segunda presentacion federico díaz k
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO
“SANTIAGO MARIÑO”
CÁTEDRA: MÁQUINAS ELÉCTRICAS
ESCUELA: ELÉCTRICA
Profesora:
Ing. Ranielina Rondón
Autor:
Federico Díaz K.
C.I.: 8.284.981
ARMADURA
MOTOR COMPUESTO (COMPOUND)
Los motores compuestos tienen un campo serie sobre el tope del bobinado del campo shunt.
Este campo serie, el cual consiste de pocas vueltas de un alambre grueso, es conectado en
serie con la armadura y lleva la corriente de armadura.
El flujo del campo serie varia directamente a medida que la corriente de armadura varia, y es
directamente proporcional a la carga. El campo serie se conecta de manera tal que su flujo se
añade al flujo del campo principal shunt. Los motores compound se conectan normalmente de
esta manera y se denominan como compound acumulativo.
Esto provee una característica de velocidad la cual no es tan “dura” o plana como la del
motor shunt, no tan “suave” como un motor serie. Un motor compound tiene un limitado
rango de debilitamiento de campo, la debilitación del campo puede resultar en exceder la
máxima velocidad segura del motor sin carga. Los motores D.C. compound son algunas
veces utilizados donde se requiera una respuesta estable de torque constante a través de un
amplio rango de velocidad.
Campo magnético producido por la corriente de armadura
UTILIZACIÓN
Entre otras funciones, siempre se habían utilizado por las prestaciones que tienen en su
regulación y variación de velocidad, pero el avance de la tecnología es imparable y debido a
la electrónica de potencia han aparecido en estos años variadores de frecuencia, chopers (es
un interruptor electrónico que se usa para interrumpir una señal bajo el control de otra,
también se utiliza como regulador electrónico de potencia) y otros elementos que, poco a
poco, están desbancando el motor de corriente continua por el motor de inducción en C.A.
El motor compound acumulativo: se emplea muchísimo en máquinas herramienta,
laminadoras, bombas de pistón, etc.
El motor compound diferencial: prácticamente no tiene aplicaciones debido a que con
motores de c.a. se obtienen mejores características.
Zona Interpolar
(neutro magnético)
b. Electroimán equivalente
de núcleo de hierroa. FMM producida por los conductores portadores de
corriente de la armadura
Figura 1. Flujo de armadura en una dínamo universal.
Tanto en generadores de CD como en los de CA, se produce movimiento relativo entre los
conductores y el campo magnético de tal modo que la dirección de la FEM y de la corriente
en los conductores que están bajo determinado polo es opuesta a la de los conductores que
quedan bajo el polo opuesto. Esto mismo es válido para que los motores de CD y CA
produzcan rotación continua en la misma dirección.
La corriente que pasa por los conductores de armadura, como resultado de voltaje aplicado
al motor, se debe invertir cuando el conductor se mueve bajo un polo de polaridad opuesta.
En el caso del motor de CD, esto se logra mediante el conmutador, que convierte la CD
aplicada a las escobillas en CA en los conductores de armadura. En el caso del motor de
CA, esto se logra mediante el voltaje senoidal que se aplica.
Velocidad, Torque y Potencia (HP)
Las características velocidad - torque dan al motor D-C una versátil aplicación. El torque de
régimen de un motor D.C es dado a una velocidad específica llamada Velocidad Base.
La velocidad base se define como las RPM de un motor D.C cuando opera a:
1.- Corriente de campo de régimen
2.- Voltaje de armadura de régimen
3.- Carga de régimen (Corriente de Armadura)
Los motores D.C generan torque a través de la interacción de los campos magnéticos. El
campo magnético principal es desarrollado por los polos del motor. El campo magnético que
interactúa con el campo magnético principal es producido por la armadura y su amplitud está
determinada por la corriente de armadura. La fuerza depende del flujo, la corriente y la
longitud de los conductores de la armadura. Expresado matemáticamente como:
T = K….Ia (4)
Donde el torque (T) es medido en libra-pié, K es una constante determinada por el número de
polos en la máquina y el número de arreglos de los conductores en la armadura, es el flujo
total por polo en el entrehierro, y Ia es la corriente de armadura en amperios.
