Máquinas rotativas
de corriente continua
4
vamos a conocer...
1. Principio de funcionamiento de máquinas
de corriente continua
2. Constitución de máquinas de corriente
continua
3. Tipos de conexión entre devanados
4. Devanados en máquinas de corriente continua PRÁCTICA PROFESIONAL 1
Desmontaje de una máquina rotativa de corriente continua
PRÁCTICA PROFESIONAL 2
Bobinado del devanado de excitación de una máquina de corriente continua
PRÁCTICA PROFESIONAL 3
Bobinado del inducido de una máquina de corriente continua
PRÁCTICA PROFESIONAL 4
Comprobación de inducidos
MUNDO TÉCNICO
Equilibrado de máquinas rotativas
y al finalizar esta unidad...
Conocerás cuál es el principio de funcionamiento de las máquinas de corriente continua.
Identificarás los elementos que forman los circuitos magnéticos y eléctricos de estas máquinas.
Diseñarás diferentes tipos de devanados de inducidos.
Representarás gráficamente los diferentes tipos de devanados de las máquinas de corriente continua.
Construirás devanados de excitación y del inducido de una máquina de corriente continua.
Comprobarás el correcto funcionamiento de los diferentes tipos de devanados.
Máquinas rotativas
de corriente continua
situación de partida
CASO
PRÁCTICO INICIAL
La empresa MantenExpress ha recibido un encargo para repa-rar un motor instalado en una antigua máquina de transporte de chapa. En una primera comprobación in situ los técnicos han observado que no es una máquina trifásica de corriente alterna como es habitual en la actualidad. Según los empleados encar-gados de operar la instalación, dicho motor movía un sistema de transferencia de chapa en un sentido y otro, y todo a diferentes velocidades. El operario más veterano indica que al motor ya se le había realizado una profunda revisión hacía bastantes años, y que en ella se habían cambiado, entre otras operaciones de manteni-miento, las escobillas y los rodamientos. En esta ocasión, el fallo parece que es interno, ya que después de un bloqueo del eje, la máquina comenzó a humear y a oler a quemado eléctrico. Las protecciones de la instalación se dispararon y, una vez restituidas, la máquina no respondió a ninguna de las maniobras efectuadas desde el cuadro de control.
Al abrir la caja de bornes del motor, Fermín y Abel han compro-bado la continuidad con un polímetro entre dos de los cuatro
bornes que están etiquetados como A-B y no han obtenido nin-guna medida. Después de sacar las escobillas y comprobar que están en perfecto estado, se ha decidido desmontar la máquina y llevarla hasta el recién montado taller de bobinados de la empresa MantenExpress. Allí, al retirar una de las tapas de la carcasa, se ha observado, además de percibir un fuerte olor a quemado, que las bobinas ubicadas en el rotor están deterioradas debido al calor. Parece evidente que el devanado se ha destruido y que es necesario su rebobinado.
Al desmontar la máquina se ha observado lo siguiente:
• el estator dispone de 4 piezas polares de gran tamaño y otras 4 de un tamaño mucho más reducido,
• todas las delgas del colector tienen dos terminales de diferen-tes bobinas,
• solamente dispone de dos líneas de escobillas,
• de cada ranura salen 8 terminales de bobinas, que se conectan a las diferentes delgas del colector.
1. ¿Por qué la máquina tiene un devanado en el rotor y otro en el estator?
2. ¿Cuál de los devanados es el encargado de la excita-ción?
3. ¿Cómo se denomina el elemento de conmutación para alimentar las bobinas del rotor?
4. ¿Qué misión tienen los polos de pequeño tamaño que están intercalados entre los principales?
5. ¿Por qué los bornes de la máquina están etiquetados como J-K A-B?
6. ¿Cuántos polos tiene la máquina?
7. ¿Qué indica que a cada delga del colector lleguen dos terminaciones de bobinas de la armadura?
8. ¿Qué significa que todas las bobinas del devanado averiado estén montadas con 5 ranuras entre sus lados activos?
9. ¿Por qué de cada ranura salen 8 terminales que se conectan a las delgas?
10. ¿Por qué la máquina reparada solamente dispone de 2 líneas de escobillas y, sin embargo, tiene 4 piezas polares?
estudio del caso
Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después analiza cada punto del tema con el objetivo de contestar el resto de preguntas de este caso práctico.
1. Principio de funcionamiento
de máquinas de corriente continua
Atendiendo a los principios de inducción electromagnética estudiados en la primera unidad, si una espira o bobina se mueve en el interior de un campo magnético inductor cortando sus líneas de fuerza, en ella se genera una fuerza electromotriz que puede ser utilizada en el exterior mediante un sistema de conmutación denominado colector. En este caso la máquina funciona como generador (dinamo), ya que es capaz de transformar energía mecánica (la pro-ducida en el giro de la bobina) en eléctrica (la obtenida en los terminales del colector).
Giro
a Figura 4.1. Generador elemental.
Si por el contrario, por dicha bobina o espira se hace circular una corriente eléctrica, esta genera un campo magnético con diferente polaridad en cada uno de sus lados activos. Si dicha polaridad se hace coincidir con la del campo inductor, la bobina produce un par de fuerzas que la hace girar sobre su eje. Así, como el colector, que está dividido en dos zonas de contacto (delgas), gira también, la conmutación hace que el sentido de la corriente se mantenga siempre en el mismo lado del campo, conservando así la polaridad del campo inducido respecto al campo principal y, por tanto, el giro continuado de la bobina.
Par
a Figura 4.2. Motor elemental.
Todas las máquinas de corriente continua son reversibles, ya que pueden transfor-mar energía mecánica en eléctrica, y viceversa. Es decir, pueden funcionar como generador (dinamo) o como motor.
No obstante, en la actualidad el uso de las máquinas de corriente continua como generadores (dinamos) está prácticamente en desuso o restringido a aplicaciones muy específicas y aisladas. Por este motivo, aunque algunos con-ceptos de los expuestos a continuación podrían aplicarse al funcionamiento de la máquina como generador, el estudio se centrará en el caso de actuar esta como motor.
1.1. Funcionamiento del motor elemental en corriente
continua
En la siguiente secuencia de imágenes se muestra cómo una espira es alimen-tada (para su funcionamiento como motor) desde un sistema de conmutación (colector) con dos delgas (A y B). En la posición inicial (1) la delga A es ali-mentada desde el positivo de la fuente de alimentación. Teniendo en cuenta el sentido de las líneas de fuerza del campo inductor (N-S) y el sentido de la corriente que circula por el conductor, se originará un par de fuerzas que producirá un giro de la espira sobre su propio eje según la regla de la mano iz-quierda. En esa situación el par es máximo (línea de par máximo). Si la espira logra vencer la posición (2) en la que las dos delgas cortocircuitan el sistema de alimentación y, por tanto, el par es nulo, la delga B pasa a la posición (3) en la que queda conectada al positivo de la alimentación. De esta forma, el lado activo opuesto de la espira es recorrido por una corriente del mismo sentido, presentándose nuevamente el par de fuerzas inicial, haciendo girar la espira de forma continuada. F F + – + – N S N S N S + – A B B B A A 1 2 3 F F
a Figura 4.3. Principio de funcionamiento del motor en corriente continua.
Así, en el motor de una única espira o bobina, se puede observar gráficamente cómo el par cambia de sentido si el campo de excitación se mantiene fijo y se invierte el sentido de la corriente en la bobina.
N
S
N
S
F F F FGiro en sentido horario Giro en sentido antihorario
a Figura 4.4. Inversión del sentido de giro del motor de una espira.
La entrada de corriente en el con-ductor se representa mediante un aspa (x) y la salida mediante un punto (·).
recue
r
da
I
a Figura 4.5. Representación del sentido de la corriente en un con-ductor.
