Investigación sobre Máquinas Eléctricas de Corriente Continua: Generadores y Motores, Resúmenes de Acústica y Luminotecnia

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UNIVERSIDAD POLITECNICA

Y ARTISTICA

DEL PARAGUAY

“MOTORES CD”

ALUMNO:

 JUAN CARLOS GARCIA

PROFESOR: ING. ELECTRONICO NÉSTOR ARANDA

MATERIA: MAQUINAS ELÉCTRICAS I.

VILLARRICA – PARAGUAY

ÍNDICE

SECCIÓN PÁG.

INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………….

MARCO TEÓRICO………………………………………………………………......

LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA…………………………………

ECUACIONES FUNDAMENTALES DE LA MÁQUINA DE CORRIENTE

CONTINUA…………………………………………………………..………………

LOS MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA……………………………..…..

TIPOS DE MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE

CONTINUA…………………………………………………………………………..

APLICACIONES Y SELECCIÓN DE MOTORES Y GENERADORES DE

CORRIENTE CONTINUA…………………………………………………………..

 MOTORES

 GENERADORES

 PARTICULARIDADES………………………………………………………….

ARRANQUE EN MOTORES DE CORRIENTE

DIRECTA……………………………………………………………………………..

CONTROLADORES MAGNÉTICOS PARA GRANDES MOTORES DE

CORRIENTE DIRECTA………........................................................................

SISTEMAS UTILIZADOS PARA LA REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD EN LOS

MOTORES………………………………………………………………………....

LA REGULACIÓN DEL VOLTAJE DE UN GENERADOR DE

CORRIENTE DIRECTA………………………………………………………… 19

FALLAS EN MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

- FALLAS EN LOS MOTORES……………………………………..…… 21

INTRODUCCION

En el presente Trabajo se exponen los detalles de la investigación sobre los generadores y motores que operan con corriente directa, con ello se pretende analizar qué 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 eléctricos en esta área, que está 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.

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.

 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 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.

 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.

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.

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. 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:  Gran versatilidad de utilización y potencias que hacen posible su uso en el hogar, la industria, el transporte, etc.  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%.  Larga duración: Con buena utilización y mantenimiento su vida útil es superior a 20 años.

 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.

El estator tiene polos salientes y se excita mediante uno o más devanados de 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.

 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).

 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 magnético del rotor y del imán permanente, para completar el circuito magnético.

 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 porta escobillas. Ambos, escobillas y porta escobillas, 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 porta escobillas 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.

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.

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. 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. 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 unmotor estable con una característica de caída de velocidad para todas las cargas. 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.

APLICACIONES Y SELECCIÓN DE MOTORES 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 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.

PARTICULARIDADES

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.

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 su vez en paralelo. La tensión que se aplica a cada motor es 1/2 de la tensión de red.

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

 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