Capítulo 2: Máquinas de Corriente Directa
2.4 Prácticas de Laboratorio:
Práctica No. 1: Elementos constructivos de las máquinas eléctricas de corriente
directa.
Objetivos:
1. Describir las partes componentes que forman el estator de las máquinas eléctricas de corriente directa. 2. Describir las partes componentes que forman el rotor de las máquinas eléctricas de corriente directa. 3. Identificar los terminales de una máquina eléctrica de corriente directa.
4. Describir los datos de chapa y la información que brindan los mismos en una máquina eléctrica de corriente directa.
Contenido del trabajo:
1. Se mostrarán y describirán los diferentes elementos constructivos de las máquinas eléctricas de corriente directa. 2. Se identificarán los terminales de una máquina eléctrica de corriente directa.
3. Se mostrarán y leerán datos de chapa de máquinas eléctricas de corriente directa.
Fundamentos teóricos:
Partes de las máquinas de corriente directa:
La máquina de corriente directa consta de dos partes principales:
1. La parte estacionaria o estator, destinada fundamentalmente, para crear el flujo magnético.
2. La parte rotatoria, llamada también rotor o inducido, en la que transcurre el proceso de transformación de la energía mecánica en eléctrica (en el caso de un generador eléctrico) o a la inversa, la transformación de la energía eléctrica en mecánica (en el caso de un motor).
La parte estacionaria está separada de la rotatoria por un espacio de aire llamado entrehierro.
Estator: Está compuesto por los polos principales, destinados a crear el flujo magnético principal, los polos auxiliares o polos de conmutación (interpolos), instalados entre los polos principales y que sirven para lograr el funcionamiento sin chispa de las escobillas en el colector o conmutador y la culata o carcaza, que es la armazón de donde se soportan los componentes anteriores.
Polos principales: Consta del núcleo polar, armado de chapas de acero de aproximadamente 1mm de espesor aisladas entre sí y sujetas por espárragos. Por el lado que da al inducido el núcleo polar tiene la zapata polar, que sirve para facilitar el paso del flujo a través del espacio de aire o entrehierro. En el núcleo polar va colocada la bobina de excitación por la cual pasa corriente continua. La bobina se enrolla alrededor de la armazón hecha de chapas de acero de 1-2 mm de espesor y separadas de esta por cartulina, plástico o papel de baquelita, todos aislantes. La sujeción de los polos a la carcaza se realiza a través de pernos.
Polos auxiliares: Igual que el polo principal, consta del núcleo polar que termina con la zapata polar y la bobina de excitación. Se instalan entre los polos principales y van sujetos a la culata mediante pernos.
Culata o carcaza: Soporta los polos principales, los auxiliares y los soportes de las escobillas y con la ayuda de la cual la máquina se sujeta a los cimientos.
Rotor: Es un cuerpo cilíndrico, que gira en el espacio interior, limitado por los polos e interpolos. Está compuesto por el núcleo del inducido, el devanado o enrollado, el colector o conmutador y el soporte de las escobillas que aunque está sujeto a la carcaza, está aislado de esta.
Inducido o armadura: Actualmente se emplean los inducidos del tambor, hechos de chapas de acero de 0,5 mm de espesor. Las chapas se arman en la dirección axial de la máquina y para reducir las pérdidas por corrientes parásitas, se aíslan una de otra con laca o papel de 0.03 - 0.05 mm de espesor. El núcleo del inducido se prensa por ambos lados y se sujetan al eje del mismo.
La parte más externa, cercana al entrehierro, tiene ranuras distribuidas uniformemente, donde van alojados los conductores que forman el devanado de armadura.
Devanado de armadura: Este es el corazón de la máquina. En él se origina la potencia eléctrica del generador o el momento del motor. En las máquinas modernas se utiliza uno de los dos tipos de enrollado más difundidos: el imbricado y el ondulado; distinguiéndose entre sí por dos aspectos: el primero la diferencia desde el punto de vista constructivo, por la forma en que los finales de los conductores son conectados al conmutador y el segundo desde el punto de vista eléctrico difieren por el número de ramas en paralelo entre escobillas.
