Tema 3. Máquinas eléctricas de corriente continua (c.c)

Unidad 4: Máquinas eléctricas
Tema 3: Máquinas eléctricas de corriente continua (c.c.)
Tema 3. Máquinas eléctricas de corriente continua (c.c)
Hola compañeros, ¿qué tal lo lleváis? Seguro que bien, ¿no os parece interesante esta unidad? ¿Verdad que
si? Primero los transformadores, luego un estudio general sobre las máquinas eléctricas rotativas, y ahora
partiendo de ese estudio, nos metemos de lleno en un tipo de máquinas eléctricas rotativas: Las máquinas
eléctricas de corriente continua (c.c). Como sabéis hay 2 tipos de corrientes eléctricas, por tanto habrá 2 tipos
de máquinas. Estas máquinas funcionan con c.c. y generan c.c. Se utilizan bastante, pero no tanto como las
máquinas de corriente alterna que veréis en el siguiente tema. ¿Preparados? ¡Empecemos pues!
Imagen 1. Diversos motores eléctricos
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
El fundamento de los convertidores electromagnéticos está basado en 3 principios fundamentales de la
inducción electromagnética, que conocemos perfectamente:
1. La intensidad que circula por un conductor arrollado sobre un núcleo de hierro, hace que éste se
comporte como un imán.
2. La interacción de una corriente eléctrica y un campo magnético produce fuerzas a distancia.
3. Cuando se mueve un conductor en el seno de un campo magnético, se induce en él una f.e.m.
Como datos históricos a recordar, los 2 primeros principios fueron descubiertos por Dominique François, Jean
Arago y André Marie Ampére y el responsable del 3º, como ya sabéis fue nuestro amigo y bien conocido
Michael Faraday, quien en 1832 mandó construir el primer generador eléctrico.
Construcción del primer generador eléctrico por Faraday
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Imagen 2. Construcción del primer generador eléctrico por Faraday
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Todos estos principios los estudiamos en la unidad: Conceptos y fenómenos electromagnéticos, ¿Os
acordáis?
Aquí os ponemos un video donde de forma general se explica el funcionamiento de los motores y
generadores eléctricos, además del funcionamiento del motor de explosión de 4 tiempos utilizados en los
automóviles y vehículos a motor. En la finalización de este video se presentan animaciones en 3D de
motores y generadores eléctricos muy interesantes, espero que os gusten.
Video 1. Motores eléctricos. Fuente: Youtube
Os dejo también un artículo sobre la importancia que tiene la inducción electromagnética para la
construcción de máquinas eléctricas rotativas:
Artículo de la inducción electromagnética
En el desarrollo de este tema empezaremos describiendo los conceptos básicos de las máquinas eléctricas
rotativas de c.c., para seguidamente clasificarlas y describir su funcionamiento, características y aplicaciones
como generador y como motor. ¿Preparados? ¡Pues vamos allá!
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3.1 Generalidades sobre las máquinas eléctricas
rotativas de c.c.
Las máquinas eléctricas rotativas se construyen combinando circuitos eléctricos con magnéticos y partes
estáticas con partes móviles.
De esta forma, se consigue elaborar dispositivos como los generadores (que realizan una transformación de
energía mecánica en eléctrica) y los motores (transformación de energía eléctrica en mecánica).
Los principios de funcionamiento de estos dispositivos están basados en la inducción electromagnética y en la
fuerza que desarrollan los conductores eléctricos cuando son recorridos por corrientes eléctricas y atravesados
a su vez por campos electromagnéticos.
La máquina eléctrica de c.c. se define como un convertidor electromecánico rotativo basado en los fenómenos
de inducción y de par electromagnético, que transforma la energía mecánica en electricidad, bajo los efectos de
una corriente continua (generador), o viceversa, la energía eléctrica en forma de corriente continua, en energía
mecánica (motor).
El motor de c.c. puede funcionar indistintamente como motor o como generador (dinamo), por tanto la
constitución de la máquina hace que sea igual en ambos casos.
Imagen 3. Motores de c.c. de varios tamaños.
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Busca por internet imágenes y fabricantes de máquinas de corriente continua.
