BOBINADOS

CICLO GRADO MEDIO

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INDICE

CONCEPTOS GENERALES:

1 - Generación de F.E.M. …………………………………………………….. 42 - Bobinas …………………………………………………………………… 43 - Conceptos de paso polar y paso de ranura. ……………………………….. 44 - Bobinados de una y de dos capas por ranura ……………………………… 55 - Bobinados abiertos. ……………………………………………………….. 56 - Velocidad eléctrica. Frecuencia de una F.E.M. alterna …………………… 5

BOBINADOS DE CORRIENTE ALTERNA

1.- Condiciones de los bobinados de C.A. …………………………………… 6 2.- Conexión de los conductores de una bobina. Tipos de bobinados..………………………………………………… 63.- Bobinados por polos y por polos consecuentes …………………………. 74.- Conexión de los grupos de una fase. …………………………………….. 75.- Número de ranuras por polo y fase. …………………………………….. 86.- Número de bobinas por grupo…………………………………………… 87.- Extremos de las fases y distancia entre fases. ……………………………. 88.- Determinación de los principios de un devanado trifásico. ……………… 99.- Verificación de las conexiones de las fases ……………………………… 9

BOBINADOS CONCENTRICOS

1.- Características de los bobinados concéntricos…………………………… 102.- Posibilidad de ejecución de un bobinado concéntrico…………………… 11

2 - 1.- En los bobinados por polos. …………………………………. 11 2 - 2.- En los bobinados por polos consecuentes. …………………… 11

3.- Número de bobinas por grupo. …………………………………………. 114.- Amplitud de grupo. ……………………………………………………… 125.- Proceso de cálculo de un bobinado concéntrico polifásico. …………….. 126.- Indicaciones para el trazado. ……………………………………………. 127.- Bobinados concéntricos monofásicos. ………………………………….. 138.- Ejemplos de bobinados concéntricos. …………………………………… 14 - 18

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BOBINADOS EXCÉNTRICOS

1.- Generalidades.2.- Bobinados enteros y fraccionarios.3.- Bobinados enteros

3 - 1.- Bobinados imbricados de una capa3 - 1 -a.- Fundamento de estos bobinados3 - 1 -b.- Proceso de cálculo de estos bobinados

Ejemplos de este tipo de bobinados 3 - 2.- Bobinados imbricados de dos capas

3 - 2 -a.- Fundamento de estos bobinados3 - 2 -b.- Proceso de cálculo de estos bobinados.

Ejemplos de este tipo de bobinados4.- Bobinados imbricados fraccionarios.... .

4 - 1.- Bobinados fraccionarios simétricos4 - 2.- Condición de simetría. 4 - 3.- Distribución de las bobinas en las grupos4 - 4.- Proceso de cálculo de un bobinado fraccionario simétrico

Ejemplos de este tipo de bobinados

BOBINADOS ONDULADOS DE CORRIENTE ALTERNA:

1.- Generalidades.. 2.- Construcción de estos bobinados3.- Posibilidad de ejecución.4.- Paso resultante, Paso de conexión.5.- Proceso de cálculo de un bobinado ondulado 6.- Paso resultante. Paso de conexión. Ejemplos de este tipo de bobinados

BOBINADOS MONOFASICOS

1.- Introducción.2.- Bobinados separados.3.- Bobinados superpuestos. Ejemplos de este tipo de bobinados.

BOBINADOS PARA MOTORES DE DOS VELOCIDADES

l.- Introducción.2.- Bobinado único (conexión Dahlander)

2 - 1.- Ejecución de estos bobinados.2 - 2.- Conmutación del número de polos 2 - 9.- Principios de las fases. 2 - 4.- Conexión de las fases.

2 - 4 -1.- Conexión estrella-doble estrella.2 - 4 -2.- Conexión triángulo-doble estrella.

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RELACIÓN DE ABREVIATURAS EMPLEADAS.

Yp Paso polar.

Yk Paso de ranura o ancho de bobina.

Y Paso resultante (bobinados ondulados)

Yc Paso de conexión (bobinados ondulados)

Y90 Paso de principios de fase (bobinados bifásicos)

Y120 Paso de principios de fase (bobinados trifásicos)

Mc Paso de cuadro (bobinados fraccionarios)

m Amplitud (bobinados concéntricos)

PP Bobinado por polos

PPC Bobinado por polos consecuentes.

