UNIVERSIDAD VERACRUZANAFACULTAD DE INGENIERA

INTEGRANTES: Snchez lvarez Luis ngel, Palomeque Garcia Jose Rolfdan y Avendao Aranda Joaquin.

ACADMICO: Vzquez Isidoro Ivn Arturo.

EXPERIENCIA EDUCATIVA: Mquinas Elctricas.

PROGRAMA EDUCATIVO: Ingeniera Mecatrnica.

ASUNTO: Antologa.FECHA: 9 de Junio del 2014.

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Este documento espera aportar los conocimientos necesarios del curso de mquinas elctricas, para mecatrnicos de generaciones futuras.

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PROPSITO DEL CURSOLas mquinas elctricas son esenciales: Algunas de ellas para transferir energa

mecnica y otras para transferir energa elctrica y abastecer la energa en casas, hospitales, centros y dems, tal es el caso de los transformadores. En otras palabras las mquinas elctricas son altamente necesarias por sus aplicaciones cotidianas.

Una mquina elctrica es un dispositivo que transforma la energa elctrica en otra energa, o bien, en energa elctrica pero con una presentacin distinta, pasando esta energa por una etapa de almacenamiento en un campo magntico. Se clasifican en tres grandes grupos: Generadores, motores y transformadores.

Los generadores transforman energa mecnica en elctrica, y lo inverso sucede en los motores.

El motor se puede clasificar en motor de corriente continua o motor de corriente alterna.

Los transformadores y convertidores conservan la forma de la energa pero transforman sus caractersticas.

Una mquina elctrica tiene un circuito magntico y dos circuitos elctricos. Normalmente uno de los circuitos elctricos se llama excitacin, porque al ser

recorrido por una corriente elctrica produce las ampervueltas necesarias para crear el flujo establecido en el conjunto de la mquina. Desde una visin mecnica, las mquinas elctricas se pueden clasificar en:Rotativas (Generadores y Motores).Estticas (Transformadores).

Las mquinas rotativas estn provistas de partes giratorias, como las dinamos, alternadores, motores. Las mquinas estticas no disponen de partes mviles, como los transformadores. Para el estudio a realizar a continuacin se clasificaran las mquinas como lo anteriormente visto: rotativas y estticas.

El objetivo de este curso de mquinas elctricas, es que el alumno de Ingeniera en mecatrnica, logre comprender de manera terica el funcionamiento, as como los elementos y los principios de operacin de las mquinas elctricas, analizando cada una de ellas: como son: El transformador, el motor y el generador de corriente alterna, el motor y el generador de alterna, y los motores especiales. Estos ltimos son muy utilizados por los ingenieros mecatrnicos para otros campos como son la robtica, mecanismos, etc.

Para llevar este curso, el alumno debe tener conocimientos bsicos de electricidad, es decir: tcnicas de medicin (circuitos de corriente directa), circuitos de corriente alterna y electromagnetismo, sabiendo as principios de Faraday.

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NDICE

1. EL TRANSFORMADOR........................................................................................................9

1.1 Fuerza electromotriz..........................................................................................................101.2 Amperes vuelta..................................................................................................................111.3 Reactancia de dispersin...................................................................................................131.4 Regulacin y rendimiento..................................................................................................141.5 Clasificacin de los transfomadores..................................................................................171.5.1 Por su uso.......................................................................................................................171.5.2 Por su nmero de fases..................................................................................................171.5.3 Por la forma del ncleo...................................................................................................181.5.4 Por el tipo de enfriamiento..............................................................................................181.6 El autotransformador..........................................................................................................191.7 Mantenimiento de los transformadores..............................................................................20

2 MQUINAS DE CORRIENTE DIRECTA(DC)......................................................................21

2.1 Introduccin.......................................................................................................................212.2 Partes bsicas de las mquinas de corriente continua......................................................212.3 Generadores de corriente continua...................................................................................232.3.1 Clasificacin de generadores de corriente continua.......................................................242.3.1.1 Generador con excitacin independiente....................................................................242.3.1.1.1 En el circuito principal...............................................................................................242.3.1.1.2 EN el circuito de excitacin.......................................................................................252.3.1.2 Generador con excitacin en paralelo (shunt).............................................................272.3.1.2.1 Esquema de conexiones de un generador con excitacin shunt e interruptor de mnima tensin.........................................................................................................................282.3.1.2.2 Carga de una batera de acumuladores con un generador de excitacin shunt......292.3.1.3 Generador con excitacin en serie..............................................................................292.3.1.4 Generador con excitacin compound..........................................................................312.3.2 Aplicaciones de los generadores....................................................................................33

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2.4 Rendimiento de las mquinas de corriente continua.........................................................342.5 Motores de corriente continua...........................................................................................362.5.1 Clasificacin de motores de corriente continua..............................................................372.5.1.1 Motores de corriente continua de imn permanente...................................................382.5.1.2 Motores de corriente continua sin escobillas..............................................................382.5.1.3 Motores en derivacin..................................................................................................392.5.1.4 Motor devanado en serie.............................................................................................402.5.1.4.1 Velocidad y par de los motores devanado en serie..................................................402.5.1.5 Motor compound..........................................................................................................412.5.1.5.1 Conexiones del motor en compound........................................................................412.5.2 Aplicaciones de los motores de corriente continua.........................................................422.5.3 Arranque de motores de corriente directa.......................................................................422.5.3.1 Arrancadores manuales de corriente directa...............................................................432.5.3.2 Arrancadores magnticos de corriente directa............................................................432.5.3.3 Arrancadores de corriente directa con aceleracin con lmite de corriente.................442.5.4 Controladores magnticos para grandes motores de corriente directa..........................442.5.5 Sistemas utilizados para la regulacin de velocidad......................................................442.5.5.1 Control reosttico en el inducido..................................................................................452.5.5.2 Regulacin por acoplamiento de motores...................................................................452.5.5.2.1 Serie..........................................................................................................................452.5.5.2.2 Serie-paralelo............................................................................................................452.5.5.2.3 Paralelo.....................................................................................................................452.5.5.2.4 Grupo Ward-Leonard................................................................................................452.5.5.3 Control reosttico en el circuito inductor......................................................................462.5.5.4 Comparacin de sistemas de regulacin.....................................................................462.5.6 Clculo de eficiencia de los motores de corriente continua............................................472.6 Sistemas de excitacin de las mquinas elctricas de corriente continua........................482.6.1 Designacin de bornes (Generadores y Motores)..........................................................492.7 Mquinas con excitacin independiente............................................................................503.4 Inversin del sentido de giro en motores de CC................................................................503.5 Componentes.....................................................................................................................513.6 Descripcin........................................................................................................................51

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3 MQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA............................................................................52

3.1 Constitucin de las mquinas de alterna...........................................................................523.2 Motores asncronos...........................................................................................................533.2.1 Funcionamiento del motor de induccin.........................................................................543.2.2 Induccin en las bobinas de la armadura.......................................................................553.2.3 Motor de induccin simple de AC...................................................................................553.2.4 Caractersticas de funcionamiento del motor de induccin............................................573.2.5 Motores de induccin monofsicos.................................................................................583.2.5.1 Teora del motor monofsico........................................................................................593.2.5.2 Motores monofsicos con bobinado auxiliar de arranque...........................................593.2.5.3 Motor asncrono monofsico. Caractersticas principales...........................................593.2.6 Motores trifsicos de induccin.......................................................................................603.2.6.1 Estator y ranuras..........................................................................................................603.2.6.2 El rotor y ranuras.........................................................................................................613.2.7 Motor jaula de ardilla.......................................................................................................613.2.7.1 Clasificacin de los motores asncronos segn en diseo de la jaula (NEMA)...........623.2.7.1.1 Motor de diseo NEMA A..........................................................................................623.2.7.1.2 Motor de diseo NEMA B..........................................................................................623.2.7.1.3 Motor de diseo NEMA C.........................................................................................623.2.7.1.4 Motor de diseo NEMA D.........................................................................................633.2.7.1.5 Motor de diseo NEMA F..........................................................................................633.7 Motor Sncrono..................................................................................................................643.7.1 Funcionamiento del motor sncrono................................................................................643.7.2 Circuito Magntico..........................................................................................................653.7.3 Motor en vaco................................................................................................................673.7.4 Motor en carga................................................................................................................673.8 Generadores de corriente alterna......................................................................................68

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4 MQUINAS ESPECIALES...................................................................................................70

4.1 Servomotores de CC.........................................................................................................704.1.1 Funcionamiento..............................................................................................................704.1.2 Clculos..........................................................................................................................724.1.3 Funcionamiento del servo...............................................................................................734.1.4 Prueba del servomotor....................................................................................................754.1.5 Modificacin de los servos..............................................................................................764.1.6 Aplicaciones....................................................................................................................764.1.7 Recomendaciones..........................................................................................................764.1.8 Partes que lo conforman.................................................................................................774.1.9 Clasificacin....................................................................................................................774.1.10 Control de servos..........................................................................................................784.1.11 Tipos de controladores de servos.................................................................................78

