motores y generadorees de corriente continua
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UNIVERSIDAD DE EL SALVADORFACULTAD DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICAMÁQUINAS ELÉCTRICAS CICLO II-2007
TEMA:“MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE
CONTINUA”
CATEDRÁTICO: ING. RIGOBERTO VELÁSQUEZ PAZ
PRESENTA: CARNET:
ROMERO MARTÍNEZ, WILLIAM GUILLERMO RM05081
3
ÍNDICE
SECCIÓN PÁG.
INTRODUCCIÓN……………………………………………….5
OBJETIVOS…………………………………………………….6.
MARCO TEÓRICO………………………………………….....................7
DESARROLLO
1. LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA……..16
ECUACIONES FUNDAMENTALES DE LAMÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA…………16
2. LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA………….19
TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS DECORRIENTE CONTINUA……………………………..25
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA…..32
3.PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL
GENERADOR………………………..……………………….37
4. TIPOS DE GENERADORES DECORRIENTE CONTINUA……………………………………39
5.APLICACIONES Y SELECCIÓN DE
MOTORES Y GENERADORES DE
CORRIENTE CONTINUA
5.1 MOTORES………………………………………………….465.2 GENERADORES…………………………………………..48
4
SECCIÓN PÁG.
6. PARTICULARIDADES
ARRANQUE EN MOTORES DE CORRIENTE
DIRECTA……………………………………………………50
CONTROLADORES MAGNÉTICOS PARA
GRANDES MOTORES DE
CORRIENTE DIRECTA………....................................................50
SISTEMAS UTILIZADOS PARA LA REGULACIÓN DE
LA VELOCIDAD
EN LOS MOTORES……………………………………..51
LA REGULACIÓN DEL VOLTAJE DE UN
GENERADOR DE CORRIENTE DIRECTA…………….53
7. FALLAS EN MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE
CONTINUA
FALLAS EN LOS MOTORES………………………………54 FALLAS EN
LOS GENERADORES……………………….58
8. MANTENIMIENTO Y PRUEBAS DE MOTORES
Y GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA……………..60
5
CONCLUSIONES……………………………………………………65
BIBLIOGRAFÍA...............................................................................................66
6
TEMA: MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE
CONTINUA”
INTRODUCCION
En el presente reporte se exponen los detalles de la investigación sobre los
generadores y motores que operan con corriente directa, con ello se pretende
analizar que diferencias existen con respecto a los generadores y motores de
corriente alterna. A la vez, se hace necesario hacer notar la ventaja del uso de
motores y generadores de corriente directa o continua.
Por otra parte, se hace necesario explicar las características y parámetros
más importantes de los motores y generadores de corriente continua, con el
objetivo de investigar más a fondo lo que respecta a ese tipo de máquinas
eléctricas.
Además es necesario tener presente las fallas de este tipo de máquinas,
como elegir el motor o generador adecuado, que mantenimiento debe
dárseles a ellos, y otros temas relacionados con los motores y generadores
de corriente continua, con la finalidad de prepararnos como futuros ingenieros
mecánicos en esta área, que esta presente en un buen porcentaje en el
mercado laboral de la carrera.
Por esas razones, a continuación se presentan todos esos detalles y otros no
mencionados, referidos a los motores y generadores de corriente continua.
7
OBJETIVOS
Identificar diferencias y similitudes de los motores y generadores
de corriente continua con respecto a los que operan con corriente
alterna.
Conocer el principio de funcionamiento, así como también los tipos de
motores y generadores de corriente continua.
Identificar las ventajas que presentan en la industria los
generadores y motores de corriente continua o corriente directa.
Dar a conocer las posibles fallas que se presentan en los motores y
generadores de corriente continua, y brindar información acerca de
cómo debe de dárseles el mantenimiento para su correcta operación
durante el trabajo en la industria.
Presentar algunos detalles implícitos dentro del área de los
motores y generadores de corriente continua.
8
MARCO TEÓRICO
CORRIENTE CONTINUA O CORRIENTE DIRECTA
La corriente continua es el flujo continuo de electrones a través de un
conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente
alterna, en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la
misma dirección desde el punto de mayor potencial al de menor. Aunque
comúnmente se identifica la corriente continua con la corriente constante (por
ejemplo la suministrada por una batería), es continua toda corriente que
mantenga siempre la misma polaridad.
PRINCIPIOS GENERALES DE LOS MOTORES Y
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA.
1. Inducción Electromagnética
Un campo magnético está representado por líneas de flujo continuas que
se considera emergen de un polo norte y entran en un polo sur.
Si las líneas de flujo se deforman por el movimiento del conductor de la
bobina antes de romperse, la dirección del voltaje inducido se considera
hacia dentro del conductor si se muestra que las flechas, por el flujo
distorsionado, apuntan en el sentido del giro de las
9
manecillas del reloj, y hacia a fuera si apuntan en sentido contrario al giro de
las manecillas del reloj. Esta es la acción de generador.
2. Fuerza sobre conductores por los que fluye corriente en un
campo magnético.
Si un conductor lleva una corriente, alrededor del mismo se forman espiras
de flujo. La dirección del flujo es en el sentido de giro de las manecillas del
reloj si la corriente es tal que se aleja del observador y hacia el conductor, y
es en sentido contrario al giro de las manecillas del reloj si la corriente del
conductor sale del papel y se dirige al observador.
Si este conductor está en un campo magnético, la combinación del flujo del
campo y el flujo que genera el conductor puede considerarse que produce
una concentración de flujo en el lado del conductor en donde los dos flujos
son aditivos, y una disminución en el lado en donde se oponen. El
resultado es una fuerza sobre el conductor, que tiende a moverlo hacia el
lado que tiene flujo reducido. Ésta es la acción de motor.
3. Fuerza contraelectromotriz inducida en un motor
Es la tensión que se crea en los conductores de un motor como consecuencia
del corte de las líneas de fuerza, es el efecto generador.
10
La polaridad de la tensión en los generadores es inversa a la aplicada
en bornes del motor.
Las fuertes puntas de corriente de un motor en el arranque son debidas a que
con máquina parada no hay fuerza contraelectromotriz y el bobinado se
comporta como una resistencia pura.
MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS.
Muchos dispositivos pueden convertir energía eléctrica a mecánica y
viceversa. La estructura de estos dispositivos puede ser diferente,
dependiendo de las funciones que realicen. Algunos dispositivos son usados
para conversión continua de energía, y son conocidos como motores y
generadores. Otros dispositivos pueden ser: actuadores, tales como
solenoides, relés y electromagnetos. Todos ellos son física y
estructuralmente diferentes, pero operan con principios similares.
Una máquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica
en energía eléctrica o energía eléctrica en energía mecánica. Cuando este
dispositivo es utilizado para convertir energía mecánica en energía
eléctrica, se denomina generador; cuando se convierte energía eléctrica en
energía mecánica, se llama motor.
Un dispositivo electromecánico de conversión de energía es
esencialmente un medio de transferencia entre un lado de entrada y
11
uno de salida, como lo muestra la fig. 1.1. En el caso de un motor, la
entrada es la energía eléctrica, suministrada por una fuente de poder
y la salida es energía mecánica enviada a la carga, la cual puede ser
una bomba, ventilador, etc.
El generador eléctrico convierte la energía mecánica por una máquina
prima (turbina) a energía eléctrica en el lado de la salida.
La mayoría de estos dispositivos pueden funcionar, tanto como motor,
como generador.
