LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA SE CLASIFICAN EN GENERADORES Y MOTORES. UN GENERADOR CONVIERTE LA ENERGÍA MECÁNICA EN ELÉCTRICA, MIENTRAS QUE UN MOTOR HACE LO CONTRARIO. AMBAS MÁQUINAS TIENEN PARTES SIMILARES COMO EL CIRCUITO INDUCTOR Y EL CIRCUITO INDUCIDO. EL CIRCUITO INDUCTOR PRODUCE EL CAMPO MAGNÉTICO Y EL CIRCUITO INDUCIDO ES DONDE SE IN

1. MÁQUINAS DE C.C.
INGENIERÍA ELÉCTRICA
Ing. J. Chipana L
Semana 5

2. EL MOTOR DE CORRIENTE
CONTINUA.
• Generador es toda máquina que convierte
energía mecánica en eléctrica. Motor es la
máquina que convierte energía eléctrica
en mecánica. Sin embargo, una misma
máquina se puede usar como motor y
como generador.

3. Fundamentos del motor
• La figura (a) muestra un campo magnético
de intensidad uniforme, en el cual se halla
un conductor por el que no circula ninguna
corriente.

4. Fundamentos del motor
• En la figura (b) aparece el conductor
llevando una corriente hacia el papel,
pero se ha suprimido el campo debido a
los polos N y S.
Alrededor del
conductor aparece un
campo magnético
circular creado por la
corriente que lo
recorre. El sentido de
este campo es, según
la regla del
sacacorchos, el de las
agujas del reloj.

5. Fundamentos del motor
• En la figura (c) se ve el campo resultante de la
superposición del campo principal y el creado
por la corriente del conductor. Los dos campos
tienen el mismo sentido en la parte superior del
conductor pero son opuestos en la inferior. El
resultado ha sido el aumento de la densidad de
flujo en la parte superior y la disminución de la
misma en la inferior. Se encuentra que actúa
una fuerza F sobre el conductor, que tiende a
moverlo hacia abajo, según indica la flecha en
(c).

6. Fundamentos del motor

7. Fundamentos del motor
Si se invierte el sentido de la corriente en el
conductor hay un aumento de líneas de fuerzas
debajo de éste, que tiende a moverlo hacia arriba,
como se indica en a figura (d).

8. Fundamentos del motor
El funcionamiento del motor
eléctrico está basado en el
principio de que un conductor
recorrido por una corriente en un
campo magnético tiende a
moverse perpendicularmente a la
dirección del campo.

9. Fundamentos del motor
• Fuerza actuante sobre un conductor recorrido por
una corriente.
• La fuerza que actúa sobre un conductor recorrido por
una corriente en un campo magnético es directamente
proporcional a la intensidad del campo, a la intensidad
de la corriente y a la longitud del conductor.
F = B l I newtons.
B en webers por metro cuadrado, 1 en metros e I en
amperios.

10. Fundamentos del motor
• Regla de Fleming de la mano izquierda
La relación entre el sentido del campo magnético,
el del movimiento de un conductor en este campo
y el de la f. e. m. inducida venía dada por la regla
de Fleming de la mano derecha.
De manera análoga, la relación entre el sentido de
un campo magnético, el de la corriente de un
conductor en este campo y el de la fuerza
resultante que actúa sobre este conductor está
dada por la regla de Fleming de la mano izquierda,
que es como sigue:

11. Fundamentos del motor
• Colocando el dedo índice en el sentido del campo o flujo
y el dedo medio en el sentido de la corriente del
conductor, el pulgar queda dirigido en el sentido en que
el conductor tiende a moverse.

12. Fundamentos del motor
• Par motor.
Cuando un inducido, un volante o cualquier dispositivo
similar gira alrededor de un eje se necesita una fuerza
tangencial para mantenerlo en movimiento de rotación.
Esta fuerza se puede desarrollar dentro de la misma
máquina, como en un motor eléctrico. El efecto total de la
fuerza no queda determinado solamente por su magnitud,
sino también por su brazo o distancia del eje de rotación al
punto de aplicación de la fuerza. El producto de la fuerza
por su distancia al eje de rotación mide el llamado par
motor.