4.2 SERVOMOTORES DE CA................................................................................................794.2.1 Composicin...................................................................................................................794.2.2 Elementos para su funcionamiento.................................................................................804.2.3 Funcionamiento..............................................................................................................804.2.4 Servomotor de AC de 60 mm..........................................................................................804.2.5 Servomotor de AC de 110 mm........................................................................................804.2.6 Aplicaciones....................................................................................................................814.3 MOTOR PASO A PASO.....................................................................................................814.3.1 Tipos...............................................................................................................................814.3.2 Ventajas..........................................................................................................................824.3.3 Inconvenientes................................................................................................................824.3.4 MPAP de reluctancia variable.........................................................................................824.3.5 Motores multiestator........................................................................................................834.3.6 MPAP de imn permanente............................................................................................834.3.7 Unipolares.......................................................................................................................844.3.7.1 Secuencia normal........................................................................................................844.3.7.2 Secuencia del tipo wave drive.....................................................................................84

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4.3.7.3 Secuencia del tipo medio paso....................................................................................844.3.8 Bipolares.........................................................................................................................844.3.9 Controlador de los motores.............................................................................................854.3.9.1 Puente H......................................................................................................................854.3.10 MPAP hbridos..............................................................................................................864.3.11 MPAP de disco..............................................................................................................874.3.11.1 Principio de funcionamiento.......................................................................................874.3.12 Generacin de la secuencia de fases. Medio paso......................................................894.3.13 Generacin de fases. Paso completo(2 fases excitadas).............................................894.3.14 Generacin de fases. Paso completo(1 fase excitada)................................................904.3.15 Curvas par-velocidad para los distintos modos de funcionamiento..............................914.3.16 Curvas par-velocidad para los distintos modos de funcionamiento(detalle).................924.4 MOTOR ELCTRICO LINEAL..........................................................................................924.4.1 Tipos de motor lineal.......................................................................................................924.4.1.1 Motor lineal de entrehierro plano.................................................................................934.4.1.1.1 Parmetros principales.............................................................................................944.4.1.1.2 Velocidad..................................................................................................................944.4.1.1.3 Fuerza.......................................................................................................................954.4.1.1.4 Distancia entre el inductor y el inducido...................................................................954.4.1.1.5 Construccin del inductor..........................................................................................954.4.1.1.6 Eleccin del arrollamiento inductor...........................................................................954.4.1.1.7 Eleccin de la naturaleza del inducido......................................................................964.4.1.1.7.1 Inducido con hierro................................................................................................964.4.1.1.7.2 Inducido sin hierro..................................................................................................984.4.1.1.8 Caracterstica de la traccin en funcin de la velocidad...........................................984.4.1.2 Motor de campo arrollado o tubular.............................................................................99

Bibliografa...........................................................................................................................102

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1. EL TRANSFORMADOR El transformador es un dispositivo que se encarga de "transformar" el voltaje de corriente alterna que tiene a su entrada en otro de diferente amplitud, que entrega a su salida. Se compone de un ncleo de hierro sobre el cual se han arrollado varias espiras (vueltas) de alambre conductor. Este conjunto de vueltas se llaman bobinas y se denominan: Devanado primario: a aquella que recibe el voltaje de entrada y Devanado secundario: aquella que entrega el voltaje transformado.

Un transformador hace uso de la ley de Faraday y de las propiedades ferromagnticas de un ncleo de hierro para subir o bajar eficientemente el voltaje de corriente alterna (AC). Por supuesto no puede incrementar la potencia de modo que si se incrementa el voltaje, la corriente es proporcionalmente reducida, y viceversa. Los transformadores pueden transferir la energa de un circuito a otro, a menor, mayor o igual voltaje, dependiendo de esto se les ha asignado un nombre: Transformador Reductor: Entrega a la carga un voltaje menor al que recibe de la fuente de energa elctrica. Transformador Elevador: Entrega a la carga un voltaje mayor al que recibe de la fuente de energa elctrica. Transformador de Relacin Unitaria: Entrega energa a la carga con un nivel de voltaje igual al de la fuente. El transformador, transfiere la energa elctrica por induccin electromagntica mediante dos arrollamientos dispuestos en un circuito magntico.El circuito magntico est compuesto por: Un ncleo formado por chapas de acero estampado superpuestas que tienen forma rectangular o acorazado en forma de ocho. Tambin existen transformadores de ncleo de aire.Las lneas de flujo magntico () que se establecen en el ncleo.

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1.1 Fuerza electromotriz Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energa proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente elctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas elctricas a travs de un circuito cerrado. El flujo magntico () que se establece en el ncleo es comn para ambos devanados primario y secundario. Por lo tanto se induce la misma FEM (E) en cada espira (vuelta) en ambos arrollamientos.

La FEM total en cada arrollamiento es: E1=N 1 E E2=N 2 E

Igualando E y ordenando queda: E=E1N 1

=E 2N 2

De la expresin anterior, se tiene que la FEM total inducida (E) en cada arrollamiento es proporcional al nmero de espiras que lo componen; es decir:

E1E2=N 1N 2

. . . . . . .Frmula (I)

Por otro lado, La FEM inducida en un transformador es proporcional a tres factores:La frecuencia.El nmero de espiras.El flujo mximo (m) Si el flujo vara segn una ley sinusoidal, se puede expresar matemticamente de la siguiente forma: =m sen t

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El voltaje o Fuerza electromotriz inducida es, de acuerdo a la Ley de Faraday:

e=N ddt

e=Nd (m sent )dt

e=NM cost

La FEM inducida mxima ocurre cuando t vale 0, o bien cos t=1Em=NmEm=2 fN m

Como sabemos:Em=2E sustituyendo en la ecuacin anterior :2E=2 fN m

Finalmente queda:E=4 . 44 fN m volts . . . . . . . . . . . .Frmula (2).

m es el flujo mximo expresado en Webber.

E=4 . 44 fN m108volts

m es el flujo mximo expresado en Maxwell.O bien:Si = BA

La FEM inducida queda expresada como:

E=4 . 44 fNBm A108 volts . . . . . . . . . . .Formula (3)

Bm se expresa en Maxwell/cm2 y A en cm2. Como se observa en la figura 04 el flujo = m sent y la Fem. e = - N m cos se encuentran en cuadratura y esta ltima en retardo de fase.

1.2 Amperes vuelta Cuando el transformador opera en vaco, como se muestra en la figura 05 (sin carga), por el primario solamente circula una corriente muy pequea Io que recibe el nombre de corriente de excitacin y que suele ser del 1 al 3% de la corriente nominal1. Esta corriente tiene dos componentes:Im: Se encarga de crear la fuerza magnetomotriz (FMM) que produce () y se encuentra en fase con ste.Ie: Se encarga de compensar las prdidas en el ncleo o prdidas en vaco y se encuentra en cuadratura con Im.

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Cuando se aplica carga al secundario del transformador se produce una corriente (I2) con direccin tal que se opone a la causa que lo produce de acuerdo a la ley de Lenz. Al incrementarse la corriente en el secundario (I2) y dado que esta en oposicin al flujo, este flujo disminuye, dando como resultado un descenso de la FEM inducida en el primario (E1) obligando al transformador a absorber ms corriente (I1) de la fuente y haciendo que el flujo adquiriera de nuevo un valor cercano al inicial.

La variacin de la FCEM del primario al pasar de marcha en vaco a marcha a plena carga es aproximadamente de 1 a 2 %.

Dado que el transformador es una mquina elctrica que transfiere la energa, los Amper-vuelta del primario deben equilibrarse con los Ampervuelta del secundario, despreciando la corriente de excitacin (Io), de manera que los Ampervuelta de ambos arrollamientos son iguales y opuestos. De forma matemtica:

N 1 I 1=N 2 I 2 O bien, I 1I 2=N 2N 1

. . . . . . . . . . . .Frmula (4)

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Las intensidades de corriente en el primario y en el secundario son inversamente proporcionales a sus respectivos nmeros de espiras.

1.3 Reactancia de dispersin

No todo el flujo que produce el arrollamiento primario del transformador lo abraza el arrollamiento secundario del mismo, sino que parte de este flujo viaja a travs del aire como se muestra en la figura 07. Esta parte de lneas de campo recibe el nombre de flujo de dispersin. El flujo de dispersin (1) del devanado primario es proporcional nicamente a los Amper-vuelta del propio devanado primario.

De igual forma el flujo de dispersin (2) del devanado secundario nicamente es proporcional a los Amper-vuelta del devanado secundario. El flujo de dispersin induce una FEM tanto en el devanado primario como en el devanado secundario, con un retardo de fase de 90. Esta FEM es una cada de tensin por reactancia para el primario y para el secundario. Para reducir el flujo de dispersin en los transformadores es necesario alternar las espiras del primario y del secundario como se muestra en la figura 08.

Fig.08.- Transformador con espiras alternadas en el primario y secundario

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1.4 Regulacin y rendimiento

La regulacin se define como la variacin de la tensin (voltaje) en el secundario, expresada en tanto por ciento de la tensin nominal del mismo. A la tensin en vaco se le denota por V2, y a la tensin con carga plena por V2, con esto; la regulacin es:

% de Regulacin=V 2 V 2

V 2X 100 . . . . . . . . Formula 14

La tensin en vaco se puede calcular en base al diagrama vectorial mostrado en la figura13.Para el triangulo ABC se tiene que la hipotenusa:

V 1 (N 2N 1

)=(V 2 cos 2+ I 2R02)2+(V 2 sen 2+ I 2 X 02)2 . . . . . . . . Formula 15

Donde:, es el voltaje en vaco (V2) o FEM inducida (E2).V2, es el voltaje en terminales de carga plena.2, es el ngulo de fase entre voltaje y corriente en la carga, o ngulo de la impedancia de la carga.