2p Número de polos.

P Pares de polos.

Q Número de fases,

K Número de ranuras.

B Número de bobinas.

Gf Número de grupos por fase.

G Número de grupos totales.

U Número de bobinas por grupo.

F Frecuencia.

Kpq Número de ranuras por polo y fase.

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CONCEPTOS GENERALES:

1.- Generación de la F.E.M.

a/ En un conductor; Es necesario que dicho conductor se encuentre en el interior de un campo magnético y que exista un movimiento relativo entre ambos (puede ser el conductor el que se mueva mientras que el campo permanece fijo, o viceversa)

El valor de esta F.E.M. inducida en el conductor es:e = B.l.v

y su polaridad se determina mediante la aplicación de la regla de la mano derecha.

b/ En una espira; La espira está constituida por dos conductores, en los que se inducen f,e.m,s. que han de sumarse, para lo cual es necesario que dichos conductores, que reciben el nombre de ACTIVOS, se encuentren bajo polos de nombre contrario.

La parte de conductor que los une, recibe el nombre de cabeza de espira

2.- Bobinas:

Son los conjuntos compactos de espiras que unidos entre si constituyen el bobinado inducido de una máquina.

El valor de la F.E.M. que se induce en una bobina tiene las siguiente expresión

eB = 2.N.B.l.v

3.-Conceptos de paso polar y paso de ranura:

a/ Paso polar; Es la distancia que existe entre los ejes de dos polos consecutivos expresada en nº de ranuras. Su valor corresponde a la siguiente expresión:

b/ Ancho de bobina o paso de ranura. Para que en una bobina se sumen las f.e.m.s, inducidas en la totalidad de los conductores, es preciso que en todo instante los dos lados activos de cada espira de esa bobina se encuentren situados simultáneamente bajo polos de nombre contrario. Para ello es necesario que el ancho de bobina, es decir el nº de ranuras que hay que saltar para ir de un lado activo de la bobina al otro, sea aproximadamente igual al paso polar. Por lo tanto tendremos:

YK

pp 2

Y YK p

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c) Paso diametral, acortado y alargado. El paso de ranura se llama diametral cuando coincide con el paso polar es decir:

Yk = Yp

Se llama paso acortado cuando YK Yp , bien porque Yp no es entero o por razones constructivas o de funcionamiento. Paso alargado es cuando Yk Yp

4.-Bobinados de una y de dos capas por ranura:

Los bobinados de le máquinas eléctricas, van alojados en huecos practicados sobre la periferia interior del estator, si es este el que soporta dicho bobinado o bien sobre la periferia exterior del rotor en el caso de tener que alojarlo en esta parte de la máquina. En cualquier caso estos huecos reciben el nombre de ranuras y se distribuyen uniformemente a lo largo de la periferia del rotor o del estator.

Según el nº de lados activos de bobinas distintas que encontremos alojados en cada ranura, podemos clasificar los bobinados en:

1.- Bobinados de una capa: Son aquellos en los que solo existe un haz activo por ranura. En este tipo de bobinados cada bobina ocupará dos ranuras.

B = K/2

2.- Bobinados de dos capas: En este tipo, de bobinados tendremos dos haces activos por ranura. La capa que está al fondo de la ranura se llama inferior o interior y la que se encuentra junto al entrehierro se llama superior o exterior.

Cada bobina tiene un lado en la capa inferior y otro en la superior. En este caso el nº de bobinas será

B = K

5.- Bobinados Abiertos:

Las máquinas de corriente alterna tienen bobinados abiertos, pues cada una de sus fases presenta dos extremos libres, principio y final, que se llevan a la placa de bornas o al colector de anillos.

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6.- Velocidad eléctrica. Frecuencia de una F.E M, alterna.

Para generar una f.e.m. alterna debemos hacer girar un conductor en el seno de un campo magnético uniforme y fijo.

De esta forma obtendremos una señal completa cada vez que demos una vuelta, por lo tanto la frecuencia de la señal, será el nº de vueltas que demos por segundo.

Es decir: f = n/60 n en r.p.m.

