U.N.C. ELECTROTECNIA MÁQUINAS PARA CORRIENTE CONTÍNUA

Transcripción

1 MÁQUINAS PARA CORRIENTE CONTÍNUA REACCIÓN DE INDUCIDO Durante el funconamento del generador en vacío, la corrente en el nducdo es muy pequeña o cas nula. En este caso, el campo magnétco que crea el devanado de los polos prncpales, para una máquna bpolar es como en Fg1. El eje del campo magnétco concde con el de los polos. La línea perpendcular al eje del campo magnétco, es la línea neutra geométrca (LNG), que en este caso concde con la línea neutra eléctrca (LNE).- Cuando la máquna entra en carga, es decr, entrega corrente a la red, crculará corrente por el nducdo que creará su propo campo magnétco o campo del nducdo. En la Fg.2 se representa a este solamente.- En marcha normal exsten los dos campos smultáneamente, es decr, la superposcón del de los polos y el del nducdo conformando un únco campo resultante, el que tomará la confguracón que muestra la Fgura 3.- La accón del campo magnétco del nducdo sobre el de los polos se denomna "reaccón de nducdo".- CONSECUENCIAS DE LA REACCIÓN DE INDUCIDO Fgura 4 1 En la Fg.4 representamos la composcón del vector flujo prncpal φ p con el de reaccón de nducdo o flujo transversal φ t, que da como resultante el φ r.- 1 de 9

2 Como se ha desplazado el eje del campo magnétco, la LNE perpendcular a φ r se ha desplazado un ángulo α, Fg. 3 y 4. En la máquna deal (sn reaccón de nducdo) las escobllas estaban stuadas en la LNG = LNE que era el momento en que al pasar la escoblla de una delga a otra, lo hacía sn corrente, por consguente no se producían chspas; en cambo, ahora, al desplazarse la LNE, se deberían desplazar las escobllas hasta esa línea, porque en caso contraro, al nterrumpr el crcuto con corrente, se producrán chspas, que deteroran el colector y escobllas. Entonces, como prmera consecuenca tenemos la necesdad de desplazar las escobllas a la nueva LNE.- 2 El decalar las escobllas tras aparejado otro problema; al ubcarlas en la nueva LNE, Fg.5, ha quedado dvddo el nducdo smétrcamente en dos partes: los conductores 1, 2 y 3 con sus smétrcos son los que determnan la fmm. transversal θ t que da orgen al φ t. En cambo ahora, los conductores 4 y 5 con sus smétrcos, determnan una fmm. longtudnal θ l y su flujo φ l que se opone drectamente al φ p, dsmnuyéndolo y ocasonando una nueva necesdad de desplazar las escobllas. Esto lo podemos observar en la composcón vectoral de Fg.6. Al dsmnur el φ r, dsmnuye la Fem. E; por consguente otra consecuenca es: se produce una caída de tensón.- Φ t Φ r Φ l Φ p Fgura 6 Fgura 7 3 El smple hecho de desplazar las escobllas no solucona totalmente el chsporroteo ya que podemos observar que el módulo del vector φ t depende de la carga de la máquna (φ = Λ.N I ), entonces, cuando varía la carga (caso más común) varían φ t, φ r y la poscón de la LNE. Tendríamos que estar acomodando las escobllas para cada estado de carga de la máquna. S así no se hcese, que además no sería práctco n se hace, habría estados para el cual la máquna chsporrotearía. Este es un nconvenente que presentan aquellas máqunas que no tenen compensada la reaccón de nducdo. 4 La dstorsón del campo magnétco resultante da orgen a dos problemas adconales: 4º-1) Desmagnetza una parte del polo y satura la otra. Esto se puede aprecar en la Fg.3, 2 de 9

3 en que la dreccón del φ r afecta un extremo polar y es más grande que φ p Fg.4. Cuando se trabaja con nduccones aprecables, que es lo común por razones económcas, el debltamento de una mtad del polo no se compensa por su ncremento en la otra mtad En efecto, en la Fg.7, la curva 'a' es la de nduccón debda al campo prncpal solamente, al deformarse el campo por nfluenca del φ t, crecería en un extremo hasta 'b', pero por saturarse no llega más allá de 'c'. La superfce comprendda por la curva 'c' es menor que la de 'a', como estas superfces son proporconales a φ, dsmnuye E y se produce otra caída de tensón.- 4º - 2) Este aumento del campo en una parte del polo, hace que en esa zona aumente la tensón entre delgas, lo que favorece la produccón de chspas. El valor de la tensón entre delgas en vacío, debe quedar por debajo de certos límtes, para que al funconar en carga el aumento de B no forme chspas. F.M.M. POR REACCIÓN DE INDUCIDO Para cuantfcar el campo por reaccón de nducdo, consderemos la denomnada "capa de corrente" o "carga lneal específca", Cl, que es la corrente que crcula por los N conductores del nducdo por undad de perímetro de este, es decr: N. I CI = π. D. Algunos valores ndcatvos de CI : para máqunas pequeñas: 100 A/cm para máqunas grandes : 600 A/cm La fmm ( θ = N I ) por par de polos será: t t p. θ " = CI La corrente por el conductor en funcón de la corrente de nducdo I I es: = sendo 2a el n de ramas en paralelo. 2. a '' π. D N. N. I Reemplazando en la anteror tenemos: θ t = t p. CI =. = 2. p π. D 2. p.2. a N. I que por polo será la mtad: θ t '= 8. p. a EJEMPLOS 1 ) Máquna bpolar; dos ramas en paralelo: 2 a = 2; I = 10 A ; 3 espras = 6 conductores ; Fg.8 = I / 2 a = 10 / 2 = 5 A s en 3 espras crculan 5 A tenemos: 3 espras x 5 A = 15 Av Aplcando la fórmula: θ'' t =( N I ) /( 4. p. a) = (6. 10) / ( ) = 15 Av 2 ) Máquna tetrapolar: 2 a = 2 ; I = 40 A ; = I / 2 a = 40/2 = 20A 3 de 9