Figura 13.- Diagrama vectorial del transformador referido al secundario. Debido a que el rendimiento del transformador ordinario es muy elevado (casi el 100%), no se puede determinar por simple medicin. Los instrumentos de medicin de potencia originan que se tengan errores elevados en la medicin de las prdidas, ya que stas son muy reducidas, apenas del 1 al 3% de la potencia total.

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La determinacin ms fcil y exacta del rendimiento del transformador se efecta por medio de sus prdidas, como a continuacin se describen.1.- Prdidas en los arrollamientos del transformador (Prdidas en el cobre). Estas pueden calcularse fcilmente si se conocen las resistencias del primario y del secundario, o tambin se pueden deducir por las resistencias equivalentes de acuerdo a la siguiente expresin:PCU=( I 12R1+ I 2

2R2)= I 22R02=I 1

2R01 . . . . . . Formula 16

Tambin se pueden obtener mediante un ensayo en corto circuito del transformador, el cual consiste en conectar al transformador como se muestra en la figura 14. Se debe conectar el arrollamiento de baja en corto circuito con el fin de que la corriente no sea excesiva y tambin para que se obtenga una cada de tensin razonable. El vatmetro dar la lectura de la potencia de prdidas en el cobre. Mediante este ensayo se puede calcular la resistencia equivalente referidas al primario o al secundario del transformador, utilizando la frmula 16.

R01=PcuI 1

2 y R02=PcuI 2

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Figura 14.- Conexin del transformador para un ensayo en corto circuito.Prdidas en el ncleo.Estas se determinan mediante un ensayo de circuito abierto como se muestra en la figura 15.

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Figura 14.- Conexin del transformador para un ensayo en corto circuito.

Figura 15.- Conexin del transformador para un ensayo en circuito abierto.

Las prdidas en el ncleo se deben a dos factores: a las corrientes parsitas y a la histresis. El ensayo consiste en una fuente regulable en el arrollamiento de baja y mantener en circuito abierto el circuito de alta. El vatmetro dar la lectura de la potencia de prdidas en el ncleo. Despus de conocer las prdidas en el transformador, el clculo del rendimiento resulta sencillo aplicando la siguiente frmula:

rendimiento ( )=Potencia util de salidapotencia de entrada

x100%

, en trminos del voltaje y corrientes tenemos:

=V 2 I 2 cos2

V 2 I 2cos 2+(Prdidas ncleo )+ I12R1+ I 22 R2100 . . . . . Formula 17

O bien:

=V 2 I 2cos2

V 2 I 2 cos 2+Pncleo+ I 22R02 100 . . . . Formula 18

Aplicaciones del transformador

Usos industriales: Amplitud y frecuencia de entradas fijasUso para grandes potenciasSe utiliza como variador de tensin en las lneas de transporte de energa elctrica.

Elementos de circuito:Sistemas para acoplo magntico.Sistemas electrnicos.Se utiliza como adaptador de impedancias.

Elementos de medida:Adaptador para la instrumentacin.

1.5 Clasificacin de los transformadores Los transformadores pueden clasificarse por: su uso, su nmero de fases, por la forma del ncleo, por el nmero de devanados, por el medio refrigerante, por el tipo de enfriamiento y por su regulacin.

1.5.1 Por su uso: De Potencia: Se utilizan para subtransmisin y transmisin de energa elctrica en alta y media tensin. Son de aplicacin en sub estaciones transformadoras, centrales de

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generacin y engrandes usuarios Se construyen en potencias normalizadas desde 1.25 hasta 20 MVA, en tensiones de 13.2, 33, 66 y 132 KV y frecuencias de 50 y 60 Hz. Se construyen en potencias normalizadas desde1.25 hasta 20 MVA, en tensiones de 13.2, 33, 66 y132 kV y frecuencias de 50 y 60 Hz.De distribucin: Se denomina transformadores de distribucin, generalmente a los transformadores de potencias iguales o inferiores a 500 KVA y de tensiones iguales o inferiores a 67 000 V, tanto monofsicos como trifsicos. Aunque la mayora de tales unidades estn proyectadas para montaje sobre postes, algunos de los tamaos de potencia superiores, por encima delas clases de 18 kV, se construyen para montaje en estaciones o en plataformas. Las aplicaciones tpicas son para alimentar a granjas, residencias, edificios o almacenes pblicos, talleres y centros comerciales. Se fabrican en potencias normalizadas desde 25hasta 1000 KVA y tensiones primarias de 13.2, 15,25, 33 y 35 kV. Se construyen en otras tensiones primarias segn especificaciones particulares del cliente. Se proveen en frecuencias de 50-60 Hz. La variacin de tensin, se realiza mediante un conmutador exterior de accionamiento sin carga.De medicin: Entre los transformadores con fines, especiales los ms importantes son los transformadores de medida para instalar, instrumentos contadores y rels protectores en circuitos de alta tensin o de elevada corriente. Los transformadores de medida aslan los, circuitos de medida o de rels permitiendo una mayor normalizacin en la, construccin de instrumentos contadores.

1.5.2 Por su nmero de fases:

Monofsico: Los transformadores monofsicos son empleados frecuentemente para suministrar energa elctrica para alumbrado residencial, toma-corrientes,acondicionamiento de aire, y calefaccin. Los transformadores monofsicos pueden ser todava ms verstiles si tienen tanto el devanado primario como el devanado secundario fabricados en dos partes iguales. Las dos partes de cualquiera delos devanados pueden entonces ser reconectadas en serie o en paralelo, Configuracin en Serie, Configuracin en Paralelo.Trifsico: Es el de ms extensa aplicacin en los sistemas de transporte y distribucin de energa elctrica. Este tipo de transformadores se construyen para potencias nominales tambin elevadas. Se puede decir que est constituido por tres transformadores monofsicos montados en un ncleo magntico comn. Los principios impuestos para los sistemas monofsicos son aplicables para los trifsicos, solo que ahora se aplicaran a cada una de las fases de los mismos.

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1.5.3 Por la forma del ncleo:

Tipo columna: Este tipo de transformador, el alambre de cobre envuelve casi totalmente el ncleo de hierro (figura 01). Los arrollamientos de alta y baja tensin son concntricos, el de baja se coloca junto al ncleo ya que este requiere menos aislamiento y el de alta tensin en la parte externa. Este se adapta mejor para altas tensiones, ya que la superficie que ha de aislarse es reducida.Figura 01.- Transformador tipo no acorazadoTipo acorazado: En este transformador, el hierro del ncleo casi envuelve al arrollamiento de cobre. Las bobinas se hacen en forma de disco y suelen devanarse con cinta de cobre (figura 02). Las bobinas se aslan y se colocan alternando las del arrollamiento primario y secundario, con la finalidad de reducir los efectos del flujo de dispersin y tambin las bobinas de baja tensin se colocan junto al hierro con el fin de reducir el aislamiento de alta tensin.Figura 02.- Transformador tipo acorazado. En este tipo de transformadores, las espiras quedan sujetas, de modo que es ms difcil que las arranquen las intensas fuerzas electromecnicas que suelen desarrollarse durante los cortos circuitos.De ncleo envolvente: Ha resultado un poco inconveniente fabricar ncleo con chapa arrollada por la dificultad de acoplarlo a las bobinas, sin embargo ste tipo de ncleo se han utilizado en transformadores de corriente (TC) tipo barra y de tipo casquillo.Ncleo espiral: Las bobinas y el ncleo se acoplan arrollando cinta de acero rpidamente alrededor de las bobinas preparadas previamente. Las ventajas de su construccin se deben a que la direccin del flujo es siempre la de la orientacin del grano, de manera que las prdidas magnticas son mnimas. Este tipo de transformadores se emplean para distribucin, hasta 5 KVA.

1.5.4 Por el tipo de enfriamiento.

Tipo seco con enfriamiento propio: No estn sumergidos en ninguna sustancia, slo el aire es su medio aislante, por lo general se fabrican para voltajes menores a 15 KV.Tipo seco, con enfriamiento por aire forzado: Se emplea para aumentar la potencia del tipo AA. Su disipacin de calor se aumenta con ventiladores o sopladores al instante de su operacin.Tipo seco, con enfriamiento natural y enfriamiento por aire forzado: Se emplean para aumentar an ms la capacidad de los transformadores tipo AA. Estos transformadores no pueden rebasar tensiones de 25 KV.Sumergido en aceite con enfriamiento natural: Se emplean para aumentar an ms la capacidad de los transformadores tipo AA. Estos transformadores no pueden rebasar tensiones de 25 KV.

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Sumergido en aceite con enfriamiento propio y enfriamiento en aire forzado: Es bsicamente un transformador OA con ventiladores que fuerzan el aire para aumentar la capacidad de disipacin de calor del transformador.Sumergido en aceite con enfriamiento propio, y con dos pasos de enfriamiento de aceite forzado y aire forzado: En este tipo de enfriamiento se trata de incrementar el rgimen de operacin (carga) del transformador tipo OA, por medio del empleo combinado de bombas y ventiladores. El aumento de la capacidad se hace en dos pasos: en el primero se usan la mitad de los radiadores y la mitad de las bombas con lo que se logra aumentar en 1:33 veces la capacidad del tipo OA; con el segundo paso se hace trabajar la totalidad de los radiadores y bombas con lo que se logra un aumento de 1.667 veces la capacidad del OA. Se fabrican en capacidades de 10000 KVA monofsicos y para 15000 KVA trifsicos.Sumergido en aceite, con enfriamiento por agua: En stos transformadores el agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los cuales estn en contacto con el aceite y se drena por gravedad o por medio de una bomba independiente, el aceite circula alrededor de los serpentines por conveccin natural.Sumergido en aceite con enfriamiento de aceite forzado y agua forzada: En este tipo de transformador el cambiador de calor es de tipo agua aceite y el enfriamiento se hace por agua sin tener ventiladores.

