FUNDAMENTOS DE MAQUINAS DE CORRIENTE DIRECTA

LUIS CARLOS MURILLO RUIZCOD: 20450715319

PRESENTADO AING. MAYRA SANCHEZ

UNIVERSIDAD ANTONIO NARIÑOFACULTAD DE INGENIERIA

MAQUINAS ELECTRICASIBAGUE

2010

FUNDAMENTOS DE MAQUINAS DE CORRIENTE DIRECTA

1. ¿Qué es conmutación? ¿Cómo puede convertir un conmutador de voltajes ac del inducido de la máquina a voltajes dc en sus terminales?

-La Conmutación es el proceso de cambiar las conexiones de la espira en el rotor de una máquina dc justamente cuando el voltaje en la espira cambia de polaridad, para mantener un voltaje de salida dc constante en esencia.

Usualmente, se adiciona al extremo de la espira, o espiras (rotor) dos segmentos conductores semicirculares y se sitúan dos contactos fijos en un ángulo tal que en el instante cuando el voltaje en la espira es cero, los contactos cortocircuitan los segmentos. De este modo, cada vez que el voltaje de la espira cambia de dirección, los contactos también cambian las conexiones, y la salida de los contactos está siempre construida de la misma manera.

2. ¿Por qué la curvatura de las caras polares de una máquina contribuye a uniformar el voltaje de la salida dc de ella?

-En una máquina eléctrica, el hierro del rotor, junto con la forma curva de de las caras polares, proveen la anchura de entrehierro constante entre el rotor y el estator. Al ser el espacio de entre hierro uniforme, garantiza que la reluctancia sea igual en cualquier punto situado bajo las caras polares, de manera que la densidad de flujo magnético (relacionada a la reluctancia) es constante en todo punto. Ya que el flujo magnético es contante, el voltaje obtenido es estable y de variación uniforme (se obtiene voltaje ac que oscila uniformemente entre ciertos valores, y luego por conmutación es convertido a voltaje dc)

3. ¿Qué es el factor de paso de una bobina?

-El factor de paso de una bobina, es un porcentaje que indica la cantidad de encordado en un devanado. Este factor “P” se define por la siguiente ecuación:

4. Explique el concepto de grados eléctricos. En relación con el ángulo mecánico el eje de la maquina, ¿cómo es el ángulo eléctrico del voltaje en un conductor del rotor?

-Normalmente, una bobina abarca 180° eléctricos. Esto significa que cuando un lado está en el centro de un polo magnético dado, el otro lado está bajo el centro de un polo de polaridad opuesta. Los polos físicos quizá no estén distanciados 180° mecánicos, pero el campo magnético invierte por completo su polaridad al trasladarse de un polo al siguiente. La relación entre el ángulo eléctrico y el ángulo mecánico es una máquina determinada, está dada por

Donde:

Si una bobina abarca 180 grados eléctricos, los voltajes de los conductores en cada lado de la bobina serán exactamente iguales en magnitud y tendrán direcciones opuestas todo el tiempo. Tal bobina se llama bobina de paso diametral.

A veces se construye una bobina que abarca menos de 180° eléctricos. Tal bobina es llamada bobina de paso de cuerdas (o bobina de paso fraccionario). Un devanado de rotor embobinado con bobinas de paso fraccionario se llama devanado de cuerdas.

5. ¿Qué es paso de conmutación?

-El paso de conmutación ó paso de colector es la distancia (en número de segmentos) entre los

segmentos de conmutación a los cuales se conectan los dos extremos de una bobina; de acuerdo a su conexión, la bobina puede ser de devanado progresivo ó regresivo.

Para los devanados imbricados múltiples ( -plex), el paso de conmutación , es

Para el devanado ondulado se tiene

Donde

El signo (+) está asociado a los devanados progresivos y el signo (-), a los regresivos.

6. ¿Qué es la multiplicidad de un devanado del inducido?

-Indica el número de devanados completos independientes que hacen parte del inducido, ya sea por un devanado imbricado u ondulado, es posible tener varios grupos completos de devanados dentro del inducido, es decir, que la máquina posee una armadura de devanados múltiples (multiplex). Esto permite la instalación de más escobillas en el colector y aumentar el paso de conmutación.

Para los devanados imbricados múltiples ( -plex), el número de trayectorias de corriente en una

máquina es

Donde

Para el devanado ondulado se tiene

7. ¿En qué se difieren los devanados imbricados de los devanados ondulatorios?

-Los devanados imbricados utilizan conexión en paralelo y ofrecen tantas trayectorias de corriente en paralelo a través de la máquina como polos en ella; y los devanados ondulados utilizan conexión en serie, de manera que hay por lo menos dos bobinas en serie (dependiendo del número de escobillas) entre segmentos de conmutación adyacentes. Los devanado imbricados son la elección ideal para máquinas de bajo voltaje y altas corrientes, ya que estas pueden ser repartidas entre las diferentes trayectorias en paralelo; mientras que los devanados ondulados son adecuados para la construcción de máquinas dc de alto voltaje puesto que el número de bobinas en serie entre segmentos de conmutación permite formar un alto voltaje con más facilidad que en los devanados imbricados.

