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 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.

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 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.

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

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 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.

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.