Conceptos de generadores y motores de corriente continua
Hay 2 tipos de motores eléctricos, motores de corriente alterna y de corriente continua. A continuación, nos vamos a centrar en los motores de corriente continua solamente. Por lo tanto, las siguientes discusiones se centran principalmente en motores de corriente continua.
Hay varios tipos de motores de corriente continua, los ejemplos son motores paso a paso, servos, motores con escobillas / sin escobillas.
Motores paso a paso: Las entradas de un motor paso a paso son pulsos de la señal y el eje de un motor de este tipo se mueve entre posiciones no discretas proporcionales a los pulsos. Si la carga del motor no es demasiado grande, el control de bucle abierto se utiliza generalmente para controlar el motor. Los motores paso a paso son utilizados en el posicionamiento del cabezal de la unidad de disco, plotters, y otras numerosas aplicaciones.
Los servomotores: La entrada de un servo motor es un valor de tensión y el eje de salida del servomotor está comandado a una posición angular particular de acuerdo con la tensión de entrada. Los servomotores se utilizan en los aviones de radio control para controlar la posición de las aletas y dispositivos similares.
Motores de corriente continua: La entrada de un motor de corriente continua es de corriente / tensión y su salida es un par (velocidad).
¿Cuáles son las diferencias entre la dinamo y un motor de corriente continua?
La principal diferencia es cómo se aplica energía a los mismos. Un motor de corriente continua y un generador son la misma cosa, sólo que estos se alimentan de energía en diferentes lugares.
Una dinamo toma movimiento en su eje y da una salida de electricidad y un motor toma electricidad y produce el movimiento en el eje. Una dinamo convierte la energía mecánica en energía eléctrica, mientras que un motor convierte la energía eléctrica en energía mecánica.
La razón por la que un generador y un motor eléctrico son considerados algo similar es porque tienen la misma estructura y piezas.
La dinamo es un generador que consiste en una bobina (la armadura) que rota entre los polos de un electroimán (el imán de campo) produciendo un flujo de corriente en el inducido, y el motor es una máquina que convierte energía eléctrica en energía mecánica y así imparte movimiento.
El estator es una estructura fija que produce el campo magnético, usted puede hacer esto en una pequeña dinamo usando un imán permanente. Las grandes dinamos requieren un electroimán.
La armadura está hecha de devanados de cobre en espiral que giran en el interior del campo magnético producido por el estator. Cuando los bobinados se mueven, estos van cortando las líneas de campo magnético. Esto crea pulsos de energía eléctrica.
El conmutador se necesita para producir corriente directa o continua. En corriente continua la potencia fluye de en una sola dirección a través de un cable, el problema es que la corriente en una armadura giratoria en una dinamo se invierte cada media vuelta, de modo que el conmutador es una llave rotativa que desconecta la alimentación durante la parte de corriente inversa del ciclo.
as escobillas son parte del conmutador, las escobillas deben conducir la electricidad a medida que toman contacto con la armadura (inducido) giratoria. Las primeras escobillas de alambre eran "cepillos" reales hechos de pequeños alambres. Estos se desgastaban fácilmente y se desarrollaron bloques de grafito para hacer el mismo trabajo.
Hay tres tipos de generadores de corriente continua, de acuerdo al bobinado: bobinados en serie, bobinado o devanado en derivación, y de derivación en serie o de excitación combinada. La diferencia en el tipo depende de la relación del devanado de campo con el circuito externo.
Figura: generador de corriente continua para dínamo eólico
Figura: Generador de corriente continua para turbina de viento de imán permanente
Figura: generador alternador de imán permanente para turbina eólica
a. Bobinado en serie
Figura. Diagrama y esquema de un generador con bobinado en serie.
El devanado de campo de un generador en serie está conectado en serie con el circuito externo, llamada carga (figura 1). Las bobinas de campo se componen de unas cuantas vueltas de alambre grueso, la fuerza del campo magnético depende aquí más del flujo de corriente que del número de vueltas en la bobina.