Si colocamos dos pares de polos en lugar del único que tenemos hasta ahora la frecuencia de la señal será el doble (manteniendo la misma velocidad) pues en ceda vuelta avanzaremos dos ciclos eléctricos completos.

De forma general tendremos:

f = p. n/60

BOBINADOS DE CORRIENTE ALTERNA.

1.-Condiciones de los bobinados de corriente alterna:

Todas las fases deberán tener el mismo nº de espiras por fase.En los bobinados con circuitos paralelos todas las ramas deben tener igual resistencia y

producir f.e.m.s. iguales.Las fases deben estar defasadas el ángulo característico del sistema al que correspondan.

2.-Conexión de los conductores activos de una bobina. Tipos de bobinadosSean los conductores activos A B C D E F que se

encuentran bajo dos polos de nombre contrario y son consecutivos, nos encontramos que los

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podemos conectar de dos formas distintas manteniendo igual f.e,m. resultante entre principio y final de cada grupo.

Como vemos podemos conseguir el mismo resultado con dos formas constructivas diferentes.

Esto permite dividir los bobinados en dos grandes grupos:

Bobinados Concéntricos; Son aquellos bobinados en los lados activos de una misma fase situados frente a polos consecutivos, son unidos por cabezas concéntricas formando así verdaderos grupos de bobinas

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Bobinados Excéntricos: Son aquellos en los cuales los lados activos de una misma fase situados frente a polos consecutivos irán unidos mediante un solo tipo de cabezas de forma que el bobinado está constituido por un determinado nº de bobinas iguales.

3.-Bobinados por polos y por polos consecuentes:

El conjunto de bobinas que unen los lados activos de una misma fase, situados enfrente a polos consecutivos recibe el nombre de grupo.

Según el nº de grupos que conforman cada fase de los bobinados de C.A. se clasifican en:

Bobinados por polos: Son equellos bobinados en los que en cada

fase hay tantos grupos como nº de polos, por lo tanto:

Gf = 2p G = 2pq

Las f.e.m. generadas son alternativamente de sentido contrario, de manera que si en un grupo el sentido es horario, en el siguiente será antihorario.

Bobinados por polos consecuentes; Un bobinado se dice ejecutado por polos consecuentes cuando el nº de grupos que lo componen es igual al nº de pares de polos.

Por tanto tendremos: Gf = p G = pq

La característica constructiva de estos bobinados es que todos los lados activos de una misma fase colocados bajo un mismo polo, son unidos a los lados activos de esa misma fase situados frente a un sólo polo vecino al primero, sea el anterior o el posterior.

Esto da lugar a que todos los lados activos de los grupos de una misma fase, generen f.e.m.s, con el mismo sentido instantáneo, bien sea horario o antihorario.

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4.- Conexión de los grupos de una fase:

De acuerdo con lo anteriormente expuesto, existen dos reglas para la correcta conexión de los grupos de una fase.

En los bobinados por polos: Se unirá el final del primer grupo con el final del segundo grupo, el principio de este con el principio del tercero, el final del tercero con el final del cuarto, etc.Esto es que se une final con final y principio con principio

En los bobinados por polos consecuentes: Se unirá el final del primer grupo con el principio del segundo; el final de este con el principio del tercero, el final del tercero con el principio del cuarto, etc. Es decir: Se une final con principio.

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5.- Número de ranuras por polo y fase

El número de ranuras que bajo cada polo corresponde a cada fase la obtenemos dividiendo el nº total de ranuras entre el nº de polos. Es decir:

Kpq = K/2pq

Para que este nº sea entero, para cada valor de “p” y “q” el nº de ranuras totales “K” habrá de tener un valor determinado por la expresión anterior.

6.- Número de bobinas por grupo

El nº de bobinas totales, según hemos visto viene determinado por el nº de capas del bobinado.

Si el bobinado es de una capa tendremos que B = K/2Si el bobinado es de dos capas tendremos que B = KConocidos el n" total de bobinas "B" y el nº total de grupos “G” (PP = 2pq y PPC = pq), el

nº de bobinas por grupo vendrá determinado por:

U = B/G

7.- Extremos de las fases y distancias entre los principios de fases:

En los bobinados de C,A, cada fase presenta dos extremos libres, principios y final. Para denominarlos se utiliza la siguiente nomenclatura:

1ª fase U X 2ª fase V Y 3ª fase W Z

Para que las fases que forman el bobinado generen f.e.m. defasadas en el ángulo característico del sistema, es necesario que los principios de las fases estén alojados en ranuras separadas un ángulo que corresponda al sistema.