Fig. 1. 1. Diagrama de bloques de dispositivos electromecánicos de conversión de energía, (a) motor, (b) generador.
12
CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
ROTATIVAS.
EL MOTOR ELECTRICO
Se llama motor eléctrico al dispositivo capaz de transformar la energía
eléctrica en energía mecánica, es decir, puede producir movimiento al
convertir en trabajo la energía eléctrica proveniente de la red o almacenada
en un banco de baterías.
Básicamente, un motor está constituido por dos partes, una fija
denominada Estator, y otra móvil respecto a esta última denominada
Rotor. Ambas están fabricadas en material ferromagnético (chapas
magnéticas apiladas), y disponen de una serie de ranuras en las que se
alojan los hilos conductores de cobre que forman el devanado eléctrico.
13
En todo motor eléctrico existen dos tipos de devanados: el inductor, que
origina el campo magnético para inducir las tensiones correspondientes en el
segundo devanado, que se denomina inducido, puesto que en él aparecen
las corrientes eléctricas que producen el par de funcionamiento deseado
(torque).
El espacio entre el rotor y el estator es constante y se denomina
entrehierro. Por efecto de las intensidades que atraviesan el rotor y el
estator; se crean campos magnéticos en el entrehierro. La interacción de
estos campos magnéticos con las intensidades que atraviesan los
conductores del rotor produce unas fuerzas tangenciales que hacen girar el
rotor produciéndose de este modo la energía mecánica.
Desde su invención hasta nuestros días, el uso de los motores
eléctricos ha sido creciente debido a:
A. Gran versatilidad de utilización y potencias que hacen posible su uso en el
hogar, la industria, el transporte, etc.
B. Altos rendimientos: un motor diesel 18.5 HP a 1500 rpm tiene una
eficiencia del orden del 36%, mientras que uno eléctrico de la misma
potencia a 440 V tiene una eficiencia del 87%.
C. Larga duración: Con buena utilización y mantenimiento su vida útil es
superior a 20 años.
14
VISTA ESQUEMÁTICA DE UN MOTOR ELÉCTRICO
GENERADORES ELECTRICOS
Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una
diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos,
terminales o bornes.
Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía
mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un
campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una
armadura (denominada también estator). Si mecánicamente se produce un
15
movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generara una fuerza
electromotriz (F.E.M.).
Se clasifican en dos tipos fundamentales: primarios y secundarios. Son
generadores primarios los que convierten en energía eléctrica la energía de
otra naturaleza que reciben o de la que disponen inicialmente, mientras que
los secundarios entregan una parte de la energía eléctrica que han recibido
previamente. Se agruparán los dispositivos concretos conforme al proceso
físico que les sirve de fundamento.
El generador elemental está constituido por una espira de alambre
colocada de manera que pueda girar dentro de un campo magnético fijo y
que produzca una tensión inducida en la espira. Para conectar la espira
al circuito exterior y aprovechar la f.e.m. inducida se utilizan contactos
deslizantes.
Las piezas polares son los polos norte y sur del imán que
suministran el campo magnético. La espira de alambre que gira a través
del campo magnético se llama inducido o armadura. Los cilindros a los
cuales están conectados los extremos del inducido se denominan "anillos
rozantes" o de contacto, los cuales giran a la vez que el inducido. Unas
escobillas van rozando los anillos de contacto para recoger la electricidad
producida en la armadura y transportarla al circuito exterior.
16
PARTES DE UN GENERADOR ELECTRICO
1. Aislamiento
2. Ventilación controlada
3. Colector
4. Soporte del lado conector
5. Conjunto de Escobilla
6. Inducido
7. Cojinetes
8. Caja de Borne
17
DESARROLLO
1. LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA O DIRECTA.
Las máquinas de corriente continua (cc) se caracterizan por su versatilidad.
Debido a la facilidad con la que se pueden controlar, a menudo se usan
sistemas de máquinas de cc en aplicaciones donde se necesita una amplia
gama de velocidades de motor o de control de la potencia de éste.
En los últimos años la tecnología de sistemas de control de estado sólido se
ha desarrollado lo suficiente para controladores de corriente alterna (ca), y
por lo tanto se comienzan a ver dichos sistemas en aplicaciones que antes se
asociaban casi exclusivamente con las máquinas de cc. Sin embargo éstas
continuarán aplicándose debido a su flexibilidad y a la sencillez relativa de
sus lazos de control, en comparación con los de las máquinas de ca.
Los principios de fundamentales que tienen que ver con el funcionamiento de
las máquinas son muy sencillos, pero que por lo general se opacan por lo
complejo de la construcción de las máquinas reales.
Ecuaciones fundamentales de la máquina de corriente continua.
En la figura siguiente aparecen esquemáticamente las características
esenciales de una máquina de cc. El estator tiene
polos salientes y se excita mediante uno o más devanados de
.
18
campo. La distribución de flujo en el entrehierro que crean los devanados de
campo es simétrica respecto a la línea de centro de los polos de campo. El
rotor sustenta un conjunto de bobinas que giran con él que se encargan de
generar el campo magnético en cuadratura, y por ende, generar el torque de
giro. El colector, que corresponde a una especie de rectificador mecánico, se
encarga de alimentar a cada bobina en el momento adecuado, con el fin de
conservar la cuadratura de los campos.
La figura que a continuación se muestra representa el modelo eléctrico del
motor de cc. De este modelo se pueden sacar las ecuaciones base que
describen el comportamiento de la máquina, pudiéndose obtener distintas
curvas características.
19
Las ecuaciones de campo se rigen por un sistema de primer orden (ec1.1),
al igual que en el rotor (ec1.2). Las ecuaciones magnéticas mecánicas
relacionan el enlace entre el campo y la armadura (ec1.3) y la
transferencia de energía hacia la carga (ec1.4 y ec1.5).
Donde:
20
2. LOS MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA.
El motor de corriente continua o directa es básicamente un transductor de
par que convierte la energía eléctrica en energía mecánica. El par
desarrollado por el eje del motor es directamente proporcional al flujo en el
campo y a la corriente en la armadura.
Para comprender el principio de funcionamiento de un motor eléctrico de
corriente continua, nos basaremos en el siguiente flujograma:
21
Algunas características de los motores de corriente continua son:
o Poder regular continuamente la velocidad del eje.
o Un par de arranque elevado.
Es necesario aplicar corriente continua en el inducido (bobinado situado
en el rotor) y en el inductor (bobinado o imán situado en el estator)
22
Sus partes principales (ya mencionadas en el flujograma) son:
23
Rotor
Constituye la parte móvil del motor, proporciona el torque para mover a la
carga.
Está formado por:
• EJE: Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación al
núcleo, devanado y al colector.
• NÚCLEO: Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de acero,
su función es proporcionar un trayecto magnético entre los polos para que el
flujo magnético del devanado circule.
• DEVANADO: Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la
armadura. Estas bobinas están alojadas en las ranuras, y están conectadas
eléctricamente con el colector, el cual debido a su movimiento rotatorio,
proporciona un camino de conducción conmutado.
• COLECTOR: Denominado también conmutador, está constituido de
láminas de material conductor (delgas), separadas entre sí y del centro del
eje por un material aislante, para evitar cortocircuito con dichos elementos.
El colector se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor, de modo
que gira con éste y está en contacto con las escobillas. La función del
colector es recoger la tensión producida por el devanado inducido,
transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas (llamadas también
cepillos).
