Actividades de Máquinas Eléctricas y Automatismos 5º año Electromecánica

Profesores: Claudio Lavie e-mail: claudio.lavie@hotmail.com Mauricio Ramirez

En el siguiente archivo se expresan los contenidos programados para el primer trimestre. A continuación se presentan las actividades guía para el desarrollo de los temas propuestos para dicho trimestre. La resolución de las mismas deberá ser enviada vía e-mail con nombre y apellido del alumno o alumna. También pueden realizarse consultas referidas a las actividades en caso de presentarse inconvenientes en la resolución.

1) Realizar una lectura comprensiva del apunte.2) ¿Qué es una dinamo y cuál es su función o propósito?3) Completar el siguiente grafico simplificado de una máquina de cc definiendo las partes principales de su estructura.

4) Clasificar y caracterizar los tipos de excitación de una dinamo.5) Realizar una interpretación escrita de la manera en las que evolucionan las curvas características de cada tipo de excitación de la dínamo.6) ¿Qué es un motor de cc y cuál es su función o propósito?7) Clasificar los tipos de excitación de un motor de cc y expresar si existen diferencias respecto de una dínamo (circuito, fórmulas, curvas características).8) Observar detenidamente los gráficos de inversión de giro de un motor de cc. Realizar y redactar un razonamiento acerca de los mismos.9) Ver al final del archivo actividad de cálculo.

MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

Los Motores y generadores eléctricos, son un grupo de aparatos que se utilizan para convertir la energía mecánica en eléctrica, o a la inversa, con medios electromagnéticos. A una máquina que convierte la energía mecánica en eléctrica se le denomina generador, alternador o dínamo, y a una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica se le denomina motor.

Dos principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los motores. El primero es el principio de la inducción descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831. Si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las proximidades de un circuito de conducción fijo cuya intensidad puede variar, se establece o se induce una corriente en el conductor. El principio opuesto a éste fue observado en 1820 por el físico francés André Marie Ampère. Si una corriente pasaba a través de un conductor dentro de un campo magnético, éste ejercía una fuerza mecánica sobre el conductor.

La máquina dinamoeléctrica más sencilla es la dinamo de disco desarrollada por Faraday, que consiste en un disco de cobre que se monta de tal forma que la parte del disco que se encuentra entre el centro y el borde quede situada entre los polos de un imán de herradura. Cuando el disco gira, se induce una corriente entre el centro del disco y su borde debido a la acción del campo del imán. El disco puede fabricarse para funcionar como un motor mediante la aplicación de un voltaje entre el borde y el centro del disco, lo que hace que el disco gire gracias a la fuerza producida por la reacción magnética.

El campo magnético de un imán permanente es lo suficientemente fuerte como para hacer funcionar una sola dinamo pequeña o motor. Por ello, los electroimanes se emplean en máquinas grandes. Tanto los motores como los generadores tienen dos unidades básicas: el campo magnético, que es el electroimán con sus bobinas, y la armadura, que es la estructura que sostiene los conductores que cortan el campo magnético y transporta la corriente inducida en un generador, o la corriente de excitación en el caso del motor. La armadura es por lo general un núcleo de hierro dulce laminado, alrededor del cual se enrollan en bobinas los cables conductores.

GENERADORES DE CC O DÍNAMOS

Una dínamo es una máquina eléctrica que produce energía eléctrica en forma de corriente continua aprovechando el fenómeno de inducción electromagnética. Para ello está dotada de un armazón fijo (estator) encargado de crear el campo magnético en cuyo interior gira un cilindro (rotor) donde se crearán las fuerzas electromotrices inducidas (fem). ESTRUCTURA

Estator: Formado por una corona de material ferromagnético denominada culata o yugo en cuyo interior, regularmente distribuidos y en número par, van dispuestos unos salientes radiales con una expansión en su extremo, denominados polos, sujetos por

tornillos a la culata. Rodeando los polos, se hallan unas bobinas de hilo, o pletina de cobre aislado, cuya misión es, al ser alimentadas por corriente continua, crear el campo magnético inductor de la máquina, el cual presentará alternativamente polaridades norte y sur. Salvo las máquinas de potencia reducida, en general de menos de 1 kW, encontramos también en el estator, alternando los polos antes citados, otros llamados polos de conmutación.

Rotor: Formado por una columna de material ferromagnético, a base de chapas de hierro, aisladas unas de las otras por una capa de barniz o de óxido. La corona de chapa magnética presenta en su superficie externa un ranurado donde se aloja el devanado inducido de la máquina. Este devanado esta constituido por bobinas de hilo o de pletina de cobre convenientemente aislados, cerrado sobre si mismo al conectar el final de la última bobina con el principio de la primera.

Colector: Constituido esencialmente por piezas planas de cobre duro de sección trapezoidal, llamadas delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadas láminas de mica, formando el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado fuertemente. El colector tiene tantas delgas como bobinas posee el devanado inducido de la máquina.

Escobillas: dispuestas en los porta escobillas, de bronce o latón, que retienen las escobillas que establecerán el enlace eléctrico entre las delgas y el colector y el circuito de corriente continua exterior.

EXCITACIÓN DE LA DÍNAMO

Aunque existen máquinas de corriente continua con imanes permanentes, lo normal es que el campo magnético esté creado por bobinas inductoras dispuestas en el estator alrededor de los polos principales. Según la fuente de alimentación de estas

bobinas, se distinguen dos tipos de excitación: Excitación independiente y Autoexcitación.

