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Las máquinas de CC son como las máquinas de CA en el sentido de que contienen voltajes y corrientes de CA en su interior. Las máquinas de corriente continua tienen una salida de CC porque hay un mecanismo, llamado conmutador, que convierte los voltajes de CA internos en voltajes de CC en los terminales de salida. Ya hemos estudiado el comportamiento de una máquina en el capítulo 76 en 5.1 - Generador de energía DC Electric (haga clic aquí!). En ese momento, usábamos ejemplo una maquina formada por una sola vuelta. Sin embargo, en una máquina real tenemos muchas vueltas formando una bobina que estará alojado en ranuras de un cilindro, formado por varias láminas yuxtapuestas de hierro al silicio, constituyendo un núcleo ferromagnético. Este cilindro, llamado rotor, tiene varias ranuras para alojar varias bobinas que forman el llamado bobinado de armadura. Los extremos de todas las bobinas están conectados al interruptor. Y las escobillas están en contacto directo con el conmutador, siendo las responsables del flujo de corriente en el interior de la máquina.

En la Figura 102-01 vemos las diversas partes que componen un motor de CC, excepto las escobillas. Tenga en cuenta que el rotor está centrado dentro de la máquina y soportado por cojinetes para que pueda girar libremente con la menor cantidad de fricción. Rodeando al rotor se encuentra el llamado estator, donde se encontra los polos de campo responsables de producir el campo magnético necesario para el perfecto funcionamiento de la máquina. En la imagen de arriba tenemos un par de postes. La construcción de la máquina prevé que mientras uno de los polos esté norte, el otro estará sur, alternativamente. Así, en una máquina, ya sea de corriente continua o alterna, siempre debemos tener un número par de polos, como 2, 4, 6, etc... Asi, tantos veces se habla de un número de pares de polos. Podemos tener 1 par de polo, 2 pares, 3 pares, etc...

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3.   Conmutación en una Máquina de CC

La conmutación es el proceso más crítico en el diseño y funcionamiento de las máquinas de CC. Para estudiar este proceso de convertir voltajes y corrientes de CA a corrientes y voltajes de CC en la armadura de una máquina de CC, veamos el proceso en un diseño simple de una máquina de cd para determinar cómo se lleva a cabo el proceso de conmutación y qué problemas están involucrados en este proceso. Supongamos una máquina que tiene cuatro vueltas completas alojadas en cuatro ranuras abiertas en el acero laminado de su rotor. La máquina tiene dos polos, como se ve en la Figura 102-02. La figura muestra la posición del rotor cuando ω t = 0°.

Nótese que las caras de los polos son curvas, siguiendo la curvatura del rotor, con un pequeño espacio de aire entre ellos. Manteniendo un espacio uniforme, obtenemos una densidad de flujo magnético homogénea en todos los puntos por debajo de las caras de los polos. La Figura 102-02 también muestra que los devanados de la máquina están alojados de una manera especial en el surcos. Para cada bucle, el lado del bucle sin la marca de línea (' ) es el conductor que está en la parte más externa de la ranura, mientras que el lado con la marca de línea (' ) es el conductor que está en la parte más interna de la ranura diametralmente opuesta. Las conexiones de bobinado con el interruptor en la máquina se muestran en Figura 102-04. Observe que el bucle 1 se extiende entre los segmentos a y b del conmutador, bucle 2 se extiende entre los segmentos b y c y así sucesivamente alrededor del rotor.

Las conexiones de los devanados al conmutador en una máquina real se pueden ver en la Figura 102-03.

En el instante que se muestra en la Figura 102-04, los lados 1, 2, 3' y 4' de los bucles son debajo de la cara del polo norte, mientras que los lados 1', 2', 3 y 4 de los bucles son bajo la cara del polo sur. El voltaje en cada uno de los lados 1, 2, 3' y 4' de las espiras viene dada por eq. 102-01 con el positivo apuntando hasta fuera de la página.

En este punto, hacemos una pausa para explicar qué le sucede a un conductor cuando se mueve bajo la influencia de un campo de inducción magnética constante, B.

