Generalidades de las máquinas de CC

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Universidad Autónoma De Santo DomingoFacultad de Ingeniería

Tema:

MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

Sustentantes:

ERIC BERIGUETE DB-9863FRANCISCO GIL CH-6945FRANCISCO RAMOS CG-6329JOHAN OLIVARES CG-5484

Ciudad UniversitariaNoviembre/2011



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Indice

Introducción ........................................................................................................................... 3

1. Historia Breve Del Desarrollo De Las Máquinas De Corriente Continua. ........................... 4

2. Descripción General Del Generador De Corriente Continua. ............................................. 6

3. Descripción General Del Motor De Corriente Continua. .................................................... 9

4. Diferentes Formas De Excitación De Las Máquinas De Corriente Continua. ................... 12

4.1. Máquinas con excitación independiente. ................................................................. 12

4.2. Máquinas autoexcitadas............................................................................................ 13

5. Características Eléctricas De Variación Del Generador De Corriente Continua. .............. 17

5.1. Características de un generador de excitación independiente. ................................ 17

5.2. Características de un generador de excitación en derivación. ................................. 24

5.3. Características de un generador de excitación en serie. ........................................... 26

5.4. Características de un generador de excitación compuesta. ..................................... 27

6. Características De Trabajo O Funcionamiento Del Motor De Corriente Continua. ......... 30

6.1. Características de funcionamiento de los motores de excitación en derivación...... 30

6.2. Características de funcionamiento de los motores de excitación en serie. .............. 33

6.3. Características de funcionamiento de los motores de excitación compuesta. ........ 35

Conclusión ............................................................................................................................ 37

Bibliografía ............................................................................................................................ 38



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Introducción



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1. Historia Breve Del Desarrollo De Las Máquinas De Corriente

Continua.

La historia del desarrollo de la construcción de máquinas eléctricas, empezando desde el

descubrimiento de la ley de inducción electromagnética por Faraday (1831) y hastamediados de la octava década del siglo pasado, representa en esencia la historia del

desarrollo de la máquina de corriente continua. En el curso de este tiempo esta máquina

pasó cuatro periodos de desarrollo, a saber:

1) Maquinas tipo magno eléctrico con imanes permanentes.

2) Maquinas tipo electromagnético con excitación independiente.

3) Maquinas tipo electromagnético con autoexcitación y tipo elemental del inducido.

4) Maquinas del tipo de polos múltiples con inducido perfeccionado.

El primer periodo de desarrollo de la máquina de corriente continua, que abarca el tiempo

desde 1831 hasta 1851, esta enlazado ininterrumpidamente con los nombres de loscientíficos rusos E. J. Lenz y B. S. Jacobi.

El segundo y tercero periodos de desarrollo de la máquina de corriente continua, que

abarcan los años de 1851 a 1871, se caracterizan por el paso a las maquinas del tipo

electromagnético, al principio, con excitación independiente, y luego, con autoexcitación,

y así como por el paso de la maquina bipolar a la multipolar.

En el cuarto periodo de su desarrollo (de 1871 a 1886) la máquina de corriente continua

adquirió los rasgos fundamentales de la construcción moderna. Fueron propuestas y

realizadas: la maquina con autoexcitación de Gramme y el inducido de anillo de Pacinotti;el tipo hoy día normal de inducido de tambor (Hefner – Altenek, 1871); los tipos simples

de arrollamientos de lazo y ondulados y sus principales modificaciones, arrollamientos en

serie-paralelo de Arnold, arrollamientos mixtos (en pata de rana), conexiones

compensadores de los arrollamientos (Mordey, 1883) y los arrollamientos compensadores

para compensar la reacción del inducido (Mengues, 1884), polos auxiliares para mejorar la

conmutación (Meter, 1885), divisor de tensión de M. O. Dolivo-Dobrovolski.

Para el desarrollo ulterior de las máquinas de corriente continua tuvo gran importancia la

creación del convertidor con un inducido de corriente alterna a continua y el convertidor

inverso de corriente continua a alterna, la creación de instalaciones potentes según el

sistema Leonardo-Ilgner para la industria (instalaciones metalúrgicas y máquinas de

extracción), instalaciones con convertidores a vapor de mercurio para la alimentación de

las máquinas de corriente continua de los dispositivos industriales y los ferrocarriles

electrificados tanto en las subestaciones de tracción, como en las locomotoras eléctricas.

En la tercera década del siglo XX se comienza la elaboración de tipos especiales de

máquinas eléctricas con campo transversal según el sistema de Rosenberg para la



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iluminación de los trenes y la soldadura eléctrica, así como para emplearlas en calidad de

amplidinos para el mando en los sistemas de accionamiento eléctrico complicado.

Las máquinas de corriente continua obtuvieron amplio empleo al principio como

turbogeneradores de alta velocidad y de potencia limitada, y a continuación como

excitadores de los turbogeneradores sincrónicos de alta velocidad y alta potencia. Lasmáquinas de corriente continua hallaron sobre todo amplio empleo en los mecanismos

auxiliares de los mandos eléctricos de barco, así como para la propulsión eléctrica de los

barcos.

Para el rápido desarrollo de los mandos precisos automatizados con amplia y suave

regulación de las velocidades tuvo gran importancia la creación de micro motores de

corriente continua para dispositivos especiales (máquinas de mando y calculadoras), la

elaboración de toda una serie de máquinas de corriente continua de producción en masa

de potencia pequeña y media y la producción en serie de máquinas de corriente continua

de gran potencia.

Paralelamente a la perfección de la construcción de las máquinas de corriente continua se

realizaba un gran trabajo teórico y de investigación. Para el principio del desarrollo tienen

sobre todo gran importancia los trabajos de A. G. Stoletov sobre la investigación de las

propiedades magnéticas de los materiales ferromagnéticos, que se adoptaron como base

de los métodos racionales de cálculo de los circuitos magnéticos de las maquinas

eléctricas (1872).

