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UNIVERSIDAD VERACUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA
MECANICA ELECTRICA
“METODOLOGIA DE DISEÑO Y
MANUFACTUA DE SISTEMAS AISLANTES PARA
MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS
DE CA HASTA 7000 V.”
T E S I N A
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO MACANICO ELECTRICISTA
P R E S E N T A N:
POZA RICA, VER. 2002
JOSE LUIS SANTIAGO RAMIREZ
JOSE ALFREDO RAMIREZ CELIS
MORGADO VALLES MARCO VINICIO
DIRECTOR DE TESIS:
ING. CESAR IGNACIO VALENCIA GUTIERREZ
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METODOLOGÍA DE DISEÑO Y MANUFACTURA DESISTEMAS AISLANTES PARA MER DE CA HASTA 7000 V
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I N D I C E
CAPITULO IJustificación ------------------------------------------------------------------------------------------- iiNaturaleza, Sentido, y Alcance del Trabajo -------------------------------------------------- IiiEnunciación -------------------------------------------------------------------------------------------- IvExplicación de la estructura del trabajo ------------------------------------------------------- V
CAPITULO II
Marco contextual -------------------------------------------------------------------------------------- 2Planteamiento del problema ---------------------------------------------------------------------- 4Marco teórico ------------------------------------------------------------------------------------------- 5
1 Construcción de M. E. R. de cd --------------------------------------------------------------- 51.1 Construcción mecánica ----------------------------------------------------------------------- 51.1.1 Carcasa ------------------------------------------------------------------------------- 51.1.2 Polos del campo ------------------------------------------------------------------- 71.1.3 Estructura de la armadura ------------------------------------------------------- 81.1.4 Bobinas del devanado de la armadura ------------------------------------- 81.1.5 Cojinetes de la flecha de la armadura -------------------------------------- 91.1.6 Estructura de los extremos de campana ---------------------------------- 91.1.7 Bobinas de campo ---------------------------------------------------------------- 9
1.2 Devanados ---------------------------------------------------------------------------------------- 91.2.1 Tipos de devanado --------------------------------------------------------------- 10
1.2.1.1 Devanados traslapados ------------------------------------------- 11
1.2.1.2 Devanados ondulados --------------------------------------------- 111.2.1.3 Devanado tipo ancas de rana y conexionesequipotenciales ------------------------------------------------------- 11
1.3 Conmutador --------------------------------------------------------------------------------------- 131.3.1 Campos de conmutación -------------------------------------------------------- 141.3.2 Devanados de compensación ------------------------------------------------- 141.3.3 Escobillas ---------------------------------------------------------------------------- 141.3.4 Porta escobillas -------------------------------------------------------------------- 151.3.5 Espaciamiento de las escobillas --------------------------------------------- 161.3.6 Posición neutra de las escobillas -------------------------------------------- 16
1.4 Reacción y Reactancia de la Armadura ------------------------------------------------- 171.4.1 Reacción de la armadura -------------------------------------------------------- 171.4.2 Reactancia de la armadura------------------------------------------------------- 191.4.3 Efecto de cortocircuito de las escobillas ---------------------------------- 19
1.5 El circuito magnético -------------------------------------------------------------------------- 201.5.1 Análisis simplificado de un circuito magnético ------------------------ 24
1.6 Construcciones especiales ------------------------------------------------------------------ 291.6.1 Motores sin núcleo ---------------------------------------------------------------- 291.6.2 Rotores de disco o de circuito impreso ----------------------------------- 291.6.3 Motores enlatados ---------------------------------------------------------------- 31
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1.6.4 Motores sin escobillas ----------------------------------------------------------- 322 Construcción física de máquinas de corriente alterna ----------------------------- 322.1 Construcción mecánica ----------------------------------------------------------------------- 322.2 Devanados del alternador -------------------------------------------------------------------- 33
2.2.1 Encordado de los devanados ------------------------------------------------ 33
2.2.2 Conexiones de grupos de bobinas ------------------------------------------ 352.2.3 Distribución de los devanados ----------------------------------------------- 36
2.3 Armadura fija o estator ------------------------------------------------------------------------ 372.3.1 Estructura del campo giratorio ----------------------------------------------- 40
2.4 Relaciones de voltaje -------------------------------------------------------------------------- 412.4.1 Fórmula básica de generación de voltaje -------------------------------- 422.4.2 Paso de devanados ---------------------------------------------------------------- 442.4.3 Distribución de los devanados ----------------------------------------------- 45
2.5 Alternador síncrono ---------------------------------------------------------------------------- 473 Sistemas de aislamiento para máquinas eléctricas rotativas (MER) ---------- 503.1 Breve historia de diseño de aislamiento para MER --------------------------------- 503.2 Requerimientos del sistema ----------------------------------------------------------------- 51
3.3 Envolventes y cintas de mica --------------------------------------------------------------- 544 Calificación de sistemas aislantes -------------------------------------------------------- 554.1 Pruebas de bobinas ---------------------------------------------------------------------------- 554.2 Requerimientos de prueba para calificación de sistemas aislantes ----------- 575 Tratamiento del devanado de estator de MER de ca ------------------------------- 615.1 Proceso VPI -------------------------------------------------------------------------------------- 615.2 Ciclo VPI ------------------------------------------------------------------------------------------ 625.3 Consideraciones especiales del proceso VPI ---------------------------------------- 63
5.3.1 Calidad de la resina, estabilidad --------------------------------------------- 635.3.2 Huecos -------------------------------------------------------------------------------- 645.3.3 Impregnación ----------------------------------------------------------------------- 65
5.4 Barnices aislantes ----------------------------------------------------------------------------- 65
6 Diseño de aislamiento de la bobina de estator de ca ------------------------------ 666.1 Diseño de aislamiento a tierra -------------------------------------------------------------- 666.2 Diseño de aislamiento del subconductor y la vuelta ------------------------------- 676.3 Tolerancias de aislamiento ------------------------------------------------------------------ 727 Descripción del diseño de la bobina de estator de ca ------------------------------ 747.1 Descripción de las partes de bobinas --------------------------------------------------- 747.2 Parámetros relacionados con el diseño de la máquina ---------------------------- 757.3 Parámetros relacionados con el diseño de bobina --------------------------------- 798 Manufactura de la bobina de estator ----------------------------------------------------- 898.1 Devanador ----------------------------------------------------------------------------------------- 898.2 Expansión o formado de bobina ----------------------------------------------------------- 928.3 Curado de las partes rectas para unión de subconductores --------------------- 95
8.4 Aislamiento de la terminal ------------------------------------------------------------------- 968.5 Aislamiento a tierra ---------------------------------------------------------------------------- 978.6 Cinta de protección --------------------------------------------------------------------------- 998.7 Impregnación (Bobinas pre-impregnadas) ------------------------------------------- 998.8 Tratamiento de la superficie exterior del aislamiento (Bobinas de alto
voltaje). ------------------------------------------------------------------------------------------- 1008.9 Ejemplo de diseño de la bobina de estator ------------------------------------------- 1019 Aislamiento utilizado durante el devanado del núcleo del estator de ca --- 109
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9.1 Arreglo del devanado del núcleo de estator ----------------------------------------- 1099.2 Bobinas del devanado ----------------------------------------------------------------------- 1099.3 Separadores y acuñamiento --------------------------------------------------------------- 1119.4 Aislamiento de conexiones serie y de conexiones de grupo ------------------ 1129.5 Instalación de las terminales y anillos paralelos ----------------------------------- 114
9.6 Instalación del sistema de soporte de la bobina ------------------------------------ 11510 Tolerancias de aislamiento ----------------------------------------------------------------- 12111 Capacidades, selección y mantenimiento de las M. E. R. ----------------------- 12611.1 Factores que afectan la capacidad de las máquinas ----------------------------- 127
11.1.1 Información de Placa ------------------------------------------------------------ 12811.2 Elevación de temperatura y norma de temperatura ambiente ----------------- 129
11.2.1 Temperaturas límite de los materiales aislantes ------------------------ 13011.2.2 Influencia de la temperatura en la vida de la maquinaria eléctrica 132
11.3 Voltajes Nominales --------------------------------------------------------------------------- 13511.4 Efecto del ciclo de trabajo y la temperatura ambiente sobre el tamaño del
armazón y la capacidad --------------------------------------------------------------------- 13511.4.1 Efecto del ciclo de trabajo sobre la potencia RMS -------------------- 137
11.4.2 Efecto de la temperatura ambiente sobre el tamaño de armazón yla capacidad ------------------------------------------------------------------------- 139
11.4.3 Tipos de envolventes (Carcasas) ------------------------------------------- 13911.5 Velocidad nominal: clasificaciones de velocidad y reversibilidad ----------- 14111.6 Otros factores que afectan a la selección de la dinamo de cd o ca ---------- 14411.7 Características de la carga para la selección de motores de cd -------------- 14411.8 Selección de motores de ca --------------------------------------------------------------- 145
11.8.1 Características de la carga para seleccionar motores de ca ------- 14511.9 El sistema por unidad ------------------------------------------------------------------------ 146
CAPITULO III
Conclusiones ------------------------------------------------------------------------------------------- 149
ANEXOS ------------------------------------------------------------------------------------------------ 150
BIBLIOGRAFÍA ----------------------------------------------------------------------------------------- 161
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CAPITULO I
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ii
JUSTIFICACIÓN
Debido al gran desarrollo de la Industria en el Mercado y la creciente
demanda de equipos eléctricos de corriente alterna, se han creado unidades de
gran capacidad, lo cual lleva al diseño de mejores elementos de producción en las
máquinas.
