Maquinas de Alterna Teoria

Maquinas elctricas y ensayos 6E maquinas electricas CET 13 2015

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Maquinas de alterna. Fundamentos

Existen dos clases generales de maquinas de alternas, las de fucionamiente sincronico y las de funcionamiento inducido. En las de funcionamiento sincronico ya sean motores o generadores el campo magnetico es generado por una fuente separada, mientras que en los de funcionamiento por induccin ya sean motores o generadores el campo es generado por induccin magnetica (accion transformadora) en los bobinados que proveen el campo magntico. Casi sin excepcion los bobinados que generan el campo magnetico se encuentran en el rotor.

TENSION INDUCIDA Espira en campo magnetico uniforme Comenzaremos el estudio de las maquinas de alterna con una espira rotando en presencia de un campo magntico constante.

Llamamos a la parte rotante rotor, en este caso la espira y la parte estatica estator, en este caso al iman permanente. Si el rotor comienza a girar se inducen en las secciones de la espira tensiones que siguen la siguiente regla:


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Siendo los segmentos ab y cd los que realizan la contribucin general dado que las tensiones en los otros dos segmentos se anulan.

por indentidad trigonometrica :

La tension inducida sera:

Como la espira rota a velocidad angular constante, el ngulo tambien lo hace en relacion al tiempo t. a su vez la velocidad tangencial tambien se puede expresar como funcion de .

Donde r es el radio del brazo de rotacion de la espira. Fig4.1 (a) Reemplazando en la expresin de la tension inducida:

Note que 2.r.l = A , el area de la espira por lo que :


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Sabemos que el flujo maximo se da cuando la espira es perpendicular al campo y es producto del campo B por el area de la espira A:

Por lo tanto la expresin final de la tension inducida sera.

Resumiendo, el voltaje inducido depender: 1. el flujo en la maquina 2. la velocidad de rotacin 3. una constante que depende del diseo (numero de espiras, etc..)

Generador de CC o Dinamo

Si conectamos los extremos de las espiras a dos anillos metalicos conductores donde dos escobillas de grafito recogen la corriente inducida tenemos la posibilidad de llevar esta energa hacia un circuito exterior. En las condiciones mencionadas obtenemos a los bornes energia alterna como lo indica la figura 19.1

Como deseamos obtener a la salida del generador incorporamos un dispositivo que permite convertir CA en CC denominado colector de delgas y que consiste en un anillo dividido en dos partes iguales y aisladas entre si. Fig 19.2


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En la posicin de la figura 19.3 (a) las corrientes en el conductor a y b tienen el sentido que indican las flechas, el semianillo 1 esta en contacto con la escobilla A y el semianillo 2 con la escobilla B. Al girar la espira hacia la posicin 19.3(b) las corriente inducida en los conductores a y b cambio de sentido pero como el semianillo 1 esta en contacto con la escobilla B y el semianillo 2 como con la escobilla A el sentido de circulacin permanece constante. En resumen la corriente y tension inducida en la espira es alterna pero el colector de delgas formado por dos anillos aislados la rectifica.

Con una espira y dos anillos obtenemos una tensin similar a la de un puente de rectificador de onda completa fig 19.4 . aumentando el numero de espiras y delgas obtenemos de tension lo mas rectilinea y continua posible.

Constitucin de un dinamo Las partes que forman un dinamo son bsicamente :

Inductor Inducido Colector

Inductor:

Fijo, ubicado en la parte esttica o sin movimiento de la maquina denominada estator. Esta formado por una electroiman de dos polos magneticos en las maquinas bipolares o de varios polos en las multipolares segn el diseo.


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El bobinado y las piezas polares estan rodeadas por una culata o carcaza de fundicion o acero moldeado que sirven de soporte y permiten el cierre de las lineas de campo magnetico.

Inducido:

Movil, construido en forma cilindrica con chapas magneticas apiladas para evitar perdidas por histeresis o corrientes parasitas. Este nucleo queda fijo a un eje cuyos extremos se deslizan apoyados en cojinetes o rodamientos fijos a la carcaza. Sobre el ncleo existen ranuras donde se alojan las espiras del bobinado inducido. Todo el conjunto es denominado rotor y es la parte que gira de la maquina. Fig. 19.7

Colector:

En el eje del inducido se fija el colector de delgas formado por laminas de cobre electrolitico aisladas del eje y entre si por hojas de mica. Este colector permite conectar los diferentes circuitos del inducido. Fig. 19.9

Escobillas

La corriente se recoge de las delgas con ayuda de contactos deslizantes de grafito denominados escobillas ubicados en un portaescobillas que asegura la presion sobre las delgas.De las escobillas parten los conductores que se conectan a la placa de bornes de la maquina. Debido a la friccin las escobillas sufren un desgaste por lo cual deben ser reemplazadas cada ciertos periodos de tiempo. Fig.19.10


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Fuerza electromotriz generada por una dinamo

Reaccion del inducido

Cuando los conductores del inducido son recorridos por una corriente electrica generan su propio campo magnetico perpendicular a la direccion del campo del inductor sumandose vectorialmente al campo principal dando como producto un campo resultate desviado de la direccion original

Esta deviacion del eje de campo magnetico provoca que cuando las escobillas conmutan a la siguiente ya no lo hacen cuando la espira esta en una condicion de pasaje por el cero de la conmutacin sino que todava conducen electricidad lo que origina un arco al conmutar con el consiguiente chisporroteo y disminucin de vida util de colector y escobillas.