El perfeccionamiento ulterior de las máquinas de corriente continua está directamente

enlazado con la elaboración de los problemas de la teoría de las maquinas eléctricas:

teoría de los devanados del inducido y conexiones compensadoras para ellos, teoría de laconmutación, análisis de los regímenes transitorios de las máquinas de corriente continua

durante su puesta en marcha, regulación y cortocircuitos, con la elaboración de métodos

perfeccionados de cálculo de las maquinas eléctricas, etc.



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2. Descripción General Del Generador De Corriente Continua.

Los generadores de c.c. o dinamos convierten una energía mecánica de entrada en

energía eléctrica de salida en forma de corriente continua. En la actualidad, estos

generadores han caído en desuso y han sido sustituidos por rectificadores, generalmente

de silicio, que transforman c.a. de la red en c.c., en forma estática y con mayor

rendimiento.

Máquina de c.c. funcionando como generador.

Desde el punto de vista de circuito eléctrico, las máquinas de c.c. constan de un inductor o

excitación, colocado en el estator, y de un inducido giratorio provisto de colector de

delgas. La representación de ambos devanados es la indicada en la figura.

Generador de c.c. o dinamo.

El devanado de excitación está formado por dos arrollamientos de todos los polos

conectados en serie, a los que se aplica una tensión de alimentación de c.c. que produce

una corriente de circulación Ie, que da lugar a una f.m.m. que origina el flujo ɸ en el

entrehierro de la máquina. El inducido gira dentro del campo magnético del inductor y

genera, merced a la combinación colector-escobillas, una f.e.m. continua E en vacío cuya

magnitud viene definida por la expresión:



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Donde KE es una constante determinada para cada máquina, P es el número de polos y c el

número de circuitos derivados.

Al conectar una carga electrica exterior aparece una corriente I i de circulacion que

provoca una caida de tension en el inducido, que se debe en parte a la resistencia propia

de este devanado Ri y en parte a la resistencia que presentan los contactos escobillas-

colector. Si se denomina Vesc a la caída de tension por par de escobillas (que suele

considerarse del orden de 2 voltios), la aplicación de la segunda ley de Kirchhoff al circuito

de la figura anterior conduce a la siguiente ecuación:

E = V + Ri Ii + Vesc

Donde V indica la tensión terminal en bornes de la máquina. En esta ecuación se ha

supuesto despreciable la posible acción desmagnetizante del inducido sobre el inductor.

Cuando se considera esta acción, se suele expresar como tanto por ciento de reducción en

la f.m.m. de excitación, o su equivalente en caída de tensión del inducido. En el caso de

que la maquina posea polos auxiliares que anulen la reacción del inducido la ecuación

anterior sigue siendo válida si se incluyen en R i las resistencias de los arrollamientos de

estos polos, que están en serie con el inducido.

Para determinar el proceso de transformación de energía mecánica en eléctrica en un

generador de c.c. se va a considerar el esquema de la figura anterior del generador de c.c.

en el que se tienen las siguientes ecuaciones de circuito:

Inductor: Ve = Re Ie

Inducido: E = V + Ri Ii + Vesc

Al multiplicad por Ii la segunda ecuación anterior resulta:

E Ii = V Ii + Ri Ii2

+ Vesc Ii

Que expresa el balance de potencias en el inducido de un generador de c.c. Los términos

anteriores representan:

P2 = V Ii: Potencia eléctrica de salida suministrada por el generador.

Pcui = Ri Ii2: Pérdidas en el cobre del inducido.

Pesc = Vesc Ii: Pérdidas en los contactos de las escobillas.

Pa = E Ii: Potencia electromagnética desarrollada por la máquina.



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De acuerdo con esta nomenclatura, el balance de potencias en el inducido se convierte

en:

Pa = P2 + Pcui + Pesc

Para calcular la potencia mecánica de entrada habrá que sumar a la potencia

electromagnética anterior, pa, las restantes pérdidas, que abarcan:

a) Las pérdidas en el cobre del arrollamiento de excitación, definidas por:

Pesc = Ve Ie = Re Ie2

b) Las pérdidas mecánicas Pm debidas al rozamiento y ventilación.

c) Las pérdidas en el hierro PFe, que solo existen en el apilamiento del rotor, debido a

la magnetización cíclica que aparece por su movimiento a pesar de ser el flujo

inductor constante.

En consecuencia, y de acuerdo con lo anterior, la potencia mecánica de entrada P1 al árbol

de un generador de c.c. será:

P1 = Pesc + Pm + PFe + Pa

En la figura siguiente se muestra un esquema simplificado de este balance de potencias.

Balance de potencias en el generador de c.c.

Este diagrama energético es válido para todas las máquinas de c.c. en las que la potencia

de excitación proviene de la misma máquina. Hay que tener en cuenta que los circuitosinductor e inducido pueden estar conectados entre sí, constituyendo una sola unidad, o

pueden estar separados, en cuyo caso la excitación procede de una fuente exterior y por

tanto no interviene en el balance general.



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3. Descripción General Del Motor De Corriente Continua.

Máquina de c.c. funcionando como motor.

Un motor de c.c. transforma una energía eléctrica de entrada en una energía mecánica de

salida. Esencialmente consiste en una dinamo trabajando en régimen inverso, lo que está

de acuerdo con el principio de reciprocidad electromagnética formulado por Faraday y

Lenz. Para comprender este principio básico de reciprocidad en el funcionamiento de una

máquina de c.c., se va a considerar una dinamo derivación que suministra energía

eléctrica a una red de c.c. de tensión constante, tal como se indica en la figura (a):

Funcionamiento de la máquina de c.c. como generador o como motor.

La aplicación de la segunda ley de Kirchhoff al circuito del inducido de la máquina de c.c.

como generador (figura a) conduce a la siguiente ecuación:

E = V + Ri Ii + Vesc



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Que denominando Vi = V + Vesc a la tensión neta en el inducido nos da una corriente Ii:

Si la f.e.m. E es superior a la Vi (prácticamente esta tensión coincide con la de la red), el

sentido de la corriente en el inducido coincide con el de E; en consecuencia, la maquina

trabaja como generador suministrando una potencia electromagnética EI i. La máquina

crea entonces un par resistente que se opone al de rotación, es decir, contrario al

movimiento del motor primario.

