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Introduccin
Hay dos tipos de maquinas rotatorias para laconversin de energa elctrica: las de corriente
continua (cc) las de corriente alterna (ca). Cuando una
mquina rotatoria convierte energa elctrica en
energa mecnica se llama motor. Si convierte energamecnica en elctrica se denomina generador.
La palabra mquinase usa comnmente para explicar
caractersticas que comparten los motores y los
generadores. Con frecuencia, una mquina puedeoperarse como motor o como generador sin
necesidad de hacer modificacin alguna. Esto es
especialmente cierto para todas las mquinas de cc.
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En una mquina de cc, el flujo magntico uniforme
se establece por medio de polos fijos montados en el
interior del elemento estacionario, llamado estator.
Es posible usar imanes permanentes como polos o
arrollar los devanados del campo (bobinas de
excitacin) alrededor de los polos. Una de lasmayores ventajas de una mquina devanada es que
es posible controlar el flujo en la mquina regulando
la corriente continua en el devanado del campo. El
devanado en el que se induce la fuerza electromotriz(fem) se arrolla en el miembro rotatorio. La parte
rotatoria se denomina armadura y su devanado,
devanado de la armadura.
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La armadura se apoya mecnicamente y se alinea
dentro del estator por medio de campanas extremas,
como se muestra en la siguiente figura:
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Construccin mecnica
En la siguiente figura se muestra la seccintransversal de una mquina tetrapolar.
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Estator
El estator de una mquina de cc proporciona elapoyo mecnico para la mquina, y consta del yugo
y lospolos (o polos del campo). El yugo desempea
la funcin bsica de proveer una trayectoria
sumamente permeable para el flujo magntico. Paramquinas pequeas de imanes (PM, pemanet-
magnet), puede ser una estructura anular laminada
soldada en sus extremos. Para maquinas devanadas
pequeas, los polos de campo y el yugo se troquelancomo una sola pieza a partir de laminaciones
delgadas de acero. Para mquinas grandes, el yugo
se construye con partes hechas con acero fundido.
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Los polos se montan del yugo y se disean enforma apropiada para recibir los devanados del
campo. A menudo los polos del campo estn
elaborados con lminas (laminaciones) delgadas
que se apilan juntas, con lo que se busca reducir
al mnimo las prdidas magnticas debidas a la
proximidad de los polos con el flujo de la
armadura. Para mquinas grandes, los polos decampo se construyen por separado y despus se
atornilla al yugo.
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En la siguiente figura se muestra un polo del
campo y un devanado del campo tpicos.
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De la imagen anterior observamos que el rea de
la seccin transversal del polo del campo es mspequea que el rea correspondiente de la
zapata polar. Esto se hace para
a) Proporcionar lugar suficiente para el devanadodel campo
b) Disminuir la longitud por devanado del
conductor y as reducir su peso y costo.
La zapata polar ayuda a esparcir el flujo en laregin del entrehierro.
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Devanado del campo
Las bobinas estn devanadas en los polos, de forma
que stos alternan su polaridad. Existen dos tipos dedevanados del campo: un devanado del campo
shunt y un devanado del campo serie. El devanado
del campo shunt tiene muchas vueltas de alambre
delgado y recibe ese nombre por que se conecta en
paralelo con el devanado de la armadura. El
devanado del campo serie, como se nombre lo
indica, se conecta en serie con el devanado de laarmadura y tiene comparativamente pocas vueltas
de conductor grueso. Una mquina de cc puede
tener ambos devanados del campo arrollados en el
mismo polo.
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Un mquina con un devanado del campo shunt se
llama shunt se llama mquina shunt. Una mquina
serie se devana slo con devanado del campo serie.Una mquina compound, o compuesta, tiene ambos
devanados. Cuando en una mquina compound los
dos devanados del campo producen flujos en la
misma direccin, la mquina es de tipo cumulativo. Lamquina es de tipo diferencial cuando al campo que
establece el devanado del campo shunt se opone el
campo que estable el devanado del campo en serie.
Como el devanado del campo en serie lleva unacorriente constante, disipa potencia. Al utilizar imanes
permanentes en vez de un devanado del campo shunt
se elimina la prdida de potencia y, as, se mejora la
eficiencia de la mquina
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ArmaduraLa parte rotatoria de una mquina de cc, que est
cubierta por los polos fijos en el estator, se llamaarmadura. La longitud efectiva de la armadura es por lo
general la misma que la del polo. Su seccin
transversal es circular y esta hecha con laminaciones
delgadas, muy permeables y aisladas elctricamente,
las cuales se encuentran apiladas y montadas en forma
rgida sobre el eje. La alta permeabilidad asegura una
trayectoria de reluctancia bajo par el flujo magntico; el
aislamiento elctrico reduce las corrientes parsitas en
el ncleo de la armadura. Las laminaciones tiene
ranuras axiales en su periferia para alojar las boninas
de la armadura (devanado de la armadura).