24
EN ESTA FIGURA SE NOS MUESTRA EL MONTAJE DE LOS
ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN AL ROTOR.
Estator
Constituye la parte fija de la máquina. Su función es suministrar el flujo
magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar su
movimiento giratorio.
Está formado por:
• ARMAZÓN: Denominado también yugo, tiene dos funciones primordiales:
servir como soporte y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo
25
magnético del rotor y del imán permanente, para completar el circuito
magnético.
26
• IMÁN PERMANENTE: Compuesto de material ferromagnético altamente
remanente, se encuentra fijado al armazón o carcaza del estator. Su función
es proporcionar un campo magnético uniforme al devanado del rotor o
armadura, de modo que interactúe con el campo formado por el bobinado, y
se origine el movimiento del rotor como resultado de la interacción de estos
campos.
• Escobillas: Las escobillas están fabricadas se carbón, y poseen una
dureza menor que la del colector, para evitar que éste se desgaste
rápidamente. Se encuentran albergadas por los portaescobillas. Ambos,
escobillas y portaescobillas, se encuentran en una de las tapas del estator.
La función de las escobillas es transmitir la tensión y corriente de la fuente de
alimentación hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor.
La función del portaescobillas es mantener a las escobillas en su posición de
contacto firme con los segmentos del colector. Esta función la realiza por
medio de resortes, los cuales hacen una presión moderada sobre las
escobillas contra el colector. Esta presión debe mantenerse en un nivel
intermedio pues, de ser excesiva, la fricción desgastaría tanto a las escobillas
como al colector; por otro lado, de ser mínima esta presión, se produciría lo
que se denomina "chisporroteo", que es cuando aparecen chispas entre las
superficies del colector y las escobillas, debido a que no existe un buen
contacto.
27
Veamos en la siguiente figura como está constituido un estator:
TABLA DE ESTRUCTURA
La siguiente tabla muestra la distribución de las piezas del
motor:
28
Como ya lo dijimos, los motores eléctricos de corriente continua son
de gran facilidad para la regulación de velocidad, cambios o
inversiones rápidas de la marcha, y sin necesidad de equipos
costosos es posible efectuar control automático de torques y
velocidades.
29
Por las ventajas descritas anteriormente se utilizan primordialmente en
industrias Papeleras, Textileras, Químicas, Siderúrgicas y Metalúrgicas. En
estos motores, el estator está formado por polos principales y auxiliares
excitados por corriente continua, así mismo el rotor se alimenta con
corriente continua mediante el colector de delgas y las escobillas.
2.1 TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE
CONTINUA
Los motores de corriente continua se clasifican de acuerdo al tipo de bobinado
del campo como motores en derivación, en Serie, Shunt, Shunt estabilizado, o
Compuesto (Compound). Sin embargo algunos de ellos pueden ser auto
excitados o de excitación separada o pueden tener campos de imán
permanente.
Ellos muestran curvas muy diferentes de torque-velocidad y se conectan en
diferentes configuraciones para diferentes aplicaciones. Algunos motores de
corriente continua utilizan imán permanente como campo principal,
especialmente los de potencia (HP) fraccionada (1/4,1/2,3/4) y baja potencia.
Los motores de imán permanente tienen la ventaja de no requerir una fuente
de potencia para el campo, pero tienen la desventaja de ser susceptibles a la
desmagnetización por cargas de choque eléctricas o mecánicas. Los
campos de imán permanente no se
30
pueden ajustar para entonar el motor para ajustarse a la aplicación, como
pueden los de campo bobinado.
Veamos las características principales de la clasificación de los motores de
corriente continua:
• EN DERIVACIÓN
El estator se alimenta con la misma tensión que el inducido. En los motores
en derivación, el flujo por polo es prácticamente constante, y considerando
que el par del motor es proporcional a la corriente y que la velocidad
disminuye linealmente al aumentar esta, se tiene un motor en el que la
velocidad varia muy poco cuando varía el par, por lo cual se utilizan en casos
donde la velocidad debe ser lo más independiente posible de la carga.
Los motores con excitación independiente son prácticamente
iguales a los anteriores.
• INDEPENDIENTE
El estator y el inducido se alimentan con fuentes separadas o
independientes.
31
• MOTOR EN SERIE
El estator y el inducido se conectan de modo tal que por ellos circule
la misma corriente. En un motor serie, el flujo del campo es una función de
la corriente de la carga y de la curva de saturación del motor. A medida que
la corriente de la carga disminuye desde plena carga, el flujo disminuye y
la velocidad aumenta. Para cada motor serie, hay una mínima carga segura
determinada por la máxima velocidad de operación segura. En los
motores serie, la corriente del inducido atraviesa los polos y como el flujo
producido en un polo depende de la corriente, el flujo será variable. El
comportamiento típico de este motor es el siguiente:
• El par del motor crece al principio en forma cuadrática, más adelante,
crece en forma lineal.
• La velocidad disminuye más que proporcionalmente al crecer la
intensidad.
Por lo cual, se tiene un par muy elevado a velocidades pequeñas
(arranque) y velocidades muy grandes con pares muy pequeños.
Este tipo de motores no puede funcionar en vacío puesto que en estas
condiciones el flujo es muy pequeño y según la velocidad aumenta
produciéndose un embalamiento. No pueden usarse en aplicaciones
donde la carga pueda faltar ocasionalmente. Suelen utilizarse para tracción
eléctrica, grúas, etc.
32
• MOTORES COMPOUND O COMPUESTOS
Es una combinación de las conexiones en serie y en derivación. Los motores
compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo
shunt. Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambre
grueso, es conectado en serie con la armadura y lleva la corriente de
armadura.
El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de
armadura varia, y es directamente proporcional a la carga. El campo serie se
conecta de manera tal que su flujo se añade al flujo del campo principal shunt.
Los motores compound se conectan normalmente de esta manera y se
denominan como compound acumulativo.
Esto provee una característica de velocidad la cual no es tan “dura” o plana
como la del motor shunt, no tan “suave” como un motor serie. Un motor
compound tiene un limitado rango de debilitamiento de campo, la debilitación
del campo puede resultar en exceder la máxima velocidad segura del motor
sin carga. Los motores de corriente continua compound son algunas veces
utilizados donde se requiera una respuesta estable de torque constante a
través de un amplio rango de velocidad. Los compuestos tienen
características intermedias a los motores en serie y derivación. Presentan
elevados pares de arranque y no tienen velocidades tan altas a bajas cargas.
33
• MOTOR SHUNT
En un motor shunt, el flujo es constante si la fuente de poder del campo es
fija. Asuma que el voltaje de armadura Et es constante. A medida que la
corriente de la carga disminuye desde plena carga a sin carga, la velocidad
debe aumentar proporcionalmente de manera que la fuerza contra
electromotriz Ec aumentará para mantener la ecuación en balance. A voltaje
nominal y campo completo, la velocidad del motor shunt aumentará 5% a
medida que la corriente de carga disminuya de plena carga a sin carga. La
reacción de armadura evita que el flujo de campo permanezca absolutamente
constante con los cambios en la corriente de la carga. La reacción de
armadura, por lo tanto causa un ligero debilitamiento del flujo a medida que la
corriente aumenta. Esto tiende a aumentar la velocidad del motor. Esto se
llama “inestabilidad” y el motor se dice que está inestable.
• MOTOR SHUNT ESTABILIZADO
Para vencer la potencial inestabilidad de un motor recto shunt y reducir la
“caída” de velocidad de un motor compound, un ligero devanado serie es
arrollado sobre el devanado shunt. El flujo del devanado serie aumenta con la
corriente de carga y produce un motor estable con una característica de
caída de velocidad para todas las cargas.