Si se disminuye la f.e.m. del generador, reduciendo la velocidad de rotación o la excitación

del inductor, cuando E se hace menor que la tensión Vi, la corriente Ii del inducido

cambiara de sentido. Se dice entonces que la maquina produce una fuerza contra-

electromotriz, ya que E se opone a la corriente Ii. En esta situación la maquina trabaja

como motor y se produce un par electromagnético que coincide con el de rotación, lo que

indica que el par ha pasado de ser resistente a ser motor. Desconectando el motorprimario, la máquina de c.c. continuara girando en el mismo sentido que lo hacía cuando

actuaba como generador pero desarrollando ella ahora su propio par motor. El que la

maquina conserve el mismo sentido de giro trabajando como generador o como motor se

debe a que se ha cambiado la polaridad de la corriente en uno solo de los devanados. En

las figuras (a) y (b), sobre el funcionamiento de la máquina de c.c., se puede observar que

en ambos casos la corriente de excitación tiene el mismo sentido, pero que sin embargo la

corriente Ii ha cambiado de signo.

Si el régimen de funcionamiento como motor se considera positivo el signo de la corriente

Ii absorbida, al aplicar la segunda ley de Kirchhoff al circuito inducido de la maquina como

motor (figura b) se obtiene:

V = E + Ri Ii + Vesc

Que no es más que la ecuación obtenida del circuito inducido de la máquina de c.c. como

generador en la que se han cambiado los signos de Ii, Vi y E.

Para determinar el proceso de transformación de energía mecánica en electica en el

motor de c.c. se ha de obtener una ecuación del balance de potencias. Para ello, si se

multiplica ambos miembros de la ecuación anterior por Ii resulta:

V Ii = E Ii + Ri Ii2 + Vesc Ii Dónde:

Pi = V Ii: Potencia eléctrica de absorbida por el inducido del motor.

Pcui = Ri Ii2: Pérdidas en el cobre del inducido.

Pesc = Vesc Ii: Pérdidas en los contactos de las escobillas.

Pa = E Ii: Potencia electromagnética desarrollada por la máquina.



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De acuerdo con esta nomenclatura, el balance de potencias en el inducido se convierte

en:

Pi = Pa + Pcui + Pesc

La potencia electromagnética Pa expresa la potencia mecánica total que produce el motor,

y que da lugar, al dividir por la velocidad de giro, al par interno desarrollado por lamáquina el cual es directamente proporcional al flujo en el entrehierro y a la corriente del

inducido.

Para calcular la potencia mecánica útil en el árbol del motor habrá que restar a la potencia

electromagnética, Pa, las perdidas rotóricas, que abarcan las pérdidas en el hierro PFe y las

pérdidas mecánicas Pm de rozamiento y ventilación. En consecuencia, la potencia útil del

motor P2 se podrá poner:

P2 = Pa - PFe - Pm

La potencia absorbida por la maquina P1, en el caso de tener el motor excitación

independiente, será igual a la potencia que llega al inducido P i; sin embargo, en las

maquinas autoexcitadas la potencia de entrada tendrá que compensar también las

pedidas en el circuito de excitación Pex debidas al efecto Joule en el cobre del inductor,

resultando:

P1 = Pi + Pex

En la siguiente figura se muestra de una forma esquemática el reparto de potencias en el

motor de c.c. La potencia de entrada P1 es el producto de la tensión de alimentación por la

corriente absorbida, y el rendimiento del motor será:

Balance de potencias en el motor de c.c.



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4. Diferentes Formas De Excitación De Las Máquinas De Corriente

Continua.

Hay que tener en cuenta que los circuitos inductor e inducido pueden estar conectados

entre sí, constituyendo una sola unidad, o pueden estar separados, en cuyo caso laexcitación proviene de una fuente exterior y por tanto no interviene en el balance general.

Desde el punto de vista de comportamiento y condiciones de trabajo, tiene gran

importancia la forma en que se conectan entre si los devanados inductor e inducido, y así

se distinguen:

4.1. Máquinas con excitación independiente.

En las que el devanado inductor es alimentado mediante una fuente de alimentación

externa a la máquina, que puede ser, por ejemplo, una batería de acumuladores.

En la figura siguiente se muestra la característica en carga de una dinamo con excitación

independiente para una velocidad determinada y constante. Aquí se puede comprobar

que la tensión que proporciona la dinamo a la carga disminuye al aumentar la intensidad

de carga. Esto se debe fundamentalmente a que la caída de tensión que se produce en la

resistencia interna del inducido aumenta proporcionalmente a la intensidad. En la

característica de la figura se han incluido dos curvas; se puede comprobar que al disminuir

la corriente de excitación del inductor se consigue reducir también la tensión de salida de

la dinamo.



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Curva característica en carga de una dinamo con excitación independiente.

La dinamo de excitación independiente posee el inconveniente de que necesita de una

fuente de alimentación de C.C. para la alimentación del inductor; sin embargo la

independencia entre la corriente de excitación y la tensión en bornes del inducido la

hacen interesante para ciertas aplicaciones.

4.2. Máquinas autoexcitadas.

En las que la maquina se excita a si misma tomando la corriente inductor del propio

inducido (caso de funcionamiento como generador) o de la misma red que alimenta el

inducido (caso de funcionamiento como motor).

En la práctica resulta más interesante conseguir que el propio generador produzca la

energía necesaria para la alimentación del circuito inductor. Esto presenta un problema,

que es cómo conseguimos que la dinamo comience a producir f.e.m. si inicialmente no

existe campo magnético en el inductor. Este problema se solventa fácilmente gracias al

pequeño magnetismo remanente que poseen los núcleos magnéticos de las piezas

polares.

Efectivamente, cuando un material magnético es sometido a una imantación, aunque

retiremos la causa imanadora, dicho material siempre queda algo magnetizado,

dependiendo de la intensidad del magnetismo remanente del material utilizado. De esta

forma, si conectamos el circuito del inducido con el del inductor, por ejemplo, en paralelo

con el inductor, al girar el inducido a su velocidad nominal, los conductores del mismo

cortan el débil campo magnético debido al magnetismo remanente, produciéndose una

pequeña f.e.m., pero suficiente para alimentar con una pequeña corriente al circuito

inductor. Esto, a su vez, produce un aumento del flujo magnético inductor, que hace queaumente la f.e.m. en el inducido, produciéndose un ciclo repetido de aumentos de la

f.e.m. y de flujo inductor hasta que se alcanza la f.e.m. nominal.

