Idiomas
Páginas
Jurídico
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina i
UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERA MECNICA ELCTRICA
DESCRIPCIN GENERAL DE LAS MQUINAS DE CORRIENTE DIRECTA
MONOGRAFA
Que para obtener el ttulo de: INGENIERO MECNICO ELCTRICISTA
PRESENTA: FLIX RAMOS OLOARTE
DIRECTOR: ING. AUGUSTO FERNNDEZ RAMREZ
XALAPA, VER. AGOSTO 2011
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina ii
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina iii
EL PRESENTE TRABAJO EST DEDICADO
CON AMOR A MIS FAMILIARES AMIGOS y
MAESTROS QUE CON SU APOYO Y
COMPRENSIN HICIERON POSIBLE SU
REALIZACIN.
LES AGRADEZCO A LOS MAESTROS QUE NO
SLO ME BRINDARON SU APOYO EN LA
REALIZACIN DE ESTA MONOGRAFA
TAMBIN RECIB SU VALIOSA AYUDA EN EL
TRANSCURSO DEL TIEMPO EMPLEADO
PARA CURSAR TODA LA CARRERA
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina iv
Monografa para obtener el ttulo
de Ingeniero Mecnico Elctrico
titulada
Descripcin general de las
mquinas de corriente directa
Presenta
Ramos Oloarte Flix
Xalapa ver. Agosto de 2011
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina v
Introduccin
Captulo 1 Historia de las mquinas de Corriente
Directa
Captulo 2 Descripcin y componentes de las maquinas
de Corriente Directa
Captulo 3 Tipos de mquinas de Corriente Directa
Captulo 4 Prdidas en las mquinas de Corriente
Directa
Captulo 5 Problemas con el funcionamiento en las
mquinas de Corriente Directa
Captulo 6 Mantenimiento de las mquinas de Corriente
Directa
Conclusiones
Bibliografa
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina vi
Contenido
Hoja de presentacin i
Documento de aprobacin ii
Dedicatoria y agradecimiento iii
Contenido breve v
Contenido vi
Introduccin 1
Captulo 1 Historia de las mquinas de corriente directa 6
1.1 Leyes fundamentales 12
Ley de induccin de Faraday 12
13
Ley del circuito del campo magntico 15
Fuerzas ejercidas sobre los conductores de un campo
magntico (ley de Biot Savart) 17
Captulo 2 Descripcin y componentes de las mquinas de
corriente directa 22
2.1 Principios de funcionamiento de los generadores 22
2.2 Caractersticas de los motores de corriente directa 28
2.3 Componentes de las mquinas de corriente directa 29
Estator 30
Fuerza electromotriz de autoinduccin y de
induccin mutua
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina vii
Carcasa 33
Piezas polares 33
Devanado inductor 34
Expansin polar 34
Polo auxiliar o de conmutacin 34
Culata 35
Base 35
Tapas 35
Rotor armadura 36
Eje del rotor 37
Armadura 38
Devanado inducido 39
Bobinas del rotor 40
Devanado imbricado 43
Devanado ondulado 44
Devanado pata de rana 46
Ncleo del inducido 46
Conmutador 47
Escobillas 48
Entrehierro 49
Cojinetes 49
Caja de conexiones 51
Carcasa 51
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina viii
Placa de caractersticas 52
Captulo 3 Tipos de mquinas de corriente directa 62
3.1 Dnamo tipo shunt 63
3.2 Dnamo serie 66
3.3 Dnamo compound 67
3.4 Generador de tres hilos 72
3.5 Generador homopolar 73
3.6 Generador con escobillas de regulacin 74
3.7 Generador con polos en derivacin 75
3.8 Generador para soldadura elctrica 76
3.9 Aplicaciones de los generadores 77
3.10 Motores de corriente directa 79
3.11 Motores de corriente directa de imn permanente 79
3.12 Motores de corriente directa sin escobillas 80
3.13 Servomotores de corriente directa 80
3.14 Motores de corriente directa con campo devanado 81
3.15 Motores en derivacin 81
3.16 Motor devanado serie 83
3.17 Motor compound 84
3.18 Motor WEG 84
3.19 clasificacin de las mquinas segn la NEMA 86
3.20 Aplicaciones de los motores de corriente directa 88
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina ix
Captulo 4 Prdidas en las mquinas de corriente directa 93
4.1 Prdidas debidas al flujo principal 96
Prdidas en el hierro del rotor 96
Prdidas en las caras del polo 98
4.2 Prdidas en el cobre 99
4.3 Prdidas debidas a la corriente en el inducido 100
Prdidas por efectos Skin 100
4.4 Prdidas por rozamiento y resistencia del aire 102
4.5 Prdidas mecnicas 103
4.6 Prdidas diversas o varias 103
Capitulo 5 problemas en las mquinas de corriente directa 105
5.1 Problemas de conmutacin en mquinas reales 105
5.2 Solucin a los problemas de conmutacin 107
Corrimiento de las escobillas 107
Polos auxiliares 108
Devanados de compensacin 109
5.3 Operacin en paralelo de las mquinas de corriente directa 109
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina x
Acoplamiento en paralelo de dos dnamos shunt 114
Acoplamiento en paralelo de dos dnamos compound 116
Captulo 6 Mantenimiento a las mquinas de corriente directa 120
6.1 mantenimiento predictivo 123
Datos de placa 123
Inspeccin visual 123
Anlisis de rodamientos 123
Anlisis de vibraciones 123
Informe final 123
6.2 Reparacin de las mquinas 124
Reparacin del inducido 125
Ajustar la longitudinal del eje 125
Ajuste de las delgas del colector 125
Rebobinado del inducido 126
Equilibrio del inducido 126
Reparacin de los cojinetes 126
6.3 Como implementar un ptimo mantenimiento 127
Mantenimiento 127
Documentacin tcnica 127
Historial del mantenimiento 128
Modificaciones 128
Reparaciones 128
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina xi
Paradas y horas de funcionamiento 128
Actualizaciones 129
Uso de ideologas en el mantenimiento de las mquinas de Corriente directa 129 Conclusiones 132
Bibliografa 134
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 1
Introduccin
El desarrollo del presente trabajo se hace en relacin con el principio de
funcionamiento de las distintas versiones de mquinas elctricas de corriente
directa que existen, dado el amplio campo para el cual son utilizadas. El
entendimiento de las mquinas de corriente continua, permiten no solo a los
ingenieros si no a las personas en general una eficaz eleccin adems de la
posibilidad de evitar situaciones en las que se produzcan accidentes a causa del
uso u operacin inadecuada de los equipos que trabajan con este tipo de energa.
En nuestra vida ha tomado gran importancia le energa elctrica utilizada en la
iluminacin que sera casi imposible vivir sin ella. En muchos momentos de
nuestra vida estamos en contacto con linternas, encendidos de automviles,
radios porttiles, reproductores de audio y video, computadoras porttiles,
celulares, etc. Los cuales utilizan bateras como fuente de electricidad. Para estos
aparatos la energa tomada de la batera es relativamente baja, por lo cual, la
batera nos suministra corriente durante un periodo relativamente largo de tiempo
sin necesidad de cargarla nuevamente. Las bateras trabajan en buenas
condiciones cuando alimentan a dispositivos que consumen poca potencia. En la
actualidad existe gran variedad de bateras pero no son capaces de alimentar
dispositivos que requieren una potencia considerable para su funcionamiento.
La mayor parte de los equipos elctricos requieren grandes cantidades de
corriente y tensiones altas para poder funcionar. Por ejemplo, las luces de los
automviles y los motores, requieren tensiones e intensidades de corriente
mayores a las que puede suministrar una batera comn para su normal
funcionamiento.
Por esto se requieren fuentes de electricidad que no sean bateras para abastecer
grandes cantidades de corriente. Estas grandes cantidades de corriente las
suministran ms mquinas elctricas rotativas que reciben el nombre de
generadores dinamoelctricos. Los generadores dinamoelctricos pueden
suministrar corriente continua para canalizarla a la utilizacin especfica que
requiera el usuario. El generador puede disearse para altas o bajas corrientes.
