Principio de Funcionamiento de las Máquinas de Corriente Continua

Las máquinas de corriente continua (CC) operan bajo dos principios fundamentales:

  • Generación de Fuerza Electromotriz (FEM): Si una espira o bobina se mueve dentro de un campo magnético inductor, se genera una fuerza electromotriz. Este principio es el que se utiliza en el colector cuando la máquina funciona como generador, convirtiendo energía mecánica en eléctrica.
  • Generación de Campo Magnético y Par Motor: Al hacer circular una corriente eléctrica por una bobina dentro de un campo magnético, se genera un campo magnético con polaridad propia. Si esta polaridad coincide con la del campo inductor, se produce un par de fuerza que provoca la rotación de la bobina sobre su eje.

Nota: Las máquinas de corriente continua son reversibles y, aunque actualmente están en desuso en muchas aplicaciones, sus principios son fundamentales para la electrónica de potencia.

Constitución de las Máquinas CC

Las máquinas de CC se componen principalmente de dos circuitos:

1. Circuito Magnético

Este circuito consta de una parte fija (estator) y una parte móvil (rotor), sobre las cuales se bobinan los circuitos eléctricos.

  • Estator (Circuito Magnético Fijo): Está constituido por piezas polares, cuyo número es igual al número de polos de la máquina. Estas piezas son las encargadas de crear el campo magnético principal.
  • Entrehierro: Es el espacio de aire existente entre el estator y el rotor, crucial para el correcto funcionamiento del campo magnético.
  • Rotor (Circuito Magnético Móvil): Generalmente es un tambor cilíndrico de chapa magnética, ranurado axialmente. Se le denomina armadura y por su centro pasa el eje de la máquina. En él se alojan el colector de delgas y los rodamientos.

2. Circuito Eléctrico

Se divide en dos partes:

  • Inductor (Estator): Aloja las bobinas del inductor, embutidas sobre las piezas polares. Su función es crear un campo magnético fijo que se induce en el circuito del rotor. El número de bobinas del inductor es igual al número de polos (que debe ser par), y su polaridad debe ser alterna (Norte-Sur).
  • Inducido (Rotor): Aloja el devanado del inducido, compuesto por varias bobinas dispuestas en las ranuras del tambor. La conexión exterior se realiza a través del sistema de conmutación.

3. Elemento de Conmutación

También conocido como colector, este elemento conecta eléctricamente los devanados del inducido. Es el componente que sufre mayor desgaste debido al movimiento y requiere mantenimiento frecuente. En máquinas de gran potencia, es accesible desde el exterior.

  • El Colector: Es un tambor formado por delgas (láminas de cobre) aisladas entre sí y de otros elementos mediante materiales no conductores como la mica o micanita.
  • Escobillas: Se sitúan sobre el colector, haciendo contacto eléctrico a través de las delgas. Tradicionalmente son de grafito (aunque pueden ser de latón) y son el elemento que más frecuentemente se reemplaza. Nunca deben cambiarse mientras la máquina está en funcionamiento.

Colocación de Escobillas

La correcta ubicación de las escobillas es fundamental para una conmutación eficiente, manteniendo el mismo sentido de la corriente. Se ubican en las líneas neutras.

Reacción del Inducido

Al aplicar carga a la máquina, la corriente aumenta y, con ella, el campo magnético generado por el inducido. Esto provoca un desplazamiento de la línea neutra, lo cual debe tenerse en cuenta para el calado de las escobillas y evitar chispas excesivas.

Polos Auxiliares de Conmutación

En máquinas de gran potencia con cargas variables, se utilizan polos auxiliares para compensar la reacción del inducido. Estos polos, de menor tamaño y conectados en serie con el inductor, generan un campo de compensación que evita la distorsión y el desplazamiento de la línea neutra, mejorando la conmutación.

Inversión del Sentido de Giro

El sentido de giro de una máquina CC se invierte cambiando la dirección de la corriente en uno de sus devanados. Para evitar una aceleración excesiva del motor, se recomienda invertir las conexiones en el inducido en lugar del inductor.

Variación de Velocidad

La velocidad de una máquina CC es:

  • Directamente proporcional a la tensión del inducido (Va).
  • Inversamente proporcional al campo de excitación.

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Regulación de Velocidad

La regulación de velocidad se puede realizar mediante un reostato:

  1. A par constante: El reostato se conecta en serie con el inducido.
  2. A potencia constante: El reostato se conecta en serie con el inductor.

Actualmente, la regulación de velocidad se realiza predominantemente mediante electrónica de potencia.

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Ventajas de la Regulación Electrónica

  • Menor espacio requerido en el cuadro de control.
  • Mayor facilidad en el ajuste y configuración de parámetros.
  • Posibilidad de interconexión con otros sistemas de control (ej. PLCs).

Métodos de Variación de Velocidad

  1. Regulando la tensión del inducido: La velocidad varía de forma proporcional.
  2. Regulando la corriente de excitación: Al disminuir la corriente de excitación, la velocidad aumenta, pudiendo llegar a embalarse si no se controla adecuadamente.

Características de Par y Velocidad

  • Características de Par: El par interno del motor es directamente proporcional al flujo de excitación y a la corriente del inducido.
  • Características de Par-Velocidad: También conocidas como características mecánicas, muestran que el par disminuye a medida que la velocidad aumenta.

Devanados en Máquinas CC

  • Devanado Inductor o de Excitación: Ubicado en el estator, consta de bobinas conectadas en serie para generar el campo de excitación.
  • Devanado del Inducido: Ubicado en el rotor, se conecta al exterior a través del dispositivo de conmutación (colector).

Clasificación de los Devanados

  • Según el número de capas por ranura: Pueden ser de una capa o de doble capa.
  • Según la conexión de la bobina en el colector:
    • Imbricado: Cada lado de la bobina está situado bajo un polo de signo contrario.
    • Ondulado: Existen dos ramas en paralelo y el número de ramas es igual al número de polos. Solo requiere un par de escobillas.