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3.1.1. Principio general de funcionamiento
Funcionamiento como motor de c.c.:
Funcionan aprovechando la siguiente ley: "Cuando un conductor está inmerso en el seno de un campo
magnético y por él hacemos circular una intensidad, aparecen unas fuerzas de carácter electromecánico que
tienden a desplazarlo". ¿A que esta ley os suena familiar? ¡Claro que sí! La vimos en la unidad Conceptos y
fenómenos electromagnéticos, donde estudiamos el electromagnetismo. Esta ley satisface a la siguiente
fórmula:
F=BxLxI
Para determinar su sentido se aplica la regla de Fleming de la mano izquierda, como en la siguiente figura:
Regla de la mano izquierda
Imagen 4. Regla de la mano izquierda
Fuente: Wikipedia . Creative Commons
Funcionamiento como generador de c.c.:
Cuando movemos un conductor en el seno de un campo magnético se induce una f.e.m. (Fenómeno de
inducción electromagnética):
Einducida = B x L x V
Siendo E=f.e.m. inducida en V; v = velocidad en m/s.
El sentido de la I inducida es tal que tiende a oponerse de la causa que la originó (Ley de Lenz: "El sentido de
la corriente inducida sería tal que su flujo se opone a la causa que la produce").
Siendo: F=Fuerza en N; B= Inducción en T. L=Longitud en m; I=Intensidad en A.
Para determinar el sentido de la Fuerza se aplica la regla de Fleming de la mano derecha, como en la siguiente
figura:
Regla de la mano derecha
Imagen 5. Regla de la mano derecha
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Aquí os dejo un enlace a una página web donde nos resume y representa los generadores y motores
eléctricos, fijaros bien en los dibujos. Espero que os guste y vayáis entendiendo lo que son este tipo de
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máquinas eléctricas:
Representación de generadores y motores eléctricos
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3.1.2. Disposición constructiva
Debido a que el proceso de conversión de la energía mecánica en energía eléctrica es reversible, la
constitución de la máquina es idéntica para una dinamo o un motor. La máquina consta de las partes
siguientes:
Inductor:
Es la parte de la máquina destinada a producir el campo magnético. Como esta parte de la máquina está
inmóvil o estática se le llama también estátor. Consta de las siguientes partes:
Culata: Forma parte de la carcasa. Sirve para cerrar el circuito magnético. Construida de hierro
fundido o de acero dulce.
Polos inductores: Destinados a obtener el máximo flujo magnético con la intensidad mínima de
excitación. Son imanes permanentes o electroimanes sujetos a la carcasa.
Polos auxiliares: Sirven para mejorar los efectos de la reacción de inducido y la conmutación
(evitar la producción de chispas entre colector y escobillas). Estos efectos los explicaremos más
adelante. Se emplean en máquinas de mediana y gran potencia. Construcción idéntica a los polos
inductores.
Arrollamientos del sistema inductor: Lo forman las bobinas de excitación. Para su construcción
se emplean alambres y pletinas de cobre o aluminio.
Estator de una máquina eléctrica
Imagen 6. Estator de una máquina eléctrica
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Inducido:
Es la parte giratoria de la máquina, también llamada rotor. Consta de una pieza cilíndrica formada por un núcleo
de chapas magnéticas aisladas entre si por medio de barnices y montado sobre un eje. Cada chapa dispone de
ranuras, donde se alojan las bobinas del inducido, destinadas a la producción de f.e.m.
Inducido de un motor eléctrico
Imagen 7. Inducido de un motor eléctrico
Fuente: Banco de imágenes y sonidos del ITE
Creative Commons
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Colector:
Es un cilindro formado por delgas o anillos de cobre trapezoidales, aisladas entre sí mediante mica, y
conectadas cada una a una bobina del inducido.
Anillos del colector señalados en un rotor de c.c.
Imagen 8. Anillos del colector señalados en un rotor de c.c.
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Escobillas:
Son piezas de carbón o metálicas, que mantienen el contacto entre el colector de delgas (parte móvil) y el
circuito exterior (parte fija).
Escobillas
Imagen 9. Escobillas
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Entrehierro:
Espacio comprendido entre las expansiones polares y el inducido.
Partes de un motor eléctrico de arranque
Imagen 10. Partes de un motor eléctrico de arranque. 1. Carcasas de cierre. 2. Engranaje.
3. Inducido. 4. Estator. 5. Contactos del inducido (escobillas). 6. Electroimán solenoide
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
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3.1.3. Clasificación de las máquinas de c.c.
Las máquinas de corriente continua se clasifican en:
Generadores de c.c. (dinamos)
Motores de c.c.
Dependiendo del tipo de excitación pueden ser:
de excitación independiente
autoexcitación, y éstas a su vez pueden ser:
serie,
shunt o paralelo
compound.
