4+Maquinas+de+Cc

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Máquinas rotativas de corriente continua

vamos a conocer... 1. Principio de funcionamiento de máquinas de corriente continua 2. Constitución de máquinas de corriente continua 3. Tipos de conexión entre devanados 4. Devanados en máquinas de corriente continua PRÁCTICA PROFESIONAL 1 Desmontaje de una máquina rotativa de corriente continua PRÁCTICA PROFESIONAL 2 Bobinado del devanado de excitación de una máquina de corriente continua PRÁCTICA PROFESIONAL 3 Bobinado del inducido de una máquina de corriente continua PRÁCTICA PROFESIONAL 4 Comprobación de inducidos MUNDO TÉCNICO Equilibrado de máquinas rotativas

y al finalizar esta unidad... Conocerás cuál es el principio de funcionamiento de las máquinas de corriente continua. Identificarás los elementos que forman los circuitos magnéticos y eléctricos de estas máquinas. Diseñarás diferentes tipos de devanados de inducidos. Representarás gráficamente los diferentes tipos de devanados de las máquinas de corriente continua. Construirás devanados de excitación y del inducido de una máquina de corriente continua. Comprobarás el correcto funcionamiento de los diferentes tipos de devanados.

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CASO PRÁCTICO INICIAL situación de partida bornes que están etiquetados como A-B y no han obtenido ninguna medida. Después de sacar las escobillas y comprobar que están en perfecto estado, se ha decidido desmontar la máquina y llevarla hasta el recién montado taller de bobinados de la empresa MantenExpress. Allí, al retirar una de las tapas de la carcasa, se ha observado, además de percibir un fuerte olor a quemado, que las bobinas ubicadas en el rotor están deterioradas debido al calor. Parece evidente que el devanado se ha destruido y que es necesario su rebobinado.

La empresa MantenExpress ha recibido un encargo para reparar un motor instalado en una antigua máquina de transporte de chapa. En una primera comprobación in situ los técnicos han observado que no es una máquina trifásica de corriente alterna como es habitual en la actualidad. Según los empleados encargados de operar la instalación, dicho motor movía un sistema de transferencia de chapa en un sentido y otro, y todo a diferentes velocidades. El operario más veterano indica que al motor ya se le había realizado una profunda revisión hacía bastantes años, y que en ella se habían cambiado, entre otras operaciones de mantenimiento, las escobillas y los rodamientos. En esta ocasión, el fallo parece que es interno, ya que después de un bloqueo del eje, la máquina comenzó a humear y a oler a quemado eléctrico. Las protecciones de la instalación se dispararon y, una vez restituidas, la máquina no respondió a ninguna de las maniobras efectuadas desde el cuadro de control.

• solamente dispone de dos líneas de escobillas,

Al abrir la caja de bornes del motor, Fermín y Abel han comprobado la continuidad con un polímetro entre dos de los cuatro

• de cada ranura salen 8 terminales de bobinas, que se conectan a las diferentes delgas del colector.

Al desmontar la máquina se ha observado lo siguiente: • el estator dispone de 4 piezas polares de gran tamaño y otras 4 de un tamaño mucho más reducido, • todas las delgas del colector tienen dos terminales de diferentes bobinas,

estudio del caso Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después analiza cada punto del tema con el objetivo de contestar el resto de preguntas de este caso práctico. 1. ¿Por qué la máquina tiene un devanado en el rotor y otro en el estator?

7. ¿Qué indica que a cada delga del colector lleguen dos terminaciones de bobinas de la armadura?

2. ¿Cuál de los devanados es el encargado de la excitación?

8. ¿Qué significa que todas las bobinas del devanado averiado estén montadas con 5 ranuras entre sus lados activos?

3. ¿Cómo se denomina el elemento de conmutación para alimentar las bobinas del rotor? 4. ¿Qué misión tienen los polos de pequeño tamaño que están intercalados entre los principales? 5. ¿Por qué los bornes de la máquina están etiquetados como J-K A-B?

9. ¿Por qué de cada ranura salen 8 terminales que se conectan a las delgas? 10. ¿Por qué la máquina reparada solamente dispone de 2 líneas de escobillas y, sin embargo, tiene 4 piezas polares?

6. ¿Cuántos polos tiene la máquina?

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Unidad 4

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1. Principio de funcionamiento de máquinas de corriente continua Atendiendo a los principios de inducción electromagnética estudiados en la primera unidad, si una espira o bobina se mueve en el interior de un campo magnético inductor cortando sus líneas de fuerza, en ella se genera una fuerza electromotriz que puede ser utilizada en el exterior mediante un sistema de conmutación denominado colector. En este caso la máquina funciona como generador (dinamo), ya que es capaz de transformar energía mecánica (la producida en el giro de la bobina) en eléctrica (la obtenida en los terminales del colector). ro Gi

a

Figura 4.1. Generador elemental.