A una vuelta del inducido corresponden tantos ciclos eléctricos como pares de polos tiene la máquina y como cada ciclo representa 360º eléctricos, resulta que:

1 vuelta del inducido = p. 360º eléctricosA una vuelta del inducido le corresponden las "K" ranuras de la armadura, luego 360º

eléctricos abarcarán un nº da ranuras igual a:

360º = K/p

Si el sistema es trifásico, los principios de las fases deben estar situados sobre ranuras defasadas 120º eléctricos, luego la distancia entre los mismos expresada en ranuras será de: Y120 = K/3p

Si el sistema fuese bifásico tendríamos:Y90 = K/4p

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8.- Determinación de los principios en un devanado trifásico

En un devanado trifásico, pueden ser tomados como principio de una fasedeterminada todas las ranuras separadas un ángulo correspondiente a un ciclo completo. En una máquina multipolar, existen varias ranuras en tales condiciones. Para determinarlas, se prepara un cuadro con tres columnas una para cada fase, y con tantas líneas como pares de polos tenga la máquina. Conociendo el paso de principios de fase (Y120), comenzaremos colocando un 1 en el cuadro superior izquierdo, para posteriormente en sentido de le escritura, ir situando los números que se obtienen al ir añadiendo sucesivamente el paso de principios.

Así obtendremos en cada columna los números de las ranuras que pueden ser los principios de fase, eligiendo de entre ellos los mas interesantes, con la precaución de que cada uno de ellos pertenezca a una columna distinta.

Si el bobinado es estatórico, conviene elegir la construcción que exija cables de salida a la placa de bornas lo mas cortos posibles. Si el bobinado es rotórico conviene elegir la construcción de principios equidistantes geométricamente con el fin de equilibrarlo dinámicamente.

K/3P K/P

9.- Verificación de las conexiones de las fases.

Sobre el esquema podemos comprobar si la conexión entre las bobinas de las distintas fases es o no correcta sin mas que verificar que se forma el nº de polos correctos de la máquina al hacer circular imaginariamente las corrientes por los devanados, teniendo en cuenta el sentido de recorrido de acuerdo con la polaridad de cada fase en el instante elegido.

Para la comprobación de los bobinados trifásicos, tendremos en cuenta que una fase tiene siempre polaridad contraria a otras dos, por lo que al hacer circular las corrientes por las tres fases del bobinado deberemos dar sentidos positivos en dos de ellas y negativo en la otra.

U V W1

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BOBINADOS CONCENTRICOS

Tal como ya fue definido, un bobinado es concéntrico cuando los lados activos de una misma fase situados frente a polos consecutivos, son unidos mediante conexiones o cabezas concéntricas.

Los bobinados concéntricos pueden ser construidos por polos o por polos consecuentes.Tomemos un ejemplo de una máquina de cuatro polos en la que el nº de ranuras por polo y

fase es cuatro.Si lo ejecutásemos por polos, el bobinado seria como sigue:

Y si fuese por polos consecuentes:

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1.- Características de los bobinados concéntricos

Bobinados concéntricos monofásicos; Se ejecutan siempre por polosBobinados concéntricos trifásicos; Se ejecuten por polos consecuentes salvo en aquellos

casos. en los que el nº de polos es 2Bobinados concéntricos trifásicos con nº impar de pares de polos; En estos casos es

necesario colocar un grupo mixto, cuyas dos mitades pertenecen a distinto plano de cabezas de bobina, es decir que medio grupo tiene sus cabezas en el lado exterior y el otro medio en el interior.

