Reacción del inducido en motores de corriente continua

Las máquinas C.C.  se clasifican en:

GENERADORES

MOTORES ELÉCTRICOS

-Son reversibles

-El motor convierte la E. Eléctrica en mecánica

- EL generador covierte la E. Mecánica en eléctrica

Generador (Dinámo):

-El movimiento es suministrado por una fuente exterior aplicada al eje

Motor

La fuente es E. Eléctrica que se suministra en los bornes al devanado y al campo magnético de la máquina con el fin de generar E. Mecánica

Teoría Básica DEL GENERADOR

Si un conductor se mueve perpendicularmente a un campo magnético, se induce una fem en el conductor. Si un circuito externo se conecta al conductor ,por este circula una corriente de flujo.
La dirección del flujo de corriente depende de dos cosas:

dirección del campo magnético y dirección del movimiento relativo entre el conductor y el campo. (regla de la mano derecha, fleming)

El tamaño de la fem generada depende de tres factores

la fuerza del campo magnético B la longitud efectiva del conductor en el campo de l la velocidad lineal del conductor v
Los tres están relacionados en la fórmula: 

E = B x I x V

GENERADOR DC

Los generadores de corriente continua son maquinas que producen Fem y su funcionamiento se reduce siempre al principio de la bobina giratorio dentro de un campo magnético. 
Una espira (Inducido) gira entre dos polos magnéticos fijos, la corriente en la espira (inducido)
Circula en un sentido durante la mitad de cada revolución, y en el otro sentido durante la otra mitad.  Para producir un flujo constante de corriente en un solo sentido, es decir para producir una DC. En un generador, es necesario disponer de un medio para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución. En las máquinas antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, esto en realizad es un anillo de metal, partido y montado sobre el eje de una armadura. Las dos mitades del anillo se aislaban entre sí y servían como bornes de la bobina.

Las escobillas fijas de metal o de carbón se manténían en contacto con el conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la bobina a los cables externos. Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la corriente invertía su sentido dentro de la bobina de la armadura.  Así se producía un flujo de corriente de un solo sentido en el circuito exterior al que el generador estaba conectado. Los generadores de corriente continua funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos.

El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de 1.500 voltios

En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo.
La tensión de salida de un generador es directamente proporcional a su velocidad, entonces es posible saber a que velocidad gira el generador sólo con medir la tensión de salida. El circuito equivalente del generador CC es casi igual al de un motor CC., solo que en este caso la corriente de excitación no entra, sino que sale.

Vg = Vb - (Ia x Ra)

Vb = FEM del motor, Ia = Corriente de excitación, Ra = Resistencia del devanado
Una fem es sólo inducida en un conductor cuando se mueve en ángulo recto con un campo magnético, cuando se mueve paralela al campo la Fem inducida es igual a 0.
En cualquier posición intermedia, habrá una proporción de fem máxima inducida en la espira. El valor instantáneo de la fem inducida en la espira es igual a e (instantánea) = donde E (máx.) = BlV y O es el ángulo del conductor con respecto al campo.

ROTOR DE UN GENERADOR (EJE, NÚCLEO, BOBINADO, DELGAS y COLECTOR) Al aumentar el número de delgas, la tensión obtenida tiene menor ondulación acercándose más a la tensión continua que se desea obtener.
Estátor ( Se encuentra en la parte fija de la máquina). Está constituido por: carcasa o culata  núcleo polar de un polo inductor  pieza polar de un polo inductor  núcleo polar de un polo auxiliar o de conmutación  pieza polar de un polo auxiliar o de conmutación entrehierro  bobinados de excitación o bobinado inductor  bobinado auxiliar o de conmutación

Generador DC ROTOR

- Inducido

- Colector

-Escobillas

TAMBIÉN DENOMINADO INDUCIDO, ES LA PARTE DE LA MÁQUINA QUE GIRA Y DONDE VA ALOJADO EL BOBINADO
ESTÁ FORMADO POR CHAPAS MAGNÉTICAS AISLADAS ENTRE SÍ POR UN BARNIZ.
EXISTEN TRES TIPOS DE INDUCIDOS:
-
DE ANILLO
-DE DISCO
-DE TAMBOR

EL BOBINADO DE TAMBOR ES EL MÁS UTILIZADO POR PRESENTAR MÁS VENTAJAS QUE EL RESTO:
-GRAN APROVECHAMIENTO DEL COBRE
-MENOR RESISTENCIA ÓHMICA
-MENORES PÉRDIDAS POR CALOR Y MAYOR RENDIMIENTO