Si faltara la energa elctrica que producen los generadores, el mundo actual
quedara prcticamente paralizado, ya que la mayora de las actividades que
realiza el ser humano depende en su totalidad de la energa elctrica. Si miramos
a nuestro alrededor nos daremos cuenta de la importancia de la corriente elctrica
que producen los generadores en nuestro mundo moderno, el sistema de
alumbrado, las fbricas y todos los procesos industriales estn accionados por la
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 2
corriente elctrica que producen los generadores. Los generadores son tan
importantes en la vida moderna, como el corazn en la vida de nuestro organismo.
Sabemos que se puede producir electricidad haciendo que un conductor atraviese
un campo magntico. Este es el principio de produccin de corriente de cualquier
generador, desde el ms pequeo hasta los gigantescos que producen miles de
kilovatios de potencia.
Los dispositivos elctricos que necesitan de la corriente continua son tan
importantes en nuestra vida como los que usan la corriente alterna. La corriente
continua presenta una gran ventaja sobre la corriente alterna, esta es que se
puede almacenar. La desventaja que presenta es que no es posible su transporte
a grandes distancia debido a la prdida que se presenta en los conductores al
menos que esta se transporte a muy elevados niveles de voltaje el cual representa
un costo muy elevado y casi imposible en su produccin.
Fig. 1 Gra utilizada
ampliamente en la industria
este tipo de mquina es
movida por un motor de
corriente directa.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 3
En los automviles se utiliza una batera para almacenar temporalmente la energa
elctrica para su uso posterior, el uso de la energa elctrica en los automviles es
de gran importancia ya que si ella sera imposible que nos pudiramos transportar
de un sitio a otro durante la noche en por lugares en los cuales no se dispone de
la corriente alterna para la iluminacin de caminos.
Fig. 2 Mquina herramienta que
usa un motor de corriente
directa, en la parte inferior tiene
un compartimiento para el
alojamiento de la batera la cual
brinda la energa necesaria para
su funcionamiento
Fig. 3 El automvil es un
ejemplo de donde usan
la corriente directa.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 4
La corriente continua no solo es de gran importancia en los dispositivos
mencionados, en la industria existen gran cantidad de procesos en los cuales es
fundamental tener una gran precisin en la velocidad. En lo cual los motores de
corriente directa tienen una gran aplicacin debido a la facilidad con la cual es
posible regular su velocidad.
Los generadores y motores de corriente directa que existen en la actualidad tienen
su aplicacin dependiendo de sus caractersticas ya que los primeros pueden
ofrecer un nivel bajo o alto de voltaje y la intensidad de corriente puede variar. Los
motores pueden ofrecer alto par de arranque aun cuando estn sometidos a
carga, segn la aplicacin que se tenga es la mquina que se va a elegir siempre
buscando hacer la mejor eleccin.
Fig. 6 Muestra de las bateras
existentes en el mercado para
alimentar de energa a las
linternas y a los motores de
Corriente directa de los juguetes.
Fig.5 Acople de un
Dinamo a una
bicicleta.
Fig. 4 Motor usado
comnmente en la industria
del papel.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 5
Fig. 7 En la imagen se puede
apreciar un motor de 200 HP.
Motor usado en la industria
papelera. La aplicacin de
este motor es debido a que se
requiere una velocidad
uniforme en los rodillos
utilizados ampliamente en
este tipo de industria.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 6
Capitulo 1. Historia de las mquinas de corriente directa
Durante 1831 y 1832 el britnico Michael Faraday descubre que un conductor
movindose en un campo magntico generaba una diferencia de potencial. La
ley de la induccin. Que inicio de fase al diseo construccin y operacin de
todas las mquinas electromagnticas y al mismo tiempo construye el primer
generador Homo Polar empleando un disco de cobre que giraba con ayuda de una
manivela entre los extremos de un imn con forma de herradura. Generndose
as una pequea corriente continua. Este diseo fue muy utilizado como generador
de energa elctrica en bicicletas para alimentar bombillas de poca intensidad
El dinamo fue el primer generador elctrico apto para uso industrial, pues el
primero basado en los principios de Faraday. Fue construido en 1832 por el
fabricante francs de herramientas Hippolyte Pixii quien perfeccion la
construccin de Faraday, su invento se basaba en el empleo de un imn
permanente que giraba por medio de una manivela. Este imn estaba colocado de
forma que sus polos norte y sur pasaban al girar junto a un ncleo de hierro con
un cable elctrico enrollado (como un ncleo y una bobina). Pixii descubri que el
imn giratorio produca un pulso de corriente en el cable cada vez que uno de los
polos pasaba junto a la bobina; cada polo inducia una corriente en sentido
contrario, esto es, una corriente alterna. Aadiendo al esquema un conmutador
elctrico situado en el mismo eje de giro del imn, Pixii convirti la corriente
alterna en corriente continua.
En 1831 aparece el primer generador britnico, inventado por Michael Faraday. En
1836 Hippolyte Pixii, un francs que se dedicaba a la fabricacin de instrumentos,
tomando como base los principios de Faraday, construy la primera dinamo,
llamada Pixiis dynamo. Para ello se utiliz un imn permanente que se giraba
mediante una manivela. El imn se coloc de forma que sus polos norte y sur
quedaran unidos por un pedazo de hierro envuelto con un alambre. Entonces se
di cuenta que el imn produca un impulso de corriente elctrica en el cable cada
vez que transcurra un polo de la bobina. Para convertir la corriente alterna a una
Fig. 8 Generador Homopolar de
Michael Faraday.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 7
corriente directa ide un colector que era una divisin de metal en el eje del
cilindro, con dos contactos de metal.
A partir de estos dos generadores de laboratorio durante 30 aos se construiran
innumerables generadores experimentales con el fin de sustituir con gran ventaja
las bateras usadas en varias aplicaciones de la energa que se estaba
desarrollando en esa poca.
En 1849 la casa Alliance construye un generador de imanes permanentes
(magnetoelctrico) de Florise Nollet. La bobina del inducido est montada sobre
un tambor que gira entre un gran nmero de imanes permanentes. A pesar de ser
muy aparatoso, se comenz a utilizar en las industrias de dorado y plateado, as
como para alimentar las primeras lmparas elctricas de arco que se instalaron en
los faros usados en esa poca.
En 1860 Antonio Pacinotti, un cientfico italiano, ide otra solucin al problema de
la corriente alterna. Resolvi esto reemplazando la bobina giratoria por una de
Fig. 9 Dnamo de
Pixii
Fig. 10 Generador creado por
Florise Nollet
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 8
forma toroidal, as, siempre estaba una parte de la bobina influida magnticamente
por los imanes, suavizando la corriente.
En 1865 un hombre llamado Henry Wilde sustituye los imanes permanentes por
electroimanes, cuyas bobinas inductoras se alimentan por medio de una fuente
exterior, que puede ser una batera de pilas elctricas o un generador
magnetoelctrico ms pequeo, llamado excitatrz. Las tensiones que de este
modo se obtienen en el inducido son considerablemente mayores.
En 1867Georg Wilhelm Von Siemens inventa e introduce a la mquina dnamo
elctrica la excitacin propia lo que hace que aumente el empleo de los
embobinados de anillo cerrado pues hasta esa fecha se haba usado una fuente
externa para la excitacin. Al mismo tiempo que Georg Wilhelm Von siemens
introduca la excitacin propia Helmer Atlenek introduca el uso del inducido con
embobinado en forma de tambor con los conductores perifricos concentrado en
forma apropiada.
En 1871 Znobe dise la primer central comercial de plantas de energa, que
operaba en pars en la dcada de 1870. Una de sus ventajas fu la de idear un
mejor camino para el flujo magntico, rellenando el espacio ocupado por el campo
magntico con fuertes ncleos de hierro y reducir al mnimo las diferencias entre el
aire inmvil y las piezas giratorias. El resultado fue la primera dinamo como
mquina para generar cantidades comerciales de energa para la industria.
La dnamo de Gramme
Los diseos de Faraday y Pixii sufran del mismo problema: inducan picos
repentinos de corriente slo cuando los polos norte o sur del imn pasaban cerca
de la bobina; la mayor parte del tiempo no generaban nada.