13. Fundamentos del motor
El par tiende a producir un momento de rotación, y se
expresa en unidades de fuerza por longitud, (metro
kilogramo).
• Par desarrollado por un motor.
La figura (a) muestra una bobina de una sola espira, cuyo
plano es paralelo al campo magnético.

14. Fundamentos del motor
Fuerza contraelectromotriz.
La resistencia del inducido de un motor corriente continua
de 10 caballos y 230 voltios es aproximadamente de 0,25
ohmios. Si este inducido estuviera conectado directamente
a una red de 110 voltios, la corriente según la ley de Ohm,
será: I = 110/0,25 = 440 amperios.
Este valor de la corriente no solamente es excesivo, sino
también totalmente anormal, especialmente si se tiene en
cuenta que la corriente nominal de un motor de este tipo es
de unos 38 amperios. Cuando un motor está funcionando,
es evidente que la corriente del inducido no está
determinada solamente por su resistencia óhmica.

15. Fundamentos del motor
Fuerza contraelectromotriz.
El inducido de un motor en funcionamiento se comporta de
manera similar al de una dinamo. Los conductores,
además de llevar corriente y desarrollar así un par motor,
están cortando un flujo y generan una f. e. m.
La figura siguiente se muestra un conductor aislado del
inducido de un motor en el instante en que pasa por
delante de un polo norte. Este conductor se puede mover
libremente.

16. Fundamentos del motor
Fuerza contraelectromotriz.
.

17. LAS MAQUINAS DE C.C. SE
CLASIFICAN EN:
• GENERADORES (DINAMOS)
• MOTORES ELECTRICOS
• SON MÁQUINAS REVERSIBLES
• EL MOTOR CONVIERTE LA ENERGIA ELECTRICA EN
MECANICA
• EL GENERADOR CONVIERTE LA ENERGIA MECÁNICA
EN ELECTRICA

18. GENERADOR (DINÁMO):
• EN LA DINÁMO GENERADOR EL
MOVIMIENTO GIRATORIO ES
SUMINISTRADO POR UNA FUENTE
EXTERIOR APLICADA AL EJE CON EN FIN DE
GENERAR ENERGIA ELÉCTRICA.

19. MOTOR:
• EN EL MOTOR LA FUENTE ES
ENERGÍA ELÉCTRICA QUE SE
SUMINISTRA EN LOS BORNES AL
DEVANADO Y AL CAMPO MAGNÉTICO
DE LA MAQUINA CON EL FIN DE
GENERAR ENERGÍA MECÁNICA.

20. PARTES ESENCIALES DE UNA
MÁQUINA DE C.C.

21. ASPECTO EXTERIOR DE UNA
MÁQUINA DE C.C.

22. PARTES DE UNA MÁQUINA DE C.C.
• CIRCUITO INDUCTOR
• CIRCUITO INDUCIDO

23. CIRCUITO INDUCTOR:
– ES LA PARTE FIJA DE LA MÁQUINA Y RECIBE EL
NOMBRE DE ESTATOR
– ESTÁ CONSTITUIDO POR:
• CARCASA O CULATA
• NUCLEO POLAR DE UN POLO INDUCTOR
• PIEZA POLAR DE UN POLO INDUCTOR
• NUCLEO 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

24. CARCASA O CULATA:
– ES EL SOPORTE DE TODOS LOS
ELEMENTOS DE MÁQUINA Y SIRVE DE
RETORNO DE LOS FLUJOS CREADOS
POR LOS BOBINADOS AUXILIARES O DE
EXCITACIÓN.
– ESTÁ FABRICADA EN ACERO FUNDIDO O
LAMINADO.

25. NUCLEO POLAR DE UN POLO
INDUCTOR:
• SON MASAS MAGNÉTICAS DONDE VA
ALOJADO EL BOBINADO DE
EXCITACIÓN.
• SON DE CHAPA DE ACERO DULCE, SE
UNEN A LA CARCASA POR PERNOS.

26. PIEZA POLAR DE UN POLO
INDUCTOR:
• SE LLAMA TAMBIÉN EXPANSIÓN POLAR, ES
LA PARTE MÁS CERCANA AL INDUCIDO.
• MEDIANTE LA EXPANSIÓN POLAR SE
REDUCE LA RELUCTANCIA MAGNÉTICA Y
POR CONSIGUIENTE EL FLUJO DE
DISPERSIÓN Y LAS PERDIDAS
MAGNÉTICAS.