34
El devanado serie es llamado un campo estabilizador o “stab” y el motor un
motor shunt estabilizado. La regulación de velocidad de un motor shunt
estabilizado es típicamente menor al 15%.
La mayoría de los motores Reliance Super RPM y RPM III son shunt
estabilizados. Cuando el campo shunt del motor es debilitado para aumentar
la velocidad a un nivel de operación mas alto, el flujo del devanado serie llega
a ser un porcentaje mayor del flujo total, de manera que a medida que la
corriente aumenta, la caída de velocidad es un porcentaje mayor que antes.
En aplicaciones donde la instabilidad resultante pudiera afectar seriamente el
funcionamiento de la maquina (movida por el motor), el campo serie puede
desconectarse. En aplicaciones donde los efectos de estabilidad nos son
críticos, como en un frenado regenerativo, el campo serie puede utilizarse
para mejorar el rendimiento que el provee.
Cuando el campo serie no se conecta, el fabricante del control debe asegurar
que la máxima velocidad segura del motor no es excedida y debe reconocer
la perdida de torque que resulta de la operación del motor shunt estabilizado
sin el devanado serie.
En la figura que a continuación se presenta, se muestran las conexiones de
los distintos tipos de motores de corriente continua, conectados a la misma
red de alimentación eléctrica.
35
DIAGRAMA DE CONEXIÓN PARA LOS DISTINTOS TIPOS DE
CONFIGURACIÓN DE MOTORES ELÉCRICOS ALIMENTADOS
CON CORRIENTE CONTINUA.
36
2.2 GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA
Los generadores de corriente continua son máquinas que transforman la
energía mecánica en energía eléctrica. Su funcionamiento se reduce
siempre al principio de la bobina giratorio dentro de un campo magnético.
Si una armadura gira entre dos polos magnéticos fijos, la corriente en la
armadura circula en un sentido durante la mitad de cada revolución, y en
el otro sentido durante la otra mitad.
Para producir un flujo constante de corriente en un sentido, o corriente
continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio
para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada
revolución.
En las máquinas antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un
conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el eje de una
armadura. Las dos mitades del anillo se aislaban entre sí y servían como
bornes de la bobina. Las escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían
en contacto con el conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la
bobina a los cables externos.
Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma
alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el
momento en el que la corriente invertía su sentido dentro de la bobina de
la armadura. Así se producía un flujo de
corriente de un sentido en el circuito exterior al que el generador
37
estaba conectado. Los generadores de corriente continua funcionan
normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se
producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos. El potencial
más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1.500
voltios. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza
usando aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de
diodo.
Los generadores modernos de corriente continua utilizan armaduras de
tambor, que suelen estar formadas por un gran número de bobinas
agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura
y conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador múltiple. Si
una armadura tiene un solo circuito de cable, la corriente que se
produce aumentará y disminuirá dependiendo de la parte del campo
magnético a través del cual se esté moviendo el circuito. Un conmutador
de varios segmentos usado con una armadura de tambor conecta siempre
el circuito externo a uno de cable que se mueve a través de un área de
alta intensidad del campo, y como resultado la corriente que suministran
las bobinas de la armadura es prácticamente constante.
Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o más
polos electromagnéticos que aumentan el tamaño y la resistencia del
campo magnético. En algunos casos, se añaden interpolos más
pequeños para compensar las distorsiones que
38
causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico del campo.
El campo inductor de un generador se puede obtener mediante un imán
permanente (magneto) o por medio de un electroimán (dinamo). En este
último caso, el electroimán se excita por una corriente independiente o
por autoexcitación, es decir, la propia corriente producida en la dinamo
sirve para crear el campo magnético en las bobinas del inductor. Existen
tres tipos de dinamo según sea la forma en que estén acoplados el inductor
y el inducido: en serie, en derivación y en combinación.
Los generadores de corriente continua se clasifican según el método que
usan para proporcionar corriente de campo que excite los imanes del mismo.
Un generador de excitado en serie tiene su campo en serie respecto a la
armadura. Un generador de excitado en derivación, tiene su campo
conectado en paralelo a la armadura.
Un generador de excitado combinado tiene parte de sus campos
conectados en serie y parte en paralelo. Los dos últimos tipos de
generadores tienen la ventaja de suministrar un voltaje relativamente
constante, bajo cargas eléctricas variables. El de excitado en serie se
usa sobre todo para suministrar una corriente constante a voltaje variable.
Un magneto es un generador pequeño de corriente continua con un campo
magnético permanente.
39
*APARTADO ESPECIAL: LA DÍNAMO
La dinamo fue el primer generador eléctrico apto para uso industrial. Emplea
principios electromagnéticos para convertir la energía de rotación mecánica
en corriente continua. El primer dinamo, basado en los principios de Faraday,
fue construido en 1832 por el fabricante francés de herramientas Hipólito
Pixii. Empleaba un imán permanente que giraba por medio de una manivela.
Este imán estaba colocado de forma que sus polos norte y sur pasaban al
girar junto a un núcleo de hierro con un cable eléctrico enrollado (como un
núcleo y una bobina). Pixii descubrió que el imán giratorio producía un pulso
de corriente en el cable cada vez que uno de los polos pasaba junto a la
bobina; cada polo inducía una corriente en sentido contrario, esto es, una
corriente alterna. Añadiendo al esquema un conmutador eléctrico situado en
el mismo eje de giro del imán, Pixii convirtió la corriente alterna en corriente
continua.
Uno de los principales usos de la dinamo es la utilización de la energía eólica,
de esta forma el viento hace rotar las aspas conectadas al eje del dinamo,
produciendo electricidad y aprovechando esta fuente de energía inagotable.
Uno de los usos más corrientes que se le dio a la dinamo fue el de generador
de energía eléctrica para el automóvil. A medida que, desde principios del
siglo XX, los automóviles se iban haciendo más complejos, se demostró que
los sistemas de generación de energía eléctrica con los que se contaba no
eran lo suficientemente potentes para las necesidades del vehículo. Esta
circunstancia favoreció la implantación paulatina de la dinamo en el mismo.
40
Aunque se trataba de un elemento que proporcionaba la energía necesaria
con relativamente poco peso, presentaba ciertos problemas. El más
importante era que la velocidad de rotación que se le suministraba nunca era
constante (las revoluciones del motor están continuamente variando) con lo
cual tenía que ser capaz de suministrar la misma corriente en ralentí
(movimiento lento) que cuando el motor estaba a pleno rendimiento.
Esto se solucionó con los reguladores que, aunque son sencillos en su diseño,
requieren de un reglaje muy delicado. Estos dispositivos debían ser capaces
de regular el voltaje y la intensidad. Además debería evitar que la dinamo
funcionara como un motor eléctrico cuando el vehículo estuviera al ralentí, que
es cuando prácticamente no produce energía, para que el flujo de corriente no
se invirtiera.
Dado que las dinamos tienen un diseño muy parecido al de los motores
eléctricos, en el automóvil llegaban a funcionar como tales cuando se invertía
el flujo de corriente al ser mayor el potencial que suministraba la batería que
el potencial que suministraba la dinamo.
41
3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR.
EL EXPERIMENTO DE FARADAY: Durante 1831 y 1832, Michael
Faraday descubrió que un conductor eléctrico moviéndose
perpendicularmente a un campo magnético generaba una diferencia de
potencial.