1.6 El Autotransformador

El autotransformador es un transformador de caractersticas especiales. En efecto, puede ser concebido como un transformador con un solo bobinado con sus dos bornes accesibles y con un tercer borne accesible que conecta a una toma intermedia del bobinado y el cuarto borne comn a alguno de los dos primeros o, lo que sera equivalente, dos bobinados conectados de tal manera que tienen dos de sus cuatro bornes accesibles conectados en comn. La principal ventaja de este tipo de transformadores radica en que se puede disminuir el tamao y los materiales utilizados respecto al transformador clsico para igual potencia nominal implicando una disminucin sustancial en los costos del equipo, aunque con algunas desventajas que deben ser tenidas en cuenta al momento de seleccionar la aplicacin de esta mquina. La principal desventaja del autotransformador que inmediatamente surge de la conexin planteada es que no dispone de aislacin galvnica entre los bobinados primarios y secundarios, por lo que una elevacin de potencial en un bobinado respecto a un punto repercute directamente en el otro. Por otra parte un cortocircuito en el bobinado serie aplica gran parte o la totalidad en caso de un cortocircuito franco- de la tensin aplicada de un lado en el otro lado del transformador. En general este tipo de transformadores se utilizan con relaciones de transformacin bajas, en general del orden inferior de 3:1 o bien como reguladores de tensin. Segn qu bobinado se asigne como entrada el autotransformador podr ser elevador como reductor.

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1.7 Mantenimiento de los transformadores

El mantenimiento que se le aplica a los transformadores est basado en pruebas no destructivas al aceite dielctrico, y pruebas de resistencia de aislamiento. Las pruebas se realizan de acuerdo a las normas nacionales y se recomienda que al ejecutar estas pruebas, el transformador se encuentre desenergizado. Las pruebas necesarias para transformadores son las siguientes:1) Pruebas al aceite dielctrico.a) Color del aceite.- Se realiza extrayendo una muestra y comparando su color con un patrn, para determinar si esta normal u oxidado.b) Materias en suspensin o sedimentos.c) Contenido de agua.d) Tensin superficial.e) Acidez.f) Rigidez dielctrica (kv. de ruptura) La figura 11 muestra una ilustracin del procedimiento para realizar la prueba de ridigez dielctrica del aceite. El potencial aplicado a los electrodos de la copa debe ser en promedio de 25 KV (aplicado a razn de 3kv por segundo) para considerar que el aceite est en buen estado. Figura 11.- Prueba de rigidez dielctrica del aceite.2) Prueba de resistencia de aislamiento.- La medicin de la resistencia de aislamiento se efecta con el instrumento denominado Megger, y consiste en medir la resistencia existente entre dos puntos, las diferentes mediciones a realizar son las siguientes:a) Resistencia de aislamiento entre las bobinas de alta contra baja tensin.b) Resistencia de aislamiento entre las bobinas de alta tensin + tierra contra baja tensin.c) Resistencia de aislamiento entre las bobinas de baja tensin + tierra contra alta tensin.d) Resistencia entre neutro y la conexin a tierra (una buena conexin a tierra no debe tener mas de 5 ohms de resistencia).

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2 MQUINAS DE CORRIENTE DIRECTA(DC)2.1 INTRODUCCIN

La corriente continua presenta grandes ventajas, entre las cuales est su capacidad para ser almacenada de una forma relativamente sencilla. ste, junto a una serie de caractersticas peculiares de los motores de corriente continua, y de aplicaciones de procesos electrolticos, traccin elctrica, entre otros, hacen que existen diversas instalaciones que trabajan basndose en la corriente continua.

Los generadores de corriente continua son las mismas mquinas que transforman la energa mecnica en elctrica. No existe diferencia real entre un generador y un motor, a excepcin del sentido de flujo de potencia. Los generadores se clasifican de acuerdo con la forma en que se provee el flujo de campo, y stos son de excitacin independiente, derivacin, serie, excitacin compuesta acumulativa y compuesta diferencial, y adems difieren de sus caractersticas terminales (voltaje, corriente) y por lo tanto en el tipo de utilizacin.

Durante el desarrollo del presente informe, el enfoque se har en relacin con el principio de funcionamiento de las distintas versiones de mquinas elctricas de corrientes continua que existen, dado el amplio campo para las cuales son utilizadas. El entendimiento de tales mquinas, permiten al ingeniero una eficaz eleccin adems de la posibilidad de evitar situaciones en las que se produzcan accidentes a causa del uso u operacin inadecuada de los equipos que trabajan con este tipo de energa. Los conocimientos previos de teora bsica de circuitos elctricos, sern de gran ayuda para comprender las funciones de cada uno de los componentes de las mquinas de corriente continua.

Las mquinas de corriente continua son generadores que convierten energa mecnica en energa elctrica de corriente continua, y motores que convierten energa elctrica de corriente continua en energa mecnica. La mayora las mquinas de corriente continua son semejantes a las mquinas de corriente alterna ya que en su interior tienen corrientes y voltajes de corriente alterna. Las mquinas de corriente continua tienen corriente continua slo en su circuito exterior debido a la existencia de un mecanismo que convierte los voltajes internos de corriente alterna en voltajes corriente continua en los terminales. Este mecanismo se llama colector, y por ello las mquinas de corriente continua se conocen tambin como mquinas con colector.

2.2 PARTES BSICAS DE LAS MQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

La mquina de corriente continua consta bsicamente de las partes siguientes:

Inductor: Es la parte de la mquina destinada a producir un campo magntico, necesario para que se produzcan corrientes inducidas, que se desarrollan en el inducido. El inductor consta de las partes siguientes:

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Pieza polar: Es la parte del circuito magntico situada entre la culata y el entrehierro, incluyendo el ncleo y la expansin polar.

Ncleo: Es la parte del circuito magntico rodeada por el devanado inductor. Devanado inductor: es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo

magntico, al ser recorrido por la corriente elctrica.

Expansin polar: es la parte de la pieza polar prxima al inducido y que bordea al entrehierro.

Polo auxiliar o de conmutacin: Es un polo magntico suplementario, provisto o no, de devanados y destinado a mejorar la conmutacin. Suelen emplearse en las mquinas de mediana y gran potencia.

Culata: Es una pieza de sustancia ferromagntica, no rodeada por devanados, y destinada a unir los polos de la mquina.

Inducido: Es la parte giratoria de la mquina, tambin llamado rotor. El inducido consta de las siguientes partes:

Devanado inducido: es el devanado conectado al circuito exterior de la mquina y en el que tiene lugar la conversin principal de la energa

Colector: es el conjunto de lminas conductoras (delgas), aisladas unas de otras, pero conectadas a las secciones de corriente continua del devanado y sobre las cuales frotan las escobillas.

Ncleo del inducido: Es una pieza cilndrica montada sobre el cuerpo (o estrella) fijado al eje, formada por ncleo de chapas magnticas. Las chapas disponen de unas ranuras para alojar el devanado inducido.

Entrehierro: Es el espacio comprendido entre las expansiones polares y el inducido; suele ser normalmente de 1 a 3 mm, lo imprescindible para evitar el rozamiento entre la parte fija y la mvil.

Cojinetes: Son las piezas que sirven de apoyo y fijacin del eje del inducido.

Los componentes de la mquina de corriente continua se pueden apreciar claramente:

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La parte de 1 a la 5 forman el inductor. En conjunto las partes 2 y 3 se designan por polo inductor. La parte 6 constituye el inducido, al que va arrollado un conductor de cobre formando el arrollamiento del inducido. Alrededor de los ncleos polares, va arrollando, en forma de hlice, el arrollamiento de excitacin (8). Anlogamente cada ncleo de los polos de conmutacin lleva un arrollamiento de conmutacin (9). La parte 10 representa el conmutador o colector, que esta constituido por varias lminas aisladas entre s, formando un cuerpo cilndrico. El arrollamiento del inducido est unido por conductores con las laminas del colector; inducido y colector giran conjuntamente. Sobre la superficie del colector rozan unos contactos a presin mediante unos muelles. Dichas piezas de contacto se llaman escobillas. El espacio libre entre las piezas polares y el inducido se llama entrehierro.

2.3 GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA.

Los generadores de corriente continua son las mismas mquinas de corriente continua cuando funcionan como generadores. Son mquinas que producen energa elctrica por transformacin de la energa mecnica. A su vez los generadores se clasifican en dinamos y alternadores, segn que produzcan corriente continua o alterna, respectivamente. Posteriormente, cabe destacar otro tipo de generadores (no son mquinas) que transforman la energa qumica en la elctrica como son pilas y acumuladores.

