Máquina de corriente continua

Una máquina de corriente continua es una máquina eléctrica . Es un convertidor electromecánico que permite la conversión bidireccional de energía entre una instalación eléctrica transportada por corriente continua y un dispositivo mecánico; dependiendo de la fuente de energía.

• En el funcionamiento del motor , la energía eléctrica se transforma en energía mecánica .
• En el funcionamiento del generador, la energía mecánica se transforma en energía eléctrica (puede comportarse como un freno). En este caso también se le llama dínamo .

Sin embargo, al ser la máquina de corriente continua reversible y capaz de comportarse como un "motor" o como un "generador" en los cuatro cuadrantes del plano par-velocidad, la distinción entre motor y generador se hace "comúnmente" en relación con el uso. extremo de la máquina.

Inventado por Zénobe Gramme y presentado a la Academia de Ciencias de París en 1871 , inicialmente era un generador de corriente continua simple (para aplicaciones de galvanoplastia , por ejemplo, los acumuladores eran costosos).

Máquina básica o máquina de excitación independiente

Breve descripción

Una máquina eléctrica de corriente continua consta de:

• un estator que se encuentra en el origen de la circulación de un flujo magnético longitudinal fijo creado por devanados del estator ( devanado ) o por imanes permanentes . También se le llama “inductor” en referencia al funcionamiento como generador de esta máquina.
• de un rotor bobinado conectado a un colector rotatorio que invierte la polaridad de cada bobinado del rotor al menos una vez por revolución para hacer que un flujo magnético transversal circule en cuadratura con el flujo del estator. Los devanados del rotor también se denominan devanados de inducido, o comúnmente "  inducido  " con referencia al funcionamiento como generador de esta máquina.

Constitución y principios físicos

• La corriente inyectada a través de las escobillas al colector pasa a través de un conductor de rotor (una bobina de rotor) y cambia de dirección (conmutación) a la derecha de las escobillas. Esto mantiene la magnetización del rotor perpendicular a la del estator. La disposición de las escobillas en la "línea neutra" (es decir, la zona donde la densidad de flujo es cero), permite obtener la máxima fuerza contraelectromotriz (FCEM). Sin embargo, esta línea puede moverse por la reacción del inducido magnético (influencia del flujo del rotor en el campo inductivo) dependiendo de si la máquina está trabajando con carga alta o baja. Una sobretensión , debido en parte a la mala distribución de la tensión entre las palas del colector y en parte a la rápida inversión de la corriente en las secciones del conductor cuando estas palas pasan por debajo de las escobillas, puede aparecer entonces en los terminales del conductor. . la bobina que se enciende y provoca la destrucción progresiva del colector. Para superar esto, es decir para compensar la reacción del inducido, y también para mejorar la conmutación, se utilizan polos auxiliares de compensación / conmutación.I{\ Displaystyle i \,}
  
• La existencia de par se explica por la interacción magnética entre el estator y el rotor:
  • El campo del estator ( en el diagrama) es prácticamente nulo en los conductores alojados en muescas y por lo tanto no actúa sobre ellos. El origen del par sigue siendo la magnetización transversal del rotor, sin cambios durante su rotación (función del colector). Un polo del estator actúa sobre un polo del rotor y el motor gira.Bs{\ Displaystyle B_ {s} \,}
  • Una forma clásica pero simplificadora de calcular el par es confiar en la existencia de una fuerza de Laplace (ficticia) creada por el campo del estator ( en el diagrama) y que actúa sobre los conductores del rotor atravesados ​​por la corriente de intensidad . Esta fuerza ( en el diagrama) que resulta de esta interacción es idéntica en módulo para dos conductores de rotor diametralmente opuestos, pero como estas corrientes están en la dirección opuesta gracias al sistema cepillo-colector, las fuerzas también están en la dirección opuesta.Bs{\ Displaystyle B_ {s} \,}I{\ Displaystyle I \,}FLA{\ Displaystyle F_ {L} \,}