Si por el contrario, por dicha bobina o espira se hace circular una corriente eléctrica, esta genera un campo magnético con diferente polaridad en cada uno de sus lados activos. Si dicha polaridad se hace coincidir con la del campo inductor, la bobina produce un par de fuerzas que la hace girar sobre su eje. Así, como el colector, que está dividido en dos zonas de contacto (delgas), gira también, la conmutación hace que el sentido de la corriente se mantenga siempre en el mismo lado del campo, conservando así la polaridad del campo inducido respecto al campo principal y, por tanto, el giro continuado de la bobina. r Pa

a

Figura 4.2. Motor elemental.

Todas las máquinas de corriente continua son reversibles, ya que pueden transformar energía mecánica en eléctrica, y viceversa. Es decir, pueden funcionar como generador (dinamo) o como motor.

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No obstante, en la actualidad el uso de las máquinas de corriente continua como generadores (dinamos) está prácticamente en desuso o restringido a aplicaciones muy específicas y aisladas. Por este motivo, aunque algunos conceptos de los expuestos a continuación podrían aplicarse al funcionamiento de la máquina como generador, el estudio se centrará en el caso de actuar esta como motor.

1.1. Funcionamiento del motor elemental en corriente continua En la siguiente secuencia de imágenes se muestra cómo una espira es alimentada (para su funcionamiento como motor) desde un sistema de conmutación (colector) con dos delgas (A y B). En la posición inicial (1) la delga A es alimentada desde el positivo de la fuente de alimentación. Teniendo en cuenta el sentido de las líneas de fuerza del campo inductor (N-S) y el sentido de la corriente que circula por el conductor, se originará un par de fuerzas que producirá un giro de la espira sobre su propio eje según la regla de la mano izquierda. En esa situación el par es máximo (línea de par máximo). Si la espira logra vencer la posición (2) en la que las dos delgas cortocircuitan el sistema de alimentación y, por tanto, el par es nulo, la delga B pasa a la posición (3) en la que queda conectada al positivo de la alimentación. De esta forma, el lado activo opuesto de la espira es recorrido por una corriente del mismo sentido, presentándose nuevamente el par de fuerzas inicial, haciendo girar la espira de forma continuada.

F

La entrada de corriente en el conductor se representa mediante un aspa (x) y la salida mediante un punto (·).

F

N

F

B

recuerda

S

N

S

N

F

A

A

A

S

B

B

– a

+

1

–

2

+

–

3

+

Figura 4.3. Principio de funcionamiento del motor en corriente continua.

Así, en el motor de una única espira o bobina, se puede observar gráficamente cómo el par cambia de sentido si el campo de excitación se mantiene fijo y se invierte el sentido de la corriente en la bobina. F

F

N

S F Giro en sentido horario

a

N

S F

Giro en sentido antihorario

Figura 4.4. Inversión del sentido de giro del motor de una espira.

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I

a

Figura 4.5. Representación del sentido de la corriente en un conductor.

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Si la máquina dispone de varias bobinas y, por tanto, de un mayor número de delgas, de forma que la conmutación permita que en todos los conductores que están enfrentados a un polo se induzca una fuerza electromotriz del mismo sentido, el par de fuerzas se mantendrá constante, haciendo que giren de forma continuada sobre su propio eje. De igual forma que con solo una espira, si se invierte el sentido de la corriente de las bobinas, también lo hará el sentido del par de fuerzas y, con ello, el giro del motor. F

N

F

S

N

S

F a

F

Figura 4.6. Inversión del sentido de giro de un motor con varias bobinas.

2. Constitución de máquinas de corriente continua Una máquina de corriente continua esta forma principalmente por un circuito magnético y dos circuitos eléctricos.

2.1. Circuito magnético El circuito magnético está formado por una parte fija, ubicada en el estator, y otra móvil en el rotor. Sobre ellas se encuentran bobinados los dos circuitos eléctricos. Tambor de rotor (Armadura)

Carcasa Piezas polares

saber más Base

Se denomina entrehierro al espacio de aire que existe entre las dos partes del circuito magnético. Entrehierro

a

Figura 4.8. Entrehierro.

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a

Figura 4.7. Partes del circuito magnético en una máquina de corriente continua.

El circuito magnético fijo está constituido por piezas o masas polares, tantas como polos tiene la máquina. Estas piezas, que pueden ser de tipo saliente o ranurado, se fijan a la carcasa o culata de la máquina, que se encargará de cerrar dicho circuito magnético.

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recuerda

A continuación se muestran los dos casos.

De igual forma que en los transformadores, el uso de finas chapas en el circuito magnético disminuye los efectos de las corrientes parásitas o de Foucault.

a

Figura 4.9. Circuito magnético del inductor (piezas polares de tipo saliente y ranurado).