Si la máquina dispone de varias bobinas y, por tanto, de un mayor número de del-gas, de forma que la conmutación permita que en todos los conductores que están enfrentados a un polo se induzca una fuerza electromotriz del mismo sentido, el par de fuerzas se mantendrá constante, haciendo que giren de forma continuada sobre su propio eje.
De igual forma que con solo una espira, si se invierte el sentido de la corriente de las bobinas, también lo hará el sentido del par de fuerzas y, con ello, el giro del motor.
N
S
N
S
F F F Fa Figura 4.6. Inversión del sentido de giro de un motor con varias bobinas.
2. Constitución de máquinas
de corriente continua
Una máquina de corriente continua esta forma principalmente por un circuito magnético y dos circuitos eléctricos.
2.1. Circuito magnético
El circuito magnético está formado por una parte fija, ubicada en el estator, y otra móvil en el rotor. Sobre ellas se encuentran bobinados los dos circuitos eléctricos. Carcasa Base Tambor de rotor (Armadura) Piezas polares
a Figura 4.7. Partes del circuito magnético en una máquina de corriente continua.
El circuito magnético fijo está constituido por piezas o masas polares, tantas como polos tiene la máquina. Estas piezas, que pueden ser de tipo saliente o ranurado, se fijan a la carcasa o culata de la máquina, que se encargará de cerrar dicho circuito magnético.
Se denomina entrehierro al espa-cio de aire que existe entre las dos partes del circuito magnético.
saber m
á
s
Entrehierro
A continuación se muestran los dos casos.
a Figura 4.9. Circuito magnético del inductor (piezas polares de tipo saliente y ranurado).
El circuito rotativo es un tambor cilíndrico de chapa magnética que se encuentra ranurado de forma axial. Se le suele denominar armadura y por su centro pasa el eje de la máquina, en el cual también se encuentra embutido el colector de delgas y los rodamientos.
a Figura 4.11. Detalle del circuito magnético del inducido y de su armadura.
2.2. Circuito eléctrico
El circuito eléctrico está constituido por dos partes bien diferenciadas: el inductor y el inducido.
El circuito inductor
Se encuentra alojado en el estator y bobinado sobre las piezas polares. Es el encar-gado de generar el campo magnético fijo que se induce sobre el circuito del rotor. Está constituido por bobinas de grandes dimensiones, cuyo número es igual al de polos que tiene la máquina. El inductor también recibe el nombre de excitación o devanado de excitación.
Bobinas inductoras Culata (carcasa) Piezas polares
a Figura 4.12. Detalle de un circuito inductor de dos polos.
De igual forma que en los trans-formadores, el uso de finas chapas en el circuito magnético disminuye los efectos de las corrientes parási-tas o de Foucault.
recue
r
da
a Figura 4.10. Detalle de una pieza polar formada por chapas magné-ticas.
Las máquinas rotativas de corriente continua requieren dos devanados: uno denominado inductor y otro inducido, instalados en el estator y en el rotor respectivamente.
El número de pares de polos debe ser siempre par, de forma que la polaridad se presente de forma alternativa (N-S-N-S…). El centro de cada uno de los polos se denomina eje polar, habiendo tantos como pares de polos tenga la máquina. El ángulo entre dos polos consecutivos siempre debe ser el mismo.
El eje situado entre dos polos se denomina línea neutra, y sobre ella los efectos magnéticos serán nulos. Así, una máquina de corriente continua tiene tantas líneas neutras como pares de polos.
N
S
S
N
N
S
Línea neutra Eje polar Máquina bipolar Máquina tetrapolara Figura 4.14. Número de polos en máquinas de corriente continua.
El circuito inducido
Se encuentra alojado en el rotor. Su devanado consta de numerosas bobinas que se sitúan en las ranuras del tambor y que, además, se encuentran conectadas al exterior a través del sistema de conmutación.
Tambor de chapas magnéticas Colector de delgas
Rodamiento Devanado del inducido
a Figura 4.15. Devanado de una máquina de corriente continua.
El elemento de conmutación
Es uno de los elementos más importantes de este tipo de máquinas. Se encarga de conectar eléctricamente los devanados del inducido con el circuito exterior, bien para entregar energía en el caso de los generadores, bien para recibirla en el caso de los motores.
El conjunto de conmutación es el que más desgaste sufre debido al funcionamien-to de la máquina, por tanfuncionamien-to, también es el elemenfuncionamien-to que más atención requiere al realizar las tareas de mantenimiento y reparación. Debido a esto, el sistema de conmutación, especialmente en máquinas de gran potencia, es accesible desde el exterior para su supervisión y comprobación sin necesidad de desmontar la máquina.
En el símbolo de una máquina de corriente continua los dos devana-dos se representan por separado.
saber m
á
s
M
Inducido
Inductor
a Figura 4.13. Símbolo de un mo-tor de corriente continua.
El elemento de conmutación que permite conectar el devanado del rotor con el circuito exterior se denomina colector.
Tres aspectos son importantes al hilo del elemento de conmutación:
Colector
Es un tambor formado por pequeñas láminas de cobre denominadas delgas. A estas láminas se conectan los terminales de las numerosas bobinas que forman el circuito del inducido. Las delgas están aisladas entre sí, y también de los otros elementos metálicos de la máquina mediante un material no conductor que suele ser mica o micanita.
Sobre el colector se apoyan las escobillas, que son las encargadas de establecer la conexión eléctrica con el inducido a través de las delgas.
Las escobillas son normalmente de grafito, aunque en algunas ocasiones se fabri-can también de latón. Pueden aparecer de numerosas formas y configuraciones, pero la más común cuenta con un cable flexible para su conexión a la caja de bornes de la máquina y con un muelle-resorte para un apoyo óptimo sobre el colector.
a Figura 4.18. Diferentes tipos de escobillas (Cortesía de Sintercarbo, S.A.).
La escobilla es el elemento de una máquina eléctrica que más hay que cambiar en tareas de mantenimiento. Por ese motivo, los fabricantes instalan portaescobillas que facilitan esta tarea sin necesidad de desmotar la máquina.
La presión de las escobillas sobre el colector suele ser ajustable mediante algún tipo de resorte o tensor.
En ningún caso el acceso a las escobillas debe hacerse con la máquina en funcio-namiento, ya que además de ser perjudicial para la máquina, es muy peligroso para la persona que las manipula.
a Figura 4.19. Detalle de dos es-cobillas de una máquina eléctrica. a Figura 4.16. Colector de delgas.
Escobilla Colector
Cable de conexión
a Figura 4.17. Detalle de escobilla sobre colector.
La micanita es un material dieléc-trico que está compuesto por finas láminas de mica adheridas entre sí por medio de goma o laca.
Colocación de escobillas
La misión del elemento de conmutación es mantener el mismo sentido de la corriente en los haces activos de una bobina. Esto debe ocurrir cuando las dos delgas de la bobina han girado lo suficiente como para situarse entre las dos esco-billas, siempre con la polaridad invertida. El paso de delga en el colector es muy corto, por lo se garantiza de esta manera que el par del motor sea prácticamente constante, ya que cuando una bobina sale de la línea de máximo par (eje polar) ya ha entrado otra.
Para que la conmutación se realice de forma eficiente las escobillas deben ubicar-se en las líneas neutras. Así, una máquina dispondrá de tantas líneas de escobillas como líneas neutras.
N
S
+ –
Línea neutra
Eje polar
a Figura 4.20. Fijación de las escobillas en la línea neutra.
Las máquinas de gran potencia y de gran tamaño recurren a la instalación de líneas de escobillas, así el rozamiento en toda la longitud del tambor del colector es uniforme.
