Preguntas frecuentes sobre máquinas eléctricas

| Electricidad
Preguntas frecuentes sobre
máquinas eléctricas
Elaborada por Santiago Ríos Jaramillo
¿Qué es conmutación? ¿Cómo puede convertir un conmutador voltajes ac del inducido de la máquina
a voltajes dc en sus terminales?
La conmutación es el conjunto de fenómenos que acompañan a la inversión
del sentido de la corriente en la sección cortocircuitada por una escobilla.
Durante el tiempo t en que la sección
esta cortocircuitada, es decir, mientras
sus conductores activos franquean la
línea neutra, en dicha sección se crean
dos fem:
ea=L di/
dt variando la corriente i en el tiem-
 Una fem de autoinducción
po t, del valor I a –I.
 Una fem de inducción ei= dɸ/dt don-
de ɸ es el flujo transversal del inducido cortado por laso conductores activos en el tiempo t. Esta fem se suma a la anterior pues el sentido del
flujo transversal es el mismo que el
del polo del que procede el conductor como hemos visto anteriormente.
Estas dos fem tienen un efecto desfavorable. Sin ellas el reparto de las corrientes Ia e Ib que circulan entre las
delgas correspondientes y las escobillas, se realizaría según las conductancias de las derivaciones, de forma
lineal, pero debido a estas dos fem, el
reparto no es lineal, generando chispas.
+I
Real
Las máquinas dc tienen una salida dc sólo porque existe un mecanismo que convierte los voltajes ac internos en voltajes
dc en sus terminales. Puesto que este
mecanismo se denomina conmutador, la
maquinaria dc se conoce también como
maquinaria de colectar o conmutada.
Aunque aparentemente el flujo principal ɸp no varía, pues se reduce en los
cuernos de entrada pero aumenta en
los cuernos de salida, e realidad el flujo principal disminuye pues la distorsión de del mismo aumenta su recorrido, es decir su reluctancia magnética, se crea saturación de los cuernos
polares y además aumentan las fugas
magnéticas, coadyugando todo ello en
la disminución de ɸp y disminuyendo
por tanto la fem en carga Ec respecto
a la fem en vacio EV. Este fenómeno
se conoce con el nombre de reacción
magnética en el inducido. (figura 1)
¿Qué es reacción del inducido?
¿Cómo afecta la operación de
una máquina dc?
Cuando la dinamo está en carga el flujo del inductor se distorsiona debido al
flujo magnético creado por la corriente del inducido, el cual es perpendicular al flujo magnético principal creado
por los polos inductores ɸp.
ɛ= Ev-Ec= KN(ɸv-ɸc)
Campo magnético del inductor
Campo magnético del inducido
+
+
S
N
-
-
Campo magnético resultante
+
S
N
Lineal
0
-I
42 |
t/2
t
S
N
-
Electricidad |
A consecuencia de la reacción del inducido la línea neutra (línea que une los
conductores que no producen fem) en
carga, adelanta respecto del sentido de
giro un ángulo a, tomada como referencia la línea neutra en vacío: (figura 2)
Linea neutra
en vacío
Linea neutra
en carga
α
+
miento (pues se ha de aumentar la
corriente de excitación para compensar el efecto anterior, disminuye
el rendimiento)
 Crea peligro de chispas en el colector
 Aumenta las dificultades para realizar una buena conmutación.
cortocircuitados por las escobillas, algunas veces llamado golpe inductivo.
Para entender este problema véase
la figura 3
Esta figura representa una serie de
delgas y los conductores conectados
entre ellas. Asumiendo que la corriente en la escobilla es 400 A, la corriente en cada conductor (bobina) es de
200 A. Note que cuando una delga es
cortocircuitada con otra (esto sucede
cuando la corriente la delgas) dos tiem-
Explique el problema del voltaje
L di en los conductores de badt
jo conmutación
di
El problema del voltaje L dt es generado en los segmentos del colector,
S
N
a
200 A
figura 2.
?
Dirección de
colector de movimiento
-
200 A
200 A
c
200 A
d
200 A
400 A
a
Inconvenientes de la reacción del
inducido.