COLECTOR

ES UN CILINDRO ADHERIDO AL EJE DEL INDUCIDO DONDE VA CONECTADO EL BOBINADO DEL INDUCIDO POR MEDIO DE UNAS PLETINAS DE COBRE AISLADAS ENTRE ELLAS POR UNA CAPA DE MICA.
EN LAS DELGAS SE CONECTAN LOS PRINCIPIOS Y FINALES DE CADA ESPIRA DEL BOBINADO INDUCIDO.
ESCOBILLAS
LAS ESCOBILLAS SON PIEZAS FIJAS COMPUESTAS POR MEZCLA DE DIFERENTES TIPOS DE CARBÓN.  ALOJADAS EN UN PORTAESCOBILLAS
LAS ESCOBILLAS PUEDEN SER DE DIFERENTES FORMAS Y TAMAÑOS EN FUNCIÓN DEL TIPO DE PORTAESCOBILLA Y POTENCIA DE LA MÁQUINA.

BOBINADOS DEL ROTOR

BOBINA.- ES UN NÚMERO DETERMINADO DE ESPIRAS CONECTADAS ENTRE SÍ.
LA BOBINA CONSTA DE UNA PARTE ACTIVA QUE SE ENCUENTRA EN EL INTERIOR DE LA RANURA (SECCIÓN INDUCIDA) Y OTRA PARTE EN EXTERIOR DE LA RANURA QUE UNE LOS LADOS ACTIVOS Y SE DENOMINA CABEZA DE BOBINA.LAS BOBINAS SE PUEDEN CONSTRUIR DE HILOS O DE PLETINAS

TIPOS DE Excitación

EXCITACIÓN INDEPENDIENTE
AUTOEXCITADAS.
EXCITACIÓN SERIE
EXCITACIÓN SHUNT
EXCITACIÓN COMPUND

EXCITACIÓN INDEPENDIENTE
EL BOBINADO DE EXCITACIÓN DE LA MÁQUINA ES ALIMENTADO POR UNA FUENTE DE C.C. EXTERIOR.  LA CORRIENTE DE EXCITACIÓN PUEDE SER REGULADA POR UN REOSTATO O POR LA PROPIA FUENTE.
SU UTILIZACIÓN ES LIMITADA POR NECESITAR DE UN FUENTE EXTERIOR PARA SU EXCITACIÓN.

AUTOEXCITADAS

LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN DEL BOBINADO DE EXCITACIÓN LLEGA A TRAVÉS DEL INDUCIDO DE LA PROPIA MÁQUINA.
EN LOS GENERADORES EL FLUJO INICIAL DE EXCITACIÓN SE PRODUCE POR HISTÉRISIS.

EXCITACIÓN SERIE

LA BOBINAS INDUCTURAS SON RECORRIDAS POR LA MISMA CORRIENTE GENERADA POR EL INDUCIDO Y ABSORBIDA POR LA CARGA. SON DE POCAS ESPIRAS Y SECCIÓN GRANDE, PARA TENER LA MENOR Caída DE TENSIÓN POSIBLE.

EXCITACIÓN SHUNT

EL CIRCUITO INDUCTOR ESTÁ CONECTADO EN DERIVACIÓN CON EL CIRCUITO INDUCIDO Y CON LA CARGA.
LAS BOBINAS ESTÁN CONSTITUIDAS POR UN NÚMERO ELEVADO DE ESPIRAS Y POCA SECCIÓN.

EXCITACIÓN COMPUND

CONSTITUIDA POR DOS CIRCUITOS, UNO SERIE Y OTRO EN DERIVACIÓN.
ÉSTA MAQUINA Reúne LAS CarácterÍSTICAS DE LA CONEXIÓN SERIE Y DE LA CONEXIÓN SHUNT, POR LO QUE MEJORA BASTANTE LAS DEFICIENCIAS DE LAS ANTERIORES.

TIPOS DE MOTORES DC:
Antes de enumerar los diferentes tipos de motores, conviene aclarar un concepto básico que debe conocerse de un motor: el concepto de funcionamiento con carga y funcionamiento en vacío.

Un motor funciona con carga cuando está arrastrando cualquier objeto o soportando cualquier resistencia externa (la carga) que le obliga a absorber energía mecánica. Así pues, en este caso, el par resistente se debe a factores internos y externos
Un motor funciona en vacío, cuando el motor no está arrastrando ningún objeto, ni soportando ninguna resistencia externa. El eje está girando libremente y no está conectado a nada. En este caso, el par resistente se debe únicamente a factores internos.  Los motores de corriente continua se clasifican según la forma de conexión de las bobinas inductoras e inducidas entre sí.

