LOS MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA.

El motor de corriente continua o directa es básicamente un transductor de par que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. El par desarrollado por el eje del motor es directamente proporcional al flujo en el campo y a la corriente en la armadura.

Para comprender el principio de funcionamiento de un motor eléctrico de corriente continua, nos basaremos en el siguiente flujograma:

Algunas características de los motores de corriente continua son:

Poder regular continuamente la velocidad del eje o Un par de arranque elevado.

Es necesario aplicar corriente continua en el inducido (bobinado situado en el rotor) y en el inductor (bobinado o imán situado en el estator)

Sus partes principales (ya mencionadas en el flujograma) son:

Rotor

Constituye la parte móvil del motor, proporciona el torque para mover a la carga.

Está formado por:

EJE: Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación al núcleo, devanado y al colector.

NÚCLEO: Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de acero, su función es proporcionar un trayecto magnético entre los polos para que el flujo magnético del devanado circule.

DEVANADO: Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la armadura. Estas bobinas están alojadas en las ranuras, y están conectadas eléctricamente con el colector, el cual debido a su movimiento rotatorio, proporciona un camino de conducción conmutado.

COLECTOR: Denominado también conmutador, está constituido de láminas de material conductor (delgas), separadas entre sí y del centro del eje por un material aislante, para evitar cortocircuito con dichos elementos. El colector se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor, de modo que gira con éste y está en contacto con las escobillas. La función del colector es recoger la tensión producida por el devanado inducido, transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas (llamadas también cepillos).

EN ESTA FIGURA SE NOS MUESTRA EL MONTAJE DE LOS ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN AL ROTOR.

Estator

Constituye la parte fija de la máquina. Su función es suministrar el flujo magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento giratorio.

Está formado por:

ARMAZÓN: Denominado también yugo, tiene dos funciones primordiales: servir como soporte y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor y del imán permanente, para completar el circuito magnético.

IMÁN PERMANENTE: Compuesto de material ferromagnético altamente remanente, se encuentra fijado al armazón o carcaza del estator. Su función es proporcionar un campo magnético uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que interactúe con el campo formado por el bobinado, y se origine el movimiento del rotor como resultado de la interacción de estos campos.

Escobillas: Las escobillas están fabricadas se carbón, y poseen una dureza menor que la del colector, para evitar que éste se desgaste rápidamente. Se encuentran albergadas por los porta escobillas. Ambos, escobillas y porta escobillas, se encuentran en una de las tapas del estator.

La función de las escobillas es transmitir la tensión y corriente de la fuente de alimentación hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor.

La función del porta escobillas es mantener a las escobillas en su posición de contacto firme con los segmentos del colector. Esta función la realiza por medio de resortes, los cuales hacen una presión moderada sobre las escobillas contra el colector. Esta presión debe mantenerse en un nivel intermedio pues, de ser excesiva, la fricción desgastaría tanto a las escobillas como al colector; por otro lado, de ser mínima esta presión, se produciría lo que se denomina "chisporroteo", que es cuando aparecen chispas entre las superficies del colector y las escobillas, debido a que no existe un buen contacto.

Veamos en la siguiente figura como está constituido un estator:

TABLA DE ESTRUCTURA

La siguiente tabla muestra la distribución de las piezas del motor:

Como ya lo dijimos, los motores eléctricos de corriente continua son de gran facilidad para la regulación de velocidad, cambios o inversiones rápidas de la marcha, y sin necesidad de equipos costosos es posible efectuar control automático de torques y velocidades.

Por las ventajas descritas anteriormente se utilizan primordialmente en industrias Papeleras, Textileras, Químicas, Siderúrgicas y Metalúrgicas. En estos motores, el estator está formado por polos principales y auxiliares excitados por corriente continua, así mismo el rotor se alimenta con corriente continua mediante el colector de delgas y las escobillas.

TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE CONTINUA

Los motores de corriente continua se clasifican de acuerdo al tipo de bobinado del campo como motores en derivación, en Serie, Shunt, o Compuesto (Compound). Sin embargo algunos de ellos pueden ser auto excitados o de excitación separada o pueden tener campos de imán permanente.

Ellos muestran curvas muy diferentes de torque-velocidad y se conectan en diferentes configuraciones para diferentes aplicaciones. Algunos motores de corriente continua utilizan imán permanente como campo principal, especialmente los de potencia (HP) fraccionada (1/4,1/2,3/4) y baja potencia.

Los motores de imán permanente tienen la ventaja de no requerir una fuente de potencia para el campo, pero tienen la desventaja de ser susceptibles a la desmagnetización por cargas de choque eléctricas o mecánicas. Los campos de imán permanente no se pueden ajustar para entonar el motor para ajustarse a la aplicación, como pueden los de campo bobinado.

Veamos las características principales de la clasificación de los motores de corriente continua:

• EN DERIVACIÓN

El estator se alimenta con la misma tensión que el inducido. En los motores en derivación, el flujo por polo es prácticamente constante, y considerando que el par del motor es proporcional a la corriente y que la velocidad disminuye linealmente al aumentar esta, se tiene un motor en el que la velocidad varia muy poco cuando varía el par, por lo cual se utilizan en casos donde la velocidad debe ser lo más independiente posible de la carga.