27. MEJORA DEL FLUJO INDUCTOR

28. NUCLEO POLAR DE UN POLO
AUXILIAR O DE CONMUTACIÓN:
• ES EL NUCLEO MAGNÉTICO DONDE
VA SITUADO EL BOBINADO AUXILIAR.
• ESTÁ CONSTITUIDO POR CHAPA DE
ACERO DULCE
• SE UNE A LA CARCASA MEDIANTE
PERNOS DESMONTABLES

29. PIEZA POLAR DE UN POLO
AUXILIAR O DE CONMUTACIÓN
• La mismas características y función que la
pieza polar de un polo de excitación, pero de
menor tamaño.

30. ENTREHIERRO
• ESPACIO QUE EXISTE ENTRE EL
CIRCUITO MAGNÉTICO DEL BOBINADO
INDUCTOR Y EL CIRCUITO MAGNÉTICO
DEL BOBINADO INDUCIDO.

31. BOBINADO DE EXCITACIÓN O
BOBINADO INDUCTOR
• ES EL QUE PRODUCE EN EL ESTATOR
EL CAMPO MAGNÉTICO CUYO FLUJO
CREA LAS CORRIENTES INDUCIDAS
EN EL INDUCIDO O ROTOR.

33. BOBINADOS AUXILIAR O DE
CONMUTACIÓN
• ESTÁ CONECTADO EN SERIE CON EL
BOBINADO INDUCIÓN.
• ESTÁ DESTINADO AMEJORAR LA
CONMUTACIÓN
• REALIZAN UNA FUNCIÓN MUY
IMPORTANTE EN EL
FUNCIONAMIENTO DE LA MÁQUINA.

34. EXCITACIÓN DE LAS MÁQUINAS
DE C.C.
• EXCITACIÓN INDEPENDIENTE
• AUTOEXCITADAS.
• EXCITACIÓN SERIE
• EXCITACIÓN SHUNT
• EXCITACIÓN COMPUND

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

36. excitación independiente

37. MAQUINAS 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.
• EN LOS MOTORES, EL BOBINADO DE
EXCITACIÓN SE ALIMENTA A TRAVÉS DE LA
RED DE C.C.

38. EXCITACIÓN SERIE
• LA BOBINAS INDUCTURAS SON
RECORRIDAS POR LA MISMA
CORRIENTE GENERADA POR EL
INDUCIDO Y ABSORVIDA POR LA
CARGA.
• SON DE POCAS ESPIRAS Y SECCIÓN
GRANDE, PARA TENER LA MENOR
CAIDA DE TENSIÓN POSIBLE.

39. excitación serie

40. 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.

41. excitación shunt

42. EXCITACIÓN COMPUND
• CONSTITUIDA POR DOS CIRCUITOS,
UNO SERIE Y OTRO EN DERIVACIÓN.
• ÉSTA MAQUINA REUNE LAS
CARACTERÍSTICAS DE LA CONEXIÓN
SERIE Y DE LA CONEXIÓN SHUNT,
POR LO QUE MEJORA BASTANTE LAS
DEFICIENCIAS DE LAS ANTERIORES.

43. excitación compound

44. MÁQUINAS
DE C.C.
INDEPENDIENTE
SU SECCIÓN Y NÚMERO
DE ESPIRAS DEPENDEDE LA
FUENTE DE ALIMENTACIÓN
SERIE
SUS BOBINAS TIENEN
POCAS
ESPIRAS Y MUCHA SECCIÓN
SHUNT
SUS BOBINAS SON DE
MUCHAS
ESPIRAS Y CON POCA
SECCIÓN
COMPOUND
BOBINAS SERIE Y
DERIVACIÓN
CADA UNA CON SUS
CARCTERÍSTICAS
BOBINADOS
INDUCTORES

45. CIRCUITO INDUCIDO DE LA
MÁQUINA DE C.C.
• INDUCIDO
• COLECTOR
• ESCOBILLAS

46. INDUCIDO

47. DIFERENTES ELEMENTOS
DE UNA MÁQUINA DE C.C.

48. INDUCIDO
• TAMBIÉN DENOMINADO, ROTOR, 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

49. 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.

