REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAINSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO

“SANTIAGO MARIÑO”CÁTEDRA: MÁQUINAS ELÉCTRICAS

ESCUELA: ELÉCTRICA

ARMADURA Y SUS EFECTOS

Facilitadora:Ranielina Rondón

Alumna:Desireé RodríguezC.I: 17.971.638.

CAMPO MAGNETICO PRODUCIDO POR LA CORRIENTE DE ARMADURA

Todas las armaduras, sean giratorias o estacionarias, conducen corriente alterna. En las máquinas de gran capacidad, la corriente en los conductores de la armadura es considerable. En todas las dínamos, los conductores de la armadura están embebidos en ranuras, en un núcleo de hierro donde producen un flujo o fuerza magnetomotriz proporcional a la cantidad de corriente que conducen. Tanto en generadores de Cd.

Como en los de ca, se produce movimiento relativo entre los conductores y el campo magnético de tal modo que la dirección de la Fem y de la corriente en los conductores que están bajo determinado polo es opuesta a la de los conductores que quedan bajo el polo opuesto. Esto mismo es válido para que los motores de cd y ca produzcan rotación continua en la misma dirección.

La corriente que pasa por los conductores de armadura, como resultado de voltaje aplicado al motor, se debe invertir cuando el conductor se mueve bajo un polo de polaridad opuesta. En el caso del motor de cd, esto se logra mediante el conmutador, que convierte la cd aplicada a las escobillas en ca en los conductores de armadura. En el caso del motor de ca, esto se logra mediante el voltaje senoidal que se aplica

Fig. bFig. a

En la figura 1-1 se muestra un dínamo universal de dos polos, en a cual también se indica la fuerza magnetomotriz que produce la dirección instantánea del flujo de corriente en los conductores de armadura. Cada uno de los conductores portadores de corriente, conectados en serie, producen la misma fuerza magnetomotriz bajo un polo dado, y la fuerza magnetomotriz opuesta bajo un polo opuesto. El efecto neto de las fuerzas magnetomotriz individuales es la producción de un flujo resultante de armadura, en la dirección que muestra la figura. El flujo de armadura que se produce es análogo al que se produce en el electroimán equivalente al núcleo de hierro, que aparecen en la figura 1-1 b, y la dirección del campo magnético está determinada por la regla del tirabuzón derecho

Fig. 1-1

El flujo resultante de armadura que se produce en la figura 1-1, la reside en la llamada zona interpolar, o neutro magnético entre los polos, perpendicular al flujo de campo principal. Si se giraran los polos de la figura 1-1a en el sentido de las manecillas del reloj, el neutro magnético se desplazaría en ese sentido y en la misma cantidad ya que, por definición, siempre es perpendicular al campo magnético

EFECTOS DE ARMADURA SOBRE EL FLUJO DE CAMPO

Hay desde luego, dos fuerzas magnetomotrices primarias y flujos que trabajan en la dínamo de la figura 1-1a. Uno es el flujo de armadura, que se acaba de describir en la sección 1-2, y el otro es el flujo de campo producido por los devanados de campo alrededor de los polos N y S de la máquinas bipolar

Fig.1-2 Interacción de los flujos de armadura y de campo para desplazar

La interacción de esos dos flujos se muestra en la figura 1-2. El flujo de armadura se muestra en la figura 1-2a, con su fasor de campo magnético resultante ᶲa , producido por la fuerza magnetomotriz de la armadura ( I. a N a ) : El flujo de campo principal se muestra en la figura 1-2b con su fasor ᶲr producido por la fuerza magnetomotriz de campo ( If Nf ). La suma fasorial de las dos fuerzas magnetomotriz aparece en la figura II-c como el flujo resultante ᶲr. Obsérvese que en esa figura el flujo de campo que entra a la armadura no sólo esta desplazado, sino distorsionado.El corrimiento ha originado que el neutro magnético se desplace en el sentido de las manecillas del reloj, conservándose perpendicular al flujo de campo resultante. La distorsión que se muestra en la figura 1-2c ha producido una concentración del flujo (aumento de la densidad del flujo) en un extremo polar, y una reducción del flujo ( menor de la densidad de flujo) en el otro extremo del mismo polo.

El diagrama fasorial de la figura 1-2c podría dar la impresión de que el flujo resultante ᶲ, es ahora mayor que el flujo original de campo ᶲf, habiendo sido aumentado por el flujo perpendicular de la armadura ᶲa, .