Según como se conecte el devanado inductor respecto al inducido surgen tres tipos de

máquinas autoexcitadas:



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a) Máquinas con excitación en serie.

En las que el inductor está en serie con el inducido. En este caso el devanado de excitación

está preparado con pocas espiras de hilo grueso, ya que circulará por él la corriente total

de la máquina.

El inconveniente fundamental de este tipo de generador es que cuando trabaja en vacío

(sin conectar ningún receptor exterior), al ser la corriente nula, no se excita. Además,

cuando aumenta mucho la corriente de carga, también lo hace el flujo inductor por lo que

la tensión en bornes de la dinamo también se eleva, tal como se muestra en la curva

característica de carga de la figura siguiente. Esto hace que este generador sea muy

inestable en su funcionamiento y, por lo tanto, poco útil para la generación de energía

eléctrica.

Curva característica en carga de una dinamo en serie.

b) Máquinas con excitación en derivación (shunt).

En las que el devanado inductor se conecta directamente a los terminales de la máquina,

quedando en paralelo (derivación) con el inducido. En este caso el devanado de excitación

está formado por arrollamientos de hilo delgado con gran número de espiras.



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Para producir el flujo magnético necesario se montan bobinas inductoras con un gran

número de espiras, ya que la corriente de excitación que se alcanza con este montaje es

pequeña, siendo reducida la sección de los conductores.

Curva característica en carga de una dinamo en derivación (shunt).

En la figura se muestra la curva característica de una dinamo en derivación o shunt en

carga. Se puede observar que la tensión que proporciona el generador a la carga se reduce

más drásticamente con los aumentos de la corriente de carga que en la dinamo con

excitación independiente. Esto es debido a que al aumentar la caída de tensión en el

inducido con la carga, se produce una disminución de la tensión en bornes, que provoca, a

su vez, una reducción de la corriente de excitación. Esto hace que la f.e.m. inducida se vea

reducida, pudiéndose llegar a perder la excitación total de la dinamo para corrientes de

carga muy elevadas.

c) Máquinas con excitación compuesta (compound).

En las que la excitación total está repartida entre dos devanados, uno colocado en serie

(de pocas espiras de hilo grueso) y otro colocado en paralelo con el inducido (de muchas

espiras de hilo delgado). Según que el devanado en derivación esté conectado

directamente a las escobillas del inducido o después del devanado en serie, se obtienen

las maquinas compuestas con corta o larga derivación, respectivamente.



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Gracias a la combinación de los efectos serie y derivación en la excitación de la dinamo se

consigue que la tensión que suministra el generador a la carga sea mucho más estable

para cualquier régimen de carga, tal como se muestra en la curva característica en carga

de la figura siguiente.

Curva característica en carga de una dinamo compuesta (compound).



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5. Características Eléctricas De Variación Del Generador De

Corriente Continua.

Las propiedades de los generadores se analizan con ayuda de las características que

establecen la dependencia entre las magnitudes principales que determinan elfuncionamiento del generador. Tales magnitudes son:

a) La tensión en los terminales del generador U.

b) La corriente de excitación Iex.

c) La corriente en inducido Ii.

d) La velocidad de rotación n.

Puesto que los generadores funcionan por lo general con velocidad de rotación constante,

el grupo fundamental de características se obtiene para n = const. De las demás tres

magnitudes, la que mayor importancia tiene es la tensión U, por cuanto determina las

cualidades del generador respecto de la red para la cual este funciona. Por esta razón, lascaracterísticas principales son:

1. La característica en carga U = f (iex) para I = const. En el caso particular cuando I = 0,

la característica en carga pasa a ser la característica en vacío, que tiene gran

importancia para la valorización del generador y el trazado de sus características

restantes.

2. La característica exterior U = f (I) siendo constante la resistencia del circuito de

excitación Rex = const.

3. La característica de regulación iex = f (I) para U = const. En el caso particular cuando

V = 0, la característica de regulación pasa a ser la característica en cortocircuito Ik =f (iex).

Examinaremos las características de los generadores en dependencia del método de

excitación, como factor principal que determina las cualidades del generador.

5.1. Características de un generador de excitación independiente.

La excitación independiente se emplea bastante ampliamente en los generadores de baja

tensión (4-24 V), en los de alta tensión (más de 600 V), en las máquinas de gran potencia,

cuando se requiere una amplia regulación de la tensión, etc.

a) Característica en vacío: Uo = f (iex) para I = 0 y n = const. El esquema para el trazado de

esta curva característica se representa en la figura siguiente. El reóstato rr debe de ser

elegido de tal modo que la corriente iex pueda ser regulada en amplios límites; In es el

interruptor que en este caso desconecta la corriente del inducido. Durante el trazado de

las curvas características las escobillas deben estar colocadas en la línea neutra

geométrica.



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Para determinar la curva de vacío se hace girar el rotor a velocidad constante,

manteniendo desconectada la carga. La corriente de excitación se va aumentando

gradualmente desde cero hasta el valor máximo permitido, anotando simultáneamente la

f.e.m. generada, que se mide con ayuda de un voltímetro, la cual crece hasta su valor

máximo. Habitualmente U0m = (1.1 – 1.25) Un.

Al representar la relación U = f (iex) se obtiene la rama ascendente 1 de la curva que

representa la curva característica de imantación de la máquina. Se repiten luego las

medidas disminuyendo la corriente iex hasta llegar a -iex y al dibujar la curva U = f (iex) se

obtiene la rama descendente 2. La diferencia entre ambas ramas se debe a la histéresis de

los polos.

Si repetimos la operación de variación de la corriente de excitación al inverso desde –iex

hasta +iex, obtendremos la curva 3, que junto con la curva 2 forma el bucle de histéresis

que determina las propiedades del acero de los polos y la culata. Se debe tener en cuentaque la variación de la corriente se puede realizar solo en un sentido, puesto que de lo

contrario pasaremos a otras curvas de imantación que no corresponden al ciclo dado.