50. 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.

51. INGENIERÍA ELÉCTRICA
• MÁQUINAS ELÉCTRICAS
DE INDUCCIÓN
Ing. J. Chipana L.
Semana 6

52. El campo giratorio en CA
Conceptos preliminares
En los motores de CC conmutados electrónicamente se vio que la
conmutación se utiliza para “mover” la dirección del campo magnético del
estator desde una posición a otra, mediante la conexión de distintos
devanados (siguiendo una secuencia preestablecida).
En los motores de CA ocurre un efecto similar. Sin embargo, el campo
giratorio es producido por las variaciones graduales que va
experimentando la onda sinusoidal de la corriente que circula por los
devanados del estator.
La forma simplificada de cómo está constituido un motor de CA es la que
se muestra a continuación:

53. Configuración de un motor de CA
VB
VA
Polos de la
fase A
Polos de la
fase B
Fuentes de CA
desfasadas 90°
entre sí.

54. Configuración de un motor de CA
Forma de creación
del campo giratorio
en un motor bifásico
Contribución Fase A
Contribución Fase B
Flujo Neto Resultante

55. Polos por fase
El número de polos de un motor de CA no necesariamente coincide con el número de
fases. Al indicar el número de polos de un motor se refiere a la “cantidad de polos por
fase”.
Dos fases y
cuatro polos
VA
VB
VB
VA
Polos
Fase A
Polos
Fase B
Plano de devanado de
los polos de la Fase A

56. Giro del flujo de campo
La distribución mecánica del flujo en un motor dependerá del instante de la
señal sinusoidal de excitación. En la siguiente figura se muestra la
distribución del flujo para un motor de cuatro polos, en los instantes 0°, 90° y
180°:
N
N
S S
N
N
S
S
N N
S
S
0° 90° 180°

57. Giro del flujo de campo
La velocidad de rotación del campo de flujo va a depender de la cantidad
de polos que tenga el motor. Por ejemplo, en un motor de dos polos
excitado con una frecuencia sinusoidal de 50Hz, el campo giratorio dará
50 giros un segundo, mientras que si el motor fuese de 4 polos, sólo dará
25 giros en el mismo tiempo.
En general, puede decirse que:
P
f
v
120
sinc


donde:
• f : frecuencia; y
• P : Número de polos.
vsinc: velocidad síncrona.

58. f ) Motores de jaula de
ardilla monofásicos
El rotor “Jaula de Ardilla”
La estructura de este tipo de rotor, como su nombre lo indica, tiene la
forma de una jaula de ardilla, tal como se muestra en la siguiente figura:
Se trata de barras conductoras unidas por anillos terminales de aluminio o
cobre. Generalmente tienen un núcleo de una aleación de hierro, con buena
permeabilidad magnética.

59. El rotor “Jaula de Ardilla”
Cuando el campo del estator cruza las barras conductoras del rotor, induce
un voltaje en las mismas, produciendo una circulación de corriente entre
las barras y el anillo que las une. Este campo magnético producido en el
rotor se opondrá al campo del estator, provocando un giro en el rotor,
tratando de seguir al campo giratorio. Es por esto que se llaman motores
asincronicos.

60. Obtención del desfasaje
ROTOR
Fase
A
Fase
B
C
IA
IB
IA
IB
90° 180°
Corriente
Grados
270° 360°
Puede notarse que, para operar el motor, es suficiente con alimentar ambos
devanados con corrientes desfasadas entre sí.

61. Inversión de giro
ROTOR
Fase
A
Fase
B
IA
IB
DIRECTA
INVERSA
Una forma de poder lograr invertir el sentido de rotación del
motor bifásico es la que se muestra en la siguiente figura:

62. Arranque por capacitor
ROTOR
Fase
A
Fase
B
IA
IB
C
SW
En realidad, después que el motor de jaula de ardilla comienza
su rotación, no es necesario mantener la diferencia de fases
para mantener el campo giratorio.
Para eliminar la fase
relacionada al capacitor de
arranque, se puede usar un
“switch” cen-trífugo, que
interrumpe la circulación de
corriente después de
alcanzar una cierta velocidad
de operación.

