Consignas: 1_ Explicar el principio de funcionamiento

Consignas:
1_ Explicar el principio de funcionamiento
2_ Descripción de las partes constitutivas
3_ Materiales utilizados con este tipo de máquinas
4_ Descripción en detalle del circuito de armadura a traves del sistema colector− escobilla
5_ Finalidad del sistema colector−escobilla
6_ Bobinados, ondulado e himbricado
7_ ¿ Que se entiende por reacción de inducido?
8_ ¿ Cuales son los metodos utilizados para disminuir este efecto ?
Problemas
9_ Valores de una maquina de C.C., un motor de C.C. derivación 15 kw, 1.250 rpm. Tiene en su chapa de
caracteristicaz los siguientes valores,
U= 440v, Ia= 36A, Vexct.= 440V, Iexct.= 0,56ª
Dato: Las perdidas en el hierro mas las perdidas mecánicas son 500W
A_ Resistencia de armadura R.A.
B_ Diagrama en bloques
C_ cupla nominal Cn
En un generador de corriente continua de 4 polos que posee nº de conductores N= 260, gira a 1.400 rpm, el
diámetro del inducido es 20cm,
la longitud axial del inducido es 30cm, arco de la expansión polar b= 0,8,
la inducción media Bm= 0,9 Wb/m2
Calcular la tensión en bornes
Principio de funcionamiento
La máquina dínamo−eléctrica de C.C., es un mecanismo que convierte energía mecánica proveniente de un
movimiento rotatorio, en energía eléctrica de corriente unidireccional.
Salvo las máquinas homologares, de muy escasa aplicación práctica, todos los generadores de continua
son en su esencia sistemas que generan f.e.m. alternada, y que mediante un mecanismo denominado
conmutador la convierte en corriente continua. Esto nos dice que el conmutador es un rectificador
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mecánico, el que tiene ventajas e inconvenientes. Los inconvenientes han constituyen uno de los motivos
por el cual se usa la C.A. El mantenimiento de este rectificador mecánico es dificultoso , además ocasiona
ruido, tiene piezas que se gastan, da a lugar a interferencias radio−eléctricas,etc.
Comenzamos a explicar el pricnipio de funcionamiento del dinámo, valiéndose de la figura, en la cual el
sistema representado es el más elemental que se pueda concebir.
Tenemos un tambor giratorio con dos ranuras axiales en las cuales están alojados los lados de bobina.
Supondremos que el conjunto gira alrededor del eje 0 con velocidad cte entre un par de polos magnéticos.
Adelante hay dos segmentos cilíndricos, las delgas, que en este caso son dos y constituyen el colector. La
bobina comienza en una delga, corre por una ranura, da la vuelta por la parte posterior, y regresa por la
ranura diametralmente opuesta para terminar en la delga opuesta. Sobre el colector están las escobillas,
órganos fijos en el espacio y que rozan sobre el colector. El conjunto de la bobina, colector, eje, y el tambor
de hierro donde están practicadas las ranuras, se denomina inducido o armadura.
Los polos norte y sur se generan por intermedio de bobinas recorridas por C.C., que oportunamente se vera
como se obtiene. El sistema de los polos y bobinas se llama sistema inductor, o polos inductores. El conjunto
de los polos se fija a la carcasa, órgano de forma cilíndrica coaxial con el eje, y que sirve a base de todo el
conjunto, ya que sobre ella se fijan los cojinetes y las tapas.
Con ayuda de la regla de mano derecha, determinamos el sentido de la f.e.m. inducida en los lados de
bobinas colocados en las ranuras del inducido. Salvo cuando el plano de la bobina es horizontal ( pasa por la
zona neutra Z N), los sentidos son tales que la polaridad de las escobillas es cte. En la primera figura, el lado
superior tiene corriente saliente y le comunica a la delga Nº 1 la polaridad positiva, y está se la comunica a
la escobilla izquierda. Aquí el sentido de la f.e.m. en ese lado de la bobina ya cambió por que paso la zona
neutra Z N, y le confiere polaridad negativa a la escobilla derecha. Al pasar por la zona neutra, vemos que
las escobillas tocan simultáneamente dos delgas del colector y realmente cortocicuitan la bobina.
