Descripción constructiva de las máquinas de corriente continua (Parte 1ª)

Históricamente las máquinas de corriente continua han tenido una gran importancia, ya que su empleo como dinamos (generadores de c.c.) representó el primer procedimiento para producir energía eléctrica a gran escala.

En la actualidad, el modo de funcionamiento más característico de las máquinas de c.c. lo constituye su empleo como motor.

La ventaja fundamental de los motores de c.c. frente a los motores de c.a. se debe a su mayor grado de flexibilidad para el control de la velocidad y del par, lo cual hace muy interesante su aplicación en diversos accionamientos industriales: trenes de laminación, telares, tracción eléctrica, vehículo eléctrico, etc.

El empleo como dinamo ha quedado prácticamente obsoleto debido a que la c.a. presenta más ventajas para la generación, transporte y distribución de la energía eléctrica que la corriente continua. Por otro lado, cuando se necesita c.c. para una aplicación se recurre al empleo de rectificadores de silicio que convierten la c.a. de la red en c.c. de forma estática y con gran rendimiento.

El motor de corriente continua

Figura 1: Motor de corriente continua

El generador de corriente continua

Figura 2: Generador de corriente continua

Leyenda de la figura 2:

(1) Cojinetes

El eje del motor, sobre el que se monta el rotor, gira soportado por dos cojinetes.

(2) Polos de campo

Pueden ser bobinados o con imanes permanentes. Su función es generar un campo magnético constante que atraviesa el rotor del motor.

(3) Escobillas

El suministro de corriente al colector se realiza por medio de escobillas de grafito. Estas escobillas permanecen inmóviles en el espacio, dispuestas en los portaescobillas que aseguran un buen contacto con el colector.

(4) Polea ventilador y transmisión

Las bobinas del rotor (inducido) van conectadas al colector de delgas. Está formado por unos segmentos radiales de cobre, separados unos de otros por material aislante. Unas escobillas conducen la corriente de alimentación del motor a las bobinas del rotor.

(5) Colector delgas

Las bobinas del rotor (inducido) van conectadas al colector de delgas. Está formado por unos segmentos radiales de cobre, separados unos de otros por material aislante. Unas escobillas conducen la corriente de alimentación del motor a las bobinas del rotor.

(6) Rotor (armadura)

El rotor va montado sobre un eje y gira entre los polos del estátor. Tiene una serie de bobinas (inducido) encajadas en unas ranuras dispuestas en su superficie, normalmente axiales pero que pueden ser alabeadas (helicoidales) para producir un funcionamiento más suave.

(7) Polos de campo

Pueden ser bobinados o con imanes permanentes. Su función es generar un campo magnético constante que atraviesa el rotor del motor.

El Estator: Descripción y partes constituyentes

El estátor es la parte de la máquina que no se mueve. Sirve de circuito magnético para cerrar la trayectoria del flujo de excitación y da soporte mecánico al rotor.

Figura 3: Constitución del Estator

Leyenda de la figura 3:

(1) Zapata polar

Es la parte más próxima al rotor y se diseña para conseguir una mejor distribución del flujo sobre el rotor.

(2) Flujo magnético de excitación

·         Máquinas con devanado de excitación

 Figura 4: Motor c.c. con dos pares de polos

El campo magnético de excitación se genera haciendo circular una corriente eléctrica por una "bobina de campo".

Esta bobina suele montarse en forma de paquetes que se sitúan entorno del núcleo del polo.

·         Máquinas de imanes permanentes

Figura 5: Núcleos con imanes permanentes

En estas máquinas el núcleo del polo se fabrica de un material magnético permanente.

En máquinas de imanes permanentes pequeñas no hay ningún tipo de devanado de excitación.

Ahora bien, en máquinas mayores, el núcleo del polo se rodea con un devanado magnetizante que permite magnetizar el núcleo después del montaje y desmagnetizarlo antes de desarmarlo.

(3) Estátor

En máquinas de pequeña potencia se construye de hierro fundido pero en las máquinas grandes se realiza con plancha de acero curvada sobre un molde cilíndrico y posteriormente soldada en su base. El estátor está perforado en diversos puntos de la periferia para fijar los polos.

(4) Polos de excitación

Los polos se sitúan en el estátor a modo de extensión hacia el rotor. Modernamente se construyen en chapas de acero convenientemente apiladas sobre las que se coloca el devanado inductor o de excitación.

(5) Entrehierro

El entrehierro es el espacio que hay entre la cara del polo y la superficie del rotor.