 Disminuye la fem en carga Ec.
 Disminuye indirectamente el rendi-
200 A
b
b
200 A
c
200 A
d
200 A
200 A
figura 3.
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| Electricidad
po mismo al toca escobilla que fluye a
través de la delga tiene que circular de
manera inversa. ¿Qué tan rápido ocurre esto? Asúmase que la máquina esta girando a 800 rev/min y que existen
50 delgas, cada delga se mueve bajo la escobilla a razón de t=0,0015 s.
Por lo tanto, la razón de cambio en la
corriente con respecto al tiempo es:
di
400A
dt = 0,0015s =266 667 A
Cuando una inductancia muy pequeña es formada en la bobina del rotor,
un muy significativo voltaje inductivo
de retroceso v = L di/dt será inducido
en la delga cortocircuitada. Este alto
voltaje generalmente causa chisporroteo en las escobillas de la máquina, resultando en los mismos problemas de arqueo que lo causa el cambio del plano neutro.
¿Cómo afecta el desplazamiento
de las escobillas el problema del
chisporroteo en las máquinas dc?
Los primeros intentos para mejorar el
proceso de conmutación en las máquinas dc reales se llevaron a cabo para
detener el chispeo en las escobillas,
causado por el desplazamiento del
plano neutro y los efectos de L di/dt.
La primera técnica fue sencilla: si el
plano neutro de la máquina se desplaza, ¿Por qué no desplazar con el
las escobillas para detener el chispeo?
Aunque parecía una buena idea, se encontraron varios problemas relacionados con ella. De alguna manera, el plano neutro se mueve con cada cambio
de carga y la dirección del desplazamiento se invierte cuando la máquina
pasa de operación de motor a generador. Entonces, alguien tendría que ajustar las escobillas cada vez que cambiara la carga en la máquina. Además,
desplazar las escobillas podría haber
detenido el chisporroteo de la escobilla pero agravaría el efecto de debilitamiento del flujo de la reacción del inducido en la máquina. Esto se demuestra por dos efectos:
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Escobillas
Plano neutro
ω anterior
Plano neutro
nuevo
N
FR
FP
Fuerza
magnetomotriz
neta
a)
S
Fnet
Fuerza
magnetomotriz
del rotor FR
FP
Plano neutro
nuevo
Plano neutro
anterior
ω
FR
N
FP
S
Fuerza magnetomotriz
Fuerza
neta nueva
magnetomotriz
neta original
Fnet
FR
b)
FP
figura 4.
IA
ω
N
VT
S
IA
figura 5. Máquina con interpolos
 La fuerza magnetomotriz del rotor
tiene ahora una componente vectorial que se opone a la fuerza magnetomotriz de los polos como se ve
en la figura 4.
 El cambio en la distribución de la corriente del inducido causa que el flujo se concentre aún más en las partes saturadas de las caras polares.
¿Qué son polos de conmutación?
¿Cómo se utilizan?
Debido a las desventajas anotadas antes, en especial a la que una persona
debe ajustar la posición de las escobillas de las máquinas en cuanto cambia
su carga, se busco otra solución para el problema del chisporroteo. Esta
nueva técnica se basa que si el voltaje
en los alambres bajo conmutación se
redujera a cero, no habría chisporroteo en las escobillas. Para lograr esto,
se colocan pequeños polos llamados
polos de conmutación o interpolos en
medio de los polos principales. Estos
polos de conmutación se localizan directamente sobre los conductores que
están conmutándose. Suministrando
un flujo desde los polos de conmutación, puede cancelarse con exactitud
el voltaje en las bobinas bajo conmutación. Si la cancelación es exacta, no
habría chisporroteo en las escobillas.
Los polos de conmutación no cambian
de ninguna manera la operación de la
máquina dado que son tan pequeños
que sólo afectan los pocos conductores bajo conmutación. Nótese que no
se afecta la reacción del inducido bajo
las caras polares principales porque los
efectos de los polos de conmutación
no se extienden tan lejos. Esto significa que los polos de conmutación no
afectan el debilitamiento del flujo en la
máquina. (figura 5)
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Condiciones de los interpolos en una
máquina dc
Plano neutro
nuevo
 En un generador, los interpolos de-
ben tener la misma polaridad del polo principal próximo siguiente.