Fig. 11 Dnamo de
Pacinotti
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 9
Posteriormente Znobe Gramme reinvent el diseo al proyectar los primeros
generadores comerciales a gran escala, que operaban en pars en torno a 1870.
Su diseo se conoce como la dinamo de Gramme cuya configuracin se extiende
rpidamente a todas las aplicaciones industriales.
En 1872 se logro hacer una mquina con inducido de tambor de Siemens, de
menores dimensiones y mayor eficacia que el inducido de anillo. Es el primer
generador de grandes dimensiones que se aproxima en su construccin a los
dinamos actuales.
Fig. 13 Dnamo de
Gramme
Fig. 14 Generador creado por
Siemens.
Fig. 12 Arrollamiento de
Grame
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 10
A partir de entonces se han realizado nuevas versiones con mejoras, pero el
concepto bsico de bucle giratorio sin fin permanece en todas las dinamos
modernas.
Uno de los usos ms comunes que se le dio a la dinamo fue el de generador de
energa elctrica para el automvil. A medida que, desde el principio del siglo XX,
los automviles se iban haciendo ms complejos, se demostr que los sistemas
de generacin de energa elctrica con los que se contaba (principalmente
magnetos) no eran suficientemente potentes para satisfacer las necesidades del
vehculo. Esta circunstancia favoreci la implantacin paulatina de la dinamo en el
mismo.
En 1905 Norggeranth construyo para la General Electric una mquina Homo
Polar que servira de modelo para construir algunos de mayor capacidad que
generan de 300 a 500 volts y que giran a 3000 rpm.
Mientras tanto, a pesar de los primeros motores de corriente continua de tipo
experimental, desarrollados por Barlow (1822), Henry (1831), Jacobi (1845),
Froment (1845), Deprez (1865), todos ellos alimentados con pilas y basados en la
atraccin y repulsin entre imanes o electroimanes, en esa poca la gente se
encontraba desanimada por tener gran dificultad al intentar construir motores
elctricos de aplicacin industrial suficientemente eficaces.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 11
Hasta esa poca a nadie haba descubierto o se le haba ocurrido que los
generadores elctricos de corriente continua pueden reversibles y que es posible
utilizarlos como motores. Parece ser que dicho descubrimiento se di como
consecuencia de una avera que se produjo durante la Exposicin Universal de
Viena de 1873.
Una vez conocido el principio de reversibilidad de los generadores de corriente
continua, la aplicacin de los motores elctricos con inducido de tambor tipo
Siemens se extendi a mltiples aplicaciones industriales y de traccin (mquinas
agrcolas, gras). La consagracin definitiva de los motores de corriente directa
vino con la construccin de la primera locomotora elctrica para remolcar
vagonetas con carbn en las minas alemanas, por parte de Siemens y Halske, en
el ao de 1879. Fue presentada en la Exposicin Universal de Berln, en una
demostracin pblica en la que arrastraba tres vagonetas con 6 personas cada
una. El desarrollo de la traccin elctrica en tranvas y ferrocarriles fue en adelante
muy rpido, hasta el punto de que en menos de 20 aos se dispuso de
locomotoras capaces de alcanzar hasta los 200 Km/h.
Fig. 15 Motor usado en la
industria en un principio.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 12
1.1 Leyes fundamentales
Todas las mquinas elctricas, tanto las de corriente continua como las de
corriente alterna, funcionan segn los mismos principios bsicos y slo unas
pocas leyes fundamentales gobiernan el comportamiento de estas mquinas. Es
conveniente tener un conocimiento sobre estas leyes fundamentales para el
estudio de las mquinas elctricas.
1.- Ley de induccin de Faraday.
2.- Ley de Kirchhoff del circuito elctrico.
3.- Ley del circuito del campo magntico (ley de Ampere).
4.- Ley de la fuerza ejercida sobre un conductor en un campo magntico (ley
de Biot y Savart).
1.- Ley de induccin de Faraday. Fuerza electromotriz inducida en un circuito
conductor cerrado debido al flujo producido por un imn. La ley de induccin de
Faraday establece: si el flujo magntico concatenado con un circuito conductor
cerrado vara, se induce una fuerza electromotrz en el circuito.
Si representa el flujo concatenado con el circuito y la variacin de flujo
durante el tiempo entonces el valor de la f.e.m. inducida es proporcional a la
velocidad de variacin del flujo,
Fig. 16 Tren movido por uno de los primeros motores de
corriente directa.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 13
El sentido de la f.e.m. inducida viene determinado por la ley de Lenz, lo cual
establece que la intensidad producida por la f.e.m. inducida se opone a la
variacin del flujo.
e = - Volts
La ley de induccin de Faraday, ecuacin anterior, puede interpretarse tambin
de otra manera. En esta interpretacin, es la f.e.m. total inducida en el circuito
cerrado; o sea, si dicho circuito estuviera abierto en algn lugar y se insertara un
oscilgrafo, el valor de medido en cada instante debera ser el del circuito
completo. En realidad, es la suma de todas las f.e.m. elementales, , que se
inducen en los elementos individuales, , del circuito, la ecuacin mencionada se
puede escribir de la siguiente forma
e = - Volts.
Donde es el componente de la intensidad de campo elctrico en el sentido de
. Estas ecuaciones establecen que cada variacin en las lneas de flujo
concatenadas a un circuito produce un campo elctrico en el circuito, y la integral
curvilnea de la intensidad de este campo elctrico (la f.e.m. inducida) es igual a
- .
2.- Fuerza electromotriz de autoinduccin y de induccin mutua. En el
apartado anterior se expuso que s el flujo se produce mediante un imn y la
variacin del flujo concatenado se debe al movimiento relativo entre una bobina y
un imn. Segn la ley de induccin de Faraday, es slo una variacin del flujo
concatenado lo que hace que aparezca una f.e.m. en un circuito la cual va a ser
producto de este flujo.
Si es que el flujo vara en un circuito determinado debido a la variacin de
intensidad de corriente en este se va a generar una f.e.m. en este circuito, o si el
flujo de un circuito adyacente cambia por variacin de la intensidad en ste ltimo
circuito.
En el primer caso sta f.e.m. ser una f.e.m. de autoinduccin; en el segundo caso
una f.e.m. de induccin mutua.
En el caso de autoinduccin, el flujo concatenado del circuito viene determinado
por su propia intensidad
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 14
=
L es el coeficiente de autoinduccin. De acuerdo con la ecuacin anterior es el
flujo concatenado por unidad de intensidad. El valor de L depende de la
disposicin geomtrica de los conductores, del nmero de espiras y de la
naturaleza magntica del medio ambiente. El ltimo factor mencionado juega un
papel importante en el valor del flujo y del flujo concatenado. Si el medio
ambiente contiene materiales fotomagnticos, la resistencia magntica
(reluctancia) es mucho menor y el flujo es mucho mayor para la misma
intensidad que cuando no hay materiales ferromagnticos presentes en el medio
ambiente.
Cuando no hay materiales ferromagnticos presentes en el medio ambiente el flujo
es directamente proporcional a la fuerza magnetizante (la intensidad) y, por
consiguiente, en este caso el coeficiente de autoinduccin de la ecuacin
anterior es constante. Por otra parte en los materiales ferromagnticos, el flujo y la
fuerza magnetizante estn relacionados mediante la curva de magnetizacin del
material que no es lineal; por lo tanto el coeficiente de autoinduccin no es
constante en este caso, si no que varia con la fuerza magnetizante
Para constante, de acuerdo con la ecuacin discutida anteriormente la f.e.m. de
autoinduccin es:
- =
Donde se mide en Henry.
En el caso de induccin mutua, el flujo concatenado del circuito es:
El coeficiente de induccin mutua depende de las mismas cantidades que , y
tambin de la posicin relativa de ambos circuitos entre s. Para constante, la
f.e.m. de induccin mutua es.
Volts
Y viceversa
Volts
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 15
Donde se mide en henry.
3.- Ley del circuito del campo magntico (ley de Ampre). Tambin se
establece una relacin parecida a la ecuacin
= - x Volt.