El campo eléctrico, a su vez, da lugar a una diferencia de potencial eléctrico entre los dos extremos del conductor en movimiento. Entonces podemos escribir:

Podemos analizar qué tensión se genera en el devanado del inducido cuando el rotor está en posición ω t = 0°. Para ello, nos basaremos en la Figura 102-05, donde se muestra la posición de las escobillas con relación al conmutador. Tenga en cuenta que las escobillas es en el centro del conmutador, sin cortocircuitar ningún devanado. Por tanto, la tensión que vamos a obtener en las escobillas es la suma de las voltajes obtenidos por los cuatro devanados superiores. Dado que cada devanado produce un voltaje igual a e, entonces los cuatro devanados en serie producirán un voltaje terminal E_A igual a 4 e. Para el caso de cuatro devanados a continuación tenemos la misma situación. Por lo tanto, los dos juegos de devanados están en configuración paralela.

A medida que el rotor gira, mientras la escobilla permanece en contacto con un solo elemento del conmutador, el voltaje de salida será 4 e. Pero, ¿qué sucede con el voltaje generado si las escobillas están en contacto con dos elementos conmutadores adyacentes? Este caso ocurre cuando estamos en la condición ω t = 45°. Esto es lo que muestra Figura 102-06.

Tenga en cuenta que en este momento las escobillas de la máquina cortocircuite los segmentos a-b y c-d. esto sucede exactamente en el momento en que las espiras entre estos segmentos tienen 0 V, de modo que acortar los segmentos no causa problemas. En ese instante, solo las vueltas 2 y 4 están debajo de las caras de los polos, de modo que la tensión en los terminales E_A sea igual a 2 e.

Es importante tener en cuenta que estas dos situaciones anteriores se repiten cada 45° giro del rotor. Así, a 90° tendremos la misma situación que ω t = 0°. Aunque, en este caso, hay una inversión en la polaridad de la tensión de armadura, el cambiador de tomas también invierte las conexiones de las bobinas, dando como resultado E_A = 4 e. Lo mismo va para ω t = 135° y el ciclo se repite cada 45° de rotación del rotor.

Esto es lo que muestra el diagrama de la Figura 102-07. Tenga en cuenta que el voltaje del inducido es igual a 4 e mientras que la bobina está debajo de los polos. Entre los polos el voltaje cae a 2 e.

Debemos prestar atención a que los valores calculados anteriormente son para la máquina hipotética con solo cuatro vueltas. Para una máquina real, donde el número de vueltas es mucho mayor, tendremos otros valores que hay que calcular. Así, aumentando el número de vueltas en el rotor, más se acercará el voltaje del inducido a un voltaje CC perfecto.

Cabe mencionar una característica común a todos los sistemas de conmutación, que es la existencia de dos caminos paralelos para el corriente dentro de la máquina.

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4.   Curva de Magnetización en Máquinas de CC

La máquina de corriente continua, ya sea motor o generador, al girar produce una tensión eléctrica interna que llamaremos de E_A, y viene dada por eq. 102-02.

Por lo tanto, como se desprende de la ecuación anterior, el voltaje E_A es directamente proporcional al flujo y la velocidad de rotación de la máquina. Aquí hay una pregunta: ¿cuál es la relación entre el voltaje E_A y la corriente de campo de la máquina?

Cuando estudiamos transformadores, vimos que al aplicar una corriente eléctrica en un devanado, aparecía una fuerza magnetomotriz. En las máquinas de corriente continua les pasa lo mismo. Entonces, cuando aplicamos corriente al devanado de campo, produce una fuerza magnetomotriz dada por eq. 102-03.

Esta fuerza magnetomotriz produce un flujo magnético en la máquina según la curva de magnetización. Es muy práctico representar la curva de magnetización en un gráfico E_A x I_F para una velocidad dada ω_o, ya que sabemos que la corriente magnetizante es directamente proporcional a la fuerza magnetomotriz y el voltaje E_A, directamente proporcional al flujo magnético. En la Figura 102-08 podemos ver un curva de magnetización.

Para obtener la máxima potencia posible por kilogramo de una máquina, la mayoría de los motores y generadores está diseñado para operar cerca del punto de saturación en la curva de magnetización (es decir, codo de la curva). En consecuencia, a menudo se requiere un gran incremento en la corriente de campo para obtener una pequeña aumento en E_A cuando el punto de operación está cerca de la carga completa.

