• Author / Uploaded
• Freddy Cuervo Camargo

Citation preview

MÁQUINAS ELÉCTRICAS I. GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA, 5 DE AGOSTO DE 2020

1

Generadores de corriente continua. Laura Yesenia Pacheco Rodríguez Estudiante de Ingeniería Electrónica Tunja, Código 201611648

El generador se define como una máquina rotatoria capaz de convertir energía mecánica en eléctrica, y puede ser de corriente continua (cc) o corriente alterna (ca). Para todas las máquinas de cc se cumple que esta pueda operar como generador o motor sin necesidad de hacer alguna modificación.

Existe un componente llamda zapata polar que ayuda a esparcir el flujo en la región del entrehierro.



Devanado del campo: recibe este nombre las bobinas del campo devanadas en los polos, que tienen la capacidad de alternan su polaridad. Existen dos tipos de devanados del campo y con esto dos clases de máquinas, la máquina shunt que cuenta con un devanado del campo shunt característico por conectarse en paralelo con el devanado de la armadura y tener muchas vueltas de alambre delgado; y una máquina serie que se devana con un devanado del campo serie, entendido como aquel que se conecta en serie con el devanado de la armadura y tiene pocas vueltas de conductor grueso. También se presentan máquinas con ambos devanados arrollados en el mismo polo que reciben el nombre de máquinas compound o compuestas, para este caso los devanados pueden producir flujos en la misma dirección y de este modo será de tipo cumulativo, o los campos se oponen y será de tipo diferencial.



Armadura: esta cubierta por los polos fijos del estator, es la parte rotatoria de una máquina de cc, la longitud efectiva se asemeja a la del polo y su sección transversal es circular, además se construye con laminaciones delgadas apiladas y montadas en forma rígida sobre el eje, muy permeables que aseguran una trayectoria de reluctancia baja para el flujo magnético y aisladas eléctricamante que reducen las corrientes parásitas en su núcleo. Sus laminaciones tienen ranuras que alojan las bobinas de la armadura (devanado de la armadura), las cuales usan un conductor de cobre por su baja resistividad.



Conmutador: dispositivo que cumple la función de convertir la fem alterna inducida en las bobinas de la armadura en un voltaje unidireccional, se encuentra sobre el eje y esta hecho de segmentos de cobre duro en forma de cuña, aislados entre sí por medio de láminas de mica. Se conecta uno de sus segmentos de forma eléctrica a uno de los extremos de dos bobinas de la armadura, su forma de conexión define el tipo de devanado de la armadura (corazón de una máquina de cc).

5.2. CONSTRUCCIÓN MECÁNICA

Figura 1. Características principales de una máquina de corriente continua. (Guru & Hiziroglu, 2006).

La Figura 1, representa los elementos principales que conforman a una máquina de cc, descritos a continuación, 

Estator: es el encargado de proporcionar apoyo mecánico a la máquina y se conforma por el yugo y los polos (polos del campo). El yugo proporciona una trayectoria permeable para el flujo magnético, mientras los polos se diseñan de la mejor manera para que estos reciban los devanados del campo y se encuentran montados dentro del yugo. La construcción del yugo varia según el tipo de máquina, ya que en máquinas pequeñas de imanes permanentes suele ser una estructura anular laminada soldada en sus extremos, en máquinas devanadas pequeñas estos elementos se troquelan como una sola pieza a partir de laminaciones delgadas de acero y para máquinas grandes, la elaboración del yugo se da por partes hechas con acero fundido. Generalmente los polos del campo están dispuestos como láminas delgadas que se alinean juntas para reducir al mínimo las pérdidas magnéticas que se presentan por la proximidad de los polos con el flujo de la armadura.

MÁQUINAS ELÉCTRICAS I. GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA, 5 DE AGOSTO DE 2020

2

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. Con lo anterior, si un lado de la bobina se coloca en la ranura m, el otro lado se inserta en la ranura m+y. Según se conecte el devanado de la armadura al conmutador se tienen los tipos de devanado, 

Figura 2. Vista transversal de una máquina tetrapolar de cc. (Guru & Hiziroglu, 2006).



Escobillas: a través de un portaescobillas, este elemento esta sujeto en posición fija sobre el conmutador, dentro del portaescobillas existe un resorte ajustable que ejerce la presión adecuada y constante para garantizar la separación entre los dos elementos mencionados. Si la presión es baja, el contacto entre la escobilla y el conmutador seria inapropiado ocasionando chispas y en consecuencia el conmutador se quemaría, mientras si la presión es alta, se presentaría un desgaste de la esconilla y el sobrecalentamiento del conmutador. Finalmente se obtiene una conexión eléctrica entre el circuito externo y las bobinas de la armadura por medio de los portaescobillas.

