Las máquinas de corriente continua constan esencialmente de dos devanados (aunque también puede disponer de otro shunt) alimentados con CC. Uno de los devanados se denomina inductor y está en el estator de la máquina; el otro, llamado inducido, está en el rotor. En el caso de funcionamiento como motor, ambos bobinados están alimentados con CC. En el caso de que funcione como generador, se alimenta con CC el inductor y se obtiene una f.e.m. en el inducido (también continua). En este tipo de máquinas existen dos campos: el primero, creado en el estator y que será fijo; y, el segundo, generado por las corrientes que circulan por las espiras del rotor. El objetivo, en el caso del motor, es el de conseguir un campo magnético en el rotor que interaccione con el del estator para producir un valor de par máximo. Para lograr esto se debe cumplir que ambos campos sean perpendiculares entre sí en todo momento. En el caso del generador, se trata de generar de la forma más eficiente posible una tensión continua en bornes del inducido y para ello se mantendrá una velocidad fija en el rotor para que sus espiras y bobinas, al moverse respecto del campo principal del rotor, proporcionen una tensión fija que se rectifica y suma en el exterior de rotor. Ambos objetivos se cumplen gracias a las escobillas y el colector de delgas. El estator de una máquina de CC genera un campo magnético fijo. Este campo se puede obtener por medio de imanes permanentes o mediante bobinas recorridas por corriente continua y montadas en polos salientes (suele ser el caso más habitual). Si se opta por esta segunda opción existen diversos tipos de excitación:
- Excitación independiente: la corriente que alimenta al devanado inductor es ajena a la propia máquina y procede de una fuente independiente externa, tal como puede verse en la figura a).
- Autoexcitación: En este caso, la corriente de excitación procede de la propia máquina. Según la forma de obtener esta corriente se tienen tres tipos diferentes de máquinas de CC:
- Excitación Serie: devanado del inductor en serie con el de inducido. Véase la figura b).
- Excitación derivación: devanado del inductor conectado directamente a las escobillas; por lo tanto, en paralelo con el de inducido. Véase la figura c).
- Excitación compuesta o mixta: una bobina en serie y la otra en paralelo. Véase la figura d).
La nomenclatura de los bobinados es la siguiente:
- Bobinado de Inducido: Sus terminales se denominan siempre AB, independientemente del tipo de excitación.
- Bobinado de Inductor: Sus terminales se denominan de forma diferente dependiendo del tipo de excitación.
Excitación Independiente: IK
Excitación Derivación, Paralelo o Shunt: CD
Excitación Serie: EF
Excitación Compuesta o Compound: EF, la parte serie, y, CD, la parte en paralelo.
- Bobinado de Compensación: Si hay polos de compensación, para reducir en lo posible la reacción de inducido, sus terminales se denominan GH.
En el caso de la máquina de CC disponible para esta práctica de laboratorio, los bobinados de la máquina pueden conectarse de formas diferentes para conseguir los distintos tipos de máquinas que se van a ensayar. En el laboratorio se definirán esas conexiones, que no son diferentes de las que se han mostrado.
Cualquiera que sea el tipo de máquina (excitación independiente, paralelo o serie) y ya sea generador o motor, su comportamiento está basado en el conocimiento de dos magnitudes fundamentales: la tensión inducida en el rotor y el par mecánico que se desarrolla, o viceversa.
En cualquier caso, trabaje como generador de CC o como motor, se aplica una corriente al inductor para generar el campo magnético principal. En el caso del generador, se hace girar el inducido (mediante una turbina de cualquier tipo) y, cuando las espiras del inducido pasan por delante de los polos se inducen tensiones en las espiras de las bobinas que son prácticamente proporcionales a la inducción del campo magnético principal, a la longitud de los conductores y a la velocidad con la que se mueven respecto del campo. Este efecto no es más que el fenómeno de inducción de Faraday. Mientras no circule corriente por los conductores, no aparecerán fuerzas sobre ellos que, como dice la Ley de Lenz, se opondrán al movimiento de giro que tenían. Estas fuerzas, que se aplican a los conductores que se encuentran en la superficie (o casi) del rotor, o inducido, proporcionan un par de frenado que hay que vencer si se quiere mantener la velocidad de giro constante. Es decir, en el caso del generador se busca la tensión inducida y, cuando circula corriente por el inducido, se desarrolla un par electromagnético en sentido contrario del movimiento.
En el caso del motor, se busca la producción de un par mecánico que haga girar el rotor. Para ello, se hace circular corriente continua por las espiras y bobinas del inducido, que están inmersas en el campo magnético principal generado por el inductor. Mientras no haya giro libre del rotor, habrá par en el eje, pero no tensiones inducidas; éstas solamente aparecen cuando se produce el giro del rotor. Por ello, en un motor se proporciona un par en el eje y la reacción se produce en forma de tensión inducida en el rotor, siempre opuesta a la aplicada para que circulen las corrientes por el inducido.
Las expresiones del par electromagnético (no el útil) y la tensión inducida son las siguientes:
Artículo técnico elaborado y redactado por ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS DE SAN SEBASTIÁN