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5.   Problemas de Conmutación

Como se estudió en el ítem 3, el proceso de cambio, según [26], no es tan sencillo en la práctica como parece en la teoría. Básicamente tenemos dos problemas: uno es la reacción del inducido y el otro se conoce como las tensiones L di/dt. Inicialmente, estudiaremos la reacción de armadura

    5.1   Reacción de Armadura

Hemos visto que los polos de la máquina de CC producen el campo magnético necesario para que la máquina funcione como motor o como generador. El rotor, en el que se aloja el devanado del inducido, está bajo la influencia de este campo. Si la máquina no tiene rotación, no tenemos tensión inducida en el devanado del inducido. Sin embargo, si el rotor comienza a girar, un tensión inducida en el devanado del inducido y, como consecuencia, tendremos una corriente eléctrica circulando por el devanado generando su propio campo magnético. Así que ahora tenemos dos campos magnéticos que van a interactuar entre sí. Un campo magnético debido al devanado de campo y el otro debido al devanado de armadura. Esta interacción entre los dos campos distorsionará el campo original proporcionado por los polos de la máquina. Cuanto mayor sea la carga conectada al motor o generador, mayor será la distorsión del flujo magnético en el entrehierro.

Esta distorsión en el flujo de la máquina se conoce como reacción de armadura. Esto da lugar a dos problemas graves en máquinas de corriente continua. El primero es el llamado desplazamiento del plano neutro. El plano magnético neutro, también conocido como neutro magnético, se define como el plano interior de la máquina donde se encuentra la velocidad de los conductores del rotor exactamente paralelo a las líneas de flujo magnético, de modo que en este caso el voltaje inducido en los conductores es cero, es decir, el resultado esta dado por ε_ind = 0.

Para comprender mejor el efecto de distorsión del flujo magnético, observemos la Figura 102-09, donde en la primera ilustración solo aparece el flujo del devanado del inducido, cuya dirección es de arriba hacia abajo. En la segunda ilustración sólo aparece el flujo del devanado de campo, cuya dirección y sentido es de izquierda a derecha. Y en la tercera ilustración vemos la interacción entre los dos flujos mostrando la distorsión que se produce en el flujo resultante.

Considerando el campo magnético generado por el campo que devana un valor constante, es decir, siendo I_F = cte, la dirección y sentido del flujo magnético dependerá de la corriente de armadura I_A. Es decir, si la carga es pequeña, entonces la distorsión del flujo es pequeño. Y al aumentar la carga, aumenta la distorsión del flujo. Mirando el gráfico vectorial de la derecha, es clara la variación del ángulo θ en función de la corriente de armadura I_A. Como resultado de esto interacción entre los campos, hubo un desplazamiento del lugar donde el voltaje inducido ε_ind en el conductor sería null.

Entonces, en el caso de un motor, el plano magnético neutro está desplazado en la dirección de rotación del rotor.

Entonces la pregunta es: ¿cuál es el problema con cambiar el plano neutral?

Además del problema informado anteriormente, tenemos un segundo problema causado por la reacción del inducido, que es el Debilitamiento del flujo magnético. Este debilitamiento se debe a la resta entre el flujo suministrado por el devanado campo y el devanado del inducido. Dado que la mayoría de las máquinas eléctricas funcionan con densidad de flujo magnético cerca del punto de saturación, en los lugares de las superficies polares donde se suma la fuerza magnetomotriz (fmm) del rotor a la fuerza magnetomotriz de los polos, sólo se produce un pequeño incremento de flujo magnético. Sin embargo, en los lugares de superficies polares donde la fuerza magnetomotriz del rotor se resta de la fuerza magnetomotriz de los polos, un gran disminución del flujo magnético. Así, podemos afirmar que:

Esto causa problemas tanto en los motores como en los generadores. En los generadores, la consecuencia es una reducción en el voltaje de salida del generador para cualquier carga dada. En motores, el caso es más grave. Sabemos que cuando disminuimos el flujo, la velocidad del motor aumenta. Sin embargo, aumentar la velocidad de un motor puede aumentar su carga, lo que resulta en un mayor debilitamiento del flujo, lo que a su vez aumenta aún más la velocidad, generando una reacción en cadena. Esto puede conducir a una situación fuera de control, lo que lleva a un apagado de la fuente de alimentación del sistema de protección o la destrucción del motor.