Para el circuito magntico o sea para un circuito cerrado por el cual circula un flujo
magntico. Si es la intensidad de campo magntico en el elemento del
circuito magntico, el nmero de espiras que estn atravesadas por el flujo
magntico, e la intensidad que circula por el arrollamiento, entonces la ecuacin
correspondiente es:
Esta ecuacin establece que la integral curvilnea de la intensidad de campo
magntico a lo largo de un camino cerrado es igual a la suma de ampervueltas
con los cuales este camino est concatenado.
La siguiente figura muestra un solenoide y el flujo producido por l. La integral
curvilnea es la misma para las tres lneas cerradas (1,2 y 3) puesto que
las tres estn concatenadas con todas las espiras del solenoide y, por lo tanto, NI
es igual para los tres. El valor de no depende de la forma o la longitud de
la lnea de de fuerza seleccionada, con tal de que la lnea de fuerza est
concatenada con la totalidad de las N espiras. Para una lnea larga tal como la 3,
el nmero de trminos que aparece en la suma aumentar, pero la intensidad
de campo ser tanto ms pequea cuanto mayor sea la distancia a la bobina.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 16
La ecuacin anterior puede ponerse fcilmente de forma parecida a la ley de Ohm
para el circuito elctrico. Para la induccin magntica , la relacin que se
establece es
Donde es una constante igual a y es la permeabilidad relativa del
material, o sea, el cociente entre su permeabilidad y la permeabilidad en el
espacio libre (en el vacio). En las ecuaciones anteriores la intensidad est
expresada en ampres, en amper-vueltas por centmetro, que, en cuanto a
dimensiones fundamentales concierne, es lo mismo que ampre por centmetro,
en gauss, y en gauss centmetro por ampre.
Para el aire , mientras que para el hierro es una variable que depende de
la saturacin. Como ejemplo, la figura muestra el valor de en funcin de la
intensidad de campo para un acero laminado elctrico (1.0% de silicio); en este
caso presenta un valor mximo de 6100. Los valores de tambin pueden
verse en la figura. La curva se denomina curva de magnetizacin del material
en cuestin. Esta curva se usa en el clculo de los circuitos magnticos.
Fig. 17 Flujo producido por
un solenoide.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 17
4.- Fuerzas ejercidas sobre los conductores de un campo magntico (ley de
biot y Savart).
Intensidad y sentido de la fuerza. Cuando un conductor por el cual circula una
corriente se coloca en un campo magntico se ejerce una fuerza sobre l. Si el
sentido de las lneas de induccin forma un ngulo con el sentido de la
intensidad en el conductor, esta fuerza est dada por la siguiente ecuacin:
(Libras)
Donde es la longitud del conductor en el campo magntico, en pulgadas, la
intensidad en amperes, y la intensidad del flujo (en lneas por pulgada cuadrada)
en el que est situado el conductor.
Fig. 18 Induccin y
permeabilidad en funcin de
la intensidad del campo
magntico .
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 18
En las mquinas elctricas vamos a encontrar que siempre, las lneas de
induccin y los conductores son siempre perpendiculares entre s: por
consiguiente, en las mquinas elctricas
(Libras)
El sentido de la fuerza sobre el conductor puede determinarse mediante la regla
de la mano izquierda: esto se hace de la siguiente manera abriendo la mano
izquierda, pongamos dedos juntos y el mismo plano que la palma pero formando
un ngulo con los dems dedos. Si los dedos apuntan en el sentido de la
corriente, y el flujo entra por la palma formando un ngulo recto con ellos, el pulgar
apunta en el sentido de la fuerza ejercida.
Otra regla para la determinacin del sentido de la fuerza es la siguiente: dibujar
algunas lneas de induccin , dibujar un crculo entre las lneas representando la
seccin transversal del conductor e indicar mediante dos flechas a a en el sentido
del campo debido a la intensidad en el conductor. El conductor tender a moverse
hacia la regin de campos opuestos.
De estas reglas se deduce que la fuerza siempre es perpendicular al plano que
forman y .
Sentido de la fuerza en una mquina elctrica. Consideremos la fuerza sobre la
bobina situada entre dos polos como se indica en la figura.
Fig. 19 Fuerza
ejercida sobre un
conductor, por el que
circula corriente,
situado en un campo
magntico.
Fig. 20 Determinacin
del sentido de la fuerza
sobre un conductor, por
el que circula corriente,
situado en un campo
magntico.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 19
En la figura anterior se muestran el sentido de las fuerzas ejercidas sobre los dos
lados de la bobina. Debido a la gran diferencia entre las permeabilidades del aire y
del hierro, las lneas de induccin en el entrehierro son perpendiculares al hierro y
por tanto las fuerzas son tangenciales al inducido. Las fuerzas ejercidas sobre
ambas partes actan como un par y tienden a hacer girar la bobina respecto al eje
del inducido. El par en cada conductor correspondientes a la fuerza , es igual a
, siendo el radio del inducido. De acuerdo con la ley de accin y reaccin,
este par acta no solamente sobre los conductores sino tambin sobre los polos
magnticos.
La ecuacin para las fuerzas y las figuras vistas en la
pgina anterior muestran que el sentido del par cambia si lo hace el sentido del
flujo o el de la intensidad. Cambiando simultneamente el sentido de la intensidad
y del flujo no vara el sentido del par. Esto explica porqu es posible un par
unidireccional en una mquina de corriente continua.
Las fuerzas que aparecen en la figura de la parte superior se refieren a un
generador que es accionado (por una mquina motrz) en sentido horario es decir
en el mismo sentido en que giran que las agujas del reloj tambin muestran el
sentido del par producido por la intensidad generada: es opuesto al sentido
horario. As, en el caso de un generador, el par desarrollado entre los conductores
y el flujo (par electromagntico) acta en el sentido opuesto al de rotacin y debe
ser vencido por la mquina motriz. En el caso de un motor, el par desarrollado
entre los conductores y el flujo tienen el mismo sentido que el movimiento de
rotacin y se transmite a su eje. El equilibrio de pares se produce de tal manera
Fig. 21 Fuerza ejercida sobre
una bobina de una mquina
elctrica.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 20
que en el generador el par transmitido por la mquina motriz se encuentra
equilibrado por el par electromagntico opuesto del inducido; en el motor el par
electromagntico producido por el inducido se encuentra equilibrado por el par
opuesto provocado por la carga. es conveniente recordar que el generador
convierte la potencia mecnica en potencia elctrica y el motor convierte la
potencia elctrica en potencia mecnica.
Las cuatro leyes fundamentales:
1.) Ley de induccin de Faraday
2.) Ley de Kirchhoff del circuito elctrico
3.) Ley del circuito de campo magntico (ley de ampre)
4.) Ley de la fuerza ejercida sobre un conductor en un campo magntico (ley
de Biot y Savart), pueden relacionarse mediante el uso del siguiente
triangulo equiltero sencillo, que resulta muy til para recordar fcilmente la
relacin que guardan las cuatro leyes fundamentales mencionadas
anteriormente. Esta representacin ha sido propuesta por L. V. Bewley.
Si en el tringulo el lado izquierdo representa la intensidad, el lado derecho
representa la tensin y la base representa la intensidad de campo magntico
as como la densidad de flujo y tambin el flujo ,
entonces el vrtice superior que relaciona intensidad y tensin puede ser asignado
a la ley de Kirchhoff de mallas, el vrtice izquierdo que relaciona intensidad y
puede asignarse a la ley de Ampre (ley del circuito del campo magntico), y el
vrtice derecho que relaciona flujo y tensin puede asignarse a la ley de induccin
de Faraday. Como el vrtice izquierdo relaciona no solamente intensidad y , sino
tambin intensidad y , representa la ley de Ampre y la ley de Biot y Savart (ley
de la fuerza ejercida sobre un conductor en un campo magntico).
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 21
Ley de Ohm
Ley de Kirchhoff
Ley de Ampre
Ley de Biot- Savart
Ley de Faraday
Intensidad Tensin
Fig. 22 Correlacin grfica de las leyes
fundamentales
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 22
Captulo 2. Descripcin y componentes de las mquinas de
corriente directa.