Reacción del inducido
Cuando los devanados de una máquina de corriente continua funcionando como motor son atravesados por una corriente eléctrica, en ellos se generan sendos campos magnéticos cuyas líneas de fuerza son similares a los mostrados en la figura.
N
S
N
S
Línea neutra Línea neutra
Inductor Inducido
a Figura 4.21. Campos generados en inductor e inducido de un motor de corriente continua.
El campo del inducido se presenta de forma transversal al de inductor. Si la má-quina (en este caso motor) no tiene carga, ambos campos se mantienen como en las figuras.
Español-Inglés
Escobillas de carbón: carbon brush
Motor de corriente continua: DC motor
Motor de CC con escobillas: brushed DC motor
Excitación independiente: separately excited
Excitación en paralelo: Shunt excited
v
o
cabulario
a Figura 4.22. Detalles de líneas de escobillas en máquinas con co-lectores de grandes dimensiones.
Sin embargo, cuando se aplica a la máquina una carga (en este caso una resisten-cia mecánica en su eje), la corriente del inducido aumenta y, por tanto, también lo hará el campo generado en él. Este efecto produce una distorsión del campo inductor que genera el desplazamiento de la línea neutra un determinado número de grados. A este efecto se le denomina reacción de inducido, y es necesario te-nerlo en cuenta para realizar el calado correcto de las escobillas, de lo contrario se producirá un exceso de chispas en ellas y en el colector que podrían dañar la máquina.
N
S
Desplazamiento de la línea neutra
a Figura 4.24. Distorsión del campo inductor debido a la reacción del inducido.
Polos auxiliares o de conmutación
Los efectos producidos por la reacción del inducido son asumibles en máquinas de pequeña potencia y en aquellas cuya carga es constante. Sin embargo, en máqui-nas de gran potencia cuya carga cambia de forma continuada, es necesario realizar el calado de las escobillas cada vez que se produce un cambio.
Para evitar el desplazamiento de la línea de escobillas debido a la reacción del inducido se colocan en la culata los denominados polos de conmutación o polos
auxiliares.
Los polos de conmutación son piezas polares, de menor tamaño que las piezas polares principales, que se ubican en la línea neutra de la máquina. Su devanado se conecta en serie con el inductor y genera un campo de compensación que evita la distorsión del campo de excitación y, también, la necesidad de realizar el desplazamiento de la línea de escobillas.
N
S
S N Línea neutra Polos de conmutación Calado de escobillasa Figura 4.25. Polos de conmutación en una máquina de corriente continua.
Si la máquina funciona como gene-rador (dinamo), la línea neutra se desplaza en el sentido opuesto al del motor. Por tanto, para que una máquina pueda pasar de genera-dor a motor, y viceversa, siempre es necesario realizar el calado de las escobillas en el sentido adecuado.
saber m
á
s
Motor Generador
a Figura 4.23. Calado de escobillas en motor y en generador.
Llamaremos polos de conmuta-ción a las piezas polares de menor tamaño. Se instalarán para evitar el desplazamiento de la línea de escobillas debido a los efectos de la reacción del inducido.
caso
práctico inicial
El número de pares de polos de conmutación debe ser igual al número de pares de polos del devanado principal.
3. Tipos de conexión entre devanados
En función de cómo se conecten los devanados (inducido e inductor) entre sí, se pueden conseguir las siguientes configuraciones:
• máquina serie,
• máquina Shunt o derivación, • máquina compuesta (Compound), • máquina de excitación independiente.
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
Shunt
Serie Compound Independiente
A B A B C D A B C D A B J K F E F E
a Figura 4.26. Tipos de conexión entre devanados.
No todos los devanados son intercambiables para conseguir las diferentes con-figuraciones aquí propuestas. Por ejemplo, un devanado inductor diseñado para una conexión serie, no puede conectarse en Shunt, y viceversa, ya que el número de espiras y el diámetro del conductor con el que está construido son diferentes. Sin embargo, el devanado inductor para un motor Shunt puede utilizarse sin problemas en una máquina con conexión independiente.
3.1. La caja de bornes
Los bornes de cada uno de los devanados están etiquetados según la configuración para la que han sido diseñados. Generalmente, este tipo de máquinas dispone de cuatro bornes de conexión en su caja de bornes, excepto la máquina Compound que dispone de seis.
+ – B A F E Máquina serie + – B A D C Máquina Shunt + – B A K J Máquina independiente + – Alimentación 1 Alimentación 2
a Figura 4.27. Cajas de bornes en diferentes tipos de motores de corriente continua.
Las conexiones entre devanados de máquinas autoexcitadas se realizan con puen-tes que facilita el fabricante o mediante latiguillos que debe construir el técnico de montaje.
Excepto la máquina independien-te, todas las demás reciben el nom-bre de autoexcitadas.
saber m
á
s
Que los bornes de la máquina estén etiquetados como A-B J-K implica que esta opera como un motor de excitación independiente.
3.2. La inversión del sentido de giro
Para invertir el sentido de giro de un motor de corriente continua, se debe cam-biar sentido de la corriente en uno de sus devanados. Esto hace que se invierta el par en el inducido, produciendo en consecuencia el cambio en el sentido de giro del motor. Desde el exterior de la máquina esto se realiza permutando los cables de alimentación, bien en los bornes del devanado inducido, bien en los bornes del devanado inductor. Por otro lado, para evitar que el motor se acelere demasiado, en la práctica siempre se recomienda invertir las conexiones del inducido en lugar de las del inductor (excitación).
En la figura se muestra cómo deben conectarse los terminales de los devanados en los diferentes tipos de máquinas para que inviertan su sentido de giro.
+ – B A F E Máquina serie + – B A D C Máquina Shunt + – B A K J Máquina Independiente + – Alimentación 1 Alimentación 2
a Figura 4.29. Conexión de bornes para la inversión del sentido de giro.
3.3. El arranque de los motores de corriente continua
En el momento de su arranque un motor de corriente continua genera una sobre-corriente que puede ser perjudicial, tanto para la instalación de alimentación como para los devanados de la propia máquina. Para disminuir dicha corriente se conecta un reóstato en serie con el devanado inducido. Así, cuando el motor alcanza su funcionamiento nominal, en velocidad y en corriente, el reóstato se anula.
ejemplo
La siguiente figura muestra cómo se conecta el reóstato en serie con el inducido para el arranque de un motor Shunt.
|||| ||| ||| ||| ||| ||||||||||||||||||||||||||||||| |||| |||| |||| ||||| 100 0 50 editex Fusibles Reóstato de arranque I I Editex J C M C + -B A F E 1 2 1 3 3 4 2 4 – + + – – + – A B C D A A 0 10 0,5 J.C.M.Castillo Editex Reóstato
a Figura 4.30. Arranque de un motor Shunt.
+ –
+ –
+ –
+ –
a Figura 4.28. Sentido de giro en motores: antihorario (arriba) y ho-rario (abajo).
El REBT en la instrucción ITC-BT-47 establece que la constante máxi-ma de proporcionalidad entre la intensidad de la corriente de arranque y la de plena carga, en los motores de corriente continua, debe ajustarse a los siguientes valores: Potencia Constante De 0,75 kW a 1,5 kW 2,5 De 1,5 kW a 5,0 kW 2,0 De más de 5,0 kW 1,5
recue
r
da
(continúa)3.4. Variación de velocidad
La velocidad de un motor de corriente continua es directamente proporcional a la tensión del inducido VAB e inversamente proporcional al campo de excitación Φ. La constante K es propia de la máquina y es definida por el fabricante en función el número de polos, de espiras y de derivaciones del devanado.
N = VAB
K · Φ
Así, es fácil comprender que si se varía la tensión del devanado inducido o si se modifica el campo del inductor, variando la corriente que por él circula, también lo hace la velocidad de la máquina.