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    5.2   Tensión L di/dt

Otro problema importante (según Chapman, [26]) es el llamado voltaje L di/dt que se presenta en los segmentos del conmutador que están en cortocircuito por las escobillas, a veces llamado voltaje de pico inductivo. Para entender mejor este problema, veamos un ejemplo. suponiendo que la corriente eléctrica que circula por la escobilla es de orden de 400 A. Por lo tanto, la corriente en cada camino es 200 A. Así, cuando se coloca un segmento de interruptor en cortocircuito, la corriente en ese segmento debe invertirse. La pregunta es:

¿Qué tan rápido debe ocurrir esta reversión?

Suponiendo que la máquina está funcionando a 800 rpm y hay 50 segmentos en el interruptor (un número razonable), cada segmento del conmutador pasa por debajo de una escobilla y lo deja en t = 0,0015 s. Entonces, la tasa de cambio de la corriente en relación con el tiempo de bucle reducido, debe ser promedio

Incluso considerando una inductancia mínima para el bucle, el efecto inductivo genera un pico de tensión (L di/dt) muy significativa, provocando a través de esta alta tensión inducida los mismos problemas de chispas en las escobillas que cuando estudiamos el problema de la reacción del inducido, es decir, el desplazamiento del plano neutro.

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6.   Solución de Problemas de Conmutación

Ante los problemas de conmutación que enfrentan las máquinas de CC, se desarrollaron tres posibles enfoques para corrección parcial o total de la reacción del inducido y de las tensiones L di/dt. Son ellas:

Estudiemos cada uno de ellos por separado.

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    6.1   Desplazamiento de las Escobillas

Este fue uno de los primeros intentos de resolver las chispas de las escobillas. Cómo supiste que cuando la máquina recibiera una carga, su neutro magnético se desplazaría, por lo que la pregunta obvia es: ¿por qué no desplazar las escobillas hasta suprimir chispas? En un principio parece una buena idea, pero trae consigo una serie de problemas relacionados con este desplazamiento. Uno de esos problemas es que si la carga cambia, entonces el neutro magnético también cambia. Por lo tanto, concluimos que cada vez que la carga varía debemos reajustar la posición de las escobillas. Pero el desplazamiento de las escobillas trae otro problema: el efecto del debilitamiento del flujo magnético causado por la reacción del inducido se agrava. Esto se debe a dos factores:

Debido a estos problemas, este método dejó de utilizarse a principios del siglo XX.

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    6.2   Conmutación de Polos o Interpolos

Otra idea para reducir o eliminar el problema de las chispas fue la de cambiar los polos (según Chapman, [26]). Básicamente, la idea consistía en cancelar el voltaje en los conductores que estaban en conmutación, eliminando el problema de las chispas. Entonces come inserción de pequeños polos ubicados a medio camino entre los polos principales, estos polos de conmutación se colocan justo encima de los conductores que pasan por el interruptor. De esta forma, el proceso se reduce a proporcionar un flujo magnético exacto de tal forma que la tensión inducida en ellos por estos polos anula la tensión inducida desde los polos principales. Y así eliminamos el problema de las chispas.

Los polos de conmutación son tan pequeños que afectan solo a los pocos conductores que están en el proceso de pasar por el cambio, sin interferir de ninguna manera con el funcionamiento de la máquina. Tenga en cuenta que la reacción de armadura debajo de la cara de los polos principales no se ve afectada porque los efectos de los polos de conmutación son pequeños, restringidos a los conductores de interés y, por lo tanto, no interfieren con el debilitamiento del flujo magnético de la máquina.

Pero la pregunta importante es: ¿cómo lograr la cancelación de voltaje en los segmentos del interruptor para todos valores de la carga? La respuesta es simple. Realice una conexión serie de los devanados interpolares con los devanados de la armadura

Así, a medida que aumentan la carga del rotor y la corriente del inducido, el desplazamiento del plano neutro y los efectos L di/dt también crecen. Estos efectos se suman a un aumento en el voltaje inducido en los conductores. que están cambiando. Pero, el flujo magnético del interpolo también aumenta a medida que se conecta en serie con la armadura. Si aumenta la corriente de armadura, aumenta el flujo entre polos. El resultado final es que hay una cancelación de efectos sobre una amplia gama de valores de carga.

