Máquinas De Corriente Contínua

Introducción

Históricamente, los motores de corriente continua han jugado un papel de vital importancia en el desarrollo de la transmisión de potencia en el ámbito industrial. La máquina de corriente continua fue el primer dispositivo utilizado para convertir energía eléctrica en mecánica y viceversa (en su configuración de generador), y dadas sus características de operación (alto grado de eficiencia y uso flexible en diversas condiciones de trabajo) se ha extendido su uso a prácticamente cualquier tipo de aplicación industrial.

El posterior desarrollo de motores AC de bajo coste y del control electrónico mediante variadores de frecuencia ha desplazado al motor DC a aplicaciones de baja potencia. Aun así, las ventajas asociadas a la inherente estabilidad y al relativamente sencillo control de la velocidad de estas máquinas resultan indiscutibles.

La introducción y desarrollo de los sistemas de control de velocidad electrónicos continúan influyendo de manera decisiva en el diseño y desarrollo de motores eléctricos, tanto de corriente alterna como de contínua.

Principio de funcionamiento

Los principios involucrados en la operación de máquinas DC son muy simples. Por desgracia, con frecuencia se ven ensombrecidos por la complejidad de la construcción de las maquinas reales.

La mayoría de las maquinas DC son semejantes a las máquinas AC porque trabajan internamente con voltajes y corrientes alternas; las maquinas DC tienen una salida DC solo porque existe un mecanismo que convierte los voltajes AC internos en voltajes DC en sus terminales. Puesto que este mecanismo se denomina conmutador, la maquinaria DC se conoce también como maquinaria de colector o conmutada. Para comprender el funcionamiento de estas máquinas estudiaremos los ejemplos más sencillos posibles de una maquina rotatoria, que consistirá en una sola espira de alambre que rota alrededor de un eje fijo (rotor) y unos polos magnéticos norte y sur fijos que suministrarán el campo magnético (estator).

Para minimizar la reluctancia del camino del flujo a través de la máquina el flujo magnético debe tomar el camino más corto posible a través del aire del entrehierro, entre el estator y el rotor.

Dicho camino será la perpendicular a lasuperficie del rotor en todos los puntos situados bajo las superficies polares. Asi mismo, puesto que la anchura del entrehierro es uniforme, la reluctancia del mismo es igual en cualquier punto situado bajo las caras polares. El que la reluctancia sea uniforme significa que la densidad de flujo magnetico es constante en todo punto situado bajo las caras polares.

Si se gira el rotor de esta máquina, se inducirá un voltaje en la espira. la espira mostrada es rectangular, los lados ab y cd son perpendiculares al plano de la página y los lados bc y da son paralelos a este plano.

La magnitud y forma del voltaje total inducido estará determinado por la suma del voltaje de cada segmento. El voltaje de cada segmento vendra dado por la expresión:

Según la cual, analizando cada segmento por separado, obtenemos que el voltaje inducido será 0 en los segmentos da y bc y , y tendrá un valor de vBl* en los segmentos ab y cd.

*este será el valor del voltaje inducido bajo las caras polares. El voltaje inducido en estos segmentos valdrá 0 más alla de los limites de las caras polares al ser el campo magnético B nulo en estas zonas.

El voltaje total inducido en la espira será, por tanto:

Teneindo en cuenta que la densidad de flujo B es constante en todos los puntos del entrehierro situados bajos las caras polares y expresando la velocidad tangencial de la espira en función de la velocidad angular y el radio del rotor, podemos obtener una expresión alternativa del voltaje inducido en la espira:

En esta expresión podemos observar directamente que el voltaje inducido para cualquier máquina DC dependerá de tres parámetros:

• El flujo de la máquina

• La velocidad angular

• Una constante que representa las características constructivas de la máquina

Cuando la espira rota 180º, el segmento ab está bajo la cara polar norte y no en la cara polar sur. En ese momento, el sentido del voltaje del segmento se invienrte, permaneciendo su magnitud constante.

Como observamos en la figura anterior, el voltaje de salida toma alternadamete un valor positivo constante y un valir negativo constante. Para esta maquina podemos obtener un voltaje DC adicionando dos segmentos conductores semicirculares (segmentos de conmutación) en los extremos de la espira, que conformarán el colector, y situando dos contactos fijos (escobillas) en un angulo tal que en el instante en el cual el voltaje de la espira es cero, dichos contactos cortocircuiten los dos segmentos semicirculares. Este proceso de cambio de conexión se conoce como conmutación.

Si en lugar de aplicar una fuerza (o par) sobre el rotor para que este tenga una velocidad angular conectamos una a la máquina obtendremos un par en la espira. Para determinar este par inducido en la espira estudiaremos por separado cada segmento de la ésta para luego sumar los efectos de cada segmento individual. La fuerza inducida sobre un segmento vendrá dado por la siguiente ecuación:

Siendo el par inducido:

Donde es el angulo entre r y F. el par será 0 en los puntos en los que la espira estásituada fuera de las caras polares. Mientras la espira este situada bajo las caras polares, el par inducido sera igual a la suma de los pares inducidos en los segmentos ab y cd, ya que el par inducido resultante sobre los segmentos restantes es nulo.

La fuerza inducida en los segmentos ab y cd sera:

Siendo el par inducido:

El par resultante obtenido será, por tanto:

Esta

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