Unidad 1. Generadores de Corriente Directa PDF

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Ingeniería electromecánica Máquinas eléctricas Profesor: Ing. Arquímedes Ramírez Franco Unidad 1 Generadores de corriente directa Alumno: Oropeza Fuentes Raúl Mario Acapulco, Gro; Julio de 2015 Instituto Tecnológico de Acapulco

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Es un documento que describen las maquinas de cd

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Ingeniería electromecánica

Máquinas eléctricas

Profesor:

Ing. Arquímedes Ramírez Franco

Unidad 1

Generadores de corriente

directa

Alumno:

Oropeza Fuentes Raúl Mario

Acapulco, Gro; Julio de 2015

Instituto Tecnológico de

Acapulco

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Máquinas eléctricas Instituto Tecnológico de Acapulco Unidad 1: Generadores de corriente directa

Raúl Mario Oropeza Fuentes Acapulco, Gro; Julio de 2015

Unidad 1: Generadores de corriente directa.

Las máquinas eléctricas son el resultado de una aplicación inteligente de los

principios del electromagnetismo y en particular de la ley de inducción de Faraday.

Las máquinas eléctricas se caracterizan por tener circuitos eléctricos entrelazados.

Durante todo el proceso histórico de su desarrollo desempeñaron un papel rector

que determinaba el movimiento de tola la ingeniería eléctrica, merced a su

aplicación en los campos de la generación, transporte distribución y utilización de la

energía eléctrica. Las máquinas eléctricas realizan una conversión de energía de una

forma a otra, una de las cuales, al menos, es eléctrica. En base a este punto de vista,

estrictamente energético, es posible clasificarla en tres tipos fundamentales:

Generador: que transforma la energía mecánica en eléctrica. La acción se desarrolla

por el movimiento de una bobina en un campo magnético, resultando una fem

inducida que al aplicarla a un circuito externo produce una corriente que

interacciona con el campo y desarrolla una fuerza mecánica que se opone al

movimiento. En consecuencia, el generador necesita una energía mecánica de

entrada para producir la energía eléctrica correspondiente.

Motor: que transforma la energía eléctrica en mecánica. La acción se desarrolla

introduciendo una corriente en la máquina por medio de una fuente externa, que

interacciona con el campo produciendo un movimiento de la máquina; aparece

entonces una fem inducida que se opone a la corriente y que por ello se denomina

fuerza contraelectromotriz. En consecuencia, el motor necesita una energía eléctrica

de entrada para producir la energía mecánica correspondiente.

Transformador: que transforma una energía eléctrica de entrada (de ca) con

determinadas magnitudes de tensión y corriente en otra energía eléctrica de salida

(de ca) con magnitudes diferentes.

Los generadores y motores tienen un acceso mecánico y por ello son máquinas

dotadas de movimiento, que normalmente es rotación; por el contrario, los

transformadores son máquinas eléctricas que tienen únicamente accesos eléctricos y

son máquinas estáticas.

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1.1 Fundamentos de generadores eléctricos.

Las máquinas cc tienen una gran importancia histórica debido a que su empleo

como generadores o dinamos representaron el primer procedimiento para producir

energía eléctrica a gran escala. Su etapa de desarrollo abarca el periodo

comprendido entre los años 1830 y 1880. Es necesario hacer notar que la dínamo,

aunque es una invención más moderna que el alternador, fue desarrollada antes que

éste; ténganse en cuenta que la pila de Volta data de del año 1800 y que los

descubrimientos de Oersted (electromagnetismo) y Faraday (inducción magnética)

son de los años 1820 y 1830, respectivamente.

El desarrollo de la máquina de cc se centra durante mucho tiempo en la búsqueda

de procedimientos que transforman la ca inducida en una espira, al girar dentro de

un campo magnético, en corriente unidireccional o de polaridad constante (cc).

La primera idea del conmutador o colector de delgas encargado de la rectificación

mecánica de la tensión del devanado del rotor surge en 1831 y se debe a Pixii.

El desarrollo de los motores de cc sigue una línea histórica paralela a la de las

dinamos y su empleo se debe al principio de reciprocidad ya formulado por

Faraday y Lenz.

Ley de Faraday

Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de Faraday).

Tras el descubrimiento experimental de Oersted (en el que Biot, Savart y Ampere

basaron sus leyes) de que una corriente estacionaria produce un campo magnético,

pareció lógico indagar si el magnetismo producía electricidad. Once años después

del hallazgo de Oersted, en 1831, Michael Faraday en Londres y Joseph Henry en

Nueva York descubrieron que un campo magnético variable en el tiempo producía

una corriente eléctrica.

De acuerdo con los experimentos de Faraday, un campo magnético estático no

produce flujo de corriente, pero un campo variable en el tiempo produce un voltaje

inducido (llamado fuerza electromotriz (fem)) en un circuito cerrado, el cual

provoca un flujo de corriente.

