UNIVERSIDAD NACIONAL DE JAÉN

INGENIERIA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

INTEGRANTES: 1. José Fernando Flores Díaz 2. Santos flores Samuel3. Robin Marx Herrera Fuentes4. Henry Delgado Tantalean5. .6. .

TEMA: TIPOS DE DEVANADOS Y MÁQUINAS DE CONMUTACIÓN EN CD

DOCENTE: ING. Segundo F. Salazar Cubas

DEVABADOS DE INDUCIDO

El conjunto de las espiras conectadas unas con otras y a los bornes de la maquina, define el devanado o arrollamiento inducido de la maquina y la representación grafica de las espiras y sus uniones determina el esquema del devanado .

Este esquema permite a la vez verificar que la unión de los conductores y de las espiras es la mas conveniente para obtener el máximo partido de las f.e.m inducidas con la mejor cantidad posible de cobre.

TIPOS DE DEVANADOS

En la actualidad casi todos los devanados de inducido son del tipo de tambor, es decir los conductores van arrojados en ranuras periféricas de los paquetes magnéticos estatóricos o rotóricos y están unidos por conexiones frontales

• La unión de dos conductores por una conexión frontal forma una espira o bonina elemental.

• Varias espiras superpuestas iguales unidas en serie forman una bobina simple llamada también elemento o sección del devanado.

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).

Devanado Imbricado :En este tipo de devanados sus 2 extremos están

conectados a 2 delgas adyacentes. Si el extremo final de la bobina se conecta a la delga siguiente se tiene un devanado imbricado progresivo Yc=1, si el extremo final se conecta a la delga anterior se tiene un devanado imbricado regresivo Yc=-1

(a)Bobina de un devanado progresivo

(b)Bobina de un devanado regresivo

Devanado Imbricado :Un aspecto interesante del devanado imbricado simple es que tiene

tantas ramas en paralelo como polos tenga la maquina, este hecho hace que el devanado imbricado resulte bastante favorable para maquinas de bajo voltaje y alta corriente.

Devanado imbricado sencillo de una maquina de dos polos.Bobina de un devando progresivo

Devanado imbricado de un motor de cc de 4 polos

Diagrama del devanado imbricado del rotor de la maquina.

Devanado Ondulado : 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.

Devanado Ondulado :

Devanado Ondulado sencillo de una maquina de cuatro polos.

Diagrama del devanado ondulado del rotor de la maquina.

Devanado tipo ancas de rana

Un devanado tipo ancas de rana es una combinación de los devanados traslapado y ondulado.

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.

CONMUTACIÓN EN MOTORES ELÉCTRICOS DE CD

La máquina de corriente continua es un caso particular de las máquinas que utilizan conmutador. Las máquinas de conmutador son ampliamente utilizadas para el control de par y velocidad en los procesos industriales por que tienen una alta velocidad de respuesta, al mantener siempre en ortogonalidad los campos estatóricos y rotóricos1. Una máquina de conmutador está constituida básicamente por un estator, un rotor y un colector acoplado sólidamente al rotor. El colector permite conectar galvánicamente los conductores del circuito rotórico o armadura a la fuente de tensión continua, mediante un juego de carbones o escobillas solidarios con el estator de la máquina.

Para invertir el sentido de la fuerza magnetomotriz del rotor se utiliza el conmutador. En la figura 5.3 se observa que la corriente tiene como período de repetición, una revolución del rotor de la máquina de corriente continua. Al girar el rotor, la escobilla (1), se conecta con la delga (4) y la escobilla (2) se conecta con la delga (3). El procedimiento anterior permite la inversión del sentido de circulación de la corriente por el rotor mediante el dispositivo mecánico descrito. La corriente interna en el circuito rotórico es alterna. La corriente inyectada por la fuente es continua. En la práctica, es necesario un conmutador por cada bobina del rotor, pero por simplicidad en el análisis se ha supuesto que la máquina posee una sola bobina.

Con la distribución de la corriente de armadura que se representa en la gura 5.4, la fuerza magnetomotriz producida en el rotor se encuentra en el semiplano positivo y se produce un par positivo que intenta alinear esta fuerza magnetomotriz con la fuerza magnetomotriz producida por el enrollado de campo de la máquina. En esta situación, los conductores contribuyen al par en la dirección positiva del movimiento, debido a que los conductores ubicados a la derecha de la gura producen fuerza tangencial hacia abajo, mientras que los de la izquierda producen fuerzas tangenciales hacia arriba.