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2.3.1 Clasificacin de Generadores de Corriente Continua

2.3.1.1 Generador con excitacin independiente

En este tipo de generador, la tensin en los bornes es casi independiente de la carga de la mquina y de su velocidad, ya que la tensin se puede regular por medio del restato de campo, aunque naturalmente, dentro de ciertos lmites, porque la excitacin del campo inductor no puede aumentar ms all de lo que permite la saturacin. En la Figura se representa el esquema de conexiones completo de un generador de corriente continua con excitacin independiente; se supone que el sentido de giro de la mquina es a derechas lo que, por otro lado, es el que corresponde a casi todas las mquinas motrices. Si hubiere que cambiar el sentido de giro, bastar con cambiar, las conexiones del circuito principal.

Esquema de conexiones de un generador con excitacin independiente. La instalacin de un generador de excitacin independiente, comprende lo siguiente:

2.3.1.1.1 En el circuito principal: 2 barras generales, una de las cuales se conecta al borne positivo del generador, y la otra al borne negativo. 1 interruptor bipolar principal, para abrir y cerrar el circuito, que une los bornes del generador con las barras generales. Se acciona bruscamente y nunca deber abrirse estando la mquina bajo carga mxima, porque puede producirse un arco peligroso. 2 fusibles generales, que tambin podran estar instalados entre las barras generales y el interruptor. 1 ampermetro para el circuito principal del generador.

1 voltmetro para este mismo circuito, que debe montarse tal como est indicado en la figura, es decir en los bornes del interruptor correspondientes al circuito del generador; de esta forma, se puede medir la tensin en bornes de ste, aunque el interruptor est desconectado, cosa muy importante. En el circuito del voltmetro es conveniente instalar fusibles para evitar la formacin de cortocircuitos en caso de un contacto eventual entre los hilos del aparato de medida.

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2.3.1.1.2 En el circuito de excitacin:

1 restato de campo provisto de dispositivo de cortocircuito para cerrar en cortocircuito el circuito de excitacin antes de interrumpirlo; de esta forma, la extracorriente de ruptura que se forma, se cierra y se extingue sobre el mismo circuito de excitacin, sin producir efectos perjudiciales. 1 ampermetro para medir la corriente de excitacin. 2 interruptores unipolares no automticos, antes de las barras de excitacin, para aislar la mquina de dichas barras, cuando est en reposo. En el circuito de excitacin no deben instalarse fusibles porque si llegaran a fundirse, se producira una extracorriente de ruptura muy elevada que pondra en peligro la instalacin. En caso de elevadas intensidades, conviene sustituir el interruptor principal y los fusibles por un interruptor automtico de mxima intensidad, que sustituye ventajosamente a dichos elementos, con la ventaja adicional de reducir la duracin de las interrupciones del servicio, ya que resulta mucho ms rpido volver a cerrar el interruptor que se ha disparado que sustituir uno o los dos fusibles fundidos. Para la puesta en marcha, antes que nada se excita el generador, para lo cual, se realizarn las siguientes maniobras:1. Se intercala todo el restato de campo, pero sin llegar a tocar el borne de cortocircuito.2. Se cierran los interruptores unipolares del circuito de excitacin. Despus, se aumenta de forma gradual la velocidad de la mquina motriz hasta alcanzar la velocidad de rgimen para la que est ajustado el regulador de la mquina motriz. A medida que crece la velocidad, crece tambin la tensin indicada en el voltmetro. Si falta el contador de revoluciones en la mquina motriz, se regular su velocidad por medio del voltmetro, procurando que la tensin quede algo ms baja que la tensin nominal del generador. Ahora ya se puede conectar el generador al circuito exterior; pero hay que distinguir dos casos, segn que las barras estn sin tensin (por ejemplo, si el generador trabaja independientemente) o que las barras estn bajo tensin (por ejemplo, si hay bateras de acumuladores en el circuito exterior). Cuando las barras estn sin tensin, se acopla el generador, cerrando el interruptor general; despus de una manera gradual, se va conectando la carga maniobrando al mismo tiempo el restato de campo, aumentando gradualmente la corriente de excitacin, para mantener, en lo posible, constante la tensin en los bornes del generador. Cuando en la red estn acopladas bateras de acumuladores se cierran primero los interruptores de alimentacin de las bateras, pero el interruptor general del generador, se cerrar solamente cuando ste haya alcanzado una tensin en bornes igual a la tensin de las barras, para lo que ha de disponerse de un segundo voltmetro que mida esta tensin o, por lo menos, proveer al voltmetro del generador, del correspondiente conmutador del

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voltmetro; si no se tomase sta precaucin, las bateras descargaran sobre el generador el cual, funcionando como motor, tendera a arrastrar a la mquina motriz. Si el generador est provisto de un interruptor automtico de mnima (lo que es conveniente, para evitar que las bateras se descarguen sobre l), es necesario conectarlo antes de la puesta en marcha y desconectarlo cuando la mquina est todava en funcionamiento, antes de la parada de sta. Durante el funcionamiento bajo carga del generador hay que tener en cuenta que cualquier variacin en la carga, conduce a una variacin de la tensin en el generador, que es necesario regular, actuando sobre el restato de campo. Hay que tomar en cuenta que intercalando resistencias en dicho restato, se disminuye la corriente de excitacin, por lo tanto, tambin la tensin en bornes del generador y, como consecuencia se disminuye la corriente principal; eliminando resistencias del restato de campo, se consigue los efectos contrarios. Este restato debe maniobrarse gradualmente, no de forma brusca, para evitar fluctuaciones de tensin en los bornes de los aparatos consumidores. Es conveniente parar la maniobra del restato, cuando la tensin en bornes del generador sea algo inferior a la tensin nominal porque los efectos debidos a las variaciones de la resistencia del circuito tardan cierto tiempo en manifestarse; como consecuencia, la tensin seguir variando algo, a pesar de haber terminado la maniobra. La carga del generador no ha de superar el lmite mximo para el que ha sido construida la mquina; por esta razn, debe instalarse un ampermetro con objeto de vigilar constantemente el estado de carga del generador y, adems, como garanta de que la mquina suministra efectivamente corriente. La parada se efecta con los mismos cuidados prescritos para la puesta en marcha. Es muy peligroso abrir el interruptor general de la mquina cuando sta se encuentra todava en carga, por la elevada extracorriente de ruptura que se producira, lo que ocasionara chispas en el interruptor y en el colector del generador y una brusca variacin de los esfuerzos mecnicos, lo que puede ocasionar grandes averas en los rganos mecnicos. Por lo tanto, resulta esencial descargar la mquina de forma gradual, maniobrando lentamente el restato de campo de forma que se intercalen resistencias; se observarn las indicaciones del ampermetro y cuando la carga se aproxime a cero, se abrir el interruptor principal de la mquina. Ahora la mquina est descargada pero no desexcitada, es decir, que todava existe tensin entre sus bornes. Para desexcitarla, se cierra el circuito de excitacin sobre s mismo y, simultneamente, se abre su comunicacin con una de las barras de excitacin, dejando cerrada la otra comunicacin. Esto se obtiene con el restato de campo de borne de cortocircuito, llevando la palanca hasta el ltimo contacto q. Despus de esto, se abren los interruptores unipolares de las barras de excitacin, con lo que el circuito de excitacin queda aislado de la alimentacin y la mquina queda desexcitada. Se debe hacer, finalmente, unas observaciones sobre el cambio del sentido de giro. Puede ocurrir que sea necesario invertir el sentido de giro, sin invertir la polaridad del generador, por ejemplo, cuando hay acopladas en paralelo, bateras de acumuladores, u otros dispositivos de polaridad obligada; en este caso, habr que invertir el sentido de la

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corriente en el circuito de excitacin, es decir, la polaridad de los conductores que alimentan dicho circuito desde las barras de excitacin; con esto, el generador se descebar pero se cebar inmediatamente con polaridad contraria. Tambin conviene advertir que si se invierte el sentido de giro, se tendr que invertir tambin la posicin de las escobillas, si stas son metlicas, de forma que queden tangentes al colector. En todo caso, es necesario cambiar la lnea de situacin de las escobillas, en el sentido de movimiento del generador. El sentido de rotacin est indicado por una flecha o por la rotacin de la mquina motriz y tambin se puede hallar observando el desplazamiento de las escobillas respecto de la lnea neutra, que est dirigido hacia adelante, es decir, en el sentido del movimiento del generador. 2.3.1.2 GENERADOR CON EXCITACIN EN PARALELO (SHUNT)

El generador con excitacin shunt suministra energa elctrica a una tensin aproximadamente constante, cualquiera que sea la carga, aunque no tan constante como en el caso del generador con excitacin independiente. Cuando el circuito exterior est abierto, la mquina tiene excitacin mxima porque toda la corriente producida se destina a la alimentacin del circuito de excitacin; por lo tanto, la tensin en bornes es mxima. Cuando el circuito exterior est cortocircuitado, casi toda la corriente producida pasa por el circuito del inducido y la excitacin es mnima, la tensin disminuye rpidamente y la carga se anula. Por lo tanto, un cortocircuito en la lnea no compromete la mquina, que se desexcita automticamente, dejando de producir corriente. Esto es una ventaja sobre el generador de excitacin independiente en donde un cortocircuito en lnea puede producir graves averas en la mquina al no existir ste efecto de desexcitacin automtica.