La tecnología en la actualidad permite el desarrollo de equipos que operan
bajo estrictas condiciones de trabajo, lo cual requiere elementos humanos con un
nivel de conocimientos teóricos y técnicos de calidad, que operen y mantengan en
condiciones óptimas dichas unidades.
Cualquier error de diseño podría llevar a pérdidas cuantiosas, lo cual
repercute al rendimiento de las máquinas como a la misma empresa.
Visto de otra manera, la selección adecuada de un aislante óptimo para las
Máquinas Eléctricas Rotativas de corriente alterna, nos conduce a obtener un
mejor funcionamiento; es por ello el interés de obtener un diseño que cubra estas
necesidades, analizando posibles causas, consecuencias y buscando los
procedimientos adecuados.
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iv
ENUNCIACION DEL TEMA
El problema de satisfacer la demanda de Máquinas Eléctricas Rotativas de
Corriente Alterna, ha llevado a la constante búsqueda de diseños que
proporcionen alternativas de selección de éstas de acuerdo a su capacidad y
operación. Por tal motivo se han creado diseños de este tipo de máquinas para
capacidades específicas de funcionamiento, las cuales utilizan elementos de gran
costo; por citar algunos: carcasa, núcleo, devanados (de estator y de rotor).
Es imposible evitar que en los devanados se presenten fallas debido al
calentamiento ocasionado por la disminución del aislamiento por la constanteoperación del equipo. Por lo que se requiere de un mantenimiento periódico para
reducir la incidencia de fallas en estos elementos y a la vez disminuir los costos
que resulten por poner fuera de funcionamiento una unidad.
Para llevar a cabo el diseño de aislamiento de un equipo rotatorio es
imprescindible primero contar con el desarrollo de un sistema aislante propio. Este
desarrollo implica la selección de materiales aislantes (cintas y resina), la
manufactura de bobinas experimentales y pruebas a realizar en estas para
verificar la compatibilidad de los materiales.
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v
EXPLICACION DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO
El presente trabajo esta constituido por una introducción seguida por tres
capítulos que representan el cuerpo del mismo. De esta forma se puede apreciar
que el contenido de cada capítulo esta detallado de la siguiente manera.
CAPITULO I
Este capítulo está representado por una justificación; naturaleza, sentido y
alcance del trabajo; la enunciación del tema, así como la explicación de la
estructura del trabajo.
CAPITULO II
En este segundo capítulo se presenta el desarrollo del tema, así como su
planteamiento, a la vez que se menciona el contexto en el cual se realiza la
presente investigación documental, el marco teórico que son los diferentes
enfoques o puntos de vista que los autores manejan acerca de la metodología de
diseño y manufactura de sistemas aislantes para maquinas eléctricas rotativas de
ca hasta 7000 Volts, terminando con un análisis critico de los diferentes métodos
investigados.
CAPITULO III
En este tercer y último capítulo se presentan las conclusiones obtenidas,
así como también los anexos, apéndices y la bibliografía consultada.
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CAPITULO II
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2
MARCO CONTEXTUAL
Una parte decisiva del diseño de una máquina de ca es el aislamiento de sus
embobinados. Si se retira el aislamiento de un motor o generador, la máquina se
daña inmediatamente. Aunque fuera posible reparar una máquina cuyo aislamiento
está averiado, ello resultaría muy costoso. Para evitar este tipo de daño, por
recalentamiento, es necesario limitar la temperatura de los embobinados. Esto puede
hacerse, en parte, al suministrarles una circulación de aire frío, pero finalmente la
temperatura máxima del embobinado limita la potencia máxima que la máquina
puede suministrar continuamente.
El recalentamiento de los embobinados es un problema muy grave en unmotor o en un generador. En raras ocasiones el aislamiento falla por ruptura
inmediata a determinada temperatura crítica. En cambio, el aumento de temperatura
produce una paulatina degradación del aislamiento, exponiéndolo a que se produzca
una falla por otras causas como: vibración o tensión eléctrica. Esta temperatura de
funcionamiento está relacionada estrechamente con el pronóstico de vida de la
máquina, porque el deterioro del aislamiento es función tanto del tiempo como de la
temperatura. Este deterioro es un fenómeno químico que implica una oxidación lenta
y un endurecimiento frágil que conduce a la pérdida de duración mecánica y de
resistencia dieléctrica. Se puede obtener una idea muy tosca de la relación entre vida
y temperatura con la vieja y obsoleta regla de que el tiempo para que falle el
aislamiento orgánico se reduce a la mitad por cada aumento de 8 a 10 oC. Los
materiales de aislamiento modernos son menos susceptibles a fallar, en teoría
debería de ser así, pero esto no es totalmente cierto, debido a que las alzas de
temperatura todavía acortan su vida drásticamente. Por esta razón una máquina
nunca debe sobrecargarse, a menos que sea absolutamente necesario.
Las pruebas de vida en condiciones aceleradas sobre modelos llamados
motoretas, se emplean normalmente para evaluar los aislamientos. Sin embargo
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esas pruebas no se pueden aplicar con facilidad a todos los equipos, sobre todo en
sistemas de aislamiento de las máquinas grandes.
Es por esto que las pruebas de vida del aislamiento tratan en general de
simular las condiciones de servicio. Normalmente comprenden los siguientes
elementos:
1. Calentamiento sostenido a la temperatura de prueba.
2. Vibración y esfuerzo mecánico como el que pueda encontrarse durante el
servicio normal.
3. Exposición a la humedad.
4. Pruebas de dieléctrico para determinar el estado del aislamiento.
Se deben probar las suficientes muestras para permitir la aplicación de
métodos estadísticos para analizar los resultados. Las relaciones vida temperatura
que se obtengan con estas pruebas, conducirán a la clasificación del aislamiento o
del sistema de aislamiento dentro de la clase adecuada de temperatura.
La experiencia y las pruebas que demuestren que el material o sistema es
capaz de funcionar a la temperatura deseada son los criterios de clasificación más
importantes.
Cuando se establece la clase de aislamiento, se pueden calcular los aumentos
observables de temperatura permisibles para las diversas partes de las máquinas
industriales consultando las normas pertinentes. Se hacen diferencias detalladas
razonables con respecto al tipo de máquina, método de medición de temperatura,
parte de la máquina en cuestión, si la máquina es cerrada, y el tipo de enfriamiento
(de aire, con ventilación, enfriamiento por hidrogeno, etc.).
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
La metodología de diseño y manufactura de sistemas aislantes para máquinas
eléctricas rotativas de ca hasta 7000 V, tiene como finalidad primordial crear un
documento bibliográfico que nos facilite la selección de ciertos materiales aislantes
para máquinas del tipo y rango mencionado anteriormente, y en el caso de llegarse a
requerir para prevención de fallas en los equipos, brindando mayor vida útil y un
optimo aprovechamiento en beneficio de la industria eléctrica.
El objetivo principal en este caso gira alrededor de los embobinados de las
máquinas eléctricas rotativas y hacia sus medios de protección como lo son los
aislamientos; para lo cual se han realizado pruebas para conocer los limites queproporcionen datos confiables de los cuales se pueda hacer una adecuada selección
del material necesario. También será necesario recordar principios de
funcionamiento de las máquinas de ca y cd así, como cada una de las partes
componentes de cada máquina.
La temperatura tiene un papel importante para los motores o generadores
cuando los embobinados se ven afectados por el recalentamiento, siendo un
problema considerable para el funcionamiento de las máquinas eléctricas, aunque
no solo existe este problema, debido a que existen muchas mas causas que puedan
provocar algún daño al sistema, de lo cual se estará hablando mas adelante.
Por lo anterior se exponen a su vez, los requerimientos para la obtención de
una resina que nos permita encontrar el sistema adecuado de aislamiento, en el
sentido de que al presentarse agrietamientos debido a la expansión o contracción
térmica pueden surgir problemas de operación en las máquinas.
