga inversa
(inversión de los polos) si están completamente descargadas. Existen
cargadores de baterías totalmente integrados que optimizan la corriente de
carga.
7.2.1 Tipos de baterías más comunes.

BATERÍA DE PLOMO-ÁCIDO.
Es el tipo de batería recargable más común por su buena relación de
desempeño-costo aunque es la de menor densidad de energía por peso y
volumen.
Esta batería cuenta con varias versiones:

Shallow-cycle o de ciclo corto, es usada en automóviles, en los cuales
se necesita poca energía, la es forzada desde la batería para encender
el motor.

Deep-cycle o de ciclo profundo, diseñada para repetidos ciclos de carga
y descarga. La mayoría de las aplicaciones requiere este tipo de
baterías.

Gel-Cell con aditivos, los cuales vuelven el electrolito en un gel antiderrames, está pensada para ser montada de lado o de invertido pero su
alto costo la limita a aplicaciones en aviones militares.
Figura 7.4 Batería marca LTH
plomo-ácido.
Ricardez, 2014
195
7. Baterías
COMPONENTES DE UNA BATERÍA PLOMO-ACIDO.
1. Placa – Es el conjunto del material activo y su soporte.
2. Placa positiva (+) – Es la placa hacia la cual fluye la corriente eléctrica
desde el circuito externo, durante la descarga de la celda; cuando la
celda se encuentra cargada, ésta placa está formada por peróxido de
plomo (PbO2).
3. Placa negativa (-) – Es la placa de la cual fluye la corriente eléctrica
hacia el circuito externo, durante la descarga de la celda; cuando la
celda está totalmente cargada, la placa está formada por plomo
esponjoso (Pb).
4. Rejilla – Es la armazón, cuya función son las de retener al material
activo y conducir la corriente uniformemente desde o hasta cualquier
punto de la placa, el material de la rejilla es una aleación de plomoantimonio.
5. Electrolito – Es una solución acuosa de ácido sulfúrico, en la cual, la
corriente circula (durante la carga), debido al movimiento de los iones,
producidos durante la reacción química.
6. Separador – Es un dispositivo de material aislante que sirve para evitar
el contacto entre las placas de distinta polaridad.
7. Vaso – Es el recipiente que contiene a los electrodos y al electrolito de
una celda acumuladora, es de material resistente al ácido sulfúrico.
8. Postes terminales – Son los bornes de la celda, a los cuales se conecta
el circuito de carga externo.
9. Tapa – Es una tapa de material aislante que fija al vaso para cubrirlo
evitando la introducción de impurezas, así mismo para evitar la fuga del
electrolito.
10. Tapón – Es un dispositivo de material, aislante alojado en la tapa, el
cual funciona como válvula de seguridad, para permitir la salida de los
gases que se forman en la celda, al ser cargada y también permite el
acceso a su interior mediante su remoción.
11. Conectores de celda – Conectores de plomo soldados de la terminal
negativa de una celda a la terminal positiva de la celda adjunta hasta
Ricardez, 2014
196
7. Baterías
que todas las celdas queden unidas en serie.
Figura 7.5 Componentes de una batería plomo-acido.

BATERÍA DE NÍQUEL-CADMIO.
Se caracteriza por sus celdas selladas, por tener la mitad del peso y por ser
más tolerante a altas temperaturas, que una batería de plomo-acido
convencional.
Tiene una muy baja tasa de auto descarga. Debido a regulaciones ambientales
ha sido reemplazada por NiMH e Ion-Litio, en notebooks y en otros tipos de
electrónica de alto precio. Tiene el efecto de memoria lo cual acelera su
proceso de descarga.

BATERÍA DE NÍQUEL-HIDRURO METÁLICO.
Es una extensión de la tecnología de NiCd, ofrece una mayor densidad de
energía y el ánodo es hecho de metal hidruro evitando los problemas
Ricardez, 2014
197
7. Baterías
ambientales de la NiCd.
Además su efecto memoria es casi despreciable. No es capaz de entregar alto
picos de potencia, tiene un alto grado auto descarga y es muy peligrosa si es
sobre cargada.
Tiene una alta tasa de auto descarga. Aun es de precio elevado, aunque se
estima que su costo disminuirá al producir vehículos a gran escala.

BATERÍA DE ION-LITIO.
Es de una nueva tecnología, la cual ofrece una densidad de energía de 3 veces
la de una batería de plomo-acido. Esta gran mejora viene dada por su bajo
peso atómico de 6.9 vs 209 para de plomo. Además cuenta con el más alto
voltaje por celda de 3.5 V, lo cual reduce el número de celda en serie para
alcanzar cierta voltaje, lo que reduce su costo de manufactura.
Tiene una muy baja tasa de auto descarga. Rápida degradación y sensibilidad
a las elevadas temperaturas que pueden resultan en su destrucción por
inflación o incluso explosión. Ofrecen un rendimiento inferior a las baterías de
Ni-CD o Ni-MH a bajas temperaturas, reduciendo su duración hasta en un 25%.
Figura 7.6 Una batería de iones de
litio, fabricada por Varta, expuesta
en el Museum Autovision de
Altlußheim, en Alemania.
Requieren en su configuración como producto de consumo, la inclusión de
dispositivos adicionales de seguridad, resultando en un coste superior que ha
limitado la extensión de uso a otras aplicaciones.

BATERÍA DE POLÍMERO-LITIO.
Es una batería de litio con un polímero sólido como electrolítico. Estas baterías
Ricardez, 2014
198
7. Baterías
tienen una densidad de energía de entre 5 y 12 veces la de Ni-CD o Ni-MH, a
igualdad de peso. A igualdad de capacidad, las baterías de Li-Po son,
típicamente, cuatros veces más ligeras que las de Ni-CD de la misma
capacidad.
La gran desventaja de estas baterías es que requieren un trato mucho más
delicado, bajo riesgo de deteriorarlas irreversiblemente o, incluso, llegar a
producir su ignición o explosión.
Un elemento de Li-Po tiene un voltaje nominal, cargado de 3.7 V. Nunca se
debe descargar una batería por debajo de 3.0 V por celda; nunca se la debe
cargas más allá de 4.3 V por celda.

BATERÍA DE AIRE-ZINC.
Con una fabricación más barata y capacidades que pueden superar en 3 veces
a las populares ion de litio. Las nuevas baterías de zinc-aire funcionan
utilizando el oxígeno almacenado en un cuarto como electrodo, mientras la
batería contiene un electrolito y el electrodo de Zinc permite que el aire circule
dentro de una caja porosa, logrando el milagro de la electricidad.
La compañía ReVolt se encuentra trabajando en llevar el zinc-aire a vehículos
eléctricos, para esto será necesario incrementar el número de ciclos de carga
en 10,000, algo un poco lejano todavía para los prototipos que solo alcanzan
las 300-500 cargas y descargas.
Las pilas a base zinc tienen como principal ventaja la posibilidad de ser
recicladas sin límite, sin perder ni sus cualidades químicas, ni sus cualidades
físicas.
Tabla 7.1 Comparación entre baterías.
Tipo
Energía/
peso
Tensión
por
elemento
(V)
30-50
Wh/kg
2V
Plomo
Ricardez, 2014
Duración(número
Tiempo
de recargas)
de
carga
1000
8-16h
Auto-descarga
por
mes (% del
total)
5%
199
7. Baterías
Ni-Cd
48-80
Wh/kg
1,25 V
500
10-14h
30%
Ni-Mh
60-120
Wh/kg
1,25 V
1000
2h-4h
20%
Li-ion
110-160
Wh/kg
3,16 V
4000
2h-4h
25%
Li-Po
100-130
Wh/kg
3,7 V
5000
1h-1,5h
10%
Comparación entre baterías de plomo, Ni-Cd, Ni-Mh, Li-ion, Li-Po.

BATERÍA DE SAL FUNDIDA.
Las baterías de sal fundida son un tipo de pilas, tanto primarias como
secundarias, de alta temperatura de funcionamiento, que usan la sal fundida
como electrolito. Ofrecen tanto una densidad energética más elevada por la
mayor variedad y diferencia de potencial eléctrico de los electrodos, como una
mayor potencia específica, por la mayor conductividad iónica de la sal fundida.
Son características que las hacen muy prometedoras para la propulsión de
vehículos eléctricos.
Sin embargo, tienen problemas de seguridad e inflamabilidad por sus elevadas
temperaturas de trabajo (400 a 700 °C), y necesitan, por tanto, materiales
estructurales de la batería con características muy especiales. Cabe decir que
algunos diseños más modernos operan a temperaturas un poco más bajas, de
270 a 350 °C.
También conocidas como baterías térmicas, tienen su electrolito como
característica diferenciadora: es sólido e inactivo a temperatura ambiente, lo
cual impide su carga o descarga en frío; sin embargo a altas temperaturas el
electrolito se licúa y puede reaccionar químicamente para dar o recibir
electricidad.