La corriente directa es una corriente casi unidireccional en las que todos son
valores positivos o negativos y en la que los cambios de valor son nulos o tan
pequeos que pueden despreciarse
Una mquina de corriente directa es la que genera o aprovecha una corriente
continua. La genera un generador tambin llamado dinamo y la aprovecha un
motor.
La misma mquina elctrica puede operar como generador o como motor. Para
que opere como generador es necesario accionarlo con una maquina motriz y
conectarlo debidamente a un tablero de control, conectndolo a un restato de
excitacin para regular el voltaje entre terminales. Para operarlo como motor hay
que acoplar una carga en un eje y alimentarlo con energa elctrica a base de un
dispositivo que se llama restato de arranque o arrancador.
De lo anterior podemos establecer que un generador de corriente continua es una
mquina elctrica que sirve para transformar energa mecnica en energa
elctrica en forma de corriente continua y un motor es una mquina que convierte
la energa elctrica de corriente continua en energa mecnica.
2.1.- Principios de funcionamiento de los generadores electromagnticos.
Los dos principios fundamentales en los que se basa cualquier mquina que
transforma la energa mecnica en energa elctrica (generador electromagntico)
son los siguientes.
Cuando un conductor que se encuentra situado en el interior de un campo
magntico se mueve de tal forma que corta lneas de flujo magntico, se
genera en l una fuerza electromotriz (fem).
Al circular una corriente elctrica a travs de un conductor situado dentro de
un campo magntico, se produce una fuerza mecnica que tiende a mover
al conductor en direccin perpendicular a la corriente y al campo magntico.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 23
En las mquinas rotativas, los conductores se montan paralelos al eje de rotacin
y sobre el inducido, como se representa en la siguiente figura.
Cuando el inducido se encuentra girando, los conductores (C) cortan las lneas de
campo magntico, de este modo se genera en ellos una fem. Los puntos y las
cruces representados en las secciones de los conductores (C) indican el sentido
de la fem generada cuando el inducido gira en sentido contrario a las agujas del
reloj.
Para poder extraer la corriente generada, hay que conectar los conductores del
inducido a un circuito de carga exterior por medio de las escobillas A+ y A- , segn
la siguiente figura, la cual representa el arrollamiento de anillo de Gramme.
Fig. 23 Generacin de una
fem.
Fig.24 Lneas de flujo
magntico y fem inducida en
una mquina elctrica
rotativa.
Fig. 25 Arrollamiento de
Gramme.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 24
Si nuestra mquina funciona como generador, las fuerzas electromotrices
generadas tienden a enviar corrientes ascendientes por ambos lados. Si fijamos
nuestra atencin en la figura que representa la generacin de la (fem), vamos a
tener corriente entre los puntos a al b, pero no circular corriente, puesto que la
tensin entre a y b tiende a que circulen corrientes opuestas por ambos lados del
arrollamiento (izquierdo y derecho).
Debido a que entre los puntos a y b existe una diferencia de potencial, si las
escobillas A+ y A- se conectan a un circuito exterior, representado por la resistencia
R, circular una corriente por ste y por ambas partes del arrollamiento.
Si la tensin que se crea en cada conductor es Ec, y representamos el nmero
total de conductores que estn en un momento dado frente a una cara polar con la
letra Z, la tensin que se genera entre las terminales a y b de la mquina ser:
Haciendo uso de la ley de Ohm al circuito exterior de la mquina obtenemos la
siguiente ecuacin.
Donde:
Resistencia del circuito exterior.
Resistencia del arrollamiento del inducido.
En los generadores de corriente directa (dnamos) el campo magntico permanece
en reposo, mientras que el inducido es el rgano mvil de la mquina.
Si el arrollamiento del anillo de Gramme se reduce a una sola espira de rea que
gira con una velocidad angular perpendicular a las lneas de campo magntico
uniforme , siendo el ngulo que en un determinado instante de tiempo forma
la perpendicular con las lneas de campo magntico.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 25
El valor del flujo magntico que tendremos a travs de la espira esta dado por la
siguiente ecuacin.
Como el valor de , si decimos que el producto entonces
tenemos:
La fuerza electromotriz E inducida en la espira en un instante se obtiene derivando
el flujo con respecto al tiempo.
Haciendo obtenemos la siguiente expresin:
De la ltima expresin vemos que la fem inducida en una espira es una funcin
sinusoidal.
Por lo tanto si se coloca una espira dentro de un campo magntico, sta cortar
en su giro las lneas de fuerza del campo magntico creado por los polos norte y
sur, conectando de este modo sus extremos a ciertos anillos sobre los cuales se
apoyan las escobillas que estn conectadas al circuito exterior a travs de una
resistencia.
Fig. 26 Representacin de
una espira en la generacin
de la fem.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 26
La forma de esta corriente electrica es una onda sinusoidal como lo es tambin la
fem inducida.
Por lo tanto, durante el giro de la espira de 0 a 360, se produce una onda
sinusoidal que como se puede observar y ya se tiene conocimiento previo del
curso de mquinas rotatorias de corriente alterna corresponde a la representacin
de una corriente y tensin alterna.
Para obtener una corriente continua, bastar con sustituir los anillos por dos
semicilindros que giren en sincrona con la espira, de tal forma que cuando cambie
el sentido de la fem inducida en la espira, tambin cambien los semicilindros de la
escobillas, dando como resultado una corriente elctrica que siempre ir dirigida
en el mismo sentido.
Fig. 27 Representacin del
generador elemental.
Fig. 28 Representacin del
giro de la espira de 0 a 360.
Fig. 29 Onda de salida
despus de que la espira da
una vuelta completa.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 27
Esta situacin se consigue por medio del colector, sobre el cual se montan los
semicilindros llamados delgas.
La corriente as obtenida tiene carcter unidireccional, su intensidad vara con el
tiempo y se puede considerar como el resultado de superponer dos tipos de
corrientes: una constante y otra fluctuante alterna. En caso de que se precise una
corriente que tenga mayor componente constante, hay que aumentar el nmero de
espiras en la mquina, lo cual lo podemos observar en las siguientes figuras.
Fig. 30 Generacin de una
corriente directa.
Fig. 31 Componente y
constante de la salida de una
mquina de corriente directa.
Fig. 32 Representacin de la
salida despus del aumento
del nmero de delgas en un
generador de corriente
directa.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 28
2.2 Caractersticas de los motores de corriente directa
La diferencia fundamental entre un generador y un motor de corriente continua es
simplemente el tipo de conversin de energa que realizan porque los
componentes son bsicamente los mismos.
Los diversos tipos de excitacin de motores de corriente directa con los mismos
que se utilizan para los generadores, lo que implica que una misma mquina
funcione como generador o como motor.
Par electromagntico de una mquina de corriente directa.
Los conductores del inducido de una mquina de corriente directa se encuentran
sometidos a fuerzas que hacen que gire en sentido contrario a las agujas del reloj
debido a que por ellos circula una corriente elctrica.
El valor de la fuerza que impulsa el motor est dado por la siguiente ecuacin:
Donde:
densidad media de flujo para el radio r del inducido.
longitud activa de los conductores en metros.
intensidad en amperios.
nmero total de los conductores.
Fig. 33 Par electromagntico
de un generador (izquierda),
par electromagntico de un
motor (derecha).
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 29
El par esta dado por la siguiente ecuacin.
En donde es una constante y su valor depende de cada tipo de mquina y su
composicin.
2.3 Componentes de las mquinas de corriente directa
Las partes principales que forman el generador de corriente directa son el
estator y el rotor o armadura.
Fig. 34 partes que constituyen las mquinas de corriente directa
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 30
Estator.- es aquel que est constituido por una corona de material ferromagntico
denominada culata o yugo en cuyo interior, van dispuestos unos salientes radiales
con una expansin en su extremo, denominados polos. Estos se encuentran
regularmente distribuidos y en nmero par. Los cuales se encuentran sujetados
por tornillos a la culata. Rodeando los polos, se hallan una bobina de hilo, o pletina
de cobre aislado, cuya misin es, al ser alimentadas por corriente continua, crear
el campo magntico inductor de la mquina, el cual presentar alternativamente
polaridades norte y sur. Salvo las mquinas de potencia reducida, en general
menores a 1 KW de potencia, encontramos tambin el estator, alternando los
polos antes mencionados, otros llamados polos de conmutacin. Todo el conjunto
de piezas fijas son descritas en los siguientes prrafos:
Fig. 35 Partes constitutivas de las
mquinas elctricas rotativas.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 31
Fig. 36 Estator de una mquina de
corriente directa.