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MARCO TEORICO
1. Construcción de M. E. R. de cd
1.1 Construcción Mecánica
1.1.1. Carcasa
La carcasa se requiere como una trayectoria de retorno para todo el flujo
magnético circulante que pasa de los polos del campo a la armadura. Este requisito
de conducción del flujo determina la selección transversal necesaria del material
magnético, que por lo general es un acero al carbón. La construcción más usual
consiste en una estructura de anillo rolado con el empalme final de la soldada por
maquinaria automática, lo que, obviamente, deja una soldadura visible.
Esta estructura sirve a la vez para que las zapatas de los polos de campo se
distribuyan concéntricamente alrededor de la armadura. En la figura 1, puede verse
una carcasa representativa.
Figura 1. Unidad representativa de CD (Cortesía de General Electric Company )
En las unidades muy grandes la carcasa se divide en dos mitades, una
superior y una inferior, con una unión de brida atornillada en forma horizontal por su
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parte central. Este tipo de construcción se presenta cuando la armadura es
demasiado grande y pesada para insertar sin un malacate. En la figura 2, se muestra
la construcción de una de estas máquinas. En los modelos más grandes, los polos y
las bobinas de campo también requieren ser manejadas con grúa; de esa manera la
estructura separable sirve a un doble propósito.
Figura 2. Modalidad de carcasa dividida de una máquina de CD. Se ven 6
polos de campo; 6 campos de conmutación y los devanados de
compensación. (Cortesía de General Electric Company )
En las unidades de tamaño pequeño a mediano es posible que la estructurade sus carcasas esté hecha de laminaciones perforadas apiladas. En este tipo de
unidades la carcasa y los polos del campo forman una sola pieza, de modo que se
obtiene un excelente circuito magnético y una estructura muy sólida, aunque los
costos de los dados de perforación son elevados. Los motores de seguridad se
construyen por lo general en esta forma. Véase un ejemplo de carcasa perforada en
la figura 3.
Figura 3. Máquina de cd con
carcasa de láminas perforadas
(Cortesía de Reliace Electric
Company )
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1.1.2. Polos del campo
Los polos del campo se hacen por lo general, pero no siempre, de láminas
delgadas de aleaciones de acero altamente magnéticas. La construcción laminada es
necesaria en el extremo interior o zapata del polo. Esto es debido a las pulsaciones
de la magnitud del campo que resulta cuando la estructura magnética del rotor de la
armadura pasa frente a la zapata del polo. Las variaciones del campo producen
corrientes parásitas internas generadas en una estructura magnética. Estas
corrientes son pérdidas que se pueden evitar, en gran medida, con las estructuras
magnéticas laminadas, las cuales permiten que el flujo magnético pase a lo largo de
la longitud de las laminaciones, pero no permiten que las corrientes parásitas circulen
a través de la estructura de una lámina a otra. La pila de láminas se mantiene unidamediante remaches colocados en lugares apropiados. El extremo exterior del polo
laminado es curvo, a fin de que se ajuste lo mejor posible a la forma de la superficie
interior de las carcasas. En la figura 4, se muestra un polo laminado de campo y una
zapata de polo, típicos. Cualquier discontinuidad en una estructura magnética
produce una reluctancia significativa, la cual es más o menos análoga a la
resistencia, de manera que se requieren más ampere-vueltas para obtener un flujo
magnético determinado en la estructura como un todo. Esto implica una mayor
producción de calor, lo cual es una pérdida, de manera que la unión del polo con la
carcasa se asegura con firmeza mediante los pernos de montura de los polos de
campo.
Figura 4. Polo de campo y zapata
polar típicos con la bobina de campo
(Cortesía de GE Company )
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1.1.3. Estructura de la armadura
La estructura de la armadura tiene una doble función,.ya que por una parte es
el asiento de los alambres del devanado que pasan a través del campo magnético y,
por otra es una fracción sustancial del circuito de flujo magnético. Dado que cualquier
parte de la estructura magnética de la armadura recibe inversiones cíclicas en la
dirección del flujo magnético, está sujeta a pérdidas más severas por corrientes
parásitas que las zapatas de los polos del campo y se construye, por tanto, en forma
invariablemente laminada.
La construcción usual, desde los modelos más pequeños hasta los gigantes
que suministran potencias del orden de los kilowatts, consiste en una pila de discosde una aleación de acero magnético. Estos discos tienen muescas o perforaciones
en su periferia para acomodar y soportar el devanado de la armadura. El tamaño
requerido del apilamiento se mantiene gracias a unos remaches apropiados,
paralelos al eje. Los remaches mismos constituyen una trayectoria para las
corrientes parásitas y son un camino de corto circuito para los voltajes generados, de
manera que deben estar aislados. Ya sea eso o su función se toman en cuenta
uniendo en forma adhesiva las laminaciones mediante un barniz aislante. Sin
importar cómo estén unidas las laminaciones, los devanados mismos refuerzan la
solidez de la unidad. En los modelos mayores se asegura la unión entre las
laminaciones y al eje, a fin de transmitir pares de fuerzas.
1.1.4. Bobinas del devanado de la armadura
Las bobinas del devanado de la armadura se colocan en las ranuras en
diversas disposiciones o arreglos . Aun cuando la configuración de estas bobinas se
hace desde un punto de vista eléctrico, deben disponerse de manera mecánica de tal
modo que se puedan montar en las ranuras de las láminas. Esta montura debe estar
asegurada mecánicamente contra fuerzas centrífugas y pares; debe estar
apropiadamente aislada y debe permitir el ensamblaje más simple posible. En las
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unidades más grandes, se vuelve muy difícil formar, manejar y ensamblar en
posición correcta estas bobinas.
1.1.5. Cojinetes de la flecha de la armadura
Los cojinetes o chumaceras se requieren para que la armadura pueda girar
libremente y al mismo tiempo esté confinada en su posición correcta.
1.1.6. Estructura de los extremos de campana
La localización geométrica de los cojinetes con respecto a la carcasa se
controla mediante los extremos de campana, que son estructuras cubiertas que
cierran la máquina.
1.1.7. Bobinas de campo
La generación del campo magnético se logra usando las bobinas de campo,
que rodean a los polos del campo. Estas bobinas se mantienen en su lugar entre la
zapata del polo y la carcasa. Se emplean varios tipos y combinaciones de bobinas,
los cuales dependen de si hay muchas vueltas de alambre relativamente delgadodiseñado para producir los ampere-vuelta que se requieren con una pequeña
corriente del voltaje de línea, o pocas vueltas de alambre más grueso diseñado para
trabajar con una caída de voltaje pequeña. Al primero de estos tipos se le conoce
como bobina en derivación, mientras que al segundo se le llama bobina en serie, ya
que está conectada en serie con la línea principal de la armadura. Cuando están
presentes los dos tipos de embobinado, se dice que la combinación es un campo
compuesto. El flujo requerido lo pueden proporcionar unos imanes permanentes.
1.2 Devanados
La parte que realmente trabaja en un motor o en un generador, ya sea de cd o
ca, es el devanado de la armadura. Se trata de la parte de la máquina en la que se
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generan los voltajes o la fuerza que se convierte en par o acción del motor. Los
devanados de campo sirven para producir el campo magnético que se requiere, y
consumen entre 2 y 10% de la corriente de la máquina, si son devanados en
derivación. De manera análoga, si el campo está devanado en serie, llevará la
corriente total de la armadura pero ocupará sólo un porcentaje pequeño del voltaje
presente en la armadura. Sea como fuere, los devanados de la armadura tienen una
mayor potencia y son la parte más importante de la máquina.
1.2.1. Tipos de devanado
Hay sólo dos configuraciones básicas del devanado: el traslapado y el
ondulado. En algunas máquinas grandes se usa una combinación de estos dos tiposbásicos, y se le llama devanado de ancas de rana por la apariencia de las bobinas
antes de ser instaladas. Cada tipo de devanado tiene más subdivisiones en relación
con el número de conductores que se colocan paralelamente, de modo que un
devanado es simple si tiene un solo conductor, doble si tiene dos conductores
paralelos, triple si hay tres, etc.
Detrás de toda configuración de devanado está el mismo objetivo: llevar una
trayectoria de conductor desde una polaridad de la escobilla, mediante uno de los
segmentos del conmutador, subir a través del campo magnético, seguir por el
extremo posterior de la estructura de la armadura, regresar por el camino opuesto a
través del campo opuesto hasta llegar por último a otro de los segmentos del
conmutador, subir a través del campo magnético, seguir por el extremo posterior de
la estructura de la armadura, regresar por el camino opuesto a través del campo
opuesto hasta llegar por último a otro de los segmentos del conmutador. Este
proceso se repite alrededor de este último y de la pila de laminaciones de la
armadura hasta completar los devanados y dejarlos simétricos y balanceados.