Los motores con excitación independiente son prácticamente iguales a los anteriores.

• INDEPENDIENTE

El estator y el inducido se alimentan con fuentes separadas o independientes.

MOTOR EN SERIE

El estator y el inducido se conectan de modo tal que por ellos circule la misma corriente. En un motor serie, el flujo del campo es una función de la corriente de la carga y de la curva de saturación del motor. A medida que la corriente de la carga disminuye desde plena carga, el flujo disminuye y la velocidad aumenta. Para cada motor serie, hay una mínima carga segura determinada por la máxima velocidad de operación segura. En los motores serie, la corriente del inducido atraviesa los polos y como el flujo producido en un polo depende de la corriente, el flujo será variable. El comportamiento típico de este motor es el siguiente:

El par del motor crece al principio en forma cuadrática, más adelante, crece en forma lineal.

La velocidad disminuye más que proporcionalmente al crecer la intensidad.

Por lo cual, se tiene un par muy elevado a velocidades pequeñas (arranque) y velocidades muy grandes con pares muy pequeños. Este tipo de motores no puede funcionar en vacío puesto que en estas condiciones el flujo es muy pequeño y según la velocidad aumenta produciéndose un embalamiento. No pueden usarse en aplicaciones donde la carga pueda faltar ocasionalmente. Suelen utilizarse para tracción eléctrica, grúas, etc.

MOTORES COMPOUND O COMPUESTOS

Es una combinación de las conexiones en serie y en derivación. Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt. Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de armadura.

El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de armadura varia, y es directamente proporcional a la carga. El campo serie se conecta de manera tal que su flujo se añade al flujo del campo principal shunt. Los motores compound se conectan normalmente de esta manera y se denominan como compound acumulativo.

Esto provee una característica de velocidad la cual no es tan “dura” o plana como la del motor shunt, no tan “suave” como un motor serie. Un motor compound tiene un limitado rango de debilitamiento de campo, la debilitación del campo puede resultar en exceder la máxima velocidad segura del motor sin carga. Los motores de corriente continua compound son algunas veces utilizados donde se requiera una respuesta estable de torque constante a través de un amplio rango de velocidad. Los compuestos tienen características intermedias a los motores en serie y derivación. Presentan elevados pares de arranque y no tienen velocidades tan altas a bajas cargas.

MOTOR SHUNT

En un motor shunt, el flujo es constante si la fuente de poder del campo es fija. Asuma que el voltaje de armadura Et es constante. A medida que la corriente de la carga disminuye desde plena carga a sin carga, la velocidad debe aumentar proporcionalmente de manera que la fuerza contra electromotriz Ec aumentará para mantener la ecuación en balance. A voltaje nominal y campo completo, la velocidad del motor shunt aumentará 5% a medida que la corriente de carga disminuya de plena carga a sin carga. La reacción de armadura evita que el flujo de campo permanezca absolutamente constante con los cambios en la corriente de la carga. La reacción de armadura, por lo tanto causa un ligero debilitamiento del flujo a medida que la corriente aumenta. Esto tiende a aumentar la velocidad del motor. Esto se llama “inestabilidad” y el motor se dice que está inestable.

GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA

Los generadores de corriente continua son máquinas que transforman la energía mecánica en energía eléctrica. Su funcionamiento se reduce siempre al principio de la bobina giratorio dentro de un campo magnético.

Si una armadura gira entre dos polos magnéticos fijos, la corriente en la armadura circula en un sentido durante la mitad de cada revolución, y en el otro sentido durante la otra mitad.

Para producir un flujo constante de corriente en un sentido, o corriente continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución.

En las máquinas antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el eje de una armadura. Las dos mitades del anillo se aislaban entre sí y servían como bornes de la bobina. Las escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contacto con el conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la bobina a los cables externos.

Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la corriente invertía su sentido dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de un sentido en el circuito exterior al que el generador estaba conectado. Los generadores de corriente continua funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos. El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1.500 voltios. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR.

EL EXPERIMENTO DE FARADAY: Durante 1831 y 1832, Michael Faraday descubrió que un conductor eléctrico moviéndose perpendicularmente a un campo magnético generaba una diferencia de potencial .

Aprovechando esto, construyó el primer generador electromagnético, el disco de Faraday, un generador homopolar, empleando un disco de cobre que giraba entre los extremos de un imán con forma de herradura, generándose una pequeña corriente continua.

También fue utilizado como generador de energía en una bicicleta para producir luz de poca intensidad.

Haciendo girar una espira en un campo magnético se produce una f.e.m. inducida en sus conductores. La tensión obtenida en el exterior a través de un anillo colector y una escobilla en cada extremo de la espira tiene carácter senoidal.

Conectando los extremos de la espira a unos semianillos conductores aislados entre sí, conseguiremos que cada escobilla esté siempre en contacto con la parte de inducido que presenta una determinada polaridad.