Devanado imbricado: se usa en máquinas de bajo voltaje y alta corriente, en este devanado los dos extremos de una bobina están conectados a segmentos adyacentes del conmutador, por lo cual los devanadaos estarán en serie y forman un lazo cerrado, de esta forma el devanado se cierra sobre sí mismo. En un generador de cc, los segmentos o corrientes que están dirigidas alejándose del conmutador identifican la colocación de las escobillas que tienen polaridad negativa, y los segmentos que tienen ambas corrientes dirigidas hacia ellos determinan la polaridad positiva. Se presenta diferencia de potencial en sólo dos bobinas cuando se tiene una escobila positiva y una negativa. El número de trayectorias paralelas es igual al número de polos, donde cada trayectoria apoya la cantidad definida de la corriente en la armadura. El paso anterior yf y posterior yb deben ser impares para que la bobina quede colocada adecuadamente en las ranuras, la diferencia entre los dos pasos siempre es igual a 2.

5.3. DEVANADOS DE LA ARMADURA Es el devanado en el que se induce la fem (acción generadora) y se desarrolla el par (acción motora), sus bobinas pueden tener muchas vueltas de conductor de cobre esmaltado (aislado) que recibe el nombre de alambre magneto. Cabe resaltar que la fem máxima se induce en una bobina de paso completo, cuando la distancia entre los dos lados de una bobina es de 180° eléctricos, las máquinas bipolares emplean una bobina de paso fraccionario que usa menos cobre pero la fem inducida se ve reducida en un factor llamado factor de paso. El devanado más usado es el de dos capas, en este caso el número de bobinas es igual al número de ranuras de la armadura; cuando el número de ranuras no es divisble entre el número de polos no es posible devanar una bobina de paso completo, por lo cual se emplea el paso máximo posible como paso fraccionario de la bobina, que se determina con,

Figura 3. Conexiones de los conductores en la máquina con devanado imbricado, que muestra el paso anterior y posterior. (Guru & Hiziroglu, 2006).



Devanado ondulado: los dos extremos de una bobina están conectados a segmentos adyacentes del conmutador aproximadamente en pasos de dos polos, y con esto se granatiza que el devanado completo se cierra sobre sí mismo una sola vez. A través de la siguiente ecuación se determina el número de segmentos del conmutador debido a que el número de segmentos por cada par de polos no será un entero

MÁQUINAS ELÉCTRICAS I. GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA, 5 DE AGOSTO DE 2020 porque el paso debe ser un poco mayor o menor que 360° eléctricos y el segmento que pasa una vez alrededor del conmutador, debe cumplir que la última bobina este un segmento adelante (progresivo) o un segmento atrás (regresivo) respecto del segmento inicial,

3

Por lo cual el valor promedio de la fem inducida total entre las terminales de las dos escobillas es:

Cabe resaltar que hay dos conductores por devanado, por ello el número total de conductores Z, en todas las ranuras de la armadura es:

La fem inducida en el devanado de la armadura se escribe como, Se desarrollan para satisfacer requerimientos de alto voltaje y baja corriente y siempre tiene dos trayectorias paralelas, independientemente del número de polos. En este caso Ea recibe el nombre de fem generada o voltaje generado y Ka llamada constante de la máquina, toma el valor de:

Las anteriores ecuaciones consideran que los polos magnéticos cubren toda la periferia de la armadura, lo cual es imposible y deben diseñarse máquinas en las que los polos cubran de 60 a 80% de la periferia de la armadura. Se tiene potencia eléctrica desarrollada por el generador cuando la armadura suministra una corriente constante a una carga externa,

Figura 4. Máquina tetrapolar de cc condevanado ondulado y nueve ranuras que opera como generador. (Guru & Hiziroglu, 2006).

5.4. ECUACIÓN DE LA FEM INDUCIDA El valor promedio de la fem inducida en una bobina de una sola espira que gira en un campo magnético uniforme, esta dada por:

Donde P es el número de polos en una máquina de cc, Φ es el flujo por polo y ω es la velocidad angular de la armadura.

En base a los conocimientos obtenidos, se tiene la ecuación del total de vueltas por trayectoria paralela, donde Nc es el número de vueltas por bobina, C el número total de bobinas y al número de trayectorias paralelas,

A la par, el sistema mecánico debe suministrar potencia, de este modo se tiene un par mecánico promedio que desarrolla la armadura del generador,