Las máquinas de corriente continua transforman la energía mecánica en energía eléctrica (de corriente continua), o viceversa, se las llama generadores o motores respectivamente.
También estas máquinas están esencialmente constituidas por una parte fija, que produce el flujo de inducción, llamada inductor y otra parte giratoria, que contiene el arrollamiento en el cual se produce la f.e.m. inducida (o contra f.e.m.), llamada inducido o armadura.
La parte giratoria incluye el colector (rectificador u ondulador mecánico) componente esencial para el funcionamiento de la máquina.
Son aplicables a estas máquinas las condiciones normales de servicio vistas en general para las máquinas rotantes.
Los temas que corresponden a las máquinas de corriente continua están tratados por distintas normas generales, pero para algunas aplicaciones especiales, por ejemplo para las máquinas de tracción (utilizadas en vehículos ferroviarios y terrestres) existen normas particulares.
A continuación se hacen comentarios que corresponden casi exclusivamente a máquinas de corriente continua de uso general, en principio en consecuencia no se tratan máquinas de tracción ni otras especiales.
Si se trata de un generador de corriente continua la potencia nominal es la potencia en bornes expresada en watts (W), para un motor en cambio es la potencia entregada en el eje (también en W) en condiciones nominales.
La tensión nominal es la tensión entre bornes de la máquina en condiciones de referencia definidas.
Para generadores de corriente continua destinados a funcionar dentro de un rango pequeño de tensiones, la potencia nominal y la corriente nominal, salvo que se especifique lo contrario, se refieren a la máxima tensión.
Para los motores en general con la tensión nominal el motor entrega la potencia nominal correspondiente a la velocidad denominada base, de referencia (más adelante se explica su significado).
En los motores de corriente continua alimentados por medio de un convertidor estático de potencia, la ondulación de la tensión y de la corriente influyen sobre las características de funcionamiento de la máquina, a modo de ejemplo puede observarse en la Figura 6.1 un registro de corriente, que corresponde a un motor de c.c. en carga.
Al comparar un motor con este tipo de alimentación, con otro que se alimenta con una fuente de corriente continua pura, se observa que las pérdidas y el calentamiento se incrementan y la conmutación se dificulta, para el primer caso.
En el diseño de los motores es necesario tener en cuenta las características de la alimentación, que puede asemejarse a una fuente de corriente continua con armónicas superpuestas.
Para reducir la ondulación en algunos casos se incluyen en el circuito de alimentación inductancias adicionales (que cumplen la función de filtros).
Aunque redundante es necesario destacar que características de convertidor estático y motor están íntimamente vinculadas, y el proyectista (del motor y del accionamiento) deben tener muy en cuenta esta situación.
6.2.4 Sobreintensidad ocasional
Los motores de corriente continua deben poder soportar para la máxima velocidad, con la plena excitación y su correspondiente tensión de armadura, una corriente igual a 1.5 veces la corriente nominal durante un tiempo no menor de 1 minuto.
Para máquinas grandes se puede (previo acuerdo entre el constructor y el comprador), adoptar una tiempo menor, pero este no podrá ser inferior a 30 s.
La posibilidad de que se presente una sobreintensidad ocasional en una máquina rotante, se indica con el objeto de coordinar la máquina con los dispositivos de comando y protección, no estableciendo las normas ensayos para verificar esta condición.
Los efectos del calentamiento de los arrollamientos de la máquina varían aproximadamente como el producto del tiempo por el cuadrado de la corriente, en consecuencia una corriente superior a la nominal produce un incremento de la temperatura de la máquina.
Salvo que se especifique lo contrario, se supone que la máquina no será sometida a este tipo de sobrecargas, más que durante unos pocos cortos períodos durante toda su vida.
6.2.5 Exceso momentáneo de par
Para motores de corriente continua, el par se puede expresar en función de la sobreintensidad y el exceso momentáneo de par se debe acordar entre el fabricante y el comprador.
Algunas normas para aplicaciones particulares fijan valores de exceso momentáneo de par o potencia.
En muchos casos el usuario indica con grado importante de detalle como varían par y velocidad a lo largo del ciclo de utilización.