El circuito rotativo es un tambor cilíndrico de chapa magnética que se encuentra ranurado de forma axial. Se le suele denominar armadura y por su centro pasa el eje de la máquina, en el cual también se encuentra embutido el colector de delgas y los rodamientos.

a

a Figura 4.10. Detalle de una pieza polar formada por chapas magnéticas.

Figura 4.11. Detalle del circuito magnético del inducido y de su armadura.

2.2. Circuito eléctrico

caso práctico inicial

El circuito eléctrico está constituido por dos partes bien diferenciadas: el inductor y el inducido. El circuito inductor

Las máquinas rotativas de corriente continua requieren dos devanados: uno denominado inductor y otro inducido, instalados en el estator y en el rotor respectivamente.

Se encuentra alojado en el estator y bobinado sobre las piezas polares. Es el encargado de generar el campo magnético fijo que se induce sobre el circuito del rotor. Está constituido por bobinas de grandes dimensiones, cuyo número es igual al de polos que tiene la máquina. El inductor también recibe el nombre de excitación o devanado de excitación. Culata (carcasa) Piezas polares

Bobinas inductoras

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a

Figura 4.12. Detalle de un circuito inductor de dos polos.

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saber más En el símbolo de una máquina de corriente continua los dos devanados se representan por separado. Inducido

M

El número de pares de polos debe ser siempre par, de forma que la polaridad se presente de forma alternativa (N-S-N-S…). El centro de cada uno de los polos se denomina eje polar, habiendo tantos como pares de polos tenga la máquina. El ángulo entre dos polos consecutivos siempre debe ser el mismo. El eje situado entre dos polos se denomina línea neutra, y sobre ella los efectos magnéticos serán nulos. Así, una máquina de corriente continua tiene tantas líneas neutras como pares de polos.

N

Inductor a

Figura 4.13. Símbolo de un motor de corriente continua.

N

S

S

S N

Máquina bipolar a

Línea neutra Eje polar

Máquina tetrapolar

Figura 4.14. Número de polos en máquinas de corriente continua.

El circuito inducido Se encuentra alojado en el rotor. Su devanado consta de numerosas bobinas que se sitúan en las ranuras del tambor y que, además, se encuentran conectadas al exterior a través del sistema de conmutación. Tambor de chapas magnéticas Colector de delgas

Rodamiento Devanado del inducido

a

Figura 4.15. Devanado de una máquina de corriente continua.

El elemento de conmutación

caso práctico inicial El elemento de conmutación que permite conectar el devanado del rotor con el circuito exterior se denomina colector.

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Es uno de los elementos más importantes de este tipo de máquinas. Se encarga de conectar eléctricamente los devanados del inducido con el circuito exterior, bien para entregar energía en el caso de los generadores, bien para recibirla en el caso de los motores. El conjunto de conmutación es el que más desgaste sufre debido al funcionamiento de la máquina, por tanto, también es el elemento que más atención requiere al realizar las tareas de mantenimiento y reparación. Debido a esto, el sistema de conmutación, especialmente en máquinas de gran potencia, es accesible desde el exterior para su supervisión y comprobación sin necesidad de desmontar la máquina.

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Tres aspectos son importantes al hilo del elemento de conmutación: Colector Es un tambor formado por pequeñas láminas de cobre denominadas delgas. A estas láminas se conectan los terminales de las numerosas bobinas que forman el circuito del inducido. Las delgas están aisladas entre sí, y también de los otros elementos metálicos de la máquina mediante un material no conductor que suele ser mica o micanita.

saber más La micanita es un material dieléctrico que está compuesto por finas láminas de mica adheridas entre sí por medio de goma o laca.

Sobre el colector se apoyan las escobillas, que son las encargadas de establecer la conexión eléctrica con el inducido a través de las delgas. Cable de conexión Escobilla Colector

a

Figura 4.16. Colector de delgas.

a

Figura 4.17. Detalle de escobilla sobre colector.

Las escobillas son normalmente de grafito, aunque en algunas ocasiones se fabrican también de latón. Pueden aparecer de numerosas formas y configuraciones, pero la más común cuenta con un cable flexible para su conexión a la caja de bornes de la máquina y con un muelle-resorte para un apoyo óptimo sobre el colector.

a

Figura 4.18. Diferentes tipos de escobillas (Cortesía de Sintercarbo, S.A.).

La escobilla es el elemento de una máquina eléctrica que más hay que cambiar en tareas de mantenimiento. Por ese motivo, los fabricantes instalan portaescobillas que facilitan esta tarea sin necesidad de desmotar la máquina.

a Figura 4.19. Detalle de dos escobillas de una máquina eléctrica.