Para la buena marcha en la ejecución de estos bobinados, se preparan primero los grupos interiores, luego el grupo mixto y después los exteriores

2.- Posibilidad de ejecución de un bobinado concéntrico

En primer lugar determinaremos el nº de ranuras por polo y fase del bobinado, es decir el Kpq

Dependiendo del valor calculado y del tipo de bobinado a realizar, se nos pueden plantear los siguientes casos:

En los bobinados por polos: El Kpq debe ser forzosamente entero. Si es par, todos los grupos tendrán el mismo nº de bobinas, si es impar, es necesario recurrir a una de las siguientes soluciones:

Preparar dos grupos iguales, pero con la bobina exterior formada por un nº de espiras mitad que las restantes y colocarlos de forma seguida y con las dos medias bobinas alojadas en una única ranura.

Ejemplo; La ranura "B" está compartida por las dos medias bobinas exteriores de dos grupos vecinos de la misma fase.

Preparar grupos desiguales, de manera que la mitad

de los grupos tenga una bobina mas que los restantes y colocar alternativamente grupos con distinto nº de bobinas.

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Ejemplo: El primer grupo está formado por las bobinas A y B, sin embargo el siguiente grupo está formado sólo por C

En los bobinados por polos consecuentes; Es conveniente que el Kpq sea entero, par o impar, ya que en cualquiera de los casos puede ser ejecutado con grupos iguales formados por un nº entero de bobinas.

Sin embargo en algunos casos se presentan bobinados poco corrientes, cuyo nº de ranuras por polo y fase tiene un valor entero mas media unidad, en estos casos, puede adoptarse la solución "a" del apartado anterior.

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3.- Número de bobinas por grupo

Salvo en las excepciones señaladas en el apartado anterior, los bobinados concéntricos son siempre ejecutados en una sola capa, por lo tanto tendremos que:

B = K/2 de donde U = B/G = K/2G

Cuando el bobinado sea por polos tendremos:

G = 2Pq por lo tanto U = K/4pq

Cuando el bobinado sea por polos consecuentes tendremos:

G = pq por lo tanto U = K/2pq

4.- Amplitud de grupo

Se entiende como amplitud de grupo el nº de ranuras libres que quedan en el interior de un grupo.

Sabemos que en un paso polar debe haber Kpq ranuras por cada una de las fases.

Si empezamos a contar el paso polar desde el comienzo del primer grupo, recorremos en primer lugar la Kpq ranuras correspondientes a este grupo, a continuación y en su interior, podemos alojar las Kpq ranuras de las fases restantes, completando asi el paso polar.

Según hemos dicho en el interior del grupo tendremos un nº de ranuras que será  igual a la amplitud y cuyo valor vendrá  determinado por:

m = (q-1) Kpq

5.- Proceso de cálculo de un bobinado concéntrico polifásico

Los datos necesarios para le ejecución del bobinado serán:

- Nº de polos.- Nº de fases.- Nº de ranuras.

El proceso a seguir en el cálculo será el siguiente:

1 De acuerdo con el nº de fases y el nº de polos se determinará el tipo de bobinado. 2 Calculamos el Kpq y vemos si es posible su ejecución.3 Calculamos el nº total de grupos, recordando que si este nº fuese impar y el bobinado se ejecutase por polos consecuentes, será  necesario la colocación de un grupo mixto. 4 Calculamos el nº de bobinas que componen cada grupo. 5 Determinaremos la amplitud de grupo, 6 Calculamos el cuadro de principios de fases y elegimos los mas convenientes.

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6.- Indicaciones para el trazado

l.- Para distinguir las distintas líneas se utilizarán colores o diferentes trazos.2.- Deben colocarse para cada fase tantos lados activos como ranuras por polo y fase

hasta completar la armadura. Si alguna de las ranuras ha de estar ocupada por dos lados activos de medias bobinas pertenecientes a distintas fases, se tendrá  en cuenta como excepción de lo anterior.

3.- En los bobinados por polos los lados activos de grupos consecutivos pertenecientes e una misma fase, se encuentran colocados dentro de ranuras vecinas. Si el bobinado es por polos consecuentes, los lados activos de dos grupos consecutivos de la misma fase, se encuentran separados una distancia igual a la amplitud.