Por lo tanto, el torque de un motor shunt con excitación constante varía directamente con la
corriente de armadura. Para un motor serie, el flujo varia con la corriente de la carga excepto
por efectos de saturación así que el torque varia aproximadamente con el cuadrado de la
corriente de la carga.
La característica de torque de un motor compound está entre el shunt y el serie.
Se utilizará como ejemplo un motor de 5 HP con los siguientes datos de placa:
Et = 180 VDC
Ia = 24 Amp, a plena carga
Ra = 0.591Ohm
Velocidad Base: 1750 rpm
Condición Et N Ec Ia Ia.Ra
A 180 V 0 RPM MAX 0 V 305 A 180 V
B 180 V 500 RPM MAX 47.38 V 224.4 A 132.62 V
C 180 V 1500 RPM MAX 142.1 V 22.4 A
Asumiendo una carga del 75% de la nominal = 18 Amp.
Calculemos la relación Volts/RPM de la Ec.
Et = Ec + Ia.Ra Ec = Et - Ia.Ra = 180 VDC - (24 x 0.591)
Ec = 180 - 14.184 = 165.81 VDC
Volts./ RPM = 165.816/1750 = 0.094752 VDC/RPM
Para observar el efecto del voltaje y la corriente sobre la velocidad y el torque, la tabla # 1
será útil.
Tabla # 1
Neutro magnético (con carga)
b. Flujo de campoa. Flujo de armadura c. Distorsión resultante del flujo de campo
producida por el flujo de armadura
Neutro
magnético
(con carga)
Figura 2. Interacción de los flujos de la armadura y de campo para desplazar
el plano neutro magnético.
Existen dos fuerzas magnetomotrices primarias y flujos que trabajan en el dínamo. Uno es el
flujo de armadura, que se acaba de describir, y el otro es el flujo de campo producido por los
devanados de campo alrededor de los polos N y S de la máquinas bipolar
Los Efectos del Flujo de Armadura sobre el Flujo de Campo
La interacción de esos dos flujos se muestra en la figura 2. El flujo de armadura se muestra en
la figura 2a, con su fasor de campo magnético resultante Φa , producido por la fuerza
magnetomotriz de la armadura ( Ia Na ). El flujo de campo principal se muestra en la figura
2b con su fasor Φf producido por la fuerza magnetomotriz de campo ( If Nf ). La suma
fasorial de las dos fuerzas magnetomotriz aparece en la figura 2-c como el flujo resultante
Φr. Obsérvese que en esa figura el flujo de campo que entra a la armadura no sólo esta
desplazado, sino distorsionado. El corrimiento ha originado que el neutro magnético se
desplace en el sentido de las manecillas del reloj, conservándose perpendicular al flujo de
campo resultante. La distorsión que se muestra en la figura 2c ha producido una
concentración del flujo (aumento de la densidad del flujo) en un extremo polar, y una
reducción del flujo (menor de la densidad de flujo) en el otro extremo del mismo polo.
El diagrama fasorial de la figura 2c podría dar la impresión de que el flujo resultante Φ, es
ahora mayor que el flujo original de campo Φf, habiendo sido aumentado por el flujo
perpendicular de la armadura Φa.
Sin embargo, esto no es cierto debido al efecto de la saturación de uno de los extremos
polares de cada polo.
Suponiendo que los polos estuvieran saturados normalmente, el efecto de un
desplazamiento del neutro magnético es crear una trayectoria de mayor reluctancia para
el flujo resultante Φr y una mayor saturación de parte de cada uno de los polos. Por
tanto, el efecto neto de la reacción de armadura es doble:
1.- Una distorsión de campo principal en el cual el flujo mutuo en el entehierro ya no
está distribuido uniformemente bajo los polos, y se ha desplazado el plano neutro.