Faraday descubrió que la fuerza electromotriz inducida, 𝑉𝑓𝑒𝑚 (en volts), en un

circuito cerrado es igual a la rapidez de cambio del eslabonamiento de flujo

magnético por el circuito. [1]

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Ésta es la ley de Faraday, la cual puede expresarse como

𝑉𝑓𝑒𝑚 =𝑑𝜆

𝑑𝑡= −𝑁

𝑑𝜙

𝑑𝑡

Donde N es el número de vueltas en el circuito y 𝜙 es el flujo a través de cada una

de ellas. El signo negativo indica que el voltaje inducido es contrario al flujo que lo

produce.

Con esto Faraday demostró su creencia de que si una corriente podía producir un

campo magnético, entonces un campo magnético debería ser capaz de producir una

corriente.

Un valor diferente de cero de 𝑑𝜙 𝑑𝑡⁄ puede ser el resultado de cualquiera de las

siguientes situaciones.

1. Un flujo que cambia con el tiempo circundando una trayectoria cerrada fija.

2. El movimiento relativo entre un flujo estable y una trayectoria cerrada.

3. Una combinación de las dos.

El signo de menos indica que la fem tiene una dirección tal que produce una

corriente, cuyo flujo, si se suma al flujo original, reduciría la magnitud de la fem.

Este enunciado que establece que el voltaje inducido actúa para producir un flujo

opuesto se conoce como la ley de Lenz.

Ley de Lenz

La ley de Lenz para el campo electromagnético relaciona cambios producidos en el

campo eléctrico en un conductor con la variación de flujo magnético en dicho

conductor, afirma que:

Las tensiones o voltajes inducidos sobre un conductor y los campos eléctricos

asociados son de un sentido tal que se oponen a la variación del flujo magnético

que las induce. [2]

La polaridad de una tensión es tal, que a producir una corriente, cuyo campo

magnético se opone siempre a las variaciones existentes produciendo por la

corriente original. El flujo de un campo magnético uniforme a través de un circuito

plano dado por:

𝜙 = 𝐵 ∙ 𝑆 = 𝐵𝑆𝑐𝑜𝑠 𝛼

Donde:

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𝜙 = Flujo magnético. [Wb] (weber)

𝐵 = Inducción magnética. [T] (tesla)

𝑆 = Superficie definida por el conductor.

𝛼 = Ángulo que forman el vector S perpendicular a la superficie definida por el

conductor y la dirección del campo.

Esta ley se llama así en honor del físico germano-báltico Heinrich Lenz, quien la

formuló en el año 1834. En un contexto más general que el usado por Lenz, se

conoce que dicha ley es una consecuencia más del principio de conservación de la

energía aplicado a la energía del campo electromagnético.

Ley de Ampère

La ley de Ampère explica, que la circulación de la intensidad del campo magnético

en un contorno cerrado es igual a la corriente que recorre en ese contorno.

El campo magnético es un campo angular con forma circular, cuyas líneas encierran

la corriente. La dirección del campo en un punto es tangencial al círculo que

encierra la corriente.

El campo magnético disminuye inversamente con la distancia al conductor.[3]

Una corriente eléctrica produce un campo magnético,

siguiendo la Ley de Ampère.

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1.2 Acción generador.

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de

potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los

generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica

en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético

sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada

también estator). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los

conductores y el campo, se generara una fuerza electromotriz fem.

Generación de voltaje ca.

El estudio de un generador de corriente directa (cd) o corriente continua (cc) tiene

que iniciarse con un conocimiento del generador de corriente alterna (ca). La razón

es porque el voltaje producido en cualquier generador cd es inherentemente alterno

y sólo se transforma en cd una vez que ha sido rectificado por el conmutador.

La figura 4.1 muestra un generador ca elemental compuesto de una bobina que gira

a 60 rad min⁄ entre los polos N, S de un imán permanente. La rotación es producida

por una fuerza propulsora mecánica externa, como un motor (el cual no se

muestra). La bobina está conectada a dos anillos colectores montados en el eje. Los

anillos colectores montados en el eje. Los anillos colectores están conectados a una

carga externa por medio de dos escobillas y estacionarias x y y.

Conforme gira la bobina, se induce un voltaje entre sus terminales A y D.

𝐸 = (𝑉 ∙ 𝐵)𝐿

Donde

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E = voltaje inducido [V].

B = densidad de flujo [T]

L = longitud activa del conductor en el campo magnético [m]

V= velocidad relativa del conductor [m/s]

Este voltaje aparece entre las escobillas y, por consiguiente, a través de la carga. El

voltaje se genera porque los conductores de la bobina atraviesan el flujo producido

por los polos N, S. Por lo tanto, el voltaje inducido es el máximo (unos 20 V)

cuando la bobina está momentáneamente en la posición horizontal, como se

muestra. Ningún flujo es atravesado cuando la bobina está momentáneamente en la

posición vertical; de este modo, el voltaje es cero en estos instantes. Otra

característica del voltaje es que su polaridad cambia cada vez que la bobina realiza

una media vuelta. Por ello, el voltaje se puede representar como una función del

ángulo de rotación (Fig. 4.2).