4.- En los bobinados por polos todos los grupos de la misma fase, tienen colocadas sus cabezas en el mismo plano, mientras que en los bobinados por polos consecuentes, esto no ocurre, y se nos pueden plantear dos casos:

Si el nº de pares de polos es par, los grupos de una fase tienen colocadas sus cabezas en ambos planos alternativamente.Si p es impar es necesario disponer de un grupo mixto, razón por lo cual no es uniforme la distribución de las cabezas de las bobinas.En este caso se dibuja primero la fase que contiene el grupo mixto colocando

primero un grupo con sus cabezas en el plano interior, luego el grupo exterior y después un tercero cuyas cabezas pertenezcan ambos planos.

5.- Se procede a la conexión de los grupos, teniendo en cuenta que si el bobinado es por polos se unirán final con final y principio con principio y si el bobinado es por polos consecuentes se unirán final con principio.

6.- Comprobaremos sobre el propio esquema la formación del nº de polos de la máquina.

7.- Bobinados concéntricos monofásicos

Este tipo de bobinados se construyen siempre por polos.El bobinado ocupa solo las dos terceras partes del las ranuras del estator, por lo que:

Por lo tanto tenemos que U = m = K/6p valor que deber  ser entero para. que sea posible la ejecución del bobinado.

U B G

K

P

K

P /

2

3 22 6

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BOBINADO CONCENTRICO, POR POLOS - 24 RANURAS - 2 POLOS

Forma: Concéntrico, por polosNº de ranuras: K = 24Nº de polos: 2p = 2Nº de fases: q = 3

Nº de ranuras por polo y fase:

Nº de bobinas:

Nº de grupos del bobinado:

G = 2p.q = 2.3 = 6

Nº de bobinas por grupo:

Amplitud del grupo

m = (q - 1) 2.U = (3 - 1) 2. 2 = 8

Pasos de bobina:

Y1 = m + 1 = 8 + 1 = 9Y3 = m + 3 = 8 + 3 = 11

Cuadro de Principios de fase:

U V W

KK

pqpq 2

24

2 34

.

BK

2

24

212

UN bobinas

grupo

B

G

º 12

62

K

p3

24

38

18

1 9 17

19

Sentido de las f.e.m.

Si elegimos el tiempo t1 del sistema trifásico de la figura tenemos que:

Las fases R y S están por encima del eje de las “X” por lo tanto serán positivas, mientras que “T” se halla por debajo, por lo que será negativa.

Por todo esto podemos concluir con que la intensidad entrará por “U” y saldrá por “X”, entrará por “V” y saldrá por “Y” y entrará por “Z” y saldrá por “W”

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BOBINADO CONCÉNTRICO POR POLOS CONSECUENTES

Forma: Concéntrico, por polos consecuentesNº de ranuras: K = 24Nº de polos: 2p = 4Nº de fases: q = 3

Nº de ranuras por polo y fase:

Nº de bobinas:

Nº de grupos del bobinado:

G = p.q = 2.3 = 6

Nº de bobinas por grupo:

Amplitud del grupo

m = (q - 1) .U = (3 - 1) . 2 = 4

Pasos de bobina:

Y1 = m + 1 = 8 + 1 = 9Y3 = m + 3 = 8 + 3 = 11

Cuadro de Principios de fase:

KK

pqpq 2

24

2 34

.

BK

2

24

212

UN bobinas

grupo

B

G

º 12

62

K

p3

24

64

21

U V W1 5 913 17 21

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ESTRELLA DE F.EM.

Es conveniente representar en una circunferencia de 360 º E las f.e.m. inducidas en todos los haces activos del bobinado para estudiar la generación de un sistema polifásico, analizando su total equilibrio y verificando el ángulo del sistema.

Cálculo del ángulo eléctrico entre dos ranuras.

K ………….. 360 P ºE1 ………….. X

X = 360P / K = 360.1 / 24 = 15 º

Cálculo del número de divisiones de la circunferencia eléctrica

Cálculo de vueltas de la estrella

Tantas como pares de polos V = 1

N de divisionesX P

K

K

Pº

360 360360

24

124

24

Sentido de las f.e.m.

Si elegimos el tiempo t1 del sistema trifásico de la figura tenemos que:

Las fases R y S están por encima del eje de las “X” por lo tanto serán positivas, mientras que “T” se halla por debajo, por lo que será negativa.

Por todo esto podemos concluir con que la intensidad entrará por “U” y saldrá por “X”, entrará por “V” y saldrá por “Y” y entrará por “Z” y saldrá por “W”

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