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ConmutadorEl conmutador esta hecho de segmentos de cobre duro
en forma de cua, como se muestra en la siguientefigura:
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Esta montado rgidamente sobre el eje, segn se ilustra
en la siguiente imagen:
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Los segmentos de cobre estn aislados entre s pro
medio de lminas de mica. La forma en que cadabobina se conecta al segmento del conmutador
define el tipo de devanado de la armadura.
Bsicamente hay dos tipos de devanados de la
armadura: el devanado imbricado o de lazo y eldevanado ondulado. El devanado de la armadura es
el corazn de una mquina de cc. Se trata del
devanado en el que se induce la fem (accin
generadora) y se desarrolla el par (accin motora). El
conmutador es un dispositivo muy bien concebido
que cumple la funcin de un rectificador.
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Escobillas
Las escobillas estn sujetas en posicin fija sobre el
conmutador por medio de portaescobillas. Dentro del
portaescobilla un resorte ajustable ejerce un presin
constante sobre la escobilla con objeto de mantener
un contacto apropiado entre sta y el conmutador. Lapresin de la escobilla debe ser precisamente la
requerida, pues si fuera baja el contacto entre ella y
el conmutador sera deficiente, lo cual producira
chispas en exceso y el conmutador se quemara.Por otro lado, demasiada presin ocasionara un
desgaste excesivo de la escobilla y el
sobrecalentamiento del conmutador por la friccin.
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Hay muchos tipos de escobillas, que vara por su
composicin. Una escobilla puede estar hecha de
carbn, carbn-grafito o una mezcla de cobre ycarbn. La presencia de grafito en una escobilla
proporciona autolubricacin entre sta y el
conmutador.
Aunque los portaescobillas estn montados en la
campana extrema, estn aislados elctricamente de
ella. Una escobilla est conectada elctricamente a
su portaescobilla por medio de un conductor decobre trenzado que se llama soguilla o trenza.
Mediante los portaescobillas es posible establecer la
conexin elctrica entre el circuito externo y las
bobinas de la armadura.
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Devanados de la armadura
Como se indic en la seccin anterior, la periferiaexterna de la armadura tiene varias ranuras en las
que las bobinas se montan o se devanan. En
general, estas ranuras estn aisladas con papel
pescado para proteger los devanados. En mquinaspequeas, las bobinas se devanan directamente en
las ranuras de la armadura mediante devanadores
automticos. En mquinas grandes, las bobinas se
preforman y despus se insertan en las ranuras.Cada bobina puede tener muchas vueltas de
conductor de cobre esmaltado (aislado),
comnmente llamado alambre magneto.
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Anteriormente mencionamos que la fem mxima se
induce en una bobina depaso completo, es decir, la
distancia entre los dos lados de una bobina es de180elctricos.
En otras palabras, una bobina de paso completo
implica que cuando una lado esta bajo el centro de
un polo sur, el otro debe estar bajo el centro del polo
norte adyacente. Para mquinas bipolares, es muy
tedioso colocar bobinas de paso completo; en
general se emplea una bobina de paso fraccionario(extensin de la bobina menor que 180 elctricos).
Otra ventaja de una bobina de paso fraccionario es
que utiliza menos cobre que la de paso completo.
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Sin embargo, la fem inducida se reduce en un factor
denominado factor de paso. El devanado ms usado
es el de dos capas. El numero de bobinas para eldevanado de dos capas es igual al nmero de
ranuras de la armadura. As cada ranura de la
armadura tiene dos lados de dos bobinas diferentes.
Cuando el nmero de ranuras no es divisible entre el
nmero de polos ni siquiera es posible devanar una
bobina de paso completo. En este caso, puede
emplearse el paso mximo posible como pasofraccionario de la bobina. El paso mximo de la
bobina puede determinarse con la ecuacin
siguiente:
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El paso mximo de la bobina puede determinarse
con la ecuacin siguiente:
=
donde:
es el paso de la bobina en ranuras,
el nmero de ranuras en la armadura
el nmero de polos en la mquina.
Esta ecuacin proporciona el paso como un valorentero de las ranuras por polo. Si se coloca un lado
de la bobina en la ranura , el otro lado debe
insertarse en la ranura .
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Ejemplo 1La armadura de una mquina de cc tiene 10 ranuras.
Calcule el paso de la bobina para un devanado dea) Dos polos y
b) Cuatro polos.
SolucinUna armadura de 10 ranuras que emplee un
devanado de dos capas requieren 10 bobinas.
a) Para una mquina bipolar, las ranuras por polo
son
=
= 5
Luego,
= 5
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Como hay cinco ranuras por polo y un polo se
extiende se extiende 180elctricos, el ngulo desde
el centro de una ranura al siguiente (paso de ranura)es 180/ 5 = 36 elctricos. En este caso, es posible
usar una bobina de paso completo, es decir, se coloca
un lado de la bobina en la ranura 1 y el otro lado en la
ranura 6, como se muestra en la siguiente figura.