Colector o conmutador: Es un ingenioso mecanismo que realiza una función extremadamente importante en las máquinas de corriente directa. Cuando la máquina trabaja como generador, convierte el voltaje alterno generado internamente, en voltaje de directa externamente o inversamente; si el motor está formado por un grupo de segmentos de cobre llamados delgas, de pequeña sección y forma característica sobre los cuales se deslizan las escobillas o carbones. Cada elemento está aislado del siguiente y a su vez, del núcleo de la armadura.
Soporte de escobilla: Para recoger la señal del colector o suministrarle la señal eléctrica, se emplean las escobillas o carbones que van sujetos al soporte.
Identificación de los terminales de una máquina eléctrica de corriente directa:
La identificación de los terminales de una máquina eléctrica es necesaria, pues hay momentos en que los mismos no aparecen identificados y necesitamos la conexión y uso del equipo.
Existen varios métodos para la identificación de los terminales, a través de un ohmiómetro, voltímetro y amperímetro, o a través de un puente. Todos estos midiendo valor de resistencia en Ohm.
Se tomará una máquina compound para la identificación de los terminales y un ohmiómetro como instrumento de medida. En máquinas de mediano y gran tamaño al realizar la medición cuyo valor se encuentre en décimas de ohm corresponden al devanado de armadura o al de excitación serie y el de alto valor de resistencia es el devanado shunt o el de excitación independiente si se tratara de una máquina de este tipo.
Para poder identificar el devanado de armadura respecto al de excitación serie se mide continuidad de los terminales respecto a la escobilla y el que deflecte la aguja indicando continuidad, es el devanado de armadura o también los dos puntos de bajo ohmiaje que al levantar las escobillas dejen de tener continuidad con los del devanado de armadura.
Otro método de identificación es visualmente, cuando tenemos la máquina desarmada siendo el devanado shunt aquel que presente muchas vueltas de alambre fino, y si es de pocas vueltas de alambre grueso corresponderá entonces al devanado serie.
También los interpolos se diferencian físicamente de los polos principales ya que los mismos presentan pocas vueltas y el mismo calibre que el devanado serie.
En la siguiente figura se muestra cómo se identifican los terminales de una máquina de corriente directa a través de un instrumento de medición.
Datos de chapa:
Los datos de chapa en las máquinas eléctricas son de gran importancia ya que los mismos facilitan el conocimiento de varios parámetros nominales de la misma.
En el caso de las máquinas de corriente directa esta nos informa de:
•
Pn- Potencia nominal en Kw. si es generador y mecánica si es motor.•
Ia - Corriente de armadura.•
Va- Voltaje de la máquina.•
Rpm-Velocidad de la máquina. • El peso en Kg.• El tipo de máquina si es compound, serie o shunt. • La eficiencia en porciento.
•
IP- Grado de protección, donde: (I) nos indica que la máquina está protegida contra el agua y la (P) contra el polvo.Algunas traen también en chapa la corriente de excitación (Iexc) , voltaje de excitación (Vexc), régimen de trabajo y clase de aislamiento.
Técnica operatoria:
Según lo explicado en los fundamentos teóricos, se observarán y describirán las partes del estator y el rotor de una máquina de corriente directa preparada para ello, se identificarán sus terminales y se leerán sus datos de chapa.
Informe:
1. Se explicarán los elementos constructivos de las máquinas eléctricas de corriente directa. 2. Se expondrá como se identifican los terminales de una máquina eléctrica de corriente directa.
3. Se explicará el significado de los datos de la máquina eléctrica de corriente directa, observada durante la práctica.
Preguntas de control de la autopreparación:
1. Mencionar las partes en que se dividen las máquinas de corriente directa. 2. ¿Cuál es la función principal del estator?.
3. ¿Qué elementos forman el estator?.