V+ V–
Reóstato Reóstato
V+ V–
Regulación a par constante Regulación a potencia constante
a Figura 4.31. Conexión del reóstato de regulación de la velocidad.
La forma clásica de regular la velocidad en un motor de corriente continua se basa en insertar un reóstato de potencia adecuada en serie con uno de los de-vanados. Si bien esta forma es sencilla y eficaz desde el punto de vista eléctrico, no lo es tanto desde el punto de vista del montaje y de la instalación, ya que los reóstatos de regulación son dispositivos voluminosos. Si el reóstato se conecta en el circuito del inducido, la regulación de velocidad se realiza a par constante; sin embargo, si se conecta en el circuito inductor, se dice que la regulación se realiza
a potencia constante.
En la actualidad el arranque y la regulación de velocidad en máquinas de co-rriente continua, cuando esta funciona como motor, se realiza utilizando medios electrónicos. Esto presenta las siguientes ventajas:
• Menor espacio en el cuadro de control. • Mayor facilidad en el ajuste y configuración.
• Mejor interconexión con otros sistemas de control industrial, como pueden ser los autómatas programables.
La puesta en tensión de la máquina debe hacerse con el reóstato a máxima resistencia. Así, disminuiremos progresivamente el valor óhmico hasta que el motor consiga su velocidad nominal, en cuyo caso el valor de la resistencia debe ser cero. Observa lo que ocurre con la corriente.
En un motor en derivación, si se desconecta el devanado inductor con el motor en marcha, este se embala de forma peligrosa. Tam-bién puede producirse este efecto en motores en serie si no se coloca carga en el eje.
recue
r
da
En la actualidad la regulación de velocidad se realiza utilizando me-dios electrónicos.
saber m
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s
Analizando las curvas de variación de velocidad y tomando en este caso como referencia un motor Shunt o uno con excitación independiente, se puede com-probar cuál es el comportamiento de la máquina.
• Variación de velocidad regulando la tensión del inducido. En la curva se ob-serva cómo al regular la tensión del inducido VAB, la velocidad varía de forma
constante. En este caso se ha representado una línea recta que corresponde a la variación de velocidad del motor sin carga. No obstante, si el motor dis-pone de un par resistente en su eje, esta puede no ser exactamente una recta, debido a las deformaciones del flujo producidas por el efecto de la reacción del inducido.
N
VAB
Velocidad
Tensión del inducido
a Figura 4.32. Curva de tensión inducida-velocidad.
• Variación de la velocidad regulando la corriente de excitación. En la curva se observa cómo al disminuir la corriente de excitación, la velocidad del motor aumenta. En este caso hay un punto crítico de corriente Ia, que indica que al disminuir demasiado la intensidad de la excitación, la máquina tiende a em-balarse, aumentando de forma peligrosa su velocidad.
Corriente excitación N Iexc Ve locidad Ia Na Nn In Embalamient o
a Figura 4.33. Curva de corriente de excitación-velocidad.
3.5. Característica de velocidad
Se denomina característica de velocidad a la curva que representa el comportamien-to de un mocomportamien-tor cuando sobre su eje aumenta la carga y se mantiene invariable la tensión de alimentación.
Supondremos un circuito para el funcionamiento de un motor de excitación independiente o uno de excitación Shunt. Una vez arrancado, si se mantiene la tensión de alimentación al motor, tanto del inducido como de la excitación, al modificar el valor de la carga en su eje, se observa que la velocidad y la corriente del inducido cambian.
Hay que tener en cuenta que en los motores de derivación, debido a que se encuentran autoexcitados, la velocidad tiende a autorregularse. Además, dicha variación de velocidad no es superior al 10%, lo que significa que en este tipo de motores, la velocidad se mantiene estable aunque se modifique su carga.
3.6. Característica de par
El par interno del motor se relaciona directamente con el flujo de la excitación y con la corriente del inducido. Así, si el flujo generado por el campo de excitación no varía, el par motor dependerá de forma proporcional de la corriente del inducido.
Corriente del inducido
N
IAB
Ve
locidad
a Figura 4.34. Característica de par.
3.7. Característica par-velocidad
También denominada característica mecánica, se representa mediante una curva en la que se relaciona el par motor con la velocidad. En ella se observa cómo el par útil disminuye de forma constante a medida que la velocidad aumenta. Así, el par se mantiene constante a velocidad nominal. El par de arranque es muy elevado, pero también lo es la corriente absorbida en ese instante.
Par
Pn
N
Nn N0
4. Devanados en máquinas
de corriente continua
En este apartado se estudiará el diseño de los devanados en máquinas de corriente continua desde el punto de vista de su esquema y su ejecución. El cálculo eléctri-co o redimensionado de la máquina se sale de los objetivos de estos estudios, por lo que aquí solamente se trabajarán los conceptos y habilidades correspondientes a la reparación e, incluso, al rebobinado de una máquina de corriente continua sin modificar sus características eléctricas.
4.1. Devanado inductor o de excitación
El devanado inductor o de excitación se encuentra instalado en el estator y dis-pone de tantas bobinas como número de polos tiene la máquina. Además, si está prevista la instalación de polos de conmutación, debe añadirse un número de bobinas auxiliares igual al número de polos principales.
Cada bobina debe generar un polo magnético. Así, al menos debe haber dos bobinas de signos contrarios para generar un campo magnético de excitación. Las bobinas están formadas por numerosas espiras de hilo esmaltado con dos ter-minales de conexión. Estos se utilizarán para la conexión de las otras bobinas del mismo devanado al interior de la caja de bornes. Todo el conjunto se cubre con cinta de algodón y posteriormente se impregna de barniz.
a Figura 4.37. Detalle de una bobina inductora en un polo de tipo saliente y extraíble.
Las bobinas del devanado inductor se construyen teniendo en cuenta el tipo de excitación de la máquina, ya que no es lo mismo una bobina destinada a una máquina con excitación en serie que a una de tipo Shunt.
La conexión entre bobinas inductoras se hace en serie de modo que los signos de los polos magnéticos sean contrarios para bobinas contiguas (N-S-N-S, etc.). Así, para una máquina bipolar deben conectarse dos bobinas, para una tetrapolar cuatro bobinas, y así sucesivamente. El signo del polo es fácil de identificar, dando por supuesto un sentido de la corriente en la bobina y aplicando la regla de la mano derecha o la regla del sacacorchos.
La siguiente figura muestra cómo se consiguen los polos en dos bobinas que es-tén situadas en un mismo plano y con la misma posición del arrollamiento del conductor.
Terminales del hilo esmaltado Fundas aislantes Hueco para la pieza polar Bobina encintada
a Figura 4.36. Bobina polar o in-ductora.
a Figura 4.38. Forma de averiguar la polaridad de la bobina.
Quedaría del siguiente modo:
I I
I I
N
S
Sin embargo, cuando dichas bobinas se encuentran situadas en la carcasa de la máquina, la disposición de terminales puede estar cambiada respecto al esquema anterior. En este caso es necesario conocer el sentido de arrollamiento del con-ductor y aplicar la regla de la mano derecha en cada uno de los polos.
ejemplo
En la siguiente máquina se representa la conexión de las bobinas insta-ladas en la culata de una máquina bipolar.
Rotor
Así, si las bobinas se representan con la cara o lado que mira hacia el rotor, la conexión de ambas bobinas es la siguiente:
I
N
S
I
actividades
1. Dibuja cómo sería la conexión de las bobinas inductoras para una máquina rotativa de 4 polos.
c Figura 4.41. Conexión de bobinas.
c Figura 4.40. Conexión de bobinas inductoras en una máquina bipolar. d Figura 4.39. Conexión de
bobinas inductoras en una máquina bipolar (derecha) y conexión simplificada (izquierda).