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La segunda bobina va en las ranuras 2 y 7; la tercera
en las ranuras 3 y 8 y as sucesivamente. Como elmuero cinco, Caso siempre es mas fcil contar los
dientes que las ranuras.
b) Para una mquina tetrapolar, las ranuras por poloson
=10
4 = 2.5 y = 2
En este caso la extensin de ranura es de 180/
2.5=72elctricos.
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La bobina deben insertarse en las ranuras 1 y 3, 2 y
4, 3 y 5, etc., como se aprecia en la figura siguiente:
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Hay dos tipos de generales de devanados: el
devanado imbricado o de lazo y el devanado
ondulado.
Devanado imbricado
El devanado imbricado se usa en maquinas de bajovoltaje y alta corriente. Los devanados estn
conectados en serie y forma un lazo cerrado. Se dice
que el devanado se cierra sobre si mismo. Como se
muestra en la siguiente imagen de abajo:
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Se muestra un diagrama polar de una mquina de
cc hexapolar con 12 bobinas, con 12 segmentos de
conmutador y con un paso de bobina de 2.
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Para una rotacin dextrgira (en el sentido de las
manecillas del reloj), la bobina 1 deja el polo norte y
el flujo que en laza la bobina decrece. La direccinindicada de la corriente en la bobina 1 asegura que
el flujo creado por ellas se oponga a la disminucin
en el flujo.
En la siguiente figura se muestra un arreglo como eldescrito, donde cada bobina se representa mediante
un solo lazo. Sin embargo, debe recordarse que
cada bobina se representa mediante un solo lazo.
Sin embargo, debe recordarse que casa lazo
representa los dos lados de una bobina
apropiadamente montada en las ranuras de la
armadura.
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Se observa que hay seis
trayectorias paralelas para
una mquina devanadahexapolar.
Cuando la armadura
suministra una corriente de
12 A, la corriente en cada
bobina es de 2 A.
Cada lado de la bobina de
una bobina como un
conductor, entonces es
posible determinar cmo seconectan estos conductores
en frente (lado conmutador)
y en la parte posterior
(opuesto al conmutador).
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En la siguiente figura se aprecia parte del diagrama
polar. Los lados de bobina estn numerados en el
sentido del movimiento de las manecillas del reloj,comenzando con los polos en la ranura 1.
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Por ejemplo, los lados de la bobina 1 se numeraron 1 y
6, los de la bobina 2, 3 y 8. Como los lados 1 y 6 estn
conectados en la parte posterior, el paso posterior ()en 5. El lado 6 de la bobina 1 y el 3 de la bobina 2
estn conectados al segmento 2 del conmutador. As el
paso anterior ()es 3. El paso anterior y el posterior
deben ser impares para que la bobina quede colocadaadecuadamente en las ranuras de la armadura. La
diferencia entre ambos pasos siempre es igual a 2. Se
dice que el devanado es progresivo cuando =
2. Si = 2, entonces es regresivo. El devanado
(progresivo o regresivo) avanza (dextrgira o
levgiramente, de forma respectiva) cuando se le mira
desde el lado del conmutador.
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En nuestro ejemplo, el devanado es progresivo. Para
las armaduras con devanado imbricado simple, los
pasos anterior y posterior pueden calcularse como
sigue.
=2
1
y
=2
1
Para devanados progresivos, y
=
2
1y
=2
1
Para devanados regresivos.
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Devanado ondulado
El devanado ondulado se emplea para satisfacerrequerimiento de alto voltaje y baja corriente. El
devanado ondulado difiere del imbricado nicamente
en como se conectan las bobinas a los segmentos
del conmutador. En el devanado imbricado, los dosextremos de una bobina estn conectados a
segmentos adyacentes del conmutador (= 1). En
el devanado ondulado, los extremos de una bobina
se encuentran conectados a los segmentos del
conmutado que estn separados aproximada, no
exactamente 360elctricos (paso de los polos).
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Esto se hace para garantiza que el devanadocompleto se cierra sobre s mismo una solo vez. Al
hacer las conexiones separadas casi en paso de
dos polos, se conecta en serie solo las bobinas queestn bajo los polos con la misma polaridad. Es
decir, una bobina bajo un polo norte se conecta con
otra situada en forma comparable bajo el polo norte
siguiente, ya as sucesivamente .
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Para el devanado ondulado simple, el nmero de
segmentos del conmutador por polo debe ser tal que
se cumpla lo siguiente:
1. El paso del conmutador puede ser un poco mayor
o menor que 360elctricos.
2. Despus de pasar una vez alrededor del
conmutador, la ultima bobina debe estar un
segmentado adelante (progresivo) o un segmento
atrs (regresivo) respecto del segmento inicial.
Los requerimientos anteriores exigen que el nmero
de segmentos del conmutador por cada par de polos
no debe ser un entero.