4. Señalar las partes componentes del rotor o inducido. 5. ¿Con qué objetivo se utilizan los polos auxiliares?. 6. ¿Qué función realiza el conmutador?.
7. ¿Cómo usted determinaría con un ohmiómetro los terminales de una máquina de excitación independiente?. 8. ¿Qué importancia tienen los datos de chapa de una máquina de corriente directa?.
Práctica No. 2: Devanados de las máquinas de corriente directa.
Objetivos:
1. Describir las características constructivas de los devanados de corrientes directa. 2. Analizar las posibilidades de reconexión de devanados de corriente directa.
Contenido del trabajo:
1. Se entregarán armaduras ya devanadas para su identificación.
2. Se calculará un devanado y se realizará el mismo en una armadura vacía.
Fundamentos teóricos:
Clasificación de los devanados de armaduras:
El enrollado (devanado o arrollamiento) de armadura es el elemento más importante de las máquinas y debe satisfacer las siguientes condiciones:
1. El enrollado deberá calcularse para un voltaje y corriente de carga, dados en correspondencia con la potencia nominal.
2. Tener la solidez eléctrica, mecánica y térmica necesarias para garantizar un tiempo de trabajo de máquina suficientemente prolongado (de 15-20 años).
3. La construcción del enrollado debe asegurar una conmutación satisfactoria, sin chispas.
4. El gasto de materiales para determinados parámetros de explotación (eficiencia y otros) deben ser mínimos. 5. La tecnología de fabricación de los enrollados debe ser lo más simple posible.
Independientemente del tipo de inducido (anular o tambor) existen los siguientes tipos de devanados de inducido de las máquinas de corriente directa:
Simple de lazo (imbricado simple).
Múltiple de lazo (imbricado combinado o lazo combinado). Ondulado simple.
Ondulado múltiple (ondulado combinado).
Combinado (combinación del ondulado y el de lazo).
Paso dental y paso de ranura:
Paso dental: Es la distancia del centro de una ranura al centro de la otra adyacente sobre la superficie del rotor.
Paso polar: Es la distancia desde el centro de un polo al centro del otro adyacente, medida sobre la superficie de la armadura, se simboliza por ( ). Un paso polar es igual a 180 grados eléctricos.
En la construcción de los devanados es conveniente sumar las fem de los conductores, para así obtener voltajes más altos. Esto se logra conectando en serie los extremos a y b como se muestra en la siguiente figura. De este modo la fem del conductor aa' se sumará aritméticamente a la Fem. del conductor bb', se le denomina vuelta de la bobina.
La parte del conductor que se halla dentro de la ranura se conoce como conductor activo o lado activo de la bobina, los terminales a y b se conectan al colector, y se conocen como terminales de bobina.
La conexión a' xb' se denomina conexión posterior de extremo o extremo final. El número de ranuras incluidas en la conexión final es llamado paso posterior o primer paso parcial (Y1) En la figura anterior el paso posterior es de cuatro ranuras.
Las bobinas normalmente están formadas por varias vueltas y los conductores activos que descansan en una ranura simple, tomados como un grupo, son llamados lados de bobina.
En la práctica, no siempre los lados activos de la bobina se colocan a la distancia de un paso polar (180° eléctricos), por lo que pueden ocurrir tres casos:
1. Cuando la distancia abarcada por los lados activos de una bobina es igual a un paso polar. Este caso se denomina devanado de paso completo.
2. Cuando la distancia es menor de un paso polar y se llama devanado de paso acortado. Este es el caso más frecuente.
3. Cuando la distancia es mayor de un paso polar y se denomina devanado de paso alargado, el cual tiene poca utilización.
Además, los devanados se distinguen según el número de capas:
Devanado de simple capa: Cada ranura está ocupada por un lado activo de la bobina.
Devanado de doble capa: Cada ranura está ocupada por los lados activos de bobinas diferentes, siendo estos los más utilizados.