Si una máquina dispone de 4 bobi-nas de gran tamaño, significa que tiene cuatro polos.
caso
práctico inicial
Podría ocurrir que por motivos constructivos, y para facilitar la conexión entre bobinas en el inte-rior de la máquina, algunos fabri-cantes opten por realizar el arro-llamiento del hilo de las bobinas polares en sentido contrario unas de otras. Esto habrá que tenerlo muy en cuenta en el momento de la conexión entre ellas, pues así conseguimos polos de diferente signo.
4.2. Devanado del inducido o de la armadura
El devanado del inducido se aloja en el rotor y se conecta al exterior a través del dispositivo de conmutación.
Parte inferior de bobinas
Conexiones de terminales de bobinas al colector Cabezas de las bobinas
Ranuras con haces activos de las bobinas
a Figura 4.43. Partes del inducido de una máquina de corriente continua.
Todos los inducidos que se realizan en la actualidad son de tipo tambor. En ellos todas las bobinas se alojan en las ranuras de un núcleo con forma cilíndrica fa-bricado en chapa magnética. Los terminales se conectan a las delgas del colector. Cada devanado está formado por un número determinado de bobinas, cuyos terminales (al menos 2) se encuentran entre dos delgas diferentes del colector siguiendo un criterio geométrico que se verá más adelante.
Conexiones de los terminales Bobina Delgas Ranuras del rotor
a Figura 4.44. Bobina en inducido.
Para facilitar la representación de esquemas de devanados, las bobinas se dibujan con un solo hilo, representado sus cabezas, lados activos y terminales de co-nexión. En los esquemas no se representan las ranuras, aunque de forma opcional pueden aparecer con un número para identificar el orden en el devanado.
3 3 4 55 6 Lados activos en ranuras Cabeza de bobina Terminales de bobinas en delgas Número de ranura
a Figura 4.45. Representación de una bobina.
N
S
Ranuras con los conductores de las bobinas Tambor Colector a Figura 4.42. Conductores en el tambor del inducido.Secciones inducidas
Una bobina se divide en diferentes partes que se alojan en las mismas ranuras y que poseen sus propios terminales de conexión. A cada una de ellas la llamamos
sección inducida. Así, una bobina con una sola sección inducida dispone de dos
terminales de conexión. Si son dos las secciones inducidas, tiene cuatro termina-les de conexión, y así sucesivamente.
1 sección inducida 2 secciones inducidas 3 secciones inducidas
a Figura 4.46. Bobinas con una o varias secciones inducidas.
En cierto modo se puede decir que las secciones inducidas son en realidad bobinas independientes que se alojan en las mismas ranuras de la armadura.
El número de secciones inducidas S de un devanado es igual al número de delgas del colector D.
S = D
De igual forma, el número de secciones inducidas por bobina u es el resultado de dividir el número de delgas D del colector entre el número de ranuras de la armadura K.
u = D K
En los esquemas de devanados los lados activos que van en el interior de las ra-nuras se pueden representar de dos formas:
1. Utilizando líneas individuales de trazo continuo para las de la primera capa
(salientes), y utilizando líneas de trazo discontinuo para las de la segunda (en-trantes).
2. Utilizando líneas de color grueso, una para primera capa y otra para la segunda.
De ellas saldrán las cabezas de cada una de las secciones inducidas.
3
Forma 1 Forma 2
a Figura 4.48. Formas de representación de las secciones inducidas en un devanado.
Todas las secciones inducidas de una bobina deben ser iguales en el número de espiras y en el diá-metro del conductor.
i
mportante
Las secciones inducidas se realizan en el momento de construcción de la bobina, colocando tantos hilos en paralelo como secciones indu-cidas se deseen conseguir.
saber m
á
s
Las bobinas de máquinas de gran potencia se construyen con pletinas en lugar de usar hilo esmaltado.
saber m
á
s
a Figura 4.47. Bobina preformada (Cortesía de Telsen.net).
4.3. Clasificación de los devanados
Los devanados de los inducidos se clasifican según diferentes criterios:
Según el número de capas por ranura
Aparecen distintos casos en función del número de bobinas que ocupan una ra-nura. Los devanados pueden ser de una o de doble capa.
Los devanados de una capa son aquellos en los que una ranura es ocupada solamen-te por los conductores de una sola bobina. Los devanados de dos capas son aquellos en los que la ranura es ocupada en dos niveles por los lados activos de dos bobinas.
Dos capas
por ranura Representaciónabreviada
a Figura 4.49. Devanados de doble capa.
Es evidente que aquellos devanados que requieran más de una sección inducida en sus bobinas, todas ellas estarán en su capa correspondiente.
1 sección por capa 2 secciones por capa 3 secciones por capa
a Figura 4.50. Secciones inducidas por capa.
En los devanados que requieren más de una sección inducida, los lados activos de la bobina saliente de una ranura se colocan en la capa superior y los entrantes en la capa inferior de la ranura a la que saltan.
En algunas ocasiones puede ser necesario detallar la conexión de cada una de las secciones inducidas. Para ello se utiliza un esquema similar al de la figura.
Ranura 6
Delgas Ranura 9
a Figura 4.52. Detalle de conexión de secciones inducidas en un devanado.
Por lo general, los devanados de los inducidos se ejecutan todos a doble capa.
saber m
á
s
Representaremos la capa supe-rior como el conjunto de haces activos salientes de una bobina. La capa inferior representará el de los entrantes. En los esquemas los primeros aparecerán con línea continua y los segundos en línea discontinua.
recue
r
da
Los devanados de doble capa requieren dos terminales por cada delga del colector.
caso
práctico inicial
c Figura 4.51. Detalle del ca-bleado de dos secciones in-ducidas de un devanado de doble capa.
Según la conexión de bobina en el colector
En función de cómo se conecten los finales de las bobinas y secciones inducidas en el colector, los devanados pueden ser:
• imbricados o en paralelo, • ondulados o en serie.
Devanados imbricados
También denominados devanados paralelos, se caracterizan porque cada lado de la bobina queda situado debajo de un polo de signo contrario.
Este tipo de devanados a su vez se clasifican en simples y múltiples.
• Devanados imbricados simples. Los terminales se conectan siempre a delgas adyacentes, pudiendo hacerse en la anterior o en la posterior. Si la conexión se realiza en la siguiente delga, el devanado avanza en sentido horario y se denomina progresivo o no cruzado. Si por el contrarios la conexión se realiza en la delga anterior, el devanado retrocede denominándose regresivo o cruzado.
3 6 3 4 5 6 S N 4 5 5 6 3 4 5 6 N S 3 4 Devanado progresivo
(no cruzado) Devanado regresivo(cruzado) a Figura 4.54. Detalles de devanados imbricados simples.
ejemplo
En la siguiente figura se muestra cómo se ejecuta un devanado a dos capas.
6 7 8 9 3 4 5 3 3 4 4 88 9 9 2 3 4 5 66 7 8 3 3 4 5 66 7 8 99 c c c c N S
a Figura 4.53. Distribución de los devanados en dos capas.
En el esquema del devanado (izquierda), se representan dos haces activos en cada ranura. Si nos centramos en la ranura marcada como número 6, se puede ver que la bobina de color verde es entrante y la bobina de color rojo saliente. Así, las primeras siempre se montarán en la capa inferior de la ranura y las segundas en la superior, siendo habitual que el lado que llega a las ranuras se represente de forma punteada y el que sale de ellas en línea continua.
Español-Inglés
Devanado: winding
Devanado de inducido: armadure winding
Devanado imbricado: lap winding Devanado ondulado: wave winding
Bobinas serie: coils series Bobinas de campo (inductoras): field coil
Progresivo: progressive Regresivo: retrogressive
v
o
cabulario
El devanado progresivo o no cru-zado es el más común para el bobinado de inducidos.