La forma de onda depende de la forma de los polos N, S. Asumimos que éstos

fueron diseñados para generar la onda sinusoidal mostrada. La bobina de este

ejemplo gira a una velocidad uniforme, por lo que cada ángulo de rotación

corresponde a un intervalo de tiempo específico. Como la bobina da una vuelta por

segundo, el ángulo de 360° de la figura 4.2 corresponde a un intervalo de un

segundo. Por lo tanto, también podemos representar el voltaje inducido como una

función del tiempo (Fig. 4.3).

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Generación de voltaje cd.

Si las escobillas que aparecen en la figura 4.1 se pudieran cambiar de un anillo

colector al otro cada vez que la polaridad estuviera a punto de cambiar,

obtendríamos un voltaje de polaridad constante a través de la carga. La escobilla x

siempre sería positiva y la y negativa. Podemos obtener este resultado por medio de

un conmutador (Fig. 4.4).

En su forma más simple, un conmutador se compone de un anillo colector cortado

a la mitad, con cada segmento aislado del otro así como del eje. Un segmento se

conecta al extremo A de la bobina y el otro al extremo D. El conmutador gira junto

con la bobina y el voltaje entre los segmentos es captado por dos escobillas

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estacionarias x y y. El voltaje entre las escobillas x y y pulsa pero nunca cambia de

polaridad (Fig. 4.5).

El voltaje alterno en las bobinas es rectificado por el conmutador, el cual actúa

como un interruptor de inversión mecánica.

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1.3 Tipos de generadores eléctricos.

Los generadores cc son comprados por sus voltajes, potencias nominales, eficiencias

y regulación de voltaje.

Todos los generadores están accionados por una fuente de potencia mecánica

denominada motor primario del generador. Un motor primario para un generador

de cc puede ser una turbina de vapor, un motor diésel o también un motor

eléctrico. Puesto que la velocidad del motor primario afecta el voltaje de salida del

generador, y las características de velocidad de los motores primarios pueden variar

ampliamente, es costumbre suponer que la velocidad de los motores primarios es

constante para comparar la regulación de voltaje y las características de salida de los

diferentes generadores.

Los generadores de cc son muy escasos en los sistemas de potencia modernos.

Incluso los sistemas de potencia cc como los de los automóviles utilizan generadores

ca más rectificadores para producir la potencia cc.. Estos rectificadores pueden

convertir la corriente de un sistema de corriente alterna en corriente continua sin

utilizar ninguna parte móvil. No obstante, el conocimiento de los generadores de cd

es importante porque representa una introducción lógica al comportamiento de los

motores de cc.

Existen cinco tipos principales de generadores cc, clasificados de acuerdo con la

manera de producir su flujo de campo:

1. Generador con excitación independiente: En un generador de excitación

independiente, el flujo de campo se obtiene de una fuente de potencia

separada del generador.

2. Generador serie: En un generador serie, el flujo de campo se produce

conectando el circuito de campo en serie con el inducido del generador.

3. Generación de derivación: En un generación en derivación, el flujo de campo

se obtiene conectando el circuito de campo directamente a través de los

terminales del generador.

4. Generador compuesto acumulartivo: En un generador compuesto

acumulativo están presentes tanto un campo en derivación como un campo

en serie y sus efectos son aditivos.

5. Generador compuesto diferencial. En un generador compuesto diferencial

están presentes tanto un campo en derivación como un campo de serie, pero

sus efectos se restan.

Estos tipos de generadores cc difieren en sus características en terminales (voltaje-

corriente) y, por tanto, en las aplicaciones para las cuales son adecuados.

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Generadores con excitación independiente.

En los generadores cc en lugar de utilizar imanes permanentes para crear el campo

magnético, podemos utilizar un par de electroimanes, llamados polos de campo,

como se muestra en la figura 1. Cuando la corriente directa de campo de un

generador como ese es suministrada por una fuente independiente (como una

batería u otro generador, llamado excitador o exitatriz), se dice que el generador es

excitado independientemente. De esta manera, en la figura 1 la fuente de cc

conectada a las terminales a y b hace que fluya una corriente de excitación Ix. Si la

armadura es impulsada por un motor eléctrico o un motor de diesel, aparece un

voltaje Eo entre las terminales de escobillas x y y.

Es el tipo de excitación más antiguo y hoy se emplea únicamente en casos muy

especiales. El esquema básico de conexiones es el que se indica en la Figura 2, donde

se ha dispuesto de un reóstato en serie con el inductor para regular la corriente de

excitación.

Figura 2. Ensayo de vacío de un generador con excitación

independiente.

Figura 1.

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Analizamos el circuito de la figura 3.