La curva media entre las mismas representa la característica de vacío del generador de c.c.

se observa en esta curva que la maquina produce una f.e.m. Uoo sin corriente de

excitación (iex = 0), lo cual se debe al magnetismo remanente que aparece en los polos.



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La parte inicial de la curva característica en vacío representa prácticamente una línea

recta. Esto se explica porque para corrientes de excitación de pequeña intensidad casi

toda la f.e.m. se consume en la transmisión del flujo magnético a través del entrehierro,

es decir, un medio con permeabilidad magnética constante. Pero al aumentar iex y el flujo,

el acero comienza a saturarse y al principio tenemos la parte de la característica en vacío

de saturación media, o el así llamado codo de la curva, y luego su parte fuertementesaturada. El punto N, que corresponde a la tensión nominal U n, habitualmente se

encuentra en el codo de la curva, puesto que durante el funcionamiento de la maquina en

la parte rectilínea de la curva la tensión del generador es inestable, y al funcionar en la

parte saturada de la curva la posibilidad de regulación de la tensión es limitada.

b) Características en carga: U = f (iex) siendo I = const y n = const. Aquí y en lo sucesivo

consideraremos que las escobillas ocupan en el colector una posición normal de trabajo.

En este caso, al cargar el generador con una corriente I la tensión en los terminales del

generador disminuye como resultado de: a) la caída de tensión IR a.cob + ΔUex = IRa y b) la

reacción del inducido. Por esta razón la característica en carga pasa por debajo de la

característica en vacío, y tanto más bajo, cuanto mayor es la corriente I.

Las curvas 1 y 2 representan respectivamente las características en vacío y en carga. Las

característica en carga, trazada junto con la característica en vacío, permite construir el así

llamado triángulo característico del generador de corriente continua. Este triángulo, por

un lado, da la posibilidad de valorizar la influencia de la caída de tensión y la reacción del

inducido en la tensión del generador y, por otro lado, puede ser utilizado para trazar las

características exterior y de regulación del generador.



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c) Característica exterior: U = f (I) para Rex = const y n = const. Se traza por el esquema de

la figura con el interruptor In conectado. La tensión Uex en los bornes del circuito de

excitación se supone constante; por consiguiente, iex = Uex/Rex = const. La variación de la

tensión se expresa en tantos por ciento de la tensión nominal Un. Expresamos la tensión U

y la corriente de carga I en partes de los valores nominales, considerando que Un = 1 y In =

1.

Para trazar la característica exterior ponemos el generador en rotación con velocidad

nominal y establecemos una corriente de excitación iex n tal, que para I = In = 1 tengamos U= Un = 1. Luego descargamos gradualmente incluso hasta la marcha en vacío. La tensión

del generador crece según la curva 1, ya que a medida que disminuye la carga disminuye

la caída de tensión en el inducido IRa y la reacción del inducido. En marcha en vacío Uo =

OA. Por consiguiente:

Puesto que se puede considerar que Ra = const, entonces la relación IRa = f (I) se expresa

en la figura por medio de la recta 2. La curva 3, que representa la relación U + IRa = Ea = f (I), se llama característica interior del generador.

La característica exterior del generador de excitación independiente se puede trazar

valiéndose de la característica en vacío y del triángulo característico, si se supone que los

lados de este triángulo varían proporcionalmente a la corriente I.



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d) Característica de regulación: iex = f (I) para U = const y n = const.

Puesto que para iex = const, la tensión U en los terminales del generador disminuye con el

aumento de la corriente I y viceversa, entonces para mantener constante la magnitud de

la tensión U es necesario aumentar la corriente de excitación al aumentar la carga y

disminuirla al disminuir esta última. En el primer caso actuamos por la parte ascendente

de la curva de imantación, en el segundo caso por la parte descendente. En

correspondencia con esto la curva de regulación tiene la forma mostrada en la figura

siguiente. La curva media, trazada con línea de trazos entre las pares ascendente y

descendente, se cuenta como característica práctica de regulación.

La característica de regulación, así como la exterior, se puede trazar con ayuda de la

característica en vacío y del triángulo característico. Para ello trazamos en la siguiente

figura la línea DC paralelamente al eje de abscisas a la distancia OD=Un=1 de este último.

Construyendo el triángulo característico AnBnCn para cualquier corriente, por ejemplo para



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la nominal In, debemos colocar este triángulo de tal manera que el vértice An se encuentra

sobre la característica en vacío, y el vértice Cn, sobre la recta DC; con esto se determina la

corriente de excitación iex n = Oa necesaria para crear la tensión Un. Llevando el punto a

por abajo del eje de abscisas correspondientemente a la corriente In, obtenemos el punto

N de la característica de regulación para la carga nominal. De la misma manera se

construyen también los demás puntos de la característica de regulación.

En las condiciones reales de funcionamiento de la máquina, la reacción del inducido crece

más rápidamente que la corriente I, y para mantener la tensión U=const es necesaria una

corriente iex mayor. Por esta razón, la característica real de regulación pasa un poco más

arriba que la trazada.

e) Característica en cortocircuito: Ik = f (iex) siendo U = 0 y n = const. Para trazar estacaracterística, ponemos el generador en rotación con velocidad nominal y conectamos su

circuito del inducido solo con un amperímetro. En este caso se puede despreciar la

resistencia del circuito exterior del generador y considerar que U = 0.

Entonces de la ecuación para la f.e.m. del generador tenemos:

Ea = IaRa.cob + ΔUe = IkRa



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Es decir, durante el corto circuito del generador su f.e.m. Ea es igual solo a la caída de

tensión en el circuito del inducido y en el contacto de las escobillas.

Para Ik≈In la f.e.m. Ea habitualmente es mayor que la tensión nominal en unos tantos por

ciento. En estas condiciones se puede considerar que el circuito magnético del generador

esta no saturado y que la característica en vacío en este sector representa una línea recta

(la recta 1 en la figura). Si se pudiera despreciar la variación de la resistencia del contacto

de las escobillas y considerar que Ra = const, entonces la características en cortocircuito

también sería una línea recta. En realidad esta diverge algo de la recta, pero para I k ≤ (1.1-

1.2) In.