En este tipo de devanados el número de ramas en paralelo es igual al número de pares de polos. Es decir, dos para las máquinas bipolares, cuatro para las tetrapolares, seis para las hexapolares, y así sucesivamente.
• Devanados imbricados múltiples. Cuando la máquina es de gran potencia y trabaja con tensiones reducidas, la corriente de las ramas paralelas del devana-do aumenta de forma considerable. En estos casos, para completar el recorridevana-do de todas las secciones inducidas del devanado, hay que dar varias vueltas al inducido. Así, si solamente se dan dos vueltas, el devanado se denomina doble; si se dan tres, triple, y así sucesivamente. No obstante, no es habitual realizar devanados superiores al doble.
1
8 3 5 6 7
1 2 3 4 5 6 7 8
N S
2 4
a Figura 4.55. Ejemplo de un devanado imbricado doble.
De igual forma que los devanados imbricados simples, los de tipo múltiple pueden ser progresivos o regresivos.
Devanados ondulados
En un devanado ondulado los terminales de las bobinas o secciones inducidas se van conectando en avance con la armadura. Así, para recorrer un grupo de secciones in-ducidas de igual número que el de pares de polos, es necesario dar una vuelta completa al inducido. Se observa entonces que dichas secciones inducidas se encuentran co-nectadas en serie entre sí y que sus terminales se unen en delgas que no son contiguas. En los bobinados ondulados solamente existen dos ramas en paralelo, a diferen-cia con los imbricados, que disponen de tantas ramas como polos. Este dato es importante, ya que una máquina con un devanado ondulado, solamente requiere un par de escobillas. No obstante, para mejorar la conmutación y evitar un exceso de corriente sobre ellas, es habitual disponer de tantas escobillas como pares de polos tenga la máquina.
1 8 S N S N 2 3 4 5 6 7 9 10 11 12 13 1 2 133 1 122 1 3 44 5 6 7 88 99 10110 111
a Figura 4.56. Ejemplo de un devanado ondulado.
En los devanados imbricados sim-ples cada bobina siempre estará conectada entre dos delgas conti-guas.
saber m
á
s
Debido a la disposición en serie de las bobinas de un devanado ondulado, estos se utilizan para aplicaciones que requieren ele-vadas tensiones y un consumo de corriente no demasiado alto.
En este tipo de devanados, igual que en los imbricados, los haces activos de una misma bobina siempre se encuentran situados bajo polos de signo contrario. De igual forma que los devanados imbricados, los de tipo ondulado pueden ser
progresivos o regresivos, además de simples o múltiples.
4.4. Datos y conceptos utilizados en el diseño de devanados
A continuación se citan los datos de uso común para el diseño de cualquiera de los devanados nombrados.
Paso polar (YP)
Es la distancia que existe entre dos masas polares contiguas de signo contrario. En el estudio electrotécnico de las maquinas rotativas este dato suele darse de forma angular en grados. No obstante, para el diseño de los devanados es más útil utilizar dicha distancia en número de ranuras, siendo así el valor del paso polar:
Yp = K 2p
Donde K es el número de ranuras totales de al máquina y p el número de pares de polos.
N
S
S
N
N
S
Paso polar Paso polarMáquina bipolar Máquina tetrapolar a Figura 4.57. Paso polar.
Paso de ranura (YK)
Es el número de ranuras que hay de uno a otro lado activo de una misma bobina. Se representa habitualmente por YK.
El número de ranuras se empieza a contar en la ranura contigua a la que ubica el pri-mer haz activo de la bobina. Así, en la siguiente figura el paso de ranura YK es igual a 3.
1 2 3 4 10 11 12 Paso de ranura (Yk)
a Figura 4.58. Paso de ranura.
Como se verá en el apartado rela-tivo al cálculo, el diseño de los devanados ondulados es mucho más exigente que los imbricados, ya que los primeros no se pueden ejecutar para cualquier número de ranuras y delgas de un inducido.
saber m
á
s
Los polos de conmutación no deben ser tenidos en cuenta para establecer el paso polar.
saber m
á
s
Las bobinas se montan con un número de ranuras según el deno-minado paso de ranura.
El paso de ranura coincide aproximadamente con el paso polar YP, pero en
ocasiones, en función del cálculo o del número de ranuras del inducido, pue-de ser más pequeño (paso pue-de ranura acortado) o más largo (paso pue-de ranura alargado).
N
N
S
S
Paso p olar Paso de ran ura alarg adoN
N
S
S
Paso p olar Paso de ranura acorta doa Figura 4.59. Paso de ranura acortado y alargado.
A este paso también se le denomina paso o ancho de bobina, ya que es el nú-mero de ranuras que hay que saltar para llegar desde un lado activo de la bobina al otro.
Paso diametral
El concepto de paso diametral viene dado de las máquinas de dos polos (bi-polares), en ellas el paso de ranura coincide con el paso polar, y además con el diámetro del rotor. No obstante, esta denominación se da a todas aquellas donde, aun no siendo bipolares, su paso de ranura o de bobina coincide con el paso polar.
Paso de colector (YCOL)
Es el número de delgas que hay entre los dos terminales de una sección inducida o bobina.
YCOL YCOL
a Figura 4.61. Paso de colector de una bobina o sección inducida.
En cada uno de los casos el paso de colector será:
• En bobinados imbricados simples YCOL = ±1, siendo el positivo para los progre-sivos y el negativo para los regreprogre-sivos.
• En los devanados imbricados múltiples será YCOL = ±2 para los dobles, YCOL = ±3 para los triples, etc.
En las máquinas de pequeña potencia que funcionan como motor, se suele acortar el paso de ranura para obtener un mejor comportamiento.
saber m
á
s
N
S
• En los ondulados simples:
YCOL = D ± 1
p
Donde YCOL es el paso del colector en número de delgas, D es el número de delgas del colector y p el número de pares de polos de la máquina.
Unidades de medida para el diseño del devanado
La medida de los pasos o anchos nombrados anteriormente para el diseño del devanado en la armadura puede hacerse de dos formas:
• Por número de ranuras.
• Por número de secciones inducidas.
Con cualquiera de ellas se obtienen los mismos resultados y, aunque aquí se da preferencia a la medida por ranuras, se utilizarán también los cálculos por seccio-nes inducidas para comprobar los resultados.
Ranuras Secciones
inducidas 1 2 3 4 5 6
a Figura 4.62.
Los anchos a tener en cuenta en el diseño de los devanados imbricados y ondula-dos (siempre en función del número de secciones) son los siguientes:
• Paso de sección (Y1). Es el número de secciones inducidas de la capa superior
de la ranura que hay que contar para saltar de un lado activo a otro de la sec-ción a la que se quiere aplicar el ancho. Dicho de otra forma, es el número de secciones salientes (que parten de una ranura) a contar a partir de la ranura contigua a la que aloja las secciones de referencia, hasta localizar los haces activos de la capa inferior de dicha sección.
En la figura anterior se muestra cómo el paso de sección de este devanado es 6, ya que es el número de lados activos de las secciones que se encuentran en la capa superior antes de llegar a la ranura 4, que es la que aloja los haces activos de entrada de la bobina de referencia.
El ancho de sección (Y1) es el producto del ancho de bobina YK (salto de ranu-ra) por el número de secciones inducidas por bobina u.
Y1 = YK · u
• Paso de conexión (Y2). Es el número de secciones inducidas de la capa
su-perior que existe para realizar la conexión entre el final de la sección y el principio del haz activo de la siguiente. Es decir, es el número de secciones inducidas que hay que saltar para realizar la conexión entre una sección in-ducida y la siguiente.