Respecto a los generadores de excitacin independiente, los generadores shunt presentan el inconveniente de que no pueden excitarse si no estn en movimiento, ya que la excitacin procede de la misma mquina.

El circuito de excitacin no lleva fusibles por las razones ya indicadas en el caso del generador de excitacin independiente; en este circuito no es necesario un interruptor porque para excitar la mquina simplemente hay que ponerla en marcha y para desexcitarla no hay ms que pararla. El ampermetro en el circuito de excitacin puede tambin suprimirse, aunque resulta conveniente su instalacin para comprobar si, por alguna avera, el generador absorbe una corriente de excitacin distinta de la normal.

Cuando se dispone permanentemente de tensin en las barras especiales generales, muchas veces se prefiere tomar la corriente de excitacin de stas barras y no de las escobillas del generador, es decir, si al poner en marcha el generador hay tensin en las barras generales, la mquina se comporta como generador de excitacin independiente; si no hay tensin, como generador shunt.

Para la puesta en marcha, debe cuidarse de que el interruptor general est abierto y que el restato de campo tiene todas las resistencias intercaladas en el circuito. En estas condiciones, se pone en marcha la mquina motriz, aumentando paulatinamente su

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velocidad hasta que ste alcance su valor nominal, al mismo tiempo, aumenta la corriente de excitacin y, por lo tanto, la tensin en los bornes del generador lo que indicar el voltmetro.

Si en la red no existen bateras de acumuladores, se acopla a ella el generador a una tensin algo inferior a la nominal; para conseguir esta tensin, se maniobra el restato de campo paulatinamente, quitando resistencias.

No resulta conveniente acoplar el generador a la red antes de excitarlo o a una tensin muy baja, porque si la resistencia exterior fuese muy baja (es decir, que la red estuviese en condiciones prximas al cortocircuito), la corriente de excitacin sera muy pequea e insuficiente para excitar la mquina.

De la misma forma que para el caso del generador con excitacin independiente, si en la red hubiese bateras de acumuladores, se cerrar el interruptor general, solamente cuando la tensin en los bornes de la mquina sea igual a la tensin de la red.

Conviene atender a que las bateras de acumuladores no descarguen sobre la mquina, para lo cual es conveniente que el circuito del generador est provisto de un interruptor de mnima tensin, que debe montarse tal como se indica en la siguiente figura.

2.3.1.2.1 Esquema de conexiones de un generador con excitacin shunt e interruptor de mnima tensin.

Cuando se necesite detener el generador, se descargar, disminuyendo la excitacin por medio del restato de campo teniendo cuidado de que las bateras no se descarguen sobre el generador y, por lo tanto, manteniendo siempre la tensin nominal. Si no hay bateras acopladas a la red, puede disminuirse la velocidad de la mquina motriz. En cuanto el ampermetro indique una intensidad de corriente nula o casi nula, se abre el interruptor principal, y se detiene la mquina motriz. Por efecto de la inercia, el gobernador seguir girando durante algn tiempo y se desexcitar

gradualmente; si hubiera necesidad de desexcitarlo rpidamente, se abrir el circuito de excitacin con las debidas precauciones y se frenar el volante de la mquina motriz.

Los generadores shunt se recomiendan cuando no haya cambios frecuentes y considerables de carga o bien cuando haya elementos compensadores, tales como generadores auxiliares, bateras de acumuladores, entre otros.

Si existen acumuladores como reserva o para servicios auxiliares tambin se recomienda este tipo de generador, ya que la mquina no corre el peligro de que se invierta la polaridad del circuito de excitacin; en efecto, cuando el generador carga la batera la corriente tiene el sentido de la flecha de lnea continua, y atraviesa la batera desde el polo positivo al polo negativo. Si por una causa accidental (por ejemplo, una prdida de velocidad en el generador), disminuye la tensin de la mquina y queda inferior a la de la batera, la corriente suministrada por la batera, atraviesa la mquina en sentido opuesto, entrando por

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el borne positivo y saliendo por el negativo, pero en el circuito de excitacin circula en el mismo sentido de la corriente producida cuando la mquina funcionaba como generador; en consecuencia, la mquina funciona ahora como motor, y contina girando en el mismo sentido que tena antes, cuando funcionaba como generador. De lo dicho, puede deducirse fcilmente, que el generador shunt puede acoplarse en paralelo sin peligro con otros generadores, an en el caso de que por causa de una avera accidental en el regulador de la mquina motriz, un generador sea conducido como motor por otro generador.

2.3.1.2.2 Carga de una batera de acumuladores con un generador de excitacin shunt.

En lo que se refiere al cambio de sentido de giro, es necesario cambiar las conexiones del circuito del inducido, porque hacindolo as se invierte solamente la polaridad del circuito del inducido pero no la del circuito de excitacin, con lo que se evita que la mquina se descebe. No deben tocarse las conexiones de los polos de conmutacin, pero s el ngulo de descalado de las escobillas.

2.3.1.3 GENERADOR CON EXCITACIN EN SERIE

La excitacin de un generador en serie se lleva a cabo cuando los devanados de excitacin y del inducido se conectan en serie y, por lo tanto la corriente que atraviesa el inducido en este tipo de generador es la misma que la que atraviesa la excitacin. Este ltimo devanado, est constituido por pocas espiras con hilo conductor de gran seccin, pues la f.e.m. necesaria para producir el campo principal se consigue con fuertes corrientes y pocas espiras.

La intensidad es la misma para el inducido, la carga y el devanado de excitacin. Por tanto:I i = Ic = Ie = I.La ecuacin para el inducido y excitacin ser:Vc = Ei - (Ri + Re)I = kn -(Ri + Re)I Ec.1

La curva de magnetizacin es similar a la de la Figura 6, y, en general, se podr expresar como:

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Ei= knf(I) Ec. 2Teniendo en cuenta la Ec. 1 y la Ec. 2 se obtiene:Vc = knf(I) - (Ri + Re)I Ec. 3 La representacin de Vc frente a I, dada por la Ec. 3, es la caracterstica de carga del generador, que tiene la forma de la Figura 7, para una velocidad de giro del rotor constante. En dicha figura se observa que, en vaco, esto es, Rc = ", la intensidad ser nula y la pequea tensin se deber al magnetismo remanente. A medida que aumenta la intensidad, como consecuencia de la disminucin de la resistencia de carga Rc, la tensin aumenta por aumento de f(I) y por no ser muy grande la cada de tensin (Ri + Re)I.

Pero llega un momento en que f(I) no aumenta mucho como consecuencia de la saturacin del material ferromagntico, y, adems, tiene tambin su efecto la cada (Ri + Re)I y la tensin no aumenta, llegando aun mximo para luego disminuir hasta cero, quedando el generador en cortocircuito con una intensidad Icc.

La curva de la Figura 7 puede obtenerse grficamente de la curva de magnetizacin y de la Ec. 3. En la Figura 8 se representan la curva de magnetizacin y la recta correspondiente a (Ri + Re)I. La curva de tensin Vc viene dada por la separacin vertical de ambas lneas, de la que se deduce cmo inicialmente tiene un valor Vc0, para luego ir aumentando hasta

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un mximo, y a continuacin disminuir hasta cero con una intensidad dada por la interseccin de ambas lneas.

La zona de funcionamiento de este tipo de generador est comprendida entre un punto prximo a A y el de cortocircuito. En dicha zona el funcionamiento es estable, mientras que en la zona desde corriente nula hasta el punto M es inestable. En la zona de funcionamiento la corriente por la carga es prcticamente constante, independientemente del valor de la resistencia de carga. Se puede considerar entonces al generador con excitacin serie como una fuente de intensidad constante.

2.3.1.4 GENERADOR CON EXCITACIN COMPOUND

El generador con excitacin compound tiene la propiedad de que puede trabajar a una tensin prcticamente constante, es decir, casi independiente de la carga conectada a la red, debido a que por la accin del arrollamiento shunt la corriente de excitacin tiende a disminuir al aumentar la carga, mientras que la accin del arrollamiento serie es contraria, o sea, que la corriente de excitacin tiende a aumentar cuando aumente la carga. Eligiendo convenientemente ambos arrollamientos puede conseguirse que se equilibren sus efectos siendo la accin conjunta una tensin constante cualquiera que sea la carga. Incluso, se puede obtener dimensionando convenientemente el arrollamiento serie, que la tensin en bornes aumente si aumenta la carga, conexin que se denomina hipercompound y que permite compensar la prdida de tensin en la red, de forma que la tensin permanezca constante en los puntos de consumo.

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El generador compound tiene la ventaja, respecto al generador shunt, de que no disminuye su tensin con la carga, y, adems, que puede excitarse aunque no est acoplado al circuito exterior, tal como vimos que suceda en el generador shunt. Durante la puesta en marcha, funciona como un generador shunt una vez conectado a la red, la tensin en bornes del generador shunt, tendera a disminuir si no fuera por la accin del arrollamiento serie, que compensa esta tendencia. Es decir, que el arrollamiento serie sirve para regular la tensin del generador, en el caso de que la resistencia exterior descienda ms all de cierto lmite. En la Figura se expresan las conexiones completas de un generador compound. Las maniobras relativas a la puesta en marcha, parada y regulacin de un generador compound, son idnticas a las estudiadas para un generador shunt.Un generador compound no puede utilizarse para cargar bateras de acumuladores. En la Figura se observa que si la contra tensin de la batera es mayor que la tensin en bornes del generador, la corriente en el circuito tiene el sentido indicado por la flecha de puntos, y por lo tanto, pasa en sentido contrario por la excitacin en serie; si esta corriente es mayor que la correspondiente al arrollamiento shunt, estando tambin invertida la polaridad del inducido, mientras que el sentido de rotacin permanece invariable, el generador est en serie con la batera lo que facilita la descarga peligrosa.

