3 MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA.
3.2 Generador práctico de d.c.
La figura 3-1 tiene unas limitaciones prácticas que no se pueden llevar a cabo ni en los laboratorios mas sofisticados sobre la tierra, y son: nunca se puede tener un campo magnético tan grande para poder decir que siempre hay una tensión generada en cualquier momento; Con este arreglo no se puede alcanzar una tensión lo
suficientemente alta para alumbrar una bombilla, o por otro lado se debería mover el conductor a una velocidad muy elevada o en su defecto debería haber un conductor muy largo dentro del campo magnético. Para sortear estos inconvenientes se ha ideado el circuito magnético de la figura 3-2. Este Circuito consta de un circuito en forma de C con un entrehierro de aire y un trozo cilíndrico de hierro que puede moverse libremente. En el estator (forma de C) se ha colocado una bobina por donde circula una corriente constante If y genera un flujo magnético φ con densidad constante B en los polos de la máquina. Sobre el rotor (trozo cilíndrico de hierro) se ha dispuesto un conductor de longitud l y se hace girar a una velocidad w. La tensión inducida queda expresada como:
) (Bxv
l
E=
Pero la velocidad v se puede entrelazar con la velocidad angula w por medio de:
wr v=
Quedando de la forma:
lBwr
E= Ecuación 3-2
Es decir la tensión inducida depende de la magnitud de la densidad del flujo en los polos, de la longitud del conductor dentro del campo magnético, del radio de giro y da la velocidad de giro.
Fig 3-2 Circuito magnético de un generador práctico de d.c
3.3 Limitaciones de la construcción física.
En la figura 3-3 se puede ver la forma de la tensión inducida en el polo superior. Si se considera que el rotor gira en sentido contrario de las manecillas del reloj, la velocidad va apuntando hacia la izquierda (tangencial a la trayectoria) y se va a tener una polaridad en el conductor de negativo en el fondo del dibujo y positivo en el frente. Ahora se analizará la tensión inducida en el conductor cuando pasa por el polo inferior (sur). Allí se puede ver que la densidad de flujo apunta hacia abajo y la velocidad va hacia la derecha, dando una tensión inducida de magnitud E pero con polaridad opuesta. El terminal positivo en la parte posterior de la espira y el terminal negativo en la parte frontal.
Esto se puede aprovechar para conectar los dos conductores, uno en la parte superior y otro en la parte inferior y conectarlos en serie para obtener una tensión de magnitud 2E. Paro para hacer esto se debe colocar un conductor en la parte posterior del rotor; afortunadamente la tensión inducida en este pedazo es cero porque no se encuentra dentro del campo magnético. Gracias a esto no solo se puede construir dos conductores en la misma superficie sino se puede acomodar N conductores que pueden generar una tensión 2EN y así obtener tensiones comerciales elevadas.
Fig 3-3 Tensiones generadas en un conductor que gira en un generador práctico de d.c. Ahora se debe analizar las espiras ya no funcionando separadamente sino como un todo y dar la vuelta completa. El primer inconveniente que se tiene es que el rotor está en movimiento y no se puede hacer una conexión fija entre el rotor y los aparatos de medición o a los que va a alimentar. Para ello se ha construido dos anillos colocados en sobre el eje (llamados anillos rozantes) y dos elementos que hagan contacto con el exterior (llamados escobillas) y así se tiene la tensión fuera del generador (ver fig 3-4).
Fig 3-4. Generador con anillos rozantes.
Si se coloca dos anillos rozantes como se muestra en la figura 3-4 se puede analizar la tensión generada en la espira. Si el lado a-b de la espira está en la parte superior, la tensión inducida en las escobillas es positiva en la escobilla a y negativa en la b (fig 3-4 izquierda). Si se analiza el lado a-b en la parte inferior la polaridad cambia y en vez de tener una tensión continua se tiene una tensión alterna (fig 3-4 derecha).
Fig 3-5. Forma de onda de la tensión generada en una máquina de anillos rozantes.
Como se puede ver en la figura 3-5 la tensión inducida es de forma senosoidal. De esta manera se ha construido un generador de corriente alterna.
Afortunadamente quienes trabajaron en la construcción de este tipo de máquinas se idearon un anillo partido por la mitad y colocaron las escobillas en cada mitad. Ahora se puede analizar la vuelta completa de la espira. Si se analiza la tensión generada en el lado de la espira a-b cuando está en la parte superior la escobilla a tiene la tensión negativa y la escobilla b tiene la tensión positiva (ver figura 3-6 izquierda). Cuando se analiza la espira a-b en la parte inferior la polaridad de la escobilla a tiene tensión negativa y la escobilla b tiene la tensión positiva (ver figura 3-6 derecha). A este arreglo ya no se le llama anillos rozantes sino conmutador y sirve básicamente para hacer una rectificación de la tensión generada o es un rectificador mecánico (ver figura 3.7). Hay que tener cuidado con la ubicación de las escobillas ya que cuando las espira está fuera de los polos a 180º hay un cortocircuito en el conmutador, pero la tensión inducida es cero y no se presenta este fenómeno.
Fig 3-6. Rotor con conmutador.
Fig 3-7. Forma de onda de un generador con conmutador.
La diferencia básica de una maquina de corriente contínua y una de alterna es la forma como se conectan las bobinas del rotor al exterior. En una máquina de corriente alterna los conductores del rotor van a unos anillos rozantes y en al de continua a un conmutador.
Como se puede ver en la figura 3-6 hay zonas donde no se genera tensión y se estaría desperdiciando este espacio. Pero afortunadamente allí se pueden colocar más espiras y tener tensiones como se muestra en la figura 3-8. Allí se puede observar que las escobillas siempre va a tener un nivel de tensión. El conmutador solo coloca las escobillas al potencial más alto y la tensión en la salida es continua con un pequeño rizado. Si la máquina tiene pocas bobinas en el rotor el rizado va a ser alto, este fenómeno se puede apreciar en los carros de pilas.
Si se quiere construir una máquina que tenga una buena calidad de la forma de onda se deben construir máquinas de más de 12 bobinas.
Fig 3-8 generador de corriente continua con varias espiras.
3.4 Representación de máquinas en forma plana.
En muchos casos es difícil ver algunos detalles en una representación circular de las máquinas (como en al figura 3-9 derecha) y para facilitar su compresión se han creado las representaciones planares (figura 3-9 derecha). Estas son simplemente las mismas partes de la máquina pero representadas en un plano (ver detalles de construcción).
Fig 3-9. Representación circular y planar de una máquina de dos polos.
3.5 Maquinas multipolares.
El flujo magnético producido en una máquina de dos polos que tiene un diámetro grande es relativamente difícil de obtener y las máquinas cuando crecen en tamaño también debe crecer el número de polos para tener un óptimo uso del espacio. Para máquinas de unos cuantos vaios el diámetro es pequeño y solo tiene dos polos. Para máquinas de varios kilovatos su diámetro puede ser de metros y el número de polos puede llegar a ser de 18.
La pregunta a resolver es una máquina multipolar es ¿Dónde se colocan los principios y finales de la bobina? El final de la espira no se puede colocar diametralmente opuesto al principio, porque ambos lados de la espira se encuentran en polos de la misma polaridad y la tensión inducida en un lado de la espira se anularía con la tensión inducida en el otro lado de la espira. Si un lado de la espira se coloca bajo el polo norte y otro bajo el polo sur las tensiones no se anularían sino se sumarían. Por tal razón es conveniente colocar el principio de la bobina sobre un polo y el final sobre el polo inmediatamente siguiente.
Fig 3-10. Máquinas multipolares.