En un alineamiento conductivo semejante al ilustrado en la gura 5.5, existe equilibrio de fuerzas sobre el mismo brazo y el par resultante es nulo. Este análisis elemental explica la conveniencia de utilizar la distribución de las corrientes de armadura presentada en la gura 5.4 con la nalidad de obtener par eléctrico significativo en la máquina de corriente continua.

En las máquinas de conmutador, el plano que contiene el eje mecánico y corta diametralmente al rotor se denomina línea neutra de la máquina. La línea neutra divide los puntos del rotor en los que entra el flujo de aquellos en los cuales el flujo sale.Para lograr la inversión en el sentido de la corriente, es necesario un dispositivo conmutador por cada bobina. Esta solución es muy primitiva, el problema puede ser resuelto mediante una distribución conveniente de los conductores que permita obtener el resultado deseado. En la gura 5.6 se representa un abatimiento lineal de la superficie del estator y de los conductores del rotor. Es conveniente realizar una conexión de los conductores del rotor, de tal forma que sea necesario solamente un par de escobillas y no uno por cada espira. Esta situación se puede obtener conectando las bobinas en serie. La otra condición que se debe cumplir es que al cambiar de posición la espira, en ella debe cambiar el sentido de la corriente, pero no en las otras espiras.

En la gura 5.7 se muestra una forma posible de realizar las conexiones de los conductores del circuito de armadura. Los conductores conectados a los terminales (1) y (2) se encuentran en una situación diferente al resto de los conductores del circuito rotórico porque son los extremos de la bobina, para resolver este inconveniente se conecta un segundo devanado similar al anterior, en las mismas ranuras del rotor, y conectados en paralelo.

En la gura 5.8 se observa el abatimiento lineal de estas dos bobinas. Con esta distribución de los conductores del devanado de armadura, es suficiente inyectar corriente entre dos delgas separadas180 eléctricos para que la corriente circule en una dirección en una mitad de la periferia del rotor y en sentido contrario en la otra. Disponiendo de esta forma las bobinas, toda la superficie del rotor puede ser aprovechada para la producción de par. Si las escobillas se colocan alineadas convenientemente, se obtendrá siempre corriente en un sentido en el polo norte de la máquina y en sentido contrario en el polo sur. Cuando un conductor atraviesa la línea neutra, se invierte el sentido de su corriente, y por esta razón el par producido sobre él mantiene la misma dirección.

En la práctica se utilizan dos esquemas básicos para bobinar el circuito de armadura de las máquinas de corriente continua, el devanado imbricado y el devanado ondulado. En la gura 5.9 se muestran dos ejemplos de estos bobinados. En el enrollado imbricado, la bobina se devana, regresando por ranuras adyacentes o muy cercanas los retornos. En el devanado ondulado el conductor de retorno de bobina adelanta poco más o menos un paso polar. El análisis de los diferentes tipos de devanados es muy complejo y excede los alcances de este texto, pero se puede destacar que en los rotores ondulados se puede utilizar un par de carbones para conectar todos los pares de polos de la armadura, mientras que los rotores imbricados requieren un par de carbones por cada par de polos. En máquinas pequeñas con múltiples pares de polos el empleo de bobinas onduladas puede representar un ahorro importanteen el proceso de fabricación, porque además se utiliza menor cantidad de cobre en las cabezas de bobina.

se observa que en la bobina que converge a la delga (1), la corriente se dirige hacia esa delga, mientras que en la (2), la corriente se aleja de la delga ya que está conectada a una escobilla o carbón en el cual se ha inyectado la corriente I. Las escobillas en la realidad se encuentran generalmente fijas con respecto al estator o campo de la máquina, pero para explicar el proceso se puede suponer que el carbón se mueve a una velocidad v y que la armadura se encuentra ja. En la figura 5.33 , en el diagrama de la derecha se muestra la situación que se obtiene cuando la escobilla toca a la siguiente delga del colector. Cuando la escobilla pasa de la posición (2) a la (3) en la gura, todas las corrientes a la derecha e izquierda de esa delga no se alteran, sólo en la espira gruesa ocurre inversión de la corriente antes y después del paso del la escobilla. De este razonamiento se deduce que en la espira marcada en la gura ocurre todo el proceso de conmutación.