2.- Una reducción del flujo de campo principal.
S NN
Φr
Φr
Φa
Φf
a.
b.
c.
Neutro Neutro
Φa
Φf
Neutro con
carga
Neutro con
carga
En la figura 3 se visualiza una Dinamo
Universal Multipolar, en el cual se logra
observar que los conductores de la
armadura se mueven con respecto al
campo magnético, o viceversa. Se
muestra la dirección de la corriente en los
conductores de armadura, que es la misma
que se encuentra en la figura 1.
Figura 3.
S NN
Φr
Φr
Φa
Φf
a.
b.
c.
Neutro Neutro
Φa
Φf
Neutro con
carga
Neutro con
carga
Figura 3.
b) Distribución del flujo de armadura , Φa, producida por
la carga, Fig.: 2a
a) Distribución del flujo mutuo de entrehierro, Φf, Fig.: 2b
c) Distribución del flujo resultante de entrehierro, Φr, Fig.: 2c
La suma gráfica de las dos ondas aparece en la figura 3c, donde es evidente la distorsión de la
forma de onda de campo que resulta. La apariencia de onda casi cuadrada de la distribución
del flujo de campo principal en la figura 3a se ha distorsionado debido a la forma casi
triangular de la onda de flujo de armadura. En lugar de ello, tiende a concentrarse hacia el lado
derecho de cada polo.
Dado que este aumento en la saturación, o en la densidad de flujo del lado derecho de cada
polo esta producido sólo por la dirección de la corriente de armadura, es independiente de:
1. La dirección del giro
2. De si la dinamo es motor o generador, y
3. De si la dinamo es de CA o CD.
Un análisis armónico de las ondas indicarían también una reducción del efecto sustractivo que
produce el flujo de armadura sobre el flujo de campo principal, haciendo caso omiso de los
efectos de la saturación. Esta misma onda de flujo resultante Φ, se puede demuestra en el
laboratorio, con un generador especial que cuente con una bobina exploratoria de armadura
cuyos extremos se hayan sacado a unos anillos rozantes. La naturaleza del voltaje que se
induce en esta bonina bajo carga puede revisarse en un osciloscopio. Las mediciones del
laboratorio indican una reducción en el flujo mutuo resultante en el entrehierro, de
aproximadamente 1 a 5 por ciento, desde sin carga o en vacío, hasta plena carga, como
resultado de la reacción de armadura.
El desplazamiento del neutro con carga mostrado en la figura 3c de su plano neutro original
mostrado en las figuras 1, 2, 3a y b puede tener serios efectos tanto en el funcionamiento del
generador de CD como del motor de CD. Por ejemplo en el caso de un generador de CD la
bobina cuyos conductores están marcados con x-x se encuentra originalmente en el plano
neutro (Fig. 3), y por tanto no experimenta cambio en los eslabonamientos de flujo. Como
consecuencia de esto, esta bobina estará normalmente cortocircuitada por las escobillas. En la
figura 3c, sin embargo, si las escobillas permanecen en el plano neutro original, la bobina que
esta siendo conmutada (cortocircuitada) está experimentando la mayor variación en
eslabonamiento de flujo en comparación con cualquier otra bobina bajo el polo.
Si los conductores cruzan el flujo estando conectados en cortocircuito por las escobillas, el
voltaje que se induce en ellos puede ser suficiente para producir una fuerte corriente de
circulación y chisporroteo en las escobillas cada vez que una bobina nueva llega al lugar de la
bobina x-x-. Además, como las escobillas de un generador de CD se colocaron en un punto
mínimo en la bobina, pero de trayectoria de máximo voltaje, es obvio que se deben desplazar
al nuevo neutro magnético para obtener voltaje máximo, pero, ¿en cuál dirección? Puesto que
no se especifico la dirección del giro en la descripción anterior, surge la pregunta de cómo se
deben correr las escobillas en un motor o generador, en términos de la dirección de giro.