Motor de excitación independiente

Es tal que el inductor y el inducido se alimentan de dos fuentes de energía independientes.
Motor auto excitado
Motor en serie
Motor en derivación o motor Shunt
Motor Compound

El motor de excitación serie es tal que los devanados del inductor y del inducido se encuentran en serie.
La conexión forma un circuito en serie en el que la
intensidad absorbida por el motor al conectarlo a la red
(también llamada corriente de carga) es la misma, tanto
para la bobina conductora (del estátor) como para la bobina inducida (del rotor).

(Intensidad del Inducido=Intensidad exc)

Par motor elevado en el arranque.
Si disminuye la carga disminuye la I de carga aumentando su velocidad
Motor inestable en vacío 
Bobinas pocas espiras y gran sección

El motor de excitación en paralelo (Shunt)

conecta los devanados inductor e inducido en paralelo. De este modo, toda la corriente absorbida (Ia absorbida) por el motor, una parte (Ii) circula por las bobinas inducidas y la otra (I exc) por la inductoras. El circuito de excitación (inductor) tiene la misma tensión que el inductor.
Tiene un par motor menor en el arranque que el serie
Motor menos inestable en vacío.
Cuando el par motor aumenta la velocidad apenas disminuye

El motor Compound consta de dos devanados inductores, uno está en serie con el devanado inducido y el otro en paralelo.
En este caso, se puede decir que el motor es una combinación del motor serie y el motor shunt, puesto que una de las bobinas inductoras está en serie con el inducido, mientras que la otra está en paralelo con él.
Se caracteriza por tener un elevado par de arranque, pero no corre el peligro de ser inestable cuando trabaja en vacío, como ocurre con el motor serie, aunque puede llegar a alcanzar un número de revoluciones muy alto.
Dentro de los motores de excitación independiente, nos encontramos con una nueva clasificación:
De imán permanente o electromagnético.

TIPO DE Imán PERMANENTE:

Tienen varias ventajas respecto a los del tipo de campo devanado. No se necesitan las alimentaciones de energía eléctrica para excitación ni el devanado asociado. Se mejora la confiabilidad, ya que no existen bobinas excitadoras del campo que fallen
Excitación INDEPENDIENTE
Electromagnético
Los motores de excitación independiente tienen como aplicaciones industriales el torneado y taladrado de materiales, extrusión de materiales plásticos y goma, ventilación de horno, retroceso rápido en vacío de ganchos de grúas, desenrollado de bobinas y retroceso de útiles para serrar

. El motor de excitación independiente es el más adecuado para cualquier tipo de regulación, por la independencia entre el control por el inductor y el control por el inducido.

Teoría DEL GENERADOR (AC)

La determinación del sentido de la corriente se consigue del mismo modo que la de los generadores de DC aplicando la regla de la mano derecha. (en USA el sentido convencional de la corriente es de - a + `por tanto es aplicable la regla de la mano izquierda.
El generador mas simple, consiste en una espira girando entre los polos de un imán.

FUNCIONAMIENTO Y Fabricación DE GENERADORES AC

Ya vimos en la constitución de un generador DC, sus partes fundamentales, las recordamos:
Estátor o campo magnético, que puede estar constituido por un imán permanente o un electroimán con sus bobinas del campo excitador.
Inducido o rotor, formado por sus espiras giratorias.
Anillos deslizantes, que reciben la corriente y la pasan a la carga a través de las escobillas.
Polos del imán, denominados polos de campo o bobinas de campo si es un electroimán.
En estos generadores el inducido o rotor es giratorio, y el inductor o estátor es fijo.
Los alternadores sin embargo, se fabrican habitualmente con un campo excitador giratorio (Rotor) y con un inducido fijo, (Estátor).
En la figura vemos como el campo inductor compuesto por un imán permanente es giratorio, y que el campo inducido es fijo, es decir la salida generada la tomamos del bobinado del estátor en lugar de tomarlo del rotor.
Cuando el rotor gira, este induce una fem en las bobinas fijas (Inducido), la fem inducida invertirá su polaridad cada media vuelta del rotor, por tanto, por cada vuelta del rotor generara un ciclo.
El nº completo de ciclos generados se conoce como frecuencia, y como un alternador de dos polos, genera un ciclo en cada vuelta, se deduce que: 