• La fuerza así creada es proporcional ay a . Por tanto, el par motor también es proporcional a estas dos cantidades.I{\ Displaystyle I \,}Bs{\ Displaystyle B_ {s} \,}T{\ Displaystyle T \,}
• La varilla conductora a través de la cual pasa la corriente a través del rotor se mueve sometida al campo del estator . Por lo tanto, es el asiento de una EMF inducida ( ley de Lenz ) proporcional ay a su velocidad de desplazamiento, por lo tanto a la frecuencia de rotación. Todas estas fuerzas contraelectromotrices dan como resultado la aparición de un EMF general en los terminales del devanado del rotor que es proporcional ay a la velocidad de rotación del motor.I{\ Displaystyle I \,}Bs{\ Displaystyle B_ {s} \,}Bs{\ Displaystyle B_ {s} \,}mi{\ Displaystyle E \,}Bs{\ Displaystyle B_ {s} \,}
• Para permitir que la corriente continúe fluyendo, la fuente de alimentación del motor deberá entregar un voltaje mayor que la fuerza contraelectromotriz inducida en el rotor.I{\ Displaystyle I \,}mi{\ Displaystyle E \,}

Diagrama eléctrico idealizado (en modo de funcionamiento del motor)

Este diagrama rudimentario no es válido en régimen transitorio. y son respectivamente las resistencias del rotor (resistencia del inducido) y del estator (resistencia del circuito de excitación) RI{\ Displaystyle R_ {i} \,}Rmi{\ Displaystyle R_ {e} \,}

Este diagrama corresponde a las siguientes ecuaciones eléctricas:

• estator: (ley de Ohm) y el campo del estator es ( la menos exacta de las fórmulas de este párrafo, porque no tenemos en cuenta las no linealidades que son importantes y, además, suponemos que la máquina tiene devanados de compensación / conmutación que hacen que este campo sea independiente de las corrientes del rotor. De hecho, una corriente pasa a través de estos devanados de compensación / conmutación de manera que crea un campo que cancela el campo inducido en las escobillas. Esta corriente es la corriente que pasa. El campo de conmutación debe variar de la misma manera que el campo inducido ) .Umi=Rmi⋅Imi{\ Displaystyle U_ {e} = R_ {e} \ cdot I_ {e} \,}Bs=k⋅Imi{\ Displaystyle B_ {s} = k \ cdot I_ {e} \,}
• al rotor: UI=mi+RI⋅II{\ Displaystyle U_ {i} = E + R_ {i} \ cdot I_ {i} \,}

Por otro lado tenemos dos ecuaciones electromecánicas:

• La fuerza contraelectromotriz: mi=k′⋅Bs⋅Ω{\ Displaystyle E = k '\ cdot B_ {s} \ cdot \ Omega \,}

donde corresponde a la velocidad de rotación, o pulsación, en rad / s relacionada con la frecuencia (número de revoluciones por segundo) por la relaciónΩ{\ Displaystyle \ Omega \,}F=Ω2π{\ Displaystyle f = {\ frac {\ Omega} {2 \ pi}}}

• El par electromecánico (motor o resistencia): T=k′⋅Bs⋅II{\ Displaystyle T = k '\ cdot B_ {s} \ cdot I_ {i} \,}

Podemos demostrar que es la misma constante k 'la que ocurre en las dos relaciones precedentes lo que implica:

• mi⋅II=T⋅Ω{\ Displaystyle E \ cdot I_ {i} = T \ cdot \ Omega \,} o "Potencia eléctrica útil" = "Potencia mecánica".