Cabe señalar que los interpolos funcionan correctamente, ya sea que la máquina esté funcionando como motor o como generador. Esto se debe a que cuando la máquina cambia de funcionamiento de motor a generador, se produce una inversión en el sentido de la corriente del interpolos. Pero resulta que la corriente de armadura también se invierte. Con esto se neutraliza el efecto de la inversión de los interpolos. Por tanto, mantenemos el perfecto funcionamiento de la máquina, ya sea como motor o como generador.

¿Qué polaridad debe tener el flujo magnético en los interpolos?

Tenga en cuenta que en los conductores que están conmutando, los interpolos deben inducir un voltaje opuesto al voltaje causado por el desplazamiento del plano neutro y por los efectos L di/dt. En el caso de un generador, el plan el neutro se mueve en la dirección de rotación. Esto significa que los conductores de conmutación tener la misma polaridad de voltaje que el polo anterior que acaba de quedarse atrás.

Para oponerse a este voltaje, los interpolos deben tener flujo opuesto, es decir, el flujo del siguiente polo. En un motor, sin embargo, el plano neutral se mueve en la dirección opuesta de rotación. De esta manera, los conductores que están conmutando tienen el mismo flujo que el polo al que se acercan. Para oponerse a esto voltaje, los interpolos deben tener la misma polaridad que el polo principal anterior que se está alejando y quedando atrás. Entonces, podemos concluir que:

Por lo tanto, debido a su bajo costo y simplicidad en su implementación, los polos de conmutación o interpolos se han convertido en muy común en máquinas DC, especialmente en máquinas con una potencia de 1 HP o más. Cabe señalar que el uso de interpolos no cambia la distribución del flujo magnético debajo de las caras polares. Entonces, el debilitamiento del flujo magnético.permanece presente y sólo podemos vivir con sus efectos.

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    6.3   Devanados de Compensación

En el caso de motores que deben operar con cargas muy grandes, el problema del debilitamiento del flujo alcanza proporciones bastante serio [26]. Para cancelar completamente la reacción de la armadura, eliminando así simultáneamente la debilitamiento del flujo y desplazamiento del plano neutro, se desarrolló un enfoque diferente. Esta tercera técnica consiste en añadir el llamado devanado de compensación. Este devanado está alojado en ranuras abiertas en las caras de los polos, paralelos a los conductores del inducido en el rotor, cancelando así el efecto de distorsión causado por la reacción del inducido. Estos devanados están conectados en serie con el devanado del inducido. Entonces, cambiando la carga mecánica en el eje del motor, se producirán cambios en la corriente del devanado de compensación, eliminando los efectos mencionados anteriormente. Esto es posible ya que la fuerza magnetomotriz debida a los devanados de compensación es igual y opuesta a la fuerza magnetomotriz debida al inducido en cada punto por debajo de las caras de los polos. La fuerza magnetomotriz neta es exactamente la fuerza magnetomotriz debida a los polos. De esta manera, el flujo en la máquina no se ve afectado, independientemente de la carga a la que esté sujeta la máquina.

Una de las principales desventajas de utilizar bobinados de compensación es su alto costo, ya que deben construirse en las caras de los polos. Cabe señalar que cualquier motor que los use también necesitará interpolos, ya que el Los devanados de compensación no cancelan los efectos L di/dt. Por otro lado, los interpolos no necesitan ser tan robusto, porque ahora cancelan solo los efectos L di/dt en los devanados, y no los voltajes debido al desplazamiento del plano neutral.

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7.   Construcción de Armadura en una Máquina de CC

En las máquinas de CC reales, hay varias formas de conectar las vueltas de la armadura (que está montada dentro del rotor) a los segmentos del conmutador. Estas diferentes conexiones afectan el número de caminos paralelos de corrientes dentro del rotor, el voltaje de salida del armadura, el número y la posición de las escobillas con los segmentos del conmutador.

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    7.1   Devanados de Armadura en el Rotor

El devanado del inducido consta de varias vueltas de alambre conductor enrollado en un troquel que forma una bobina. El conductor, en general, es un hilo de diámetro adecuado a la corriente máxima de armadura y aislado por una o varias capas de barniz, o algún tipo de esmalte aislante. Por lo tanto, todos las vueltas de alambre están aislados entre sí. Y para aislar la bobina del inducido del hierro que compone el rotor, se introduce en las ranuras un material aislante como cartón, de espesor y forma adecuados, o también se puede usar materiales ​​como el PVC. Para motores con alta potencia y voltaje de operación, las bobinas están aisladas con cinta protectora que proporcionan un buen aislamiento eléctrico, así como al efecto corona.