Fig. 37 Aqu podemos observar otro
ngulo del estator de una mquina de
corriente directa.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 32
Fig. 38 Vista del estator de una mquina de corriente
directa de gran potencia.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 33
Yugo carcasa: llamada tambin envolvente que sirve para proteger a la maquina
y sostener lar partes fijas de que consta el circuito magntico formado por partes
del mismo.
Para mquinas de baja y media capacidad la carcasa se fabrica de laminas de
acero rolado y para maquinas de mayor capacidad se fabrican con laminacin de
material magntico de buena calidad con el objetivo de reducir al mnimo las
prdidas magnticas debidas principalmente a la histresis y a las corrientes
pulsantes.
Piezas polares tambin llamados polos: Es la parte del circuito magntico situada
entre la culata y el entrehierro, incluyendo el ncleo y la expansin polar. Para
mquinas de pequea capacidad se fabrican de una sola pieza y para mquinas
de mayor capacidad se fabrican siempre de un material magntico laminado
Fig. 40 Inductor de una
mquina de corriente directa.
Fig. 39 Vista de una carcasa
con sus componentes.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 34
utilizando en algunos casos laminacin en forma especial para obtener en el
extremo de los polos un entrehierro o espacio de aire que represente una
reluctancia elevada para impedir la distorsin y la desaparicin de las lneas de
fuerza del campo magntico cuando se presenta en la mquina el remanente de la
seccin de armadura.
En la parte inferior del polo que es de la forma apropiada y con una curvatura muy
aproximada a la que tiene la armadura se le llama zapata polar.
La parte superior del polo hay un qu sirve para dar alojamiento a un plano que lo
sujeta a la carcasa.
Ncleo. Es la parte del circuito magntico rodeado por el devanado inductor.
Devanado inductor. Es el conjunto de espiras destinado a producir el flujo
magntico, al ser recorrido por la corriente elctrica.
Expansin polar. Es la parte de la pieza polar prxima al inducido y que bordea al
entrehierro.
Polo auxiliar o de conmutacin. Es un polo magntico suplementario, provisto o
no, de devanados y destinado a mejorar la conmutacin. Este suele usarse en las
mquinas de mediana y gran potencia.
Fig. 41 Vista del polo de
conmutacin.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 35
Campo de excitacin. Est formado por todas las bobinas que van colocados
alrededor de cada polo y conectados todos en serie y a la vez en paralelo con la
armadura.
El campo de excitacin de un generador de corriente continua est conectado en
serie con una resistencia variable que se conoce con el nombre de restato de
excitacin y sirve para inducir un campo magntico que reforzar y multiplicar
muchas veces el valor del magnetismo remanente de la mquina para que al tener
esta mayor flujo magntico pueda inducir una fuerza electromotrz inducida mayor.
Culata. Es una pieza de material ferromagntico, no rodeada por devanados, y
destinada a unir los polos de la mquina.
Base. La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecnica de
operacin de la mquina, puede ser de dos tipos:
a) Base frontal.
b) Base lateral.
Tapas. Las tapas del generador son colocadas y aseguradas al estator por medio
de pernos colocados a ambos extremos del mismo y contienen el alojamiento para
Fig. 42 Vista de los polos y
polos auxiliares en una
mquina de corriente directa
de gran potencia.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 36
los cojinetes del eje al rotor o armadura. Las tapas pueden ser del tipo conocido
con el nombre de araa y pueden ser cerradas o abiertas segn el generador se
construya para uso general o para prueba de polvo o de explosin.
Las tapas que van colocadas del lado del conmutador debe tener practicada una
ranura circular con seccin en forma de cola de milano que sirve para alojar la
base a la cual se fija el anillo y brazos portaescobillas.
Rotor armadura. El rotor se construye con chapas finas de 0.3 a 0.5 mm de
espesor, aisladas unas de otras por una capa de barniz o de oxido. Con ranuras
en las que se introduce el devanado inducido de la mquina. Este devanado esta
constituido por bobinas de hilo o de pletina de cobre convenientemente aislados,
cerrado sobre s mismo al conectar el final de la ltima bobina con el principio de
la primera. Si se tratara de un rotor macizo, debido a la rotacin y provocadas por
el campo magntico, apareceran intensas corrientes de Foucault en el hierro del
rotor y esto le provocara un aumento crucial en la temperatura; con lo cual se
pondra en peligro al devanado. Para mejorar el enfriamiento del rotor, en el
cuerpo del mismo se le practican hendiduras para una adecuada ventilacin y en
el lado anterior se pueden sujetar aspas para ventilarlo.
Fig. 43 Rotor tpico de una mquina de
corriente directa
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 37
El rotor consta de las siguientes partes:
Eje del rotor. Se fabrica de acero, debidamente maquinado y construido a
tratamiento trmico cuando se necesita ensamblar con el ncleo magntico de la
armadura
Fig. 44 Pila de lminas de un
rotor de corriente directa.
Fig.45 Rotor completo de una
mquina de corriente directa
de gran potencia.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 38
Armadura. Est formada por un ncleo magntico de laminacin de acero al silicio
de buena calidad magntica y la laminacin tiene un espesor que puede variar
desde los 15 milsimas hasta los 30 milsimas de pulgada.
La laminacin se corta en la fbrica de acero de acuerdo con las especificaciones
del diseo haciendo uso de maquinas troqueladoras de acuerdo con una matriz
que se coloca a la maquina y que corresponde al diseo. Segn la capacidad del
generador la laminacin usa troquelados, las ranuras, el barreno y el uero para el
eje y los barrenos que van a formar los ductos de ventilacin de la armadura.
Segn la longitud que va a tener el ncleo se le practicaran dos, tres, o ms
ranuras perifricas que servirn para alojar un gancho de alambre de acero que
servirn para asegurar las laminas dentro de la armadura cuando se utilicen
ranuras de tipo abierto o semicerrado, para que los conductores no vayan a salir
por la accin de la fuerza centrifuga (en sustitucin del alambre usado para los
ganchos se utilizan actualmente cintas de fibra de vidrio llamadas generalmente
(Polyglaes)
En las ranuras de la armadura se colocan debidamente aisladas las bobinas que
conectaran el embobinado de la mquina y las terminales de estas bobinas van
conectadas de acuerdo con el polo del embobinado y del paso del conmutador a
las delgas correspondientes del mimo.
Fig. 46 Formato de las ranuras usadas en los rotores de las mquinas
de corriente directa. En la parte izquierda podemos apreciar una ranura
abierta y en el lado derecho una ranura semicerrada.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 39
Devanado inducido. Es el devanado conectado al circuito exterior de la mquina y
en el que tiene lugar la conversin principal de la energa. En la mayora de los
casos se utilizan devanados de varillas o hilos. Un lazo conductor cerrado, que
comienza y termina en la parte la mquina llamada conmutador y recibe el nombre
de bobina. Un lazo conductor de varillas gruesas de cobre, planas, se denomina
devanado de varillas; en general, solo tienen una espira. Los lazos conductores
formados con un nmero mayor de espiras, de alambre, reciben el nombre de
devanados de hilo.
Fig. 47 Detalle de un inducido
Fig. 48 Rotor laminado usado comnmente en las
mquinas de corriente directa.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 40
La distincin entre un devanado manual y un devanado matricial o de formato es
que en el devanado manual se puede observar en el lado opuesto al inversor de
corriente un acordonado. Todos los hilos son introducidos manualmente en las
ranuras. En el devanado de formato las bobinas son fabricadas con una mquina
especial y, posteriormente son introducidas en las ranuras. Este tipo de bobinas
presentan una forma curvada.