Para las máquinas de corriente continua se define una velocidad base, que corresponde a una condición de funcionamiento en la cual la máquina entrega potencia y par nominales.
El modo más simple de regular la velocidad de un motor es variando la tensión de armadura debido a que la velocidad de un motor de corriente continua es directamente proporcional a ella.
Aumentando la tensión de armadura y manteniendo el flujo, la velocidad del motor puede incrementarse continuamente desde el reposo hasta alcanzar la velocidad base.
El par desarrollado permanece constante (a corriente de armadura constante), mientras no se varíe la corriente de campo y consecuentemente el flujo.
Si se requiere incrementar la velocidad por arriba del valor base, se puede recurrir a la regulación del campo, es decir reducir la corriente de excitación.
Generalmente el par desarrollado se reduce mientras la potencia, que es el producto del par por la velocidad, permanece constante, siendo este tipo de característica conveniente en algunos procesos industriales y para determinadas máquinas herramientas.
La Figura 6.2 indica el comportamiento de la corriente de armadura, potencia del motor y tensión de armadura, par y flujo en función de la velocidad tanto para el rango de control de velocidad por tensión de armadura como por reducción del campo, respectivamente por debajo y por arriba de la velocidad base.
En el funcionamiento por encima de la velocidad base existen límites mecánicos y eléctricos que no deben ser superados por problemas estructurales, o de conmutación.
La principal razón del gran desarrollo de los motores de corriente continua fue el control de la velocidad mediante convertidores estáticos.
En particular la alimentación mediante convertidores a tiristores, permite satisfacer varios requerimientos de regulación, como ser:
· operar como motor en un solo sentido de rotación, o como freno (girando en sentido contrario). Se requiere un simple convertidor, cuya tensión de salida permite la circulación de corriente en un solo sentido.
· la máquina puede funcionar como motor o como freno, en ambos sentidos, invirtiendo la polaridad del convertidor. Se re quiere un convertidor y un dispositivo de inversión de la polaridad (contactor), o bien dos convertidores, la corriente en la máquina se invierte.
· el frenado con convertidores a tiristores es regenerativo, es decir que la energía cinética de la carga se transforma en energía eléctrica que es devuelta a la red de alimentación. En este caso la máquina de corriente continua funciona como generador y el convertidor como inversor (convirtiendo la corriente continua en alterna y viéndoselo desde la red como generador de corriente alterna).
TABLA 6.1 - Velocidad de ensayo.
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TIPO |
VELOCIDAD DEL ENSAYO |
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a) Motores derivación o excitación independiente |
El mayor de los valores que se indican: 1.20 veces la velocidad máxima nominal 1.15 veces la velocidad en vacío corres- pondiente |
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b) Motores de excitación compuesta que tengan un rango de regulación de velocidad £ del 35% |
El mayor de los valores que se indican: 1.20 veces la velocidad máxima nominal 1.15 veces la velocidad en vacío corres- poniente, pero sin exceer 1.50 veces la velociad máxima nominal |
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c) Motores de excitacón compuesta que tengan un rango de velocidad superior del 35% y motores de exci- tación serie |
La velocidad máxima de servicio debe es- tar indicada en la chapa de características. La velocidad de ensayo de estos motores será igual a 1.1 veces la velocidad máxima en aquellos motores que son capaces de funcionar a 1.10 veces la velocidad de va- cío a la tensión nominal |
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d) Motores excitados con imán perma- nente |
La velocidad es la indicada en el punto a) salvo que el lmotor tenga un arrollamiento serie, deberá ensayarse con los valores indicados en los puntos b) o c) según co- rresponda |
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e) Generadores |
1.20 veces la velocidad nominal |
Por las características de funcionamiento mencionadas, estas máquinas pueden estar sometidas a posibles sobrevelocidades, razón por la cual deben diseñarse para estas exigencias y deben probarse que son capaces de soportarlas.
La TABLA 6.1 extraída de la Norma Internacional, indica para máquinas de distinto tipo el valor de velocidad de ensayo a que debe ser sometida cuando no existen otras especificaciones particulares.