Para invertir el sentido de giro, sin suprimir el magnetismo remanente, es necesario invertir las conexiones de los dos circuitos de excitacin; de esta forma, queda invertida solamente la polaridad de las escobillas. El generador compound (igual que suceda con el generador de excitacin independiente), no puede funcionar en cortocircuito porque entonces, la accin del arrollamiento serie puede llegar a ser superior al efecto del arrollamiento shunt, y como consecuencia la corriente en el inducido puede alcanzar un valor de dos a tres veces mayor del normal, con el consiguiente peligro para los arrollamientos de la mquina.

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2.3.2 Aplicaciones de los Generadores

El papel ms importante que desempea el generador de corriente continua es alimentar de electricidad al motor de corriente continua. En esencia produce corriente libre de rizo y un voltaje fijo de manera muy precisa a cualquier valor deseado desde cero hasta la mxima nominal; sta es en realidad corriente elctrica de corriente continua que permite la mejor conmutacin posible en el motor, porque carece de la forma de las ondas bruscas de energa de corriente continua de los rectificadores. El generador tiene una respuesta excelente y es particularmente apropiado para el control preciso de salida por reguladores de retroalimentacin de control adems de estar bien adaptado para producir corriente de excitacin de respuesta y controlada en forma precisa tanto ara mquinas de corriente alterna como para mquinas de corriente continua. El campo de aplicacin del generador con excitacin independiente, es general, siempre que se disponga de una lnea independiente de corriente continua. Sin embargo, debe hacerse la advertencia de que estas mquinas nunca deben trabajar en cortocircuito, pues existe el peligro de quemarlas; esto procede, segn puede comprenderse fcilmente de la independencia entre el circuito inducido y el circuito de excitacin. Bsicamente, los generadores con excitacin independiente tienen, dos aplicaciones tpicas: una, como amplificador-multiplicador; y la otra, como tacmetro. Los generadores con excitacin serie ya no se emplean en las centrales. Se emplearon hace ya algn tiempo para la alimentacin de grandes circuitos de lmparas de arco, pero estas lmparas han sido sustituidas por otros tipos ms modernos, como por ejemplo, las lmparas de xenn. Los generadores con excitacin en serie tienen aplicacin en aquellas actividades en las que se precise una intensidad prcticamente constante, como puede ser en equipos de soldaduras y en determinados sistemas de alumbrados. Los generadores compound, tienen aplicacin en las centrales para traccin elctrica que precisan de una tensin constante y en todos aquellos casos en que se haya de contar con variaciones bruscas de carga, como sucede en los talleres con gras de gran potencia, laminadores, etctera; suponiendo que no se disponga de sistemas compensadores, y que se desee la mayor constancia posible para la tensin en las barras colectoras. Tambin puede emplearse en pequeas instalaciones que precisen de tensin constante, sustituyendo al generador shunt, para evitar una vigilancia continua a causa de las variaciones de carga; sin embargo, hay que tener en cuenta que, en este caso, la autorregulacin no es perfecta por lo que, en instalaciones de mayor importancia en que se desee una tensin constante sin vigilancia, debe sustituirse el generador compound por otros procedimientos.Los generadores con excitacin mixta (compound) son utilizados en el sistema de generacin de energa elctrica de cc en aviones polimotores, en los que existe un generador para cada motor y se realiza un acoplamiento en paralelo de los mismos para atender a toda la energa elctrica necesaria.

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2.4 Rendimiento de las Mquinas de Corriente Continua

El rendimiento de una mquina elctrica de corriente continua est expresado, por la expresin:Rend= potencia suministrada / potencia absorbida Exp.1Tambin puede expresarse de esta forma:Rend= potencia suministrada / (potencia suministrada + prdidas de potencia) Exp. 2Tambin como:Rend= potencia absorbida - prdidas de potencia / potencia absorbida Exp. 3 Por lo tanto, si las prdidas de la mquina se conocen, se puede obtener el rendimiento correspondiente a cualquier potencia til o absorbida. Como que se hacen intervenir magnitudes elctricas ms bien que mecnicas en las determinaciones de rendimientos, la Exp.1 se aplica a los generadores (potencia til elctrica) y la Exp.3 a los motores (potencia absorbida elctrica). El rendimiento puede determinarse midiendo simultneamente la potencia til (suministrada) y la absorbida y tomando su relacin de la Exp.1. Con frecuencia, esto es muy difcil o impracticable. Aunque en un generador es sencillo medir la potencia til con aparatos elctricos, es en cambio difcil la potencia motriz, ya que requiere la medida del par. Si se dispone de un dinammetro elctrico, se simplifica mucho la medicin, pero esta clase de dinammetro no se dispone ordinariamente ms que en equipos especiales. Con los motores, se determina fcilmente la potencia absorbida, con aparatos elctricos, y la til mediante un freno de Prony o un dinammetro. Sin embargo, excepto para potencias pequeas, es difcil absorber la energa en un freno de Prony, y tambin los dinammetros son instrumentos especiales y limitados hasta potencias de 100 caballos. Tanto para los motores como los generadores, especialmente para potencias elevadas, es con frecuencia imposible suministrar y absorber la energa que se necesita para la prueba. Tambin, cuando se emplea la Exp.1, un error porcentual en, la potencia til o en la absorbida conduce al mismo error porcentual en el rendimiento, y como la precisin de los aparatos elctricos es elevada, la diferencia entre la potencia til y la absorbida suele ser pequea, y la Exp.1 no resulta muy precisa. En las Exp.2 y 3, excepto para pequeas cargas, las prdidas son pequeas, comparadas con la potencia til o la absorbida, y cualquier error que se produzca en la evaluacin de las prdidas afecta el rendimiento nicamente en una fraccin pequea del mismo. De aqu que, en muchos casos, se prefiera utilizar las Exp.2 y 3, para la determinacin del rendimiento de los aparatos elctricos.Por otra parte las prdidas se pueden dividir en 2 grandes grupos: Las prdidas de marcha en vaco Po que comprenden las que hemos llamado prdidas en vaco y, adems, las prdidas por excitacin. Las primeras son constantes puesto que su valor no depende de la carga ni de la corriente del inducido. Las prdidas por excitacin son proporcionales al cuadrado de la corriente de excitacin pero, en conjunto, resultan muy

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pequeas en comparacin con las anteriores. Por lo tanto, se puede decir que las prdidas de marcha en vaco son sensiblemente constantes, es decir,Po = a = constante Las prdidas de marcha en carga Pj que dependen, esencialmente, de la corriente del inducido y son proporcionales al cuadrado de dicha corriente, excepto en lo que se refiere a las prdidas adicionales que, por ser de valor muy pequeo respecto a las anteriores, no se tienen en cuenta. En resumen, que las prdidas de marcha en carga son proporcionales al cuadrado de la corriente del inducido:Pj = b I2Finalmente, la potencia suministrada equivale:Pb = Ub IEs decir, que resulta proporcional a la corriente de carga.Por lo tantoPb = KIEl rendimiento puede expresarse de la siguiente manera:Rend= KI/(KI+a+bI2)Si se trata de un generador, la potencia mecnica Pm es la absorbida por el generador.Pm = Pb + PpLa potencia Pb es la suministrada. Para un generador, el rendimiento est expresado por. Rend= Pb/Pm =Pb /(Pb + Pp)

Si se trata de un motor, la potencia elctrica en bornes Pb es la absorbida por la mquina, y la potencia mecnica Pm es la suministrada, en este caso: Pb = Pm + Pp! Pm = Pb -PpPara un motor, la expresin del rendimiento es:Rend= Pm/ Pb = (Pb- Pp) / Pp = Pm/(Pm + Pp)2.4.1 Curva de rendimiento La curva de rendimiento proporciona la variacin del rendimiento de una mquina de corriente continua, en funcin de la carga de la misma, o sea la caracterstica = f(I).

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2.5 MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

Los motores de corriente continua se usan en una amplia variedad de aplicaciones industriales en virtud de la facilidad con la que se puede controlar la velocidad. La caracterstica velocidad-par se puede hacer variar para casi cualquier forma til. Es posible la operacin continua sobre un rango de velocidades de 8:1. En tanto que los motores de corriente alterna tienden a pararse, los motores de corriente continua pueden entregar ms de cinco veces el par nominal (si lo permite la alimentacin de energa elctrica). Se puede realizar la operacin en reversa sin conmutar la energa elctrica.

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2.5.1 Clasificacin Motores de Corriente Continua

Se pueden dividir dentro de dos grandes tipos: Motores de imn permanente, entre ellos:Motores de corriente continua sin escobilla. Y en capacidades nominales de fracciones de caballo de potencia y los motores de corriente continua de campo devanado, los que a su vez se clasifican como: Motor en derivacin, en el que el devanado del campo est conectado en paralelo con la armadura. Motor devanado en serie, en el que el devanado del campo est conectado en serie con la armadura. Motor en compound, en el que se tiene un devanado del campo en serie y otro en paralelo. Ms adelante, la clasificacin de los motores segn el tipo de excitacin se profundizar en los sistemas de excitacin de las mquinas de corriente continua.