En el circuito equivalente,

𝐸𝑎 es la fem inducida en el devanado de la armadura;

𝑅𝑎 es la resistencia efectiva del devanado de la armadura, la cual también

puede incluir una resistencia de cada escobilla;

𝐼𝑎 es la corriente de armadura;

𝑉𝑡 es el voltaje de salida;

𝐼𝐿 es la corriente de carga;

𝐼𝑓 es la corriente en el devanado de campo;

𝑅𝑓𝑤 es la resistencia en el devanado de campo;

𝑅𝑓𝑥 es la resistencia externa agregada en serie con el devanado del campo

para controlar la corriente en el campo;

𝑁𝑓 es el numero de vueltas por polo para el devanado del campo y

𝑉𝑓 es el voltaje de una fuente externa.

Las ecuaciones que definen la operación en estado estable son

𝑉𝑓 = 𝐼𝑓 (𝑅𝑓𝑤 + 𝑅𝑓𝑥) = 𝐼𝑓𝑅𝑓

Donde 𝑅𝑓 = (𝑅𝑓𝑤 + 𝑅𝑓𝑥)

𝐸𝑎 = 𝑉𝑡 + 𝐼𝑎𝑅𝑎

𝐼𝐿 = 𝐼𝑎

Voltaje en las terminales

𝑉𝑡 = 𝐸𝑎 − 𝐼𝑎𝑅𝑎

Figura 3.

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Para determinar la curva de vacío se hace girar el rotor a velocidad constante,

manteniendo desconectada la carga, La corriente de excitación se va aumentando

gradualmente desde cero hasta el valor máximo permitido, anotando

simultáneamente la f.e.m. generada E. que se mide con ayuda de un voltímetro.

Generadores con excitación en serie.

Como su nombre lo indica, el devanado de campo de un generador serie está

conectado todo en serie con la armadura y el circuito externo, debido a que el

devanado del campo en serie tiene que conducir carga especificada, generalmente

tiene pocas vueltas de un conductor grueso.

El circuito equivalente de un generador series se ilustra en la figura 5.

Figura 4.

Figura 5.

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El circuito equivalente de un generador serie se ilustra en la figura 6. Una resistencia

variable Rd, conocida como desviador para campo en serie, puede conectarse en

paralelo con el devanado del campo serie para controlar la corriente que lo

atraviesa y, por tanto también al flujo que produce.

Cuando el generador opera sin carga, el flujo producido por el devanado del

campo en serie es igual a cero. Por tanto, el voltaje en las terminales del generador

es igual a la fem inducida debido al flujo residual, Er. En cuanto el generador entrega

una corriente de carga, la fmm del devanado del campo en serie produce un flujo

que apoya al flujo residual. Por consiguiente, la fem inducida Ea, en el devanado de

la armadura es mayo cuando el generador entrega potencia que cuando está sin

carga. No obstante, el voltaje en las terminales, Vt es más bajo que la fem inducida

debido a

a) La caída de voltaje a través de la resistencia de la armadura, Ra, la resistencia

del devanado en campo en serie Rs.

b) La acción de desmagnetización por la reacción de la armadura.

Como las caídas de voltaje a través de las resistencias y la reacción de la armadura

son funciones de la corriente de carga, la fem inducida y también el voltaje en las

terminales dependen de la corriente de carga.

Figura 6.

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Las ecuaciones que rigen su operación en estado estable son:

Donde 𝐼𝑠 es la corriente del devanado de campo en serie, 𝑅𝑠 es la resistencia del

campo devanado del campo en serie e 𝐼𝑑 es la corriente en la resistencia del

devanado para el campo en serie, 𝑅𝑑.

Generadores con excitación Shunt o derivación.

Un generador con excitación en derivación es una máquina cuyo devanado de

campo en derivación está conectado en paralelo a las terminales de la armadura, de

modo que el generador puede ser autoexcitado (Figura 7). La ventaja principal de

esta conexión es que elimina la necesidad de una fuente externa de excitación.

La autoexcitación se logra cuando se pone en marcha un generador en derivación,

se induce un pequeño voltaje en la armadura, producido por el flujo remanente en

los polos. Este voltaje produce una pequeña corriente de excitación Ix en el campo

en derivación. La pequeña fmm resultante actúa en la misma dirección que el flujo

remanente, y hace que el flujo por polo aumente. El flujo incrementado aumenta

Eo, el cual incrementa Ix, ésta aumenta aún más el flujo, el cual incrementa aún más

Eo, y así sucesivamente. Este incremento progresivo continúa hasta que Eo alcanza

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un valor máximo determinado por la resistencia del campo y el grado de

saturación. Vea la siguiente

sección.

Sin carga, la corriente en la armadura es igual a la corriente del campo. Con carga,

la corriente en la armadura suministra la corriente de carga y la corriente de campo.

El generador shunt es capaz de crecer el voltaje en las terminales en tanto

permanezca algún flujo residual en los polos del campo.

El esquema de conexiones de este generador es mostrado en la figura 8; en este caso

el devanado inductor está conectando en paralelo con el inducido, y se regula la

excitación por medio de un reóstato conectado en serie con el inductor.

Figura 7.

Figura 8.

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Análisis del circuito del generador Shunt.