Los generadores serie tienen regulación de tensión muy pobre bajo cambios de carga, ya que cuanto mayor es la corriente a través de las bobinas de campo al circuito externo, mayor será la fuerza electromotriz inducida y mayor es la tensión en los bornes. Por lo tanto, cuando la carga aumenta, la tensión aumenta, del mismo modo, cuando la carga disminuye, la tensión disminuye.
La tensión de salida de un generador de bobinado serie puede ser controlada por un reóstato en paralelo con los devanados de campo, como se muestra en A de la figura 1. Dado que el generador de bobinado en serie tiene tan mala regulación, nunca se emplea como un generador de avión. Los generadores en los aviones tienen devanados de campo que están conectados, ya sea en paralelo o en forma compuesta.
b. Bobinado en derivación
Un generador que tiene un devanado de campo conectado en paralelo con el circuito exterior se llama generador en derivación y se muestra en la figura 2. Las bobinas de campo de un generador en derivación contienen muchas vueltas de un alambre pequeño, la fuerza magnética se deriva del gran número de vueltas en lugar de la intensidad de corriente a través de las bobinas.
Figura 2. Generador con devanado en derivación
Si se desea un voltaje constante, el generador de devanado en derivación no es adecuado para cargas rápidamente fluctuantes. Cualquier incremento en la carga provoca una disminución en el terminal o el voltaje de salida y cualquier disminución en la carga provoca un aumento de la tensión en los bornes. Esto es porque el inducido y la carga están conectados en serie y toda la corriente que fluye en el circuito externo pasa a través del devanado del inducido. Debido a la resistencia en el bobinado del inducido, hay una caída de tensión (caída IR = corriente x resistencia). A medida que la carga aumenta, la corriente de inducido aumenta y la caída IR en el inducido aumenta. El voltaje suministrado a los terminales es la diferencia entre la tensión inducida y la caída de voltaje: por lo tanto, hay una disminución en el voltaje en el terminal. Esta disminución de la tensión provoca una disminución en la intensidad de campo, porque la corriente en las bobinas de campo disminuyen en proporción a la disminución de la tensión en los bornes, con un campo más débil la tensión se reduce aún más.
Cuando la carga disminuye, el voltaje de salida aumenta en consecuencia y una mayor corriente fluye en los devanados. Esta acción es acumulativa por lo que la tensión de salida sigue aumentando a un punto llamado saturación de campo, después de lo cual no hay ningún aumento adicional en la tensión de salida.
La tensión en los bornes de un generador en derivación puede ser controlada por medio de un reostato en serie con el devanado de campo como se muestra en A de la figura 2. A medida que la resistencia se incrementa la corriente de campo se reduce y, en consecuencia, el voltaje generado se reduce también. Para un ajuste determinado del reóstato de campo, la tensión terminal en las escobillas del inducido será aproximadamente igual a la tensión generada menos la caída de IR producida por la corriente de carga en el inducido, por lo que la tensión en los bornes del generador se reducirá a medida que se aplica la carga. Ciertos dispositivos sensibles al voltaje están disponibles, los que ajustan automáticamente el reóstato de campo para compensar las variaciones en la carga. Cuando se utilizan estos dispositivos, la tensión del terminal permanece esencialmente constante.
Las capacidades de salida y de regulación tensión de los generadores de tipo derivación, los hacen adecuados para su uso en trabajos de tipo liviano a medio en los aviones. Si bien fueron una vez populares, estas unidades han sido sustituidas en gran medida por los alternadores de corriente continua.
c. Bobinado de excitación combinada
Figura 3. Generador de devanado compuesto
Un generador de excitación combinada combina un devanado en serie y un devanado en derivación de tal manera que las características de cada uno se utilizan con ventaja. Las bobinas de campo en serie están hechas de un número relativamente pequeño de espiras de conductor de cobre grande, ya sea circular o rectangular, en sección transversal y están conectados en serie con el circuito del inducido. Estas bobinas están montadas en los mismos polos en que están las bobinas de campo en derivación, y por lo tanto contribuyen con una fuerza magnetomotriz que influye en el flujo de campo principal del generador. Un diagrama y una ilustración esquemática de un generador de bobinado compuesto se muestran en la figura 3.