Llamamos a cada lado del bucle que forma la bobina del inducido un conductor. Entonces, para determinar el número de conductores del devanado del inducido usamos la ecuación eq. 102-04.

Observe el número 2 en eq. 102-04. Esto se debe a que cada lazo tiene 2 conductores, como podemos ver ver en Figura 102-10.

Normalmente, una bobina cubre 180° eléctrica. Así, cuando un lado de la bobina está debajo del centro de un polo dado el otro lado de la bobina debe estar debajo del centro de un polo que tenga la polaridad opuesta al primero. Recuerde que en una máquina de CC, si la bobina pasa por debajo de un polo norte, el siguiente polo tiene que ser un polo sur. Y así, hay una alternancia de polaridad entre los polos. Esto explica por qué debe haber un número par de polos en una máquina.

La relación entre el ángulo eléctrico y el ángulo mecánico en una máquina dada está dada por eq. 102-05.

Si una bobina abarca 180 grados eléctricos, en todo momento los voltajes a través de conductores en ambos lados de la bobina tendrán la misma magnitud, pero con direcciones opuestas. Tal bobina se llama bobina de paso completo.

Es posible construir una bobina que abarque un ángulo inferior a 180° eléctrico. Tal bobina se llama bobina de paso acortada o fraccional y el devanado del rotor con bobinas de paso acortado se llama devanado acortado. El grado de acortamiento de un devanado se describe por un factor de paso p, que está definido por la ecuación eq. 102-06.

En algunas máquinas se utiliza una pequeña cantidad de acortamiento en los devanados del inducido para mejorar la conmutación. La mayoría de los devanados del rotor son devanados de doble capa, lo que significa que los lados del se insertan dos bobinas diferentes en cada una de las ranuras. Un lado de cada bobina estará en la parte inferior de una ranura y el otro lado estará en la parte superior de otra ranura. Tal construcción requiere que las bobinas individuales estén alojadas en el ranuras del rotor según un procedimiento muy elaborado. Un lado de cada bobina es colocado en la parte inferior de su ranura y, después de que todas las partes inferiores estén en su lugar, el otro lado de cada bobina se coloca en la parte superior de su ranura. De esta manera, todos los devanados se entrelazan, aumentando la resistencia mecánica y uniformidad de la estructura final.

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    7.2   Conexiones a Segmentos del Conmutador

Cuando todos los devanados (bobinas) están instalados en las ranuras del rotor, deben conectado a los segmentos del conmutador. Hay varias formas de hacer estas conexiones y las diferentes configuraciones de bobinado que pueden resultar presentan diferentes ventajas y desventajas.

La distancia (en número de segmentos) entre los segmentos del conmutador al que los dos lados de una bobina están conectados se llama paso del conmutador, que denotaremos por y_c. Si el lado final de una bobina (o un cierto número de bobinas en la construcción línea ondulada) está conectado a un segmento del conmutador que está por delante del segmento al que se conecta el lado delantero, entonces el devanado se llamará devanado progresivo. Si el extremo de una bobina está conectado a un segmento del conmutador que está detrás del segmento al que está conectado el lado bobinado inicial se llamará regresivo (ver Figura 102-11).

Los devanados del rotor (inducido) también se pueden clasificar según la multiplicidad de sus devanados. Un devanado de rotor simple (o simplex) consiste en un solo devanado, completo y cerrado, montado en el rotor. El devanado del rotor doble (o dúplex) se compone de dos conjuntos completos e independiente de los devanados.

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    7.3   Tipos de Devanados

Colectivamente, se dice que todas las armaduras con más de un juego de devanados tienen devanados múltiple (o múltiplex). Por último, los devanados del inducido se clasifican según el secuencia de sus conexiones a los segmentos del interruptor. Hay dos secuencias de conexiones básicas del devanado del inducido: devanados imbricado y devanados ondulados. Además, existe un tercer tipo de devanado, denominado devanado autoecualizado, que combina devanados imbricados y onda en un rotor simple.

