Motores CD

5/20/2018 Motores CD

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Ing. Hctor Garca Melchor

UNIDAD 1

GENERADORES DE CORRIENTE DIRECTA.

Objetivo: Comprender la construccin y operacin de un

generador de corriente directa.

1.1Fundamentos de generadores elctricos.

La mquina de corriente directa representa para algunos una especie en peligro de

extincin, en virtud de que la corriente directa hoy en da se obtiene a travs dedispositivos semiconductores (rectificadores electrnicos) y por tanto cada vez tienen

menor demanda los generadores de cd [1].

Una de las ventajas de la mquina de cd es que se puede trabajar como generador y

como motor sin hacer ninguna modificacin, lo cual implica que la construccin es la

misma, es decir no hay diferencias reales siendo la nica diferencia la direccin del

flujo de potencia [2] [3].

1.1.1 Principio de funcionamiento

El generador de cd basa su funcionamiento en el principio de induccin electromagntica

de Faraday, la cual establece que si hacemos girar una espira en un campo magntico seproduce una f.e.m. inducida en sus conductores. Conforme gira la espira, se produce una

fem en las terminales de la misma, esta tensin aparece entre las escobillas y por

consecuencia se transmite a la carga, como se aprecia en la figura 1.1 [4].

Figura 1.1 Generador de cd elemental.(T. Wildi, Mquinas elctricas y sistemas de

potencia, pg.72).

Figura 1.2 Voltaje inducido como funcin del tiempo enun Generador.(T. Wildi, Mquinas elctricas y sistemas de potencia, pg.72).


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Departamento de Metal-Mecnica Academia de Metal-Mecnica


Instituto Tecnolgico de la Costa Grande

La diferencia de potencial obtenida en el exterior a travs de un anillo colector y una

escobilla en cada extremo de la espira tiene carcter senoidal, durante la primera mitad del

ciclo se obtiene la misma tensin alterna pero, en el semiperiodo siguiente, se invierte la

conexin convirtiendo el semiciclo negativo en positivo (Ver figura 1.2).Para rectificar la corriente alterna inducida en el devanado del rotor, se remplazan los

anillos rozantes por un conmutador, de esta forma el voltaje inducido en las escobillas pulsa

pero no cambia de polaridad (ver figura 1.3). Debido a la polaridad constante en lasescobillas, esta mquina de cd recibe el nombre de generador de cd o dnamo [4].

1.2

Construccin y tipos de devanados en el generador de cd.

1.2.1 Construccin del generador de cd.La mquina de corriente directa puede funcionar como generador y/o como motor,por lo tanto su construccin es la misma independientemente de su funcionamiento

y solo la forma de excitacin determina si trabaja como motor o generador [5].

Las partes principales de una mquina de cd son:

Tapas frontal y superior. Carcasa.

Devanado de Armadura o inducido.

Rodamientos.

Eje o flecha.

Devanado de campo o inductor.

Conmutador.

Figura 1.3 Voltaje inducido como funcin del tiempo en un Generador.(T. Wildi, Mquinas elctricas y sistemas de potencia, pg.73).


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Escobillas.

Portaescobillas.

En la figura 1.4 se indican algunas de estas partes principales.

1.2.1.1 Devanado de campo

El devanado de campo tambin denominado Inductor o estator, es el responsable de

producir el campo magntico principal en la mquina. Est conformado bsicamente

por un electroimn montado en piezas polares para formar el estator electromagntico

(En motores pequeos el campo puede ser formado por imanes permanentes).

Los devanados de campo y las piezas polares son colocados en la carcasa. Es la partefija de la mquina [2], [4] y [6]. (Ver figura 1.5)

Figura 1.4 Partes principales de una mquina de corriente directa.(Siemens, Components in DC motors/Electrical Training Courses: Power distribution, motor & Controls,

Adaptado por el autor.).

Figura 1.5 Devanado de campo de una mquina de corriente directa.(Siemens, Components in DC motors/Electrical Training Courses: Power

distribution, motor & Controls, Adaptado por el autor.).


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1.2.1.2 Armadura

La armadura es la parte rotatoria de un generador de cd, de ah que tambin muchasveces se le llame rotor o inducido. Va montada en un eje y gira entre los polos de

los devanados de campo.Esta construida sobre el eje o flecha, ncleo, devanado yconmutador.Los devanados de armadura usualmente son montados de tal forma que se colocan

en las ranuras del ncleo. En la figura 1.6 se muestra una armadura de una mquina

de cd [2], [4] y [6].