Bobinas del rotor
En las mquinas de corriente directa reales existen varias maneras en las que
podemos conectar las espiras en el rotor (tambin conocido como inducido o
armadura) a sus segmentos del conmutador. Estos diferentes tipos de conexiones
afectan el nmero de caminos de corriente paralelos que existen en el rotor, el
voltaje de salida del rotor y el nmero y posicin de las escobillas montadas sobre
los segmentos del conmutador.
Fig. 49 Tipos de devanados usados en las mquinas de
corriente directa. A la izquierda un devanado de varilla y a la
derecha un devanado con devanado matricial.
Fig. 50 Devanado tipo
manual
Fig. 51 Devanado de formato.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 41
Sin importar la manera en que se encuentren conectados los devanados a los
segmentos del conmutador. La mayora de los devanados del rotor estn
constituidos por bobinas preformadas en forma de diamante insertadas en las
ranuras del rotor como una sola unidad. Cada bobina est hecha con un nmero
de vueltas (espiras) de alambre y cada una est envuelta con cinta y se encuentra
aislada de las otras y la ranura del rotor. A cada lado de una vuelta se le llama
conductor. El nmero de conductores presentes en el inducido de una mquina
esta dado por
Donde:
= nmero de conductores en el rotor
= nmero de bobinas en el rotor
= nmero de vueltas en cada bobina
Normalmente una bobina abarca 180 grados elctricos. Por esta razn cuando un
lado est debajo del centro de cierto polo magntico, el otro lado se encuentra
debajo del centro del polo magntico con polaridad opuesta. Los polos fsicos
pueden no encontrarse a 180 grados mecnicos el uno del otro, pero el campo
magntico invierte por completo su polaridad cuando pasa por debajo de un polo
al siguiente. La relacin entre el ngulo elctrico y el ngulo mecnico en cualquier
mquina est dada por
Donde:
ngulo elctrico, en grados
ngulo mecnico, en grados
nmero de polos magnticos en la mquina
Si la bobina abarca 180 grados elctricos, los voltajes en los conductores en
cualquier lado de la bobina sern exactamente iguales en magnitud y opuestos en
direccin en todo momento. Este tipo de bobina se llama bobina de paso
diametral.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 42
Existen bobinas que abarcan menos de 180 grados elctricos a las cuales se les
llaman bobinas de paso fraccionario, al devanado con este tipo de bobinado se le
llama devanado de cuerdas. A veces se puede utilizar una pequea cantidad de
encordado en los devanados del rotor para mejorar la conmutacin.
La mayora de los devanados de rotor consta de dos capas, lo cual implica que se
deben insertar dos lados de bobina en la misma ranura claramente cada lado es
de una bobina diferente. Los lados van a estar colocados uno al fondo de la ranura
y el otro en la parte superior de la misma. En este tipo de construccin se requiere
que se coloquen las bobinas individuales en las ranuras del rotor por medio de un
procedimiento muy complicado. Un lado de cada bobina se coloca en el fondo de
su ranura y una vez que se colocan todos los lados en el fondo, se coloca el otro
lado de cada bobina en la parte superior de la ranura. De esta manera, todos los
devanados se entretejen conjuntamente, incrementando la fuerza mecnica y la
uniformidad de la estructura final.
Despus de que se han instalado los devanados en las ranuras del rotor, se deben
conectar los segmentos del conmutador. Hay varias formas de realizar dichas
conexiones y cada una posee ciertas ventajas y desventajas una sobre otra.
La distancia (en nmero de segmentos) entre los segmentos del conmutador a los
cuales estn conectados los dos extremos de una bobina se le llama paso del
conmutador . Si el extremo de una bobina se conecta a un segmento del
conmutador adelante del cual se encuentra conectado su comienzo, el devanado
recibe el nombre de devanado progresivo. Si el extremo de una bobina se conecta
a un segmento del conmutador que se encuentra detrs del segmento del
conmutador al que inicia este se le llama devanado regresivo.
Si todas las conexiones son iguales a excepcin de los devanados, la direccin de
rotacin de un rotor con devanado progresivo ser inversa a la direccin de
rotacin de u rotor con devanado regresivo.
Los devanados de inducido se clasifican de acuerdo con el conjunto de devanados
completos e independientes. Un devanado simple (simplex) de rotor es nico,
completo y cerrado. Un devanado doble (dplex) de rotor consta de dos conjuntos
de devanados de rotor consta de dos conjuntos de devanados de rotor completos
e independientes. Si un rotor tiene un devanado dplex, entonces cada uno de los
devanados estar asociado con todos los segmentos pares o nones de
conmutacin. Existen tambin devanados (trplex) los cuales tienen tres conjuntos
de devanados de rotor completos e independientes y cada uno est conectado a
cada tercer segmento del conmutador en el rotor. Todos los inducidos con ms de
un conjunto de devanados se les llaman devanados mltiples o mltiplex.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 43
Por ltimo, los devanados del inducido se clasifican de acuerdo con la secuencia
de sus conexiones con los segmentos del conmutador. Existen dos secuencias
bsicas de conexiones de devanados del inducido: devanados imbricados y
devanados ondulados. Hay un tercer tipo de devanado el cual recibe el nombre de
devanado de pata de rana, este tipo de devanado combina los devanados
imbricados y ondulados en un solo rotor.
Devanado imbricado.
Es el tipo de construccin de devanado ms sencilla que se utiliza en las
mquinas de corriente directa modernas. Un devanado imbricado simple de rotor
consta de bobinas que contienen una o ms vueltas de alambre y los dos
extremos de cada bobina salen de segmentos del conmutador adyacentes. Si el
final de la bobina est conectado al segmento siguiente a aquel al que est
conectado su comienzo el devanado es imbricado progresivo y ; si el final
de la bobina est conectado al segmento anterior a aquel al que comienza el
devanado en imbricado regresivo y .
Una de las caractersticas ms importantes del devanado imbricado simple es que
tiene tantos caminos o trayectorias de corriente paralelos a travs de la mquina
como polos en la misma. Suponiendo que el nmero de bobinas y segmentos del
conmutador presentes en el rotor son y es el nmero de polos en la mquina,
entonces encontraremos bobinas en cada uno de los caminos de corriente
paralelos a travs de la mquina. El hecho de tener caminos de corrientes
tambin requiere que se tenga tantas escobillas en la mquina como polos para
conectar todos esos caminos de corriente.
El hecho de tener tantos caminos de corriente en la mquina multipolar hace al
devanado imbricado la opcin ideal para fabricar mquinas que nos otorguen una
corriente alta y un voltaje relativamente bajo, puesto que las altas corrientes que
se requieren se pueden se pueden dividir entre varios de los diferentes caminos
de corriente. Esta divisin de corrientes hace que el tamao de los conductores
Fig. 52 Arrollamiento
Imbricado
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 44
del rotor individuales sea pequeo incluso cuando la corriente total es
extremadamente grande.
Sin embargo, el hecho de que se tengan muchos caminos paralelos a travs de la
mquina multipolar puede causar un problema muy serio. Este problema consiste
en que se inducen voltajes ms altos en los caminos de corriente que sus
alambres pasan por debajo de las caras polares inferiores en comparacin con los
caminos cuyos alambres pasan por debajo de las caras superiores. Puesto que
todos los caminos se encuentran conectados en paralelo, por lo que se genera
una corriente circulante que fluye hacia afuera a travs de algunas escobillas y
regresa a travs de otras. Esta situacin no es buena para la mquina, puesto que
la resistencia del devanado del circuito del rotor es relativamente pequea, un
pequeo desequilibrio entre los voltajes en los caminos paralelos provocar
grandes corrientes circulantes a travs de las escobillas y, potencialmente, serios
problemas de calentamiento. El problema descrito anteriormente no se puede
eliminar por completo en las mquinas elctricas de corriente directa ni con las
tecnologas ms modernas, pero se pueden reducir un poco por medio de la
instalacin de compensadores o devanados de compensacin en las mquina.
Los compensadores son barras ubicadas en el rotor de una mquina de corriente
directa de devanado imbricado que hacen cortocircuito en puntos con el mismo
potencial en diferentes caminos paralelos.