BATERÍA ZEBRA.
Una de las baterías recargables que más prometen son las conocidas como
Zebra. Es una pila secundaria que opera a 250 °C y utiliza sodio-aluminio-cloro
Ricardez, 2014
200
7. Baterías
(NaAlCl4) o sodio-níquel-cloro (NaNiCl) triturado, que tiene un punto de fusión
de 157 °C, como electrolito. El electrodo negativo es sodio triturado. El
electrodo positivo es níquel, cuando está la batería descargada, y cloruro de
níquel cuando está cargada.
Esta batería es una invención de 1985 realizada por el grupo Zeolite Battery
Research Africa Project (ZEBRA), liderado por Johan Coetzer en el Consejo de
Investigación Científica e Industrial de Pretoria -Sudáfrica-, del cual proviene el
nombre de esta batería.
La batería ZEBRA tiene unas características interesantes de energía y potencia
(90 Wh/kg y 150 W/kg). Tienen una alta densidad energética, pero operan en
un rango de temperaturas que va de 270 °C a 350 °C, lo que requiere un
aislamiento. Son muy apropiadas en autobuses eléctricos y camiones
eléctricos.
7.3 Aplicaciones convencionales.
Actualmente se utilizan baterías recargables para aplicaciones tales como
motores de arranque de automóviles, dispositivos portátiles de consumo,
vehículos ligeros (como sillas de ruedas motorizadas, carros de golf, bicicletas
eléctricas y carretillas elevadoras eléctricas), herramientas y sistemas de
alimentación ininterrumpida.
También en nuevas aplicaciones como para vehículos eléctricos híbridos y en
vehículos eléctricos están impulsando la tecnología para reducir costos, reducir
el peso y aumentar de la vida útil.
Figura 7.7 Vehículo hibrido cargando su batería.
Ricardez, 2014
201
7. Baterías
Hay aplicaciones de almacenamiento de energía en red que emplean baterías
recargables industriales para nivelación de carga, almacenando la energía
eléctrica durante períodos de carga máxima para su posterior uso, y para
aprovechamiento de energías renovables, tales como el almacenamiento de
energía generada a partir de paneles fotovoltaicos durante el día para ser
utilizada durante la noche.
Al cargar las baterías durante los períodos de baja demanda y devolver la
energía a la red durante los períodos de alta demanda eléctrica, la nivelación
de carga ayuda a eliminar la necesidad de costosas plantas de energía en
horas punta y ayuda a amortizar el costo de los generadores durante las horas
de más funcionamiento.
La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos de Estados Unidos ha
estimado que la demanda de pilas recargables en EE.UU. está creciendo dos
veces más rápido que la demanda de las no-recargables (desechables).
Cada tipo (componentes) de batería tiene sus propias aplicaciones debido a su
tiempo de carga y descarga, el ambiente en el que se ocupan, su peso o
volumen, etc.
La batería de plomo-acido es, en el momento actual, imprescindible e
insustituible, especialmente en automoción, pero también en muchas
aplicaciones que exigen continuidad en el suministros de energía eléctrica.
En automoción se usa como batería de arranque, en el área de tracción, se
ocupan baterías para carretillas, locomotoras de mina, vehículos industriales y
embarcaciones. En el área de la industria su aplicación sirve para dar servicios
continuos, regular cargas así como en energía fotovoltaica.
Las baterías de níquel-cadmio, se usan frecuentemente en juguetes, equipos
estéreos y máquinas fotográficas. Existen diseños especializados de baterías
Ni-Cd, como es el ejemplo de baterías para aviones, lo que permite expulsar el
oxígeno e hidrogeno cuando la batería es cargada o descargada rápidamente.
Las baterías de Ni-MH incluyen todos los vehículos de propulsión totalmente
Ricardez, 2014
202
7. Baterías
eléctrica como, General Motors EV1, Honda EV Plus, Ford Ranger EV, Scooter
Vectrix. También a los vehículos híbridos como el Toyota Prius, Honda Insight
o las versiones híbridas del Ford Escape, Chevrolet Malibu y Honda Civic
Hybrid también las utilizan.
El transporte público de la ciudad de Niza (Francia) cuenta con el tranvía de
piso bajo Alstom Citadis. Varios modelos de robot utilizan baterías Ni-MH entre
ellos el célebre prototipo humanoide ASIMO diseñado por Honda.
Figura 7.8 Robot ASIMO.
Las baterías de Ion-Litio se han popularizado en aparatos como teléfonos
móviles, agendas electrónicas, laptops y lectores de música. Las baterías de
ion litio al ser baterías más compactas permiten manejar más carga, lo que hay
que tener en cuenta para lograr automóviles eléctricos prácticos.
Figura 7.9 Batería de IonLitio para celulares.
La generación del Hyundai Sonata que salió en el 2011 y está basado en un
modelo hibrido que saco Hyundai a finales de 2010, adapto su enfoque
diferente en cuando al almacenamiento de energía pues utilizo baterías de
polímero de litio en lugar de usar un compuesto de níquel con iones de litio.
La marca de computadoras portátiles Apple, usa actualmente la tecnología de
Ricardez, 2014
203
7. Baterías
las baterías de polímero de litio en iPod o iPhone. También se encuentra en
dispositivos como teléfonos móviles y PDAs.
La tecnología de baterías aire-zinc es respetuosa con el medio ambiente y
encuentra su mejor aplicación en prótesis de oído, aparatos electrónicos
portátiles y en el sector automotriz. Es probable que el futuro del coche
eléctrico pase por el desarrollo de baterías más potentes de zinc-aire, que
sustituyan a las de iones de litio.
ReVolt Technology ha solicitado 30 millones de dólares dentro del programa
del gobierno de Estados Unidos para acelerar el desarrollo tecnológico de las
baterías de zinc-aire para posibilitar vehículos eléctricos con mayor autonomía.
Figura 7.10 Dispositivos Apple con batería de
ion y polímero de litio.
7.4 Baterías para automóviles eléctricos.
Las baterías de ion litio han demostrado grandes ventajas que permiten pensar
en su uso, no solo para teléfonos móviles, ordenadores personales y otros
aparatos de consumo como hasta ahora, sino también en alimentar vehículos
eléctricos.
Pueden soportar numerosos ciclos de carga, del orden de un millar al menos,
que no tiene prácticamente efecto de memoria y que su impacto medio
ambiental es bajo. Por el contrario, también tienen inconvenientes, entre los
principales su gran peso y su muy alto coste.
Ricardez, 2014
204
7. Baterías
Aclaremos, lo primero, el litio no es un combustible, sino un metal que permite
el almacenamiento de energía.
¿Por qué se utiliza el litio? Observando la tabla de elementos se aprecia que
se trata del metal más ligero, posee el mayor potencial electroquímico y
representa el mayor contenedor de energía, por lo que se puede conseguir
más capacidad en menos espacio y con menor peso.
Hoy en día la decisión de fabricar ion de litio para su uso en automóviles
eléctricos o híbridos está tomada. Empresas como NEC, Matsushita, Sanyo,
Hitachi, LG, etc. ya están poniendo en marcha fábricas para su fabricación en
grandes series.
Los chinos van a ser los grandes dominadores del mercado en el sector del
coche eléctrico, pues han llegado a ser los primeros fabricantes de todo tipo de
automóviles en 2009, el crecimiento de su producción es el mayor de todos los
países. Además, sus autoridades así lo han expresado y algunas empresas
como la BYD lo están demostrando.
Mercedes Benz ha firmado acuerdos muy importantes en el campo de las
baterías. Por un lado, un acuerdo con la empresa americana TESLA en cuanto
a desarrollo de baterías, habiendo además comprado una participación de esta
marca. Y por otro, un acuerdo con la ya mencionado BYD que incluye el
desarrollo de un coche para los países asiáticos, en principio.
Las baterías para coche se componen de un gran número de pilas. Por ejemplo
en el caso del coche americano Tesla son 18,650 pilas individuales de 3.7
voltios cada una, agrupadas en once módulos, llegando a almacenar 53 kWh
de energía y pudiendo proporcionar una potencial total de más de 200 kW 375
voltios nominales.
Se ha comprobado que las baterías de ion litio pueden tener problemas de
funcionamiento a altas temperaturas y que existe un riesgo de calentamiento
en determinadas condiciones (existen documentos que muestran un teléfono u
ordenador ardiendo por culpa de las baterías). Esto ha obligado a los
Ricardez, 2014
205
7. Baterías
fabricantes a tomar muy en serio estos riesgos, ya que no son asumibles en un
coche.
Figura 7.11 Vehículo eléctrico, TESLA.
Por eso las baterías para este uso, tienen tantos dispositivos (chips) de control
para cada módulo de baterías e incluso para cada pila conectada a una
centralita, para permitir aislarlos en caso necesario, como circuitos de
refrigeración en la mayoría de los casos.
Uno de los temas más importantes de estas nuevas baterías de ion litio es que
son mucho más ecológicas, ya que se pueden reciclar sus componentes al final
de su vida. El litio es el metal más ligero de la naturaleza y además permite su
reciclaje. Así, al final de la vida de las baterías, el litio se puede utilizar para
otras aplicaciones.
En el tema de las baterías, todos los días estamos recibiendo noticias del
avance en su investigación. Nuevos materiales, tanto para los electrodos como
para los separadores, que mejoran las prestaciones de las que ya existen:
además del litio, se estudian otros metales, como cobalto y manganeso y en
diversas formas como óxidos, fosfatos y polímeros.
Por otro lado, las vías de investigación conducen a otros caminos de desarrollo
de baterías más eficaces, como es el caso del empleo de la nanotecnología.
7.4.1 Recarga.
Ya en la actualidad se anuncian tiempos de recarga de las baterías, para VE,
muy diferentes; aunque la mayoría anuncian 8 horas en carga normal (lenta),
algunos fabricantes dicen que su tiempo de recarga es de 6, 5 e incluso 2
Ricardez, 2014
206
7. Baterías
horas y media para la capacidad total de la batería.
Todo ellos prácticamente anuncian que el 80 % de la capacidad puede
realizarse mediante una carga rápida, en 30 minutos. Incluso hay un caso el
del Lightning ingles que anuncia una recarga en 10 minutos, para una
autonomía de 300 km.
La carga normal, o lenta, se realiza con una corriente eléctrica de 220 volts, a
razón de unos 3.5 hasta 6 kwh, mientras que para una carga rápida son
necesarios unos 40 o 50 kwh a 380 voltios.
Esto quiere decir que la carga normal puede llevarse a cabo en cualquier
enchufe doméstico, mientras que la carga rápida tiene que realizarse en
aparatos de cargas especiales, los cuales requieren una alimentación eléctrica
disponible únicamente al efecto y además con unos estrictos sistemas de
seguridad.
7.4.2 Duración.
La vida de las baterías de ion litio actualmente es larga, según anuncian los
fabricantes. La mayoría de los fabricantes de automóviles la estiman en un
periodo similar a la vida de un coche de los que van a poner en el mercado, es
decir, 1,000 ciclos o 100,000 km si la autonomía es de 100km.
En el caso del mencionado Lightning, se ha publicado una vida de la batería,
una Altairnano (batería de ciclo profundo), de más de 12 años y una capacidad
mantenida del 85 % tras 15,000 cargas. Lo ideal es no dejar que la carga de la
batería baje del 20 % y cargarla hasta un 80 %.
El hecho de realizar cargas rápidas no supone un acortamiento de la vida de la
batería, según la mayoría de los expertos, aunque eso no quiere decir que sea
recomendable cargar siempre por este procedimiento.
7.4.3 Otras baterías.
Últimamente, parece darse por sentado que las baterías de Ion-Litio son las
Ricardez, 2014
207
7. Baterías
más adecuadas para el uso automovilístico, y posiblemente sea así.
No obstante, no es esta la única posibilidad que existe y, de hecho, las propias
baterías de Ion-Litio constituyen una amplia familia de opciones químicas
diversas que sólo comparten entre sí el Litio como elemento fundamental, pero
no el resto de elementos implicados.
Existen tres tipologías de baterías, atendiendo a su química, cuyo desarrollo
actual las hace adecuadas para alimentar el motor de un coche eléctrico: las
baterías de Plomo-Ácido, las baterías de Metal-Níquel y, finalmente, las
baterías de Ion-Litio.
Escoger entre los diferentes tipos de baterías es siempre una decisión de
compromiso entre densidad energética, potencia específica, costes, seguridad
y durabilidad.
Las baterías de Plomo-Ácido son la opción de bajo coste, y se han utilizado
durante décadas para arrancar nuestros motores de combustión. Entre sus
ventajas, además del bajo coste y estandarización universal, se encuentran su
buena potencia específica (W/kg), buen comportamiento en un amplio rango de
temperaturas, buena retención de la carga en el tiempo y son relativamente
fáciles de reciclar.
Sólo pueden almacenar unos 40 Wh/kg, una densidad energética muy pobre.
Las baterías de Níquel-Metal han sido las preferidas del Toyota Prius durante
sus más de 10 años de historia, por lo que han demostrado su capacidad para
responder en el interior de un híbrido no enchufable.
Su potencia específica es correcta, su ciclo de vida largo y no presentan
problemas medioambientales, mientras que tienen un alto índice de descarga
en periodos de inactividad (pierden el 30% de la carga en un mes paradas) y
su costo de producción es algo elevado por incorporar tierras raras en el
electrodo positivo.
Sus 60 Wh/kg las hace superiores a las de Plomo-Ácido, pero las mantiene
Ricardez, 2014
208
7. Baterías
todavía a cierta distancia del Litio, que, no en vano, es el más ligero de los
elementos de la tabla periódica, el cual no es un gas a temperatura ambiente.
Las baterías de Ion-Litio, de las que existen muchas variedades, parecen estar
llamadas a prevalecer, pues sus características técnicas más importantes
mejoran sustancialmente a las dos opciones anteriores, si bien introducen
también algún que otro problema en la ecuación.