La dificultad para la realización del proceso de conmutación se debe a que previamente, la corriente en la espira tiene una magnitud de +i/2 y al finalizar el proceso la corriente es −i/2. En la gura 5.34 se muestra un gráfico de la corriente en la espira en función del tiempo. El proceso de cambio de la corriente desde su valor +I /2 a −I/ 2 depende de la fuerza electromotriz inducida durante la conmutación. Este proceso se lleva a cabo durante el tiempo de conmutación tc. El tiempo de conmutación tc se calcula a partir de la velocidad de la máquina n, medida en revoluciones por minuto y del número de delgas ND del colector:

Al invertir la corriente en la espira desde +I/2 a −I/2 durante el tiempo tc, se origina una fuerza electromotriz e en la espira, que intenta oponerse al cambio de la corriente. La fuerza electromotriz en la espira se calcula como:

La resistencia de contacto depende del maquinado de los materiales y de la presión que se ejerce en el contacto. La corriente que circula por cada delga es inversamente proporcional a la resistencia de contacto y por lo tanto directamente proporcional al área de contacto entre el carbón y la delga. Por esta razón, a medida que la escobilla se desplaza sobre la delga, la resistencia de contacto varía aproximadamente de forma lineal y si no existe fuerza electromotriz en la bobina, la conmutación se produce de forma ideal, tal como se observa en la gura 5.34. Durante el proceso de conmutación, la fuerza electromotriz intenta mantener en circulación la corriente de la espira en la misma dirección, esto trae como consecuencia que el proceso de conmutación real es más lento y la parte de la escobilla que va entrando en la nueva delga tiene una corriente menor a la que le corresponde a su área de contacto.La punta de la escobilla que está abandonando la delga, tiene una densidad de corriente muy elevada, que ocasiona pérdidas Joule significativas y altas temperaturas que pueden deteriorar las delgas y las escobillas. Cuando la escobilla toca sólo la nueva delga, la fuerza electromotriz inducida en la bobina anterior intenta mantener circulando la corriente y por esta razón se produce el arco eléctrico. En la gura 5.35 se muestra un diagrama de esta situación.

En el momento del último contacto entre el carbón y la delga vieja el di /dt aumenta considerablemente, incrementando sustancialmente la fuerza electromotriz de conmutación, produciendo el cebado del arco eléctrico. Como la temperatura de estabilización de la escobilla es elevada, se facilita la ionización del aire y la producción del arco eléctrico. La energía en forma de calor en el arco es capaz de fundir metales. Esta fusión no ocurre en la operación normal debido a que el colector está rotando y el arco sobre cada delga dura tan solo fracciones de milisegundo. Si se incrementa la corriente de conmutación, el área de ionización puede ser tan extensa que se originen arcos entre delga y delga. Si esta situación se propaga a un número importante de las delgas, se origina el fenómeno conocido como arco de fuego y todo el colector queda en cortocircuito.Para contrarrestar el fenómeno de la conmutación con arco, durante el proceso de diseño de la máquina se intenta incrementar en lo posible el número de delgas para que varias delgas puedan ser contactadas por una escobilla simultáneamente, obteniendo así un cierto amortiguando del proceso.Una solución efectiva para el problema de la conmutación consiste en equilibrar la fuerza electromotriz que intenta mantener circulando la corriente en la espira, con una fuerza electromotriz generada localmente sobre la espira que está conmutando. Esta espira se encuentra en una zona cercana a la línea neutra, el ujo que la atraviesa en ese momento es máximo y su derivada es prácticamente nula. En estas condiciones no es posible equilibrar la fuerza electromotriz de conmutación.

De esta forma es posible diseñar la máquina para que en cualquier condición de carga la conmutación se realice de forma ideal. En la gura 5.36 se muestra un diagrama de la situación física de los polos auxiliares

1. Las máquinas de conmutador pueden ser diseñadas y conectadas en diferentes configuraciones. Las conexiones más utilizadas son la independiente, paralelo, serie y compuesta. La máquina con excitación independiente requiere dos fuentes que controlan independientemente el campo y la armadura. La máquina paralelo o derivación utiliza la misma fuente para alimentar el campo y la armadura. En la máquina serie, la corriente de campo y armadura son iguales. Las máquinas compuestas combinan las propiedades serie-paralelo o serie-independiente, paraobtener características específicas de estas conexiones.2. La autoexcitación de una máquina de conmutador es posible y el punto de equilibrio depende de su característica de saturación. Aun cuando la electrónica de potencia ha relegado la aplicación industrial de los generadores autoexcitados, en algunas aplicaciones de tracción se utilizan estos principios para recuperar energía durante el proceso de frenado.3. La ventaja más importante de las máquinas de conmutador reside en la rapidez de respuesta, en especial cuando la corriente de campo se mantiene constante y en un valor elevado.4. La conmutación de las corrientes en las bobinas del rotor presenta un problema importante en las máquinas de conmutador. Durante el proceso de conmutación se producen fuerzas electromotrices en las bobinas que tienden a incrementar los arcos entre las delgas y los carbones. Para reducir este problema es posible utilizar carbones que toquen simultáneamente varias delgas y emplear bobinas auxiliares para compensar localmente el fenómeno.

GRACIAS