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Como el paso del conmutador debe ser entero,
entonces el numero de segmentos del conmutador
para un devanado ondulado simple se determina conla ecuacin siguiente:
=
2 1
Donde es el nmero total de segmentos delconmutador, es el paso del conmutador (un nmero
entero) y es el nmero de polos. El signo (+ o -) es
para indicar el devanado (progresivo o regresivo).
La ecuacin anterior tambin se puede escribirsecomo
=
1
2
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Ejemplo 2El conmutador de un mquina hexapolar tiene 35
segmentos. Determine el paso del conmutador.Pueden conectarse las bobinas utilizando
devanados regresivo y progresivo?
SolucinTenemos que el paso del conmutador es
=3 5 1
3 = 12, 11.33
Como el paso del conmutador es un nmero enteroslo si se suma 1 a la cantidad de segmentos del
conmutador, las bobinas pueden conectarse
nicamente con devanados progresivos.
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En la siguiente figura se ilustra un paso de
conmutador de cuatro segmentos. La disposicin de
los devanados de lugar a un paso posterior de 3 ya un paso anterior de 5. El paso promedio es el
mismo que paso del conmutador.
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Para un generador de cc que gira en el sentido de
las manecillas del reloj, la direccin de las corrientes
en las bobinas es la que se describe en la figurasiguiente:
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El segmento 5 del conmutador marca la posicin de
una escobilla positiva y el 7, la de una negativa. Por
tanto, slo se precisa dos escobillas para hacer lasconexiones entre el circuito externo y el devanado de
la armadura. Al trazar el devanado se encuentra que
la bobina 1 esta conectada a los segmentos 1 y 5 del
conmutador. La bobina 1 puede representarse comoun lazo nico al dibujar los segmentos 1 y 5
adyacentes entre s como se muestra en la figura
anterior.
Por tanto puede establecerse lo siguiente respecto dela mquina con devanado ondulado: un devanado
ondulado requiere slo dos escobillas y tiene dos
trayectorias paralelas, independientemente del
nmero de polos.
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Ecuacin de la fem inducida
Sabemos que cuando una bobina de una solo espiraen un campo magntico uniforme, el valor promedio
de la fem inducida es
=
Donde es el nmero de polos en una mquina de
cc, es el flujo por polo y es la velocidad
angular de la armadura. Tambin se obtuvo la
expresin siguiente para la frecuencia del voltajeinducido en la bobina.
=
4
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Ecuacin de la fem inducidaA partir de las ecuaciones anteriores se obtiene la
expresin siguiente para la velocidad de la
armadura, en revoluciones por minuto (rpm):
=120
Sea el nmero de vueltas por bobina, C el
nmero total de bobinas (ranuras para un devanado
de dos capas) y el nmero de trayectorias
paralelas ( = 2para el devanado ondulado, o = para el devanado imbricado); luego, el total de
vueltas por trayectoria paralela es
=
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Observe que representa las vueltas conectadas
en serie entre una escobilla negativa y otra positiva.En consecuencia, el valor promedio de la fem
inducida total entre las terminales de las dos
escobillas es
=
Puesto que hay dos conductores por devanado, el
nmero total de conductores , ,en todas las ranuras
de la armadura es
= 2
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Al expresar la siguiente ecuacin
=
En trminos de total de conductores en las ranuras de
la armadura se obtiene
= 2
La ecuacin anterior para la fem inducida en el
devanado de la armadura se escribe tradicionalmente
como=
Esta ecuacin es valida tanto para generadores como
para motores de cc.
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Donde
=
2
Es una cantidad constante para una mquina dada y
recibe el nombre de constate de la mquina.
Se llama fem inversa o fuerza contraelectromotriz,cuando la mquina opera como motor.
Si la armadura de un generador de cc suministra
corriente constante a una carga externa, la potenciaelctrica desarrolla por el generador es
= =
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Si es el par mecnico promedio que desarrolla la
armadura de un generador de cc, la mquina de
impulsin debe suministrar una cantidad de par igualen direccin opuesta para mantener la armadura
girando a velocidad constate .Como en un sistema
mecnico la potencia de desarrollo es:
=
Esta ecuacin es valida para un motor de cc en el que
la potencia elctrica que se suministra a la armadura( ) debe estar equilibrada por la fuerza mecnica
() esta ecuacin simboliza, en consecuencia , la
transicin de fuerza mecnica a fuerza elctrica en un
generador de cc, o viceversa en un motor cc.
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Ejemplo 3Una mquina bipolar de cc de 24 ranuras tiene 18
vueltas por bobina. La densidad de flujo promediopor polo es 1 T. La longitud efectiva de la maquina es
de 20 cm y el radio de la armadura es de 10 cm. Los
polos magnticos estn diseados para cubrir 80%
de la periferia de armadura. Si la velocidad angular
de la armadura es 183.2 rad/s, determine:
a) La fem inducida en el devanado de la armadura
b) La fem inducida por bobinac) La fem inducida por vuelta
d) La fem inducida por conductor
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Solucin
Para un devanado de dos capas, el nmero debobinas es el mismo que el de ranuras en la
armadura, es decir, c=24. es un dato conocido y
es igual a 18.Por tanto, el numero total de
conductores es la armadura es: = 2 24 18 =864.
