Maquina de Corriente Continua PDF

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Apunte sobre las diferentes maquinas electricas de corriente continua...

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MAQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

Estator: estas maquinas están compuestas por una corona estatorica o inductor que genera un campo magnético constante producto de una alimentación con corriente continua.

Rotor: dentro de esta corona existe el rotor que esta bobinado y es quien al circularle corriente genera fuerzas que terminan siendo cuplas motoras en los motores, o en él se generan tensiones producto de la rotación accionada por una maquina auxiliar.|

La corona estatorica tiene unos bobinados de corriente continua que generan un campo magnético de corriente continua constante que podrá tener un determinado número de pares de polos según diseño. En la figura también se observan los bobinados de compensación y de conmutación que más adelante describiremos. El rotor es de chapas de hierro laminado aisladas entre sí por barniz u oxido con una serie de canaletas o ranuras en las que se bobinan las bobinas del rotor según diseño. Estas bobinas podrán tener diversas formas de bobinado pero siempre el objetivo es hacer pasar debajo de la influencia de cada polo un determinado número de conductores, estos conductores tendrán corriente circulando por el aporte de una fuente externa que alimentara a través de algunos contactos eléctricos deslizantes o porque al ser un generador la tensión generada la hará circular a través de una carga a la que alimenta. Los bobinados de este rotor acceden al exterior a través de unos contactos deslizantes denominados delgas, sobre las que se apoyan las escobillas o carbones de los que ingresara o saldrá la corriente.

Estas delgas están montadas sobre el eje del rotor aisladas eléctricamente del eje y entre ellas, es decir son puntos o nodos que vinculan eléctricamente los bobinados con el exterior.

En la figura del bobinado se puede ver uno de características muy sencillas donde la corriente ingresa por una escobilla y sale por la otra recorriendo todo el bobinado con la vinculación entre bobinas por las delgas, logrando la circulación de corrientes en el mismo sentido debajo de cada polo.

Principio de funcionamiento Analizaremos el funcionamiento como motor, partiendo del campo generado en el estator y haciendo circular corriente por el rotor aparecerán fuerzas por la ley de Biot-Savart que al estar convenientemente generadas darán como resultante una cupla sumatoria que hará rotar al rotor. Esta rotación generara tensión en las bobinas inmersas en el campo que se opondrán a la causa que las genera y esto lo hace generando una tensión que se opone a la tensión aplicada quedando así constituida una malla Vt = (Ia . Ra) + Eg Siendo Vt la tensión de continua aplicada, Ia . Ra la caída de tensión en el bobinado del rotor y Eg la tensión generada por la rotación del rotor; hasta acá tenemos el campo constante generado por el estator, dentro de este campo las bobinas del rotor que al estar alimentadas les circulara corriente generando una cupla motora y una tensión generada Eg que se opone a la tensión Vt, con lo que la situación está en equilibrio. La cupla generada por la maquina en este punto estará en equilibrio con la cupla resistente aplicada por la carga mecánica que tiene que mover. Si la cupla resistente aumenta, la maquina tendera a frenarse, al frenarse la Eg que es una tensión función de la cantidad de líneas de campo barridas por unidad de tiempo, disminuirá por efecto de este frenado, al disminuir Eg cambia la igualdad de Vt ya que esta seguirá siendo Vt constante y Eg disminuyo, entonces deberá aumentar (Ia . Ra) con lo que la única opción es que aumente Ia: por lo que al aumentar Ia aumenta la cupla motora para equiparar el aumento de la cupla resistente que inicialmente supusimos. El proceso descripto anteriormente es lo que realmente sucede en funcionamiento con cargas mecánicas variables, análisis que haremos más detallado cuando veamos los distintos tipos de conexionado para estas maquinas.

Línea Neutra Se denomina Línea Neutra o LN a la línea que está en el plano que contiene a la bobina en la que menos tensión se genera. Debemos tener en cuenta que la Eg, de la que hablamos mas arriba, es la sumatoria de las tensiones generadas en todas las bobinas existentes entre una escobilla y la siguiente, con lo que tenemos un abanico de bobinas desde las que están horizontales (supongamos perpendiculares al eje polar) y las que están verticales (alineadas con el eje polar) todas ellas aportaran a la sumatoria de tensiones siendo las que están perpendiculares al eje polar las que no generan o generan un mínima tensión, esto se debe a que la rotación de un diferencial de ángulo no produce variación de flujo concatenado; y las que están alineadas con el eje las que más tensión