Para solucionar este problema se emplean dos metodos :

Desviacin de las escobillas hacia el nuevo eje neutro:

Se desvian las escobillas hasta que el eje de las mismas coincida con el eje del campo resultante pero el valor del campo transversal depende de la corriente que absorbe la carga por lo que la desviacin del campo no es constante y para cada corriente tambien variaria la correcion de las escobillas.

Polos de conmutacin Se disponen en la culata dos polos transversales que generen un campo de igual magnitud al de reaccion del inducido pero de sentido contrario, las


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bobinas de estos polos se colocan en serie con la del inducido para que la corriente que circule sea la misma.

Exitacion del inductor

El campo magnetico del inductor puede ser originado de dos maneras:

Iman permanente: originalmente no tenian mucha intensidad y sin posibilidad de regulacin tenian aplicacines de poca potencia como magnetos de motos , juguetes o relojes , hoy con el advenimiento de nuevos materiales que permiten la creacin de imanes muchos mas potentes y livianos se crean motores y generadores PMAC Motors ( permanente magnetic ac motor) y GVM (gross Vehicle mass) se utilizan en ascensores, automviles, etc.

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bobina inductora: cuando se necesita la posibilidad de regulacin se recurre a bobinas inductoras colocadas en las piezas polares y alimentadas por corrientes continuas.

Dependiendo de cmo se alimente la bobina inductora se diferencian distintos tipos de exitacion:

Dinamo con excitacin independiente:

La fuente de corriente de la bobina inductora es exterior. Fig 19.8

La figura 19.8 muestra tambin que para una velocidad de rotor y una corriente de excitacin constante la tensin que proporciona el generador varia en funcin de la carga. esto se debe a que la cada originada en la resistencia del bobinado aumenta en proporcin a la intensidad que circula por la carga. Se observa tambien que para una corriente de exitacion menor la tension originada es menor.


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Dinamo autoexitada:

En la practica resulta mejor conseguir que el propio generador produzca la energia para alimentar su circuito inductor. Como conseguimos que el generador origine fem si inicialmente no hay campos magneticos presentes? Gracias al magnetismo remanente de las piezas polares , cuando estas son sometidas a campo magntico y la causa imanadora se retira quedan algo magnetizadas. De esta forma si conectamos el bobinado del inducido e inductor por ejemplo en paralelo, al girar el inducido a su velocidad nominal , corta las dbiles lneas de campo remanente de las piezas polares, induce una pequea fem suficiente para alimentar con una pequea corriente la bobina del inductor que aumenta la fem del inducido produciendo un ciclo repetido de fem y flujo hasta alcanzar la fem nominal .

Segn como se conecte el devanado inductor surgen tres tipos:

- con excitacin en derivacin paralela o shunt :

el bobinado inductor esta en paralelo con el inducido. Las bobinas inductoras tiene gran numero de espiras de seccin pequea porque las corrientes no son muy grandes. En el esquema de la figura 19.20 se observa un restato con el que se controla la corriente de excitacin en el inductor , de esta manera el campo generado y por resultado la tensin de salida del generador.

Como observamos en la curva caracterstica de la figura 19.20 la tension de salida se reduce con el aumento de carga. Un incremento de la carga genera una cada de tensin que origina una disminucin en la corriente de exitacion as hasta el punto de perder la excitacin si las corrientes de carga son muy elevadas.

- con excitacin en serie:


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el bobinado del inductor esta en serie con el inducido por lo que la corriente de carga fluye por igual en ambos devanados, fig 19.22. Al contrario del circuito shunt , el bobinado inductor tiene pocas espiras de gran seccin.

Su inconveniente principal es que sin carga no existe exitacion porque no circula corriente . por el contrario , ante un aumento de la corriente de carga aumenta el flujo inductor y por tanto la tensin generada lo que lo hace muy inestable.

- con excitacin mixta o compound:

se combinan los efectos serie y derivacin en la excitacin con lo que la tension que suministra el generador a la carga es mas estable a cualquier regimen como se muestra en la curva de la fig 19.24. siendo este el diseo mas empleado en la fabricacin de generadores.