Si los amperios-vueltas del campo en serie actúan en la misma dirección que los del campo en derivación, la fuerza magnetomotriz combinada es igual a la suma de los componentes de campo serie y en derivación. La carga se añade a un generador compuesto de la misma manera en que la carga se añade a un generador en derivación, al aumentar el número de trayectorias paralelas a través de los terminales del generador. Por lo tanto, la disminución de la resistencia de carga total con carga añadida está acompañada por un aumento en la corriente de circuito de inducido y circuito de campo serie.
El efecto del campo aditivo serie es un aumento de flujo campo cuando aumenta la carga. El grado de aumento en el flujo de campo depende del grado de saturación del campo tal como se determina por la conexión de campo en derivación. Así, el voltaje terminal del generador puede aumentar o disminuir con la carga en función de la influencia de las bobinas de campo en serie. Esta influencia se conoce como grado de excitación combinada.
Los cambios en la tensión del terminal con el aumento de carga dependerán del grado de excitación combinada. Un generador de excitación combinada plano es uno en el que las tensiones en vacío y con carga completa tienen el mismo valor. El generador de bajo grado de excitación combinada tiene una tensión a plena carga menor que el valor en vacío y un generador de sobre excitado tiene una tensión a plena carga que es mayor que el valor sin carga.
Los generadores de excitación combinada generalmente están diseñados para ser sobre excitados. Esta característica permite diversos grados de excitación compuesta mediante la conexión de una derivación variable a través de la excitación serie. Tal derivación es a veces llamada un desviador. Generadores de excitación combinada se utilizan donde la regulación de voltaje es de primordial importancia.
Si el campo de serie ayuda al campo en derivación, el generador se dice que es acumulativo-compuesto (B de la figura 3). Si el campo de serie se opone al campo en derivación, el generador se dice que está diferencialmente compuesto.
Los generadores diferenciales tienen un tanto de las mismas características que los generadores en serie, en que son esencialmente generadores de corriente constante. Sin embargo, esos generan tensión nominal sin carga, con la tensión cayendo materialmente a medida que aumenta la corriente de carga. Los generadores de corriente constante son idealmente adecuados como fuentes de energía para soldadores por arco eléctrico y se usan casi universalmente para este tipo de soldadura.
Figura 4. Características de generadores.
Si el campo de derivación de un generador de excitación combinada está conectado tanto a través del inducido como del campo de serie, esto se conoce como una conexión de derivación larga. Si el campo de derivación está conectado a través del inducido solamente, esto se denomina una conexión de derivación corta. Estas conexiones producen esencialmente las mismas características del generador.
Un resumen de las características de los diferentes tipos de generadores tratados aquí se muestra gráficamente en la figura 4.
d. Generadores de arranque
Los motores de turbina más pequeños están equipados con generadores de arranque en lugar de motores de arranque y generadores independientes. Esto aporta un ahorro de peso apreciable, ya que tanto los arrancadores como los generadores son muy pesados y no se usan nunca al mismo tiempo.
Figura 5: Diagrama de cableado interno de un típico generador de arranque
El inducido de un generador de arranque está acanalado para encajar sobre un asiento de arrancador en el motor en lugar de estar conectado a través de un embrague de mordazas de accionamiento y como lo están los arrancadores.
Los generadores de arranque están equipados con dos o tres conjuntos de devanados de campo, en la figura 5 tenemos un esquema de un típico generador de arranque. El circuito generador consta del inducido, un campo en serie alrededor de los interpolos y un campo de derivación para el control del generador. Un campo serie del motor está enrollado alrededor de las piezas polares dentro de la carcasa de campo y el extremo de este bobinado está conectado al terminal C.
Para el arranque, la corriente fluye desde la batería o fuente de alimentación externa a través del devanado en serie y el inducido. Tan pronto como el motor arranca, el relé de arranque desconecta este devanado y conecta el circuito del generador al sistema eléctrico de la aeronave.
