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CONSTRUCCION DE MAQUINAS DC
Adrian Felipe Cordero Jara e-mail: [email protected]
Johana Elizabeth Tapia Cabrera e-mail: [email protected]
Mauricio Leonardo Villacís Marín e-mail: [email protected]
1 INTRODUCCIÓN
Los dispositivos rotatorios de conversión de energía electromecánica son conocidos como máquinas rotatorias. Están clasificadas como máquinas de corriente continua si sus salidas son en corriente continúa o si la energía de entrada a las máquinas proviene de una fuente de corriente continua. Se llaman máquinas de corriente alterna si sus salidas son periódicas o si la energía primaria de entrada proviene de una fuente de corriente alterna.
Una máquina rotatoria se le llama generador si convierte energía mecánica en energía eléctrica y se llama motor si convierte energía eléctrica en mecánica. En principio la misma máquina puede ser usada, ya sea como generador o como motor, pero consideraciones de diseño práctico pueden favorecer su uso como generador o como motor.
Hay dos tipos principales de aplicaciones de las máquinas rotatorias. Como generadores, son usadas para proporcionar energía eléctrica industrial o domiciliaria y como motor para hacer girar dispositivos mecánicos tales como: ventiladores, bombas, etc. El otro tipo de aplicación se refiere como dispositivo de posición y/o para transportar información de una parte a otra. Los métodos de análisis son determinados ampliamente por la aplicación de las máquinas y por las condiciones bajo las cuales operan. En algunos casos puede ser necesario determinar tanto el comportamiento transitorio como en estado estable de la máquina; en algunos otros podemos estar interesados solamente en una máquina aislada y en otros, la máquina bajo consideración, puede ser parte de un sistema complejo.
2 DESARROLLO 2.1 DEFINICION DE MAQUINA DE
CORRIENTE DIRECTA O CONTINUA:
Las máquinas de corriente continua transforman la energía mecánica en energía eléctrica (de corriente continua), o viceversa, se las llama generadores o motores respectivamente. También estas máquinas están esencialmente constituida por una parte fija, que produce el flujo de inducción, llamada inductor y otra parte giratoria, que contiene el arrollamiento en el cual se produce la f.em. Inducida (o contra f.e.m.), llamada inducido o armadura. La parte giratoria incluye el colector (rectificador u ondulador mecánico) componente esencial para el funcionamiento de la máquina. Son aplicables a estas máquinas las condiciones normales de servicio vistas en general para las máquinas rotantes.
Los temas que corresponden a las máquinas de corriente están tratados por distintas normas generales, pero para algunas aplicaciones especiales, por ejemplo para las máquinas de tracción (utilizadas en vehículos ferroviarios y terrestres) existen normas particulares.
2.2 DESCRIPCION DE PARTES
CONSTRUCTIVAS DE LA MAQUINA CD La figura 1 en el anexo muestra las partes de una maquina de cd de tamaño grande o mediano; todos los tamaños difieren de las maquinas de ca en que tienen un conmutador y la armadura del rotor. También tienen los polos salientes en el estator y, excepto en algunos modelos pequeños, tienen polos de conmutación entre los polos principales.
Las máquinas de cd pequeñas tienen razones grandes de superficie a volumen y trayectorias cortas para que el calor llegue a las superficies de disipación. El enfriamiento requiere un poco más que medios para soplar aire en el rotor y entre los polos. Las piezas embutidas en el rotor están montadas firmemente en el eje, sin conductos de aire en ellas. Las unidades más grandes, con núcleos más largos y profundos, usan la misma construcción pero con agujeros longitudinales en las piezas embutidas del núcleo para el aire de enfriamiento. Dentro de su construcción existen varios procesos y modificaciones en cuanto a la construcción de las maquinas en dc. Se dividen en:
- Construcción de los polos y la estructura. - Construcción del rotor o armadura. - Colector y escobillas. - Aislamiento de los devanados.