Como podéis observar, todas las máquinas rotativas, sea del tipo que sean, siempre se clasificarán por
generadores y motores, es decir producen energía eléctrica o generan movimiento.
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3.2. Generadores de c.c. : Dinamos
Son máquinas que transforman la energía mecánica que reciben a través de un eje en energía eléctrica,
que suministran por sus bornes en forma de c.c.
Imagen 11. Dinamo
Fuente: Banco de Imágenes del ITE. Creative Commons
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Imagen 12. Dinamo antigua para producir electricidad.
Museo de la Técnica de Terrasa
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
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3.2.1. Producción de f.e.m. en una dinamo
Como hemos dicho antes se basa en la ley de inducción electromagnética:
E=BxLxv
Principio de inducción electromagnética
Imagen 13. Principio de inducción electromagnética
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Si en lugar de un conductor se emplea una espira haciéndola girar en un campo magnético, se inducirá en ella
una f.e.m. alterna que puede aplicarse a un circuito exterior, por medio de 2 escobillas, que frotan 2 anillos
colectores. Si sustituimos los 2 anillos colectores por uno solo, dividido en 2 partes (aislándolos entre sí)
llamadas delgas, se obtendrá una f.e.m. pulsatoria.
Si estudiamos la espira en varias posiciones diferentes y aplicamos la regla de la mano derecha para
determinar el sentido de la f.e.m. inducida, observamos que la Intensidad se invierte en el conductor, pero no
en el colector de delgas. Si quisiéramos invertir el sentido de la f.e.m. bastará con invertir el sentido del
movimiento o el campo magnético.
Si se emplean 2 espiras perpendiculares, llevando sus extremos a las 4 delgas del colector, la f.e.m. será más
continua. Por tanto al aumentar el nº de espiras desplazadas entre sí, la f.e.m. resultante se va aproximando a
una corriente continua pura (línea recta). Esto se consigue en la práctica con 20 bobinas.
Tensión producida por una dinamo con pocas delgas
Imagen 14. Tensión producida por una dinamo con pocas
delgas
Imagen de elaboración propia
Tensión producida por una dinamo con varias delgas
Imagen 15. Tensión producida por una dinamo con varias
delgas
Imagen de elaboración propia
Aquí os dejo un enlace a una página web donde se representa claramente cómo es un generador
eléctrico de c.c.:
Generador eléctrico de C.C.
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3.2.2. Tensión de servicio y nomenclatura de las
máquinas eléctricas de c.c.
Bueno, bueno... esto se está poniendo muy interesante. Ya conocemos la clasificación de las máquinas
eléctricas de corriente continua, también sabemos cómo se produce electricidad en los generadores, y antes de
estudiar sus esquemas y funcionamiento de los mismos, vamos a conocer las tensiones de servicio para su
utilización y su nomenclatura, la cual hallaréis en cualquier esquema de generadores o motores de c.c.
Con todo esto no tendréis problema en identificar dichas máquinas de c.c. ¡Vamos allá!
Tensión de servicio
Las tensiones nominales de un generador de c.c. están normalizadas y son las siguientes:
24v - 40v - 110v - 220v - 440v - 600v - 750v
Nomenclatura de las máquinas eléctricas de c.c.
Antes de poner los esquemas de cada uno de los tipos de generadores de c.c. definiremos cual es su
nomenclatura y definición de los bornes de cada una de las partes que componen los diferentes esquemas de
la máquinas de c.c. Esta nomenclatura es válida tanto para generadores o dinamos como para motores de c.c.
Ri = AB = Devanado inducido.
Rd , Rp = CD = Devanado excitación shunt (paralelo)
Rs = EF = Devanado excitación serie
Raux, Rc = Devanado auxiliar
Rei = JK = Devanado excitación independiente.
Ra = Reostato de arranque.
Rv, Rr = Reostato de velocidad
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3.2.3. Excitación de las dinamos
La intensidad de excitación, que es la que circula por las espiras del inductor para producir el campo
magnético, puede provenir de una fuente de energía externa a la dinamo (pilas, acumuladores, otra
dinamo) y en este caso se denominan dinamo con excitación independiente, o también la propia dinamo
puede producir la intensidad necesaria para su excitación y en este caso se denominan dinamos
autoexcitatrices.
En este último caso, dependiendo como se coloque el circuito inductor, pueden distinguirse: serie, shunt
o paralelo, y compound.
Esquemas de generadores de c.c. o dinamos.
Esquema de un generador de corriente continua con excitación independiente
Imagen 16. Esquema de un generador de corriente continua con excitación independiente.