Descripción de la operación

Imagine una máquina eléctrica alimentada por una fuente de voltaje constante. Cuando el motor está en ralentí (no hace esfuerzo) no hay necesidad de suministrar par, es muy bajo y ≈ La velocidad de giro es proporcional a . UI{\ Displaystyle U_ {i} \,}II{\ Displaystyle I_ {i} \,}UI{\ Displaystyle U_ {i} \,}mi{\ Displaystyle E \,}UI{\ Displaystyle U_ {i} \,}

• funcionamiento del motor

Cuando quiere que funcione, aplicando un par resistivo en su eje, esto lo ralentiza . Como permanece constante, el producto . por lo tanto aumenta aumenta, por lo que el par también aumenta y lucha contra la disminución de la velocidad: es un par motor . Cuanto más se frena, más aumenta la corriente para combatir la disminución de velocidad. Esta es la razón por la que los motores de CC pueden "quemarse" cuando el rotor está atascado, si la fuente de corriente no se limita a un valor correcto. mi{\ Displaystyle E \,}
UI{\ Displaystyle U_ {i} \,}RI{\ Displaystyle R_ {i} \,}II{\ Displaystyle I_ {i} \,}II{\ Displaystyle I_ {i} \,}T{\ Displaystyle T \,}

• operación del generador

Si una fuente de energía mecánica intenta aumentar la velocidad de la máquina (la carga está conduciendo: ascensor por ejemplo), Ω por lo tanto aumenta. Como permanece constante, el producto se vuelve negativo y aumenta en valor absoluto, por lo tanto aumenta, por lo que el par también aumenta y lucha contra el aumento de velocidad: es un par de frenado . El signo de la corriente ha cambiado, el signo de la potencia consumida también cambia. La máquina consume energía negativa , por lo tanto, suministra energía al circuito. Ella se ha convertido en un generador. mi{\ Displaystyle E \,}
UI{\ Displaystyle U_ {i} \,}RI⋅II{\ Displaystyle R_ {i} \ cdot I_ {i}}II{\ Displaystyle I_ {i} \,}T{\ Displaystyle T \,}

Estos dos modos de funcionamiento existen para ambos sentidos de giro de la máquina. Esto puede pasar sin problemas de una dirección de rotación o par a la otra. Luego se dice que opera en los cuatro cuadrantes del plano par-velocidad.

Máquina de excitación constante

Este es el caso más frecuente: es constante porque es creado por imanes permanentes o incluso porque es constante (excitación separada alimentada con corriente continua) Bs{\ Displaystyle B_ {s} \,}Imi{\ Displaystyle I_ {e} \,}

Si ponemos :, las ecuaciones del párrafo anterior se convierten en:Bs⋅k′=K{\ Displaystyle B_ {s} \ cdot k '= K \,}

• U=mi+RI⋅II{\ Displaystyle U = E + R_ {i} \ cdot I_ {i} \,}
• mi=K⋅Ω{\ Displaystyle E = K \ cdot \ Omega \,}
• T=K⋅II{\ Displaystyle T = K \ cdot I_ {i} \,}

Serie de motores

Como la excitación en serie se reserva principalmente para los motores, no es habitual utilizar el término máquina de excitación en serie (excepto en sistemas ferroviarios).

Este tipo de motor se caracteriza por el hecho de que el estator (inductor) está conectado en serie con el rotor (inducido).

• Entonces, la misma corriente fluye a través del rotor y el estator: y la tensión de alimentaciónII=Imi=I{\ Displaystyle I_ {i} = I_ {e} = I \,}U=UI+Umi{\ Displaystyle U = U_ {i} + U_ {e} \,}
• Bs=kmi⋅I{\ Displaystyle B_ {s} = k_ {e} \ cdot I \,}

Suponiendo que el flujo , las ecuaciones de la máquina se convierten en:=K′⋅I{\ Displaystyle = K '\ cdot I \,}

• U=mi+RI⋅I+Rmi⋅I=mi+(RI+Rmi)⋅I{\ Displaystyle U = E + R_ {i} \ cdot I + R_ {e} \ cdot I = E + (R_ {i} + R_ {e}) \ cdot I}
• mi=K⋅Kmi⋅I⋅Ω=k⋅I⋅Ω{\ Displaystyle E = K \ cdot K_ {e} \ cdot I \ cdot \ Omega = k \ cdot I \ cdot \ Omega \,}
• T=K⋅I⋅Kmi⋅I=k⋅I2{\ Displaystyle T = K \ cdot I \ cdot K_ {e} \ cdot I = k \ cdot I ^ {2} \,}