6.3 DETERMINACION DE LA SOBREELEVACION DE TEMPERATURA
Para el control de la sobreelevación de temperatura, son aplicables los métodos de medición ya descriptos en el capítulo de máquinas rotantes.
Las normas indican para las distintas clases de aislamiento cuales son los límites de sobreelevación de temperatura para los devanados de inducido, devanados de excitación y colectores.
La máquina de corriente continua debe poder funcionar desde vacío hasta alcanzar la sobrecarga o exceso de par correspondiente, sin presentar daños permanentes en la superficie del colector o de las escobillas y sin chisporroteos peligrosos.
Durante este ensayo las escobillas deben mantenerse en la posición de diseño, en el estado actual de la técnica las normas ya no aceptan utilizar el desplazamiento de las escobillas para corregir la conmutación.
El ensayo de conmutación se debe realizar inmediatamente después de realizado el ensayo de calentamiento.
En la TABLA 6.2 se indican las tolerancias fijadas por las normas que corresponden para cada una de las magnitudes de las características nominales que son objeto de garantías por parte del fabricante y que se deben comprobar mediante ensayos durante la recepción de la máquina.
TABLA 6.2 - Tolerancias.
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MAGNITUD |
TOLERANCIA |
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a) Velocidad de motores serie o de exci- tación independiente (a plena carga y a la temperatura de régimen) |
kW por 1000 v.p.m. menor 0.67 ± 15% 0.67.. 2.5 excluído ± 10% 2.5 .. 10 excluído ± 7.5% mayor de 10 ± 5% |
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b) Velocidad de motores serie (a plena carga y a la temperatura de régimen |
menor 0.67 ± 20% 0.67 .. 2.5 excluído ± 10% mayor de 10 ± 7.5% |
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c) Velocidad de motores con excitación compuesta (a plena carga y a la tem- peratura de régimen) Variación de la tensión de genera- ción en máquinas con excitación de- rivación o independiente, para todos los puntos de la característica Variación de la tensión con excita- ción compuesta Variación de la velocidad de moto- res derivación y con excitación compuesta (entre carga nula y ple- na carga) |
los mismos valores que se indican en el punto b) salvo que se especifique lo con- trario ± 20% del valor garantizado para esos pun- tos
± 20% del valor garantizado, con un míni- mo de ± 3% de la tensión nominal ± 20% del valor garantizado con un mínimo de ± 2% de la velocidad nominal |
6.6 ESTADO ACTUAL DE LA TECNICA
Con el advenimiento de los accionamientos electrónicos, el motor de corriente continua, por su flexibilidad, regularidad y elevado rendimiento, se manifiestó como un natural e importante componente de la automatización.
Al tener que adecuarse a las exigencias de estas condiciones de utilización, se modificó notablemente la "filosofía" de proyecto de estas máquinas, respecto de los criterios clásicos utilizados en el pasado.
Las condiciones impuestas por las informaciones obtenidas de los distintos sistemas que utilizan motores de velocidad variable, fijaron las características constructivas y de funcionamiento requeridas en los más importantes procesos de la industria siderúrgica, metalúrgica, mecánica, del papel, plástica, etc. como también en los sistemas de tracción.
Análogamente a lo acontecido con los motores de corriente alterna, entre fabricantes y usuarios, surgió la necesidad de proyectar dentro de un adecuado rango de potencias, motores normalizados que permitieran unificar, reduciendo la variedad de modelos, y facilitando la intercambiabilidad.
Este esfuerzo fue plasmado por los fabricantes en sus propias series industriales con un rango de potencia del orden de 0.8 a 1000 kW referido a 1000 vueltas/minuto, con ventilación asistida, es decir, externa a la máquina (para garantizar una adecuada refrigeración independientemente de la velocidad).
Los parámetros básicos tenidos en cuenta para proyectar estas nuevas series de motores modernos son la relación cupla/peso y la relación cupla/momento de inercia, siendo el criterio aplicado, maximizar estos valores.