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2.2.1 Partes • Piezas embutidas del núcleo de armadura. Por lo general, estas piezas son de acero laminado eléctrico de alta permeabilidad, de 0.017 a 0.025 in de grueso, y tienen entre ellas una película aislante. Las unidades pequeñas y medianas utilizan piezas embutidas segméntales como las que se ilustran en la figura 2, que también muestra los dedos que se usan para formar los ductos de ventilación.
• Piezas embutidas de polo principal y de conmutación. Estas piezas suelen ser más gruesas que las del rotor porque sólo las caras polares están sujetas a cambios de flujo de alta frecuencia; las piezas son de 0.062 a 0.125 in de grueso y por lo general van remachadas. • Yugo de carcasa. Es común que esta pieza esté fabricada de placa de acero blando laminado pero, en grandes generadores de alta demanda en donde se presentan cambios rápidos de carga, se pueden usar laminaciones. La carcasa sólida tiene una constante magnética de tiempo de 1/2 s o más, dependiendo de su grosor; la de la carcasa laminada va de 0.05 a 0.005 s. • Conmutador. Esta pieza es realmente el corazón de la máquina de cd y debe operar con variaciones de temperatura de al menos 55ºC, con velocidades periféricas que pueden llegar a 7000 ft/min. Sin embargo, debe permanecer uniforme a no más de 0.002 o 0.003 in y alineada entre barra y barra a no más de 0.0001 in. • Escobilla de carbón (o simplemente carbones). Estas piezas se deslizan sobre las barras del conmutador y llevan la corriente de carga de las bobinas del rotor al circuito externo. Los portacarbones sujetan los carbones contra la superficie del conmutador mediante resortes, para mantener una presión razonablemente constante y que se deslicen de modo uniforme. • Colector: El colector consta de delgas de cobre electrolítico, aisladas entre sí por separadores de micanita. Forma un cuerpo anular estratificado en todo el perímetro, que va aislado respecto a las piezas soporte. Para evitar vibraciones posteriores por solicitaciones térmicas o mecánicas y para conferirle mayor estabilidad mecánica, se trabaja con micanita especial con un reducido contenido en conglomerante del 3 % para las láminas aislantes y del 5 % para el aislamiento del cuerpo. De acuerdo con la aplicación, se diferencian cinco tipos básicos de construcción de colectores:
- Colector de cola de milano simple. - Colector de cola de milano doble.
- Colector suspendido o de membrana. - Colector cónico. - Colector de material prensado.
• El cuerpo anular del colector de cola de milano, tras un prensado radial cuidadoso, se le tornea en forma de cola de milano por ambos extremos y se le sujeta con un anillo aislante de la forma correspondiente. En colectores largos de alta velocidad periférica, a veces es necesario emplear un colector de cola de milano doble debido a la muy alta solicitación. • El colector suspendido o de membrana, se utiliza en máquinas de muy altas revoluciones, por ejemplo, en turbogeneradores o máquinas de vaivén. El cuerpo anular, que es sostenido radialmente con anillos de contracción, va fijado en el lado del devanado a un anillo soporte prensado al eje, mientras que el otro lado es guiado por un disco elástico (membrana) apoyado sobre el eje. Este permite una dilatación axial del colector, y reduce con ello la solicitación por efectos mecánicos y térmicos. Este tipo de construcción es efectivamente cara, pero satisface cualquier exigencia especial en relación con la resistencia. • El colector cónico surgió con motivo de la exigencia de un diámetro grande del eje y un diámetro pequeño del colector para velocidad periférica máxima. El cuerpo anular tiene en ambos extremos un taladro cónico. Se le soporta en sentido radial mediante anillos de con-tracción, en el lado del devanado se apoya en el eje cónico y se retiene con un anillo cónico. • El colector de material prensado posee un cuerpo soporte de conglomerado de resina sintética, en el que se funde el cuerpo formado por las delgas. Los su-plementos previstos en el canto interior de las delgas de cobre aseguran la unión con el material prensado. Un casquillo de acero incrustado ofrece una transmisión di-recta de todo el colector con el eje. El colector de mate-rial prensado se utiliza fundamentalmente en pequeñas máquinas hasta un diámetro de colector de 200 mm.