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1.2.1.1. Devanados traslapados
Las diferencias entre los tipos de devanado surgen de la forma en la que se
configuran las terminales de las bobinas. Un devanado traslapado puede tener una o
más vueltas en forma aproximadamente trapezoidal, con sus extremos cerca el uno
del otro de manera que puedan conectarse a segmentos del conmutador adyacentes.
Hay pequeñas variaciones en las bobinas traslapadas dobles o de orden superior,
pero sus extremos siempre quedan próximos (véase Figura 5).
1.2.1.2. Devanados ondulados
El devanado ondulado tiene básicamente el mismo aspecto trapezoidal en los
que es el cuerpo de la bobina, y la diferencia está en que sus extremos quedan
separados (véase Figura 6). Las terminales de la bobina se conectan a segmentos
del conmutador que están un segmento menos o uno más que la distancia angular
entre dos polos de campo de polaridad igual. Un devanado ondulado debe rodear la
armadura antes de cerrar su recorrido en el punto donde comenzó.
1.2.1.3. Devanado tipo ancas de rana y conexiones equipotenciales.
Un devanado tipo ancas de rana es una combinación de los devanados
traslapado y ondulado.
Figura 6. Bobina de un devanado de tipo
ondulado.
Figura 5. Bobina de un
devanado de tipo traslapado.
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La elección del tipo de devanado no es única, por lo general se utilizan
devanados ondulados ya que son más fáciles de instalar y tienen una conmutación
ligeramente mejor, es decir, durante su operación sus escobillas producen menos
chispas. Sin embargo, parece que el límite práctico de conmutación se alcanza cerca
de los 250 A/trayectoria paralela, o lo que es lo mismo, 500 A en total. Esta corriente
se alcanza, por ejemplo, en las marchas de los automóviles, y se alcanza bajo una
intensa aceleración en el motor de un vehículo eléctrico si llegase a demandar un
voltaje de línea de más de 100 V. Las corrientes mayores requieren un devanado
traslapado, el que permite usar un mayor número de trayectorias paralelas. La
posible situación límite que se halla en el motor de un vehículo moderno sirve para
ilustrar en qué forma se hace la elección del tipo de devanado. Si en un motor de
cuatro polos se requieren 500 A, por ejemplo, en cada trayectoria de un devanadoondulado simple deberán circular 250 A. Esto es así porque hay sólo dos trayectorias
paralelas en cualquier devanado ondulado simple, independientemente de cuántos
polos haya. Un devanado traslapado de cuatro polos tendría 500/4 = 125
A/trayectoria en las mismas condiciones, debido a que tiene el mismo número de
trayectorias paralelas porque la máquina tiene cuatro polos.
Entre las máquinas que necesitan corrientes muy grandes se agudiza un
problema que existe de por sí en todas; el cual consiste en que no se generan
voltajes iguales en cada una de las trayectorias paralelas. Esto da por resultado
grandes corrientes que circulan alrededor de las diversas trayectorias paralelas.
Estas corrientes entran y salen de las conexiones de las escobillas y el conmutador,
causando calentamiento, pérdidas de energía y acortando la vida del conmutador de
las escobillas. Una de las soluciones consiste en emplear conexiones
equipotenciales en un devanado traslapado de corrientes altas. Dichas conexiones
unen partes del devanado que deberían tener exactamente la misma polaridad.
La razón por la cual se generan voltajes de valores diferentes en trayectorias
paralelas que tienen en apariencia la misma geometría, es que los diversos polos del
campo por lo general no tienen el mismo flujo magnético. Esta desigualdad surge por
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las pequeñas diferencias entre los entrehierros originados por un centrado imperfecto
de la armadura, o bien por una desigual reluctancia de la trayectoria magnética
debido a un mal ajuste entre el polo del campo y la carcasa. El desgaste de las
chumaceras sólo agrava este problema.
1.3. El conmutador
Los devanados deben terminar en la unidad rotatoria conocida como
conmutador . Ésta se hace casi siempre con segmentos en forma de cuña hechos de
cobre estirado en frío. Los segmentos de cobre, o delgas, están aislados uno de otro
y también de los soportes de sus extremos por medio de tiras de mica. El uso de
cobre en una pieza sometida a desgaste puede parecer inusual, pero hasta ahora nose ha encontrado un mejor material. Los requerimiento de baja resistencia, excelente
conductividad y buena resistencia al desgaste mecánico son conflictivos entre sí.
En la figura 7 se muestra un rotor de armadura típico y un conmutador,
ensamblados a una flecha y ranuras con bobinas.
El análisis de los tipos de devanados ha revelado una característica común de
todos los motores de cd y de los devanados de los generadores: los devanados son
cerrados y continuos alrededor de la armadura, salen hacia un segmento del
conmutador y regresan de inmediato a la estructura magnética. A todos los
segmentos del conmutador se les trata igual en cualquier máquina. Por lo general
hay dos conexiones por barra, una de entrada y otra de salida en dos niveles
diferentes. Esta conexión del devanado al conmutador es la unión eléctrica más
delicada de la máquina, y se debe efectuar con tanta perfección como sea posible.
Figura 7. Rotor de armadura de cd
completo con las bobinas, el
conmutador, el ventilador y los cojinetes.
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Por último, todo el arreglo se forra para hacerlo resistente a los esfuerzos
centrífugos, se ahoga en un material aislante, se balancea y se le añade un
ventilador de enfriamiento. En la figura 9 se muestra una armadura completa en su
posición en un motor en corte.
1.3.4. Portaescobillas
Las escobillas se mantienen en su lugar mediante los portaescobillas,
apoyados en una de las campanas. Se utilizan diversos tipos de portaescobillas,
dependiendo del tamaño, número de escobillas, ventilación y necesidades de acceso
para el mantenimiento. En las máquinas más pequeñas las escobillas se apoyan en
tubos aislados, y en las más grandes se montan sobre manguitos rectangulares o en
mecanismos articulados. En la construcción de los extremos de campana hay una
gran variedad de apertura o de protección, según sean los usos de mantenimiento.
Figura 8. Ensamblado de un conmutador.
(Cortesía de General Electric Company)
Figura 9. Armadura completa en posiciónen un corte del motor
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1.3.5 Espaciamiento de las escobillas
Las escobillas se mantienen en contacto con el conmutador cada 180 grados
eléctricos. Estas escobillas tienen las polaridades positiva y negativa en forma
alternada. Hay el mismo número de escobillas o juegos que polos en el campo
principal; por tanto, una máquina de 8 polos tendrá 8 escobillas o juegos de
escobillas igualmente espaciados alrededor del conmutador. En algunos casos,
cuando se usa un devanado ondulado, no se sigue esta regla. Esto es porque la
construcción ondulada es tal que hay una conexión interna en el devanado, en el
negativo se conecta a los restantes puntos negativos. Por esta razón, cuando el
espacio es vital, no se utilizan todas las escobillas; debe advertirse, sin embargo, que
en un devanado traslapado se requieren todas las escobillas.
1.3.6. Posición neutra de las escobillas
Si los voltajes en el conmutador se miden mientras la armadura está girando y
los polos del campo principal se excitan mediante un agente externo, se puede ver
un patrón angular. Si el voltaje se mide de manera progresiva alrededor de un
conmutador comenzando en un punto donde se halle una escobilla negativa, se
encontrará un voltaje gradualmente más positivo. Luego, conforme se atraviesa la
región del conmutador que se conecta a los devanados que se encuentran ya en el
campo magnético y funcionando, se agregarán incrementos sustanciales de voltaje.
Por último, la rapidez del aumento del voltaje se reduce conforme se conectan los
segmentos del conmutador que están conectados a los devanados ubicados en la
salida del extremo lejano de la región del campo en funcionamiento. Por último, se ve
un voltaje pico positivo, y todo movimiento angular posterior alrededor del
conmutador en la misma dirección que antes revelará una reducción gradual del
voltaje. Este patrón de aumento y luego disminución de voltaje continúa alrededor del
conmutador tantas veces como polos tenga la máquina. Los puntos de máximo
voltaje positivo y mínimo voltaje negativo se hallan donde se deben colocar los
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centros de las escobillas. A estos puntos se les llama posiciones neutras de las
escobillas.
Cuando las escobillas se colocan en sus puntos neutros, el máximo voltaje
disponible del a máquina se puede conectar y usar. Sin embargo, los problemas
comienzan cuando se extraen corrientes grandes de las escobillas y por lo tanto de
los devanados de la armadura. Estos problemas se deben a la reacción de la
armadura y a la reactancia de la armadura. Aunque los nombres son parecidos, las
dificultades que ocasionan no lo son, por lo que deben recibir tratamientos muy
diferentes.