Las ecuaciones que rigen la operación de un generador shunt en estado estable son

las siguientes.

El voltaje en las terminales de un generador en derivación autoexcitado disminuye

más abruptamente al incrementarse la carga que el de un generador con excitación

independiente. La razón es que la corriente de campo en una máquina con

excitación independiente permanece constante, mientras que en un generador

autoexcitado la corriente de excitación se reduce a medida que el voltaje en las

terminales se reduce. En un generador autoexcitado, la caída de voltaje sin carga y a

plena carga es aproximadamente de 15 por ciento del voltaje a plena carga,

mientras que en un generador con excitación independiente casi siempre es de

menos de 10 por ciento. Se dice que la regulación de voltaje es de 15 y 10%,

respectivamente.

Figura 9.

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Generadores con excitación compuesta o compound (conmutativo y

diferencial).

Las características de descenso de un generador shunt y el de ascenso de un

generador serie brinda la motivación suficiente para teorizar acerca de la posibilidad

de una característica externa mejor con la fusión de los dos tipos de generadores

juntos es como transformar dos generadores en uno solo con buen

comportamiento.

El generador compuesto fue desarrollado para evitar que el voltaje en las terminales

de un generador de cd disminuyera al incrementarse la carga. Por lo tanto, aun

cuando en general se puede tolerar una caída razonable del voltaje en las terminales

conforme se incrementa la carga, éste es un efecto serio en circuitos de iluminación.

Por ejemplo, el sistema de distribución de un buque suministra energía tanto a

maquinaria de cd como a lámparas incandescentes. La corriente suministrada por el

generador fluctúa continuamente, en respuesta a las cargas variables. Estas

variaciones de corriente producen cambios correspondientes en el voltaje en las

terminales del generador, lo que provoca que las luces parpadeen. Los generadores

compuestos eliminan este problema.

Un generador compuesto (Figura 10) es similar a un generador en derivación,

excepto que tiene bobinas de campo adicionales conectadas en serie a la armadura.

Estas bobinas de campo en serie se componen de varias vueltas de alambre grueso,

suficientemente grande para transportar la corriente de la armadura. Por ello, la

resistencia total de las bobinas en serie es pequeña.

Cuando el generador funciona sin carga, la corriente de las bobinas en serie es cero.

Las bobinas en derivación, sin embargo, transportan corriente de excitación Ix, la

cual produce el flujo en el campo, justo como en un generador en derivación

autoexcitado estándar. A medida que el generador se carga, el voltaje en las

terminales tiende a disminuir, pero ahora la corriente de carga Ic fluye a través de

las bobinas de campo en serie.

Figura 10. Generador

compuesto bajo carga. El voltaje

en las terminales permanece

prácticamente constante en

condiciones sin carga y a plena

carga.

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La fmm desarrollada por estas bobinas actúa en la misma dirección que la fmm del

campo en derivación. Por consiguiente, el flujo en el campo bajo carga se eleva por

encima de su valor original sin carga, el cual eleva el valor de Eo. Si las bobinas en

serie están diseñadas de manera adecuada, el voltaje en las terminales permanece

prácticamente constante en condiciones sin carga y a plena carga.

En la figura 11 se representa el esquema de circuito de este tipo de generador, que

puede hacerse con corta o larga derivación. Generalmente las fmm de los

devanados serie y derivación suelen ser del mismo signo.

Cuando el devanado del campo shunt se conecta directamente en las terminales de

la armadura, se llama generador compuesto en derivación corta, En un generador

de este tipo (figura 12), el devanado del campo en serie lleva la corriente de carga

en ausencia de una resistencia desviadora para el campo. Se dice que un generador

compuesto en derivación larga si el devanado de campo shunt se conecta en

paralelo con la carga.

Figura 11. Generador compound

Figura 12.

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Ecuaciones fundamentales que rigen el comportamiento en estado estable de los

generadores compuesto en derivación corta y scompuesto en derivación larga

respectivamente.

Figura 13.

Figura 14. Comparación de los

voltajes en las terminales

ajustado para valor especificado

en los diferentes generadores de

cc.

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1.4 Construcción y tipo de devanados en el generador de C.D.

En la figura 5.2 se muestra la sección transversal de una máquina tetrapolar de cc. Se

identifican sólo sus componentes principales, que se describen a continuación.

Estator

El estator de una máquina de cc proporciona el apoyo mecánico para la máquina, y

consta del yugo y los polos (o polos del campo). El yugo desempeña la función

básica de proveer una trayectoria sumamente permeable para el flujo magnético.

Para máquinas grandes, el yugo se construye con partes hechas con acero fundido.

Los polos se montan dentro del yugo y se diseñan en forma apropiada para recibir

los devanados del campo. A menudo los polos del campo están elaborados con

láminas (laminaciones) delgadas que se apilan juntas, con lo que se busca reducir al

mínimo las perdidas magnéticas debidas a la proximidad de los polos con el flujo de

la armadura. Para las maquinas grandes, los polos del campo se constituyen por

separado y después se atornillan al yugo.