Tal proceso es la conmutación, que dura un tiempo muy breve, pero que tiene importancia en el
funcionamiento. De no existir el conmutador, entre los bornes de la bobina rotante aparecería una f.e.m.
alternada, por efectos de la rectificación, se tiene la pulsante de la figura. Pero debido a que los polos tienen
una forma amplia, la f.e.m. no es senoidal, sino de la forma indicada en la figura.
Esta f.e.m., sí bien en unidireccional, está lejos de reunir las condiciones requeridas por una C.C. pura o
perfecta. Además, un sistema como el descripto, proporciona una f.e.m. de muy bajo valor. Este último se
soluciona en parte, colocando boinas de varias espiras. La técnica en su evolución, ha desarrollado
inducidos de varias bobinas, descaladas entre sí sobre la periferia del inducido.
En la figura, hemos representado una máquina de cuatro bobinas y cuatro delgas. El devanado es a doble
capa, por que hay dos lados de bobina por ranura. Es de observar, teniendo en cuenta los sentidos de
corriente, que en la posición dibujada, las delgas 2 y 4 no tocan escobillas, sirviendo sólo de puentes entre
bobinas. Un hecho importante es de que el bobinado es cerrado, siguiendo el circuito también podemos
verificar que las escobillas dejan al circuito en dos ramas en paralelo.
En las siguientes figuras hemos representado el circuito eléctrico del inducido, con sus elementos deformados
para dar mayor claridad. En la posición de la figura se observa que las bobinas 1 y 2, y las 3 y 4 están en
serie respectivamente, y el conjunto está en paralelo. Las delgas 1 y 3 realizan las derivaciones de corriente,
y las 2 y 4 sólo dan continuidad.
Girando el conjunto a 45º en la siguiente figura, la escobilla negativa toca delgas 1 y 2, cortocicuitando la
bobina 1. La positiva pone en corto a la bobina 3 en el proceso de la conmutación y la 4 y 2 quedan en
paralelo.
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Desde el momento que las bobinas están en serie, salvo el breve período de la conmutación, sus f.e.m. se
suman, y en la figura siguiente vemos la suma gráfica de las ondas generadas para el caso de que fuesen en
forma sinusoldal. Como las bobinas están desplazadas geométricamnete, las f.e.m. están desplazadas en el
tiempo.
La onda suma de las generadas en las bobinas 1 y 2 es idéntica a la de las 3 y 4. Ambos conjuntos están en
paralelo, la f.e.m. resultante ya es más aceptable y tiene un menor contenido de armónicas que en el anterior,
e incluso su ordenada media Em es superior.
Si la máquina es muy grande, o de muy baja velocidad, es preferible hacerla multipolar, como se ve en la
figura. Siguiendo la periferia del inducido se suceden polos norte y sur, y las líneas de puntos indican los
caminos magnéticos de las líneas de campo.
Obsérvese que en esta disposición multipolar, el ancho de bobina es una cuarta parte de inducido, en vez de
la mitad. Hay cuatro escobillas en vez de dos; y están en paralelo. El resultado es que todas las bobinas
quedan en paralelo como mostramos en la siguiente figura. Se deduce fácilmente que en general, hay en las
máquinas de C.C. tantas escobillas como polos, e igualmente en el inducido tantas ramas en paralelo como
polos, aún cuando esto no se cumple para algunos tipos especiales de arrollamientos.
Principales aspectos constructivos
El inducido se construye con chapa de hierro al silicio laminado, las que se apilan en el sentido del eje. Estas
chapas tienen adecuadas canaletas, como las de los rotores bobinados de los motores asincrónicos. En la
figura vemos el corte de una canaleta de un generador de continua, la carcaza se hace de acero laminado, y a
veces fundida.
