REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA
INTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGÍA
“DR. FEDERICO RIVERO PALACIO”
REGIÓN CAPAPITAL
ING. ELÉCTRICA
TEORIA ELECTROMAGNETICA
EL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
Facilitador:
Ing. Jesús Muñoz
Participantes:
Edgar Cárdenas C.I. V-8.773.352
Edgar Rico C.I. V-15.332.787
Jaime Bencomo C.I. V-9.483.766
Caracas, Septiembre de 2011
INDICE
INTRODUCCION
RESEÑA HISTORICA
PRINCIPIOS GENERALES DE LA MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA
CONFIGURACION GENERAL DE LA MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA
MAGNITUDES FUNDAMENTALES EN LA MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA
Par Electromagnético
Relación de Potencia
MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
ESTRUCTURA DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
FUNDAMENTOS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA
TIPOS DE CONEXIÓN
Conexión Derivación
Conexión Serie
CONCLUSIONES
INTRODUCCION
El objetivo del presente informe es explicar el principio del funcionamiento de las Maquinas de Corriente Continua, específicamente en los motores de corriente continua
Se presenta la estructura, los fundamentos Fisicos-Matematicos, los principios generales, los sistemas de excitación donde se establecen las clasificaciones y tipos de conexiones de la Maquina de Corriente Continua y de los Motores de Corriente Continua.
Se hace un análisis de la Reacción de inducido y de la Conmutación como elementos claves para comprender los fenómenos electromagnéticos presentes en las Maquinas de Corriente Continua en general.
Finalmente se presenta una breve conclusión como complemento de la información para mejor entendimiento del tema desarrollado por el equipo de trabajo.
RESEÑA HISTORICO
Corría el año 1819 cuando el físico danés Han Oersted, al demostrar a estudiantes el calentamiento eléctrico de un alambre de platino conectado a una pila voltaica Θ, advierte que la aguja de una brújula próxima se mueve cada vez que se establece la conexión eléctrica del ensayo. Advierte entonces que debe haber una relación entre la electricidad y el magnetismo.
Este fenómeno experimental tuvo una base teórica (con una prontitud notable) de la mano de André Marie Ampere el cual propuso que un campo magnético envolvía el cable que conduce la corriente (esto fue luego comprobado extensamente por los experimentos de Michael Faraday). Con ello sentó las bases de un nuevo principio – el electromagnetismo- y diferenció tensión eléctrica de corriente eléctrica como causa y efecto respectivamente.
Experimentando con dos conductos paralelos, uno móvil y otro fijo, encuentra que si la corriente se desplaza en la misma dirección por ambos conductores, el conductor fijo atrae al conductor móvil; en cambio, si la corriente se desplaza en sentidos opuestos, los conductores se repelen. En este experimento encuentra un comportamiento análogo al de los imanes le ayuda a dar forma a las primeras relaciones fundamentales.
El siguiente paso en esta historia lo dio Faraday.
Con respecto a él es evidente que estaba al tanto de todos los descubrimientos de sus contemporáneos al igual que Ampere. En 1821 dibujó un campo magnético alrededor de un conductor transportando corriente eléctrica.
En 1831 Michael Faraday analizando las consecuencias de la Ley de Ampere (la corriente eléctrica produce un campo magnético) trató de obtener el caso antagónico (el campo debería producir corriente), y tras un experimento fallido en el que supuso que con dos circuitos próximos induciría corriente en uno de ellos, decidió sustituir uno de los circuitos por un imán y encontró que al moverlo se creaba una corriente en el que le quedaba. O sea: el magnetismo produce electricidad a través del movimiento (o mejor dicho: cualquier cambio en el campo produce electricidad).
La máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, par y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos. Pero con la llegada de la electrónica su uso ha disminuido en gran medida, pues los motores de corriente alterna, del tipo asíncrono, pueden ser controlados de igual forma a precios más accesibles para el consumidor medio de la industria. A pesar de esto los motores de corriente continua se siguen utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, micros motores, etc.
PRINCIPIOS GENERALES DE LA MAQUINAS DE C.C.
“Un Conductor Sometido a la acción de un Flujo Variable índices una f.e. m. de valor:
“Un Conductor, por el Circula una intensidad de corriente “I”, y sometido a la acción
de un campo magnético B , sufre una fuerza cuyo valor es:
En su funcionamiento de régimen, ambos fenómenos ( f.e.m inducidas y fuerzas electromagnéticas) aparecen conjuntamente, siendo por tanto un sistemas bidireccional en cuanto a la transformación energética que se produce.
- Funcionamiento como Generador.
- Funcionamiento como motor.