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En la figura 5.3 se muestra un polo del campo y un devanado del campo típicos. El

área de la sección transversal del polo del campo es más pequeña que el área

correspondiente de la zapata polar. Esto se hace para:

a) Proporcionar lugar suficiente para el devanado de campo.

b) Disminuir la longitud por devanado del conductor y así reducir su peso y

costo.

La zapata polar ayuda a esparcir el flujo en la región del entrehierro.

Entrehierro: El entrehierro es el pequeño espacio entre la armadura y los polos.

Varía de 1.5 a 5 mm conforme la capacidad del generador se incrementa de 1 a 100

Kw

Devanado de campo o estator.

Las bobinas del campo están devanadas en los polos, de forma que éstos alternan su

polaridad. Existen dos tipos de devanado del campo: un devanado de campo shunt

y un devanado del campo serie.

a) El devanado del campo shunt tiene muchas vueltas de alambre delgado y

recibe ese nombre porque se conecta en paralelo con el devanado de la

armadura.

b) El devanado del campo serie, se conecta en serie con el devanado de

armadura y tiene pocas vueltas de conductor grueso.

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Una máquina de cc puede tener ambos devanados del campo arrollados en el

mismo polo.

Armadura o rotor.

La armadura es la pieza rotatoria de un generador de cd. Consiste en un

conmutador, un núcleo de hierro y un juego de bobinas (Fig. 4.30). La armadura va

montada en un eje por medio de una chaveta y gira entre los polos de campo. El

núcleo de hierro se compone de laminaciones de hierro ranuradas y apiladas que

forman un núcleo cilíndrico sólido.

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Las laminaciones están recubiertas individualmente con una película aislante para

evitar que entren en contacto eléctrico entre sí. De esta manera se reducen las

pérdidas por corrientes parásitas. Las ranuras están alineadas para proporcionar el

espacio necesario para insertar los conductores de la armadura.

Su sección transversal es circular y está hecha con laminaciones delgadas, muy

permeables y aisladas eléctricamente, las cuales se encuentran apiladas y montadas

en forma rígida sobre el eje. La alta permeabilidad asegura una trayectoria de

reluctancia baja para el flujo magnético; el aislamiento eléctrico reduce las corrientes

parásitas en el núcleo de la armadura. (Figura 4.31)

Las laminaciones tienen ranuras auxiliares en sus periferias para alojar las bobinas de

la armadura (devanado de la armadura), Por lo común se utiliza un conductor de

cobre para las bobinas de la armadura debido a su baja resistividad.[5]

Los conductores de la armadura conducen la corriente de carga suministrada por el

generador. Están aislados del núcleo de hierro por medio de varias capas de papel o

mica y están firmemente sujetos en su lugar mediante tiras de fibra. Si la corriente de

la armadura es de menos de 10 A, se utiliza alambre redondo; pero si excede los 20

A, se prefieren los conductores rectangulares porque aprovechan mejor el espacio

disponible en las ranuras. [5]

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Conmutador.

El conmutador se compone de un ensamble de segmentos de cobre ahusados,

aislados entre sí por medio de hojas de mica y montados en el eje de la máquina

(Fig. 4.33). Los conductores de la armadura están conectados al conmutador.

Está montado rígidamente sobre el eje. Un extremo de dos bobinas de la armadura

está conectado eléctricamente a un segmento de cobre del conmutador. La forma

en que cada bobina se conecta al segmento del conmutador define el tipo de

devanado de la armadura. Básicamente hay dos tipos de devanados de la armadura:

a) El devanado imbricado o de lazo

b) El devanado ondulado.

El devanado de armadura es el corazón de una máquina de cc. Se trata de

devanado en el que se induce la fem (acción generadora) y se desarrolla el par

(acción motora).

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El conmutador es un dispositivo muy bien concebido que cumple la función de un

rectificador. Convierte la fem alterna inducida en las bobinas de la armadura en un

voltaje cc.[5]

Es necesario tener mucho cuidado al construir el conmutador, ya que cualquier

excentricidad hará que las escobillas reboten y se produzcan chispas indeseables. Las

chispas queman las escobillas y sobrecalientan y carbonizan el conmutador.[4]

Escobillas.

Las escobillas están sujetas en posición fija sobre el conmutador por medio de

portaescobillas. Dentro del portaescobilla un resorte ajustable ejerce una presión

constante sobre la escobilla con objeto de mantener un contacto apropiado entre

éstas y el conmutador. La presión de la escobilla debe ser precisamente la requerida,

pues si fuera baja el contacto entre ellas y el conmutador sería deficiente, lo cual

produciría chispas en exceso y el conmutador se quemaría. Por otro lado,

demasiada presión ocasionaría un desgaste excesivo de la escobilla u el

sobrecalentamiento del conmutador por fricción.

Las escobillas son de carbón porque éste tiene una buena conductividad eléctrica y

por su blandura no raya el conmutador. Para mejorar la conductividad, en

ocasiones se mezcla una pequeña cantidad de cobre con el carbón. La presión de las

escobillas se regula por medio de resortes ajustables.