Máquina de c.c. con 3 pares de polos

Al margen del devanado de excitación, si los requerimientos que se exigen a la máquina son elevados, se incorporan polos auxiliares que mejoran la conmutación y devanados en las zapatas polares para compensar las distorsiones del flujo magnético por efecto de la carga.

Figura 6: Máquina con 3 pares de polos

Leyenda de la figura 6:

(1) Devanados de excitación

Pueden ser bobinados o con imanes permanentes. Su función es generar un campo magnético constante que atraviesa al rotor del motor.

(2) Devanados auxiliares (de conmutación)

Permiten eliminar totalmente las chispas de las escobillas. Se conectan en serie con el inducido produciendo un campo magnético opuesto al del inducido.

Figura 7: Conexión de los devanados de excitación y de conmutación

Ejemplo de devanados de excitación y conmutación

Figura 8

 Polos de conmutación o interpolos

Permiten eliminar totalmente las chispas de las escobillas, tanto debido al desplazamiento de la línea neutra (reacción de inducido) como por motivo del golpe inductivo durante la conmutación.

Los polos de conmutación son pequeños núcleos que se colocan en la línea neutra teórica, que van provistos de un devanado que se conecta en serie con el inducido y que producen un campo magnético opuesto al de la reacción de inducido.

Disposición de los polos de conmutación

Figura 9: Situación de los polos de conmutación o interpolos

respecto de los principales

Estos polos no modifican en ninguna otra forma el funcionamiento de la máquina, porque son tan pequeños que sólo afectan a los pocos conductores sometidos a la conmutación.

Proceso de actuación de los polos de conmutación

Figura 10

Si la carga aumenta, la corriente del rotor aumenta, el plano neutro se desplaza y los efectos del golpe inductivo se incrementan. Sin embargo, el aumento de carga también produce que el flujo del polo auxiliar también crezca, produciendo un voltaje mayor en los conductores que van en sentido contrario al voltaje originado por el desplazamiento del plano neutro. El resultado neto es que sus efectos se anulan para una amplia gama de cargas.

Los polos de conmutación trabajan tanto para el funcionamiento de motores como de generadores, puesto que cuando la máquina cambia de conmutación cambian de dirección, por tanto, los efectos del voltaje se siguen anulando.

Polaridad del flujo en los polos de conmutación

Las polaridades de los polos de conmutación deben ser tales que induzcan voltajes en las bobinas que están en conmutación, en un sentido que ayuda a la inversión de la corriente. La regla de la mano derecha y el sentido de rotación determinan la polaridad de los polos de conmutación.

En el caso de un GENERADOR, el plano neutro se desplaza en la dirección de la rotación. Esto significa que los conductores sujetos a conmutación tienen la misma polaridad de voltaje que la de los polos que acaban de dejar. Para contrarrestar este voltaje, los polos de conmutación deben tener flujo contrario, que es el del flujo que sigue.

Es un generador, los polos auxiliares deben tener la misma polaridad que el siguiente polo principal que se acerca.

En un MOTOR, el plano neutro se desplaza en dirección contraria al sentido de la rotación y los conductores que van a ser objeto de conmutación tienen el mismo flujo que el polo al que se están aproximando. Con objeto de contrarrestar este voltaje, los polos auxiliares deben tener la misma polaridad que el polo anterior.

En un motor, los polos auxiliares deben tener la misma polaridad que el polo polar anterior.

(3) Devanados de compensación

Permiten cancelar completamente la reacción del inducido y con ello el efecto de desplazamiento del flujo magnético resultante y las chispas asociadas a éste.

 Figura 11: Ranuras en los polos para alojar el devanado de compensación

Este tipo de devanados consiste en la incorporación de bobinas en ranuras talladas en las caras de las expansiones polares. Estos quedan paralelos a los conductores del rotor y se conectan en serie con las bobinas del rotor de forma que generan un flujo magnético que compensa completamente el flujo del inducido, independientemente de la carga aplicada.

Como consecuencia, la f.m.m. neta resultante será justamente la f.m.m. debida a los polos de excitación para cualquier carga.

Los devanados de compensación son extremadamente caros, y sólo se les emplea en máquinas con un rendimiento de naturaleza extremadamente exigente.

Atención

Cualquier motor que use devanados de compensación debe usar además, polos de conmutación, puesto que las bobinas de compensación no eliminan los efectos provocados por el golpe inductivo. No obstante, los polos de conmutación no tienen que ser tan fuertes, ya que están cancelando solamente los voltajes L · di/dt de las bobinas y no los voltajes que se deben al desplazamiento del plano neutro.

Efecto de las bobinas de compensación en una máquina de c.c.

Figura 12

Continúa en: Descripción constructiva de las máquinas de corriente continua  (y Parte 2ª)
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