El paso de conexión es diferente según el tipo de ejecución del devanado. Así para los de tipo imbricado es:
Y2 = Y1 – YCOL Y para los de tipo ondulado:
Y2 = YCOL – Y1
La figura que engloba todo lo anterior es la siguiente:
N S N 2 8 9 1 Y1 Y2 YCOL YCOL 3 1 N 22 33 S 444 1 2 Yp YCOL Y2 YCOL Y1 Devanados ondulados Devanados imbricados
a Figura 4.63. Anchos y pasos requeridos para el diseño de devanados de inducidos.
4.5. Diseño de devanados imbricados simples
A continuación se describe el proceso de diseño de los devanados imbricados simples. El cálculo se realiza desde su punto de vista de su representación geométrica en el es-quema, para su posterior rebobinado en una máquina similar. En ningún caso se reali-zará el cálculo para una máquina nueva, ya que se sale de los objetivos de esta unidad. El diseño de un devanado requiere conocer previamente cuáles son los datos requeridos para su representación gráfica y su posterior ejecución en la armadura.
Datos previos al cálculo
Se debe partir de un conjunto de datos conocidos: • pares de polos de la máquina (p),
• número de ranuras (K),
• número de delgas del colector (D),
• paso de colector YCOL = ±1, siendo el positivo para los progresivos y el negativo para los regresivos.
Secuencia de cálculo
A partir de los datos conocidos comienzan los cálculos necesarios para un correc-to dimensionado del devanado:
• Paso 1. Se comprueba si el devanado se puede ejecutar. Para ello se divide el número de ranuras de la armadura K entre el número de pares de polos p. El resultado debe ser un número entero.
k
p = Número entero
Si no se cumple esta condición, el devanado no es viable.
• Paso 2. Se calcula el ancho de bobina o paso de ranura YK y el número de secciones inducidas por bobina u:
YK = K
2p u =
D K
• Paso 3. Con estos dos sencillos cálculos ya es posible dibujar el esquema del devanado. No obstante, es aconsejable disponer de otros datos para un mejor desarrollo del mismo. Algunos de estos cálculos son:
Paso polar YP = YK
Número total de secciones inducidas S = D
Número de bobinas del devanado B = K
Ancho de sección (Y1) Y1 = YK · u
Paso de conexión En secciones inducidas (Y2) Y2 = Y1 – YCOL
En ranuras (YCONEX) YCONEX = YCOL – YK
El paso de conexión se puede hacer por secciones inducidas (Y2) o por ranuras
(YCONEX). En cualquier caso el resultado es el mismo.
Si el número de secciones inducidas es 1, los resultados para Y1 e Y2 coinciden con las unidades de medida dadas en número de ranuras.
ejemplo
A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado imbricado simple progresivo.
Datos previos
• Número de polos: 4 (2 pares de polos) p = 2 • Número de ranuras K = 12
• Número de delgas D = 12
Datos principales • Condición de ejecución. K p = 12 2 = 6
Es un número entero, por tanto el devanado se puede ejecutar. • Paso de ranura o de bobina.
YK = K 2p =
12 4 = 3 • Secciones inducidas por bobina.
u = D K = 12 12 = 1 Otros datos • Paso polar. YP = YK = 3
• Número total de secciones inducidas. S = D = 12 • Número de bobinas del devanado. B = K = 12 • Ancho de sección. Y1 = YK · u = 3 · 1 = 3 • Paso de conexión. Y2 = Y1 – YCOL = 3 – 1 = 2
Se mide en secciones inducidas, sin embargo en este caso, al ser 1 el número de secciones inducidas por bobina, se puede medir también en ranuras.
Diseño del esquema del devanado
1. Sabiendo que el número de secciones inducidas por bobina es 1, se dibujan los haces activos de todas las bobinas en las ranuras (con línea continua el haz de la capa superior de la ranura y con línea discontinua el de la capa inferior). Las ranuras se pueden numerar si se desea. En el ejemplo se ha considerado que la ranura número 1 es la que se encuentra en el extremo izquierdo. No obstante, dicho orden no es significativo para la ejecución del esquema.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
a Figura 4.66. Representación de haces activos en ranuras.
2. Se dibuja la cabeza de una bobina estableciendo el paso de ranura YK en 3. Para ello se cuentan tres ranuras a partir de la contigua a la que se ha dibujado el primer haz activo.
Quedaría así:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Ranuras a contar
Yk
a Figura 4.67. Paso de ranura.
3. Siguiendo la misma pauta, se dibujan las cabezas de todas las bobinas. Aquellas que quedan cortadas en ambos extremos del esquema, se pue-den etiquetar opcionalmente para ipue-dentificar mejor el recorrido del deva-nado. En este caso se ha optado por disponer de la misma letra para los extremos correspondientes a la misma bobina o sección inducida.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
a b
c cb
a
a Figura 4.68. Representación de cabezas de ranura.
4. Se conecta el haz activo saliente de la capa superior de la primera bobina (ranura 1) a una delga del colector, que puede ser etiquetada como la número 1. El haz activo saliente de la misma bobina se contactará a la delga contigua (2), ya que es un devanado imbricado progresivo.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1
12 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
a Figura 4.69. Conexión al colector.
5. El paso de conexión (Y2) es de 2 secciones inducidas, que en este caso coincide con 2 ranuras. Se une la delga etiquetada con el número 2 al haz activo saliente de la siguiente bobina o sección inducida.
1 2 3 4 1 2 3 4 Y2 1 12 2 3 Ranuras a contar 1 2 3 4 1 12 2 3 1 2 3 4 Y2 1 12 2 3 Ranuras a contar
a Figura 4.70. Paso de la conexión (izquierda) y detalle de la conexión (derecha).
(continuación)
6. Se completan todas las conexiones entre bobinas y delgas. 1 12 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 a b c cb d e ed a a Figura 4.71.
7. Se establece la posición de las escobillas comenzando por la delga número 1. Como es una máquina de 4 polos, se deben dibujar 4 escobillas equi-distantes entre sí, ubicadas en las delgas 1-7 y 4-10 para sus respectivos signos.
8. Y, finalmente, como comprobación se establece un sentido de corrien-te arbitrario para las escobillas. En escorrien-te caso se ha considerado que la corriente entra por las escobillas de las delgas 1 y 7, y sale por las delgas 4 y 10. Así, si en cada haz activo se representa con una flecha el sentido de la corriente, se comprueba que está correctamente dibujado, ya que se consiguen dos polos de un signo y otros dos de otro, siendo alternativos entre sí. 1 12 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 a b c cb d e ed a N S N a Figura 4.72.
9. Así, la representación circular de este devanado es:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
a Figura 4.73. Representación circular.
1 2 3 4 5 6 7 8 910 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
a Figura 4.74. Colocación de bobi-nas y conexiones.
ejemplo
En el ejemplo anterior se mostraba el devanado imbricado simple pro-gresivo correspondiente al inducido de una máquina de corriente conti-nua de 4 polos 12 ranuras y 12 delgas en el colector.
Si para las mismas características de máquina, se desea ejecutar un devanado de tipo regresivo o cruzado, todos los datos de cálculo serán idénticos salvo aquellos que se encuentren afectados por el paso de colector, que es –1. Así los datos que cambian son:
• Paso del colector. YCOL = –1 (regresivo) • Paso de conexión. Y2 = Y1 – YCOL = 3 + 1 = 4 Como Y2 es 4, las conexiones son de tipo cruzado:
3 4 5 6 7
1 2 3 4 5
Y2
Paso de conexión
a Figura 4.75. Paso de conexión regresivo.
De esta forma, el esquema del devanado el siguiente:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 N N S a b c d e fg a b c d e fg 12 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
a Figura 4.76. Devanado de tipo regresivo o cruzado.