Sin embargo, esto no es cierto debido al efecto de la saturación de uno de los extremos polares de cada polo.

Suponiendo que los polos estuvieran saturados normalmente, el efecto de un desplazamiento del neutro magnético es crear una trayectoria de mayor reluctancia para el flujo resultante ᶲr, y una mayor saturación de parte de cada uno de los polos. Por tanto, el efecto neto de la reacción de armadura es doble: (1) una distorsión del flujo de campo principal en el cual el flujo mutuo en el entrehierro ya no está distribuido uniformemente bajo los polos, u se ha desplazado el plano neutro, y (“) una reducción del flujo de campo principal.En la figura 1-3 se muestra una dínamo Universal multipolar, en el cual se ve que los conductores de la armadura se mueven con respecto al campo magnético, o viceversa. Se muestra la dirección de la corriente en los conductores de armadura, que es la misma que la figura 1-1.

b) Distribución del flujo de armadura , ᶲ a, producida por la carga, Fig.: 1-2a

a) Distribución del flujo mutuo de entrehierro , ᶲ, Fig.: 1-2b

c) Distribución del flujo resultante de entrehierro , ᶲ Fig.: 1-2c

Fig.: 1-3

La figura II muestra la distribución de flujo producida por el flujo de campo ᶲr, bajo los polos N y S, respectivamente. El flujo de armadura ᶲa, producido por los conductores portadores de corriente en la armadura, se muestra en la figura 1-3b. Adviértase que el flujo de armadura es máximo en los planos magnéticos neutros y que su máximo esta desplazado de 90° con respecto al flujo de campo. Por esta razón, al flujo de armadura alguna veces se le llama flujo de cuadratura, o de magnetización cruzada. Esta terminología se puede verificar también en la figura 1-2, donde el flujo de armadura está en ángulo recto con el flujo de campo, y lo magnetiza cruzadamente.

La suma gráfica de las dos ondas aparece en la figura 1-3c, donde es evidente la distorsión de la forma de onda de campo que resulta. La apariencia de onda casi cuadrada de la distribución del flujo de campo principal en la figura 1-3a se ha distorsionado debido a la forma casi triangular de la onda de flujo de armadura. En lugar de ello, tiende a concentrarse hacia el lado derecho de cada polo. Dado que este aumento en la saturación, o en la densidad de flujo del lado derecho de cada polo esta producido sólo por la dirección de la corriente de armadura, es independiente de (1) la dirección del giro (2) de si la dinamo es motor o generador, y (3) de si la dinamo es de ca o cd.

Un análisis armónico de las ondas indicarían también una reducción del efecto sustractivo que produce el flujo de armadura sobre el flujo de campo principal, haciendo caso omiso de los efectos de la saturación. Esta misma onda de flujo resultante ᶲ, se puede demuestra en el laboratorio, con un generador especial que cuente con una bobina exploratoria de armadura cuyos extremos se hayan sacado a unos anillos rozantes. La naturaleza del voltaje que se induce en esta bonina bajo carga puede revisarse en un osciloscopio. Las mediciones del laboratorio indican una reducción en el flujo mutuo resultante en el entrehierro, de aproximadamente 1 a 5 por ciento, desde sin carga o en vacío, hasta plena carga, como resultado de la reacción de armadura. 

DESPLAZAMIENTO DEL PLANO NEUTRO EN NEL GENERADOR COMPARADO CON EL MOTOR

El desplazamiento del neutro con carga mostrado en la figura 1-3c de su plano neutro original mostrado en las figuras 1-1, 1-2 y 1-3a puede tener serios efectos tanto en el funcionamiento del generador de cd como del motor de cd.

 

Por ejemplo en el caso de un generador de cd la bobina cuyos conductores están marcados con x-x se encuentra originalmente en el plano neutro (Fig. 1-3), y por tanto no experimenta cambio en los eslabonamientos de flujo. Como consecuencia de esto, esta bobina estará normalmente cortocircuitada por las escobillas.