8. ¿Qué son los compensadores? ¿Por qué se requieren en una máquina con devanados imbricados y no en una máquina con devanados ondulatorios?

-Los compensadores son barras localizadas en el rotor de una máquina dc de devanado imbricado para unir puntos del mismo nivel de voltaje de las diferentes trayectorias en paralelo. Con esto se pretende que las corrientes circulantes que se presenten fluyan dentro de las pequeñas secciones así unidas de la máquina y no a través de las escobillas de la misma.

Por el tipo de conexión de las bobinas en los devanados imbricados, hay muchas trayectorias en paralelo a través de una máquina multipolar con este tipo de devanado, lo cual puede causar inconvenientes

cuando por fallas mecánicos, la distancia de entrehierro del estator y el rotor deja de ser constante, lo cual produce variación y aumento del voltaje, y como la resistencia del devanado en el circuito del rotor es tan pequeña, se generan grandes corrientes circulantes que provocan recalentamiento del componente. Esto no ocurre en el devanado ondulatorio, ya que las conexiones de los devanados son en serie.

9. ¿Qué es reacción del inducido? ¿Cómo afecta a la operación de una máquina dc?

-Son los campos magnéticos que se producen en el inducido, debido al flujo de corriente en sus devanados, esto provoca la distorsión del flujo del campo magnético original aportado por el estator.

La reacción del inducido es un problema de conmutación en las máquinas reales, el cual produce dos problemas. El primero, es el desplazamiento del “plano neutro” (plano interno de la máquina en el que la velocidad de los alambres del rotor está exactamente en paralelo con las líneas de flujo magnético, de modo que el voltaje inducido es cero en los conductores del plano), cuando se conecta una carga a la máquina de manera que esta funcione como generador, el flujo de corriente produce un campo magnético en el inducido, el cual afecta y distorsiona el flujo magnético del estator, de manera que el flujo no es uniforme, en algunos sitios bajo las superficies de los polos aumenta el flujo y en otros resta. Esta distorsión provoca el desplazamiento del plano neutro (en un generador, el plano neutro se desplaza en el sentido del movimiento del rotor; en un motor se desplaza en el sentido opuesto).

Como el desplazamiento del plano depende del movimiento del rotor, quien a su vez depende de la cantidad de corriente rotórica y de la carga de la máquina; mientras la maquina eléctrica se carga, inicia su ciclo y alcanza la velocidad adecuada la posición del plano neutro varía, mientras las escobillas permanecen en una posición fija, esto produce la formación de arco y chispeo en las escobillas, lo cual conlleva a una reducción drástica de la vida útil de las mismas, deterioro de los segmentos de conmutación y aumento en los costos de mantenimiento.

El segundo inconveniente es el debilitamiento de campo, el cual está relacionado con el desplazamiento del plano. La mayoría de las maquinas opera a densidades de flujo cercanas al punto de saturación, pero debido al movimiento del plano neutro el flujo magnético se concentran en unas zonas y en otras disminuye; el resultado neto es la disminución del flujo promedio total bajo la cara polar completa.

El debilitamiento del flujo ocasiona problemas tanto en generadores como en motores. En los generadores, reduce el voltaje suministrado por el generador a cualquier carga. En los motores el efecto es más severo, cuando disminuye el flujo en un motor, aumenta su velocidad, posiblemente aumente su carga y causa aún más debilitamiento. Como resultado, es posible que algunos motores dc en derivación alcance la condición de giro desbocado en la cual la velocidad del motor aumenta sin restricción alguna hasta que la máquina se desconecta de la línea de potencia o hasta que se destruye.

10. Explique el problema del voltaje en los conductores bajo conmutación.

-Este problema es generado en los segmentos del colector, cortocircuitados por las escobillas, algunas veces llamado golpe inductivo. Este es provocado por la rápida inversión del flujo de corriente que se

genera en cada segmento del conmutador (delgas), la velocidad de cambio de corriente con respecto al tiempo es muy alta (esta aumenta por la cantidad de segmentos de conmutación que es contante, y por la velocidad y amperaje en el motor, lo cual es variable). Esto ocasiona chispas en las escobillas de la máquina y causa los mismos problemas de formación e arco que ocasiona el desplazamiento del eje neutro.

11. ¿Cómo afecta el desplazamiento de las escobillas el problema de chisporroteo en las máquinas dc?

-El desplazamiento de las escobillas agrava el efecto de debilitamiento de flujo de la reacción del inducido, esto reduciría la fuerza magnetomotriz neta de la máquina; aunque fuese posible que el desplazamiento de las escobillas redujera el chisporroteo en las mismas, sería necesario cambiarlas de posición manualmente cada vez que la máquinas pasara de operación de motor a operación de generador.

12. ¿Qué son polos de conmutación? ¿Cómo se utilizan?