VARIEDADES DEL ION LITIO.
Las diferentes baterías de Ion-Litio tienen en común entre sí la utilización, en
general, de un ánodo de Litio-Carbono y difieren entre sí en el óxido de litio que
utilizan en el cátodo.
Cada química da lugar a un diferente conjunto de características técnicas y, por
tanto, aunque hablamos constantemente de baterías de Ion-Litio como si
fueran una única cosa, estamos utilizando probablemente una denominación
demasiado genérica y que abarca muchas posibilidades, entre las que se
encontrarían las siguientes ya desarrolladas con la tecnología actual:
Baterías de Litio-Cobalto (Li Co O2). Con una densidad energética de 170-185
Wh/kg., estas son las más extendidas para dispositivos móviles como teléfonos
u ordenadores portátiles.
Son difícilmente utilizables en automóviles porque sólo aguantan unos 500
ciclos de recarga y en caso de accidente y rotura pueden generar reacciones
exotérmicas que desemboquen incluso en incendio, lo que sería demoledor
para su imagen, por improbable que sea el suceso.
Baterías de Litio-Hierro-Fosfato (Li Fe P O2). Con una densidad energética de
90 – 125 Wh/kg, son las más seguras, por tener la mayor estabilidad térmica y
química. Su densidad energética está en la zona baja, pero se pueden
considerar un salto adelante en seguridad y también en durabilidad, con hasta
2,000 ciclos de recarga.
Son también las más baratas, junto con las de cobalto, pero estas sí se pueden
Ricardez, 2014
209
7. Baterías
emplear en automoción para mover híbridos y eléctricos puros sin riesgos.
Figura 7.12 Batería de ion litio en un
vehículo eléctrico.
Baterías de Litio-Manganeso (Li Mn2 O2). Con una densidad energética de 90 –
110 Wh/kg, también son más estables térmicamente que las de cobalto y
soportan un mayor voltaje, pero se encuentran de nuevo con una inferior
densidad energética. El manganeso no es contaminante.
Baterías de Litio-Níquel-Cobalto-Manganeso (Li Ni Co Mn O2). Con una
densidad energética de 155 – 190 Wh/kg, tienen un excelente compromiso
entre muy buen rendimiento y coste razonable, se empiezan a utilizar en
automóviles eléctricos masivamente. Soportan 1500 ciclos y voltajes de los
más altos.
Baterías de Litio-Titanio (Li Ti O2). Con una densidad energética de 65 – 100
Wh/kg, son las más duraderas, pues aguantan hasta 12,000 ciclos de recarga
(unas 10 veces más que cualquiera de las otras) pero su densidad energética
actual es baja y su coste, muy elevado.
7.5 Mantenimiento de las baterías.
A continuación se expondrá un procedimiento para el mantenimiento de
baterías, tomando como ejemplo el mantenimiento que se hace a los bancos
de baterías de la unidad 2 de la Central Nucleoeléctrica Laguna Verde.
Las baterías secundarias que se manejan dentro de la CLV son de plomo-ácido
de los fabricantes C&D, Exide y LTH, en la figura se muestran algunas baterías
Ricardez, 2014
210
7. Baterías
C&D.
Figura 7.13 Baterías marca CD
modelo LCY-39 plomo-acido.
7.5.1 Definiciones y acronismos.
- Celda piloto.- Es una celda que se toma como referencia para indicar la
condición general del propio banco.
- Voltaje de flotación.- Es el potencial regulado que proporciona un cargador,
al cual las celdas de un banco de baterías y las cargas críticas están
continuamente conectadas manteniendo al banco óptimamente cargado.
- Voltaje de igualación.- Es el voltaje al cual una carga igualadora se
suministra a las celdas de un banco de baterías para corregir diferencias
ocurridas, por cambio de voltaje de flotación o densidad específica. La carga de
igualación es dada a un voltaje mayor que el voltaje de flotación.
- Nivel pleno de electrolito.- Es el nivel de electrolito sobre la parte superior
de las placas.
- EMIyP.- Equipo de medición, inspección y prueba.
- SIIP.- Sistema integral de información de proceso.
7.5.2 Instrucciones.