1.4. Reacción y reactancia de la Armadura
1.4.1. Reacción de la armadura
La forma y disposición del campo magnético que generan los campos
principales se ven distorsionados cuando circulan corrientes en los devanados de la
armadura, ya que éstos también están produciendo una estructura magnética. El
campo magnético producido en la armadura está desfasado 90 grados eléctricos de
los campos principales. Estos dos campos se combinan en forma vectorial dando por
resultado un campo distorsionado. En la figura 10 se muestra el campo magnético
típico no distorsionado de un polo de campo cuando en la armadura circula una
corriente nula, o casi nula. Luego, en la figura 11 se ve el campo producido por la
armadura, que se presenta en un grado aproximadamente proporcional a la
corriente de la armadura. En la figura 12 se muestra el resultado de la combinación
de los dos campos. El campo magnético en uno de los lados del polo de campo se
ve reducido; el campo del polo central es casi e mismo que cuando no hay corriente
en la armadura, mientras que en el otro lado del polo de campo éste se incrementa
en forma sustancial. Por desgracia, los voltajes que generan los devanados van en
proporción directa al campo real que esté presente. Siguiendo estos razonamientos,
se ve que esta reacción de la armadura hace que los puntos de voltaje neutro se
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desplacen apreciablemente con respecto a la posición de las escobillas. En
consecuencia, la función de conmutación del conmutador y las escobillas ya no está
libre de producción de chispas, lo que hace que se reduzcan mucho las vidas del
conmutador y las escobillas.
Figura 10 Distribución del flujo
magnético debido sólo a los polos de
cam o.
Figura 11. Distribución del flujo
magnético debido sólo a la excitación de
la armadura.
Figura 12. Distribución combinada delflujo debido a la armadura y el campo.
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1.4.2 Reactancia de la armadura
La reactancia de la armadura, cuyo nombre es parecido al anterior pero que
es un fenómeno diferente, es el resultado de la reactancia inductiva del devanado en
particular de la armadura en el que se esté efectuando la conmutación. El proceso de
conmutación de un circuito de armadura rotatoria incluye la inversión de la corriente
en cada bobina conforme pasa por las escobillas. Esto se puede ver si se da uno
cuenta de que el circuito de la bobina a cada lado de una escobilla dada contribuye
con una corriente que fluye hacia las escobillas positivas, alejándose de las
negativas, en un generador. En un motor ocurre lo contrario, pero el problema es
similar. Si en la última bobina que se está acercando a la escobilla hay una corriente
que esté fluyendo hacia el contacto de la escobilla en el segmento del conmutador,esta corriente se invertirá en forma abrupta cuando el segmento pase de la escobilla
y se va alejando de ella. Esta inversión de corriente se efectúa durante el tiempo en
el que ambos extremos de la bobina están en cortocircuito por la escobilla.
1.4.3. Efecto de cortocircuito de las escobillas
A partir del instante en que el segmento que lleva el segundo extremo de la
bobina toca la escobilla, las polaridades de cada extremo deben aproximarse
rápidamente una a la otra, debido a que ambos extremos de la bobina están puestos
en corto por la pequeña, pero no nula, resistencia del cuerpo de la misma escobilla.
La corriente cae rápidamente a cero y con la misma velocidad comienza de nuevo.
Esto ocurre conforme el segmento original que va adelante pasa por la escobilla, y el
voltaje y la corriente inversos suceden en el otro lado. Este proceso no puede ser
instantáneo porque la bobina de la armadura tiene una inductancia considerable. Es
fácil darse cuenta de que una bobina tiene una inductancia real cuando se devana
alrededor de un núcleo magnético. Esta inductancia tiene relación con el número de
vueltas de la bobina y, mutuamente, con las demás bobinas del devanado de la
armadura, en particular con las que ocupan las mismas ranuras de la armadura que
ella. Este problema delicado se agrava cuando hay velocidades de rotación altas, ya
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que queda menos tiempo para afectar la inversión. La reactancia inductiva de la
bobina está relacionada entonces con la velocidad de rotación, o tiempo de
conmutación, y el número de vueltas en la bobina.
Las escobillas de uso práctico ocupan más de un segmento del conmutador,
por lo común de dos y medio a tres y medio segmentos.
Haciendo compromisos razonables en el momento de diseñar las partes, es
posible lograr una buena conmutación. Esto comienza con bobinas que tengan
autoinductancias e inductancias mutuas tan pequeñas como sea posible. Luego, la
anchura del traslape de las escobillas y su resistencia interna se modifican en forma
experimental para que la bobina pueda descargar su energía almacenada durante elciclo de conmutación. En el caso ideal habrá un cambio uniforme en la corriente de la
bobina conforme ésta se barre por la escobilla. Se supone que cuando la bobina deja
la influencia de la escobilla, la corriente se invierte en su totalidad.
Este proceso de la inversión de la corriente se favorece si la magnitud del
campo de conmutación se ajusta de tal modo que la bobina en corto genere apenas
el voltaje suficiente para facilitar la inversión de la corriente.
Todo esto implica que hay una considerable disipación de energía tanto en la
superficie de contacto de las escobillas como en su interior.
1.5. El circuito magnético
Es necesario recordar que la densidad de flujo que cuenta es la que hay en el
entrehierro, entre las caras de los polos de campo y las bobinas de la armadura
directamente adyacentes. Éste es el flujo que cortan las bobinas del devanado de la
armadura en movimiento. El flujo restante que hay alrededor de la máquina es
necesario para cerrar el circuito magnético. El propósito del diseño es el de conseguir
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un flujo de entrehierro razonablemente alto sin que haya grandes pérdidas debidas a
la parte forzadora del circuito en saturación.
Algunos estudios han demostrado que la mayor parte de la reluctancia del
circuito magnético se halla en el entrehierro. Por tanto, se requieren casi tres cuartas
partes del total de los ampere-vueltas de la fuerza de magnetización para superar la
reluctancia del entrehierro y hacer que circule un flujo razonablemente grande.
La fuerza de magnetización necesaria para alcanzar una intensidad de campo
dada en un elemento de forma geométrica conocida del circuito magnético se debe
calcular en pasos separados para cada uno de los distintos elementos geométricos
del circuito.
Como el producto final deseado es la intensidad del campo en el entrehierro,
ese valor del flujo será por lo general el punto de partida en los cálculos.
La intensidad del campo magnético en el aire o en la mayor parte de los
materiales no ferrosos es directamente proporcional a la fuerza de magnetización. En
consecuencia, cuanto mayor sea la fuerza de magnetización tanto mayor será el flujo
del campo. Esta relación lineal tan sencilla no es válida en los materiales ferrosos,
aunque con ellos pueden alcanzarse intensidades de campo mucho más altas para
una fuerza de magnetización dada.
Conviene en este punto recordar el uso de las siguientes unidades:
La fuerza de magnetización es proporcional en ampere-vueltas por unidad de
longitud y se le representa por H. De este modo:
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Otro nombre de la fuerza de magnetización es el de intensidad de campo
magnético. La densidad de flujo magnético es una medida del flujo en líneas o en
webers por unidad de área y se le denota por B (o ).
B inglesasunidadesenin
líneasenestá
2
SIdelunidadesenmetro
weber en
2está
Gauss cm
maxwellen
2está
La relación entre H y B en los materiales no ferrosos o en el vacío o, desde un
punto de vista práctico, en el aire, se definió originalmente en las unidades del
sistema métrico cgs; en el SI son
vueltaamperemetro
weber x104 7-OSI
H
En consecuencia,
79577.0 metro
vuelta-ampere 0.79577x106 H Ec. (1-5a SI)
La constante OSI (léase mi subíndice cero) recibe el nombre de
permeabilidad del espacio libre; su conversión al sistema inglés es la siguiente:
inglesasunidadesen pulgada
vueltas-ampereenestá H
SI delunidadesen
metro
vueltas-ampereenestá H
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in39.37
metro
weber
línea 10
vueltaamperemetro
weber x104
87-
E O
Es decir,
vueltaampere pulgada
línea 3.1919
39.37
40 E O
Por tanto, en unidades del sistema inglés,
pulgada
vueltaampere 30 313.0 B H
En cualquiera de estas unidades, las cantidades OSI o OE son una constante
del aire en el entrehierro. Esto no es válido en el caso de las partes magnéticas del
circuito, donde se convierte en r , es decir, la permeabilidad relativa al aire, y no
es una constante.
Esta variabilidad del factor r , se muestra casi siempre en las curvas BH de los
materiales específicos que se utilizan normalmente en los circuitos magnéticos. Los
valores de r , pueden variar desde 100 hasta 1000, pero no es una constante. Estos
valores tan altos de la permeabilidad implican que se requiere una cantidad mucho
menor de ampere-vueltas de fuerza de magnetización para mantener una fuerza útil
en los materiales magnéticos, a pesar de que estos últimos constituyen la parte más
larga del circuito.
En las figuras 13 y 14 se muestran curvas BH típicas.
Ec. (1-5bI)
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Figura 13. Curvas de figura magnetización en unidades inglesas.