La excitación independiente significa que la corriente continua que alimenta el devanado inductor procede de una fuente independiente de la máquina, como una batería de acumuladores, un rectificador conectado a una red alterna, o bien un generador de corriente continua rotativo. En este último caso, si el generador va montado sobre el propio eje de la máquina, la excitación independiente se denomina excitación propia.

La autoexcitación significa que la corriente continua que excita las bobinas inductoras procede de la misma máquina generatriz. Para obtener la autoexcitación o cebado de la máquina, es preciso que exista un pequeño flujo en el circuito magnético, flujo que es posible producir y mantener gracias al fenómeno de histéresis magnética. Gracias a este flujo remanente, al hacer girar el inducido se inducirá en él una pequeña f.e.m., que aplicada al circuito inductor, con la polaridad conveniente, genera una débil corriente que refuerza el magnetismo remanente y la f.e.m. inicial, debida al flujo remanente, se incrementará. A mayor f.e.m., corresponderá mayor corriente, con el refuerzo consiguiente del flujo, luego se produce un nuevo aumento de la f.e.m. y así sucesivamente hasta alcanzar un equilibrio o estabilidad de la tensión en bornes que se traducirá en una constancia de la corriente de excitación y por tanto del flujo. A esta estabilidad se llega por causa de otra propiedad característica de los materiales magnéticos, la de saturación.

Dependiendo de la conexión entre el devanado inductor y el inducido se distinguen tres tipos de máquinas autoexcitadas: la máquina serie, la máquina derivación y la máquina compuesta o compound.

CURVAS CARACTERÍSTICAS

El funcionamiento de una máquina de cc depende de cuatro variables: la velocidad N, La corriente de excitación i, la tensión en bornes U y la corriente I del inducido. Si se toma una de las magnitudes como constante, otra como parámetro, otra como variable y otra como función, se obtiene una familia de curvas. Las características usuales de una dinamo se obtienen a partir de tomar:

DÍNAMO CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

 

A B

A - La curva es rectilínea hasta que comienza la saturación magnética del núcleo, punto a partir del cual la fem crece cada vez menos con relación a la corriente de excitación hasta hacerse constante.

B – La tensión en bornes varía en relación a la corriente de carga de la dínamo. También se ve afectada por las caídas de tensión internas del inducido y por la reacción del inducido.

DÍNAMO EXCITACIÓN DERIVACIÓN EN CARGA

La tensión en bornes disminuye por la resistencia interna, la reacción del inducido y por la corriente de la carga, hasta un punto crítico a partir del cual se produce la desmagnetización donde la tensión cae hasta hacerse cero.

DÍNAMO CON EXCITACIÓN EN SERIE

La tensión crece en forma proporcional a la corriente de carga hasta la saturación del núcleo punto partir del cual la tensión cae bruscamente hasta hacerse cero con un valor alto de corriente (cortocircuito).

DÍNAMO COMPOUND O MIXTA

Las curvas varían dependiendo de las conexiones de los dos campos. Si los campos se suman tenemos la dínamo compound adicional (hiper o hipo) Si los campos se restan obtenemos la dínamo diferencial.

MOTORES DE CC

Un motor de CC consiste esencialmente en una dínamo trabajando en régimen inverso, es decir, se conecta una tensión U que da lugar al paso de una intensidad I por el inducido y como consecuencia un par electromagnético que hace girar el motor, cuyo giro produce a su vez una fcem (fuerza contra electromotriz) opuesta a la tensión.

El sentido de la corriente en la espira se ha de invertir en cada semiperíodo, al cruzar el conductor activo la línea neutra. Esto se consigue mediante el cambio de escobillas en contacto con el colector tal como lo indica la figura.

CURVAS CARACTERÍSTICAS

Motor con excitación independiente

Requiere una alimentación adicional para el campo

A corriente de excitación fija, la característica es similar a la del motor derivación. Puede controlarse el motor tanto variando la tensión de excitación como la corriente

del inducido. Debe tenerse la precaución de alimentar el campo antes del inducido

MOTOR DE CC DERIVACIÓN O SHUNT

El par de arranque es menor que en el motor serie. Si el motor está en vacío, la velocidad apenas varía, es mucho más estable. Cuando el par varía, la velocidad apenas lo hace.

Aplicación: Casos en donde no se requiere un alto par de arranque pero sí una regulación de velocidad precisa, por ejemplo en máquinas herramientas.

MOTOR DE CC SERIE

Puede desarrollar un alto par de arranque. Si disminuye la carga, el motor incrementa excesivamente su velocidad, esto puede ser

peligroso.

Aplicación: Casos en donde se requiere elevado par de arranque a pequeñas velocidades y bajo par a velocidades altas, el motor siempre debe tener carga. Ejemplo: Locomotoras.

INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO

Para invertir el sentido de giro hay que invertir el sentido de la circulación de la corriente y por ende la polaridad magnética en el campo o en inducido.

9) Analizar la resolución de la actividad expuesta más abajo y resolver el siguiente problema:

Un motor de corriente continua con excitación SERIE de potencia útil 10CV (7350W) se alimenta con 200V, siendo la resistencia del devanado inductor 0,8, la del inducido 0,3 y su fuerza contrelectromotriz inducida de 134V. Se pide:

a) Intensidad que pasa por cada una las bobinas.

b) Pérdidas en el cobre.

c) Rendimiento.

d) El par motor si éste gira a 2200 r.p.m.