4 6 espras = 12 conductores: Fg.9 θ'' t = (N. I ) /( 4. p. a) = (12. 40) /( ) = 60 Av CONMUTACIÓN Comprende a los fenómenos que se manfestan al pasar las delgas del colector bajo las escobllas. Consderemos una bobna de una espra, la que se encuentra alojada en las ranuras del nducdo (Fg.10) La dbujaremos según Fg. 2, conectados sus extremos a las delgas 1 y 2, recordando que ésta no se encuentra aslada de las demás, sno que el fn de una bobna es el comenzo de la próxma. Fgura 10 Analzaremos el fenómeno en tres nstantes dstntos, cuando la escoblla está en la delga 1; entre las delgas 1 y 2 y por últmo en la delga 2.(Fg. 11- A, B, C) Fgura 11-A Fgura 11-B Fgura 11-C 4 de 9

5 En las fguras se proyecta el lado zquerdo de la espra y se lo ndca alojado en la ranura. En el prmer nstante (Fg.11-A) la corrente I, que suponemos entrante en la escoblla se dvde en las ramas, y crculará (I /2) en el conductor, y en la ranura será entrante; en el segundo nstante no crcula corrente en la espra, por ser guales y de sentdo contraro o porque está en cortocrcuto; y en el tercer nstante, al entrar la corrente por la delga 2, en el conductor en estudo crculará (I /2) en sentdo contraro al nstante 1 y será salente en la ranura. En conclusón, al pasar la escoblla de una delga a otra, en el conductor se nverte el sentdo de la corrente. Esto orgna dos problemas: 1) S consderamos el fenómeno puramente resstvo, la varacón de +I / 2 a -I / 2 será lneal (Fg.12) y tendremos un nstante en el que I = 0, punto deal para producr el cambo de sentdo ya que, al no haber corrente, no se producen chspas. Pero en la realdad no es así, ya que al haber varacón de corrente ( d / dt ) en una bobna con certo número de espras ( N ), tendremos autonduccón ( L = Λ. N 2 ), la que generará una Fem. e = - L. d/dt, que orgna una corrente suplementara, S, que se oponga a la causa, que la produce (sgno - ) ; como del nstante 1 al 2, la corrente dsmnuye, y del 2 al 3 aumenta en sentdo negatvo, la S tendrá los sentdos marcados en las fguras, Ello modfcará la recta, transformándola en curva ( _ ).- Fgura 12 Ahora, en el nstante 2 hay corrente S, y s en ese momento se produjese la nversón, se está abrendo un crcuto con corrente, lo que trae aparejada la aparcón de chspas en el colector. Las chspas en el colector deteroran las delgas, pcándolas, producen asperezas, gastan las escobllas y generan calentamento. Prmera Solucón: Como el problema era generado por L y este es proporconal a N 2, una prmera solucón será dseñar bobnas con pocas espras. Como anterormente habíamos dcho que convenía tener muchas bobnas (para tener una onda lo más contnua posble) ahora agregaremos "muchas bobnas con pocas vueltas cada una" 2) Al encontrarse el conductor dentro de una ranura y rodeado por materal muy permeable, la corrente crea un flujo de ranura, φ r, que al pasar del nstante 1 al 3, camba de sentdo (ver Fg.11). Hay varacón de flujo, ( dφ / dt ) por consguente genera una Fem. e = - dφ / dt 5 de 9