Comparar el desplazamiento del plano neutro en el
generador con el desplazamiento en el motor
Figura 4. Comparación del desplazamiento del neutro de carga para el generador y el motor, misma dirección de giro
En la figura 4a se muestra un generador de CD, en el cual los
conductores de armadura giran en el sentido de las
manecillas del reloj por acción de un primomotor. Mediante
la regla de la mano derecha, que es la que se indica. Bajo
carga, la fuerza magnetomotriz de armadura produciría un
flujo resultante como el que se indica, y el neutro bajo carga
también se desplazaría en la dirección de las manecillas del
reloj, que es la dirección de rotación que se indica en la
figura.
En la figura 4b se muestra un motor de CD, y la dirección de
la corriente que produce el voltaje de la armadura en los
conductores de ésta se diseña para que produzca rotación en
el sentido de las manecillas del reloj (regla de la mano
izquierda). El flujo de armadura que producen estos
conductores (regla del sacacorchos derecho) producirá un
efecto tal sobre el flujo de campo que el flujo resultante y su
neutro perpendicular bajo carga se desplazan en el sentido
contrario al de las manecillas del reloj, el sentido contrario
del giro que se indica en la figura. También, adviértase que
en el caso del generador, el flujo siempre se concentra en la
extremidad polar de salida, o en la zaga del extremo polar; es
decir el último extremo polar encontrado por un conductor en
una armadura en movimiento; mientras que para un motor, la
densidad de flujo es mayor en la extremidad polar de entrada.
Si se hace funcionar una dínamo de CD como generador, es necesario avanzar las escobillas
en la dirección del giro a media que aumenta la carga. Si ha de trabajar como motor, será
necesario mover las escobillas contra la dirección del giro, al aumentar la carga. El fabricante
se da prefecta cuenta de que el cliente podría usar una dínamo de CD dada en aplicaciones
tanto de motor como de generador. Además, el cliente no deseas preocuparse de los detalles de
desplazamiento de los neutros de escobillas. Es claro que se necesita determinado medio de
compensación de la reacción de armadura para evitar la necesidad de desplazar las escobillas,
tanto cuando cambia la aplicación como cuando cambia la carga.
Es obvio que no puede uno atender una dínamo en forma continua y desplazar las escobillas
de acuerdo con las variaciones de carga y las aplicaciones (como generador o como motor).
Es necesario un método automático en el cual se compensen los efectos de la reacción de
armadura o en el cual se neutralicen los factores que la causan. A continuación describiremos
algunos de los diversos métodos de compensación de los efectos de la reacción de armadura.
Extremos de Polos de Gran Reluctancia
Como se muestra en la figura 4 la densidad de flujo aumenta en la extremidad polar de salida
en el caso de un generador, y en la extremidad polar de entrada si se trata de un motor. En
cada caso, la concentración del flujo ocasiona un desplazamiento del neutro magnético al
entrar el flujo a la armadura.
Si se pudiera evitar que la densidad de flujo aumentara en cualquiera de las extremidades
polares, se resolvería la situación porque el flujo entraría a la armadura sin desplazar al plano
neutro. Esta técnica se muestra en la figura 5a, en el cual el centro del polo está más cerca de
la circunferencia periférica de la armadura que de las extremidades polares. Con este método,
la superficie redondeada de la zapata polar no es concéntrica con la superficie de la armadura:
el círculo de la primera es mayor que el de la segunda. La mayor reluctancia en las
extremidades, debido al mayor entrehierro, forza al flujo de campo a concentrarse al centro
de los núcleos de los polos de campo.