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    7.3.1   Devanado Imbricado

El tipo más simple de construcción de devanado que se usa en las máquinas de CC modernas es el devanado imbricado o en serie simple (o simplex). El devanado imbricado es un devanado de rotor que consta de bobinas que contienen uno o más vueltas de cable con ambos lados de cada bobina conectados a segmentos de conmutador adyacentes (Figura 102-11). Si el lado final de la bobina está conectado al segmento que sigue al segmento al que está conectado el lado inicial de la bobina, entonces si este es un devanado progresivo imbricado y y_c = 1. Si el lado final de la bobina está conectado al segmento que precede al segmento al que lado inicial de la bobina, entonces es un devanado regresivo imbricado y y_c = -1. Una característica interesante de los devanados de vuelta simple es:

Si C es el número de bobinas y segmentos de conmutación presentes en el rotor y P es el número de polos en la máquina, entonces habrá C/P bobinas en cada de las rutas de corriente paralelas P que pasan a través de la máquina. El hecho de que haya P rutas de corrientes también requieren que haya tantos escobillas en la máquina como son el número de polos para poder conectar todos los caminos de corriente. El hecho de que haya muchos caminos de corriente en una máquina de polos múltiple hace que el bobinado de vueltas sea una opción ideal para las máquinas de tensión más bien baja y alta corriente, porque las altas corrientes requeridas se pueden dividir entre las diferentes rutas de corriente. Esta división de corriente permite el tamaño de los conductores individuales del rotor sigue siendo razonable incluso cuando la corriente total se vuelve extremadamente alta.

Si un devanado imbricado es doble (o dúplex), habrá dos juegos de bobinados completamente independientes alojados en el rotor y cada segundo segmento del conmutador estará conectado a uno de los conjuntos. Por lo tanto, una bobina el individuo termina en el segundo segmento del conmutador después del segmento donde estaba inicialmente conectado y y_c = ± 2 (dependiendo si el bobinado es progresivo o regresivo). Dado que cada conjunto de devanados tiene tantos caminos de corriente cuanto al número de polos en la máquina, entonces en un devanado imbricado doble habrá el doble de caminos de corriente que el número de polos de la máquina. En general, en un devanado imbricado de multiplicidad m, el paso del conmutador y_c viene dado por ecuación eq. 102-07:

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    7.3.2   Devanado Ondulado

El devanado de ondulado o serie es una forma alternativa de conectar las bobinas desde el rotor hasta los segmentos del conmutador. En el devanado ondulado simple, cada segunda bobina del rotor termina con una conexión a un segmento de conmutador que es adyacente al segmento conectado al comienzo de la primera bobina. Por lo tanto, entre segmentos adyacente al conmutador, hay dos bobinas en serie. Además, como cada par de bobinas entre segmentos adyacentes tienen un lado debajo de cada cara polar, todos los voltajes de salida serán la suma de los efectos de todos los polos y no pueden ocurrir desequilibrios de tensión.

La terminación de la segunda bobina se puede conectar al segmento que está después o antes del segmento en el que comienza la primera bobina. Si la segunda bobina está conectada al segmento después de la primera bobina, el devanado será progresivo o, si está conectado al segmento antes de la primera bobina, el devanado será regresivo, como se muestra en Figura 102-11 (arriba). En general, si hay polos P en la máquina, habrá bobinas P/2 en serie entre segmentos adyacentes del conmutador. Si el número de bobina P/2 está conectado al segmento posterior a la primera bobina, el devanado será progresivo y, si se conecta al segmento antes de la primera bobina, el devanado será regresivo. En un devanado ondulado simple, solo hay dos caminos de corriente. Hay C/2 o la mitad de los devanados en cada ruta de corriente. Las escobillas de este máquina estará separada entre sí por un paso polar completo.

¿Cuál es el paso del conmutador para un devanado ondulado?

Para el caso en que el devanado de la onda sea de multiplicidad mayor que uno, entonces la ecuación que da el paso del conmutador es la eq. 102-9a

Dado que solo hay dos caminos de corriente a través de un solo rotor de devanado ondulado, solo dos escobillas para recoger la corriente son necesarios. Esto se debe a que los segmentos que se cambian conectan los puntos del mismo voltaje bajo todas las caras polares. Si lo desea, se pueden agregar más escobillas en puntos más alejados de 180 grados eléctricos porque están en el mismo potencial y están conectados entre sí por los alambres que sufren conmutación en la máquina. Por lo general, se agregan escobillas adicionales a una máquina con devanado ondulado, incluso si esto no es necesario, porque reducen la cantidad de corriente que debe recoger un determinado juego de escobillas

Para un devanado onduladp múltiplex, la ecuación que determina el número de caminos posibles para la corriente eléctrica viene dada por eq. 102-10.