Para una mquina bipolar: = 2.
El rea real polar es
=2
= 2 0.1 0.2
2 = 0.063
Y el rea polar efectiva es
= 0.063 0.8 = 0.05
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Luego, el flujo efectivo por polo es
= = 1 0.05 = 0.05
a)
Segn la constate de mquina es
= 2= 2 8 6 4
2 2= 137.51
La fem inducida en el devanado de la armadura es
=
= 137.51 0.05 183.2 = 1259.6
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b)
Como existe dos trayectorias paralelas, el nmero de
bobinas en cada trayectoria es 24/2=12. Por tanto, la
fem inducida por bobina es
=1259.6
12 = 104.97
c)Como hay 18 vueltas en cada bobina, la fen inducida
por vuelta es
=
104.97
18 = 5.83 b)
Finalmente, la fem inducida por conductor es
=
5.83
2 = 2.915
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Par desarrolladoEl par que experimenta una bobina conductora de
corriente de una sola espira es un campo magnticouniforme,
= 2
Donde es la densidad de flujo uniforme, es la
corriente en la bobina, es la longitud efectiva de
cada conductor de la bobina que est expuesto al
campo magntico y es el radio en el que se ubicacada conductor .
En el caso de una mquina de cc, es la longitud
(altura de la pila de laminaciones) de la armadura y
es su radio.
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Si es el valor promedio de la corriente, entonces el
par promedio que acta sobre una bobina de una
solo espira es= 2
Como una mquina de cc con polos tiene
bobinas conectadas en trayectorias paralelas y cada
bobina tiene vueltas, el nmero total de vueltas en. Si es la cc promedio, entonces / es la
corriente en cada vuelta. Por tanto, el par promedio
que desarrolla una mquina es cc es=
= 2
=
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Sies el rea de cada polo, es decir,
=2
Entonces el par desarrollado por una mquina de cc
se convierte en
=
2 =
donde
=
2Es la constante de mquina y = es el flujo
total por polo.
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Ejemplo 4Si la corriente en la armadura de la mquina es de
25 A, determinea) La corriente de cada conductor
b) El par desarrollado
c) La potencia desarrollada
Solucina) Como hay dos trayectorias paralelas, la corriente
(promedio) por conductor es 12.5 A.
b) El par (promedio) desarrollado por la mquina es
= 137.51 0.05 25 = 171.89
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c) La potencia (promedio) desarrollada es
= = 1259.6 25 = 31 490 311.49
La potencia desarrollada tambin puede calcularse
como = = 171.89 183.2= 31 490 311.49
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Caracterstica de magnetizacin de una
mquina de cc
La fem inducida en el devanado de la armadura de
una mquina de cc es directamente proporcional a:
el flujo por polo la velocidad de la armadura
Supongamos que el devanado del campo de una
mquina de cc est conectado a una fuente variablede cc capaz de suministrar la corriente de campo
deseada.
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Si el circuito de la armadura se deja abierto y se hace
girar la armadura a la velocidad especificada de lamquina, se tiene que la fem inducida en la mquina
puede expresarse como:
=
Donde = es una cantidad constante. En
otras palabras, la fem inducida es directamenteproporcional al flujo en la mquina.
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El flujo por polo depende de la fuerza
magnetomotriz (fmm) que suministra la corriente enel devanado del campo. Como el nmero de vueltas
por polo es fijo, el flujo por polo es una funcin de la
corriente de campo . Es decir,
=
Donde es una constante de proporcionalidad.
La fem inducida puede escribirse como
=
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Puesto que el circuito magntico de una mquina
de cc consta tanto de regiones lineales(entrehierros) como no lineales (material
magntico para el estator y la armadura)
cambia con el cambio en el flujo (o densidad deflujo) en la mquina. Para ser precisos,
decrece a medida que el flujo en la mquina
aumenta. Expresado con sencillez , la fem
inducida no vara linealmente con la corriente
de campo
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En la siguiente imagen se muestra la curva que se
conoce como caracterstica sin carga porque la
armadura no est cargada.
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Como es una medida indirecta del flujo (o
densidad de flujo) por polo e lo es de la fmm
aplicada (ampere-vueltas por polo), la curva est
confinada a ser semejante a la curva B-H del material
magntico. Por tal razn, la curva sin carga recibe el
nombre de curva de magnetizacin (caracterstica) deuna mquina cc.
Las curvas de magnetizacin pueden determinarse
en forma experimental tanto para valores crecientes(en ascenso) como decrecientes (en descenso) de la
corriente de campo. Debido a la histresis, no cabe
esperar que las dos curvas se encimen.