Materiales Utilizados
El hierro y el acero que se utilizan para hacer los imanes y la carcasa del motor, que tienen una fabricación
especifica, como podemos observar en el dibujo siguiente:
• El silicio, es un elemento semimetálico. El acero de silicio, que contiene de 2,5 a 4% de silicio, se usa
para fabricar los núcleos de los transformadores eléctricos, pues la aleación presenta baja histéresis,
El silicio es un semiconductor; su resistividad a la corriente eléctrica a temperatura ambiente varía
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entre la de los metales y la de los aislantes.
• El Aluminio
• El Imán, sustancia que, por condición natural o adquirida, tiene la propiedad de atraer al hierro.
• Cobre
Ventajas e inconvenientes de los diversos arrollamientos
Los arrollamientos progresivos o imbricados se caracterizan desde el punto de vista de sus vías de
arrollamiento.
1° Por la igualdad constante entre el numero de vías y de polos.
2a = 2p
2° Porque todas las secciones de una misma vía de arrollamiento están sometidas a la inducción del mismo
polo. Supongamos que por una razón cualquiera(sopladuras o cavidades de aire en el núcleo del inductor,
desigualdad del numero de amperios−vueltas inductores, diferencia de entre−hierros para los distintos
polos), los flujos que emanan de los distintos polos no sean iguales. No siendo iguales los flujos, las fuerzas
electromotrices inducidas en las distintas vías tampoco lo serán, y como están acopladas en paralelo, se
producirán corrientes de circulación en el interior del inducido, puesto que no pueden acoplarse en paralelo
fuerzas electromotrices distintas sin que se produzcan corrientes parásitas. Estas corrientes serán tanto mas
intensas cuanto mayor sea la
diferencia entre las distintas fuerzas electromotrices y menor la resistencia del inducido. Serán, por
consiguiente, mas perjudiciales en las maquinas de muchos polos.
1° Por que cuanto mayor sea el numero de polos mas probabilidad de que se produzcan desequilibrios
magnéticos.
2° Por que los motores de muchos polos suelen ser generalmente de gran potencia y tienen un arrollamiento
inducido de mucha sección y poca resistencia.
Estos efectos se pueden solucionar por medio de las conexiones equipotenciales.
Por el contrario, estos arrollamientos son de fácil estudio, el potencial va creciendo en ellos progresivamente
a lo largo del colector desde una escobilla negativa a la positiva inmediata y, por ultimo, el circuito de
conmutación es idéntico para todas las escobillas y no comprende, para cada una de ellas, más que las
secciones que esta pone en cortocircuito.
Los arrollamientos ondulados, en estos, las vías esatán formadas por secciones sometidas l acción de todos
los polos. De donde resulta que aun cuando los flujos no sean iguales , las fuerzas electromotrices inducidas
en cada una de las vías sí lo serán. El reparto no uniforme del flujo en los diversos polos podrá a lo sumo
producir fuerzas electromotrices distintas en cada una de la secciones consideradas aisladamente. Esta
mayor igualdad de las tensiones inducidas constituye una gran ventaja en el caso de maquinas potentes y con
muchos polos inductores, pero la conmutación es mucho mas delicada. a
Desde el punto de vista de su construcción, los arrollamientos ondulados presentan la ventaja de que siendo
el numero de vías de arrollamiento independientes del numero de polos, los mismos palastros de inducido y
los mismos colectores pueden ser utilizados
para un cierto numero de combinaciones.
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A ella se sujetan los polos principales y los polos auxiliares, como mostramos en la figura. Los polos se hacen
macizos o laminados, y las expanciones polares, indefectiblemente laminadas.
El colector es el órgano de más laboriosa elaboración. Consta de delgas, que en la figura vemos en número
de dos para mostrar como se agrupan. Debido a que deben aislarse entre sí, se coloca mica de buena
calidad. El conjunto de las delgas que conforman el colector, se sujeta al eje por medio de portacolector.