Imagen de elaboración propia
Esquema de un generador de corriente continua con excitación shunt o paralelo
Imagen 17. Esquema de un generador de corriente continua con excitación shunt o paralelo
Imagen de elaboración propia
Esquema de un generador de corriente continua con excitación serie
Imagen 18. Esquema de un generador de corriente continua con excitación serie.
Imagen de elaboración propia
Esquema de un generador de corriente continua con excitación Compound
Imagen 19. Esquema de un generador de corriente continua con excitación Compound
Imagen de elaboración propia
Pulsa sobre la imagen para ampliarla
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3.2.4. Aplicaciones de los generadores de c.c.
Dependiendo de cómo sea la excitación del devanado en los generadores de corriente continua tendremos una
serie de características a tener en cuenta para poder elegir el generador que más nos convenga. Los más
utilizados son los generadores de excitación independiente y compound.
Generador con excitación independiente:
En la gráfica se puede comprobar que la tensión que proporciona la dinamo a la carga disminuye al aumentar la
intensidad de carga. Esto es debido a que la caída de tensión que se produce en la Resistencia de inducido (Ri)
aumenta de forma proporcional a la intensidad.
Características en carga de una dinamo con excitación independiente
Imagen 20. Características en carga de una dinamo con excitación independiente.
Imagen de elaboración propia
Generación con excitación shunt:
En la gráfica observamos que la tensión que proporciona el generador se reduce drásticamente con los
aumentos de la intensidad de carga. Esto se debe a que al aumentar la tensión en el inducido con la carga se
produce una disminución de la Vb, que provoca a su vez, una reducción de la Iex. Esto hace que la f.e.m.
inducida se vea reducida, pudiéndose llegar a perder la excitación de la dinamo para cargar muy elevadas. Por
consiguiente se emplea cuando no hay cambios frecuentes y considerables de carga.
Características en carga de una dinamo en derivación
Imagen 21. Características en carga de una dinamo en derivación.
Imagen de elaboración propia
Generador de excitación en serie:
Toda la intensidad que el generador suministra a la carga fluye por ambos devanados. El inconveniente es que
cuando trabaja en vacío (sin carga conectada), al ser la intensidad nula, ya que el circuito está abierto, no se
excita.
Cuando aumenta mucho la intensidad de carga, también lo hace el flujo inductor por lo que a la Vb de la dinamo
también se eleva, por consiguiente es muy inestable y apenas se usa industrialmente.
Generador con excitación Compound:
Gracias a la combinación de los efectos serie y derivación en la excitación de la dinamo, se consigue que la
Tensión que suministra el generador a la carga sea más estable para cualquier régimen de carga. Esta gran
estabilidad hace que ésta sea en la práctica la más utilizada para la generación de energía.
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3.3. Motores de c.c.
Es una máquina de c.c. que transforma la energía eléctrica en mecánica.
Presentan los inconvenientes de que sólo pueden ser alimentados a través de equipos que conviertan la c.a.
suministrada por la red eléctrica en c.c. y que su construcción es mucho más compleja que las de c.a. y
necesitan colectores de delgas y escobillas para su funcionamiento, necesitando trabajos de mantenimiento
debido al desgaste por rozamiento de estas piezas.
Presentan las ventajas de poseer un par de arranque elevado y que su velocidad puede ser regulada
fácilmente entre amplios límites, lo que las hace ideales para ciertas aplicaciones como por ejemplo la tracción
eléctrica (tranvías y trenes).
Aquí te muestro un vídeo donde se muestra cómo es el funcionamiento del motor de corriente continua de una
manera muy básica, para seguidamente poder entender todo sin ninguna duda:
Video 2. Motores de corriente continua.
Fuente: Youtube
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3.3.1. Principio de funcionamiento
Se basa en las fuerzas que aparecen en los conductores cuando son recorridos por una intensidad y a su vez,
están sometidos a la acción de un campo magnético: F = B x L x I.
La espira es recorrida por una intensidad que se suministra a través del contacto de un colector de delgas con
unas escobillas, de tal forma que la intensidad generada por una fuente de alimentación puede llegar a esta
espira. La espira está situada entre 2 polos de un imán, que es el encargado de producir el campo magnético.
Cómo las intensidades que circulan por ambos lados de la espira son contrarias, aparecen unas fuerzas
también contrarias en cada lado activo de la espira, lo que determina un par de giro.