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En otras palabras, para cualquier valor de la
corriente de campo, el flujo en la mquina depende
de si la corriente fue creciente o decreciente hasta
alcanzar el valor deseado. Por tanto, durante el
experimento la corriente de campo debe variarse
continuamente slo en una direccin.
La fem inducida:
No comienza en cero cuando la corriente de
campa es cero, sino en cierto valor un tanto mayordebido al magnetismo remanente o residual
producto de la operacin previa de la mquina.
Ese valor de la fem inducida se denomina fem
residual, .
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Como la fem inducida es directamente
proporcional a la velocidad de la armadura, se
puede graficar la curva de la magnetizacin acualquier velocidad aplicando la curva de
magnetizacin a la velocidad especificada. Si
es la fem inducida con una corriente de campo de
cuando la armadura gira a la velocidad ,
entonces la fem inducida con la misma
corriente de campo, pero a una velocidad es
=
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Teora de la comunicacin
Para la operacin satisfactoria de una mquina decc, la fem inducida en cada conductor bajo un polo
debe tener la misma polaridad. Si el devanado de la
armadura conduce una corriente, la corriente en
cada conductor bajo un polo debe estar dirigida en lamisma direccin. Ello implica que a medida del
conductor se mueve de un polo al siguiente debe
haber una inversin de la corriente en ese conductor.
Se dice que el conductor y la bobina en la que tiene
lugar inversin de la corriente conmutan. El proceso
de inversin de corriente en una bobina que conmuta
se de denomina conmutacin.
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El proceso de inversin de
corriente en una bobina
que conmuta se dedenomina conmutacin.
Idealmente, el proceso de
conmutacin debe ser
instantneo, como seindica en la siguiente
imagen. Tambin
transcurriendo cierto
tiempo para que lainversin de la corriente
tenga lugar, como se
muestra en la imagen
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En la siguiente imagen se muestra un conjunto de
ocho bobinas conectadas a los segmentos de un
conmutador de un generador bipolar de cc.
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Las bobinas g, h, a y b estn bajo el polo norte y
forman una trayectoria paralela, mientras que las
bobinas c, d, e y f estn bajo el polo sur y formanuna trayectoria paralela. Por ende, la corriente en las
bobinas bajo el polo norte ocurre en direccin
opuesta a la corriente en las bobinas bajo el polo sur.
Sin embargo, la magnitud de la corriente en cada
bobina es .
A medida que el conmutador gira en el sentido de las
manecillas del reloj, el extremo delantero de laescobilla A entra en contacto con el segmento 2 del
conmutador y pone en corto circuito la bobina b como
se muestra en la siguiente imagen:
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De manera semejante, la
bobina tambin queda
en cortocircuito por lasescobillas B. Las bobinas
b y f ahora entran en
conmutacin. Como se
muestra en la imagen esevidente que la corriente a
travs de cada escobilla
sigue siendo 2 . En ese
instante, la fem inducidasen las bobinas b y f son
cero por que casa una
esta en plano
perpendicular al flujo.
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Sin embargo, un momento
despus, los contactos de
las escobillas A y B consegmentos 3 y 7 de
conmutador se interrumpe
como se muestra en la
siguiente imagen.En este momento, la
bobina b es parte de la
trayectoria paralela
formada por las bobinas a,h y g, y su corriente
tambin ha invertido se
direccin.
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Reaccin de la armaduraCuando no hay corriente en el devanado de la
armadura (condicin sin carga), el flujo que produce eldevanado del campo est distribuido uniformemente
sobre las caras polares, como se aprecia en la figura
siguiente:
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para una mquina bipolar de cc. La fem inducida
en una bobina que se halla en el plano neutro
(plano perpendicular al flujo en el devanado delcampo) es igual a cero. Por tanto, sta es la
posicin neutral en condiciones sin carga en la que
las escobillas deben colocarse para tener unaconmutacin apropiada.
Supongamos ahora que la maquina bipolar de cc
se pone en movimiento por medio de una mquinaimpulsadora en el sentido de las manecillas del
reloj y opera, en consecuencia, como generador.
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En la siguiente imagen se muestra la direccin de
las corrientes en los conductores de la armadura
en condiciones de carga.
La distribucin de flujo
de la armadura debida ala fmm de armadura
tambin aparece en la
imagen.
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Como ambos flujos ocurren al mismo tiempo en
que la armadura esta en condiciones de carga, el
flujo resultante se distorsiona como se indica en lasiguiente imagen:
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En la siguiente imagen se muestra el diagrama
desarrollado del flujo por polo en condiciones sin
carga.
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Supongamos que los conductores se encuentran
distribuidos uniformemente sobre la superficie de la
armadura. Luego, la fmm de la armadura encondiciones de carga tiene la forma de triangular
que observa en la siguiente imagen:
L di t ib i d l fl j d bid l f d l
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La distribucin del flujo debido a la fmm de la
armadura tambin es una lnea recta bajo el polo.