Métodos para Compensar los Efectos de la Reacción de Armadura
También se logra un resultado semejante, como se muestra en la figura 5b, al armar las
laminaciones del polo de campo; las mismas laminaciones troqueladas se invierten
alternadamente. El efecto es producir una sección transversal, como se muestra, en la cual el
centro del núcleo del polo tiene más entrehierro que los extremos polares de entrada o salida,
y por tanto, menos reluctancia al centro. Esto produce un efecto semejante al que se muestra
en la figura 5a, evitando que se desplace el flujo de campo principal y el plano neutro.
Reducción del Flujo de Armadura
Otra técnica de fabricación es tratar de tener una reducción en el flujo de armadura sin reducir
el flujo de campo principal. El método que se emplea en este caso es crear una alta
reluctancia en el trayecto del flujo de armadura, de magnetización cruzada o cuadratura, sin
afectar materialmente la trayectoria del flujo de campo principal.
Mediante el empleo de laminaciones troqueladas en forma de ranura de los núcleos polares,
como se indica en la figura 6, se introducen varios entrehierros en la trayectoria de flujo
magnético en la armadura sin afectar materialmente la trayectoria de flujo de campo. Así, se
reduce bastante el flujo de armadura, pero el flujo de campo queda esencialmente sin variar.
Biselando las laminaciones de campo, como se muestra en la figura 6a, se puede usar con
mucha eficacia y sin gran costo la combinación de los dos métodos porque sólo se necesita un
dado un poco mas complicado para troquelar las laminaciones de campo.
DEVANADOS DE COMPENSACIÓN
Las dos técnicas mecánicas que se acaban de describir tiene una desventaja principal porque
no contrarrestan los efectos de las altas corrientes y fuerzas magnetomotrices de armadura
debidas a grandes cargas.
En las dinamos grandes de CD, aun las que tienen superficies polares biseladas y laminaciones
de campo ranuradas, las grandes corriente de armadura producen el suficiente flujo magnético
para tener una distorsión de flujo en el entrehierro, y el desplazamiento consecuente del neutro
magnético.
Por tanto, en las grandes dínamos se emplea un método eléctrico en el cual se neutraliza o
contrarresta el flujo de armadura, mediante un devanado en el circuito de armadura, cuyo
efecto varía con la corriente de ésta. Al devanado se le llama devanado de compensación,
devanado de cara polar, o devanado de Thomson Ryan, en honor de sus diseñadores.
Como se muestra en la figura 7, el devanado se inserta en ranuras de la cara de las zapata polar
estacionaria. No es necesario tener el mismo número de ranuras o conductores en el devanado
de compensación, que de conductores en la superficie de armadura. El hecho importante es
que el número de conductores en cada cara polar multiplicado por la corriente de línea o de
armadura, debe ser igual al número de conductores de cada polo multiplicado por la corriente
en los conductores de armadura por trayectoria. Esta equivalencia en la fuerza magnetomotriz
se expresa mediante la siguiente ecuación:
Zp = es el número de conductores de cara polar de cada polo
Za = es el número de conductores activos de armadura bajo cada polo
a = es el número de trayectorias paralelas en la armadura
It = es la carga o la corriente total que entra a la armadura
Ia = es la corriente que conduce cada conductor en la armaduraEcuación A.
Figura 7. Empleo del devanado de compensación para neutralizar la fuerza magnetomotriz de
armadura
Despejando Zp de la ecuación A, el número de conductores de cara polar por polo es:
Zp = Za
a
Dado que los conductores equivalen a una vuelta de hecho la ecuación (A) establece que la
fuerza magnetomotriz de la cara polar (ItNp) contrarresta a la fuerza magnetomotriz de los
conductores de armadura (IaNa). Se puede calcular el número de conductores de compensación
en la cara mediante la ecuación (A) o (B).
Ecuación B.