Aprovechando esto, construyó el primer generador electromagnético, el disco
de Faraday, un generador homopolar, empleando un disco de cobre que
giraba entre los extremos de un imán con forma de herradura, generándose
una pequeña corriente continua.
También fue utilizado como generador de energía en una bicicleta para
producir luz de poca intensidad.
42
Haciendo girar una espira en un campo
magnético se produce una f.e.m. inducida
en sus conductores. La tensión obtenida
en el exterior a través de un anillo
colector y una escobilla en cada
extremo de la espira tiene carácter
senoidal.
Conectando los extremos de la espira a
unos semianillos conductores aislados
entre sí, conseguiremos que cada
escobilla esté siempre en contacto con
la parte de inducido que presenta una
determinada polaridad.
43
Durante un semiperiodo se obtiene la misma tensión alterna pero, en el
semiperiodo siguiente, se invierte la conexión convirtiendo el semiciclo
negativo en positivo.
44
4. TIPOS DE GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA.
A. GENERADOR DE EXCITACIÓN EN SERIE
El devanado inductor se conecta en serie con el inducido, de tal
forma que toda la corriente que el generador suministra a la carga
fluye por igual por ambos devanados.
Dado que la corriente que atraviesa al devanado inductor es elevada,
se construye con pocas espiras de gran sección.
Tiene el inconveniente de no excitarse al trabajar en vacío. Así
mismo se muestra muy inestable por aumentar la tensión en bornes al
hacerlo la carga, por lo que resulta poco útil para la generación de
energía eléctrica.
Para la puesta en marcha es necesario que el circuito exterior esté
cerrado.
45
46
ESQUEMA DE UN GENERADOR DE EXCITACIÓN EN SERIE
A partir de una tensión máxima, el aumento de intensidad hace decrecer
la tensión en bornes. Ello es debido a que la reacción de inducido empieza
a ser importante, las caídas de tensión van aumentando y, sobre todo, los
polos inductores se van saturando con lo que el flujo no crece en la
misma proporción que la intensidad.
A partir de una tensión máxima, el aumento de intensidad hace decrecer
la tensión en bornes. Ello es debido a que la reacción de inducido empieza
a ser importante, las caídas de tensión van aumentando y, sobre todo, los
polos inductores se van saturando con lo que el flujo no crece en la
misma proporción que la intensidad.
Como en el resto de las máquinas autoexcitadas, se necesita un cierto
magnetismo remanente que permita la creación de corriente en el inducido
al ponerse en movimiento los conductores.
47
El sentido de giro de la máquina siempre ha de ser tal que el campo
creado refuerce al del magnetismo remanente, de lo contrario, lo
anularía y la dinamo no funcionará.
B. GENERADOR DE EXCITACIÓN COMPUESTA (COMPOUND).
En el generador con excitación mixta o compuesta el circuito inductor
se divide en dos partes independientes, conectando una en serie con el
inducido y otra en derivación.
Existen dos modalidades, la compuesta corta que pone el devanado
derivación directamente en paralelo con el inducido (EAC) y la
compuesta larga que lo pone en paralelo con el grupo formado por el
inducido en serie con el otro devanado (FC).
48
El devanado serie aporta solamente una pequeña parte del flujo y se
puede conectar de forma que su flujo de sume al flujo creado por el
devanado paralelo (aditiva) o de forma que su flujo disminuya el flujo del
otro devanado (diferencial).
49
Así mismo, en función del número de espiras del devanado serie su
aportación de flujo será mayor o menor, dando lugar a los tipos:
hipercompuesta, normal, hipocompuesta y diferencial.
Gracias a la combinación de los efectos serie y derivación en la
excitación de la dinamo se consigue que la tensión que suministra el
generador a la carga sea mucho más estable para cualquier régimen de
carga.
La gran estabilidad conseguida en la tensión por éstos generadores o
dinamos los convierte, en la práctica, en las más utilizadas para la generación
de energía.
A medida que aumenta la intensidad de consumo, la excitación en paralelo
disminuye, pero la excitación en serie aumenta. De este modo puede
conseguirse una tensión de salida prácticamente constante a cualquier
carga.
50
C. GENERADOR EN DERIVACIÓN O DE EXCITACIÓN
EN PARALELO ( SHUNT )
Siendo la dinamo o generador shunt una máquina autoexcitada,
empezará a desarrollar su voltaje partiendo del magnetismo residual tan
pronto como el inducido empiece a girar. Después a medida que el inducido
va desarrollando voltaje este envía corriente a través del inductor aumentando
él número de líneas de fuerza y desarrollando voltaje hasta su valor normal.
Puesto que circuito inductor y el circuito de la carga están ambos
conectados a través de los terminales de la dinamo, cualquier corriente
engendrada en el inducido tiene que dividiese entre esas dos trayectorias
en proporción inversa a sus resistencias y, puesto que la parte de la
corriente pasa por el circuito inductor es relativamente elevada, la mayor
parte de la corriente pasa por el circuito de la carga, impidiendo así el
aumento de la intensidad del campo magnético esencial para producir el
voltaje normal entre los terminales.
El voltaje de una dinamo shunt variara en razón inversa de la carga, por la
razón mencionada en el párrafo anterior. El aumento de la carga hace que
aumente la caída de voltaje en el circuito de inducción, reduciendo así el
voltaje aplicado al inductor, esto reduce la intensidad del campo magnético y
por con siguiente, el voltaje del generador. Si se aumenta bruscamente la
carga aplicada a una
dinamo shunt la caída de voltaje puede ser bastante apreciable;
51
mientras que si se suprime casi por entero la carga, la regulación de voltaje
de una dinamo shunt es muy defectuosa debido a que su regulación no es
inherente ni mantiene su voltaje constante.
Estos generadores se adaptan bien a trabajos fuertes, pero pueden
emplearse para el alumbrado por medio de lámparas incandescentes o
para alimentar otros aparatos de potencia constante en los que las
variaciones de carga no sean demasiado pronunciadas.
La dinamo shunt funciona con dificultad en paralelo por que no se reparte por
igual la carga entre ellas.
D. GENERADOR CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE
En este tipo de generador, la tensión en los bornes es casi independiente
de la carga de la máquina y de su velocidad, ya que la tensión se puede
regular por medio del reóstato de campo, aunque naturalmente, dentro de
ciertos límites, porque la excitación del campo inductor no puede aumentar
más allá de lo que permite la saturación.
En la siguiente figura se representa el esquema de conexiones completo
de un generador de corriente continua con excitación independiente; se
supone que el sentido de giro de la máquina es a derechas lo que, por otro
lado, es el que corresponde a casi todas las máquinas motrices.
52
Si hubiere que cambiar el sentido de giro, bastará con cambiar, las
conexiones del circuito principal.
Esquema de conexiones de un generador con excitación
independiente
53
5. APLICACIONES Y SELECCIÓN DE MOTORES
Y GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA.
MOTORES
Los motores de corriente continua en derivación son adecuados para
aplicaciones en donde se necesita velocidad constante a cualquier ajuste del
control o en los casos en que es necesario un rango apreciable de
velocidades (por medio del control del campo).
El motor en derivación se utiliza en aplicaciones de velocidad
constante, como en los accionamientos para los generadores de corriente
continua en los grupos motogeneradores de corriente directa. El motor
devanado en serie se usa en aplicaciones en las que se requiere un alto par
de arranque, como en la tracción eléctrica, grúas, malacates, etcétera. En los
motores en compound, la caída de la característica velocidad-par se puede
ajustar para que se adecue a la carga.