Figura 14. Curvas de magnetización en unidades del SI.
1.5.1. Análisis simplificado de un circuito magnético
Para el estudio de las relaciones en un circuito magnético típico en forma
simplificada convienen ver primero las relaciones dimensionales de una máquina
particular de cuatro polos, como la que se muestra en la figura 15. Adviértase que las
dimensiones se dan tanto en el sistema inglés como en el SI.
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Si se supone que el flujo total por polo, al calcularse mediante la ecuación
(2-6), es de 1 650 000 líneas (0.0165 Wb), la densidad de flujo es /A = B(o ),
donde A = 5.5x6 es el área efectiva de una de las zapatas del polo. En tal caso.
(in)in
línea 00050
65.5
0006501
x
O bien:
m(m)
Wb 0.775
1524.01397.0
0165.0
x
Se utilizaron metros en vez de milímetros a fin de obtener metros cuadrados.
Obsérvese que el área efectiva por polo es igual a la longitud de arco neta efectiva
de la zapata de polo multiplicada por la longitud efectiva axial de la pila de
laminaciones magnéticas de la armadura y el campo.
El problema es más fácil de resolver si se descompone de acuerdo con los
elementos del circuito magnético. De esa manera, cada parte se puede considerar
según lo requieren el material específico del que está hecha y su geometría.
Un ligero análisis del diagrama de circuito magnético que se muestra en la
figura 15 nos indica que cada polo es similar. Además, como se muestran las líneas
centrales, el circuito magnético divide cada polo en dos partes iguales. Por tanto, un
circuito magnético individual incluye las mitades, una frente a la otra, de dos polos
adyacentes y las partes de la carcasa exterior que las conectan, así como la pila de
laminaciones de la armadura.
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Figura 15. Dimensiones de la estructura magnética.
Usando este tipo de división, cada trayectoria del circuito magnético es
afectada por dos bobinas de campo diferentes. Al mismo tiempo, cada bobina actúasobre dos circuitos diferentes, y puede considerarse que cada circuito es afectado
por la totalidad de los ampere-vueltas de cada bobina. Los ampere-vueltas no se
dividen porque no se consumen. Esto puede comprobarse mediante la segunda ley
de Kirchhoff. Por tanto, al calcular los ampere-vueltas que requiere cada uno de los
circuitos magnéticos, dicha cantidad se puede dividir entre dos y cada bobina de
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campo puede entonces configurarse de modo que suministre la mitad de los ampere-
vueltas necesarios.
A partir de un estudio de las dimensiones físicas que aparecen en la figura 15,
pueden determinarse los diversos elementos del circuito magnético. El procedimiento
se simplifica si se considera como un solo elemento cada uno de las partes del
circuito magnético que tienen una sección transversal, longitud y material
específicos.
Luego, se calcula el número de ampere-vueltas necesarias para magnetizar
cada uno de los elementos del circuito. A continuación se suman los ampere-vueltas
individuales para hallar el total requerido en el circuito completo.
Dependiendo del grado de detalle y precisión de los cálculos, pueden añadirse
algunos factores de tolerancia de modo que se alcance o incluso se rebase el nivel
de flujo calculado.
En la tabla 1 (véase anexo), se da un resumen de los requerimientos en
ampere-vueltas de la máquina que se muestra en la figura 15; para hacer los
cálculos se han hecho suposiciones para simplificar, en vez de tomar los valores
verdaderos de las longitudes de las trayectorias y de las secciones transversales de
cada uno de los elementos. Como todo el flujo magnético de la carcasa exterior y de
los polos de campo no fluye en el entrehierro realmente como se desea, debido a las
fugas que hay entre las puntas de los polos del campo, debe considerarse 15% más
de flujo en la parte externa del circuito. Se supone que el entrehierro mismo es de
20% mayor que su dimensión mínima verdadera, con el objeto de dar una tolerancia
a la forma de cara interior de la zapata del polo y a la pequeña área del material
magnético que hay en los dientes de armadura. La sección transversal de la
trayectoria magnética en las laminaciones de la armadura se examina en diferentes
partes, y el valor de la menor área encontrada es el que se toma como la dimensión
que manda.
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Al trabajar con una tabulación como la tabla 1, las longitudes de las
trayectorias individuales y las áreas de las secciones transversales se tabulan
conforme se calculan. Adviértase que se muestran los resultados tanto en el sistema
inglés como en el SI. La tabla se utiliza así:
(1) La primera columna sirve para identificar cada elemento.
(2) La columna 2 es el flujo total requerido (o ).
(3) La columna 3 es el área de cada uno de los elementos de la trayectoria.
(4) La columna 4 es la densidad de flujo calculada a partir de B = /A o bien
= / .
(5) La columna 5 indica el material específico empleado para esa parte.
(6) La columna 6 representa la fuerza de magnetización H requerida en ampere-
vueltas por pulgada lineal (o por metro lineal) de longitud de trayectoria del
material específico a esa densidad de flujo en particular. Estas cantidades se
obtienen de las curvas BH del material en cuestión. En el caso de los
entrehierros, H se calcula mediante las ecuaciones (1-6I) o (1-6SI).
(7) La columna 7 representa la longitud de las trayectorias determinadas en forma
individual.
(8) La columna 8 es simplemente la columna 6 multiplicada por la 7.(9) En cada uno de los sistemas de unidades se hace la suma de los
requerimientos de ampere-vuelta individuales.
La cantidad final de los ampere-vueltas por polo da los requerimientos de
diseño para una bobina de campo específica. Por supuesto que el requerimiento
básico de flujo que se tomó como 1 650 000 líneas (0.0165 Wb), tiene que
determinarse en este caso para el máximo requerido.
Poniendo atención a este proceso se podrá hacer un cálculo a groso modo del
requerimiento de ampere-vueltas por trayectoria magnética para cualquier motor o
generador de cd. La división del resultado final entre 2 no tiene que se siempre así,
ya que las marchas de los automóviles baratos, por ejemplo, sólo se devanan sobre
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un solo polo. Por tanto, en ese caso específico, hay una sola bobina por circuito
magnético.
1.6 Construcciones especiales
1.6.1 Motores sin núcleo
Hace poco ha surgido una nueva clase de motor de tamaño pequeño. El motor
sin núcleo no tiene núcleo magnético en la armadura rotatoria. Hay dos formas de
construcción fundamentalmente distintas, dependiendo de la forma física elegida.
Las ventajas que se obtienen son:
Una inercia reducida del rotor de la armadura, lo que permite una aceleración
en extremo grande, y en consecuencia una constante de tiempo de respuesta muy
pequeña en el mecanismo de control y muy poco o casi nada de bailoteo, es decir, la
tendencia del motor a moverse en pequeños jaloneos angulares conforme el par
apenas sobrepasa el campo de las fuerzas magnéticas de atracción de la armadura.
Los dos tipos principales se describirán a continuación por separado.
1.6.2 Rotores de disco o de circuito impreso
Si toda la armadura se hace con la forma de un disco plano, con el espesor
apenas suficiente para darle cierta resistencia estructural y para permitir conectarle
los conductores del circuito de la armadura en ambas caras, entonces la forma
natural de construcción lleva al uso de un circuito impreso. En ese caso la base
estructural es el material laminado no conductor y no magnético. La separación entre
los conductores de la armadura se graba en las caras originales cubiertas de cobre
del material básico laminado o de la placa. En los modelos más pequeños incluso
los segmentos del conmutador se pueden hacer a partir del circuito impreso. Las
variantes incluyen conmutadores separados que se fijan al circuito del rotor y
separan devanados perforados o formados que se sujetan en forma adhesiva al
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tablero básico, en los modelos medianos. El resultado es que la armadura queda
delgada a los largo de la dimensión axial y por tanto no requiere de un núcleo
magnético de acero al silicio para mantener el entrehierro entre los polos del campo
en un tamaño razonable. Los polos del campo se disponen paralelos al eje de la
armadura, en vez de hacerlo en forma radial. Esto crea líneas de flujo paralelas al eje
a través del área del conductor de la armadura en la región en la que los
conductores son esencialmente radiales. En la figura 16 se muestra la construcción
de un motor de disco.
Conforme el tamaño de los motores aumenta, los problemas usuales del
desarrollo de cualquier construcción intrínsecamente nueva se hacen aparentes. El
calentamiento en el devanado de la armadura, causado por una pérdida normal del
tipo I2R, tiene una tendencia a deformar el disco y a aflojar las uniones de los
devanados. Esta dificultad se supera mediante una selección cuidadosa de los
materiales, por una parte, y por otra mediante una igualmente cuidadosa proporción
del tamaño y el espacio del entrehierro del campo. Estos motores se pueden fabricar
en cierto rango de tamaños y con cualquier construcción normal de polos de campo
de devanado en serie, en derivación o compuestos. No obstante, en la actualidad se
usan campos de imán permanentes.