2.3 CONSTRUCCION DE LOS POLOS Y LA
ESTRUCTURA. • Piezas embutidas de polo principal y de conmutación: Estas piezas suelen ser más gruesas que las del rotor porque sólo las caras polares están sujetas a cambios de flujo de alta frecuencia; las piezas son de 0.062 a 0.125 pulgadas de grueso y por lo general van remachadas. • Guarnición de carcasa: Es común que esta pieza esté fabricada de placa de acero blando laminado pero, en grandes generadores de alta demanda en donde se presentan cambios rápidos de carga, se pueden usar laminaciones. La carcasa sólida tiene una constante magnética de tiempo de 1/2 s o más, dependiendo de su grosor; la de la carcasa laminada va de 0.05 a 0.005 s.
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2.4 DEVANADOS DE ARMADURA: El devanado de anillo Gramme no se usa, porque la mitad de los conductores (los que están dentro del anillo) no cortan flujo y se desperdician.
Un devanado cerrado individual se cierra en sí mismo sólo después de incluir todos los conductores. Las máquinas modernas de cd tienen las bobinas de armadura en ranuras radiales en el rotor..
2.4.1 Devanados múltiples o imbricados.
La figura 12 muestra una bobina de devanado imbricado, en la que los conductores que se ven del lado izquierdo están en el lado superior de la ranura de rotor; los del lado derecho están en la mitad inferior de otra ranura aproximadamente a un paso polar de distancia. En cualquier instante, los lados están bajo polos adyacentes y los voltajes que se inducen en los dos lados son aditivos. Otros lados de la bobina llenan las porciones restantes de las ranuras. Los hilos de la bobina están conectados a los segmentos del conmutador, y éste conecta también las bobinas para formar
El devanado de armadura. Esto se muestra en la figura 13. Las caras polares son ligeramente más cortas que el núcleo del rotor.
Casi todas las máquinas de cd medianas y grandes utilizan devanados imbricados símplex, en los que el número de trayectorias en paralelo en el devanado de la armadura es igual al número de polos principales. Esto permite que la corriente por trayectoria sea lo suficientemente baja para admitir conductores de medidas razonables en las bobinas.
• Devanados. Las representaciones de devanados de cd son necesariamente complicados. La figura 14 muestra el devanado imbricado correspondiente al devanado de anillo de Gramme de la figura 8. Desafortunadamente, las porciones finales no productivas están resaltadas en esos diagramas, y las porciones largas y útiles de las bobinas de las ranuras del núcleo se muestran como líneas radiales. Los conductores de las capas superiores se muestran como líneas llenas, y los de las capas inferiores como líneas punteadas. Las conexiones de extremo interior son las conectadas a las barras del conmutador. Por conveniencia, los carbones se muestran dentro del conmutador.
Nótese que ambos devanados tienen el mismo número de conductores útiles, pero que el devanado de anillo de Gramme requiere el doble del número de conductores reales y el doble del número de barras de conmutador. En la figura 15 se muestra un devanado imbricado símplex de 6 polos. El estudio de éste revela las seis trayectorias paralelas entre las terminales positiva y negativa. Los tres carbones positivos están conectados
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fuera de la máquina por un anillo T+ de cobre y los carbones negativos por T-.