En la figura 1-3c, sin embargo, si las escobillas permanecen en el plano neutro original, la bobina que esta siendo conmutada (cortocircuitada) está experimentando la mayor variación en eslabonamiento de flujo en comparación con cualquier otra bobina

Si los conductores cruzan el flujo estando conectados en cortocircuito por las escobillas, el voltaje que se induce en ellos puede ser suficiente para producir una fuerte corriente de circulación y chisporroteo en las escobillas cada vez que una bobina nueva llega al lugar de la bobina x-x-. Además, como las escobillas de un generador de cd se colocaron (sección 2-11, figura 2-9a) en un punto mínimo en la bobina, pero de trayectoria de máximo voltaje, es obvio que se deben desplazar al nuevo neutro.

Magnético para obtener voltaje máximo, pero, ¿en cuál dirección? Puesto que no se especifico la dirección del giro en la descripción anterior, surge la pregunta de cómo se deben correr las escobillas en un motor o generador, en términos de la dirección de giro.

En la figura 1-4a se muestra un generador de cd, en el cual los conductores de armadura giran en el sentido de las manecillas del reloj por acción de un primomotor. Mediante la regla de la mano derecha, que es la que se indica. Bajo carga, la fuerza magnetomotriz de armadura produciría un flujo resultante como el que se indica, y el neutro bajo carga también se desplazaría en la dirección de las manecillas del reloj, que es la dirección de rotación que se indica en la figura.

Fig.: 1-4 Comparación del desplazamiento del neutro de carga para el generador y el motor, misma dirección de

giro

En la figura 1-4b se muestra un motor de cd, y la dirección de la corriente que produce el voltaje de la armadura en los conductores de ésta se diseña para que produzca rotación en el sentido de las manecillas del reloj (regla de la mano izquierda). El flujo de armadura que producen estos conductores (regla del sacacorchos derecho) producirá un efecto tal sobre el flujo de campo que el flujo resultante y su neutro perpendicular bajo carga se desplazan en el sentido contrario al de las manecillas del reloj, el sentido contrario del giro que se indica en la figura. También, adviértase que en el caso del generador, el flujo siempre se concentra en la extremidad polar de salida, o en la zaga del extremo polar; es decir el último extremo polar encontrado por un conductor en una armadura en movimiento; mientras que para un motor, la densidad de flujo es mayor en la extremidad polar de entrada.

Estamos en un dilema: si se hace funcionar una dínamo de cd como generador, es necesario avanzar las escobillas en la dirección del giro a media que aumenta la carga. Si ha de trabajar como motor, será necesario mover las escobillas contra la dirección del giro, al aumentar la carga. El fabricante se da prefecta cuenta de que el cliente podría usar una dínamo de cd dada en aplicaciones tanto de motor como de generador. Además, el cliente no deseas preocuparse de los detalles de desplazamiento de los neutros de escobillas. Es claro que se necesita determinado medio de compensación de la reacción de armadura para evitar la necesidad de desplazar las escobillas, tanto cuando cambia la aplicación como cuando cambia la carga

«Un análisis armónico completo queda fuera del alcance de este texto. Para nuevos fines se puede suponer que la curva de ɸf es una onda cuadrada y que la de ɸa es onda triangular, desplazadas 90° entre si. La ecuación para la onda cuadrada ɸf es:

La ecuación para ɸa es de onda triangular:

Ya que ambas ondas sólo contienen armónicas impares, la onda resultante debe contener armónicas pares. El hecho de que la onda resultante presente simetría de “imagen de espejo” indica la ausencia de armónicas pares. El hecho de que la onda resultante no presente simetría en el eje Z indica la presencia de armónicas impares ya que no están a 0 a 180 con respecto a la fundamental, lo cual se debe obviamente al desplazamiento de 90° del flujo de armadura con respecto al flujo de campo. Debido a que los términos armónicos negativos de ɸa se restan de los positivos ɸf, disminuye el flujo resultante ɸr.

COMPENSACIÓN PARA REACCIÓN DE ARMADURA EN LOS DINAMOS DE DC

Es obvio que no puede uno atender una dínamo en forma continua y desplazar las escobillas de acuerdo con las variaciones de carga y las aplicaciones (como generador o como motor). Es necesario un método automático en el cual se compensen los efectos de la reacción de armadura o en el cual se neutralicen los factores que la causan. A continuación describiremos algunos de los diversos métodos de compensación de los efectos de la reacción de armadura.