En él se observa que al situar las escobillas en las mismas delgas que en el deva-nado anterior, al hacer el seguimiento del sentido de la corriente, el progreso se hace hacia la izquierda en lugar de hacia la derecha como ocurría en el ejemplo anterior.
En este caso el paso de conexión (Y2) tiene un valor superior, en una unidad, al paso de sección (Y1), por tanto, el retorno de la conexión se hace sobre una delga contigua anterior a la que se comenzó.
4.6. Diseño de devanados imbricados con más
de una sección
El proceso de cálculo es el mismo que el visto anteriormente. La diferencia radica en que en este tipo de bobinado hay más de una sección por capa y, por tanto, es necesario tenerlo en cuenta en el momento del diseño.
El número de secciones inducidas por bobina viene dado por la expresión:
u = D K
Se deduce fácilmente que estos devanados se dan siempre que el número de ranuras sea inferior al número de delgas. Además, para que todas las bobinas dis-pongan del mismo número de secciones inducidas, la relación entre D y K debe ser del doble, triple, etc.
ejemplo
A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado simple progresivo.
Datos previos
• Número de polos: 2 (1 par de polos) p = 1 • Número de ranuras K = 6
• Número de delgas D = 12
• Paso de colector YCOL = +1 (progresivo)
Datos principales
• Condición de ejecución. K
p =
6 1 = 6
Es un número entero, por tanto el devanado se puede ejecutar. • Paso de ranura o de bobina. YK = K
2p = 6 2 = 3 • Secciones inducidas por bobina. u = D
K =
12 6 = 2
Otros datos
• Paso polar. YP = YK = 3
• Número total de secciones inducidas. S = D = 12 • Número de bobinas del devanado. B = K = 12 • Ancho de sección. Y1 = YK · u = 3 · 2 = 6 secciones • Paso de conexión. Y2 = Y1 – YCOL = 6 – 1 = 5 secciones • Número total de secciones inducidas del devanado: 24.
Si el número de secciones induci-das es 1, los resultados para Y1 e Y2 coinciden con las unidades de medi-da medi-damedi-das en número de ranuras.
i
mportante
Diseño del esquema del devanado
1. Se representan los lados activos de las secciones inducidas en las ranuras, que en este caso son 2 por bobina.
1 2 3 4 5 6
a Figura 4.77. Haces activos de las secciones inducidas en ranuras.
2. Teniendo en cuenta que el ancho de sección Y1 es 6, dibujamos las cabezas que unen los haces activos salientes de la ranura 1 con los haces activos entrantes de la ranura 4. El número de secciones se cuenta a partir de la ranura contigua a la bobina que se esté tomando como referencia.
1 2 3 4 5 6
Secciones inducidas a contar (en este caso Y1 = 6)
a Figura 4.78. Ancho de sección.
3. Se unen las cabezas de todas las secciones inducidas.
1 2 3 4 5 6
a Figura 4.79. Unión de las cabezas de secciones inducidas.
4. Como el paso de conexión Y2 es de 5 secciones, por la parte de abajo del esquema se unen entre sí la secciones inducidas de la misma bobina con las de la siguiente según se muestra en la figura.
1 2 3 4 5 6
Secciones a contar para 1ª conexión. Secciones a contar para 2ª conexión. a Figura 4.80. Paso de conexión entre secciones inducidas.
4.7. Diseño de devanados ondulados simples
Los devanados ondulados se caracterizan porque las conexiones entre bobinas o secciones inducidas se realizan de tal forma que, en función del paso de conexión, se avanza buscando el principio de una bobina que esté afectada en sus haces activos por polos del mismo signo que los polos, de sus respectivos haces, de la bobina inicial.
De esta forma, si una vez realizado el esquema, se siguen las conexiones entre bobinas completando una vuelta a la armadura, se llegará a la delga contigua a la que se partió.
N S N S
Delga de cierre de la primera vuelta Delga de partida
a Figura 4.82. Vuelta completa de un devanado ondulado.
Hay que tener en cuenta que no todos los inducidos, en número de ranuras y delgas, se pueden ejecutar como devanados ondulados, siendo en ese sentido más exigentes en el cumplimiento de las condiciones de ejecución que los de tipo imbricado
5. Se representan las delgas del colector y las cuatro escobillas separadas entre sí de forma equidistante de forma similar a lo realizado para en los ejemplos anteriores.
6. De igual forma, se supone un sentido de la corriente en las escobillas y se marcan los polos del devanado.
N S
1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2 3 4 5 6
Datos previos al cálculo
De igual forma que en los de tipo imbricado, se deben conocer algunos datos de partida para realizar el cálculo: pares de polos de la máquina p, número de ranuras
K y número de delgas del colector D. En este caso, el paso de colector YP hay que calcularlo como se indica a continuación, ya que es condición indispensable de ejecución.
Secuencia de cálculo
A partir de los datos conocidos comienzan los cálculos necesarios para un correc-to dimensionado del devanado:
• Paso 1. Se comprueba si el devanado se puede ejecutar.
YCOL = D ± 1
p = Número entero
El dato ±1 corresponde a la decisión previa que se debe tomar sobre si el deva-nado es de tipo progresivo o regresivo.
Así, para que un devanado ondulado pueda ejecutarse se debe cumplir lo si-guiente:
– que YCOL sea un número entero,
– qué el número de delgas D del colector sea primo respecto al número de pares de polos p.
• Paso 2. Realizamos los siguientes cálculos: – Se calcula el ancho de bobina o paso de ranura:
YK = K 2p
Pudiéndose acortar o alargar si se considera conveniente. – Se calcula el número de secciones inducidas por bobina u:
u = D K
– Se calcula el paso de conexión Y2:
Y2 = YCOL – YK
En este caso se calcula tomado como unidad el número de secciones induci-das, pero si se deseara calcularlo en función del número de ranuras, el valor de YK sería modificado, es decir, el acortado o el alargado.
• Paso 3. Otros datos que conviene saber son:
Paso polar YP = K
2p
Número total de secciones inducidas S = D
Número de bobinas del devanado B = K
Ancho de sección (Y1) Y1 = YK · u
El paso de ranura o ancho de bobi-na YK deber ser próximo al paso polar YP, por ese motivo se puede alarga r o acortar.
• Paso 4. Como se ha dicho anteriormente, con independencia del número de polos, un devanado ondulado solamente está formado por dos circuitos. Por tanto, solo es necesario colocar un par de escobillas en el colector. No obstan-te, para mejorar la conmutación y repartir el consumo de corriente entre ellas, es aconsejable poner tantos pares de escobillas como polos tenga la máquina. Así, el paso para colocar las escobillas se calcula con la expresión:
Ye = D 2p
ejemplo
A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado ondulado simple progresivo.
Datos previos
• Número de polos: 4 (2 pares de polos) p = 2 • Número de ranuras K = 13
• Número de delgas D = 13
Datos principales
• Condición de ejecución. YCOL = D ± 1
p =
13 + 1
2 = 7
Es un número entero. Además, el número de delgas D = 13 es primo respecto al número de pares de polos p = 2.
• Paso de ranura o de bobina.
YK = K 2p =
13
4 = 3,25 ∼_ 3 (Acortado) • Secciones inducidas por bobina. u = D
K = 13 13 = 1 Otros datos • Paso polar. Yp = K 2p = 13 4 = 3,25
• Número total de secciones inducidas. S = D = 13 • Número de bobinas del devanado. B = K = 13 • Ancho de sección. Y1 = YK · u = 3 · 1 = 3 secciones • Paso de conexión. Y2 = YCOL – YK = 7 – 3 = 4 secciones • Paso de escobillas. Ye = K 2p = 13 4 = 3,25 (continúa)
El hecho de que la máquina del caso práctico inicial disponga de 4 polos y solamente 2 líneas de esco-billas, indica que el devanado del inducido es de tipo ondulado.