La relación cupla/peso representa la medida de la validez del proyecto electromagnético para lo cual es necesario obtener con un mínimo peso (en rigor costo), la más elevada cupla posible.
La relación cupla/momento de inercia caracteriza el comportamiento dinámico del motor, momento de inercia reducido implica mejor respuesta del motor a los requerimientos del control (para igualdad de características eléctricas).
Las máquinas modernas de formato cuadrado surgieron como consecuencia de estas condiciones, basándose su desarrollo en la investigación del valor óptimo del diámetro del rotor para una determinada altura de eje.
La forma cuadrada de la carcaza, respecto a la tradicional forma circular, permite además modelar convenientemente las bobinas de los polos de excitación, aumentando la superficie en contacto con el fluido refrigerante y por lo tanto incrementando la utilización de las partes activas.
Actualmente además para reducir el diámetro, momento de inercia, se acoplan dos motores en un solo eje, con esto se logra también tener motores de menor tamaño, y en consecuencia el fabricante puede tener mayor posibilidad de ofrecer su solución al problema específico.
6.7 CARACTERISTICAS ELECTROMECANICAS.
Las máquinas eléctricas de corriente continua, en general, están limitadas en sus prestaciones por los siguientes factores:
· calentamiento máximo admisible impuesto por las normas en función de la clase de aislamiento.
· inducciones en las distintas partes del circuito magnético.
· tensión máxima entre delgas del colector.
· tensión de reactancia (inducida en la espira que conmuta).
Muchos son los problemas difíciles que han tenido que encarar los constructores, también para ellos la disponibilidad de los modernos medios de cálculo (computadoras y programas) ha permitido importantes avances en los proyectos, y en particular para los estudios de campos y otros problemas muy complejos que se presentan.
Por ejemplo se ha recurrido a la utilización de programas de cálculo para:
· determinar el comportamiento de la tensión de reactancia inducida en la espira en conmutación.
· determinar la forma de la expansión polar del polo auxiliar o de conmutación de manera de lograr realizar una compensación de la tensión de reactancia lo más perfecta posible.
· investigar la forma de ranura del rotor que haga mínima la tensión de reactancia.
· determinar el perfil de la expansión del polo principal, para hacer despreciable la distorsión del flujo causado por la reacción del inducido y por lo tanto limitar la tensión máxima entre las delgas del colector para cada condición de funcionamiento.
El principal requisito que debe satisfacer un moderno motor es su completa adaptabilidad para ser alimentado con rectificadores y la posibilidad de regulación por medio de dispositivos electrónicos.
Como es bien conocido, las características principales de la alimentación con convertidores a tiristores son:
· la existencia en la corriente de una componente ondulada con una armónica fundamental de frecuencia elevada.
· una gran rapidez de respuesta del sistema, es decir, los modernos reguladores electrónicos, para controlar la velocidad de los motores, imponen en régimen transitorio variaciones de corriente di/dt muy elevadas.
La ondulación de la corriente genera pulsaciones de flujo que provocan vibraciones de la estructura mecánica y por lo tanto un aumento del rumor producido; además un calentamiento general más elevado debido al aumento de las pérdidas óhmicas y la presencia de pérdidas adicionales en el hierro, y especialmente una degradación de la conmutación.
Las pulsaciones de flujo, en efecto, generan corrientes parásitas en la carcaza y en los polos auxiliares, determinando un amortiguamiento del campo de los polos auxiliares y un defasaje del mismo respecto a la corriente de la armadura.
Si la máquina se alimenta con corriente continua pura es posible compensar perfectamente la tensión de reactancia con los polos auxiliares, en cambio con una corriente ondulada, (alterna superpuesta a la continua) este equilibrio no se logra, ya que aparece superpuesto el fenómeno de inducción de corriente alterna (variable) y que no se puede compensar.
Para mejorar la conmutación es indispensable reducir las corrientes parásitas. Este resultado se puede obtener realizando el circuito magnético completamente laminado (yugo estatórico y eventualmente polos auxiliares) y previendo para la carcaza una solución que ofrezca todas las garantías funcionales y que contemporáneamente resulte industrialmente válida en términos de costo.