EXTREMOS DE POLOS DE GRAN RELUCTANCIA

Como se muestra en la figura 1-4 la densidad de flujo aumenta en la extremidad polar de salida en el caso de un generador, y en la extremidad polar de entrada si se trata de un motor. En cada caso, la concentración del flujo ocasiona un desplazamiento del neutro magnético al entrar el flujo a la armadura.

Si se pudiera evitar que la densidad de flujo aumentara en cualquiera de las extremidades polares, se resolvería la situación porque el flujo entraría a la armadura sin desplazar al plano neutro. Esta técnica se muestra en la figura 1-5a, en el cual el centro del polo está más cerca de la circunferencia periférica de la armadura que de las extremidades polares. Con este método, la superficie redondeada de la zapata polar no es concéntrica con la superficie de la armadura: el círculo de la primera es mayor que el de la segunda. La mayor reluctancia en las extremidades, debido al mayor entrehierro, forza al flujo de campo a concentrarse al centro de los núcleos de los polos de campo.

También se logra un resultado semejante, como se muestra en la figura 5-5b, al armar las laminaciones del polo de campo; las mismas laminaciones troqueladas se invierten alternadamente. El efecto es producir una sección transversal, como se muestra, en la cual el centro del núcleo del polo tiene más entrehierro que los extremos polares de entrada o salida, y por tanto, menos reluctancia al centro. Esto produce un efecto semejante al que se muestra en la figura 1-5a, evitando que se desplace el flujo de campo principal y el plano neutro.

Otra técnica de fabricación es tratar de tener una reducción en el flujo de armadura sin reducir el flujo de campo principal. El método que se emplea en este caso es crear una alta reluctancia en el trayecto del flujo de armadura, de magnetización cruzada o cuadratura, sin afectar materialmente la trayectoria del flujo de campo principal.

Figura. 1-5 Empleo de laminaciones biseladas para contrarrestar los efectos de la reacción de armadura

Figura. 1-6 Empleo de laminaciones ranuradas para reducir el flujo y la reacción de armadura

Mediante el empleo de laminaciones troqueladas en forma de ranura de los núcleos polares, como se indica en la figura 1-6, se introducen varios entrehierros en la trayectoria de flujo magnético en la armadura sin afectar materialmente la trayectoria de flujo de campo. Así, se reduce bastante el flujo de armadura, pero el flujo de campo queda esencialmente sin variar. Biselando las laminaciones de campo, como se muestra en la figura 1-6a, se puede usar con mucha eficacia y sin gran costo la combinación de los dos métodos que se describieron en la sección 1-1.1 porque sólo se necesita un dado un poco mas complicado para troquelar las laminaciones de campo.

DEVANADOS DE COMPENSACIÓNLas dos técnicas mecánicas que se acaban de describir tiene una desventaja principal porque no contrarrestan los efectos de las altas corrientes y fuerzas magnetomotrices de armadura debidas a grandes cargas. En las dinamos grandes de cd, aun las que tienen superficies polares biseladas y laminaciones de campo ranuradas, las grandes corriente de armadura producen el suficiente flujo magnético para tener una distorsión de flujo en el entrehierro, y el desplazamiento consecuente del neutro magnético.

Por tanto, en las grandes dínamos se emplea un método eléctrico en el cual se neutraliza o contrarresta el flujo de armadura, mediante un devanado en el circuito de armadura, cuyo efecto varía con la corriente de ésta. Al devanado se le llama devanado de compensación, devanado de cara polar, o devanado de Thomson Ryan, en honor de sus diseñadores.Como se muestra en la figura 1-7, el devanado se inserta en ranuras de la cara de las zapata polar estacionaria. No es necesario tener el mismo número de ranuras o conductores en el devanado de compensación, que de conductores en la superficie de armadura. El hecho importante es que el número de conductores en cada cara polar multiplicado por la corriente de línea o de armadura, debe ser igual al número de conductores de cada polo multiplicado por la corriente en los conductores de armadura por trayectoria. Esta equivalencia en la fuerza magnetomotriz se expresa mediante la siguiente ecuación

1-1

Figura 1-7 Empleo del devanado de compensación para neutralizar la fuerza magnetomotriz de armadura

1-2

«Dado que los conductores equivalen a una vuelta de hecho la ecuación (1-1) establece que la fuerza magnetomotriz de la cara polar (I l Np) contrarresta a la fuerza magnetomotriz de los conductores de armadura (Ia Na). Se puede calcular el número de conductores de compensación en la cara mediante la ecuación (1-1) o (1-2).»