MANTENIMIENTO SEMANAL AL BANCO DE BATERÍAS DE
ACUERDO AL MP-3609.
a) Mida la densidad y la temperatura de la celda piloto de todos los bancos
Ricardez, 2014
211
7. Baterías
del cuarto con el densímetro, cuidando que el accesorio para tal efecto
(tubo o manguera) se introduzca de forma vertical en la celda, de tal
forma que la distancia a partir del punto de prueba de la batería sea la
siguiente:
Tabla 7.2 Puntos de prueba de un densímetro en baterías.
PUNTOS DE PRUEBA
TIPO DE BATERIA
DISTANCIA
2GN-17 (250 VCD)
30 cms
LCR-21 (250 VCD)
LCY-39 (125 VCD)
24 cms
KCR-7 (24 VCD)
19 cms
3CDU-9 (125 VCD, DIV III)
Tope superior de la celda (en caso de
no cumplir con los valores de
densidad en la vigilancia, tomar a 1/3
de la placa de la celda.
3CX-7MB
Distancia a la que se debe introducir el densímetro según el tipo de batería, en un
mantenimiento semanal.
b) Revisar que el nivel del electrolito de la celda piloto de todos los bancos
del cuarto se encuentren entre las marcas de alto y bajo nivel.
c) Revisar el voltaje de la celda piloto de todos los bancos del cuarto a la
centésima de volts, el cual debe ser ≥2.13 VCD.
d) Revisar que el voltaje de flotación de los bancos de baterías del cuarto
sea el correcto. Si se requiere, ajuste el voltaje con el potenciómetro
para ajuste del voltaje de flotación instalado en el cargador (sentido
horario incrementa el voltaje, sentido anti-horario, disminuye el voltaje).
Ver ANEXO 11.
NOTA: El voltaje de flotación para sistemas de distribución de 125 VCD
debe ser aproximadamente a 134.5 VCD, y para sistemas de 250 VCD
debe ser aproximadamente 266 VCD (Ref: 1-REI-040100 A/C 01).
Ricardez, 2014
212
7. Baterías
e) Corrija la lectura de densidad verificando que la lectura corregida sea
≥1.195 de acuerdo a lo siguiente: por cada 3°F (1.67°C) de temperatura
por encima de 77°F (25°C) adicione (0.001), a la lectura de densidad,
por cada 3°F (1.67°C) de temperatura por debajo de 77°F (25°C) reste
(0.001) a la lectura de densidad. (Ver ANEXO No. 8).
f) Cuando no se cumpla la densidad específica de la celda piloto, verifique
que la corriente del banco de baterías sea menor a 4 Amps. con el
cargador en flotación como especifica en la nota (b) del ANEXO 4, en
caso contrario notifique al jefe de turno. La corriente deberá ser tomada
en los cables de alimentación del banco correspondiente (REC 2005/01).
g) Mida la temperatura ambiente del cuarto de baterías. (Esta lectura es
sólo de referencia no tiene criterio de aceptación).
h) Compare los valores corregidos con respecto a los criterios de
aceptación ANEXO No. 11.