La corriente que fluye a través del inducido establece campos electromagnéticos en los devanados. Estos nuevos campos tienden a distorsionar o doblar el flujo magnético entre los polos del generador de una trayectoria en línea recta. Dado que la corriente del inducido aumenta con la carga, la distorsión es mayor a medida que aumenta la carga. Esta distorsión del campo magnético se denomina reacción de inducido y se ilustra en la figura 6.
Los devanados de inducido de un generador están espaciados de tal manera que durante la rotación del inducido hay ciertas posiciones en las que las escobillas se ponen en contacto con dos segmentos adyacentes, con lo que cortocircuitan las bobinas del inducido en estos segmentos. Por lo general, cuando el campo magnético no está distorsionado no hay tensión inducida en los devanados en cortocircuito, y por lo tanto, no se producen resultados nocivos a partir de la corriente de cortocircuito. Sin embargo, cuando el campo es distorsionado por la reacción de inducido se induce una tensión en los devanados en cortocircuito y se producen chispas entre las escobillas y los segmentos del colector. Por consiguiente, el colector se deteriora picándose, el desgaste de las escobillas es excesivo, y la salida del generador se reduce.
Para corregir esta condición, las escobillas se ajustan de manera que el plano de las bobinas, que son cortocircuitadas por las escobillas sea perpendicular al campo magnético distorsionado. Esto se consigue moviendo las escobillas hacia adelante en la dirección de rotación. Esta operación se denomina desplazamiento de las escobillas con respecto al plano neutro, o plano de conmutación.
El plano neutro es la posición en la que el plano de dos bobinas opuestas es perpendicular al campo magnético en el generador. En unos pocos generadores, las escobillas se pueden desplazar manualmente delante del plano neutro normal al plano neutro causado por la distorsión del campo. En generadores de escobillas no ajustables, el fabricante ajusta las escobillas para un mínimo de chispas.
Los interpolos pueden ser utilizados para contrarrestar algunos de los efectos de la distorsión del campo, ya que cambiando las escobillas es inconveniente y poco satisfactoria, especialmente cuando la velocidad y la carga del generador están cambiando constantemente. Un interpolo es un polo colocado entre los polos principales de un generador. Un generador de cuatro polos con interpolos se muestra en la figura 7. Este generador tiene cuatro interpolos, que son los polos norte y sur, alternativamente, al igual que los polos principales.
Figura 7: Generador con interpolos
Un interpolo tiene la misma polaridad que el polo próximo principal en la dirección de rotación. El flujo magnético producido por un interpolo hace que la corriente en el inducido cambie de dirección a medida que el devanado de inducido pasa debajo del mismo. Esto cancela los campos electromagnéticos alrededor de los devanados del inducido. La fuerza magnética de los interpolos varía con la carga en el generador, y puesto que la distorsión del campo varía con la carga, el campo magnético de los interpolos contrarresta los efectos del campo creado alrededor de los devanados del inducido y minimiza la distorsión de campo. Los interpolos tienden a mantener el plano neutro en la misma posición para todas las cargas del generador.
Características del generador
Un generador tiene en potencia de salida. Dado que un generador ha sido diseñado para funcionar a una tensión específica, la calificación se da generalmente como el número de amperios que el generador puede suministrar de forma segura a su tensión nominal. Los datos nominales del generador y su rendimiento están estampados en la placa de características adherida al generador. Al sustituir un generador, es importante elegir uno de características adecuadas.
La rotación de los generadores se denomina sentido horario o antihorario, como se ve desde el extremo de accionamiento. Por lo general, el sentido de giro está estampado en la placa de datos. Si no hay ninguna dirección impresa en la placa de datos, la rotación puede estar marcada por una flecha en la tapa de alojamiento de las escobillas. Es importante que un generador sea utilizado con el sentido de giro correcto, de lo contrario la polaridad se invertirá.
La velocidad de un motor de avión varía de rpm ralentí a rpm de despegue, sin embargo, durante la mayor parte de un vuelo, está a una velocidad de crucero constante. La unidad de generador está generalmente destinada a girar el generador entre 1 1/8 y 1 1/2 veces la velocidad del cigüeñal del motor. La mayoría de los generadores de los aviones tienen una velocidad a la que comienzan a producir su tensión normal que es normalmente alrededor de 1.500 rpm.
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