El colector de delgas se encarga de que la intensidad circule siempre en el mismo sentido en la espira y así el
par de fuerzas siempre girará también en el mismo sentido.
Video 3. Direct Current Electric Motor.
Fuente: Youtube
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Imagen 22. Funcionamiento del motor de c.c.
Fuente: Wikipedia. Creative Commons
Si queremos invertir el sentido de giro del motor, deberemos invertir también el par de fuerzas y esto se
consigue cambiando el sentido de las intensidades del rotor y manteniendo el campo magnético inductor
constante.
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3.3.2. Comportamiento en servicio. Características
funcionales
Cuando la intensidad recorre los conductores, se produce un par de giro en el rotor, el cual empieza a
acelerarse hasta alcanzar sus revoluciones nominales. Esta intensidad que aparece en el inducido, dependerá
de la f.c.e.m (fuerza contra electromotriz) que se desarrolla en el mismo.
Vamos a estudiar la relación entre estas variables.
F.c.e.m.:
Cuando un motor gira, impulsado gracias al par de giro desarrollado por los conductores del inducido cuando
son recorridos por una intensidad, dichos conductores cortan en su movimiento a las líneas de campo
magnético del inductor, lo que hace que se induzca en ellas una f.e.m. El sentido de estas f.e.m. es tal que
tiende a oponerse a la causa que lo produjo (la intensidad del inducido y la tensión aplicada al motor). Esta
f.e.m. se denomina f.c.e.m. y produce un efecto de limitación de la intensidad del inducido y su valor se obtiene
aplicando el principio de Faraday que depende del flujo magnético que corten los conductores, así como lo
rápido que lo hagan y el número de ellos.
Siendo:
E: f.e.m. entre escobillas.
2p: nº de polos de la máquina.
z: nº de conductores activos.
n: velocidad en r.p.m.
2a: nº de ramas en paralelo, que dependen del tipo de inducido (bobinado):
Imbricado simple: 2a = 2p
Ondulados: 2a = 2
La f.c.e.m. es proporcional al flujo inductor y al número de revoluciones del motor.
Un motor eléctrico de corriente continua bipolar posee dos caminos de arrollamientos en paralelo en el
inducido, con 700 conductores activos. En funcionamiento normal gira a 1500 r.p.m. siendo el flujo útil
por polo de 600.000 Maxwell.
Calcular la fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m)
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Con esta fórmula también se puede calcular la f.e.m. inducida en una dinamo:
Calcular la f.e.m. inducida en una dinamo hexapolar que tiene 680 conductores activos totales en el
inducido, gira a 700rpm y el flujo máximo por polo es de 300mWb.
a. En el caso de que la dinamo tenga el devanado de inducido imbricado simple.
b. En el caso de que la dinamo tenga el devanado de inducido ondulado simple.
Corriente de inducido:
Cuando el motor trabaja en vacío, el par motor originado por los conductores de inducido provoca un aumento
de la velocidad del motor, debido a la poca resistencia que encuentra. Este aumento de la velocidad, produce a
su vez una mayor f.c.e.m. que limita la intensidad del rotor a valores de intensidad de vacío.
Cuando el motor arrastra una carga mecánica, la velocidad tiende a decrecer, con lo cual disminuye la f.c.e.m. y
la intensidad aumenta, elevándose con ella el par de fuerzas. La intensidad que el motor absorbe depende del
trabajo mecánico que tenga que realizar.
Siendo:
Vb: Tensión en los bornes del motor.
E: f.c.e.m.
Ri: Resistencia de inducido
Ue: la tensión en las escobillas
En un motor de c.c. ¿Qué se entiende por corriente de excitación y por corriente de inducido?
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Intensidad absorbida en el arranque:
La intensidad absorbida en el arranque de un motor de c.c. es muy elevada, debido a que en el momento del
arranque del rotor está parado y su f.c.e.m. es nula:
Por tanto es necesario limitar a unos valores más moderados esta intensidad de arranque.
En un motor de c.c. es sencillo limitar dicha intensidad, intercalando unas resistencias adicionales en serie con
el inducido. Según el motor va acelerando se va disminuyendo el valor de dichas resistencias.
El reglamento electrotécnico de baja tensión (REBT), en la instrucción 034, establece el número de
veces que la intensidad de arranque de los motores puede superar a la intensidad nominal.
Para reducir la intensidad que se absorbe en el arranque se coloca una resistencia en serie con el
inducido, el reostato de arranque, denominada Ra.