MANTENIMIENTO TRIMESTRAL AL BANCO DE BATERIAS DE
ACUERDO AL MP 3609.
a) Mida la densidad y temperatura corregida a 77°F (25°C) (Ver ANEXO 8)
con el densímetro el cual deberá ser ≥1.190 corregida cuidando que el
accesorio para tal efecto (tubo o manguera) se introduzca en forma
vertical en la celda, de tal forma que la distancia a partir del punto de
prueba sea la indicada en la tabla siguiente:
Tabla 7.3 Punto de prueba de un densímetro en baterías.
PUNTOS DE PRUEBA
TIPO DE BATERIA
DISTANCIA
2GN-17 (250 VCD)
30 cms
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7. Baterías
LCR-21 (250 VCD)
24 cms
LCY-39 (125 VCD)
KCR-7 (24 VCD)
3CDU-9 (125 VCD, DIV III)
3CX-7MB
19 cms
Tope superior de la celda (en caso de
no cumplir con los valores de
densidad en la vigilancia, tomar a 1/3
de la placa de la celda.
Distancia a la que se debe introducir el densímetro en cada tipo de batería, en
mantenimiento trimestral.
b) Revisar el voltaje de cada celda sea a la centésima de volts, el cual debe
ser ≥2.13VCD.
c) Revisar que el voltaje de flotación de los bancos de baterías sea el
correcto (ANEXO No. 11).
NOTA: El voltaje de flotación para sistemas de distribución de 125 VCD
debe ser aproximadamente a 134.5 VCD, y para sistemas de 250 VCD
debe ser aproximadamente 266 VCD (Ref: 1-REI-040100 A/C 01).
d) Revisar que la corriente del cargador de baterías para la Div. I y II de
125 VCD sea ≤300 A y para la Div. III de 125 VCD sea ≤ 50 A con el
voltaje de las baterías en flotación.
e) Mida la temperatura ambiente del cuarto de baterías.
f) Calcule la densidad corregida promedio de todas las celdas conectadas
al banco el cual deberá ser de ≥1.200.
g) Revisar que la temperatura promedio sea ≥22.2°C.
h) Comparar los valores corregidos con respecto a los criterios de
aceptación No. 11.
Ricardez, 2014
214
7. Baterías
i) Revisar el nivel de electrolito de todas las celdas.
NOTA: La lectura de densidad específica deberá ser tomada antes de
agregar agua desmineralizada, adicionar mayor cantidad de agua se
reflejará en una gran disminución de la densidad del electrolito. Es
probable que en la semana siguiente bajen los valores debido a que
pueden demorar la homogenación del electrolito.
Si es necesario, agregue agua desmineralizada de tal forma que el nivel
se mantenga entre las marcas de alto y bajo nivel.
j) Verifique
la
coloración
del
electrolito
observando:
indicios
de
decoloración y apariencia rosada a roja, inducida por contaminación por
cobre.
k) Verifique cantidad, color y tipo de sedimentos de los bancos de
baterías.
l) Verifique que los contenedores de plástico de las celdas no tengan
deformaciones o grietas, que sus tapones estén correctamente
instalados y que no existan señales de fuga de electrolito.
m) Verifique que el sello de plomo tipo inserto del borne positivo no este
desgastado,
si
esto
se
presenta
efectuar
lo
siguiente:
NOTA: La distorsión del sello tipo inserto no afecta la operabilidad de la
celda siempre que se cumplan los valores de densidad, voltaje y
resistencia de contacto entre celdas.
Las fisuras en las tapas superiores alrededor del poste positivo de las
celdas (plomo), es un fenómeno natural debido al desplazamiento axial
del mismo borne positivo producido por los compuestos de plomo
Ricardez, 2014
215
7. Baterías
formados durante la oxidación (carga y descarga) de las celdas, guía
EPRI TR-100248 REV 2 STATINARY BATERRY RC 34449 AC1.
1. Cambie de celda cuando por degradación, el sello presente abertura
franca con liberación de vapores ácidos que provoquen el deterioro
de la placa de interconexión.
2. Reemplace aquellas celdas que presenten desprendimiento interior
de partículas de plomo que se depositen sobre las placas positivas y
negativas, pudiendo su acumulación provocar un corto circuito
interno.
n) Inspeccione el estado de las placas y separadores de cada celda.
o) Verifique la limpieza del banco de baterías.
1. Si se observa polvo en la cubierta de las celdas y sus recipientes,
limpie con trapo humedecido con agua limpia. Si las cubiertas de las
celdas están salpicadas con electrolito, limpie con un trapo
humedecido con una solución de bicarbonato de sodio y agua
desmineralizada mezclados en una proporción de ½ Kg. de
bicarbonato de sodio por 5 litros de agua. Enseguida limpie con un
trapo humedecido con agua limpia y seque con un trapo limpio.
2. Verifique que no hay corrosión visible entre terminales de cada
conexión de celda a celda. Si observa señales de corrosión y/o
sulfatación en los conectores del banco o en las terminales de las
celda, límpielas hasta donde sea posible frotando con un tapo
humedecido con agua desmineralizada y seque con un trapo limpio,
(sin desconectar la barra).
p) Después de terminada la limpieza en las áreas con corrosión y/o
sulfatación, verifique que la resistencia óhmica de las interconexiones de
Ricardez, 2014
216
7. Baterías
celda, terminales o conectores afectados, cumplen con los parámetros
establecidos, los cuales deben ser: para bancos de 125 V (Div. I y II)
menor o igual a 50 µΩ; para Div. III ≤360 µΩ; para bancos de baterías de
24 V menor o igual 100 µΩ y para bancos de baterías de 250 V menor o
igual 50 µΩ.
1. Aplique grasa NO-OXID en las placas de conexión entre celdas, en
los postes de las celdas y conectores de los cables que conectan en
las celdas, incluyendo las superficies de contacto, deberá ser una
película delgada y uniforme que cubra la totalidad de la superficie
expuesta, debiendo para esto remover el excedente de grasa
aplicando
presión
con
el
dedo
índice
y
arrastrándolo
longitudinalmente en la placa de conexión entre celdas.
2. Si la prueba de resistencia óhmica no cumple con los parámetros
establecidos procédase a efectuar un reapriete de acuerdo a lo
indicado en el ANEXO No. 5.
3. Si la resistencia óhmica continúa sin cumplir efectúe un apriete inicial
de acuerdo a lo indicado en el ANEXO No. 5.
Ricardez, 2014
217
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
8 APLICACIONES DE LOS SISTEMAS DE CD.
En el ámbito de la baja tensión, la corriente directa se utiliza para diversas
aplicaciones, como la conversión a otras formas de energía eléctrica (plantas
fotovoltaicas, sobre todo allí donde se utilicen baterías de acumuladores),
tracción eléctrica (líneas de tranvía, trenes metropolitanos), alimentaciones de
servicios de emergencia o auxiliares, instalaciones industriales particulares
(procesos electrolíticos).
El uso de corriente directa se requiere a menudo en numerosas aplicaciones
industriales, tales como, hornos de arco, plantas de electrosoldadura, plantas
de fabricación de grafito o plantas de producción y refinado de metales.
Se utiliza corriente continua (directa o indirectamente) para todas aquellas
plantas en la que la continuidad del servicio constituya un requisito
fundamental.
Tales plantas, que no pueden tolerar un corte de suministro eléctrico, por
ejemplo, en sistemas de control de procesos, instalaciones de seguridad y
emergencia
(alumbrado
y
alarmas),
aplicaciones
de
hospital,
telecomunicaciones, aplicaciones en el ámbito del procesamiento de datos
(centros de datos, estaciones de trabajos, servidores, etc.).
Figura 8.1 Planta fotovoltaica que transforman
energía solar en corriente directa.
8.1 Aplicaciones de motores de corriente directa.
Los motores de corriente directa son apropiados cuando se requiere gran
precisión de velocidad o posición, en general se emplean en configuración de
Ricardez, 2014
218
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
excitación separada, ya que con esta conexión es posible desacoplar las
variables y establecer estrategias de control lineal.
La aplicación de los motores de CD se lleva a cabo en potencias bajas o
medias y velocidades no muy altas. La velocidad queda limitada desde el punto
de vista del desgaste del colector y las escobillas, además, para potencias
altas la diferencia de potencial entre delgas es muy alta lo cual desgasta
prematuramente el colector debido a los grandes arcos eléctricos que se
producen por el efecto de armadura.
También, la existencia de chisporroteo en el colector (aún en los casos en que
la máquina cuenta con interpolos) hace que los motores de CD sean
prohibitivos en ambientes de trabajo donde existan gases o materiales
inflamables.
Los motores de CD son menos robustos, requieren mucha mantención y tiene