generan por la situación opuesta a la anterior, entre una y otra habrá distintos valores de tensión generadas en cada bobina interviniente, y la Eg total será por lo tanto la suma de todas ellas. Si ahora observamos al rotor como una bobina de la que solo observamos los sentidos de circulación de corrientes y asemejándolo con un solenoide veremos que perpendicularmente al eje polar se genera una fuerza magnetomotriz que será proporcional a la corriente que circula por el rotor. Ahora se tienen dos Fmm actuando simultáneamente, la del campo principal y la del rotor a la que llamaremos reacción de inducido, es decir que el campo realmente existente es el resultante de ambos. En una situación en la que el motor esta rotando en vacio donde prácticamente mueve las cuplas por rozamiento y ventilación, esto lo logra con corrientes muy pequeñas, es decir que la reacción de inducido es prácticamente nula con lo que el campo resultante será el campo del inductor o principal. Si la corriente del rotor aumentara producto de una mayor demanda de cupla por parte de la carga aumentara el campo reacción de inducido con lo que cambiara el campo Fmm resultante modificando su posición inicial alineado con el eje polar y tendrá una inclinación producto de la composición. Esta inclinación del campo resultante operara como un corrimiento de la LN ya que esta perpendicular al campo Fmm resultante. Como conclusión tenemos que la LN se correrá permanentemente a medida que se corra o desplace el campo magnético resultante y esto sucederá a medida que varíe la carga mecánica en el motor. Reacción de inducido A todo este proceso se lo denomina reacción de inducido donde la variación de la carga hace variar la corriente que circula generando que se corra la LN. A esto lo debemos controlar pues la conexión con el exterior a través de las escobillas es un punto que puede ser afectado ya que estaría haciendo cortocircuito en delgas que tienen tensión distinta de cero produciendo desgastes y hasta deterioros graves. La importancia de saber el punto exacto en la ubicación de la LN se debe a que allí pondremos las escobillas ya que las escobillas en su proceso de conmutación estarían cortocircuitando bobinas con tensión cero o cercanas a cero. Como vimos anteriormente las bobinas son un grupo de generadores de tensión de distinto valor puestos en serie, si la conmutación la realizamos en algunas delgas con tensiones mayores de cero estoy generando un cortocircuito sobre los bornes de ese generador elemental que es la bobina en cortocircuito; esto genera circulación de corriente excesiva chispas y calentamiento.

Análisis grafico del corrimiento de la LN De todo lo expuesto surge la necesidad de conocer con exactitud la posición de la LN. En la primer figura de arriba tenemos el campo principal o inductor actuando de forma independiente, podemos ver a la izquierda que la fuerza magnetomotriz tiende a instalar el flujo a lo largo de todo el entrehierro, pero en las zonas donde se encuentran las escobillas tenemos una discontinuidad magnética inevitable situación que impone la deformación del flujo magnético ya que no tiene por donde instalarse, llegando a tener la situación en que el flujo magnético es cero en la zona de las escobillas, lugar por donde está la LN en esta situación. Como conclusión tenemos un único campo magnético actuante y lo representamos por ese vector verde resultante. Ahora analizando en la segunda figura solamente el rotor de la maquina vemos que existen corrientes entrantes en el semicírculo inferior y salientes en el superior, esta distribución dependerá de la forma en que se bobina el rotor y como se alimenta. Esta corrientes generan un campo magnético alguna de cuyas líneas están indicadas en rojo, definitivamente todos estos campos podremos representarlos por uno resultante que es el vector rojo. Para esta situación tenemos que la distribución de la fuerza magnetomotriz será variable y tendrá una distribución lineal a lo largo del entrehierro ya que a medida que nos movemos en el entrehierro se van incorporando conductores de este solenoide. Como ambos campos están actuando simultáneamente la distribución de flujo será la indicada en el tercer par de ejes cartesianos donde podemos observar que el punto de flujo cero (lugar donde estará la LN), se desplazo hacia la izquierda en el sentido del movimiento de rotación. A partir de las reglas de las manos derechas e izquierda vemos que con ese sentido de rotación y esos sentidos de las corrientes solo sucede cuando actúa como generador ya que es la única situación posible. Podemos concluir que la LN se desplazo en el sentido de rotación de la maquina cuando funciona como generador. Situación que se confirma con sumar ambos campos el verde y el rojo y ver que el campo resultante se corrió de la vertical inicial, y como la LN es la perpendicular al campo (como lo demostráramos arriba) tendremos también que la LN se desplazo en el sentido de rotación de la maquina. Si hiciéramos el análisis como motor vemos que conservamos los tres gráficos y lo que variara es el sentido de rotación.