Aunque los portaescobillas están monados en la campana externa, están aislados

eléctricamente de eslla. Una escobilla está conectada eléctricamente a su

portaescobilla por medio de un conductor de cobre trenzado que se llama soguilla

o trenza. Mediante los portaescobillas es posible establecer la conexión entre el

circuito externo y las bobinas de la armadura.

Un generador de 2 polos tiene dos escobillas fijas diametralmente opuestas entre sí

(Fig. 4.34a). Se deslizan sobre el conmutador y garantizan un buen contacto

eléctrico entre la armadura rotatoria y la carga externa estacionaria. Las máquinas

de varios polos poseen los mismos juegos de escobillas que polos. Los juegos de

escobillas, a su vez, se componen de una o más escobillas, según la corriente que se

tenga que conducir.

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En la figura 4.35c, por ejemplo, dos escobillas montadas una al lado de la otra

forman el juego. Los juegos de escobillas están colocados a intervalos iguales

alrededor del conmutador. Están sostenidos por una corona móvil que permite que

todo el ensamble de escobillas sea girado un ángulo y luego fijado en la posición

neutra. Al deslizarse por el conmutador, los juegos sucesivos de escobillas tienen

polaridades positivas y negativas. Las escobillas que tienen la misma polaridad están

conectadas entre sí y los conductores se conectan a las terminales positiva y negativa

(Fig. 4.34b).

Tipos de devanado en el generador de cc.

Se denominan devanados de una máquina eléctrica a los arrollamientos del inductor

y del inducido. El material para la realización de las bobunas suele ser el cobre en

forma de hilo esmaltado (la misión del aislante es ofrecer una separación eléctrica

entre las espiras) en las máquinas pequeñas y en forma de pletina para las máquinas

de gran potencia, cuyo aislamiento se realiza recubriéndolas con cinta de algodón.

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Los inducidos en las máquinas de ca y cc se ejecutan en forma de arrollamientos

distribuidos para cubrir toda la periferia de la máquina, situando las bobinas en las

ranuras practicadas al efecto.

En los albores de la electricidad estos arrollamientos se ejecutaban en forma de

devanado en anillo. Hoy día solamente se emplean los devanados en tambor,

donde la totalidad de los conductores están colocados en la superficie exterior del

cilindro ferromagnético que forma el inducido.

Los devanados pueden ser abiertos o cerrados; los devanados abiertos tienen un

principio y un final y se emplean en las máquinas de ca; los devanados cerrados no

tienen principio ni fin, y para sacar la corriente al exterior deben hacerse tomas

intermedias (por medio de delgas), y este tipo de devanado se emplea en las

máquinas cc.

Desde el punto de vista de la forma de las bobinas, los devanados pueden

clasificarse en concéntricos y excéntricos (empleados en ca) y también en ondulados

e imbricados (empleados en cc). La periferia externa de la armadura tiene varias

ranuras en las que las bobinas se montan o se devanan. En general, estas ranuras

están aisladas con papel pescado para proteger los devanados. Cada bobina puede

tener muchas vueltas de conductor de cobre esmaltado (aislado), comúnmente

llamado alambre magneto.

El devanado más usado es el de dos capas. El número de bobinas para el devanado

de dos capas es igual al número de ranuras de la armadura. Así, cada ranura de la

armadura tiene dos lados de dos bobinas diferentes. Los devanados automáticos

devanan ambos lados de una bobina, bien en la mitad inferior o en la superior de

las dos ranuras. Cuando se montan en las ranuras las bobinas preformadas, un lado

de la bobina se sitúa en la mitad inferior y el otro en la mitad superior. Este método

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no solo resulta en el montaje simétrico de las bobinas, sino que también asegura que

todas las bobinas sean eléctricamente equivalentes.

Cuando el número de ranuras no es divisible entre el número de polos ni siquiera es

posible devanar una bobina de paso completo. En ese caso, puede emplearse el

paso máximo posible como paso fraccionario de la bobina.

𝑦 = valor entero de (𝑆

𝑃)

Donde y es el paso de la bobina en ranuras, S el número de ranuras en la armadura

y P el número de polos en la máquina.

Ejemplo

La armadura de una máquina de cc tiene 10 ranuras. Calcule el paso de la bobina

para un devanado de a)dos polos y b)cuatro polos.

1. Para una máquina bipolar, las ranuras por polo son

𝑦 = (10

2) = 5

2. Para una máquina tetrapolar, las ranuras por los polos son

𝑦 = (10

4) = 2.5 = 2

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Devanado imbricado o lazo.

En una máquina con devanado imbricado los dos extremos de una bobina están

conectados a segmentos adyacentes del conmutador.

Para las armaduras con devanado imbricado simple, los pasos anteriores y

posteriores pueden calcularse como sigue

𝑦𝑓 = (2𝐶

𝑃) + 1

Para devanados progresivos,

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En resumen, el número de escobillas y de trayectorias paralelas en una máquina con

devanado imbricado es igual a su número de polos.