6 que orgna nuevas correntes nducdas que ncrementan la S, desplazando más la curva ( ) y aumentando el chsporroteo. Segunda Solucón: Como el problema lo orgnó el flujo de ranura, dseñaremos una que tenga mucha reluctanca. En máqunas eléctrcas rotatvas se usan tres tpos dferentes de ranura, denomnadas: cerradas (1), semabertas (2) y abertas (3) (Fg.13), ndudablemente, para máqunas de c.c. la más convenente es la aberta por tener la mayor reluctanca y así dsmnur la Fem. e. La adopcón de la ranura aberta trae como consecuenca la necesdad de adoptar entreherros grandes. 2 En efecto, s el entreherro fuese chco (Fg. 14) veríamos que el φ r, vuelve a tener un camno de alta permeabldad con lo que no hubéramos ganado nada. En cambo, al tenerlo grande (Fg.15) oblgamos al φ r a cerrar por el are (>>R). 1 3 Fgura 13 Todo esto explca porqué las máqunas de corrente contnua tenen entreherros grandes, por ejemplo, un motor de c.c. de 1.8 kw tene un entreherro de δ = 1,5 mm, y en cambo los motores asíncronos, que no tenen problemas de conmutacón por supuesto, tenen entreherros pequeños, por ejemplo, motor δ asíncrono de gual potenca, δ = 0,30 mmm. La Φr modfcacón de la recta en curva (Fg. 12) nos ndca además que la varacón de la corrente a la salda de la escoblla es grande, lo que favorece las chspas en el flanco salente de las msmas. Y por últmo, otra solucón sería crear una Fem. gual y opuesta a la suma de las dos menconadas anterormente, para anularlas. Fgura 14 Esto es posble, como veremos más adelante, y se denomna Fem. de conmutacón. δ Φr Fgura 15 En resumen, para mejorar la conmutacón se puede recurrr a las sguentes solucones: 1 muchas bobnas con pocas espras cada una 2 ranuras abertas 6 de 9

7 3 entreherros grandes 4 creacón de una Fem. de conmutacón 5 certo decalaje en las escobllas para buscar la poscón de corrente nula en la nversón. Polos de conmutacón Planteados los dos prncpales problemas para las máqunas de corrente contnua, que eran la reaccón de nducdo y la conmutacón, se deduce la necesdad de una solucón ntegral, y esta se obtene a través de los polos de conmutacón. La reaccón de nducdo creaba el nconvenente del flujo transversal y la necesdad del decalaje de las escobllas. La conmutacón, las Fem. nducdas por varacón de corrente y flujos de ranura. Por consguente, los polos de conmutacón, para elmnar estos nconvenentes deberán: 1 anular el campo transversal por reaccón de nducdo 2 poder dejar las escobllas en la zona neutra geométrca 3 crear una Fem. de conmutacón Para anular el campo transversal, se ubcan en la zona neutra geométrca; se conectan sus arrollamentos en sere con el nducdo y arrollados en un sentdo para que produzcan una polardad tal que genere flujo φ C que se oponga al transversal (Fg.16 y 17) N G M N Φt S Φc S Fgura 16 Fgura 17 Ubcacón y Polardad Conexón Al estar en sere con el nducdo, la msma corrente que creaba φ t, ahora crea φ t, sus módulos varían gualmente y como están en sentdo contraro, se anulan para cualquer estado de carga. Anulado el flujo transversal, se puede volver a colocar las escobllas en la zona neutra geométrca. Para que las varacones de flujo sean sempre proporconales a las varacones de corrente, el crcuto magnétco de los polos de conmutacón no se debe 7 de 9

8 saturar, para ello se elgen nduccones bajas ( B 0.5 Tesla ) y entreherro grandes en estos polos. Y por últmo, para crear la Fem. de conmutacón necesara, se aprovecha el campo producdo en el entreherro de los polos de conmutacón. En efecto, cuando éstos no están (Fgura 18) la espra en la zona neutra se desplaza paralelamente a las líneas de campo, por consguente no genera. N En cambo, por la presenca de ellos (Fgura 119) ahora la espra cortará las líneas de campo en el entreherro bajo los polos, y generará una Fem. e = B. l. v que podemos aprovechar para que sea gual y Fgura 18 opuesta a la e = - L d/dt N Es de destacar, que no se necesta cambar la conexón de los arrollamentos de los polos, cuando se nverte el sentdo de marcha, lo que se puede comprobar analzando los sentdos en cada caso.- S Esto explca el porqué en la bornera de la máquna se encuentran sólo dos bornes de nducdo y no cuatro, como Fgura 19 sería s fuesen dos de los arrollamentos y dos de nducdo.- Aplcacones: Práctcamente en todas las máqunas modernas. Arrollamento de compensacón Fgura 20 Los polos de conmutacón no alcanzan a elmnar los efectos de la reaccón de nducdo bajo los polos prncpales (Fgura 21). Es así, entonces, que para reducr o elmnar el φ t no compensado, se adopte lo que se llama, un arrollamento de compensacón. Φt no compensado por Φc Se ubca en ranuras practcadas en las pezas polares(fg.22). Se conectan en sere con el nducdo (Fg. 23) por los msmos motvos expresados para los polos de conmutacón Fgura 21 Zona de φ c Deberán ser recorrdos por correntes opuestas a las del nducdo, para crear φ comp opuesto al φ t bajo los polos (Fg.22). 8 de 9

9 APLICACIONES: Fgura 22 Fgura 23 En máqunas muy grandes o que se encuentren sujetas a fuertes condcones de trabajo. --ooooo-- 9 de 9