Para los devanados de doble capa, aparece el concepto ranura elemental (Ze) que es aquella que contiene dos lados activos . Si la ranura real contiene 4, 6... 2u lados activos, entonces, se puede dividir en 2, 3... u ranuras elementales como se observa en la figura siguiente:
En los casos anteriores se cumple que: S = K = Ze
Donde:
S: Número de ranuras. K: Número de delgas.
En un paso polar se tendrán
Z
e2p
ranuras elementales. Con frecuencia esta relación no es un número entero, sin embargo el paso posterior (Y1) tiene que ser un número entero, por lo que a veces se necesita reducir el paso de la bobina con respecto al paso polar en una fracción de ranuras ε. Obteniéndose la ecuación para determinar el paso posterior:ε
±
=
p
Z
Y
c2
1
Donde:Y1: Número entero.
Devanados imbricados y ondulados:
Hay dos tipos de devanados de tambor conocidos como imbricados u ondulados. Ambos están formados por elementos de bobina simples y se diferencian principalmente por la forma en que los terminales de las bobinas se conectan al colector. Los devanados imbricados simples se forman al conectar los terminales de las bobinas a las delgas adyacentes. La figura que sigue muestra el esquema de dos bobinas conectadas para formar un devanado imbricado simple.
Debe notarse que el terminal de comienzo de la bobina B es conectado al terminal final de la bobina A, de forma tal que las bobinas A y B se encuentran conectadas en serie entre la delga 1 y 3 del colector. De la misma forma en que se conectó la bobina B, pueden colocarse más bobinas para formar un devanado completo, que ocurrirá cuando el extremo derecho de la última bobina se conecta a la delga 1 del colector cerrando el devanado.
Paso frontal o segundo paso parcial (Y2) se le llama al número de ranuras comprendidas entre los terminales de las bobinas que se conectan a la misma delga. Para el caso mostrado en la figura anterior, el paso frontal es de tres ranuras.
Paso resultante (Y) será la distancia, medida en ranuras elementales, entre los lados activos correspondientes a dos bobinas consecutivas, de acuerdo con el esquema del devanado, entre los pasos Y1, Y2 y Y de cualquier devanado, ya sea este imbricado u ondulado, existe la relación:
Y2 = Y - Y1
Paso del colector (Yc), será el número de delgas que se avance de un terminal de la bobina a otro, en la figura anterior ya pudimos observar que el paso del colector es de una delga.
Donde:
p: Pares de polos.
El devanado ondulado simple se construye tomando los terminales de las bobinas y conectándolas a delgas que se encuentran separadas aproximadamente por dos pasos polares.
En la figura se muestra la conexión de dos bobinas:
La bobina A se coloca en las ranuras 1 y 5 (un paso polar) y sus terminales en las delgas 1 y 10 (dos pasos polares). La bobina B se coloca en las ranuras 10 y 14, y sus terminales, a las delgas 10 y 19. El paso del colector en este caso es nueve delgas. El paso posterior es de cuatro ranuras y el frontal, de cinco.
La forma más simple para analizar las características de un devanado imbricado simple es desarrollando un ejemplo completo.
Ejemplo: Desarrollar el devanado de una máquina de corriente directa de cuatro polos con ocho ranuras y dos lados de bobinas por ranura.
Las ranuras se simbolizan con líneas verticales continuas. La circunferencia se corta a través del medio de un diente, lo que se representa por la línea AA' de la figura que aparece a continuación. La distancia entre A y A' se divide en tantas partes como polos tenga la máquina, representando cada una de ellas en un paso polar. En el ejemplo será: 8 ranuras / 4 polos = 2 ranuras / polo.
El número de delgas siempre es igual al número de bobinas, en el ejemplo hay una por ranura, por lo que tendrá ocho delgas.
Las escobillas se tomarán del ancho de una delga y la primera de ellas se coloca en la más cercana del centro de la primera cara polar. A esa delga se le simboliza con el número 1, y las otras se numerarán consecutivamente hacia la derecha. En la práctica, las escobillas pueden cubrir hasta tres delgas.