63. Componentes del motor
Un ejemplo de
cómo está cons-
tituido el motor
internamente se
muestra a
continuación:

64. Operación de motores de jaula de ardilla
Una de las características principales de los motores de jaula
de ardilla es que el campo giratorio corta las barras del rotor a
la velocidad síncrona, vsinc , para provocar el giro del mismo.
Por lo tanto, para que este campo del flujo con el tiempo se
mantenga durante el movimiento del rotor, no es posible que
ambos (campo giratorio y rotor) giren a la misma velocidad
(la velocidad relativa entre ellos tiene que ser distinta de cero).
Así, la velocidad del rotor, vrot , es menor que vsinc, y se define
el concepto de “desplazamiento” como la diferencia entre
ambas velocidades, es decir:
desplazamiento= vsinc- vrot

65. Característica velocidad contra par
La gráfica característica de motor de jaula de ardilla que re-
presenta la velocidad alcanzada en relación con el par aplicado
tiene la siguiente forma:
100
Velocidad [r/min]
Par [porcentaje
a plena carga]
(deslizamiento [%])
(0) 1800

66. Característica corriente contra velocidad
Esta característica representa otra curva importante del motor
de jaula de ardilla, como se muestra a continuación:
IEST [A]
veloc [r/min]
Velocidad a
par máximo
IARR
Punto de
par máximo

67. Motores de jaula de ardilla trifásicos
Tal como en el caso bifásico, un motor de inducción trifásico
produce un campo giratorio entre polos, separados mecánica-
mente 120° (dos polos por fase), debido a corrientes que circu-
lan entre los devanados que están separadas eléctricamente en
120°. La conexión típica de este tipo de motores es:
R
S
T
N
Polos de
la fase R
Polos de
la fase S
Polos de
la fase T
Este punto se
encuentra en el
interior del motor

68. Motores de jaula de ardilla trifásicos
En el ejemplo visto (conexión en estrella), el voltaje a través de cualquier
devanado de fase es igual al voltaje de línea dividido por 1.73. Así, por
ejemplo, si el voltaje de línea es 380V, el voltaje en cada fase del motor
será:
El fabricante del motor lo diseñará para que pueda ser conecta-do en
estrella a un voltaje trifásico de 380V de línea. Esto implica que el tipo de
alambre del devanado para cada fase individual será adecuado para trabajar
satisfactoriamente con 220V sobre la misma.
V
V
V
V línea
fase 220
3
380
3
Y)
en
(motor 



69. Motores de jaula de ardilla trifásicos
Sin embargo, también puede optar por permitir que el devanado pueda ser
conectado en Delta, por lo que el voltaje sobre cada fase será el voltaje de
la línea, es decir:
Por lo tanto, si el fabricante del motor desea que el motor pueda ser
operado en ambas condiciones, diseñará los devanados del motor con
mayor cantidad de vueltas, un calibre de alambre más delgado y una
aislación eléctrica más gruesa, como para que pueda trabajar con mayores
voltajes aplicados a los mismos.
V
V
V línea
fase 380
)
en
(motor 



70. Motores de jaula de ardilla trifásicos
Los motores trifásicos pueden ser diseñados por “grupos de
devanados” por casa fase, que permiten un mejor aprovecha-
miento del flujo magnético.
El mejor uso del espacio efectivo en el estator que permite este
tipo de configuraciones, representa su mayor ventaja respecto
de los motores bifásicos. Esto facilita la construcción de
motores pequeños, de bajo costo y alta potencia. Esta situación
es equivalente en el caso de generadores trifásicos.

71. Motores de jaula de ardilla trifásicos
La velocidad sincrónica y el deslizamiento se calculan de la
misma forma para ambos tipos de motores. Las ventajas de
usar tres fases se pueden resumir como sigue:
• Las máquinas (generadores o motores) son más
compactas, de mayor eficiencia de operación y menor
costo de producción.
• La potencia eléctrica se transmite más eficientemente,
con una pérdida de potencia I2 R menor por fase.
• El par producido por un motor trifásico es constante,
sin ninguna tendencia a “pulsar” (como sucede con los
motores monofásicos).