Una de las limitaciones es que es difícil hacer más de una vuelta de devanado
por bobina. El resultado es que este tipo de motores está limitado a voltajes
pequeños. Sin embargo, la mayoría de los servocontroles usan tanto motores como
voltajes pequeños.
Figura 16. Motor de rotor de disco. (Cortesía
de PMI Motors División, Kellmorgen Corp.)
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1.6.3 Motores enlatados
Su nombre se debe al aspecto de estos pequeños cilindros. Los motores
cilíndricos ya existían, como en las marchas de los automóviles, pero los motores
muy pequeños se fabricaban por lo común con una carcasa abierta y una
protuberancia en un extremo para su magneto de campo. Así, los motores pequeños
con un envase cilíndrico se denominaron como motores enlatados. La forma se debe
a que el envase exterior es una sencilla trayectoria de retorno de acero magnético
del circuito del campo. El campo consiste por lo general en una pieza bipolar de
Alnico o de material magnético cerámico y se coloca de manera concéntrica dentro
de la lata.
Éstos motores también tienen una inercia muy pequeña y no tienden a
bailotear a velocidades y potencias bajas. Los usos que se les da en la actualidad
son los de servocontroles en instrumentación y, por miles, en los modelos a escala.
Su desempeño es excepcionalmente bueno para el tamaño que tienen, ya que la
tendencia al bailoteo de los motores convencionales pequeños con sólo tres ranuras
en la armadura era y es muy severa. Esto podría haberse minimizado introduciendo
más ranuras en la armadura y segmentos del conmutador. Sin embargo, en los
modelos pequeños los alambres del devanado de la armadura son tan delgados
como cabellos, y hacer más bobinas de tamaño aún menor sería impráctico.
A pesar de sus ventajas, el tamaño de los motores enlatados parece tener en
el presente un límite debido a la dificultad de sostener en forma adecuada los
devanados de la armadura contra los pares y los esfuerzos centrífugos.
En la actualidad, la fabricación de este tipo de motores tiene un nicho
específico, aunque limitado. Su enorme desempeño hará que tal nicho se expanda,
ya que está limitado sólo por factores de costos competitivos y por los métodos
prácticos de fabricación. El intervalo actual de tamaño va desde poco más de una
pulgada de diámetro (25-30 mm) hacia abajo.
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1.6.4 Motores sin Escobillas
Todos los motores y generadores considerados hasta ahora tienen una
armadura construida como un elemento rotatorio o rotor. Esto ha sido conveniente
porque todas las máquinas consideradas requieren de un mecanismo de
conmutación giratorio para seleccionar la polaridad de las conexiones de la bobina
de la armadura. Quienes diseñan motores y generadores han soñado desde hace
tiempo con eliminar el conmutador y las escobillas que, hasta hace muy pocos años,
eran el único medio práctico de efectuar el proceso requerido de conmutación.
Sólo hasta hace poco han hecho su aparición diversos medios prácticos para
conmutar las polaridades de la bobina sin el uso de escobillas y conmutadores.
La mayoría de estos nuevos modelos aprovecha el hecho de que no es
necesario un mecanismo rotatorio de conmutación en el motor si el devanado de la
armadura se coloca en una posición estacionaria en el estator. El campo es por lo
general un imán permanente, el cual se monta sobre el eje y hace las veces del rotor.
Esta construcción invertida se parece mucho a las armaduras básicas de ca.
2 Construcción física de Máquinas de Corriente Alterna
2.1 Construcción mecánica
A excepción de los tipos especializados, como el motor universal de ca-cd, el
cual se parece mucho a un motor de cd en serie, casi todos los motores y los
generadores de ca se construyen aprovechando la relación natural de tener la
armadura fija y en torno al campo, con el campo en movimiento y dentro de laarmadura.
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2.2 Devanados del alternador
Los tipos de devanados que se usan en maquinaria de ca están
estrechamente relacionados con los devanados para cd. Se utilizan devanados tanto
traslapados como ondulados, pero el traslapado es mucho más común porque las
conexiones de bobina son más cortas.
Puesto que las máquinas trifásicas requieren tres grupos idénticos de
devanados separados por 120 grados eléctricos, y como los polos deben existir por
pares, hay ciertas reglas que afectan a los devanados y al espaciamiento de las
ranuras de la estructura magnética.
Los grados eléctricos se refieren al ángulo cíclico de la onda senoidal
repetitiva, donde un ciclo completo equivale a 360 grados eléctricos. Puesto que los
polos magnéticos opuestos producen voltajes opuestos en una situación de bobina
en movimiento a polo, la diferencia máxima de voltaje a lo largo de una onda
senoidal se encuentra separada por 180 grados eléctricos, el cual tiene lugar entre
cada polo sucesivo de campo. Los grados eléctricos totales en una rotación de 360
grados mecánicos son pues simplemente 180 veces el número de polos, o:
Ecuación 2-1
Donde P es él numero de polos.
2.2.1 Encordado de los devanados
Un factor de diseño es el encordado de los devanados de los polos, si en la
máquina de 36 ranuras y cuatro polos, una bobina individual entra en la ranura 1 y
retorna en la ranura 10, se habrán abarcado 90 grados mecánicos de la estructura
circular del estator. Puesto que por definición hay cuatro polos en este caso, 90
grados mecánicos son 180 grados eléctricos con base en la ecuación anterior. Así,
Grados eléctricos totales en una revolución = 180 P
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los lados de la bobina están en la misma posición relativa sobre las posiciones
adyacentes de los polos norte y sur. Esta es una construcción de las bobinas de
paso completo (véase en la Figura 17 una representación de esta condición).
La bobina de máquina de ca más común cubre menos de la periferia de la
máquina y se dice por lo tanto que es de paso fraccionario, en una situación típica
una bobina puede entrar en la ranura 1 y salir por la ranura 7, esto cubre seis de
nueve posibles pasos de ranura, y tiene por tanto un paso de 6/9 o 66.7%. La
mayoría de las bobinas de máquinas de ca es del tipo de paso fraccionario, el cual
presenta algunas ventajas importantes.
(1) Los extremos de las bobinas son más cortos, lo cual significa menos pérdidas
en el cobre gracias a una longitud total menor.
(2) A las bobinas de los extremos se les puede dar una forma más compacta, las
campanas de los extremos necesitan menos espacio de devanado, lo que da
por resultado una unidad más corta.
Aquí también, en la situación con 36 ranuras, y con bobinas de paso ya sea
completo o fraccionario, las 36 bobinas son todas iguales.
Figura 17. Estator de ca de cuatropolos con bobinas de pasocompleto
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Figura 18. Bobinas de doble capa en un estator de ca.
2.2.2 Conexiones de grupos de bobinas
La figura 18, muestra como se depositan las bobinas dentro de las ranuras. La
inmensa mayoría de las máquinas con devanados traslapados u ondulado emplea
esta disposición de devanado en capas dobles. Esto es muy parecido a la forma de
devanar una armadura de cd la interconexión de las bobinas da por resultado, como
en la situación de las 36 bobinas, 12 grupos de tres bobinas por grupo. Cada grupo
se asocia luego con una fase y un polo. Como hay cuatro polos en esta situación
sencilla pero real. Hay cuatro grupos de bobinas en cada fase. Esta es la situaciónordinaria, incluso cuando se usan más ranuras y bobinas.
Una máquina de 72 ranuras y seis polos devanada para tres fases tendría
72/6 = 12 ranuras por polo y 12/3 = 4 ranuras por fase y por polo. En este caso las
bobinas se conectarían en grupos de cuatro y habría seis de estos grupos de cuatro
bobinas por fase.
Son posibles muchas variedades de conexiones de grupos de bobinas, pero
en la actualidad sólo se usan relativamente pocas de ellas. En una máquina trifásica
los grupos de bobinas por fase se reúnen para todos los polos, y este agrupamiento
mayor se divide por lo común en dos partes, en la máquina de 36 ranuras, dos
grupos de tres bobinas están conectados en forma permanente. Así pues, hay dos
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de estas conexiones de seis bobinas por fase. Si están conectadas en serie, el motor
o generador esta ajustado para trabajar con el más alto de sus voltajes nominales en
esta forma, un motor o generador puede trabajar con 110 o 220 V, o tal vez con 220
o 440 V, y así sucesivamente. Se obtiene de manera inherente una gran flexibilidad
de instalación.
Cuando estos grupos de bobinas se asocian entre si, el sentido de devanado o
de conexión sobre polos opuestos (norte o sur) debe ser opuesto. Así, cada conexión
en serie adyacente por fase y por grupo polar se debe invertir para que la polaridad
sea correcta (véase en la figura 19 una interconexión típica de bobinas).