Puesto que en la maquina existe flujo magnético residual, para iex = 0 en el circuito delinducido aparece corriente de cortocircuito Ik.0 = Oa correspondientemente a la f.e.m. Ea =

Ob. A continuación excitamos el generador de tal modo que el sentido del campo de

excitación coincida con el sentido del campo de magnetismo remanente. Habitualmente

llevamos la corriente de cortocircuito hasta el valor Ik = (1-1.25) In y valiéndonos de los

datos obtenidos trazamos la característica en cortocircuito (la recta 2 de la figura).

Como en cortocircuito el circuito magnético del generador no está saturado, se puede

considerar que la reacción transversal del inducido no provoca efecto desmagnetizante.

Cabe señalar que si al trazar la característica en cortocircuito la corriente Ik ≥ In, entonces

en los generadores de c.c. de gran potencia con conmutación acelerada se observa con

frecuencia el fenómeno de autoexcitación de la máquina que se explica por el efecto

magnetizante de la reacción de conmutación del inducido; esto puede conducir a un

aumento considerable de la corriente nominal y a un fuerte chisporroteo en el colector.

Para evitar este fenómeno se recurre generalmente a la instalación de un pequeño

arrollamiento provisional de excitación en serie que actúa en sentido opuesto respecto de

la f.m. fundamental del generador.



24

5.2. Características de un generador de excitación en derivación.

a) Característica en vacío: U0 = f (iex) siendo I = 0 y n = const. Dado que el generador de

excitación en derivación se autoexcita solo en una dirección, entonces también la

característica en vario de este puede ser trazada solo en una dirección. Entre las

características en vacío de los generadores de excitación independiente y en derivación noexiste diferencia alguna esencial, puesto que la corriente Ia = iex que circula en el segundo

caso por el inducido no supera un 1-3% de la corriente nominal del generador y por eso no

puede provocar una variación notable de la tensión en sus terminales.

b) Características en carga: U = f(iex) para I = const y n = const. Las características en carga,

trazadas tanto por el esquema de excitación independiente como por el esquema de

excitación en derivación, son prácticamente coincidentes, puesto que en el aumento de la

corriente Ia en la magnitud de la corriente de excitación en el segundo caso en

comparación con el primero no puede ejercer una influencia algo notable en la tensión del

generador.

c) Característica exterior: U = f (I) siendo Rex = const y n = const. La característica exterior

del generador de excitación en derivación, así como la del generador de excitación

independiente, debe revelar la influencia de la variación de la carga en la tensión del

generador sin regulación alguna de la corriente de excitación con ayuda del reóstato

regulador. Por esta razón, en el caso de excitación independiente iex = Uex/Rex = const, y

para la excitación en derivación iex = Uex/Rex = U/Rex. Al variar, por ejemplo, al aumentar la

carga, la tensión en los terminales del generador de excitación independiente disminuyebajo la acción de dos factores: la reacción del inducido y la caída de tensión en el circuito

del inducido IRa. En el generador de excitación en derivación a estos dos factores se

agrega un tercero: la disminución de la corriente de excitación iex proporcionalmente a la

tensión U, lo que provoca una caída de tensión adicional en comparación con el generador

de excitación independiente (curvas 1 y 2 de la figura, a).



25

Debido a este mismo tercer factor se explica la diferencia entre las características

exteriores de los generadores de excitación independiente y en derivación. Si disminuimos

gradualmente la resistencia del circuito exterior (red) Rred, entonces en el caso deexcitación independiente la corriente I crecerá continuamente y alcanzará su valor

máximo cuando Rred = 0, es decir, en el régimen de cortocircuito del generador. En el caso

de excitación en derivación la corriente I aumentará solo hasta un valor critico

determinado Icr, que habitualmente no sobrepasa la corriente nominal más de 2-2.5 veces,

y luego comenzará a disminuir (la parte rayada de la curva 1 en la figura a). Al disminuir la

resistencia Rred la corriente I pretende crecer, pero los tres factores indicados más arriba,

que provocan la caída de tensión en los terminales del generador, actúan en sentido

opuesto.

La característica exterior en la figura a, se obtiene al variar lentamente las corrientes y latensión. Pero en las condiciones de servicio es posible el así llamado cortocircuito

espontáneo. Dado que la maquina posee un margen determinado de energía

electromagnética, la disminución de su flujo magnético y la f.e.m. correspondiente a este

sucede con retardo en tiempo. Por esta razón, la corriente de cortocircuito espontáneo

llega a alcanzar en el curso de 0.1-0.2 s un valor de 8-12 veces mayor que el valor nominal

de la corriente, después de lo cual disminuye bastante rápido (figura b). Con tal brusca

variación de la corriente, en el árbol del generador surge un momento de freno

considerable, y en el colector aparece un fuerte chisporroteo que se puede transformar

en fuego circular. Así pues el cortocircuito espontáneo de los generadores de excitación

en derivación, particularmente de gran potencia, es peligroso, por lo cual deben ser

protegidos con auxilio de interruptores rápidos.

El trazado de la característica exterior del generador de excitación en derivación se

efectúa del mismo modo que para el generador de excitación independiente, pero con la

condición de que en el generador de excitación en derivación la corriente i ex varia

proporcionalmente a la tensión U; en correspondencia con esto la relación iex = f (U) en la

figura siguiente se representa con la recta OA0.



26

d) Característica de regulación: iex = f (I) para U=const y n=const. Si trazamos para

cualquier generador la característica de regulación primero para el caso de excitación

independiente y luego para el caso de excitación en derivación, con las mismas

condiciones, entre ambas curvas no habrá diferencia alguna.

e) Característica en cortocircuito: Ik = f (iex) para U=0 y n=const. En el caso de

autoexcitación la característica en cortocircuito no puede ser trazada, puesto que en este

caso la tensión U y, por consiguiente, la corriente de excitación iex son iguales a cero.