CONFIGURACION GENERAL DE LA MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA
En su funcionamiento como generador, hacemos girar la espira en el interior del campo creado por los polos N-S de la maquina. Los lados activos 1 y 1 de la espira se desplazaran frente a los polos siendo el flujo abarcado por la espira:
La Variación de flujo a través de la espira, da origen a una f.e.m daba por:
MAGNITUDES FUNDAMENTALES EN LAS MAQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA.
f.e.m generada en el inducido.
La f.e.m. inducida en el conductor que desplaza en interior de un campo magnético podemos expresarla:
Suponiendo constante la inducción a lo largo del conductor, y dado que por la estructura física, de la maquina, esta es perpendicular a dl y a v, podemos poner:
Siendo Bm el valor medio de la inducción a lo largo de un paso polar.
El valor de la inducción media podemos obtenerlo a partir de la forma de onda bajo polo.
Siendo:
Llamado
- “N” nº total de conductores activo.
- “I” longitud activa de cada conductor.
- “v” velocidad de giro de inductivo.
- “2ª” numero de circuito en derivación en función de las características del devanado inducido.
- “D” diámetro del inductivo.
- “n” velocidad en revoluciones por minutos.
- “2p” numero de polos de la maquina.
La velocidad del inducido podemos expresarla:
Siendo la relación N^2ª el numero del conductorespor cada rama en paralelo, y sustituyendo en la expresion de la f.e.m., tendremos:
En una maquina ya definida cumple:
Luego podemos poner:
Suponiendo un comportamiento lineal en la maquina, la expresión anteriores podemos ponerla:
Par electromagnético.
La expresión que nos permite calcular el par electromagnético o par interno en la maquina podemos deducirla a partir de la fuerza ejercida sobre el conductor, por el que pasa una corriente y se encuentra sometido a la acción de un campo.
Recordemos que dicha fuerza nos viene dada por:
Dando lugar a un par de giro dado por:
Siendo “N” el número de conductores de inducido, el par resultante será:
Cuando el número de conductores es elevado:
Siendo Bm,, el valor medio de la inducción a lo largo de un paso polar.
Dicho valor lo podemos obtener a partir de la forma de onda.
Siendo:
A su vez:
Sustituyendo en la expresión de la inducción media:
Siendo la corriente por cada conductor “I”, en función de la corriente de inducido:
Sustituyendo en la expresión del par:
En una maquina ya definida:
Por lo que nos quedaría:
Y puesto que el flujo 0 es proporcionar a la corriente de excitación Iex, podemos expresar la relación anterior:
Relación de potencia.
En su funcionamiento como generador, la f.e.m inducida en un conductor vale:
Cuando la maquina funciona en carga, circulara una corriente por los conductores del devanado inducido, aportando una potencia eléctrica al circuito exterior dada por:
La circulación de la corriente por el devanado inducido origina la fuerza que tiende a oponerse al desplazamiento de los conductores (par resistente), que debe ser contrarrestada por la maquina motriz, necesitándose el aporte de una potencia mecánica de valor:
Cuando la maquina funciona como motor, la potencia mecánica puesta en juego será
El desplazamiento de los conductores del inducido da origen a una f.e.m generada (f.c.e.m), cuyo valor conocemos:
La potencia eléctrica puesta en juego será:
MOTOR DE CORRIENTE CONTINÚA
Un motor eléctrico de Corriente Continua es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos.
ESTRUCTURA DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA
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.
FUNDAMENTOS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES ELÉCTRICOS
En magnetismo se conoce la existencia de dos polos: polo norte (N) y polo sur (S), que son las regiones donde se concentran las líneas de fuerza de un imán. Un motor para funcionar se vale de las fuerzas de atracción y repulsión que existen entre los polos. De acuerdo con esto, todo motor tiene que estar formado con polos alternados entre el estator y el rotor, ya que los polos magnéticos iguales se repelen, y polos magnéticos diferentes se atraen, produciendo así el movimiento de rotación.
Un motor eléctrico opera primordialmente en base a dos principios: El de inducción, descubierto por Michael Faraday en 1831; que señala, que si un conductor se mueve a través de un campo magnético o está situado en las proximidades de otro conductor por el que circula una corriente de intensidad variable, se induce una corriente eléctrica en el primer conductor. Y el principio que André Ampere observo en 1820, en el que establece: que si una corriente pasa a través de un conductor situado en el interior de un campo magnético, éste ejerce una fuerza mecánica o f.e.m. (fuerza electromotriz), sobre el conductor.
El movimiento giratorio de los motores de C.C. se basa en el empuje derivado de la repulsión y atracción entre polos magnéticos. Creando campos constantes convenientemente orientados en estator y rotor, se origina un par de fuerzas que obliga a que la armadura (también le llamamos así al rotor) gire buscando "como loca" la posición de equilibrio.