En aplicaciones en las que tradicionalmente se emplean motores en
compound, podría considerarse el motor PM en los casos en que se necesiten
una eficiencia un poco más alta y una mayor capacidad de sobrecarga. En las
aplicaciones de motores devanados en serie, la consideración del costo
puede influir en la decisión de hacer el cambio. Por ejemplo, en tamaños
de armazón menores de 5 pulgadas de diámetro, el motor devanado en
serie es más económico; pero en tamaños de más de 5 pulgadas, este
motor cuesta más en volúmenes grandes, y el motor PM en estos tamaños
47
más grandes desafía al motor devanado en serie con sus pares altos y
su baja velocidad en vacío.
Los motores de excitación independiente tienen como aplicaciones
industriales el torneado y taladrado de materiales, trefilación, extrusión de
materiales plásticos y goma, ventilación de horno, retroceso rápido en vacío
de ganchos de grúas, desenrollado de bobinas y retroceso de útiles para
serrar. Los motores de excitación en derivación tienen aplicaciones como
ventiladores, bombas, máquinas. Herramientas además de los citados
para el motor de excitación independiente. Entre las aplicaciones del motor
serie cabe destacar tracción eléctrica, grúas, bombas hidráulicas de pistón y
en general en aquellos procesos donde lo importante sea vencer un par de
gran precisión en la velocidad. El mayor uso del motor compound aditivo es
en estrujadoras, grúas tracción, calandras, ventiladores, prensas, limadores,
etcétera. El motor compound diferencial presenta el peligro de embalarse
para fuertes cargas, por lo que su empleo es muy limitado.
Los motores de imán permanente se emplean para el movimiento de
maquinaria (tornos) en procesos de fabricación automática, arrastres de
cintas de audio y video, movimiento de cámaras, etc.
Para la elección de un motor eléctrico de corriente continua se toma en cuenta
lo siguiente:
48
GENERADORES
El papel más importante que desempeña 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 máxima nominal; ésta es en
realidad corriente eléctrica de corriente continua que permite la mejor
conmutación posible en el motor, porque carece de la forma de las ondas
bruscas de energía 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 retroalimentación de
control además de estar bien adaptado para producir corriente de
excitación de respuesta y controlada en forma precisa tanto ara
máquinas de corriente alterna como para máquinas de corriente continua.
El campo de aplicación del generador con excitación independiente, es
general, siempre que se disponga de una línea independiente de corriente
continua. Sin embargo, debe hacerse la advertencia de que estas
máquinas “nunca deben trabajar en cortocircuito”, pues existe el peligro de
quemarlas; esto procede, según puede comprenderse fácilmente de la
independencia entre el circuito inducido y el circuito de excitación.
Básicamente, los generadores con excitación independiente tienen, dos
aplicaciones típicas: una, como amplificador-multiplicador; y la otra, como
tacómetro.
Los generadores con excitación serie ya no se emplean en las centrales.
Se emplearon hace ya algún tiempo para la alimentación
49
de grandes circuitos de lámparas de arco, pero estas lámparas han sido
sustituidas por otros tipos más modernos, como por ejemplo, las lámparas
de xenón. Los generadores con excitación en serie tienen aplicación en
aquellas actividades en las que se precise una intensidad prácticamente
constante, como puede ser en equipos de soldaduras y en determinados
sistemas de alumbrados.
Los generadores compound, tienen aplicación en las centrales para tracción
eléctrica que precisan de una tensión constante y en todos aquellos casos
en que se haya de contar con variaciones bruscas de carga, como sucede
en los talleres con grúas de gran potencia, laminadores, etcétera;
suponiendo que no se disponga de sistemas compensadores, y que se desee
la mayor constancia posible para la tensión en las barras colectoras. También
puede emplearse en pequeñas instalaciones que precisen de tensión
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 autorregulación no es perfecta por lo que, en
instalaciones de mayor importancia en que se desee una tensión constante
sin vigilancia, debe sustituirse el generador compound por otros
procedimientos.
Los generadores con excitación mixta (compound) son utilizados en el
sistema de generación de energía eléctrica de corriente continua 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 energía
eléctrica necesaria.
50
6. PARTICULARIDADES
6.1 ARRANQUE DE MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA
Los motores de corriente directa de pequeña capacidad se pueden arrancar
al conectar directamente el motor al voltaje de línea. Los motores con
capacidad nominal de 2 caballos de fuerza o más en general requieren un
arrancador con voltaje reducido. El voltaje reducido para el arrancador se
obtiene al emplear resistencias en serie con la armadura del motor, o bien,
al hacer variar el voltaje de alimentación a la armadura. Se puede usar
control manual o magnético.
Los motores de corriente continua en accionamientos de voltaje ajustable
y velocidad ajustable se arrancan al hacer girar el control de la velocidad
hacia arriba, desde cero hasta la velocidad deseada, o bien, mediante
circuitos internos que elevan paulatinamente el voltaje de la armadura
hasta el valor deseado. No se requiere equipo de arranque que no sea el
rectificador o generador de voltaje de la armadura.
6.2 CONTROLADORES MAGNÉTICOS PARA GRANDES MOTORES
DE CORRIENTE DIRECTA.
Estos controladores se fabrican con formas que se ajusten a la
aplicación- Los controladores se encuentran en las formas siguientes:
2
51
1. Sin cambio de marcha, sin frenado dinámico y con éste.
2. Sin cambio de marcha, con regulación de la velocidad por control del
campo, sin frenado dinámico y con éste.
3. Con inversión de marcha y con frenado dinámico, sin regulación de la
velocidad por control del campo y con esta regulación.
6.3 SISTEMAS UTILIZADOS PARA LA REGULACIÓN DE LA
VELOCIDAD EN LOS MOTORES
CONTROL REOSTÁTICO EN EL CIRCUITO INDUCTOR
Según la expresión de la velocidad, ésta puede variar en razón inversa
al flujo, de forma que otro procedimiento de regular la velocidad de un motor
es variando la corriente de excitación.
La variación de corriente de excitación se logra intercalando un reóstato
en serie con el devanado de campo en el motor derivación, y en paralelo en el
motor serie.
Este sistema de regulación presenta las ventajas de sencillez de
realización y de reducido consumo, ya que las pérdidas por efecto Joule
son:
Pj Rr Iex
52
En el motor existe una derivación muy reducida la corriente Iex, y en el
motor serie, mínima la resistencia desviadora Rr.
Sin embargo, este sistema no es muy utilizado, por ofrecer una gama
de control de velocidad reducida (de 1 a 2,5). Este inconveniente surge,
tanto al disminuir la velocidad, por la limitación de la saturación del circuito
magnético, como en el aumento, por el excesivo valor de corriente y la
consiguiente reacción de inducido.
REGULACIÓN POR ACOPLAMIENTO DE MOTORES
Este sistema es apropiado para los servicios que necesiten de varios
motores como ocurre en tracción eléctrica.
Así, una locomotora que dispone de seis motores serie emplea las
conexiones siguientes:
Serie: En la que permanecen los 6 motores acoplados en serie, por lo
que a cada motor se aplicará 1/6 de la tensión de red, y los motores
girarán a la velocidad más reducida.
Serie-paralelo: Formada por dos ramas de 3 motores en serie, y éstas a
su vez en paralelo. La tensión aplicada a cada motor será de 1/3 de la
tensión de red, por lo que el motor girará a mayor velocidad que en el
caso anterior.