Devanado ondulado.

El devanado ondulado difiere del imbricado únicamente en cómo se conectan las

bobinas a los segmentos del conmutador. En el devanado ondulado, los dos

extremos de una bobina se encuentran conectados a los segmentos del conmutador

que están separados aproximada, no exactamente 360° eléctricos (paso de dos

polos). Esto se hace para garantizar que el devanado completo se cierra sobre sí

mismo una sola vez. Al hacer las conexiones separadas casi en pasos de dos polos, se

conecta en serie solo las bobinas que están bajo los polos con la misma polaridad. Es

decir, una bobina bajo un polo norte, se conecta con otra situada en forma

comparable bajo el polo norte siguiente y así sucesivamente.

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Para que el devanado ondulado simple:

1. El paso del conmutador puede ser un poco mayor o menos que 360°

eléctricos.

2. Después de pasar una vez alrededor del conmutador, la última bobina

debe estar un segmento adelante (progresivo) o un segmento atrás

(regresivo) respecto del segmento inicial.

El número de segmentos del conmutador para un devanado ondulado simple:

𝐶 = 𝑦𝑐 (𝑃

2) ± 1

Donde C es el número total de segmentos del conmutador, 𝑦𝑐 es el paso del

conmutador (un número entero) y P es el número de polos. El signo más o menos

es para indicar el devanado (progresivo o regresivo).

También

𝑦𝑐 =𝐶 ± 1

𝑃2

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Para entender mejor los generadores de varios polos, examinemos la construcción

de una máquina de 12 polos. La figura 4.38a es el diagrama esquemático de una

máquina como esa que tiene 72 ranuras en la armadura, 72 segmentos en el

conmutador y 72 bobinas.

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La armadura tiene un devanado imbricado o de lazo y el lector notará cuán

parecido es al diagrama esquemático de una máquina de 2 polos (Fig. 4.11b).

En la figura 4.38a las bobinas A y C están momentáneamente en la zona neutra,

mientras que la B corta el flujo que proviene del centro de los polos. El ancho de la

bobina (conocido como paso en la bobina) es tal que los costados de la bobina

cortan el flujo que viene de los polos N, S adyacentes. Por lo tanto, los costados de

la bobina B quedan debajo del centro del polo 2 y del centro del polo 3. Asimismo,

los costados de la bobina A están en las zonas neutras entre los polos 1, 2 y los

polos 2, 3. El voltaje generado entre las escobillas x y y es igual a la suma de los

voltajes generados por las cinco bobinas conectadas a los segmentos del

conmutador 1-2, 2-3, 3-4, 4-5 y 5-6. Los voltajes entre los demás juegos de

escobillas también son generados de la misma manera por cinco bobinas.

Los juegos de escobillas (+) están conectados entre sí para formar la terminal (+).

Los juegos de escobillas (−) están conectados del mismo modo para formar la

terminal (−). Estas conexiones no se muestran en el diagrama. Por las mismas

razones de simplicidad, no se muestran los interpolos que están colocados entre los

polos N, S. La figura 4.38b proporciona una vista detallada de las bobinas de la

armadura que quedan entre las escobillas x y y. Sólo se muestran las bobinas A, B y

C para no complicar el diagrama. Los costados de la bobina A están en las ranuras 1

y 7, mientras que los de la bobina B están en las ranuras 4 y 10. Además, la bobina

A está conectada a los segmentos 72 y 1 del conmutador, mientras que la B está

conectada a los segmentos 3 y 4.

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En la posición mostrada, los costados de la bobina A están en la zona neutra entre

los polos. De esta manera, no se induce ningún voltaje en la bobina A. Por otra

parte, los costados de la bobina B están directamente debajo de los polos N y S. El

voltaje en la bobina B es el máximo en este momento. Por lo tanto, el voltaje entre

los segmentos adyacentes 3 y 4 del conmutador es el máximo. El voltaje en la

bobina C también es cero porque sus costados barren la zona neutra. Observe que

cada una de las escobillas positivas y negativas ponen en cortocircuito las bobinas

que tienen un voltaje inducido cero.

Bibliografía:

[1] (Matthew N. O. Sadiku ; Elementos de Electromagnetismo; 3ra Edición; Oxford;

México; 2002; Cap. 9, pág: 370, 371)

(Wildi, Theodore; Máquinas Eléctricas y Sistemas de Potencia; 6ta Edición; Pearson

Prentince Hall; México; 2007).

(Guru, Bhag S.; Máquinas Electricas y Transformadores; 3ra Edición; Alfaomega;

México; 2006)

(Fraile Mora, Jesús; Máquinas eléctricas; 5ta Edición; McGraw Hill; España; 2003)

(Chapman, Stephen J.; Máquinas Eléctricas, 3ra Edición, McGraw Hill;)

[2] https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Lenz

[3] https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Amp%C3%A8re