Cualquiera sea la situación, ubicación de los polos principales, sentido de rotación, sentido de circulación de las corrientes etc. Analizando convenientemente y respetando las leyes del electromagnetismo siempre tendremos que la línea neutra LN se desplaza en el sentido de la rotación si es un generador y en sentido contrario a la rotación si es un motor. De lo anterior tenemos que si las escobillas no están sobre la LN las chispas que se producen están alimentadas por la tensión de la bobina y su extinción depende de la velocidad de conmutación y de la inductancia de la bobina en cuestión, podría suceder el caso extremo en que no se extinguió la chispa generada por la conmutación de dos delgas y comienza la conmutación con la siguiente generándose una nueva chispa con el aporte de energía del nuevo generador que es la nueva bobina en cuestión, manteniéndose esto en el tiempo tendremos un arco que recorre a todo el colector con el aporte a ese arco de energía del exterior por las escobillas y aporte del interior por las tensiones generadas en las bobinas, por supuesto que esta situación es inaceptable y lleva a la destrucción del colector en muy breve tiempo. Por todo lo anterior surge la necesidad de conocer la ubicación real de la LN y corregir este corrimiento respecto de la ubicación de las escobillas. Una primera forma de corrección es ubicar las escobillas en un punto de corrimiento de máxima ocurrencia que es donde la maquina opera con mayor frecuencia y aceptar los deterioros que el funcionamiento fuera de este punto pueda ocasionar, esta operación la realiza un operador experimentado que al someter a la maquina al funcionamiento de mayor ocurrencia; en forma manual busca el punto de mejor conmutación. Solución de mala calidad aplicable solo a maquinas de bajo costo y potencia. Una segunda opción es realizar una corrección automática con un , servomecanismo que rotara la posición de las escobillas un determinado ángulo según la corriente del rotor (ya que esta corriente es claro indicativo del corrimiento de la LN). Solución de mucha mayor calidad y costos. Una tercera alternativa es el de utilizar un bobinado de compensación, como se indica en la figura, en ranuras sobre las cabezas polares se incorpora un bobinado auxiliar al que se le hace circular la misma corriente del rotor, es decir que conectamos al rotor en serie con el bobinado auxiliar, y con un adecuado diseño generamos en el centro de la maquina una Fmm de igual magnitud pero de sentido opuesto a la reacción de inducido, con lo que estamos logrando una corrección constante de la reacción de inducido. Solución que resulta ser la más satisfactoria aunque la más costosa, generar canaletas donde bobinar el arrollamiento de compensación, obliga a poner mayor cantidad de hierro laminado ya que la inducción de diseño necesita una sección de polo de terminada y la discontinuidad que imponen las canaletas hace necesario una sección física mayor para obtener una sección efectiva igual a la requerida sin

las canaletas, además de esto obviamente tenemos que considerar el bobinado adicional. Cualquiera sea la forma de corrección, en el corrimiento de las escobillas respecto de la LN original, tendremos que al campo producido por el rotor lo podremos descomponer en dos partes una de ellas es la reacción de inducido propiamente dicha y la otra la reacción de inducido longitudinal que es la componente de la reacción que se opone al campo principal generando la necesidad de producir un flujo mayor para obtener los resultados de diseño inicial. Si desarrollamos el entrehierro completo tendremos dos polos ubicados distribuidos y lo mismo con todos los conductores del rotor. Las Fmm de cada uno de ellos distribuidas en el entrehierro nos dan dos escalones para los polos y una distribución lineal para el rotor. Ambas Fmm son las productoras del flujo o la densidad de flujo que se replicara de igual forma a las Fmm en las zona donde la continuidad del circuito

magnético es constante, en las zonas donde tenemos discontinuidad aparecerán las deformaciones producto de la falta de materiales por donde establecerse el flujo; situación que se da en las zonas de discontinuidad como los espacios entre los polos y/o los lugares donde se instalan las escobillas, esta discontinuidad se traduce en una deformación de la densidad de flujo respecto de la Fmm, como esta discontinuidad existe para el flujo que trata de instalas el estator como el del rotor, tendremos como consecuencia las deformación de ambos flujos el del estator y el del rotor. Para la situación inicial donde el rotor es circulado por una corriente muy pequeña o despreciable, si observamos los puntos por donde la densidad de flujo pasa por cero son puntos por donde pasa la LN ( donde se genera la mínima tensión o tensión nula); a medida que aumenta la corriente del rotor la Fmm de este comienza a ser importante y si ahora queremos saber por donde pasa la LN deberemos sumar ambas densidades de flujo y ver donde están los puntos de densidad de flujo iguales a cero, se observara que se han corrido, en el sentido de la rotación para el caso de un generador y en sentido contrario a la rotación para el caso de un motor.