Paralelo: Formada por 3 ramas de 2 motores en serie. y éstas a
53
su vez en paralelo. La tensión que se aplica a cada motor es 1/2
54
de la tensión de red.
6.4 LA REGULACIÓN DEL VOLTAJE DE UN GENERADOR DE
CORRIENTE DIRECTA.
Esta regulación es la razón de la diferencia entre el voltaje sin carga y
aquella a plena carga al voltaje a carga nominal. La característica es
normalmente una reducción a medida que la carga aumenta, pero se puede
elevar debido a los efectos de campo en serie o a la acción de corrientes
circulantes de comunicación a operación a muy bajo voltaje.
Para un generador de cd, la ecuación de voltaje terminal es:
TV = E – IR (K ( t) (r/min) – IR)
En donde E es la Fem. Inducida, IR es la caída de circuito de
armadura, K es una constante que depende del diseño de la máquina
y t es el flujo total de polo principal del generador.
Las curvas de regulación se calculan fácilmente mediante el uso de las
curvas de saturación sin carga y plena carga. El efecto del método de
excitación se encuentra si se usa la línea del campo e IR de reóstato para
máquinas autoexcitadas y por línea de ampere- vueltas constantes para
excitación separada.
55
7. FALLAS EN MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE
CONTINUA
7.1 FALLAS EN LOS MOTORES
Se define a falla eléctrica como "cualquier evento que impide la normal
operación (disponibilidad) de algún equipo, esquema o componente de
control y protección". Esta amplia definición permite el registro de eventos,
aún cuando el equipo afectado no se encuentre plenamente inoperativo,
situación muy frecuente en el campo del control y protección de
Sistemas Eléctricos. Por otra parte, se define Atención Correctiva como
“un procedimiento preestablecido y destinado a retornar a su estado normal
de operación (definido o provisorio) al objeto afectado por la falla”.
Existen diferentes enfoques para analizar y evaluar el impacto de las fallas
sobre los equipos del sistema eléctrico de las Industrias, en general
basadas en la evaluación de la potencia o energía perdida con ocasión de
cada falla. En este sentido las fallas en un motor eléctrico pueden ser
originadas por:
• Fallas en los Sistemas de Protección y Control.
• Fallas originadas en la operación
• Fallas debidas a la no Calidad de la Potencia
56
FALLAS EN LOS SISTEMAS DE PROTECCIÓN
Y CONTROL
Aunque existan fallas relacionadas con la operación de los equipos y la no
calidad de la energía, es el sistema de protección y control quién finalmente
realiza una acción determinada. La particular naturaleza de los trabajos del
área responsable de los Sistema de Protección y Control, hacen que el
enfoque relacionado con la pérdida de potencia no sea adecuado por
cuanto muchas de las fallas que afectan a tales equipos no llegan a producir
interrupción.
FALLAS ORIGINADAS EN LA OPERACIÓN
A este grupo corresponde las fallas asociadas a los incrementos de
temperatura en equipos, y problemas de vibración mecánica. En el primer
caso, la sobrecarga de los motores y conductores son consecuentes a la
circulación de corrientes elevadas que originan, a su ves, pérdidas de
energía, ineficiencias en los procesos, extra costos en la operación y
mantenimiento, calentamiento excesivo de las partes, e incluso, hasta la
misma destrucción del equipo si los sistemas de control y protección no
son los adecuados. En este caso, la calidad de la energía se ve seriamente
afectada puesto que las sobrecorrientes originan caídas de tensión
considerables.
Para contrarrestar las fallas eléctricas por incrementos de temperatura es
indispensable realizar, entre otros, una limpieza periódica de las partes del
motor y los conductores, chequeos a los
57
sistemas de protección, y pruebas termográficas en barrajes,
conductores, carcasas, puntos de conexión y aislamientos térmicos. Con
respecto a las vibraciones mecánicas, son el resultado de fuerzas
magnéticas desiguales que actúan sobre el rotor o sobre el estator. Dichas
fuerzas desiguales pueden ser debidas a:
• Rotor que no es redondo.
• Chumaceras del inducido que son excéntricas.
• Falta de alineamiento entre el rotor y el estator.
• Entrehierro no uniforme.
• Perforación elíptica del estator.
• Devanados abiertos o en corto circuito.
• Hierro del rotor en corto circuito.
Las vibraciones ocasionadas por los problemas eléctricos responden
generalmente a la cantidad de carga colocada en el motor. A medida que
se modifica la carga, la amplitud y/o las lecturas de fase pueden indicar
cambios significativos. Esto explica por qué los motores eléctricos que han
sido probados y balanceados en condiciones sin carga muestran cambios
drásticos de los niveles de vibración cuando vuelven a ser puestos en servicio.
58
Un caso particular de vibraciones mecánicas lo constituyen las poleas
desgastadas y bandas destempladas en accionamientos mecánicos, cuyo
efecto en motores es la presencia de desbalances de corriente, que a su vez,
originan desbalances de tensión (pérdida de la calidad de la potencia).
FALLAS DEBIDAS A LA NO CALIDAD DE LA POTENCIA
Los problemas relacionados con la calidad de potencia están muy ligados a
una amplia gama de fenómenos. Aproximadamente en dos tercios de los
casos se trata de fenómenos naturales, como los rayos. Otras causas de
la pérdida de la calidad de energía la constituyen la operación de equipos de
gran potencia en la industria o en la red misma (por ejemplo, la conexión de
condensadores) y, en general, una variedad de fenómenos que pueden
llegar a producir caídas súbitas de tensión a nivel del consumidor y que
hacen muy compleja la evaluación de la calidad de potencia. Las
perturbaciones que generalmente afectan la calidad de la potencia se
clasifican en las siguientes categorías:
• Fluctuaciones de voltaje.
• Variaciones momentáneas de alto y bajo voltaje.
• Interrupción permanente en equipos y/o en procesos.
• Armónicos.
59
• Transitorios
7.2 FALLAS EN LOS GENERADORES
CONMUTACIÓN DEFICIENTE: El chisporroteo y las quemaduras de barras
se deben por lo general a una o más de las siguientes causas:
a) Los carbones no están en la posición correcta.
b) SEPARACIÓN INCORRECTA DE LOS CARBONES: Esto puede
comprobarse al marcar una cinta de máquina sumadora alrededor del
conmutador.
c) MICA QUE SOBRESALE DEL BORDE DE BARRA: La mica entre
barras debe cortarse al sesgo como 0.063 in debajo de la superficie
de conmutación, pero en ocasiones se dejan por descuido astillas de
mica a lo largo de la barra.
d) CONMUTADOR ÁSPERO O QUEMADO: El conmutador debe ser
esmerilado según el manual de instrucciones del fabricante.
e) CONMUTADOR RANURADO: Esto puede evitarse si se alternan
debidamente los juegos de carbones, de modo que
60
los espacios entre los carbones de un brazo queden cubiertos por
carbones de la misma polaridad de otros brazos.
f) CONTACTO DEFICIENTE DE CARBONES DEBIDO A AJUSTE
INCORRECTO DE LOS CARBONES A LA SUPERFICIE DEL
CONMUTADOR: Para asentar los carbones, pásese papel de lija
entre el conmutador y la cara del carbón; no debe usarse lija esmeril
porque su abrasivo es conductor.
g) Carbones gastados y sustituidos por otros de tamaño o grado
diferente.