Si el arco polar es menos que 180 elctricos, elflujo en la armadura tiene una curva con forma de
silla de montar en la regin interpolar, producto de
su reluctancia mas elevada como se muestra en la
siguiente imagen:
A ti i l did
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A continuacin se resume algunas medidas que se
utilizan para combatir la reaccin de la armadura:
1. Las escobillas pueden avanzarse de su
propsito neutral sin carga (eje neutro
geomtrico) al nuevo plano neutro con carga.
Esta es la medida menos cara, pero solo es tilpara generadores con carga constante.
2. Los interpolos o polos de conmutacin como a
veces se les denomina, son polos estrechos que
pueden colocarse en la regin interpolar
centrados a lo largo del eje neutro mecnico del
generador como se muestra en la siguiente
figura:
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Los devanados interpolares se conectan
permanentemente en serie con la armadura para
darles efectividad en condiciones de carga variable.
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3. Otro mtodo para anular el efecto de la reaccin
de la armadura es mediante devanados de
compensacin, que tambin llevan corriente dearmadura y estn situados en la ranuras poco
profundas cortadas en las caras polares, como se
muestra en la siguiente imagen:
De nuevo, el flujo que
produce el devanado de
compensacin se haceigual y opuesto al que
establece la fmm de la
armadura.
Ti d d d
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Tipos de generadores de ccLos generadores de cc pueden dividirse en dos
categoras:
Con excitacin independiente
Autoexcitandos
Un generador tipo PM puede considerarse con
excitacin independiente y con flujo magntico
constante. La corriente del campo (excitacin) en un
generador con excitacin independiente la suministrauna fuente externa independiente. En cambio, un
generador excitado proporciona su propia corriente
de excitacin.
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Segn el mtodo de conexin del devanado o de
vanados del campo, un generador autoexcitado se
clasifican adicionalmente en:a) Generador de shunt o en derivacin, si su
devanado del campo, llamado devanado del
campo shunt, se conectan en paralelo con las
terminales de la armadura;b) Generador serie, cuando su devanado del campo,
denominado devanado del campo en serie, se
conecta en serie con la armadura
c) Generador compound o compuesto, que
incorpora ambos devanados del campo: shunt y
serie.
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La caracterstica externa de un generador de cc es
la variacin del voltaje de carga (voltaje en
terminales) con la corriente de carga.Durante el anlisis de los generadores de cc debe
tenerse en cuenta lo siguiente:
1. El generador se pone en movimiento por medio
de una mquina de impulsin, como un motorsncrono, a velocidad constante.
2. La fem inducida en el devanado de la armadura
es proporcional al flujo en mquina, es decir ,
= .
3. Las terminales de la armadura estn conectadas
a la carga.
4. El devanado de la armadura tienen resistencia
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4. El devanado de la armadura tienen resistencia
finita, por pequea que esta sea. Por tanto, el
voltaje en las terminales de la armadura est
limitado a se mas bajo que la fem inducida.5. Si el generador no esta compensado por la
reaccin del armadura, hay menos flujo global en
la maquina sujeta a cargas que sin cargar. Luego,
la fem inducida es mas baja con cargas que sin
ella. Esto ocasiona una disminucin a un mayor
del voltaje en las terminales.
6. El par desarrollado por los conductores en laarmadura, = , es igual y opuesto al
para aplicado por la maquina de impulsin. Es
decir el par desarrollado se opone a la rotacin de
la armadura.
7. La cada del voltaje entre las escobillas y los
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j y
segmentos del conmutador se conoce como cada
por el contacto de las escobillas. S i se necesita
y no se especifica, puede suponerse de alrededor de2 V.
8. Si se conoce la informacin pertinente relacionada
con el efecto adverso de la reaccin de la armadura
sobre el rendimiento del generador, se supone que talreaccin es despreciable o que el generador esta
adecuadamente compensado por esta razn.
9. Comnmente se usa el termino carga en las
mquinas elctricas con el significado de corriente decarga. As, no carga o sin carga significa un circuito
abierto, y plena carga implica la corriente de carga
especificada (o corriente nominal) con el voltaje
especificado en las terminales
R l i d lt j
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Regulacin de voltajeA medida que al corriente de carga se incrementa, el
voltaje en las terminales disminuye debido alincremento en la cada del voltaje a travs de la
resistencia del devanado de la armadura , as como
al efecto de desmagnetizacin por la reaccin de la
armadura. La regulacin del voltaje es una medida
de la cada del voltaje en las terminales a plena
carga. Si es el voltaje en las terminales sin carga
y es el voltaje en las terminales a plena carga, laregulacin del voltaje se define como:
% =
100
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Perdidas en las mquinas
Las perdidas de potencia se utiliza el termino
maquina por que no es necesario distinguir entre las
perdidas en el generador de cc y e motor de cc. La
ley de conservacin de energa establece que lapotencia de entrada debe ser igual a la potencia de
salida mas la perdidas en la maquina. Hay tres
grandes categoras de perdidas: mecnicas, en el
cobre y magnticas.