un mayor volumen y peso por unidad de potencia, motivo por el cual están
siendo remplazados por motores de alterna, especialmente motores de
inducción tipo jaula de ardilla.
El motor en derivación se utiliza en aplicaciones de velocidad constante, como
en los accionamientos para los generadores de corriente directa en los grupos
moto generadores de corriente directa.
El motor devanado en serie se usa en aplicaciones en las que se requiere un
alto par de arranque, como en la tracción eléctrica, grúas, malacates, etc.
En los motores compuestos la caída de la curva característica par-velocidad se
puede ajustar para que se adecue la carga.
El motor compuesto diferencial presenta el peligro de embalarse para fuertes
cargas, por lo que su empleo es muy limitado.
Los motores de imán permanente se emplean para el movimiento de
maquinaria (tornos) en procesos de fabricación automática, arrastre de cintas
de audio y video, movimiento de cámaras, etc.
Ricardez, 2014
219
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
En los puntos que siguen se muestran las aplicaciones más comunes de
motores eléctricos de corriente continua.
8.1.1 Aplicaciones domésticas.
Tabla 8.1 Aplicaciones domesticas de motores de CD
Aplicación
Tipo de Motor
Automóvil: motor de arranque,
limpiaparabrisas, alza vidrios eléctrico,
etc.
Motores de CD
Audio-video: caseteras, lector de CD,
video, etc.
Motores de CD
Figura 8.2 Motor de corriente directa
de 325 kW usado en un cilindro
tensor de alimentación de tiras.
8.1.2 Aplicaciones en transporte.
Tabla 8.2 Aplicaciones en transporte de motores de CD
Aplicación
Tipo de Motor
Metro
Los antiguos carros del Metro
empleaban motores de CD en
configuración serie.
Automóviles eléctricos:
Autos, motos, camiones, etc.
Ricardez, 2014
Se han usado motores de CD en
configuración serie (configuración
traccionaria). En la actualidad, aún
existe mayor número de motores de
CD, principalmente debido a su
tecnología de control ya consolidada,
pero los motores de inducción han ido
ganando terreno en forma progresiva.
220
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
8.1.3 Aplicaciones industriales.
Tabla 8.3 Aplicaciones industriales de motores de CD
Aplicación
Tipo de Motor
Servicios de agua potable:
Motor de inducción tipo jaula de ardilla.
Bombas hidráulicas
Embotelladoras:
Correa
transportadora
envases.
de
Imprenta:
Prensa, rodillos de papel, etc.
Aserraderos:
Motor de CD (debido a la precisión de posición
requerida).
Motor de CD (debido a la precisión de posición
requerida para la prensa y a la precisión del
torque y velocidad en los rodillos).
Motor de Inducción jaula de ardilla (desde el
punto de vista flicker son menos nocivos los
motores síncronos, sin embargo a potencias
medias los motores de inducción (200-600
[HP]) son mucho más económicos).
Sierras.
Papelera:
Rodillos.
Motor de CD (debido a la precisión de torque y
velocidad requeridos, ya que el papel es frágil y
si se corta el rollo debe reciclarse completo).
Industria de cemento:
Motor de CD
Hornos rotatorios.
Barcos:
Motor de inducción rotor bobinado (alto torque
de partida y menos perturbador del sistema que
el motor jaula de ardilla).
Elevador de ancla.
Acerías:
Cintas transportadoras, sierra.
Otras aplicaciones:
Elevadores, montacargas.
Ricardez, 2014
Las cintas se mueven mediante motores de CD
debido a la alta precisión requerida en el
posicionamiento (el proceso de producción es
totalmente continuo, ya que el tubo o lámina de
acero no se interrumpe). La sierra rota gracias
a un motor de inducción trifásico, pero su
posicionamiento (en el punto de corte) se
realiza a través de un motor de CD
Cintas transportadoras.
Motores de CD o motor
de inducción jaula de
ardilla (dependiendo de
la precisión requerida)
Motores de inducción jaula de ardilla.
221
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
Grúas
Motores de inducción jaula de ardilla
en los ejes de menor precisión y motor
de CD en la pluma.
Robots
Motor de CD
Ascensores
Motor de CD (más antiguo) y motor de
inducción jaula de ardilla (nuevo).
Máquinas de precisión: Fresas, tornos, Motor de CD
etc.
Figura 8.3 Motor de corriente directa de
746 kW usado para la molienda de caña
de azúcar en la industria.
8.2 Aplicaciones de generadores de corriente directa.
El papel más importante que desempeña el generador de corriente continua es
alimentar de electricidad al motor de corriente continua.
En esencia produce corriente libre de rizo y un voltaje fijo de manera muy
precisa a cualquier valor deseado desde cero hasta la máxima nominal; ésta es
en realidad corriente eléctrica de corriente directa que permite la mejor
conmutación posible en el motor, porque carece de la forma de las ondas
bruscas de energía de corriente continua de los rectificadores.
El generador tiene una respuesta excelente y es particularmente apropiado
para el control preciso de salida por reguladores de retroalimentación de
control además de estar bien adaptado para producir corriente de excitación de
respuesta y controlada en forma precisa tanto para máquinas de corriente
alterna como para máquinas de corriente continua.
El campo de aplicación del generador con excitación independiente, es general,
Ricardez, 2014
222
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
siempre que se disponga de una línea independiente de corriente continua.
Sin embargo, debe hacerse la advertencia de que estas máquinas “nunca
deben trabajar en cortocircuito”, pues existe el peligro de quemarlas; esto
procede, según puede comprenderse fácilmente de la independencia entre el
circuito inducido y el circuito de excitación.
Básicamente, los generadores con excitación independiente tienen, dos
aplicaciones típicas: una, como amplificador-multiplicador; y la otra, como
tacómetro.
Los generadores con excitación serie ya no se emplean en las centrales. Se
emplearon hace ya algún tiempo para la alimentación de grandes circuitos de
lámparas de arco, pero estas lámparas han sido sustituidas por otros tipos más
modernos, como por ejemplo, las lámparas de xenón.
Los generadores con excitación en serie tienen aplicación en aquellas
actividades en las que se precise una intensidad prácticamente constante,
como puede ser en equipos de soldaduras y en determinados sistemas de
alumbrados.
Los generadores compuestos tienen aplicación en las centrales para tracción
eléctrica que precisan de una tensión constante y en todos aquellos casos en
que se haya de contar con variaciones bruscas de carga, como sucede en los
talleres con grúas de gran potencia, laminadores, etcétera; suponiendo que no
se disponga de sistemas compensadores, y que se desee la mayor constancia
posible para la tensión en las barras colectoras.
También puede emplearse en pequeñas instalaciones que precisen de tensión
constante, sustituyendo al generador shunt, para evitar una vigilancia continua
a causa de las variaciones de carga; sin embargo, hay que tener en cuenta
que, en este caso, la autorregulación no es perfecta por lo que, en
instalaciones de mayor importancia en que se desee una tensión constante sin
vigilancia, debe sustituirse el generador compuesto por otros procedimientos.
Los generadores con excitación mixta (compuestos) son utilizados en el
Ricardez, 2014
223
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
sistema de generación de energía eléctrica de corriente continua en aviones
polimotores, en los que existe un generador para cada motor y se realiza un
acoplamiento en paralelo de los mismos para atender a toda la energía
eléctrica necesaria.
8.3 Procesos electroquímicos.
La electroquímica es una rama de la química que estudia la transformación
entre la energía eléctrica y la energía química. En otras palabras, las
reacciones químicas que se dan en la interface de un conductor eléctrico
(llamado electrodo, que puede ser un metal o un semiconductor) y un
conductor iónico (el electrolito) pudiendo ser una disolución y en algunos casos
especiales, un sólido.
Una reacción electroquímica la podemos definir como una reacción redox en la
que el
intercambio de electrones tiene lugar en un electrodo. El cambio
químico es producido por el
intercambio de electrones realizado entre un
electrodo y un aceptor o donador de electrones en una disolución. Una
sustancia:

se oxida cuando cede electronesAgente reductor

se reduce cuando acepta electrones Agente oxidante
Proceso redox: todo proceso de oxidación va acompañado de otro simultáneo
de reducción y viceversa. En los procesos redox se produce un cambio en la
estructura electrónica de dos o más átomos cambio en el número de
oxidación.
Se diferencia de una reacción química redox en que el donador o aceptor de
electrones, es el electrodo (al que se comunica un potencial eléctrico) donde se
realiza la transferencia electródica, cambiando de un medio homogéneo
(reacción química) a un medio heterogéneo (reacción electroquímica).
Si una reacción química es conducida mediante una diferencia de potencial
aplicada externamente, se hace referencia a una electrólisis. En cambio, si la
caída de potencial eléctrico es creada como consecuencia de la reacción
Ricardez, 2014
224
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
química, se conoce como un "acumulador de energía eléctrica", también
llamado batería o celda galvánica.
El proceso electroquímico puede estar controlado por el transporte de masa (es
decir, la rapidez con que se le suministra materia al electrodo) o por la
velocidad de transferencia de carga. Por ello comúnmente se habla de
procesos controlados por transporte (de masa) o por cinética (de transferencia
de carga).
Figura 8.4 Proceso electroquímico.
8.3.1 Términos de electroquímica.
a) Las reacciones de reducción-oxidación son las reacciones de
transferencia de electrones. Esta transferencia se produce entre un
conjunto de elementos químicos, uno oxidante y uno reductor (una forma
reducida y una forma oxidada respectivamente).
En dichas reacciones la energía liberada de una reacción espontánea se
convierte en electricidad o bien se puede aprovechar para inducir una
reacción química no espontánea.
b) Las reacciones electroquímicas se pueden balancear por el método
ion-electrón donde la reacción global se divide en dos semireacciones
(una de oxidación y otra de reducción), se efectúa el balance de carga y
elemento, agregando H+, OH−, H2O y/o electrones para compensar los
cambios de oxidación.
Ricardez, 2014
225
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
Antes de empezar a balancear se tiene que determinar en qué medio
ocurre la reacción, debido a que se procede de una manera en particular
para cada medio.
c) Electrólito. Sustancia conductora de la corriente eléctrica en disolución.
d) Electrodo. Conductores, normalmente metálicos, puestos en contacto
con la disolución de electrólito.
e) Cuba electroquímica. Recipiente que contiene a la disolución y a los
electrodos.
f) Pila, célula o celda electroquímica. Conjunto de electrodos, cable,
disolución y cuba.
g) Ánodo. Electrodo donde se produce la oxidación de un electrólito.
h) Cátodo. Electrodo donde se produce la reducción.
i) El potencial, (como función de la energía libre del sistema), constituye
la fuerza de empuje de una reacción electroquímica y por lo tanto
representa el factor termodinámico.
j) La intensidad es una medida de la cantidad de materia transformada en
la unidad del tiempo y por
tanto, representa factores cinéticos.
Comúnmente representamos intensidad frente a potencial. Es decir,
representamos la velocidad de una reacción (intensidad) como función
de la fuerza de empuje (potencial).
8.3.2 Celda electroquímica.
Una celda electroquímica es un dispositivo capaz de obtener energía eléctrica
a partir de reacciones químicas (o bien, de producir reacciones química a
Ricardez, 2014
226
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
través de la introducción de energía eléctrica, cuando se esté cargando la
celda).
Un ejemplo común de celda electroquímica es la pila (por ejemplo, la estándar
de 1.5 voltios o la recargable de 1.2), que es una celda galvánica simple,
mientras una batería consta de varias celdas conectadas en serie o paralelo.
Hay dos tipos fundamentales de celdas y en ambas tiene lugar una reacción
redox, y la conversión o transformación de un tipo de energía en otra:
1. La celda galvánica o celda voltaica transforma una reacción química
espontánea en una corriente eléctrica, como las pilas y baterías
(produce trabajo).
2. La celda electrolítica transforma una corriente eléctrica en una reacción
química de oxidación-reducción que no tiene lugar de modo espontáneo.
En muchas de estas reacciones se descompone una sustancia química
por lo que dicho proceso recibe el nombre de electrolisis.
También se la conoce como cuba electrolítica. A diferencia de la celda
voltaica, en la célula electrolítica, los dos electrodos no necesitan estar
separados, por lo que hay un sólo recipiente en el que tienen lugar las
dos semireacciones.
Figura 8.5 Celda
electrolítica, mostrando los
electrodos y la fuente de
alimentación que genera la
corriente eléctrica.
Ricardez, 2014
227
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
Las celdas o células galvánicas se clasifican en dos grandes categorías:
1. Las células primarias transforman la energía química en energía
eléctrica, de manera irreversible (dentro de los límites de la práctica).
Cuando se agota la cantidad inicial de reactivos presentes en la pila, la
energía no puede ser fácilmente restaurada o devuelta a la celda
electroquímica por medios eléctricos.
Las
celdas
galvánicas
primarias
pueden
producir
corriente
inmediatamente después de su conexión. Las pilas desechables están
destinadas a ser utilizadas una sola vez y son desechadas
posteriormente.
2. Las células secundarias pueden ser recargadas, es decir, que pueden
revertir sus reacciones químicas mediante el suministro de energía
eléctrica a la celda, hasta el restablecimiento de su composición original.
Las celdas galvánicas secundarias deben ser cargadas antes de su uso;
por lo general son ensambladas con materiales y objetos activos en el
estado de baja energía (descarga).
Las celdas galvánicas recargables o pilas galvánicas secundarias se
pueden regenerar (coloquialmente, recargar) mediante la aplicación de
una corriente eléctrica, que invierte la reacciones químicas que se
producen durante su uso.
8.3.3 Corrosión electroquímica.
La corrosión electroquímica es un proceso espontáneo que denota siempre la
existencia de una zona anódica (la que sufre la corrosión), una zona catódica y
un electrolito, y es imprescindible la existencia de estos tres elementos,
además de una buena unión eléctrica entre ánodos y cátodos, para que este
tipo de corrosión pueda tener lugar.
Ricardez, 2014
228
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
La corrosión más frecuente siempre es de naturaleza electroquímica y resulta
de la formación sobre la superficie metálica de multitud de zonas anódicas y
catódicas; el electrolito es, en caso de no estar sumergido o enterrado el metal,
el agua condensada de la atmósfera, para lo que la humedad relativa deberá
ser del 70%.
El proceso de disolución de un metal en un ácido es igualmente un proceso
electroquímico. La infinidad de burbujas que aparecen sobre la superficie
metálica revela la existencia de infinitos cátodos, mientras que en los ánodos
se va disolviendo el metal.
A simple vista es imposible distinguir entre una zona anódica y una catódica,
dada la naturaleza microscópica de las mismas (micropilas galvánicas). Al
cambiar continuamente de posición las zonas anódicas y catódicas, llega un
momento en que el metal se disuelve totalmente.
8.3.4 Aplicaciones de procesos electroquímicos.
Hay varias aplicaciones electroquímicas importantes en el marco de la
naturaleza y de la industria. La generación de energía química en la
fotosíntesis es también un proceso electroquímico, así como la producción de
metales como aluminio y titanio y en el proceso de galvanización con metales.
En el mecanismo de los alcoholímetros también aparece la electroquímica,
donde un metal se oxida mediante electro deposición y se detecta el nivel de
alcohol de los conductores ebrios gracias a la redox del etanol.
Los impulsos nerviosos en las neuronas están basados en la energía eléctrica
generada por el movimiento de los iones de sodio y potasio hacia dentro y
hacia afuera de las células. Ciertas especies de animales, como las anguilas,
pueden generar un fuerte potencial eléctrico capaz de incapacitar animales
mucho mayores que las mismas.
Algunas de las aplicaciones más importantes de los procesos electroquímicos
en el ámbito industrial son:
Ricardez, 2014
229
8. Aplicaciones de los sistemas de CD

En la obtención de hidrogeno y oxígeno.

Algunos
aparatos
eléctricos
necesitan
aluminio
y
titanio,
la
electroquímica es utilizada en el proceso de galvanización de dichos.

Las pilas eléctricas.

Las investigaciones neurológicas requieren de aparatos eléctricos que a
su vez miden la energía eléctrica generada por el movimiento de los
iones de sodio y potasio hacia dentro y hacia afuera de las células, lo
cual es un proceso electroquímico.

Electrocoagulación de aguas residuales industriales.

Electro-flotación de aguas residuales industriales.

Electro-remediación de suelos.

Electrónica de control.

Telecomunicaciones.