h) Carbones que se pegan, que no se mueven libremente en sus
portacarbones de modo que puedan seguir las irregularidades del
conmutador.
i) CREPITACIÓN DE LOS CARBONES: Por lo general esto se debe a
la operación con densidades de corriente debajo de 35 A/in2 y debe
ser corregida levantando los carbones para elevar la densidad o
usando un grado especial de carbones.
j) VIBRACIÓN: Esto puede deberse a alineación defectuosa,
cimentación inadecuada o balanceo deficiente del rotor.
k) VUELTAS EN CORTOCIRCUITO EN LOS CAMPOS DE
CONMUTACIÓN O DE COMPENSACIÓN: pueden ser obvias en una
inspección pero por lo general deben encontrarse al
61
pasar una corriente alterna por ella para comparar caídas de voltaje.
l) UNIONES ABIERTAS O DE MUY ALTA RESISTENCIA ENTRE EL
CUELLO DEL CONMUTADOR Y LOS HILOS DE BOBINA: En este
caso, por lo general se quema la barra y la junta mala.
m)UNA BOBINA ABIERTA DE ARMADURA: Un conductor de bobina
roto produce un efecto similar al de las uniones defectuosas descritas
en l. Para operación de emergencia, la bobina abierta puede ser
abierta en ambos extremos, aislada del circuito y puesto un cable
en las terminales de los dos cuellos afectados. Como es probable
que se produzcan algunas chispas, la operación debe ser limitada.
n) BOBINAS DE CAMPO PRINCIPAL EN CORTOCIRCUITO: Con los
resultantes flujos desbalanceados de entrehierro bajo los polos, deben
esperarse grandes corrientes circulantes incluso con buenas
conexiones cruzadas de armadura. La bobina causante puede
encontrarse al comparar caídas de voltaje en las bobinas
individuales.
o) Bobina de campo principal invertida.
p) Sobrecarga.
62
8. MANTENIMIENTO Y PRUEBAS DE MOTORES
Y GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA
Las inspecciones, las lubricaciones y la limpieza periódica y sistemática
hacen parte de un necesario programa de mantenimiento preventivo de las
máquinas eléctricas, todo ello con el fin de evitar daños y paradas
innecesarias en el trabajo.
La ubicación de las máquinas eléctricas va desde lugares en donde no hay
polvo, suciedad ni humedad, hasta sitios donde se encuentra toda clase de
suciedad. Por eso el periodo de las operaciones de las inspecciones varía
según el caso, desde cada semana, hasta casa año, condicionando eso, no
solamente por el medio donde trabaja el motor, sino también por el tiempo de
trabajo y de la naturaleza del servicio que desempeña. En línea general, se
deben observar las siguientes reglas:
CADA SEMANA
• Verificar el nivel de aceite de los cojinetes y de los anillos
engrasadores.
• Verificar las conexiones de la caja de bornes (cables pelados, tuercas
no apretadas).
• Examen de los fusibles y de los aparatos de control.
• Verificación del alcance de la velocidad de plena carga en un tiempo
normal.
63
• Verificar la tensión en los bornes del motor.
64
CADA SEIS MESES
• Verificar la grasa o el estado del aceite de los cojinetes (excesiva grasa
puede producir recalentamiento).
• Examinar las escobillas y portaescobillas (verificar la presión, la correcta
posición y el desgaste. Las escobillas que están desgastadas a más de
la mitad deben ser sustituidas).
• Escuchar el motor a plena velocidad de carga y observar eventuales
ruidos mecánicos, luego desde parado, mover el eje para averiguar
eventuales desgastes de los cojinetes.
• Verificar pernos que sujetan la base del motor, los tornillos que sujetan
la placa, los escudos, las tapas de los cojinetes y las tapas de
protección.
• Inspeccionar el estado de los aparatos de control (arreglar los
contactos estropeados y apretar bien las conexiones, verificar el estado
de los resortes de los contactos).
• Verificar si por algún fusible quemado, el motor no está trabajando con todas
las tres fases.
• Limpiar la suciedad del motor usando aspiradores (los compresores
echarían la suciedad en los enrollamientos).
65
CADA AÑO
• Limpiar los cojinetes de casquillos y renovar el aceite o grasa (esto es
condicionado al ambiente de trabajo del motor).
• Verificar el grado de aislamiento del motor. Si la lectura es inferior a un
megahomio (1 MΩ) y se presume que el motor esté muy húmedo,
entonces hay que secarlo con una estufa hasta que la lectura sea
satisfactoria.
• Verificar la corriente absorbida por el motor a plena carga, compararla
con la que indica la placa de características y concluir si el motor está
sobrecargado o subcargado.
• Verificar la holgura del entrehierro con un calibrador de láminas (no se debe
admitir una reducción de esta holgura superior al 20% del entrehierro
normal.
CADA DOS AÑOS
• Desmontar el motor y limpiarlo con tetracloruro de carbono.
66
• Secado y rebarnizado del motor (operación condicionada al tipo de trabajo
del motor y al medio circundante).
PRUEBAS GENERALES EN AMBOS
ELÉCTRICAS:
TIPOS D
E
MÁQUINAS
1.- SOBREVELOCIDAD.
2.- SATURACIÓN SIN CARGA.
3.- COMPORTAMIENTO.
4.- SATURACIÓN CON CARGA.
5.- PAR-VELOCIDAD.
6.- ROTOR BLOQUEADO.
7.- EQUILIBRIO TÉRMICO.
8.- VIBRACIÓN MECÁNICA.
9.- EFICIENCIA ENERGÉTICA.
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CONCLUSIONES
Los motores y generadores de corriente continua juegan un papel
importante en la industria y el hogar, ya sea como un elemento para
producir trabajo mecánico o para producir energía eléctrica, aunque
vale la pena recalcar que comparándolos con los que trabajan en
base a corriente alterna tienen menor demanda en el mercado.
Desde el punto de vista mecánico, no existe diferencia alguna entre
los motores y los generadores de corriente continua.
Debido a las características inherentes de los materiales de
aislamiento, las temperaturas anormalmente altas acortarán la vida útil
de funcionamiento de los motores y generadores, razón por la cual
necesitan un monitoreo periódico de ellos con el fin de optimizar su
funcionamiento y economizar recursos.
El estudio de las máquinas eléctricas de corriente continua es de vital
importancia en la ingeniería mecánica (a pesar que es un campo de la
ingeniería eléctrica) pues éstas máquinas están presentes en muchos
proyectos y dispositivos mecánicos, y es necesario conocer sus
principios de funcionamiento para brindar un adecuado mantenimiento
ya sea preventivo o correctivo.
68
BIBLIOGRAFÍA
1. CHAPMAN, STEPHEN. MÁQUINAS ELÉCTRICAS, MÉXICO,
EDITORIAL MC GRAW-HILL, AÑO 2004.
2. http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_continua
3. http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_de_corriente_continua
4. http://rincondelvago.com/generadores-y-motores-de-corriente-
continua.html
5. http://proton.ucting.udg.mx/dpto/tesis/quetzal/CAPITUL4.html
6. http://www.walter-fendt.de/ph11s/generator_s.htm
7. http://www.vc.ehu.es/ierwww/maquinas%20el%E9ctricas%20I
%20febrero202001.pdf
8. www.monografias.com
9. SYED A, NASAR. MÁQUINAS ELÉCTRICAS Y
ELECTROMECÁNICAS. EDITORIAL MCGRAW-HILL,
MÉXICO.