Perdidas mecnicas
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Perdidas mecnicasLas perdidas mecnicas son resultado de
a) La friccin entre los cojinetes y el eje.-depende deldimetro del eje en el sitio donde se encuentran
estos, la velocidad de la periferia del eje y el
coeficiente de friccin entre el eje y los cojinetes.
b) La friccin entre las escobillas y el conmutador.-depende de la velocidad perifrica del conmutador,
la presin de las escobillas y el coeficiente de
friccin entre estas y el conmutador
c) El arrastre sobre la armadura ocasionada por el airede la rodea (perdidas de aire).-La perdida por viento
depende de la velocidad periferia de la armadura, el
nmero y su longitud.
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Perdida magntica
Puesto que la fem inducida en los conductores de laarmadura alterna con una frecuencia determinada pro
la velocidad de rotacin y el numero de polos, una
perdida magntica se representa la armadura
(Histresis y corriente parsita).A un cuando la armadura se construye utilizando
laminas delgadas, las corrientes parasitas aparecen en
cada una y producen perdida por ellas , la cual
depende del espesor de la laminacin, la densidad delflujo magntico, la frecuencia de la fem inducida el y
volumen del material magntico.
Perdidas de rotacin
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Perdidas de rotacinEn la explicacin de una maquina de cc las perdidas
mecnica y e magntica suelen agruparse. La suma deambas pedidas se llama perdida de rotacin, . Es decir,
= .
El voltaje en el devanado de la armadura debe ajustarse
de modo que la fem inducida en este iguale su valorespecificado, . Si es el voltaje en las terminales y
es la resistencia en el devanado de la armadura,
entonces el voltaje que debe aplicarse a las terminales
de la armadura es=
Para el generador, y
=
Para el motor.
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Perdidas en el cobre
Siempre que una corriente fluye en un conductor hayuna perdida en el cobre, , asociada con ella. Las
perdidas en el cobre, tambin denominadas perdidas
elctricas o , pueden desplegarse como prdidas
en los devanados siguiente:
1. De la armadura
2. Del campo de shunt
3. Del campo en serie4. Del campo interpolar
5. Del campo compensador
P did i
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Perdidas por carga parsita
Una mquina siempre tiene algunas perdidas que nopueden explicarse con facilidad: se les llama perdidas
por cargas parsita. Las perdidas por carga parsitas
en la maquinas de cc son resultado de:
a) El flujo distorsionado debido a la reaccin de la
armadura
b) Las corrientes de cortocircuito en las bobinas al
entrar en conmutacin.
f
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Diagrama de flujo de potencia
En la siguiente imagen se muestra el diagrama comnde flujo de potencia para generador
Teniendo como potencia de salida
=
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Eficiencia
La eficiencia de una mquina en la razn entre la
potencia de salida y la potencia de entrada. En el
caso de una mquina con excitacin
independiente, la perdida de potencia en el
devanado del campo tambin puede incluirse en la
potencia de entrada para calcular la eficiencia de la
mquina.
Generador de cc con excitacin
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Generador de cc con excitacin
independiente
En la siguiente figura se muestra la representacin delcircuito equivalente en condiciones de estado estable
de un generador de cc con excitacin independiente.
Esencialmente no hay cambio en la energa mecnica
o en la magntica del sistema.
L i d fi l i t d
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Las ecuaciones que definen la operacin en estado
estable son
= = =
=
Donde
= +
es la resistencia total en el
circuito del devanado del campo shunt.
Tenemos que el voltaje en las terminales es:
=
E l i i t i t l fi d
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En la siguiente imagen se muestra la grafica de
voltaje en las terminales y la corriente de carga
llamada caracterstica externa (terminal) de ungenerador de cc.
G d h t
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Generador shuntEn la siguiente figura se muestra el circuito equivalente
de un generador de shunt o en derivacin.
El generador de shunt es capaz de crecer el voltaje
presente en las terminales en tanto permanezca algn
flujo residual en los polos del campo.
E l i i t i t l i i t
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En la siguiente imagen se muestra el crecimiento
del voltaje en un generador shunt o en derivacin
El valor del voltaje sin cara en las terminales de la
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El valor del voltaje sin cara en las terminales de la
armadura depende de la resistencia del circuito del
campo. Una disminucin en la resistencia en elcircuito del campo ocasiona que el generador shunt
desarrolle mas rpido un voltaje mas alto como se
ve en la siguiente imagen:
Las ecuaciones que rigen la operacin de un
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Las ecuaciones que rigen la operacin de un
generador shunt en estado estable son
= += =
= =
Caracterstica interna
Conforme aumenta la corriente de carga, el voltaje
en las terminales disminuye por lo siguiente:
1. El aumento de cada
2. El efecto de desmagnetizacin por la reaccin de
la armadura .
3. La disminucin en la corriente del campo debida
a al cada en la fem inducida
En la siguiente imagen se muestra el efecto de
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En la siguiente imagen se muestra el efecto de
cada uno de los factores anteriores