Las ecuaciones anteriores permiten mostrar que los motores con excitación en serie pueden desarrollar un par muy fuerte, en particular a baja velocidad, que es proporcional al cuadrado de la corriente. Es por eso que se utilizaron para fabricar motores de tracción de locomotoras hasta la década de 1980 .
Sin embargo, por sus características, este tipo de máquina presenta un riesgo de sobrevelocidad y descontrol en vacío.

Hoy, las principales aplicaciones son:

• arrancadores de automóviles;
• los motores universales  : el par sigue siendo la misma dirección independientemente de la señal I .T=k⋅I2{\ Displaystyle T = k \ cdot I ^ {2} \,}

Una de las condiciones prácticas para que un motor en serie sea un motor universal es que su estator esté laminado, porque en este caso el flujo inductor puede ser alterno. ( Nota: un taladro destinado a la conexión a la red de 230 V AC también funciona con corriente continua: conectado a una batería de coche de 12 V funciona ) .

Excitación de derivación

En el motor de derivación, el estator está cableado en paralelo con el rotor. El voltaje en el rotor es el mismo que en el estator, por lo que:

• UI=Umi=U{\ Displaystyle U_ {i} = U_ {e} = U \,}
• Bs=kmi⋅Imi=K⋅U{\ Displaystyle B_ {s} = k_ {e} \ cdot I_ {e} = K \ cdot U \,}

Las ecuaciones de la máquina se convierten en:

• U=mi+RI⋅II{\ Displaystyle U = E + R_ {i} \ cdot I_ {i} \,}
• mi=K⋅U⋅Ω{\ Displaystyle E = K \ cdot U \ cdot \ Omega \,}
• T=K⋅U⋅II{\ Displaystyle T = K \ cdot U \ cdot I_ {i} \,}

El motor de excitación en derivación se utiliza en herramientas eléctricas, debido a su par limitado que protege al usuario y la ausencia de fugas cuando está vacío.

Excitación compuesta o compuesta

En el motor compuesto, parte del estator está conectado en serie con el rotor y otro es del tipo paralelo o en derivación. Este motor combina las ventajas de ambos tipos de motor: el alto par a baja velocidad del motor en serie y la ausencia de embalamiento (sobrevelocidad) del motor en derivación.

Ventajas y desventajas

La principal ventaja de las máquinas de corriente continua radica en su sencilla adaptación a los medios que permiten ajustar o variar su velocidad, par y sentido de giro: variadores de velocidad , o incluso su conexión directa a la fuente de energía: acumuladores, pilas,  etc. .

El principal problema de estas máquinas proviene de la conexión entre las escobillas o "carbones" y el colector rotatorio. Así como el propio coleccionista como se indicó anteriormente y la complejidad de su realización. Además, cabe destacar que:

• cuanto mayor sea la velocidad de rotación, más debe aumentar la presión de los cepillos para permanecer en contacto con el colector y por lo tanto mayor será la fricción;
• por lo tanto, a altas velocidades, las escobillas deben cambiarse con mucha regularidad;
• la imposición del colector de roturas de contacto provoca arcos , que rápidamente desgastan el interruptor y generan interferencias en el circuito de alimentación, así como por radiación electromagnética.

Otro problema limita las altas velocidades de uso de estos motores cuando el rotor está enrollado, es el fenómeno del "deshilachado", la fuerza centrífuga eventualmente rompiendo los eslabones asegurando la sujeción de los conjuntos de vueltas (el encogimiento).