Gracias a un juego de conexiones entre unos conductores estáticos, llamados escobillas, y las bobinas que lleva el rotor, los campos magnéticos que produce la armadura cambian a medida que ésta gira, para que el par de fuerzas que la mueve se mantenga siempre vivo.
Se utilizan en casos en los que es importante el poder regular continuamente la velocidad del motor, además, se utilizan en aquellos casos en los que es imprescindible utilizar corriente directa, como es el caso de motores accionados por pilas o baterías. Este tipo de motores debe de tener en el rotor y el estator el mismo número de polos y el mismo número de carbones.
Los motores de corriente continua se clasifican en:
- Serie
- Paralelo
- Compound
TIPOS DE CONEXIÓN
Según la Relación entre el campo y la velocidad se puede controlar el motor de continua tanto al variar la tensión de armadura como variando el campo que es igual a variar la corriente del bobinado de campo, que a su vez es igual a cambiar la tensión que alimenta dicho bobinado.
Si bien no nos interesa en este momento los pormenores del control de velocidad – que, además, se escapa a los alcances de esta publicación- sí queremos estimular la idea de que hay dos bobinados para conectar en gran parte de los motores de continua – exceptuando, claro, a los de imán permanente.
Y si hay dos bobinados para conectar hay dos formas elementales de conectarlos: en serie y en paralelo –esta última comúnmente se la llama conexión en Derivación o “Shunt”.
Tenemos que aclarar también que a veces estas conexiones no son opcionales sino que vienen de fábrica.
También hay que decir que hay otros tipos de conexión en función de un tercer elemento que es el reóstato (resistencia variable) que puede incorporarse con el propósito de obtener determinada característica deseada en el funcionamiento del motor.
Conexión Derivación
En el gráfico se ve un sistema de conexión típico que incluye un reóstato (resistencia variable) para alivianar los valores de corriente de arranque.
La zona indicada con M representa la armadura en donde se desenvuelve la corriente de rotor, o corriente de armadura, que tiene valores importantes de magnitud.
Velocidad:
La velocidad de esta conexión tiende a ser muy estable y a permanecer constante debido a que cada bobinado toma su alimentación directamente de la fuente.
No obstante se suele variar la velocidad de distintas maneras:
1. Variando la tensión: lo usual es incorporar algún sistema electrónico para ello.
2. Con una resistencia variable en la armadura: no conviene porque pasa toda la corriente y hay mucha disipación.
3. Variando el campo: se logra con pequeñas modificaciones de la resistencia de excitación (Rexc).
Conexión Serie:
En el gráfico se ve otra vez una conexión típica con el reóstato de arranque
Se ha hecho una pequeña modificación al gráfico anterior pero está claro que ahora la conexión se inicia en la barra (+) y termina en la indicada con (-).
En esta conexión cambiar la corriente de armadura implica cambiar la corriente de campo y viceversa –Recordar que aumentar la corriente de campo frena el motor.
Velocidad:
Por lo dicho en el párrafo anterior la velocidad de esta conexión es inversamente proporcional a la corriente.
Este motor es muy sensible al cambio de corriente en vacío, por la poca corriente que toma corre el riesgo de sobrevueltas.
Debe estar directamente acoplado a la carga (sin acoplamientos intermedios, sin poleas ni manchones). Por otra parte con un número pequeño de vueltas aumenta excesivamente la corriente y sobrecalentarse.
CONCLUSIONES
- Las maquinas de corriente continua, en su funcionamiento, son relativamente maquina sencillas de utilizar dependiendo de su utilización.
- Estas maquinas pueden ser utilizadas como generadores o como motores, siendo una de sus característica principales que la potencia eléctrica, (Pe), y la potencia mecánica, (Pm), dependiendo de su utilización, prácticamente son iguales.
- Las conexiones básicas en el motor de corriente continua son la de derivación y la serie.
- La velocidad en los motores de corriente continua tipo derivación, puede ser variada de forma sencilla, variando su campo o con la colocación de una resistencia. Manteniéndose muy estable la misma en el tiempo. En la conexión tipo serie el motor debe estar acoplado a la carga directamente, de lo contrario el mismo con cualquier peña variación de corriente podría embalarse, es decir es muy sensible.
- En motores de corriente alterna los mismos pueden ser conectados de distinta formas, estrella o delta, ya que vienen con esa versatilidad desde la fábrica. Los motores de corriente continúa no poseen esa versatilidad, los mismos ya vienen con la conexión predeterminada y no puede ser cambiada la misma. La mayor utilidad de los motores de corriente continua es en los casos donde se requieran realizar modificaciones de la velocidad del mismo de forma constante, caso trenes de transporte publico.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
html.rincondelvago.com/maquinas-de-
http://www.monografias.com/trabajos79/maquinas-corriente-continua/maquinas-corriente-continua2.shtml