La acción de los conductores de cara polar, como se dijo antes y como aparece en la figura 1-7 es producir una fuerza magnetomotriz igual y opuesta a la de armadura. De hecho, el devanando de compensación desmagnetiza o neutraliza el flujo de armadura que producen los conductores de ésta que pasan bajo los polos. Si la carga aumenta o disminuye, la corriente en el circuito de armadura y en el devanado de compensación variara en proporción exacta con la fuerza magnetomotriz de la armadura de modo que ésta se neutraliza, teóricamente, para todas las condiciones de carga.

Obsérvese en la figura 1-7 que el devanado de compensación produce una fuerza magnetomotriz igual y opuesta a la que producen los conductores de armadura, excepto en la zona interpolar. Así, la fuerza magnetomotriz que producen los conductores y-y y x-x no la compensan los conductores de la cara polar. Más adelante se demostrara (véase sección 1-7) que algo del flujo que se produce en los interpolos también se usa para reducir la reacción de armadura en la zona interpolar

Debido a las razones expuestas en la sección 1-8, la compensación de la reacción de armadura sólo se hace con las dínamos de cd. La reacción de armadura nunca se compensa en las máquinas de ca porque empeoraría el desempeño bajo ciertas condiciones de carga y de factor de potencia. El lector debe darse cuenta de que los devanados de compensación y los interpolos (véase sección 1-7) son dispositivos que se usan para mejorar la eficiencia de los dínamos grandes de cd.También se usan los devanados compensadores en los motores pequeños de cd que tienen ciclos de trabajo pesados, por ejemplo cortos periodos de sobrecarga sostenida y/o inversiones de dirección y/o aceleración rápida desde el reposo hasta la velocidad nominal. Por este motivo, los motores serie de cd que se usan como motores de trenes eléctricos o vehículos eléctricos invariablemente cuentan con devanados de compensación

PROCESO DE CONMUTACIÓN EN LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUADesafortunadamente, mientras que el devanado de compensación

neutraliza la fuerza magnetomotriz de la armadura que producen aquellos conductores que quedan directamente bajo los polos no neutraliza la que producen los conductores que quedan en la región interpolar (x-x- y y-y- en la figura 1-7).

Estos conductores siguen produciendo un flujo de armadura de magnetización cruzada que no está compensado. Aun se presentarían los efectos de chisporroteo y sobrecalentamiento de las escobillas en las dínamos grandes que sólo usaran devanados de compensación de cara polar. Estos efectos se deben a lo siguiente:

A los conductores de armadura sin compensación en la región interpolar. Al proceso mismo de conmutación, que veremos ahora.

Como se muestra en la figura 1-7 para todas las dínamos, los conductores de armadura bajo un polo dado tendrán una cierta dirección de corriente; y cuando se mueven bajo un polo opuesto, se invierte la dirección de la corriente. Todas las dínamos de cd y algunas de ca están equipadas de conmutadores. El objeto del conmutador y sus escobillas asociadas es:

En el caso de un generador, cambiar la corriente alterna que se genera a corriente directa externa; o bien, en el caso de un motor, cambiar la corriente directa, que se aplica externamente, en corriente alterna cuando se mueven los conductores pasando alternativamente bajo los polos opuestos, para producir la rotación en el mismo sentido.

Lograr una transferencia de corriente entre una armadura móvil y las escobillas estacionarias

En la figura 1-8 se muestra el paso de la corriente entre las bobinas, los segmentos o barras del conmutador, y una escobilla, para el caso de un generador de cd. Este generador en especial tiene un devanado de armadura que produce dos trayectorias.

Figura 1-8 Trayectoria de corriente en un generador de cd.

BIBLIOGRAFIA

http://books.google.co.ve/books?id=5hJzpimPyXQC&pg=PA148&lpg=PA148&dq=campo+magnetico+producido+por+la+corriente+de+armadura&source=bl&ots=VyL1BHBjyW&sig=zvIkCdbnd_gT9VD-67jHAph7SWc&hl=es&sa=X&ei=NHesU5_wEKLMsQTsuoDIBg&ved=0CBoQ6AEwAA#v=onepage&q=campo%20magnetico%20producido%20por%20la%20corriente%20de%20armadura&f=false