Conmutación Lo visto hasta acá es el fenómeno de reacción de inducido, que al igual que cualquier proceso de transferencia de energía vemos que lo que sucede en una parte del circuito influye sobre la parte que inicialmente observábamos cambiando de manera dinámica el estado general de situación. Esto paso cuando comenzamos a ver que según la potencia tomada del secundario del transformador se modificaba la situación de equilibrio inicial llegando a una nueva, esta situación se repetía cuando al estar en vacio en un motor asincrónico trifásico y luego pasar a tener una demanda mecánica en el eje, esta situación generaba un cambio en el estado inicial de equilibrio pasando a uno nuevo. Otro proceso vinculado a la reacción de inducido que afecta el funcionamiento de nuestra maquina de corriente continua es el de conmutación. Al desarrollar el colector de una maquina y ver las bobinas que intervienen observamos que las escobillas al pasar de estar en contacto con una delga a estar en contacto con la siguiente, durante todo ese tiempo ponen en cortocircuito la bobina en cuestión, aquí también se observa lo importante de que las escobillas estén sobre la LN ya que la bobina que están cortocircuitando si tuvieran tensión tendríamos un cortocircuito alimentado por la tensión de la bobina, tal como analizamos arriba; al ver la circulación de corriente por las bobinas vemos que la que esta conmutando pasa de estar siendo circulada por una corriente en un sentido a estar circulada por una corriente de sentido opuesto luego de la conmutación, de allí el nombre de este proceso debido al

cambio o conmutación en el sentido de circulación de la corriente por la bobina en conmutación. Para analizar la posibilidad de mejorar este proceso, vemos lo que sucede eléctricamente en la bobina en cuestión, observando las tensiones y corrientes que están operando en ese momento. Si la bobina estuviera pasando por la LN y la tensión generada en ella fuera nula nada más seria un nodo que conecta una parte con la otra del bobinado. Como la conmutación puede no ser perfecta se vera que algo de tensión puede estar siendo generada en la bobina en cuestión; esta tensión es la que produce la circulación de una corriente de estudio i que es de la que queremos conocer algunas características para solucionar su efectos negativos. Analizamos a la bobina en conmutación a través de la malla que ella constituye con la incorporación de resistencias de contacto que son las resistencias eléctricas que aportan a este circuito el contacto de la escobilla con las porciones variables de las delgas que están conmutando.

Este análisis finaliza con la conclucion de una conmutación suave y continua. En la realidad la tensión en la bobina que esta conmutando no es nula la inductancia y la resistencia tampoco son nulas, generando valores inadecuados de corriente de conmutación; de todo lo anterior tenemos que el valor no nulo de la tensión de la espira en conmutación es uno de los aspectos a tener en cuenta para evitar los problemas de cortocircuitos. Por mas eficiente que sea la corrección del corrimiento de la línea neutra siempre existe algo de tensión que deberíamos intentar cancelar. Para esto de igual forma que mejoramos el corrimiento de la LN con un bobinado de compensación que generara un campo igual y opuesto al que produjo la reacción de inducido; ahora agregaremos un grupo de polos auxiliares de conmutación que tienen la función de generar el campo necesario para producir una tensión opuesta de igual magnitud y de esa forma cancelar el residual de tensión que pudiera haber quedado luego de la compensación.

Distintas formas de conectar estas maquinas De acuerdo a como hagamos las conexiones de los bobinados tenemos: con exitacion independiente, en derivación o paralelo, en serie y compuestos. Como en todas las maquinas la cupla de esta maquina es función de la corriente que circula por el rotor y del flujo en el que esta inmerso. C = K . flujo . Ia La tensión generada es función de la velocidad pues a mas velocidad habra mas derivada del flujo respecto del tiempo. Eg = K2 . RPM...