Electrónica de potencia.
Figura 8.6 Esquema de un alcoholímetro
mediante una celda electroquímica.
8.4 Procesos electrolíticos.
La electrólisis es la descomposición química de una sustancia por medio de la
electricidad (electro = electricidad y lisis = destrucción).
El proceso electrolítico consiste en hacer pasar una corriente eléctrica a través
de un electrolito (sustancia conductora), entre dos electrodos conductores
denominados ánodo y cátodo. Donde los cambios ocurren en los electrodos.
Cuando conectamos los electrodos con una fuente de energía (generador de
corriente directa), el electrodo que se une al polo positivo del generador es el
Ricardez, 2014
230
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
ánodo y el electrodo que se une al polo negativo del generador es el cátodo.
Una reacción de electrólisis puede ser considerada como el conjunto de dos
medias reacciones, una oxidación anódica y una reducción catódica.
Figura 8.7 Elementos que intervienen en un
proceso electrolítico.
La cantidad de producto que se forma durante una electrólisis depende de los 2
factores siguientes:
1. De la cantidad de electricidad que circula a través de la pila electrolítica.
2. De la masa equivalente de la sustancia que forma el electrólito.
La cantidad de electricidad que circula por una cuba electrolítica puede
determinarse hallando el producto de la intensidad de la corriente, expresada
en amperios por el tiempo transcurrido, expresado en segundos. Es decir:
Tras efectuar múltiples determinaciones, Faraday enunció las 2 leyes que rigen
la electrólisis y que son las siguientes:
a. Primera Ley de Faraday: La cantidad de cualquier elemento (radical o
grupo de elementos) liberada ya sea en el cátodo o en el ánodo durante
la electrólisis, es proporcional a la cantidad de electricidad que atraviesa
la solución. Así, por ejemplo, para liberar 96 gramos de oxígeno se
necesitan 12 Faraday de electricidad.
Se denomina equivalente electroquímico de una sustancia a la masa en
Ricardez, 2014
231
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
gramos de dicha sustancia depositada por el paso de un culombio.
Donde:
m: masa que se ha depositado (g)
P: peso atómico del elemento (g/mol)
n: número de electrones intercambiados (valencia del metal)
I: intensidad de la corriente (A)
t: tiempo (s)
96500: factor de equivalencia entre el Faraday y el culombio, ya que 1F
= 96500C (A·s/mol)
b. Segunda Ley de Faraday: La cantidad de diferentes sustancias
depositadas o disueltas por una misma cantidad de electricidad, son
directamente proporcionales a sus respectivos pesos equivalentes.
Por ejemplo, si la corriente eléctrica se hace pasar por una serie de
celdas electrolíticas que contienen distintas sustancias, la cantidad de
electricidad que circula a través de cada electrodo es la misma y las
cantidades de elementos liberados son proporcionales a sus respectivos
pesos equivalentes.
Como la cantidad de electricidad en Coulomb es igual al producto de la
intensidad de la corriente I en ampere por el tiempo t en segundos que
ha pasado la corriente, combinando las dos leyes resulta que la masa m
del material depositado o disuelto en cada electrodo será igual a lo
siguiente:
Ricardez, 2014
232
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
Donde:
I: ampere.
t: tiempo en segundos.
A: peso atómico.
F: Faraday.
n: valencia.
8.4.1 Significado del número de Avogadro en la electrólisis.
La carga del electrón es 1.602x10-19 coulomb absolutos de electricidad. De aquí
96500/1.602x10-19= 6.02x1023 que es el número de electrones en un Faraday.
En otras palabras, 1 Faraday de electricidad está asociado con un número de
Avogadro de partículas de carga unitaria, correspondiente a la carga de un
equivalente-gramo de sustancia, que serán electrones que les falta si se trata
de cationes o de electrones que les sobre en cada caso de aniones.
Un Faraday es un número de Avogadro de electrones, de la misma manera que
un mol es número de Avogadro de moléculas. La determinación experimental
del valor del Faraday y la carga del electrón, proporcionó uno de los mejores
métodos para determinar el Número de Avogadro.
8.4.2 Aplicaciones de la electrólisis.
La separación de los elementos de los electrólitos (disueltos o fundidos) se
utiliza industrialmente para obtener gases puros como el hidrógeno y el
oxígeno y obtener metales refinados como el hierro, cobre, aluminio, magnesio,
potasio, etc.
La electrolisis es una tecnología muy importante, debido a que permite recubrir
materiales baratos y muy accesibles con capas de diferentes metales. La
descomposición electrolítica es la base de un gran número de procesos de
extracción y fabricación muy importantes en la industria moderna.
Una aplicación importante se encuentra en la galvanoplastia y galvanostegia:
Ricardez, 2014
233
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
a) La galvanoplastia: Consiste en obtener copias metálicas de algunos
objetos, con huecos y relieves. Entre los productos que se pueden citar
para esta técnica podríamos señalar lozas y porcelanas.
b) La galvanostegia: Consiste en recubrir los metales de una capa
metálica resistente para darles un mejor aspecto o para aumentar su
duración y resistencia a la corrosión. Entre las aplicaciones podemos
citar el galvanizado (cincado), cobreado, latonado, plateado, dorado, etc.
i. Galvanizado: Técnica electrolítica que se realiza con el fin
de cubrir metales con una capa de zinc. Por ejemplo, las
planchas para techados de construcciones.
ii. Cobreado: Técnica que se emplea para recubrir de cobre
algunos objetos (se utiliza CuSO4 como electrólito).
iii. Cobre electrolítico: el proceso de obtención del cobre
electrolítico es una derivación de la técnica de cobreado. El
cobre electrolítico consiste en una placa de cobre catódico,
en donde los iones Cu++ de una solución se han reducido
y adherido al cátodo de una celda electrolítica.
Otra aplicación industrial de los procesos electrolíticos es el niquelado
electrolítico, el cual es el proceso de formación de un revestimiento metálico de
níquel sobre una superficie, sin importar el grosor del revestimiento, ni el metal
base en el cual se encuentra el electrodepósito. También se le llama Niquelado
al proceso mediante el cual se realiza una metalización de níquel a pistola.
La soda o sosa cáustica (un producto químico importante para la fabricación de
papel, rayón y película fotográfica) se produce por la electrólisis de una
disolución de sal común en agua. La reacción produce cloro y sodio. El sodio
reacciona a su vez con el agua de la pila electrolítica produciendo sosa
cáustica. El cloro obtenido se utiliza en la fabricación de pasta de madera y
Ricardez, 2014
234
8. Aplicaciones de los sistemas de CD
papel.
El horno eléctrico es una aplicación industrial importante de la electrólisis, que
se utiliza para la producción de aluminio, magnesio y sodio. En este horno, se
calienta una carga de sales metálicas hasta que se funde y se ioniza. A
continuación, se deposita el metal electrolíticamente.
El refinado electrolítico es un método que se utiliza para refinar el plomo, el
estaño, el cobre, el oro y la plata. La ventaja de extraer o refinar metales por
procesos electrolíticos es que el metal depositado es de gran pureza.
Figura 8.8 Electrolisis del óxido de aluminio.
Ricardez, 2014
235
CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
Los primeros sistemas eléctricos de corriente directa utilizados como motores,
generadores o baterías, fueron sustituidos, principalmente los primeros 2, por
sus similares pero en corriente alterna, lo cual les dejo un reducido campo de
aplicación en la industria,
pero aun así una importante aplicación,
especialmente en sistemas que requieren un control exacto en producción y
velocidad, y siendo principalmente ocupados para el uso electrodoméstico.
Pero las nuevas tecnologías han exigido una nueva demanda de sistemas
eléctricos que usan corriente directa, principalmente en el campo de las
baterías para automóviles eléctricos y gadgets, así como en los sistemas de
alto voltaje en corriente directa, principalmente en las líneas de transmisión de
corriente directa que son ocupadas para transmitir potencia a largas distancias.
Hablando especialmente de la experiencia educativa, sistemas eléctricos de
corriente directa, es una de las más extensas en cuanto a contenido, al
contener 8 capítulos o unidades, lo cual la hace una materia saturada,
hablando en el aspecto de horas por cada tema o capitulo.
Es muy corto el tiempo que se dedica a cada tema y unidad, pues el semestre
cuenta con un tiempo aproximado de 15 semanas y si la experiencia educativa
se da por 5 horas a la semana, resultando un aproximado de 75 horas al
semestre, para exponer los temas y contenidos de la experiencia educativa.
Cada uno de los 8 capítulos contiene entre 4 y 7 temas, lo cual deriva a que se
expongan un tema cada 2 o 3 días o 1 por día, tomando en cuenta que hay
temas más largos que otros, es decir, que uno se dé en 4 o 5 días y otros se
den en tan solo 1 o 2 días, lo cual deja ajustado el tiempo, para la enseñanza
del maestro y aprendizaje del alumno.
La experiencia educativa, máquinas rotatorias de
corriente directa, era su
equivalente, a sistemas eléctricos de corriente directa, pero en la carrera de
ingeniería mecánica eléctrica, y allí solo se veían los primeros 4 capítulos del
actual plan de estudios, introducción a sistemas de corriente directa, motores y
Ricardez, 2014
236
CONCLUSIONES
generadores de corriente directa así como normas y pruebas para máquinas de
corriente directa, más sus respectivas prácticas, y aun así, el tiempo para cada
capítulo y sus temas ya era ajustado.
Para la asignatura de sistemas eléctricos de corriente directa, se agregan otros
4 capítulos, siendo el capítulo 5, sistemas de alto voltaje en corriente directa, el
más largo de todos los capítulos, pues contiene 7 temas, que en su mayoría
serán nuevos para el alumno, pues contiene temas con una tecnología nueva e
innovadora para México.
Por esta razón, se requiere ver más a fondo el contenido de cada uno de los
temas del capítulo 5, como el tipo de tecnología, sistemas, configuraciones,
conexiones, etc., para poder entender y comprender el contenido del mismo,
pues es el futuro en la transmisión de potencia.
Al capítulo 5 le siguen 2 capítulos nuevos, para la currícula de ingeniería
eléctrica, el capítulo de baterías y vehículos eléctricos, y por último el capítulo,
aplicaciones de sistemas eléctricos, el cual considera los temas de
electroquímica.
Por esta razón, pienso que es muy corto el tiempo que se le da para esta
experiencia educativa o a la vez es muy extenso el contenido para un solo
semestre, tomando en cuenta que también se deben hacer prácticas para
reforzar el conocimiento teórico, aprendido en clase, pues no es lo mismo ver
las partes y funcionamiento de un motor o generador de corriente directa en
papel, que mirarlo físicamente en marcha o trabajo así como estudiar los
elementos de los mismos en una máquina real.
No por esto, algunos capítulos y temas de sistemas eléctricos de corriente
directa deben ser reducidos o suprimidos, al contrario, se deben abordar para
tener una completa y mejor formación como ingenieros, pues los sistemas
eléctricos de corriente directa son comunes en la industria así como en la vida
diaria, por tal razón, se debe tomar en cuenta que es muy corto el tiempo (1
semestre) para tan extenso contenido.
Ricardez, 2014
237
Anexos
ANEXOS.
Anexo nº 4. (1/2)
Ricardez, 2014
238
Anexos
Anexo nº 4. (2/2)
Ricardez, 2014
239
Anexos
Anexo nº 8.
Ricardez, 2014
240
Anexos
Anexo nº 11.
Ricardez, 2014
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