1.2.1.3 Escobillas

Las escobillas son las que se encargan de trasmitir el voltaje generado a las cargas.

Estn colocadas en los lados del conmutador. Estn hechas de carbono y grafito.Estn sujetas a la estructura del estator de forma tal que mediante muelles o resortes se

asegura que las escobillas mantengan un contacto firme con las delgas del colector. En

la figura 1.7 se puede apreciar la forma en que van colocadas las escobillas [2], [4] y

[6].

Figura 1.6 Armadura de una mquina de corriente directa.(Siemens, Components in DC motors/Electrical Training Courses: Power distribution, motor &Controls, Adaptado por el autor.).

Figura 1.7 Ubicacin de las escobillas en una mquina de cd.(Siemens, Components in DC motors/Electrical Training Courses: Power

distribution, motor & Controls, Adaptado por el autor.).


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1.2.1.4 Conmutador

El conmutador junto con las escobillas son los responsables de hacer llegar la tensingenerada a las cargas. Est cconstituido esencialmente por piezas planas de cobre duro de

seccin trapezoidal, conocidas como delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgadaslminas de mica, formando el conjunto un tubo cilndrico aprisionado fuertemente. Elconmutador tiene tantas delgas como bobinas posee la armadura de la mquina. En la figura

1.7 se presenta como esta compuesto el conmutador.

1.2.2

Tipos de devanados en el generador de cd.

Como se ha indicado anteriormente el generador de cd tiene dos bobinas; el devanado

de campo y el devanado de armadura, enseguida se indican los tipos de devanados que

tiene cada uno de ellos [2], [7] y [8].

Devanado de campo: El devanado de campo se compone por la general de dos

bobinas que irn conectadas segn el tipo de excitacin que se desee en el

generador1

Devanado imbricado: Este devanado se distingue porque formatantas trayectorias paralelas como nmero de polos de campo

haya.se recomienda utilizar cuando se deseen latas corrientes y

bajas tensiones. En este tipo de devanados se utiliza un par de

.

Devanado de armadura: El devanado de armadura o inducido puede ser de dos tipos:

1Este tema se abordar con mayor profundidad en el subtema 1.2.3 de esta misma unidad.

Figura 1.8 Estructura del conmutador.(B.S. Gur,Mquinas elctricas y transformadores, pg.289).


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escobillas por cada dos trayectorias. En este devanado los extremos

de una bobina van conectados a dos delgas adyacentes del

conmutador. (ver figura 1.9).

Devanado ondulado: Este tipo de devanado tambin se denominadevanado serie en virtud de que todas las bobinas de armadura bajo

de pares de polos similares, estn en serie. Este tipo de devanado se

recomienda utilizar cuando se desean obtener altos voltajes y bajas

corrientes. En este devanado los extremos de una bobina van

conectados segmentos del conmutador que estn aproximadamente

360 elctricos (ver figura 1.10).

Figura 1.9 Diagrama del devanado polar de una mquina hexapolar de cc con devanado imbricado, 12 bobinas

y 12 segmentos del conmutador. Estructura del conmutador.(B.S. Gur,Mquinas elctricas y transformadores, pg. 293).


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1.2.3 Tipos de excitacin en el generador de C.D.

Los generadores de cd son mquinas de cd utilizadas como generador. Hay varios tipos

diferentes de generadores de cd que difieren entre s en la forma en que se derivan sus

flujos de campo. Estos mtodos afectan las caractersticas de salida de los diferentes tiposde generadores [2], [3], [8] y [9].

Figura 1.10 Mquina tretrapolar de cc con devanado ondulado y nueve ranuras que opera como generador.(B.S. Gur,Mquinas elctricas y transformadores, pg. 298).


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Los tipos comunes de generadores de cd son:

Generador de excitacin separada.

Generador en derivacin.

Generador en serie.

Generador compuesto acumulativo.

Generador compuesto diferencial.

1.2.3.1 Generador de excitacin separada.

En este tipo de generador el flujo principal se obtiene de una fuente de potencia

independiente del mismo generador. Una de sus caractersticas es que ofrece una tensin en

terminales casi constante cuando no se utiliza una resistencia de ajuste sobre la corriente decampo. Algunas de sus aplicaciones son:

Pruebas de laboratorio y comerciales.

Conjuntos con regulacin especial.

En la figura 1.11 aparece el circuito equivalente de este tipo de generador.

En la figura 1.12 se observa el comportamiento que tiene este generador en funcin de lacarga, con devanado de compensacin y sin devanado de compensacin.

