Consulta Polos e Interpolos

27 de octubre de 2013

Elaborado por: Santiago ManchenoFecha de entrega: 28 Octubre 2013

1. Consulta polos e interpolos en la conmutación de máquinas DC

Base Teórica: Máquinas de Rotación

El principio de las máquinas de rotación se basa en la conversión de energía electromagnética debidoa cambios en la dispersión de flujo �. En este tipo de máquinas, los voltajes variantes en el tiempo segeneran en los devanados o bobinas al girarlos de manera mecánica a través de un campo magnético. Esteconjunto de bobinas se denomina devanado de armadura o inducido. Dentro de las máquinas de corrientedirecta, a diferencia de las máquinas de corriente alterna, el devanado de armadura se ubica dentro delrotor. En este tipo de máquinas, el devanado de armadura consiste en varias bobinas conectadas entresí formando una curva cerrada. Al igual que las máquinas sincrónicas, existe un devanado secundario(devanado de excitación) localizado en el estator el cual lleva la corriente directa y produce el flujofundamental para el funcionamiento de la máquina.

Máquinas de Corriente Directa (Máquina DC)

Conceptos Generales

Como se ha mencionado, el devanado de armadura se encuentra en el rotor con corriente que seconduce mediante escobillas de carbón como se muestra en la figura (0.1):

Figura 0.1: Vista Transversal Motor DCTomado de: [1]

De forma general, el rotor gira a velocidad constante debido a una fuente mecánica externa. Estarotación, genera un voltaje de corriente alterna en la bobina de inducido el cual debe ser rectificado. Elproceso de rectificación se produce por medio de un conmutador el cual es un cilindro de material aisladoel que se monta, de forma aislada, al rotor. El conmutador suministra una rectificación total de onda,

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al transformar la forma de onda del voltaje entre escobillas a una forma de onda rectificada como sepresenta en la figura (0.2) :

Figura 0.2: Voltaje entre escobillasTomado de: [1]

Características Principales Máquina DC

Las principales características de una máquina DC pueden ser explicadas utilizando el esquema de lafigura (0.3):

Figura 0.3: Esquema Máquina DCTomado de: [1]

La excitación del estator es realizada por una o más bobinas de campo. Estos mismos devanados decampo, generan una distribución simétrica del flujo del entrehierro con respecto a la línea de centro de lospolos de campo la cual es denominada: Eje directo. El voltaje de corriente alterna generado por cada unade las bobinas rotatorias, se convierte en voltaje en corriente directa a las terminales externas del inducidopor medio de un conmutador rotatorio y escobillas estacionarias a las cuales se conectan los cables delinducido. Estas escobillas se las ubica de tal forma que la conmutación ocurra cuando las caras de lasbobinas estén en zona neutra como se muestra en la figura (0.2). Por lo tanto, la fuerza magnetomotriz(fmm) en el inducido está a 90o del eje de los polos de campo denominado: Eje de cuadratura [1] .

Conmutación e Interpolos

Uno de los aspectos fundamentales para el correcto funcionamiento de una máquina DC se basa en lacorrecta capacidad de transferir la corriente del devanado de armadura a través de la escobilla en contactocon el conmutador sin producción del efecto de un corto circuito, sin pérdidas locales y sin calentamientoexcesivo de las escobillas y el conmutador. Los efectos de un cortocircuito pueden provocar desgastestanto en el conmutador como en las escobillas reduciendo la efectividad de la máquina DC. Estos efectosde cortocircuito pueden ser producidos por condiciones mecánicas defectuosas o por defectos eléctricosde conmutación.

Proceso de Conmutación

El proceso de conmutación se lo puede explicar en base a la figura (0.4):

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Figura 0.4: Devanado de Armadura con conmutador y escobillas Máquina DCTomado de: [1]

En esta figura se puede observar el proceso de conmutación de las bobinas en las ranuras 1 y 7. Estasbobinas se encuentran conectadas en cortocircuito por las escobillas, período en el cual las escobillasdeben continuar conduciendo la corriente del inducido desde el devanado hasta el circuito externo.Con esta descripción, se puede observar que el principal obstáculo se encuentra en el contacto escobilla-conmutador debido a que en el supuesto caso de la existencia de una corriente inebidamente alta en lasuperficice de la escobilla, puede provocar una chispa y una ruptura de la película de contacto carbón-cobreen ese punto. Por lo tanto, para asegurar una conmutación segura, se trata de evitar altas densidades decorriente en los puntos de contacto. Por ende, las condiciones óptimas se encuentran cuando la densidadde corriente es uniforme sobre toda la superficie de la escobilla y esta condición se obtiene al tener unproceso de conmutación lineal.

Factores Principales de Conmutación Lineal

Conmutación Retardada En esta condición, los valores de corriente en la bobina en cortocircuitose retrasan en tiempo con respecto a los valores dictados por la conmutación lineal debido al voltaje dereactamcia. Este voltaje se compone de un factor inductivo de la bobina así como un efecto debido a laresistencia en la bobina conmutada.

Conmutación de Resistencia Esta condición se origina cuando existe una buena conmutación pormedio de caídas de resistencias. Esto se logra, manteniendo la inductancia al mínimo, utilizando el menornúmero de vueltas posibles en la bobina del inducido

Conmutación por voltaje En esta condición, lo que se intenta producir, en la bobina conmutada, es unvoltaje rotatorio que compense de manera aproximada el voltaje de reactancia. Para lograr este objetivo,se introduce una correcta densidad de flujo en la zona de conmutación por medio de polos pequeños yangostos localizados entre los polos principales. Estos polos auxiliares se denominan interpolos o polosde conmutación.

Interpolos o Polos de Conmutación

La forma de estos interpolos se muestra en la figura (0.5):

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Figura 0.5: Forma de los InterpolosTomado de: [1]

La fuerza magneto motriz (fmm) de un interpolo debe ser lo suficientemente grande para neutralizarla fmm de la bobina de inducido y suministrar la densidad de flujo necesaria para que el voltaje rotatoriode la bobina cancele al voltaje de reactancia. Para preservar la linealidad, el interpolo deberá funcionarcon un nivel bajo de flujo.En conclusión, dentro de los factores principales utilizados para lograr una conmutación lineal y, porende, un correcto funcionamiento de la máquina DC es la conmutación por voltaje. En este tipo deconmutación lo que se intenta es neutralizar el voltaje de reactancia introduciendo un voltaje rotatoriode la bobina. Este proceso, como se ha mencionado, se logra introduciendo una densidad de flujo en lazona de conmutación por medio de interpolos. Es por esta razón que, los polos de conmutación tienenun gran efecto sobre el proceso de conmutación de la máquina DC ya que evitan los arcos de corrientedurante el proceso de conmutación, conservan la película de contacto carbón-cobre y mantienen un nivelapropiado de corriente en la superficie de las escobillas.

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Referencias

[1] Referencias Fitzgerald, A., Kingsley, C. y Umans,S. (6ta Ed). (2004). Máquinas Eléctricas. MéxicoD.F: McGraw-Hill.

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