-Los polos de conmutación son polos adicionales que se instalan en las máquinas eléctricas en medio de los polos principales (interpolos); estos se localizan directamente sobre los polos que están conmutándose, suministrándoles un flujo que puede cancelar con exactitud el voltaje en las bobinas bajo conmutación. Si la cancelación es exacta, no habrá chisporroteo en las escobillas.

La técnica de utilización de los interpolos, se basa en que si el voltaje en los alambres bajo conmutación se redujera a cero, no habría chisporroteo en las escobillas. Los interpolos se conectan en serie con los devanados del rotor. Cuando aumenta la carga y la corriente del rotor, también se desplaza el plano

neutro y los efectos de los voltajes ; estos efectos juntos incrementan e voltaje en los

conductores bajo conmutación, pero de la misma manera el flujo del interpolo también se eleva y produce un gran voltaje en los conductores, que se opone al voltaje provocado por el desplazamiento del plano neutro. Como resultado neto, sus efectos se cancelan sobre un amplio rango de cargas.

Los polos de conmutación corrigen el problema de chisporroteo de las máquinas dc, pero no afectan la distribución de flujo bajo las caras polares, de modo que continúa el problema del debilitamiento de flujo.

13. ¿Qué son devanados de compensación? ¿Cuál es su desventaja más grave?

-Estos son devanados que se instalan en ranuras labradas en las caras de los polos paralelos a los conductores del rotor, para cancelar el efecto de distorsión de la reacción del inducido, eliminando además el debilitamiento del flujo magnético, problema que puede ser muy grave en motores de ciclos de trabajo pesado.

Estos devanados están conectados en serie con los devanados del rotor, de modo que cuando cambia la carga en el rotor, cambia también la corriente en los devanados de compensación.

La principal desventaja de los devanados de compensación es que son costosos, puesto que deben maquinarse as caras de los polos; además que todo motor que los utilice debe tener interpolos ya que

los devanados de compensación no cancelan los efectos . Debido a lo costoso que resulta tener

devanados de compensación e interpolos en tal máquina, éstos devanados sólo se utilizan cuando el ciclo de trabajo del motor sea intenso (trabajo pesado) y el trabajo lo demande.

14. ¿Por qué se utilizan polos laminados en la construcción de las máquinas modernas?

-Los polos de las viejas máquinas dc se fabricaban en una sola pieza fundida de metal, con los devanados de campo envueltos a su alrededor, lo cual facilitaba la aparición de corrientes parásitas y provocando pérdidas y recalentamiento del equipo. Hoy día, al igual que en los transformadores, se opta por la fabricación de piezas laminadas, las cuales disminuyen considerablemente las perdidas por corrientes parásitas.

15. ¿Qué es clase de aislamiento?

-La National Electrical Manufacturers Association (NEMA) estandarizó los límites de temperatura del aislamiento de las máquinas en los Estado Unidos, y la define por clase de aislamiento. Cada clase especifica la máxima elevación permisible de temperatura para cada tipo de aislamiento. Existen cuatro clases de aislamiento estándar NEMA para motores dc de caballo de fuerza-integral: A, B, F y H. Cada clase representa una temperatura permisible en el devanado, mayor que la anterior; estas especificaciones de temperatura se explican en gran detalle en la norma NEMA MG1-1993, Motores y Generadores.

16. ¿Qué tipos de pérdidas se presentan en una máquina dc?

-Las pérdidas que ocurren en las máquinas dc se pueden dividir en cinco categorías básicas:

a. Perdidas eléctricas o pérdidas en el cobre (pérdidas )

Estas ocurren en los devanados del inducido y del campo de la máquina. Para los devanados del inducido y del campo, las pérdidas en el cobre están dadas por:

Donde:

La resistencia utilizada en estos cálculos es la resistencia del devanado a la temperatura normal de operación.

b. Pérdidas en las escobillasCorresponden a la potencia perdida a través del contacto potencial en las escobillas de la máquina. Están dadas por la ecuación:

Donde:

Es normal la caída de voltaje en las escobillas: alrededor de 2V.

c. Pérdidas en el núcleoSon las pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas que ocurren el metal del motor.

d. Pérdidas mecánicasSon pérdidas asociadas a los efectos mecánicos. Hay dos tipos básicos de pérdidas mecánicas. Rozamiento propio y rozamiento con el aire. Las pérdidas por rozamiento propio son las causadas por fricción de los rodamientos de la máquina, mientras las pérdidas por rozamiento con el aire son las causadas por fricción entre las partes móviles de la máquina y el aire encerrado en la estructura de ella. Estas pérdidas varían con el cubo de la velocidad de la máquina.

e. Pérdidas misceláneas o dispersasSon aquellas que no se pueden clasificar en alguna de las categorías indicadas anteriormente. Mo tiene importancia el cuidado con que se contabilicen las pérdidas, pues casi siempre algunas quedan por fuera de las categorías mencionadas. Para la mayoría de las máquinas, las pérdidas misceláneas se toman convencionalmente como el 1% de la plena carga.