Figura 1.11 Generador de cd de excitacin independiente.(S. J. Chapman,Mquinas elctricas, pg. 597).


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1.2.3.2 Generador de cd en derivacin.

En este tipo de generador el voltaje en las terminales es igual al que tiene el devanado de

campo debido a que ambos devanados estn conectados en paralelo, de ah que tambin se

le llame generador en paralelo o shunt.

Cuando el generador se encuentra sin carga, la corriente del inducido es la misma que lacorriente de campo. Cuando tiene carga, la corriente de la armadura suministra la corriente

de carga y la corriente de campo tal como se aprecia en la figura 1.13.

Este generador es capaz de aumentar el voltaje en sus terminales mientras exista algn flujo

remanente en los polos del campo. En la figura 1.14 se puede apreciar como aumenta elvoltaje en las terminales segn vara la corriente de campo en funcin de la resistencia de

campo.

Figura 1.12 Caracterstica de las terminales de un generador de cd de excitacin independiente. A) condevanados de compensacin; b) sin devanados de compensacin.

(S. J. Chapman,Mquinas elctricas, pg. 598).


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Figura 1.13 Circuito equivalente de un generador de cd en derivacin.(S. J. Chapman,Mquinas elctricas, pg. 603).

Figura 1.14 Crecimiento del voltaje en un generador en derivacin.(B. S. Gur,Mquinas elctricas y transformadores, pg. 324).


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1.2.3.3 Generador de cd en serie.

Como su nombre lo indica el devanado del inductor en un generador en serie se encuentra

conectado en serie con devanado del inducido y la fuente de excitacin. Debido a este tipode conexin, las corrientes que circulan por ambos devanados son muy altas y por lo tanto

el calibre del conductor ser mayor y con muy pocas vueltas de alambre comparado con eldevanado en derivacin.

En la figura 1.15 se muestra el circuito equivalente de un generador de cd en serie. La curvade magnetizacin de un generador serie se obtiene al excitar de manera separada el

devanado de campo serie. La tensin en las terminales del generador decrecer en funcin

de la reaccin de armadura presente en la mquina, es decir a mayor reaccin de armadura

le corresponde mayor cada de tensin en las terminales del generador. En la figura 1.16 sepuede apreciar este efecto.

Figura 1.15 Circuito equivalente de un generador de cd en serie.(S. J. Chapman,Mquinas elctricas, pg. 609).

Figura 1.16 Caractersticas del generador serie.(B. S. Gur,Mquinas elctricas y transformadores, pg. 331).


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1.2.3.4 Generador de cd compuesto acumulativo.

El generador compuesto es una combinacin del generador en derivacin o shunt y el

generador serie, por lo tanto mezcla las caractersticas adversas de ambos generadores paraformar uno solo, produciendo una tensin en las terminales de la mquina casi constante sin

importar si la mquina se opera en vaca o a plena carga.

En la figura 1.17 se puede apreciar el circuito equivalente de un generador compuesto

acumulativo con una conexin en derivacin larga. Los puntos que aparecen en las bobinasde campo indican la polaridad que tienen en un momento dado; en este caso se pude

observar que ambas bobinas tienen la misma polaridad incrementando por la tanto la fmm2.

En la figura 1.18 se puede apreciar el circuito equivalente de un generador compuesto

acumulativo con una conexin en derivacin corta.

2Fuerza magnetomotriz.

Figura 1.17 Circuito equivalente de un generador de cd compuestoacumulativo con derivacin larga.(S. J. Chapman,Mquinas elctricas, pg. 611).

Figura 1.18 Circuito equivalente de un generador de cd compuestoacumulativo con derivacin corta.(S. J. Chapman,Mquinas elctricas, pg. 612).


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1.2.3.5 Generador de cd compuesto diferencial.

Este generador es una variante del generador compuesto acumulativo, es decir se siguenutilizando tanto el devanado en derivacin como el devanado serie, con la nica diferencia

que las polaridades ahora son opuestas, provocando con ello una diferencia en su fmm

restndose la una de la otra. En la figura 1.19 se aprecia el circuito equivalente delgenerador compuesto diferencial.

Algunas caractersticas de este generador:

A medida que aumenta la corriente en la armadura, tambin se eleva la cada detensin en la armadura, esto provoca que tambin disminuya el voltaje en los bornes

de la mquina.

A medida que aumenta la corriente en la armadura, tambin se eleva la fmm delcampo serie provocando que la fuerza magnetomotriz neta de la mquina tambinse reduzca, decreciendo a su vez EA, dando como consecuencia una disminucin de

la tensin en las terminales del generador.