FRECUENCIA= (velocidad (rpm) x nº pares polos) / 60

CONTROL DEL VOLTAJE DE SALIDA DE UN ALTERNADOR

El voltaje de salida de un alternador, se regula controlando el voltaje de excitación de DC., aplicado a la bobina del campo del rotor. Por lo tanto si el voltaje de salida aumenta, se disminuirá el voltaje de excitación aplicado a la bobina inductora (rotor) , entonces disminuirá la intensidad de campo, y por tanto las fem inducida en el estátor, y como consecuencia disminuirá la tensión de salida y viceversa en caso contrario TIPOS DE ALTERNADORES 
Un alternador, se define por sus carácterísticas de voltaje, amperaje, nº de fases, potencia de salida y factor de potencia. Pero atendiendo al numero de fases, se clasifican según el nº de voltajes independientes que puede generar:

MONOFASICOS:

El estátor tiene un solo par de devanados.

BIFASICOS:

El estátor tiene dos pares de devanados.

TRIFASICOS

El estátor tiene tres pares de devanados separados entre si 120º 

G. Monofásico

Un generador de corriente alterna monofásico, consta de una sola señal de salida, con un par de polos y un rotor equipado con un imán permanente, o un electroimán. El electroimán se puede energizar de una corriente continua, suministrada a través de las escobillas y anillos colectores. Cuando el rotor es impulsado, las fem son inducidas en los bobinados del estátor. Cuando los devanados están conectados a una carga, la corriente fluye. La frecuencia de salida depende de la velocidad de giro del rotor y el número de polos en el rotor G. Bifásico
Un generador con dos fases, consta de dos bobinas de salida un par de polos y un único y común rotor. Las dos bobinas de salida se encuentra a 90º el uno al otro, de modo que cuando se induce una fem máxima en un bobinado, en el otro bobinado se inducirán cero voltios. La salida del generador será de dos señales de igual amplitud y frecuencia, pero, desfasadas entre sí 90º

G. Trifásico

Este generador con tres fases tiene tres juegos de bobinas de salida, desfasadas 120º entre ellas. El rotor es el mismo que utiliza en los generadores de una sola fase o de dos. En realidad, son tres generadores monofásicos de un estátor, todas ellos con un campo común. Debido a la construcción de la máquina, las fem, generadas en cada una de las tres bobinas están desplazadas en 120º entre ellas. El orden normal de rotación es: Rojo Amarillo Azul. Si dos fases fueran invertidas el generador giraría en sentido contrario 1 2 3 A B C

GENERADORES TRIFASICOS CONEXIÓN EN ESTRELLA:

En la conexión en estrella se conectan entre si un terminal de cada bobina o fase, tomando el voltaje del otro terminal de cada una de las fases.

GENERADORES TRIFASICOS CONEXIÓN EN TRIANGULO:

En la conexión en TRIANGULO, se ha conectado el terminal de la primera fase con el terminal de la segunda fase y este con uno de la tercera fase y así sucesivamente hasta cerrar el triangulo

CONEXIÓN EN TRIANGULO:
VAB=Voltaje en bobina A
Es decir voltaje línea=voltaje de fase
(Ídem fases B y C)

CONEXIÓN EN ESTRELLA
VAB=voltaje de fase x raíz de 3 Es decir voltaje de línea = voltaje de fase x raíz de 3  VAN=Voltaje de la bobina A (Ídem fases B y C)
CONEXIÓN EN ESTRELLA Luego en una conexión en estrella, se dispone de dos voltajes , el medido entre fase y neutro, y el medido entre fase y fase, cuya referencia es ?3.
Por lo tanto en una aeronave que dispone de un generador trifásico en el que se induce un voltaje de 115v a 400 Hz de tensión nominal, tiene estas posibilidad de distribución:
V = 115 V entre fase y neutro
V = 115 ?3= 200v entre fases
Debe de quedar claro que son tres voltajes inducidos uno en cada bobina, independientes, pero interrelacionados.  Nótese que a 30ºde un hipotético comienzo, las fases A y C tienen el mismo valor positivo, mientras que la fase B es negativa y de doble valor que las otras (Ley de Kirchoff)
En el punto de 60º, las fase A y B son iguales y opuestas, mientras que la fase C es cero.
En el punto de 90º no representado en la figura la fase A es positiva y de doble valor que las fases B y C

Distribución DE TENSIONES Y CORRIENTES  CONEXIÓN TRIANGULO

Sabemos que un generador trifásico conectado en triangulo, los voltajes de línea y fase son iguales, siendo la relación de intensidades: I de línea = Intensidad de fase x raíz de 3

CONEXIÓN ESTRELLA

Voltaje de línea=Voltaje de fase x ?3 Intensidad de línea = Intensidad de fase