El lado de la bobina que se coloca en la parte superior de la ranura se simboliza por la misma línea vertical de la ranura y número; el lado de la bobina que se encuentra en la parte inferior de la ranura por una línea punteada; el número de la ranura correspondiente, con una prima.
Cálculo de los pasos del devanado:
2
0
2
.
2
8
2
±ε=
±
=
=
p
Z
Y
cTomando un devanado progresivo: Yc = Y = + 1
Y2 = Y – Y = 1 – 2 = -1
El signo menos significa que se recorre esa distancia hacia la izquierda.
Construcción del devanado:
1. Se dibuja el número de ranuras.
2. Se dibuja el colector, teniendo en cuenta la simetría del esquema.
3.
Cálculo de las ranuras por polo = Zc / 2p = 8 /4 =2 (ya se mencionó anteriormente). Este paso se ejecuta para situar los polos en el esquema y así poder determinar cómo se inducen las fem para una dirección de movimiento de la armadura. Se supondrá que la armadura se desplaza hacia la derecha y que le polaridad de los polos es (n-s- n-s).4. Colocación de las escobillas: en las máquinas de corriente directa con devanado imbricado simple, el número de ramas en paralelo que se forman es igual al número de polos, o sea:
2a = 2p Donde:
De la misma forma se deben conectar igual número de escobillas que de polos, conectándose entre sí las escobillas de igual polaridad.
Se denomina rama a un conjunto de bobinas conectadas en serie, entre dos escobillas de diferente polaridad. Se sitúa la primera escobilla en la delga 1 y para el ejemplo que se desarrolla, se observa que a la misma llegan los lados activos 1 y 2', así como que las fem salen de la escobilla, siguiendo el circuito por ambos lados activos se observa que la fem 3' se suma a la 1, y la fem 4 a la 2. Si continuamos se llega a la fem 3, que se opone a las anteriores, por este motivo se detiene el análisis en 4' y se facilita la salida de la suma total de las fem de los lados activos anteriores, colocando la segunda escobilla en la delga 3.
Se procede con los demás lados activos de igual forma, pero comenzando el recorrido por los lados activos 2', 8 y 1', 7, colocando en el punto de la delga 7 la tercera escobilla, que será de igual polaridad que la segunda escobilla. La cuarta escobilla se sitúa recorriendo los lados activos 8', 6 y 7', 5, en la delga 5. Por último, se recorre la rama que falta; 6', 4 y 5', 3, cerrando el circuito.
El esquema eléctrico correspondiente al análisis y que representa a las fem generadas en cada lado activo de las bobinas por una batería, se puede observar en la siguiente figura. Como se nota el devanado ha quedado en forma simétrica, ya que en cada rama hay igual valor de fem.
Por último, se deben unir las escobillas de igual polaridad formándose los terminales de armadura de la máquina.
Ejemplo del devanado ondulado simple: para desarrollar un devanado ondulado regresivo simple para una máquina de corriente directa de cinco ranuras y cuatro polos, con dos lados activos de bobina por ranura, se seguirá el mismo método empleado en el ejemplo anterior:
4
1
4
5
2
±
=
±
=
ε
p
Z
Y
cSe tomará un paso acortado, por tanto:
1
4
1
4
5−
=
=
Y
(devanado
regresivo)
p
K
Y
Y
c=
=
−1
5
2
2
1
5−
=
=
=
=
=
=
e cY
ya
que
S
K
Z
Y
1
1
2
2=Y
−Y
=
−
=
Y
cEl devanado ondulado simple se simboliza igual que el imbricado, aunque este último se caracteriza porque al bobinarlo se recorre la armadura y correspondientemente el colector, colocado debajo de cada par de polos una bobina que abarca en el colector un paso Yc. El requisito fundamental que debe cumplir un devanado ondulado consiste en que después de recorrer