Las escobillas son de carbón o metales pulverizados, y se sujetan mediante portaescobillas, dos de cuyos tipos
vemos en la figura.
Los portaescobillas se mantienen en sus posiciones gracias a los soportes que se pueden ver en la siguiente
figura. El conjunto se arma mediante tapas o escudos, de igual manera a los motores asincrónicos.
Sistema Colector−Escobilla( conmutación)
Al rotar el inducido, las bobinas van permutando los sentidos de sus corrientes, y pasan a integrar
clínicamente las diversas ramas en que queda divido el inducido. Cuando se produce la inversión de la
corriente, la bobina queda momentáneamente en corto circuito, y a ese proceso se lo llama conmutación. Por
ejemplo en la figura el bobinado marcha de derecha a izquierda, y a los polos están arriba del dibujo.
Asimismo, seleccionamos como referencia la bobina formada por el lado 1 y el lado 4 que terminan en delgas
1 y 2. Aquí representamos tres sucesivas posiciones de la conmutación.
El proceso dura mientras una escobilla toque simultáneamente dos delegas. En la figura a comenzó la
conmutación cuando la escobilla entro en al delga 2. Como los lados de bobina no han abandonado
totalmente los polos, se inducen corrientes que tienen el sentido señalado, y como la bobina está en corto,
circulan localmente. Al llegar ala posición b los lados de bobina están justo entre polos y no habrá f.e.m.,
siendo nula la corriente de corto, y sobreentendido que se llego gradualmente a cero. Cuando se dirige a la
posición c, los lados de bobina comienzan a verse nuevamenete influenciado por los polos y aparecen
corrientes que tendrán distinto sentido que antes de pasar justamenete por la zona neutra. Cuando la
escobilla abandona la delga 1 recibe corriente del lado derecho, y cuando tocaba sólo a la 1 recibía
corriente del lado izquierdo. Se observa que la polaridad de la escobilla es cte. La corriente que circula en
régimen normal será:
it= I/sa
Y considerando el circuito de una bobina, la figura siguiente presenta la variación de la corriente, de
acuerdo a lo dicho anteriormente. El tiempo Tc es el tiempo de conmutación y representa el intervalo durante
el cual la bobina está en corto circuito. En está última descripción hemos supuesto que la variación de
corriente entre +Ii y −Ii es lineal, se le llama conmutación lineal. Al comenzar la conmutación la corriente
decrece, y la variación ocasiona variación de flujo, y por lo tanto f.e.m. inducida, esta se opone a la variación
de corriente y retarda el establecimiento del valor definitivo −Ii.
Evidentemente esto ocurre por que la bobina tiene cierta reactancia, es así que hay un retardo en la
conmutación y la verdadera curva de conmutación es la B de la figura en vez de A. La conmutación retarda
de curva B hace que el aumento de corriente desde cero hasta −Ii se haga muy rápidamente. Está
determinación rápida da lugar a un aumeneto de la f.e.m. de autoinducción. En un momento muy próximo al
final de la conmutación, la corriente es intensa, y como ya es pequeña la superficie de escobilla en contacto
con la delga que la densidad de corriente es elevada. Este último, unido a la tensión de autoinducción, hace
que al abrirse el circuito se produzca una chispa, que se repite al paso de cada delga. Este chisporroteo
deteriora al colector.
Bobinados
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Los modernos bobinados son todos arrollamientos a tambor, fáciles de ejecutar y de reemplazar. En la figura
tenemos el más elemental, pues es el de una máquina bipolar, de una sola bobina, y está de una sola espira.
En una forma más clara para su interpretación, y que es la que se usa en la técnica. Se supone desarrollada
sobre el plano del dibujo, la superficie del inducido con todo el arrollamiento. Las líneas de trazo y punto
limitan el dibujo, y señalan que a partir de ellas, el sistema se repite en orden cíclico.