Par motor:
El par motor que desarrollan los conductores de inducido, al ser recorridos por una intensidad, dependerá del
valor de dicha intensidad y del flujo desarrollado por el campo inductor:
También se puede expresar como la relación entre la potencia útil desarrollada por el rotor y la velocidad
angular del mismo:
Velocidad de giro:
Se obtiene combinando la ecuación de la f.c.e.m. y la intensidad de inducido:
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Igualando estas 2 ecuaciones:
Y despejando la n:
La velocidad de giro de un motor de c.c. aumenta con la tensión aplicada, al disminuir la intensidad de inducido
Ii y al disminuir el flujo producido por el campo inductor.
Para regular la velocidad se puede hacer de 2 formas diferentes:
1. Manteniendo constante el flujo y variando la tensión aplicada.
2. Manteniendo constante la tensión y variando el flujo de excitación. Éste sistema es el más utilizado por
su sencillez, ya que es suficiente con intercalar una Resistencia variable en serie con el circuito
encargado de producir el campo magnético inductor.
Reacción de inducido:
Cuando los conductores del inducido son recorridos por una intensidad, producen un campo magnético. La
dirección de este campo transversal de reacción adquiere la misma dirección que el eje de las escobillas, con lo
que resulta ser perpendicular al campo principal producido por los polos inductores.
El campo transversal debido a la reacción de inducido se suma vectorialmente al principal, dando un campo
magnético resultante que queda desviado de la posición original.
Suma vectorial resultante debido a la reacción de inducido
Imagen 23. Suma vectorial resultante debido a la reacción de inducido.
Elaboración propia
Esta desviación del campo inductor produce una serie de problemas cuando las escobillas conmutan de una
delga a otra en el colector, dando como resultado chispas que perjudican notablemente el funcionamiento de la
máquina.
Existen 2 posibilidades para evitar los efectos perjudiciales de la reacción de inducido:
1. Desviar las escobillas, hasta que el eje de las mismas coincida con la perpendicular al campo
resultante. Inconveniente: La desviación de las escobillas será adecuada para sólo una intensidad
determinada.
2. Disponer de unos polos auxiliares de conmutación. Éstos se disponen en la culata del motor de tal
forma que produzcan un campo transversal del mismo valor y de sentido contrario al flujo transversal de
reacción de reacción de inducido. Para que esto sea así los polos de conmutación se conectan en serie
con el inducido para que la intensidad por ellos sea igual que la del inducido, de tal forma que cuando
crece el campo transversal de reacción de inducido por una aumento de la intensidad, también lo hace el
flujo de compensación producida por los polos de conmutación y así conseguiremos eliminar el campo
magnético de reacción de inducido.
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Te presento una página web, donde se te muestra de una forma más detallada la reacción de inducido.
Fíjate en los esquemas y dibujos. Con ello te quedará perfectamente claro este problemilla que se
presentan en los motores de c.c.:
Reacción de inducido y fenómeno de conmutación
Fenómeno de conmutación:
Se define como la modificación de la intensidad en las secciones cortocircuitadas por las escobillas durante la
duración del cortocircuito. Las espiras pasan de un instante determinado de una posición a otra cambiando el
sentido de la corriente. Esta inversión de corriente en la espira que está cortocircuitada bajo la presión de la
escobilla puede perjudicar a la bobina.
Fenómeno de conmutación producido en el colector de delgas
Imagen 24. Fenómeno de conmutación producido en el colector de delgas
Elaboración propia
La inversión de la intensidad en la bobina lleva consigo una variación de flujo que produce una f.e.m. de
autoinducción denominada "Tensión reactiva de conmutación" y que será por tanto mayor cuanto mayor sea el
valor de la variación del flujo y menor el tiempo de conmutación.
La existencia de la tensión reactiva origina chispas en el colector de delgas y tiende a retardar la inversión de la
Intensidad según la ley de Lenz.
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3.3.3. Balance de potencias en los motores de c.c.
Este apartado lo estudiaremos mediante un esquema y un ejercicio posterior, ya que en el anterior tema hemos
visto el balance de potencias de las máquinas eléctricas rotativas. Mediante este ejercicio este apartado
quedará perfectamente claro para poder afrontar cualquier problema o ejercicio referido al balance de potencias
de los motores de corriente continua.
Imagen 25. Balance de potencias de los motores de c.c.
Imagen de elaboración propia
Pulsa sobre la imagen para ampliarla
De este esquema se puede ver como el motor absorbe de la red la potencia eléctrica (Pab), mientras que en
inducido únicamente se transforma en potencia mecánica una parte de ella, denominada potencia interna o
electromagnética (Pe).