Los devanados ondulatorios se adaptan bien a la construcción de máquinas de CC de mayor voltaje porque las bobinas en serie entre los segmentos del conmutador permiten que se produzca alto voltaje más fácilmente que con devanados imbricados.

Otra ventaja del bobinado ondulado es el hecho de que solo necesita dos juegos de escobillas, que se pueden colocar en el parte superior del conmutador, lo que facilita la inspección y el mantenimiento. Esta es una de las razones por las que el devanado ondulado se volvió utilizado universalmente en motores destinados a tracción eléctrica.

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8.   Construcción del Conmutador y Escobilla

En una máquina de CC, el conmutador está hecho de barras de cobre aislado con material a base de mica. Las barras de cobre están hechas lo suficientemente gruesas para permitir el desgaste natural durante toda la vida útil del motor. El aislamiento de mica entre los segmentos del conmutador es más duro que el material del propio conmutador. De esta manera, después de mucho tiempo de usar una máquina, a menudo es necesario recortar el aislamiento del conmutador para asegurarse de que no sobresalga de las barras de cobre.

Las escobillas de las máquinas están hechas de carbono, grafito, aleaciones metálicas y grafito o una mezcla de grafito y metal. Presentan una alta conductividad para reducir las pérdidas eléctricas y un bajo coeficiente de fricción para reducir el desgaste excesivo. Están hechos deliberadamente de un material mucho más suave que los segmentos del conmutador, de modo que la superficie del conmutador sufre muy poco desgaste. Elegir la dureza de las escobillas es un compromiso: si las escobillas son suaves demasiado, ellos deben reemplazarse con frecuencia, pero si son demasiado duros, la superficie del conmutador experimentará demasiado desgaste durante la vida útil de la máquina.

Todo el desgaste que ocurre en la superficie del conmutador es un resultado directo de la hecho de que las escobillas deben frotar esta superficie para convertir el voltaje de CA de los conductores del rotor en tensión continua en los terminales de la máquina. Si la presión de escobillas es demasiado, tanto las escobillas como las barras del conmutador se desgastarán en exceso. Sin embargo, si la presión es demasiado baja, las escobillas tenderán un salte ligeramente y se producirá una gran cantidad de chispas en la superficie de contacto entre escobillas y segmentos del conmutador. Este flash es igualmente dañino para las escobillas y la superficie del conmutador. Por lo tanto, la presión de las escobillas sobre la superficie del conmutador debe ajustarse con cuidado para obtener la máxima vida útil.

En la Figura 102-13 vemos una fotografía de un motor con sus diversos elementos, destacando la posición del conmutador y las escobillas asentados en él.

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9.   Generación de Voltaje Interno

En ítem 4 vimos que el voltaje generado por el devanado del inducido está dado por eq. 102-02. Recordémoslo:

En cualquier máquina de CC real, el voltaje inducido depende de tres factores:

Esto es exactamente lo que eq. 102-02 nos lo dice. Cabe señalar que en esta ecuación la velocidad del rotor se expresa en rad/s. Sin embargo, en la industria moderna la velocidad del rotor se expresa en rpm. Por lo tanto, cuando la velocidad de la máquina es dado en rpm, podemos desarrollar una nueva ecuación que nos permitirá usar rpm directamente. Para ello, mostraremos la ecuación que te permite transformar rpm en rad/s.

Por otro lado, la definición de la constante K viene dada por la siguiente ecuación.

Por lo tanto, reemplazando las ecuaciones eq. 102-11 y la eq. 102-12 en eq.102-02, obtenemos:

Donde el valor de la nueva constante K_a viene dado por eq. 102-14.

Por lo tanto, para encontrar el voltaje inducido E_A al usar la velocidad de la máquina en rpm, debemos usar la eq. 102-14 para calcular la constante de construcción de la máquina y la eq. 102-13 para calcular el voltaje E_A inducida.