5.3. Características de un generador de excitación en serie.

En el generador de excitación en serie Iex=Ia=I. Por consiguiente, la característica en vacío

del generador, sus características en carga, así como la característica en cortocircuito

pueden ser trazadas solo por el esquema de excitación independiente. Como en el

generador de excitación en serie, que funciona a velocidad constante de rotación, quedan

solo dos magnitudes alternas, a saber, la tensión U y la corriente I, entonces este

generador tiene de hecho solo una característica, la característica exterior U = f (I) para

n=const.



27

En la figura la curva 1 representa la característica en vacío, la curva 2, la característicaexterior del generador de excitación en serie, la curva 3, la caída de tensión IR a = f (I) y la

curva 4, la característica interior del generador Ea = U + IRa = f (I). La diferencia entre las

curvas 1 y 4 se explica por la reacción del inducido. Para la corriente nominal I n = 1 el

triángulo AnBnCn es el triángulo característico del generador. Desplazándolo paralelamente

a sí mismo, de tal modo que el punto A permanezca todo el tiempo sobre la característica

en vacío, y variando los lados del triángulo proporcionalmente a la corriente I, se puede

trazar la característica exterior del generador de excitación en serie.

Dado que la tensión U del generador de excitación en serie varía bruscamente al variar la

carga, en la práctica corriente estos generadores no se usan.

5.4. Características de un generador de excitación compuesta.

Puesto que el generador de excitación compuesta tiene arrollamientos de excitación en

derivación y en serie, reúne en sí las características de los generadores de ambos tipos.

La característica en vacío del generador de excitación compuesta U0 = f (iex) para I = 0 y n =

const no se diferencia en nada de la correspondiente característica del generador de

excitación en derivación, ya que en este caso la corriente del arrollamiento de excitación

en serie es igual a cero.

Las características en carga del generador de excitación compuesta U = f (i ex) siendo

I=const y n=const tienen la misma forma que las respectivas del generador de excitación

en derivación, pero siendo el arrollamiento en serie lo suficientemente fuerte estas

características pueden estar situadas por encima de las características en vacío.



28

Haciendo uso de la característica en vacío y del triángulo característico se puede trazar

también la característica exterior del generador de excitación compuesta U = f (I) para Rex

= const y n = const. El trazado de esta característica en principio no se diferencia en nada

del trazado de la característica exterior del generador de excitación en derivación.

Cuando los arrollamientos de excitación se conectan en oposición el trazado de la

característica exterior del generador de excitación compuesta se realiza del mismo modo

que para el generador de excitación en derivación.



29

Los generadores con arrollamientos de excitación conectados en un mismo sentido se

emplean en los casos que hay que mantener automáticamente la tensión en los

terminales del generador, particularmente al variar bruscamente el régimen de corriente

de carga. La conexión en oposición de los arrollamientos de excitación se emplea en

algunos tipos de generadores para soldadura donde, al contrario se exige un descenso

brusco de la característica exterior.

Habitualmente los generadores de excitación compuesta están débilmente saturados,

puesto que solo en este caso el flujo, creado por el arrollamiento de excitación en serie, es

casi proporcional a la corriente en este arrollamiento. En estas condiciones el

arrollamiento de excitación en serie es el más eficaz.



30

6. Características De Trabajo O Funcionamiento Del Motor De

Corriente Continua.

Por características de funcionamiento se entienden las relaciones n, M y ƞ = f (P2) o f (Ia)

siendo U = Un = const y las resistencias fijas en el circuito del inducido y de excitación.

6.1. Características de funcionamiento de los motores de excitación en

derivación.

n, M, ƞ = f (Ia) siendo U=Un=const y iex=const. El esquema del motor viene dado por la

figura siguiente. Aquí: F son los fusibles o autómata, R r es el reóstato regulador en el

circuito del inducido, rr es el reóstato de regulación en el circuito de excitación.

Al trazar las características de funcionamiento, el reóstato se ha quitado (posición 1). En

este caso la tensión de la red U se aplica directamente a las terminales del motor.

Consideraremos que U=Un.



31

El reóstato rr en el circuito de excitación debe estar regulado de tal manera que el motor

desarrolle la potencia nominal Pn para los valores nominales de la tensión Un, la corriente

In y la velocidad de rotación nn. En esta posición el reóstato r r debe permanecer todo el

tiempo sin variación, de modo que sea iex = const.

Las características de funcionamiento del motor de excitación en derivación se muestran

en la figura siguiente. Convengamos en expresar la corriente Ia en fracciones de la nominal

In, tomando In = 1. Para explicar las características de funcionamiento hagamos uso de las

ecuaciones de las fuerzas electromotrices y de los momentos en el régimen permanente

de funcionamiento.

Característica de velocidad (exterior): n=f(Ia) siendo U=Un=const y iex = const. En virtud de

la ecuación de las fuerzas electromotrices, tenemos:

De donde

Puesto que según la condición U=Un=const y iex=const en la velocidad de rotación del

motor de excitación en derivación influyen insignificantemente solo dos factores, a saber:

la caída de tensión IaRa y la reacción del inducido. Al aumentar la corriente de carga

aumenta la caída de tensión, en correspondencia con lo cual disminuye la velocidad del

motor. Por el contrario, cuando las escobillas están situadas en la línea neutra, la reacción

del inducido desmagnetiza el motor y, por consiguiente tiende a aumentar su velocidad.



32

Así pues, los factores indicados actúan en oposición respecto de la velocidad de rotación

del motor, y la forma de la característica de velocidad se determina por acción resultante

de estos dos factores.

En la figura de las características de funcionamiento del motor, las curvas 1, 2 y 3

representan las características de velocidad del motor de excitación en derivación en trescasos: a) cuando predomina la caída de tensión IaRa (curva 1); b) cuando los factores

indicados más arria están prácticamente equilibrados (curva 2) y c) en el caso en que

predomina la acción de la reacción del inducido (curva 3). En todos los casos se debe tener

en cuenta que con el aumento de la carga, el efecto desmagnetizante de la reacción del

inducido aumenta no proporcionalmente a la corriente In, sino en mayor grado. Por esta

razón, todas las características de velocidad tienen convexidad hacia el lado del eje de

abscisas, a pesar de que esta convexidad es habitualmente insignificante.