De la potencia interna desarrollada en el inducido sólo una parte es aprovechada en el eje del motor, siendo
esa parte la potencia útil o mecánica (Pu):
1.
2.
3.
4.
5.
6.
¿Qué es el rendimiento eléctrico?
¿Qué es el rendimiento industrial?
¿Qué es la potencia útil?
¿Qué es la Pfe?
¿Qué es la Pm?
¿Qué es la Pj?
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Un motor de corriente continua serie tiene una tensión en bornes de 230V y absorbe de la red 15A. La
f.c.e.m. generada en el inducido es de 220V y las pérdidas en el hierro más las mecánicas son de 250W.
Calcular:
1. El rendimiento eléctrico.
2. El rendimiento industrial.
3. Las pérdidas de potencia por efecto Joule.
Sabiendo cómo es el balance de potencias de un motor de c.c., explica cómo sería el balance de
potencias en un generador de c.c.
Al ser un generador de c.c., puedes hacer un símil hidráulico partiendo de la Potencia mecánica y
sabiendo que su fin es la Potencia eléctrica.
Una vez estudiadas el balance de potencias de una dinamo, resolveremos unos ejercicios relativos al balance
de potencias de este tipo de máquinas de corriente continua.
Como comprobarás no son tan difíciles, ¡Vamos allá!
Electrotecnia
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Unidad 4: Máquinas eléctricas
Tema 3: Máquinas eléctricas de corriente continua (c.c.)
Ejercicio para el cálculo del par interno y potencia interna de una dinamo:
En una dinamo hexapolar que tienes 680 conductores activos totales en el inducido y gira a 700 rpm y el
flujo máximo por polo es de 30mWb, y su devanado es imbricado simple.
Calcular:
a. Par interno, si por su inducido circulan 20A.
b. Potencia interna
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3.3.4. Conexión de los motores de c.c. Aplicaciones
Dependiendo de cómo se conecte el devanado de excitación respecto al inducido los motores pueden ser:
Motor con excitación independiente:
El devanado de excitación se conecta a una fuente de tensión diferente a la aplicada al inducido. Esta
separación aporta la ventaja de mayores posibilidades de regulación de velocidad que el de derivación.
Esquema de un motor de corriente continua con excitación independiente
Imagen 27. Esquema de un motor de corriente continua con excitación independiente.
Imagen de elaboración propia
Se aplica donde se requiera una velocidad prácticamente constante
Motor con excitación en derivación o shunt:
El devanado de excitación se conecta en paralelo con el inducido. La velocidad de un motor con excitación en
derivación permanece prácticamente constante para cualquier régimen de carga.
Esquema de un motor de corriente continua con excitación en derivación o shunt
Imagen 28. Esquema de un motor de corriente continua con excitación en derivación o shunt.
Imagen de elaboración propia
Gráficas de velocidad y carga en un motor con excitación en derivación o shunt
Imagen 29. Gráficas de velocidad y carga en un motor con excitación en derivación o shunt.
Imagen de elaboración propia
Cuando se aumenta el par resistente aplicado al motor, la Ii aumenta para producir un par motor igual al mismo.
Dada su estabilidad, éste posee un campo de aplicación muy amplio: máquinas, herramientas para metales,
madera, plásticos...etcétera.
Un motor derivación de 4 polos posee un inducido del tipo imbricado simple con 800 conductores. La
resistencia del inducido es de 0,15Ω y la del devanado inductor de 220Ω. La tensión de la red es de
220V. En condiciones nominales el motor gira a 1500 rpm. El flujo por polo vale 1.060.000 Maxwell.
Calcular:
1. Intensidad absorbida por el motor.
2. Potencia absorbida.
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3. Par o momento angular interno.
4. Si la intensidad admisible en el arranque es 2 veces la nominal, deducir el valor que deberá tener
la resistencia del reostato de arranque.
5. Momento angular o par de arranque.
Motor con excitación en serie:
El devanado de excitación se conecta en serie con el inducido, por lo tanto la Iex = Ii. Según aumenta la
intensidad del motor, el motor va perdiendo velocidad. Para intensidades muy pequeñas el motor tiende a
alcanzar velocidades muy elevadas.
Esquema de un motor de corriente continua con excitación en serie
Imagen 31. Esquema de un motor de corriente continua con excitación en serie.
Imagen de elaboración propia
Tiene un par elevado de arranque, ya que si la intensidad es elevada, el par crecerá de forma cuadrática a esa
intensidad.