 Los interpolos deben tener la misma
polaridad que el polo principal anterior, en un motor.
N
S
¿Qué son devanados de compensación? ¿Cuál es su desventaja
más grave?
Para cancelar por completo la reacción
del inducido y por tanto eliminar el desplazamiento del plano neutro y el debilitamiento del flujo, se desarrolló una
técnica diferente que incluye la disposición de devanados de compensación
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. Estos
devanados están conectados en serie
con los devanados del rotor, de modo
que cuando cambia la carga en el rotor, cambia también la comente en los
devanados de compensación. Como
se muestra en la figura 6:
La figura 6 muestra un desarrollo más
cuidadoso del efecto de los devanados de compensación en una máquina
de. Nótese que la fuerza magnetomotriz debida a los devanados de compensación es igual y opuesta a la fuerza magnetomotriz debida al rotor cada
punto situado bajo las caras polares.
La fuerza magnetomotriz neta resultante es causada por los polos, de modo
que el flujo en la máquina no se modifica, independientemente de la carga.
a)
Voltaje
debido
al interpolo
Voltaje debido
al desplazamiento
del plano neutro
di
L
dt
b)
figura 6.
ω
Flujo del rotor
(armadura)
N
Flujo de los devanados
de compensación
ω
S
a)
ω
La figura 7 muestra el estator de una
gran máquina dc con devanados de
compensación.
N
S
b)
Plano neutro desplazado
con la carga
N
S
Desventaja
La principal desventaja de los devanados de compensación es que son costosos, puesto que deben maquinarse
las caras de los polos. Todo motor que
los utiliza debe tener interpolos ya que
los devanados de compensación no
cancelan los efectos L di/dt.
Los interpolos no deben ser tan robus46 |
c)
figura 7.
tos sin embargo, puesto que cancelan
únicamente los voltajes L di/dt en los
devanados y no los voltajes debidos
al desplazamiento del plano neutral.
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Debido a lo costoso que resulta tener
devanados de compensación e interpolos en tal máquina, estos devanados sólo se utilizan cuando la naturaleza muy pesada del trabajo del motor lo demanda.
¿Por qué se utilizan polos laminados en la construcción de las
máquinas modernas?
Puesto que los grupos controladores
de estado solido han llegado a ser comunes, los polos principales de las máquinas más recientes están elaborados
por completo en material laminado.
Esto se debe a que hay mucho mayor
contenido alterno en la potencia suministrada a los motores dc alimentados por
estos grupos controladores de estado
sólido, lo cual origina pérdidas mucho
mayores en los estatores de las máquinas, debidas a las corrientes parásitas.
¿Qué es clase de aislamiento?
Son sistemas que se implementaron pa-
ra estandarizar los límites de temperatura del aislamiento de las máquinas.
Estos tienen sus propias características
de acuerdo de cual sean, los mismos
que especifican la máxima elevación
permisible de temperatura para cada
tipo de aislamiento.
¿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:
 Pérdidas eléctricas o pérdidas en




el cobre.
Pérdidas en las escobillas
Pérdidas en el núcleo
Pérdidas mecánicas
Pérdidas misceláneas o dispersas
Pérdidas eléctricas o pérdidas en el cobre
Las pérdidas en el cobre ocurren en
los devanados del inducido y del campo de la máquina.
Pérdidas en las escobillas
Las pérdidas por caída en las escobillas corresponden a la potencia pérdida a través del contacto potencial en
las escobillas de la máquina.
Pérdidas en el núcleo
Las pérdidas en el núcleo son las pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas que ocurren en el metal del motor.
Pérdidas mecánicas
Las pérdidas mecánicas en una máquina dc son las pérdidas asociadas
a los efectos mecánicos. Son de dos
tipos básicamente: rozamiento propio
y rozamiento con el aire.
Pérdidas dispersas
Las pérdidas dispersas son aquellas
que no se pueden clasificar en alguna de las categorías anteriores. Se toman convencionalmente como el 1 %
de la plena carga.
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