La forma corriente de la característica de velocidad del motor de excitación en derivación

es la llamada característica decreciente de velocidad (curva 1).

Se llama variación nominal de la velocidad de rotación del motor de excitación en

derivación Δnn, siendo nominal la tensión en sus terminales, su variación al pasar de la

carga nominal a la marcha en vacío, expresada en tantos p ciento de la velocidad nominal

nn.

Si n0 es la velocidad de rotación en marcha en vacío, entonces:

Habitualmente Δnn = 2-8%, tomándose la cifra menor para los motores de mayor potencia.

La débil dependencia de la velocidad de rotación del motor de excitación en derivación de

la carga es una de las cualidades más características de este motor. Tal característica de

velocidad se suele llamar característica de derivación (de shunt).

Característica de momento: M = f (Ia) siendo U=Un=const y iex=const. En virtud de la

ecuación de los momentos, en el régimen permanente de funcionamiento, tenemos:

En marcha en vacío M=M0=CcobI0ɸ=ab. Si el flujo de excitación permaneciera constante

correspondientemente a iex=const, entonces la característica de momento M= f (Ia)

representaría una recta que partiría del punto b. En realidad, al aumentar la corriente Ia, el

flujo disminuye algo como resultado del efecto desmagnetizante de la reacción transversal

del inducido. Por esta razón, la característica de momento crece algo más lentamente que



33

la corriente Ia. la característica del momento útil M2 = f (Ia) deberá pasar por debajo de la

característica del momento M = f (Ia) en la magnitud del momento de marcha en vacío M0.

Puesto que al trazar las características de funcionamiento del motor de excitación den

derivación la velocidad de rotación y el flujo de este varían insignificantemente, se puede

considerar que:

Y que, por consiguiente, la característica del momento útil M2 parte del punto a en el eje

de abscisas (M2=0) paralelamente a la característica de momento M=f(Ia).

Rendimiento del motor: ƞ = f (Ia) siendo U=Un=const y iex=const.

La condición de máximo para el rendimiento del motor de excitación en derivación se

escribe en la forma:

Es decir, el rendimiento del motor alcanza su valor máximo ƞm a tal carga, cuando las

pérdidas permanentes son iguales a las perdidas variables que dependen del cuadrado dela corriente Ia.

Habitualmente en los motores de pequeña potencia ƞ = 75-85%, en los motores de

potencia media y de gran potencia ƞ = 85-94%.

6.2. Características de funcionamiento de los motores de excitación en

serie.

n, M, η = f (Ia) siendo U = Un = const. El esquema del motor viene representado en la figura

siguiente.



34

Características de velocidad: n = f (In) para U = Un = const. Puesto que la corriente de

excitación del motor de excitación en serie es igual a la corriente del inducido I a y varia al

mismo tiempo que esta, el flujo magnético Φ de este motor, en contradicción con el flujo

del motor de excitación en derivación, depende de la carga, lo que constituye su

particularidad característica.

De la ecuación de equilibrio de las fuerzas electromotrices tenemos la misma fórmula para

la velocidad de rotación que para el motor de excitación en derivación, a saber:

Durante el funcionamiento del motor de excitación en serie el significado principal lo tiene

la variación del flujo fundamental del motor, mientras que la caída de tensión I aRa y la

reacción del inducido son factores de segundo orden, tendiendo la caída de tensión a

disminuir la velocidad de rotación, y la reacción del inducido, a aumentarla (estando las

escobillas situadas normalmente).



35

A cargas pequeñas y medias, el circuito magnético del motor se puede considerar no

saturado; en este caso Φ ~ Ia y, por lo tanto:

Es decir, las características de velocidad de un motor de excitación en serie no saturado

tienen carácter hiperbólico. A medida que aumenta la corriente el motor se satura más

fuertemente, y la velocidad del motor comienza a variar en menor grado en comparación

con su variación por la dependencia hiperbólica. Se debe prestar particular atención en

que al disminuir considerablemente la carga el motor desarrolla cada vez mayor velocidad

o, como se dice, comienza a embalarse. En marcha en vacío Φ es cercano a cero y, como la

velocidad del motor adquiere valores indudablemente, peligrosos por sus consecuencias

mecánicas (roturas de los bandajes, deterioro del devanado de inducido, etc.) por esta

razón, el motor de excitación en serie se debe poner en tales condiciones defuncionamiento, en las cuales sea imposible la puesta en marcha sin la carga y la marcha

en vacío durante su funcionamiento.

La propiedad del motor de excitación en serie de desarrollar un momento mayor que

proporcional a la corriente, tiene gran importancia sobre todo en condiciones pesada de

arranque y durante las sobrecargas. En este caso la potencia del motor crece en menor

grado que su momento, puesto que con el aumento de este último disminuye la velocidad

del motor. En el motor de excitación en paralelo, en el que n es casi constante, la potencia

y el momento aumentan casi proporcionalmente.

6.3. Características de funcionamiento de los motores de excitacióncompuesta.

El esquema viene dado en la figura de abajo. El devanado de excitación en serie puede ser

conectado con relación al devanado de excitación en paralelo tanto en adaptación como

en oposición.

Al conectar los devanados de excitación en adaptación sus fuerzas magnetizantes se

adicionan, como resultado de lo cual el flujo Φ1, creado por el devanado de excitación en

paralelo, aumenta en la magnitud Φ2. Por eso la expresión de la velocidad de rotación delmotor adquiere la forma:



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Al aumentar la corriente del inducido, el flujo resultante del motor comenzara a

aumentar, pero en menor grado que en el motor de excitación en serie.



37

Conclusión



38

Bibliografía

Jesús Fraile Mora. Maquinas Eléctricas. 5ta Edición. Mc Graw Hill.

M.P.kostenko- L.M.piotrovski. Máquinas Eléctricas tomo I. Eeditorial MIR Moscú.

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http://www.asifunciona.com/tablas/maquinaselectricas/machines.html

Generalidades de las máquinas de CC

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