Durante un semiperiodo se obtiene la misma tensión alterna pero, en el semiperiodo siguiente, se invierte la conexión convirtiendo el semiciclo negativo en positivo.

TIPOS DE GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA.

GENERADOR DE EXCITACIÓN EN SERIE

El devanado inductor se conecta en serie con el inducido, de tal forma que toda la corriente que el generador suministra a la carga fluye por igual por ambos devanados.

Dado que la corriente que atraviesa al devanado inductor es elevada, se construye con pocas espiras de gran sección.

Tiene el inconveniente de no excitarse al trabajar en vacío. Así mismo se muestra muy inestable por aumentar la tensión en bornes al hacerlo la carga, por lo que resulta poco útil para la generación de energía eléctrica.

Para la puesta en marcha es necesario que el circuito exterior esté cerrado.

ESQUEMA DE UN GENERADOR DE EXCITACIÓN EN SERIE

A partir de una tensión máxima, el aumento de intensidad hace decrecer la tensión en bornes. Ello es debido a que la reacción de inducido empieza a ser importante, las caídas de tensión van aumentando y, sobre todo, los polos inductores se van saturando con lo que el flujo no crece en la misma proporción que la intensidad.

A partir de una tensión máxima, el aumento de intensidad hace decrecer la tensión en bornes. Ello es debido a que la reacción de inducido empieza a ser importante, las caídas de tensión van aumentando y, sobre todo, los polos inductores se van saturando con lo que el flujo no crece en la misma proporción que la intensidad.

Como en el resto de las máquinas autoexcitadas, se necesita un cierto magnetismo remanente que permita la creación de corriente en el inducido al ponerse en movimiento los conductores.

El sentido de giro de la máquina siempre ha de ser tal que el campo creado refuerce al del magnetismo remanente, de lo contrario, lo anularía y la dinamo no funcionará.

GENERADOR DE EXCITACIÓN COMPUESTA (COMPOUND).

En el generador con excitación mixta o compuesta el circuito inductor se divide en dos partes independientes, conectando una en serie con el inducido y otra en derivación.

Existen dos modalidades, la compuesta corta que pone el devanado derivación directamente en paralelo con el inducido (EAC) y la compuesta larga que lo pone en paralelo con el grupo formado por el inducido en serie con el otro devanado (FC).

El devanado serie aporta solamente una pequeña parte del flujo y se puede conectar de forma que su flujo de sume al flujo creado por el devanado paralelo (aditiva) o de forma que su flujo disminuya el flujo del otro devanado (diferencial).

Así mismo, en función del número de espiras del devanado serie su aportación de flujo será mayor o menor, dando lugar a los tipos: hipercompuesta, normal, hipocompuesta y diferencial.

ESQUEMA DE UN GENERADOR DE EXCITACIÓN EN 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 mucho más estable para cualquier régimen de carga.

La gran estabilidad conseguida en la tensión por éstos generadores o dinamos los convierte, en la práctica, en las más utilizadas para la generación de energía.

A medida que aumenta la intensidad de consumo, la excitación en paralelo disminuye, pero la excitación en serie aumenta. De este modo puede conseguirse una tensión de salida prácticamente constante a cualquier carga.

GENERADOR EN DERIVACIÓN O DE EXCITACIÓN EN PARALELO ( SHUNT )

Siendo la dinamo o generador shunt una máquina autoexcitada, empezará a desarrollar su voltaje partiendo del magnetismo residual tan pronto como el inducido empiece a girar. Después a medida que el inducido va desarrollando voltaje este envía corriente a través del inductor aumentando él número de líneas de fuerza y desarrollando voltaje hasta su valor normal.

Puesto que circuito inductor y el circuito de la carga están ambos conectados a través de los terminales de la dinamo, cualquier corriente engendrada en el inducido tiene que dividiese entre esas dos trayectorias en proporción inversa a sus resistencias y, puesto que la parte de la corriente pasa por el circuito inductor es relativamente elevada, la mayor parte de la corriente pasa por el circuito de la carga, impidiendo así el aumento de la intensidad del campo magnético esencial para producir el voltaje normal entre los terminales.

El voltaje de una dinamo shunt variara en razón inversa de la carga, por la razón mencionada en el párrafo anterior. El aumento de la carga hace que aumente la caída de voltaje en el circuito de inducción, reduciendo así el voltaje aplicado al inductor, esto reduce la intensidad del campo magnético y por con siguiente, el voltaje del generador. Si se aumenta bruscamente la carga aplicada a una dinamo

shunt la caída de voltaje puede ser bastante apreciable; mientras que si se suprime casi por entero la carga, la regulación de voltaje de una dinamo shunt es muy defectuosa debido a que su regulación no es inherente ni mantiene su voltaje constante.

Estos generadores se adaptan bien a trabajos fuertes, pero pueden emplearse para el alumbrado por medio de lámparas incandescentes o para alimentar otros aparatos de potencia constante en los que las variaciones de carga no sean demasiado pronunciadas.

La dinamo shunt funciona con dificultad en paralelo porque no se reparte por igual la carga entre ellas.

ESQUEMA DE UN GENERADOR DE EXCITACIÓN SHUNT