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2.5.1.1 Motores de corriente continua de imn permanente:

Existen motores de imn permanente (PM, permanent magnet), en tamaos de fracciones de caballo y de nmeros pequeos enteros de caballos. Tienen varias ventajas respecto a los del tipo de campo devanado. No se necesitan las alimentaciones de energa elctrica para excitacin ni el devanado asociado. Se mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del campo que fallen y no hay probabilidad de que se presente una sobrevelocidad debida a prdida del campo. Se mejoran la eficiencia y el enfriamiento por la eliminacin de prdida de potencia en un campo excitador. As mismo, la caracterstica par contra corriente se aproxima ms a lo lineal. Un motor de imn permanente (PM) se puede usar en donde se requiere un motor por completo encerrado para un ciclo de servicio de excitacin continua. Los efectos de la temperatura dependen de la clase de material que se use en el imn. Los motores de nmero entero de caballos de potencia con imanes del tipo lnico resultan menos afectados por la temperatura que los que tienen imanes de cermica, porque el flujo magntico es constante. Por lo comn, los imanes de cermica que se utilizan en los motores de fraccin de caballo tienen caractersticas que varan con la temperatura muy aproximadamente como varan los campos en derivacin de las mquinas excitadas. Las desventajas son la falta de control del campo y de caractersticas especiales velocidad-par. Las sobrecargas pueden causar desmagnetizacin parcial que cambia las caractersticas de velocidad y de par del motor, hasta que se restablece por completo la magnetizacin. En general, un motor PM de nmero entero de caballos es un poco ms grande y ms caro que un motor equivalente con devanado en derivacin, pero el costo total del sistema puede ser menor. Un motor PM es un trmino medio entre los motores de devanado compound y los devanados en serie. Tiene mejor par de arranque, pero alrededor de la mitad de la velocidad en vaco de un motor devanado en serie.

2.5.1.2 Motores de corriente continua sin escobillas

Los motores de corriente continua sin escobillas tienen una armadura estacionaria y una estructura rotatoria del campo, exactamente en forma opuesta a como estn dispuestos esos elementos en los motores convencionales de corriente directa. Esta construccin aumenta la rapidez de disipacin del calor y reduce la inercia del rotor. Imanes permanentes suministran el flujo magntico para el campo. La corriente directa hacia la armadura se conmuta con transistores, en vez de las escobillas y las delgas del colector de los motores convencionales de corriente directa. Es normal que las armaduras de los motores de corriente continua sin escobillas contengan de dos a seis bobinas, en tanto que las armaduras de los motores convencionales de corriente continua contienen de 10 a 50. Los motores sin escobillas tienen menos bobinas

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porque se requieren dos o cuatro transistores para conmutar cada bobina del motor. Esta disposicin se vuelve cada vez ms costosa e ineficiente a medida que aumenta el nmero de devanados. Los transistores que controlan cada devanado de un motor sin escobillas de corriente continua se activan y desactivan a ngulos especficos del rotor. Los transistores suministran pulsos de comente a los devanados de la armadura, los cuales son semejantes a los que suministra un conmutador. La secuencia de conmutacin se dispone para producir un flujo magntico rotatorio en el entrehierro, que permanece formando un ngulo fijo con el flujo magntico producido por los imanes permanentes del rotor. El par producido por un motor sin escobillas de corriente continua es directamente proporcional a la corriente de la armadura.

2.5.1.3 Motores en derivacin

Es el tipo de motor de corriente continua cuya velocidad no disminuye mas que ligeramente cuando el par aumenta. En los motores de corriente continua y especialmente los de velocidad prcticamente constante, como los shunt, la variacin de velocidad producida cuando funciona en carga y en vaco da una base de criterio para definir sus caractersticas de funcionamiento. Excepcionalmente, la reaccin del inducido debera ser suficientemente grande para que la caracterstica de velocidad fuera ascendente al aumentar la carga. Los polos de conmutacin han mejorado la conmutacin de los dinamos de tal manera que es posible usar un entrehierro mucho ms estrecho que antiguamente. Como la armadura de un motor gira en un campo magntico, se genera una f.e.m. en los conductores que se opone a la direccin de la corriente y se le conoce como fuerza contraelectromotriz. La f.e.m. aplicada debe ser bastante grande como para vencer la fuerza contraelectromotriz y tambin para enviar la corriente Ia de la armadura a travs de Rm, la resistencia del devanado de la armadura y las escobillas.Ea= Eb + IaRm Volts La Ea = f.e.m. aplicada y Eb = fuerza contraelectromotriz. Puesto que la fuerza contraelectromotriz a la velocidad cero, es decir, en el arranque, es idnticamente cero y como por lo general la resistencia de la armadura es pequea, es obvio, en vista de la ecuacin anterior, que, a menos que se tomen medidas para reducir el voltaje aplicado, circular una corriente excesiva en el motor durante ese arranque. Lo normal es que se usen dispositivos de arranque que consisten en resistores variables en serie, para limitar la corriente de arranque de los motores.

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El par de un motor es proporcional al nmero de conductores en la armadura, la corriente por conductor y el flujo magntico total en la mquina. La frmula para el par es:Z = nmero total de conductores en la armadura = flujo magntico total por polo Ia = corriente de la armadura tomada de la lnea. Para un motor dado, el nmero Z de conductores en la armadura, el nmero de polos y el nmero de trayectorias en la armadura son constantes Por lo tanto, el par se puede expresar como:Par = constante Ia La velocidad se expresa como:Velocidad = constante(Ea - Ia Rm)/ En el caso del motor en derivacin, Ea, Rm y son constantes, y las curvas de la velocidad; el par efectivo es menor que el generado por el par requerido para la friccin del viento y la de los cojinetes y las escobillas. La cada en la velocidad desde la condicin en vaco hasta la de plena carga rara vez sobrepasa el 5%; de hecho, como , el flujo magntico por polo, disminuye al aumentar la carga, debido a la reaccin de la armadura, es posible que la velocidad permanezca aproximadamente constante hasta la plena carga.

2.5.1.4 MOTOR DEVANADO EN SERIE:

Es el motor cuya velocidad disminuye sensiblemente cuando el par aumenta y cuya velocidad en vaco no tiene lmite tericamente. Los motores con excitacin en serie son aquellos en los que el inductor esta conectado en serie con el inducido. El inductor tiene un nmero relativamente pequeo de espiras de hilo, que debe ser de seccin suficiente para que se pase por l la corriente de rgimen que requiere el inducido. En los motores serie, el flujo depende totalmente de la intensidad de la corriente del inducido. Si el hierro del motor se mantiene a saturacin moderada, el flujo ser casi directamente proporcional a dicha intensidad.

2.5.1.4.1 Velocidad y par de los motores devanados en serie:

En este caso, de los motores devanados en serie, el flujo aumenta en proporcin a la corriente Ia en la armadura; el par sera proporcional a Ia2, si no fuera porque el circuito magntico se satura al aumentar la corriente. Como crece con la carga, la velocidad cae a medida que aumenta esa carga. Las caractersticas de velocidad y par se muestran en las curvas (3) de la figura 16. Si la carga en un motor devanado en serie se hace pequea, la velocidad aumenta mucho, de modo que un motor de este tipo siempre debe conectarse a la

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carga a travs de un engranaje reductor o directamente. Si se conectara mediante banda y sta se rompiera, la velocidad del motor se disparara y el motor probablemente estallara.

Para una carga dada y, por lo tanto, para una corriente dada, la velocidad de un motor devanado en serie se puede incrementar al poner en derivacin el devanado en serie, o bien, al poner en cortocircuito algunas de las vueltas en serie, de modo que se reduzca el flujo magntico. La velocidad se puede reducir al introducir una resistencia en serie con la armadura.

2.5.1.5 Motor compound

Es el motor cuya velocidad disminuye cuando el par aumenta y cuya velocidad en vaco es limitada. Las caractersticas del motor compound estn comprendidas entre las del motor de derivacin y las del motor en serie. Los tipos de motor compound son los mismo que para los generadores, resumindose el aditivo y el diferencial.

2.5.1.5.1 Conexiones del motor en compound:

El motor en compound es un trmino medio entre los motores devanados en serie y los de en derivacin. En virtud de la existencia del devanado en serie, que ayuda al devanado en derivacin, el flujo magntico por polo aumenta con la carga, de modo que el par se incrementa con mayor rapidez y la velocidad disminuye ms rpidamente que si no estuviera conectado el devanado en serie; pero el motor no se puede desbocar con cargas ligeras, por la presencia de la excitacin en derivacin. En las curvas (2) de la figura 16 se muestran las caractersticas de velocidad y par para este tipo de mquina.

La velocidad de un motor en compound se puede ajustar por medio de restatos en la armadura y el campo, como en el caso de la mquina en derivacin.

Las compound indirectas se usan en algunos motores de corriente directa. En este caso, el campo en serie con devanado de cinta gruesa se reemplaza con un campo con devanado de alambre, similar a un campo pequeo en derivacin. Este campo se excita por medio de un excitador de corriente continua no saturado, por lo general accionado por separado a velocidad constante. Este excitador, a su vez, es excitado por la corriente de lnea del motor, por la cual se alimenta la excitacin en serie. El voltaje