Una maquina trifásica, cuando se reúnen grupos de bobinas de fase, seconecta luego en estrella o en delta, y también en serie o en paralelo, como se
muestra para las conexiones de estrella en la figura 19. Los extremos de grupo de
bobinas de estator de motor trifásico se numeran normalmente del 1 al 9, según se
muestra, y por lo común los puntos 10,11 y 12 se “sepultan”, a menos que se les
necesite de manera especial.
2.2.3 Distribución de los devanados
Se necesita una última definición antes de intentar el cálculo específico de
voltajes nominales de máquina. Puesto que las bobinas se depositan, por lo común
como se muestra en la figura 18, se observa que están espaciadas de manera
uniforme en torno a la periferia del estator de la máquina. Volviendo a la situación de
36 bobinas y cuatro polos, se puede ver que en este caso específico cualquiera de
los polos tiene dos grupos de fase de tres bobinas conectadas en serie por polo. Los
voltajes que se generan en las bobinas de un grupo monofásico de tres bobinas no
se suman simplemente. Puesto que cada bobina no es barrida o cortada por la
misma intensidad de flujo magnético al mismo tiempo, no se encuentra en la misma
relación de tiempo y fase a pesar de que son parte del mismo devanado de fase.
Todos estos factores, que constituyen un devanado multifásico, de dos niveles,
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encordado o distribuido en pasos completos, son aplicables a diversos generadores y
motores de ca, tanto grandes como pequeños.
2.3 Armadura fija o estator
Esta armadura fija y externa tiene un anillo completo con dientes y ranuras en
su cara interna. En una máquina ordinaria, todas las ranuras están llenas con
bobinas similares y simétricas. Por consiguiente, puede no ser tan evidente cuántos
polos o fases se presentan en el devanado. En el rotor de campo, la construcción
puede ser muy parecida a la de una armadura de cd con una estructura magnética
circular completa que tiene un grupo continuo de ranuras y dientes sobre la superficie
externa. También en este caso las ranuras están llenas con bobinas similares ysimétricas, y no se aprecia con facilidad cuántos polos o fases tiene la máquina. Con
una construcción de campo de polos salientes, el número de polos es visible, como
en una máquina de cd.
Si los lados de las ranuras de devanado son paralelas entre sí en una ranura
individual, lo cual constituye un tipo de construcción frecuente, se puede ver en la
figura 20 que la estructura dentada de estator se vuelve más fuerte conforme se hace
más profunda. Sin embargo, la misma figura muestra que la ranura del rotor se
vuelve más débil al hacerse más profundo. Esta ventaja en la estructura dentada
para el estator se utiliza en el estator de ca.
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Figura 19. Conexiones típicas de grupos de bobinas y polos.
A estas alturas ya puede uno preguntarse si es necesario usar ranuras con
lados paralelos. No son necesarias en los tamaños pequeños, sin embargo en los
grandes, donde las bobinas se hacen con alambre de sección transversal grande y el
aislamiento se debe distribuir con el mayor cuidado, se requiere la ranura de lados
paralelos, puesto que las bobinas grandes se ejecutan, se unen con aislamiento, se
impregnan con barniz y se hornean, no pueden cambiar con facilidad de forma
durante la instalación en el núcleo magnético.
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Las máquinas más pequeñas de ca. se devanan con bobinas sueltas de
alambre redondo las cuales se pueden deslizar dentro de las ranuras vuelta a vuelta
durante el devanado o la instalación. De esta manera se puede emplear casi
cualquier forma de ranura. El uso pleno de la sección transversal de la ranura parece
requerir ranuras laterales paralelas en los tamaños grandes. En todas las ranuras de
la forma que sean, se debe proveer algún medio para aprisionar y sujetar los
devanados en su lugar. Como consecuencia, se prevé algún recurso en la ranura
para cuña de recubrimiento, incluso si tiene lados paralelos.
Figura 20. Estructura típica de ranuras de laminados magnéticos en una dínamo de ca.
En el estator de una máquina de ca la corriente varía en forma continua con la
rapidez de repetición de frecuencia. El flujo magnético resultante varía entonces en la
forma cíclica, y hay histéresis y pérdidas por corrientes parásitas en la estructura
magnética. La estructura esta hecha de placas delgadas de aleación de acero alcilicio que troquelan con facilidad para dar forma en matrices de presión construidas
para esa tarea. Los laminados troquelados de estator cubren ordinariamente él
circulo completo en las máquinas de tamaño pequeño y mediano. Existen familias
patentadas de tamaño progresivamente mayores que cada fabricante ajusta a una
norma. Puesto que las matrices de troquelado son costosas, se suministran sólo
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unos pocos números distintos de ranuras y dientes para un tamaño básico. Como se
podrá ver, estos números de ranuras determinan el número de bobinas que se
puedan alojar.
Las máquinas de tamaño mayor se construyen con laminados en segmentos
de tamaños razonables. El tamaño depende del ancho del material y los tamaños de
matriz de presión disponibles.
El espesor del material para laminado se determina mediante consideraciones
de pérdidas por corrientes parásitas y de manejo del material. El laminado delgado
tiene menos perdidas por corrientes parásitas, pero su manejo se dificulta y los
dientes se doblan con demasiada facilidad. Un espesor de material de alrededor de0.014 in (0.35mm) se emplea desde hace mucho tiempo para máquinas de ca de 60
Hz. El tamaño de material para laminado bajo los tamaños de material acordados en
el SI permanecerá tal vez sin cambio, puesto que 0.35 mm es el espesor tentativo
que ocupa el segundo lugar en preferencia. De no ser así, tal vez se usara un
espesor de 0.3 o 0.4 mm, ya que serán válidas las mismas consideraciones
económicas y de frecuencia independiente de las unidades de medición empleadas.
Los números de ranuras están normalizados en torno a 36, 48, 60 y 72, y así
sucesivamente, por algunas razones mecánicas de los devanados.
2.3.1 Estructura del campo giratorio
La constricción mecánica del resto de un motor o generador de ca. Se
diferencia excepto por la falta de un conmutador. Con alternadores y motores
síncronos, se usan anillos colectores que sirven para llevar ca. Hacia adentro y
afuera del campo giratorio, ubicados en una posición similar a la de un conmutador.
Un anillo colector es una aleación de cobre que esta aislado del eje del rotor y
conectado a los devanados del rotor. Una escobilla de carbón sostiene a un aparejo
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porta escobillas que completa la conexión. Puesto que no se requiere una resistencia
interna particular para facilitar la conmutación, la escobilla de anillo colector es más
dura y densa que una de conmutador. Tiene una caída de voltaje menor y por lo
tanto es responsable de menos pérdida de potencia que su contraparte de cd.
Cuando los devanados del rotor llevan ca. Trifásica se utilizan tres anillos
colectores, en ciertos casos de motores síncronos más grandes, se utilizan múltiples
devanados y pueden estar presentes cinco anillos o más.
Los devanados de armadura de alta energía se colocan sobre la estructura del
estator, que tiene un espacio relativamente mayor para devanados. Por lo común,
una máquina de ca. Puede ser más pequeña en conjunto que su contraparte de cd.Con la misma potencia nominal. La falta de un conmutador también contribuye a
reducir el tamaño más adelante se podrá ver que los tamaños de maquinas de ca.
También están normalizados de acuerdo con los tamaños de carcasa de NEMA y a
tamaños tentativos de carcasa en el SI. Sin embargo la máquina de ca. Alcanza en
promedio alrededor de 50% más de potencia dentro del mismo tamaño de carcasa.
2.4 Relaciones de voltaje
En los cálculos para determinar los amperes – vueltas por polo de campo se
usan los mismos procedimientos que se describen anteriormente. Este procedimiento
es válido excepto si es distinta la disposición estructural. En una máquina de ca se
seguirá la misma división del circuito a través del centro de los polos. Sin embargo, la
geometría real de los polos no es tan obvia a menos que se use una construcción de
rotor de campo con polos salientes. Saliente significa aquí individual y por separado
en el sentido de los polos de campo en una máquina de cd. Con polos salientes, seconsideraría una división arbitraria de 360/número polos. En este caso los polos
están unidos al núcleo del rotor y el entrehierro está en el extremo exterior de los
polos en vez del extremo interior. La carcasa exterior principal está dentada en su
cara interior para alojar los devanados del estator o armadura. Un rotor de campo
con polos no salientes o cilíndricos tiene una estructura dentada similar a la de
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Y para el sistema internacional:
También en este caso las unidades son las mismas, empleando s o ω para la
velocidad de rotación. Obsérvese que se usa s en rps.
Por conveniencia cuando se trabaja con un generador y debido a que la
frecuencia resultante del voltaje de ca es un parámetro básico y critico, podemossustituir s en revoluciones por segundo por ƒ en hertz sobre la base de uno a uno.
Esto es cierto para una maquina de dos polos, puesto que una revolución produce un