Los rectángulos con N y S señalan los polos, que convencionalmente están encima del devanado.
Devanado imbricado
Cada lado de bobina está debajo de un polo de nombre contrario, y la o las espiras envuelven el flujo de un
polo. Las conexiones de cada bobina terminan entre delgas contiguas, correspondiendo cada par de delgas a
una bobina. Como los devanados son cerrados, cada delga es principio de una bobina y fin de la otra. En la
figura observaremos un arrollamiento imbricado tetrapolar, y una bobina, la primera se ha reforzado para
apreciar su posición.
El sistema es a doble capa ya que en cada canaleta del inducido hay dos lados de bobina. Con la delga 1
comenzaremos el bobinado hacia el lado de la bobina 1 que está en la canaleta 1. Por la parte posterior y a
través de la cabeza de bobina llegamos al lado 4, ubicado en la capa inferior de la canaleta 4, lado que
completa la bobina y termina la delga en 2, desde la cual arranca otro sistema similar, siguiendo así se
retorna a delga 1 y el arrollamiento es cerrado.
Devanados Ondulados
Estos sistemas también tienen un lado de bobina debajo de cada polo de nombre contrario, pero la conexión
no llega a la delga continua. En la figura vemos un devanado ondulado tetrapolar. Se indicó con un trazo
grueso una bobina para poder apreciar la marcha del arrollamiento.
Es de hacer notar que no se puede usar 12 bobinas sino 13, por que de hacerlo así, no se lograría realizar el
arrollamiento, por que partiríamos de la delga 1 y después de una vuelta volveríamos a la delga 1.
Es posible en los ondulados hacer bobinas de varias espiras y a su vez colocar varios lados de bobina en una
sola canaleta.
Cualidades Generales
Observando la primer figura y tomando el borne A vemos que al llegar a C la corriente se bifurca, y a partir
de la delga 1 o la delga 7 vuelve a bifurcarse. Por cada escobilla circula la mitad de corriente total, y por
cada bobina la cuarta parte. Eléctricamente visto, el bobinado es como lo indica la figura.
Obsérvese que resultan cuatro ramas en paralelo, y esto se expresa por 2 a= 4, siendo a el nº de ramas en
paralelo que hay en el inducido. En el instante considerado, las delgas 1, 7 ,4 y 10 son activas, mientras
quelas 2, 3, 11, 12, 8, 9, 6, 5, resultan simple lugares de empalme de lados de bobina.
Recordemos que el devanado correspondía a una máquina tetrapolar ( p= 2) y que el nº a= 2 también. Esta
condición es completamente para los imbricados.
No ocurre lo mismo con los ondulados, como tratamos de demostrar en la figura anterior que es la
presentación eléctrica del arrollamiento ondulado.
Existen sólo dos ramas del inducido, y el resto de las bobinas quedan en corto circuito. Como el devanado
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presentado es de pocas bobinas, el porcentaje de las que quedan anuladas es pequeño. Se observa que
alcanzaría con colocar una escobilla sobre la delega 13 y otra sobnre la 3, pero se colocan más parar bajar
la densidad de corriente. Las delgas 9 y 10 son tocadas simultáneamente por una escobilla, lo mismo que las
7 y 6,
a= 1
que es valido para todo devanado ondulado. Finalmente digamos, que los devanados imbricados se los
prefiere . El tipo ondulados convienen en máquinas medianas de 6 u 8 polos, o en máquinas de alta tensión.
El arrollamiento imbricado se presta muy bien para generar altas corrientes y bajas tensiones.
Reacción del Inducido
En la figura a vemos el esquema representativo del recorrido de las líneas del campo principal de un dinamo.
En la figura b solamente representamos el campo inducido, que sólo existe cuando pasa corriente por los
conductores del mismo. Es decir, sólo cuando la máquina trabaja en carga.
En la parte c hemos superpuesto los campos, cosa que realmente ocurre cuando existe el campo principal y
simultáneamente circula corriente por la armadura.