La velocidad del motor disminuye según se le exige un mayor par resistente.
Gráficas de velocidad, par y par-velocidad en un motor con excitación en serie
Imagen 32. Gráficas de velocidad, par y par-velocidad en un motor con excitación en serie.
Imagen de elaboración propia
Pulsa sobre la imagen para ampliarla
Se utilizan para los casos que se exige un gran par de arranque: tranvías, locomotoras, grúas... etcétera, y es
muy práctica su utilización en tracción eléctrica.
Un motor serie posee una resistencia en el inducido de 0,2Ω. La resistencia del devanado de excitación
serie vale 0,1Ω. La tensión de la línea es de 220V y la f.c.e.m. es de 215V.
Determinar:
1. La intensidad que absorbe en el arranque.
2. La intensidad nominal de la línea.
3. La resistencia a conectar para reducir la intensidad de arranque al doble de la nominal.
Resolver el ejercicio:
a. Despreciando la caída de tensión en las escobillas.
b. Sin despreciar la caída de tensión en las escobillas.
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Motor con excitación en compound:
Las características del motor compound están comprendidas entre las del motor shunt y las del motor serie.
Estos motores se emplean en muy pocas ocasiones, debido al peligro de embalamiento para fuertes cargas.
Aún así su mayor utilización es en grúas, tracción, ventiladores, prensas, limadores, etcétera, y en máquinas
que requieran elevado par de arranque, como compresores, laminadoras, etcétera.
Motor de c.c. de pequeña potencia
Imagen 34. Motor de c.c. de pequeña potencia.
Fuente: Banco de imágenes del ITE . Creative Commons
Este problema es de un examen de prueba de acceso a la universidad, ¿lo hacemos?
Un motor de c.c. de excitación compound larga tiene por características:
F.c.e.m. E`= 230V.
Resistencia de inducido, Ri = 0,1Ω.
Resistencia de excitación serie, Rs = 0,1Ω.
Resistencia de excitación derivación, Rd = 40Ω.
Si se alimenta a una tensión de 240V, determinar:
1. Las corrientes que circulan por sus devanados.
2. La potencia mecánica suministrada (Potencia útil), la potencia absorbida de la línea de
alimentación, y las pérdidas de calor en sus devanados.
3. El par motor, sabiendo que gira a 1000 rpm.
Como habréis comprobado la resolución de problemas de máquinas eléctricas de corriente continua son
relativamente sencillos. Lo primero que tenéis que hacer para resolver cualquier ejercicio de este estilo es
dibujar su esquema y sustituir sus valores, al hacerlo se queda un circuito eléctrico sencillo donde hallaréis el
dato o los datos que os pidan.
Luego con el esquema del balance de potencias, el cálculo de cada una de ellas no es complicado.
Y por último el par, que manejando bien el balance de potencias no es complicado.
En el archivo de tareas se os propondrán varios ejercicios y habrá un apartado de problemas propuestos en
PAU, PAEG, etcétera.
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3.3.5. Inversión del sentido de giro
Existen 2 formas, cambiando la polaridad del inducido, manteniendo fija la polaridad del devanado de excitación
o viceversa.
En la práctica se suele optar por la primera, ya que invertir la polaridad de excitación ocasiona ciertos
inconvenientes.
Esquema de fuerza correspondiente a la inversión de giro de un motor con excitación serie
Imagen 36: Esquema de fuerza correspondiente a la inversión de giro de un motor con excitación serie.
Imagen de elaboración propia
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Tema 3: Máquinas eléctricas de corriente continua (c.c.)
3.3.6. Regulación y control de los motores de c.c.
En la actualidad y gracias a la electrónica, ya no se suelen utilizar los reóstatos como elementos de regulación.
Los modernos reguladores construidos a base de tiristores y sensores son capaces de conocer en todo
momento el punto de funcionamiento del motor de tal forma que se consigue el control y regulación de todas las
variables con la máxima efectividad.
Motor de c.c.
con excitación
shunt
Motor de c.c.
con excitación
serie
Imagen 37. Motor Imagen 38. Motor
de c.c. con
de c.c. con
excitación shunt. excitación serie.
Fuente: Banco
Fuente: Banco
de imágenes del de imágenes del
ITE. Creative
ITE Creative
Commons
Commons
Motor de c.c. con excitación
compound
Imagen 39. Motor de c.c. con
excitación compound.
Fuente: Banco de imágenes del
ITE. Creative Commons
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