Los dos lados de una bobina imbricada pueden ser de paso entero (exactamente a un paso polar de distancia), pero la mayor parte de las máquinas utilizan un paso corto (menos de un paso polar de distancia), con el tiro o vía de bobina a medio paso de ranura menos que un paso polar. Esto se hace para mejorar la conmutación. • Igualadores de potencia. Como se muestra en la figura 15, las trayectorias paralelas del circuito de armadura están bajo polos diferentes, y cualesquiera diferencias en el flujo de los polos ocasiona diferentes voltajes que se generan en las diversas trayectorias. Las diferencias de flujo pueden ser ocasionadas por espacios desiguales entre electrodos, por un número diferente de vueltas en las bobinas de campo de polo principal o por reluctancias diferentes en los circuitos de hierro. Estos anillos cortocircuitados se llaman “igualadores”. Las corrientes alternas fluyen por ellos en lugar de por los carbones. La dirección de circulación es tal que los polos débiles se magnetizan y los intensos se debilitan. Por lo general se iguala una bobina en alrededor de 30% de las ranuras. El área de sección transversal de un igualador es de 20 a 40% de la del conductor de armadura. En la figura 15 se muestra las conexiones igualadoras tras las conexiones del conmutador. 2.4.2 Devanados de dos circuitos u
ondulados. La figura 16 muestra un tipo de onda de bobina. En la figura 17 se ilustra un devanado ondulado de 6 polos. Un estudio revela que tiene sólo dos trayectorias paralelas entre las terminales positiva y negativa, por lo que sólo se requieren dos juegos de carbones. Cada carbón pone en cortocircuito p/2 bobinas en serie; puesto que los puntos a, b y c están al mismo potencial (y también los puntos d, e y f), los carbones pueden localizarse en cada uno de estos puntos para permitir un conmutador de sólo un tercio de largo.
El devanado debe avanzar o retroceder una barra de conmutador cada vez que pase alrededor de la armadura para que sea cerrado sencillo. Por lo tanto, el número de barras debe ser igual a (kpl2) ± 1, en donde k es un número entero y p es el número de polos. El devanado no necesita igualadores porque todos los conductores pasan bajo todos los polos. Aun cuando la mayor parte de los devanados ondulados son de dos circuitos, pueden ser de circuitos múltiples, por ejemplo 4 o 16 circuitos en una máquina de 4 polos, o 6, 12 o 24 circuitos en una máquina de 12 polos. Se pueden hacer devanados ondulados de circuitos múltiples con el mismo número de circuitos que polos, mediante las mismas combinaciones de ranuras y barras que en un devanado imbricado 2.5 CONMUTACIÓN Los voltajes generados en todos los conductores bajo un polo norte de un generador de cd están en la misma dirección, y los generados en los conductores bajo un polo sur están todos en dirección opuesta (Fig. 23). Circularán corrientes en las mismas direcciones como voltajes inducidos en generadores y en dirección opuesta en motores. Por lo tanto, cuando un conductor de la armadura pasa bajo un carbón, su corriente debe invertirse de un valor dado en una dirección al mismo valor en la dirección opuesta. A esto se llama “conmutación”
2.6 DESVENTAJA Los interpolos no deben ser tan robustos sin embargo, puesto que cancelan únicamente los voltajes L di/dt en los devanados y no los voltajes debidos al desplazamiento del plano neutral.
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3 CONCLUSIONES El problema de las maquinas de corriente continua es su fabricación ya que se debe analizar y escoger el mejor diseño para evitar muchas pérdidas. Las maquinas de corriente continua son más eficaces, pero así como tiene ventajas también tiene desventajas como por ejemplo los devanados de compensación de la máquina de corriente continua son demasiados costosos ya que deben maquinarse las caras de los polos y todo motor que los utilice deben tener interpolos ya que los devanados de compensación no cancelan los efectos L di/dt. 4 REFERENCIAS [1] “Maquinas corriente continua” disponible en: http://www.monografias.com/trabajos79/maquinas-corriente-continua/maquinas-corriente-continua2.shtml [2] “Maquinas DC” disponible en: http://www.taringa.net/posts/ciencia-educacion/9194603/Maquinas-DC.html [3] ”Partes de una maquina DC” disponible en: http://www.buenastareas.com/ensayos/Partes-De-Una-Maquina-De-c-d/1860051.html