Resumiendo: una máquina excitada ( con los polos principales activos ) y cuyo inducido gira y su circuito de
inducido está cerrado, tiene un campo que es composición del principal y del de reacción del inducido, que
da como resultado un corrimiento de la línea neutra N N a una nueva posición N´ N´.
Trabajando con carga, como puede notarse en la figura b el rotor se comporta como una bobina cuyo eje
normal al eje principal. Al campo generador por el inducido en carga se lo denomina campo transversal.
Cuando nos encontramos con este estado de funcionamiento, la f.e.m. no se induce por efectos del campo
principal de los polos solamente, sino por el campo combinado o resultante, y este campo magnético con su
deformación, hace que un lado de la cara polar tenga mayor inducción que el otro, y además, que la línea
neutra se desplace en el sentido del movimiento. Para que el funcionamiento sea correcto, hay que mover las
escobillas un ángulo B de tal manera que se ubiquen en la zona neutral real.
Analizaremos mejor con representaciones vectoriales, que dan idea de la magnitud, dirección y sentido de los
distintos campos magnéticos actuantes. Téngase en cuenta que no son vectores armónicos. En la próxima
figura a tenemos el campo principal representado por amper−vuelta Fp, el campo transversal Fr y el campo
resultante Fr, todo supuesto que las escobillas se encuentren en una zona neutra geométrica, que se fijo con
la máquina trabajando en vacío.
Para lograr un funcionamiento más correcto, las escobillas se desplazan el ángulo B citado en el sentido del
movimiento, y consecuentemente el flujo transversal Fr, también sufre un desplazamiento B que se aprecia en
la figura siguiente b.
Esto se hace para que la conmutación se siga produciendo en el momento en que la corriente pasa por cero
en las bobinas del inducido. En la figura c hemos descompuesto el campo transversal Fr en el flujo Fn
normal y el flujo antagónico Fa que debilita al campo principal Fp. Es de hacer notar que si no se decalan
las escobillas, no existe flujo antagónico Fa. Planteada la reacción del inducido, vemos ahora las
consecuencias y la forma de atenuarlas. Las consecuencias son:
A_ Hay un aumento de pérdidas en el hierro de las caras polares y en los dientes del inducido, debido a que
aumenta la inducción en estas zonas donde el fluye tiende a concentrarse. Como las pérdidas son funciones
del cuadrado de la densidad magnética, y en esos lugares se llega fácilmente a la saturación, se tiene
elevadas pérdidas.
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B_ La tensión media entre la delga y delga tiene pro expresión:
edm= 2pE/C
con edm la tensión media de delga, C el nº de delgas, E la f.e.m., y p el nºde partes de polos. Si la distribución
de flujo magnético en el entrehierro es uniforme, el valor edm es cte para cualquier par de delgas que se
tomen. Pero cuando reacción de inducido, el flujo tiene densidad variable a lo largo del entrehierro, y
consecuentemente hay valores Ed que son mayores que edm. Este valor de tensión es muy crítico, y si se
sobrepasa da lugar a inconvenientes muy serios. La experiencia ha demostrado que sobrepasando cierto
límite, que depende del tipo de máquina, el funcionamiento se hace imposible.
La reacción de armadura contribuye ha aumentarlo en cierta zona, y por lo tanto agrava estos
inconvenientes. Un valor inadecuado de edm ocasiona chispas en el colector, transitorias algunas veces, y
otras veces se establecen y propagan constituyendo un grave accidente. Cuando se localiza en determinada
zona, sólo ocasionan ruido e interferencias
radioeléctricas, y lentamente van formando un anillo de chispas hay que sacar rápidamente la máquina de
servicio.
C_ Por defectos del flujo Atagónico Fa hay una caída en el valor de la f.e.m. generada en la máquina. Esta
tres consecuencias son definitivas para calificar a la reacción del inducido como un fenómeno indeseable.
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