La temperatura está limitada al nivel del colector por la aleación utilizada para soldar los conductores del rotor a las palas del colector. Se debe utilizar una aleación a base de plata cuando la temperatura de funcionamiento exceda la temperatura de fusión de la aleación a base de estaño convencional.

Un cierto número de estos inconvenientes se han resuelto parcialmente mediante realizaciones de motores sin rotor de hierro, tales como motores de "disco" o motores de "campana", que sin embargo todavía tienen escobillas.

Los inconvenientes anteriores se han eliminado drásticamente con la tecnología de motor sin escobillas (también denominada motor sin escobillas o incorrectamente "motor de CC sin escobillas"), que es una máquina síncrona autónoma.

Notas y referencias

1. Cuadrantes I a IV del plano par-velocidad (conocidos como los “cuatro cuadrantes”), que aparecen en el artículo “  Cuadrante (matemáticas)  ”, con la velocidad en ordenadas y el par en abscisas . Todas las máquinas eléctricas (de corriente continua, síncronas o asíncronas ) cambian sin problemas del funcionamiento del “motor” al funcionamiento del “generador” simplemente invirtiendo el signo del par (carga impulsada o motriz, por ejemplo, durante las fases de aceleración o frenado) o el signo de la velocidad (inversión del sentido de giro).
2. BTS Electrotechnics (segundo año) - Máquina de corriente continua - Cuadrantes operativos , sitio physique.vije.net, consultado el 8 de agosto de 2012.
3. Robert Chauprade, Control electrónico de motores de corriente continua - Para el uso de educación superior, escuelas de ingeniería, maestría, IUT , París,  ed. Eyrolles , coll.  "EEA", 1975, 243  p. , p.  15-32 y 148-150 .
4. "  máquina sistema Gramme dinamoeléctrica dispuesto especialmente para galvanoplastia y la reducción del metal  " , en arts-et-metiers.net , museo de artes y artesanías (visitada 10 de octubre 2015 ) .
5. Máquina de corriente continua Sitelec.org

Apéndices

Bibliografía

• Charles Harel, Máquinas y Pruebas de Máquinas Eléctricas , Sociedad Francesa de Electricistas - Escuela Superior de Electricidad , París, 1960.
• A. Fouillé, Ingeniería eléctrica para ingenieros. T.2, Máquinas eléctricas , París, Dunod, 1969.
• M. Poloujadoff, Conversiones electromecánicas: dominio de EEA y C3 - Électrotechnique , París, Dunod, 1969.
• Mikhail Kostenko y Ludvik Piotrovski, Máquinas eléctricas , t.  I , Máquinas de corriente continua, transformadores , Moscow Publishing (MIR), 1969; 3 ª  edición, 1979, 582  p.
• J. Chatelain, Máquinas eléctricas - Volumen X del tratado de electricidad, electrónica e ingeniería eléctrica , Presse polytechnique romande,   ed. Georgi, 1983; republicado por Dunod, 1993.

Artículos relacionados

• Máquina eléctrica
• Conmutación de chispas de máquinas eléctricas
• Frenado reostático

enlaces externos

• Máquina de corriente continua , sitio elec-ing.blogspot.com
• Circuitos magnéticos de máquinas , sitio sitelec.org
• Motor de corriente continua: animación , sitio sitelec.org
• Generador de corriente continua : animación , sitio sitelec.org
• Máquina de corriente continua , sitio sitelec.org
• Modelado de un motor de corriente continua , sitio sitelec.org
• Regulación de velocidad de un motor de corriente continua , sitio sitelec.org
• Motor de espacio de aire, sitio sitelec.org
• Evolución de los motores de CC en tracción , sitio sitelec.org
• Diagrama de cableado de un motor de corriente continua bidireccional , sitio robert.cireddu.free.fr
• Máquinas eléctricas - Cursos y problemas [PDF] , sitio mach.elec.free.fr
• (en) Motores y generadores eléctricos , sitio phys.unsw.edu.au
• (de) Animación de una máquina de corriente continua , sitio zum.de