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Motores de Corriente

Son maquinas elctrica rotativas que transforman energa elctrica en mecnica. Son alimentados a travs de circuitos rectificadores que transforman la tension alterna de la red en tensin continua. Al igual que los dinamos necesitan colectores de delgas y escobillas por lo que su mantenimiento es mas laborioso. Como contrapartida su par de arranque es elevado y su velocidad se puede regular en un rango amplio. Su aplicacin general es en trenes , tranvias , coches y cualquier aplicacin que requiera control y regulacin de las caractersticas del motor.

Principio de funcionamiento

TORQUE INDUCIDO Supongamos que por la espira circula una corriente i, con la corriente circulando por los brazos de la espira se induciran fuerzas siguiendo la siguiente ley:

El torque en cada segmento esta dado por la expresin T = fuerza en el conductor x brazo de palanca

Al igual que con la tension inducida , los unicos torques que suman al efecto son los de los conductores perpendiculares al campo B

Por la figura siguiente observamos que el torque sera maximo cuando la espira sea paralela a las lineas de campo y cero cuando sea perpendicular. Otra vez 2.r.l = A


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Otra forma de interpretar el torque en una bobina es considerar que la corriente que circula por la bobina esta generando su propio campo Cuya magnitud sera :

Donde G es una magnitud que depende de la forma de la bobina.

Despejamos i de la expresin anterior y reemplazamos en la formula de torque:

Donde depende de la construccin de la maquina.

Resumiendo, el torque dependera de: 1. la magnitud del campo generado por la espira. 2. la magnitud del campo externo. 3. el seno del angulo entre ellos. 4. una constante que representa las caracteristicas de construccin.


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En la figura 20.1 se ha representado un motor de continua elemental . los polos del iman permanente en el estaror son los encargados de producir el campo magnetico inductor. La espira, en el rotor , es recorrida por una corriente suministrada a travs de un anillo o colector de delga

Como las corrientes que circulan por los brazos de la espira son contrarias aparece una cupla o torque como definimos con anterioridad.

Constitucion

La constitucin del motor es igual a la del generador o dinamo por lo que estas maquinas son reversibles por lo que pueden funcionar indistintamente como motor o generador necesitando las mismas partes en su diseo:

. un circuito que genere el campo magnetico o circuito inductor.

. un circuito que al ser recorrido por la corriente electrica genere un par motor que produzca el giro del rotor, circuito inducido. . un colector de delga y escobillas.

Reaccion del inducido

Observa el mismo comportamiento que en los dinamos por lo que la solucion son los polos de conmutacin o el corrimiento de las escobillas.

Fuerza contra electromotriz

Cuando la corriente circula por las espiras del motor se produce un par mecanico que produce el giro del rotor. Cuando los conductores cortan en su movimiento las lineas de campo magnetico del inductor sobre los mismo se induce fem. Siguiendo la ley de Lenz en sentido de dicha fem es tal que se opone a la causa que lo produjo, es decir a la corriente que circula por el bobinado inducido y la tension aplicada al motor. Esta fem denominada fuerza contra electromotriz o fcem produce el efecto de limitar la corriente de inducido.


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El valor de esta fcem es igual a la tensin generada en una dinamo o sea proporcional al flujo del motor y a la velocidad angular o numero de revoluciones del motor.

Corriente del inducido

Cuando el motor funciona en vaco, el par motor originado provoca un aumento de velocidad debido a la poca resistencia que encuentra. El aumento en la velocidad produce una fcem que limita la corriente del rotor a valores de corriente de vacio. Cuando el motor arrastra una carga mecanica , la velocidad disminuye por lo que la fcem disminuye , permite que circule una corriente mayor y por lo tanto aumente la cupla motora.

la corriente que el motor absorbe es proporcional al trabajo mecanico

Para determinar el valor de esta corriente utilizamos la ley de ohm y la segunda ley de Kirchhoff

Corriente absorbida en el arranque

En el arranque el rotor esta parado, no existe fcem, la corriente esta limitada solo por la tensin de las escobillas cercana a los 2 voltios y la resistencia del bobinado menor a 1 ohm por lo que estas corrientes son muy elevadas.

Cuando se conecta un motor directo a la red , este absorbe intensidades muy grandes de las lineas en el arranque lo que sobrecarga las lineas de


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distribucion, produce caidas de tension y calentamiento de los conductores Como estos consumos son muy intensos las empresas de energia solo permiten encendidos directos hasta 5,5 kw. Para limitar estas corrientes se intercalan resistencias en serie con los bobinados del inducido y en el arranque se van disminuyendo las resistencias adicionales de arranque a medida que aumenta la velocidad.

http://electricidad-viatger.blogspot.com.ar/2008/04/motores-de-corriente-continua.html http://www.elremiendo.com/Bricolaje/Automoviles/question.asp?codigo=Comprobacion-y-reparacion-de-un-motor-de-arranque-7

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