Estas caractersticas provocan que el voltaje en las terminales decrezca conforme se

incremente la carga.

Figura 1.19 Circuito equivalente de un generador de cd compuesto diferencialcon derivacin larga.(S. J. Chapman,Mquinas elctricas, pg. 616).


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Fuentes de consulta

[1] J. R. Cogdell, Motores de corriente directa, en Fundamentos de mquinas

elctricas, Mxico: Pearson Educacin, 2002, Cap. 6, pp. 252-279.

[2] B.S. Gur, Generadores de corriente continua, en Mquinas elctricas ytransformadores, Mxico: Oxford University Press, 2003, Cap. 5, pp. 284-342.

[3] J. J. Cathey, Mquinas de cd, enMquinas elctricas/Anlisis y diseo aplicando

Matl, Mxico: Mc. Graw Hill, 2002, Cap. 5, pp. 229-310.

[4] T. Wildi, Generadores de corriente directa, en Mquinas elctricas y sistemas de

potencia. 6 Ed., Mxico: Pearson, 2007, Cap. 4, pp. 71-93.

[5] Siemens, Components in DC motors/Electrical Training Courses: Powerdistribution, motor & Controls. (Internet). Recuperado el 10 de febrero de 2009 de:

http://www.sea.siemens.com/step/default.html

[6]

S. J. Chapman, Fundamentos de mquinas de corriente directa, en Mquinaselctricas, 4 Ed., Mxico: Mc. Graw Hill, 2005, Cap. 8, pp. 473-527.

[7] T Croft, C. Carr y J. H. Watt, Generadores y motores, en Manual del montador

electricista, 3 Ed., EEUU: Mc. Graw Hill, 1993, Cap. 7, pp 2-286.

[8] Mileaf H., Generador de cc, enElectricidad 6, Mxico: Limusa, 2000, pp 63-90.

[9] S. J. Chapman, Motores y generadores de corriente directa, en Mquinaselctricas, 4 Ed., Mxico: Mc. Graw Hill, 2005, Cap. 9, pp. 533-620.

[10] Generador elctrico: Descripcin del funcionamiento. (Internet). Recuperado el 10de febrero de 2009 de:http://mx.youtube.com/watch?v=yDP1ihcI9ts

[11]

Generador y motor elctrico: Descripcin del funcionamiento. (Internet).

Recuperado el 10 de febrero de 2009 de:http://www.youtube.com/watch?v=JeSs4UhROJY
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Sitios web de apoyo

[1]Electrical engineering training series, Direct current. (Internet). Recuperado el 10 de

febrero de 2009 de:http://www.tpub.com/neets/book5/15.htm

[2]

Sin autor, DC Generator. (Internet). Recuperado el 10 de febrero de 2009 de:http://www.k12.nf.ca/gc/scienceweb/physicsweb/Physics3204/studentprojs/Project26/d

c_generator.htm

[3]Principles of electricity Part 1, (Internet). Recuperado el 10 de febrero de 2009 de:http://www.youtube.com/watch?v=IpaEGhjpZgc

[4]Principles of electricity Part 2, (Internet). Recuperado el 10 de febrero de 2009 de:http://www.youtube.com/watch?v=nZjMARe6APs
http://www.tpub.com/neets/book5/15.htmhttp://www.k12.nf.ca/gc/scienceweb/physicsweb/Physics3204/studentprojs/Project26/dc_generator.htmhttp://www.k12.nf.ca/gc/scienceweb/physicsweb/Physics3204/studentprojs/Project26/dc_generator.htmhttp://www.k12.nf.ca/gc/scienceweb/physicsweb/Physics3204/studentprojs/Project26/dc_generator.htmhttp://www.youtube.com/watch?v=IpaEGhjpZgchttp://www.youtube.com/watch?v=IpaEGhjpZgchttp://www.youtube.com/watch?v=nZjMARe6APshttp://www.youtube.com/watch?v=nZjMARe6APshttp://www.youtube.com/watch?v=nZjMARe6APshttp://www.youtube.com/watch?v=IpaEGhjpZgchttp://www.k12.nf.ca/gc/scienceweb/physicsweb/Physics3204/studentprojs/Project26/dc_generator.htmhttp://www.k12.nf.ca/gc/scienceweb/physicsweb/Physics3204/studentprojs/Project26/dc_generator.htmhttp://www.tpub.com/neets/book5/15.htm

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