La acción de los conductores de cara polar, como se dijo antes y como aparece en la figura 7
es producir una fuerza magnetomotriz igual y opuesta a la de armadura. De hecho, el
devanando de compensación desmagnetiza o neutraliza el flujo de armadura que producen los
conductores de ésta que pasan bajo los polos. Si la carga aumenta o disminuye, la corriente en
el circuito de armadura y en el devanado de compensación variara en proporción exacta con
la fuerza magnetomotriz de la armadura de modo que ésta se neutraliza, teóricamente, para
todas las condiciones de carga. Obsérvese en la figura 7 que el devanado de compensación
produce una fuerza magnetomotriz igual y opuesta a la que producen los conductores de
armadura, excepto en la zona interpolar.
Métodos para Compensar los Efectos de la Reacción de Armadura
Desafortunadamente, mientras que el devanado de compensación neutraliza la fuerza
magnetomotriz de la armadura que producen aquellos conductores que quedan directamente
bajo los polos no neutraliza la que producen los conductores que quedan en la región
interpolar (x-x- y y-y- en la figura 7).
Estos conductores siguen produciendo un flujo de armadura de magnetización
cruzada que no está compensado. Aun se presentarían los efectos de chisporroteo y
sobrecalentamiento de las escobillas en las dínamos grandes que sólo usaran
devanados de compensación de cara polar. Estos efectos se deben a lo siguiente:
1. A los conductores de armadura sin compensación en la región interpolar.
2. Al proceso mismo de conmutación, que veremos ahora.
Como se muestra en la figura 1-7 para todas las dínamos, los conductores de
armadura bajo un polo dado tendrán una cierta dirección de corriente; y cuando se
mueven bajo un polo opuesto, se invierte la dirección de la corriente. Todas las
dínamos de CD y algunas de CA están equipadas de conmutadores. El objeto del
conmutador y sus escobillas asociadas es:
1. En el caso de un generador, cambiar la corriente alterna que se genera a
corriente directa externa; o bien, en el caso de un motor, cambiar la corriente
directa, que se aplica externamente, en corriente alterna cuando se mueven los
conductores pasando alternativamente bajo los polos opuestos, para producir la
rotación en el mismo sentido.
2. Lograr una transferencia de corriente entre una armadura móvil y las escobillas
estacionarias
En la figura 8 se muestra el paso de la corriente entre las bobinas, los segmentos o barras del
conmutador, y una escobilla, para el caso de un generador de CD. Este generador en especial
tiene un devanado de armadura que produce dos trayectorias, es decir, un devanado
imbricado símplex de dos polos, o uno símplex ondulado con cualquier número de par de
polos. Las bobinas conectadas en serir de la trayectoria 1 y 2 llevan la FEM inducida y la
corriente que toma la carga hacia la escobilla positiva. Así, las bobinas de la trayectoria 2
conducen corriente que entra a la escobilla positiva en el segmanto b del conmutador y las
bobinas de trayectoria 1 conducen corriente en la dirección opuesta, que entra a la escobilla
positiva en el segmento c del conmutador. Ya que el esquema de la figura 8 representa un
proceso dinámico, es evidente que, durante un corto periodo, una bobina dada en la
trayectoria 2, que conduzca corriente en una dirección, despues de pasar por la conmutación y
la escobilla, se transforma en una bobina conectada en serie en la trayectoria 1 conduciendo
corriente en la dirección contraria.
Figura 8. Trayectoria de corriente en un generador de CD.
Bibliografía
http://books.google.co.ve/books?id=5hJzpimPyXQC&pg=PA148&lpg=PA148&dq=Campo+
magn%C3%A9tico+producido+por+la+corriente+de+armadura.&source=bl&ots=VyL1yLBg
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Maquinas Electricas y Transformadores
Irving L. Kosow Ph. D.
Segunda Edición - 1993
• http://html.rincondelvago.com/motores-de-corriente-continua.html
• http://electricidad-viatger.blogspot.com/2008/04/motores-de-corriente-continua.html
• http://www.areatecnologia.com/La_dinamo.htm