Devanado Ondulado
El devanado ondulado o en serie es otra manera de conectar las bobinas del rotor
a los segmentos del conmutador. En un devanado ondulado simple hay, slo dos
caminos de corriente. Hay slo la mitad de los devanados en cada camino de
corriente . Las escobillas en este tipo de mquina estarn separadas unas de
otras por un paso polar completo.
Al igual que en el devanado imbricado el devanado ondulado lo podemos
encontrar progresivo y regresivo. La terminal de la segunda bobina se puede
conectar al segmento siguiente o anterior al segmento en el que se conect el
Fig. 53 Arrollamiento
Ondulado o en Serie
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 45
comienzo de la primera bobina. Si la segunda bobina se conecta al segmento
siguiente a la primera bobina, el devanado es progresivo; si se conecta al
segmento anterior a la primera bobina, el devanado es regresivo.
La expresin general para el paso de conmutacin en un devanado ondulado
simple es:
Donde:
es el nmero de bobinas en el rotor
es el nmero de polos en la mquina.
El signo positivo se usa en los devanados progresivos y el negativo en los signos
regresivos.
Puesto que slo hay dos caminos de corriente a travs de un rotor devanado
ondulado simple, slo se necesitan dos escobillas para manejar la corriente. Esto
se debe a que los segmentos en proceso de conmutacin conectan los puntos con
voltajes iguales bajo las caras polares. Si se desea, se pueden agregar ms
escobillas en puntos separados por 180 grados elctricos, puesto que estas tienen
el mismo potencial y estn conectadas juntas por medio de los alambres en
proceso de conmutacin de la mquina. Por lo general se agregan escobillas
extras a una mquina con devanado ondulado, incluso si no son necesarias,
porque esto reduce la cantidad de corriente que debe circular a travs de un grupo
de escobillas.
Los devanados ondulados son ideales para la construccin de mquinas en las
que se quiere obtener un alto nivel de voltaje, debido al nmero de bobinas en
serie entre los segmentos del conmutador se permite acumular un mayor voltaje
ms fcilmente que con un devanado imbricado. Un devanado ondulado mltiple
es un devanado compuesto por varios conjuntos independientes de devanados
ondulados en el rotor.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 46
Devanado de pata de rana
El devanado de pata de rana o tambin llamado devanado autocompensador toma
este nombre por la forma que tienen sus bobinas. Este tipo de devanado es la
combinacin de un devanado imbricado y un devanado ondulado.
Un devanado de pata de rana combina un devanado imbricado con un devanado
ondulado, de tal manera que los devanados ondulados pueden funcionar como
compensadores para el devanado imbricado.
El nmero de caminos de corriente que hay en un devanado de pata de rana viene
a estar dado por la siguiente expresin:
Donde:
es el nmero de polos presentes en la mquina
es el nmero de devanados completos e independientes de devanados
imbricados
Ncleo del inducido. Est formado por un cilindro de chapas magnticas que estn
construidas, generalmente, de acero laminado con un 2% de silicio para mejorar
las perdidas en el circuito magntico. Este cilindro se fija al eje de la mquina, el
cual descansa sobre unos cojinetes de apoyo. Las chapas que forman el inducido
o rotor de la mquina disponen de ranuras en las cuales se alojan los hilos de
cobre del devanado inducido.
Fig. 54 Devanado para de
rana o autocompensador.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 47
Para la colocacin y centrado del rotor en las mquinas de corriente continua se
hace lo siguiente: en las mquinas medias y pequeas, el eje se sita en cojinetes
de chapas que se atornillan al armazn mediante anillos centradores. Las
mquinas mayores reciben caballetes libres de apoyo. Para las mquinas medias
y pequeas regularmente se usan baleros y para las grandes, chumaceras
tambin llamados baleros deslizantes.
Conmutador. Es el conjunto de las lminas conductoras construidas con
segmentos de cobre electroltico que reciben el nombre de delgas, aisladas al eje
y unas de otras, pero conectadas a las secciones de corriente continua del
devanado y sobre las cuales frotan las escobillas. El conmutador va colocado a
una determinada distancia del ncleo magntico de la armadura y el extremo de la
delga queda del lado del ncleo lleva una ranura en la cual se alojan las
terminales de las bobinas y posteriormente se fijan con soldadura.
Fig. 56 Colector de un
pequeo motor
Fig.55 Conmutador de
una mquina de
corriente directa usado
en una pequea
esmeriladora
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 48
Escobillas. La funcin de la escobillas es conducir las corrientes desde el
conmutador hacia el circuito externo generalmente se fabrican de carbono y para
generadores que operan con muy bajo voltaje se fabrican de cobre en algunos
casos de aleaciones de carbono y cobre. Las escobillas van colocadas en unos
alojamientos metlicos que van fijos al brazo porta escobillas y al anillo que lo
sostiene. El conjunto va debidamente aislado del material metlico de la mquina.
Segn la capacidad de la mquina cada brazo porta escobillas podra elevar, una,
dos, tres o ms escobillas para poder conducir toda la corriente generada en la
armadura hacia el circuito exterior. En generadores utilizados en procesos
electroqumicos como el de galvanoplastia en la que se necesitan elevados flujos
de corriente, se usan portaescobillas que tienen cuatro o hasta seis escobillas.
El alojamiento una muelle o resorte que mantiene las escobillas siempre haciendo
contacto con el conmutador para reducir al mnimo la resistencia por contacto de
escobillas. La presin recomendada de la muelle o resorte deber ser una a dos
libras por pulgada cuadrada.
Al seleccionar las escobillas para cada tipo de generador hay que utilizar los
conmutadores en las especificaciones de la mquina pues las hay de diferente
fuerza y s por algn error se selecciona una de mayor fuerza que las
especificaciones se acorta demasiado la vida til del conmutador que se desgasta
por la presin de las escobillas inapropiada.
Fig. 57 Escobillas utilizadas
en las mquinas de corriente
directa.
Fig. 58 Sustentacin de las
escobillas
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 49
Entrehierro. Es el espacio comprendido entre las expansiones polares y el
inducido, suelen ser normalmente de 1 a 3 mm, lo imprescindible para evitar el
rozamiento entre la parte fija y la mvil.
Cojinetes. Tambin conocidos como rodamientos, contribuyen a la ptima
operacin de las partes giratorias de la mquina. Se utilizan para sostener y fijar
ejes mecnicos, y para reducir la friccin, lo que contribuye a lograr que se
consuma menos potencia.
Fig. 59 Vista de un
portaescobillas y las
escobillas montadas en l.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 50
Los cojinetes se pueden dividir en dos clases:
a) Cojinetes de deslizamiento. Operan en base al principio de la pelcula de
aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre la barra
del eje y la superficie de apoyo.
b) Cojinetes de rodamiento. Se utilizan con preferencia en vez de los
cojinetes de deslizamiento por varias razones:
Tienen un menor coeficiente de friccin, especialmente en el
arranque.
Son compactos en su diseo.
Tienen una alta precisin de operacin.
No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo deslizante.
Se remplazan fcilmente debido a sus tamaos estndares.
Fig. 60 Tipos de cojinetes
usados en las mquinas
elctricas.
Fig. 61 Vista de un Cojinete
montado en el eje del rotor de
una mquina de corriente
directa.
Descripcin General de las mquinas de corriente directa
Ramos Oloarte Flix Pgina 51
Caja de conexiones. Por lo general, en la mayora de los casos las mquinas
elctricas cuentan con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento
que protege a los conductores que alimentan al motor o que salen del generador,
resguardndolos de la operacin mecnica del mismo, y contra cualquier elemento
que pudiera daarlos.
Carcasa. La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el
material empleado para su fabricacin depende del tipo de mquina, de su diseo
y su aplicacin.
Podemos clasificarla de la siguiente forma:
a) Totalmente cerrada.
b) Abierta.
c) A prueba de goteo.
d) A prueba de explosiones.
e) De tipo sumergible.
Alrededor de los ncleos polares, va enrollado, en forma de hlice, el
arrollamiento de excitacin. El ncleo de los polos de conmutacin lleva enrollado
un arrollamiento de conmutacin.
Fig. 62 Caja de conexiones
de una mquina de corriente
directa de gran potencia.
D
Top Related