La presión de las escobillas sobre el colector suele ser ajustable mediante algún tipo de resorte o tensor. En ningún caso el acceso a las escobillas debe hacerse con la máquina en funcionamiento, ya que además de ser perjudicial para la máquina, es muy peligroso para la persona que las manipula.

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Colocación de escobillas

vocabulario Español-Inglés Escobillas de carbón: carbon brush Motor de corriente continua: DC motor Motor de CC con escobillas: brushed DC motor Excitación independiente: separately excited Excitación en paralelo: Shunt excited

La misión del elemento de conmutación es mantener el mismo sentido de la corriente en los haces activos de una bobina. Esto debe ocurrir cuando las dos delgas de la bobina han girado lo suficiente como para situarse entre las dos escobillas, siempre con la polaridad invertida. El paso de delga en el colector es muy corto, por lo se garantiza de esta manera que el par del motor sea prácticamente constante, ya que cuando una bobina sale de la línea de máximo par (eje polar) ya ha entrado otra. Para que la conmutación se realice de forma eficiente las escobillas deben ubicarse en las líneas neutras. Así, una máquina dispondrá de tantas líneas de escobillas como líneas neutras.

Línea neutra

N

a

+

S

–

Eje polar

Figura 4.20. Fijación de las escobillas en la línea neutra.

Las máquinas de gran potencia y de gran tamaño recurren a la instalación de líneas de escobillas, así el rozamiento en toda la longitud del tambor del colector es uniforme. Reacción del inducido Cuando los devanados de una máquina de corriente continua funcionando como motor son atravesados por una corriente eléctrica, en ellos se generan sendos campos magnéticos cuyas líneas de fuerza son similares a los mostrados en la figura. Línea neutra

N

S Inductor

a

a

Figura 4.22. Detalles de líneas de escobillas en máquinas con colectores de grandes dimensiones.

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Línea neutra

N

S Inducido

Figura 4.21. Campos generados en inductor e inducido de un motor de corriente continua.

El campo del inducido se presenta de forma transversal al de inductor. Si la máquina (en este caso motor) no tiene carga, ambos campos se mantienen como en las figuras.

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Sin embargo, cuando se aplica a la máquina una carga (en este caso una resistencia mecánica en su eje), la corriente del inducido aumenta y, por tanto, también lo hará el campo generado en él. Este efecto produce una distorsión del campo inductor que genera el desplazamiento de la línea neutra un determinado número de grados. A este efecto se le denomina reacción de inducido, y es necesario tenerlo en cuenta para realizar el calado correcto de las escobillas, de lo contrario se producirá un exceso de chispas en ellas y en el colector que podrían dañar la máquina. Desplazamiento de la línea neutra

N

saber más Si la máquina funciona como generador (dinamo), la línea neutra se desplaza en el sentido opuesto al del motor. Por tanto, para que una máquina pueda pasar de generador a motor, y viceversa, siempre es necesario realizar el calado de las escobillas en el sentido adecuado. Motor

Generador

S a Figura 4.23. Calado de escobillas en motor y en generador.

a

Figura 4.24. Distorsión del campo inductor debido a la reacción del inducido.

Polos auxiliares o de conmutación Los efectos producidos por la reacción del inducido son asumibles en máquinas de pequeña potencia y en aquellas cuya carga es constante. Sin embargo, en máquinas de gran potencia cuya carga cambia de forma continuada, es necesario realizar el calado de las escobillas cada vez que se produce un cambio. Para evitar el desplazamiento de la línea de escobillas debido a la reacción del inducido se colocan en la culata los denominados polos de conmutación o polos auxiliares.

caso práctico inicial Llamaremos polos de conmutación a las piezas polares de menor tamaño. Se instalarán para evitar el desplazamiento de la línea de escobillas debido a los efectos de la reacción del inducido.

Los polos de conmutación son piezas polares, de menor tamaño que las piezas polares principales, que se ubican en la línea neutra de la máquina. Su devanado se conecta en serie con el inductor y genera un campo de compensación que evita la distorsión del campo de excitación y, también, la necesidad de realizar el desplazamiento de la línea de escobillas. Línea neutra Polos de conmutación

S

N Calado de escobillas

a

S N

saber más El número de pares de polos de conmutación debe ser igual al número de pares de polos del devanado principal.

Figura 4.25. Polos de conmutación en una máquina de corriente continua.

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3. Tipos de conexión entre devanados saber más Excepto la máquina independiente, todas las demás reciben el nombre de autoexcitadas.

En función de cómo se conecten los devanados (inducido e inductor) entre sí, se pueden conseguir las siguientes configuraciones: • máquina serie, • máquina Shunt o derivación, • máquina compuesta (Compound), • máquina de excitación independiente.

+

+

+

–

E

E

F

F A

B

A

B

A

B

C

D

C

D

J

K

+

B

Serie a

Shunt

Compound

Independiente

–

+

–

A

–

–

Figura 4.26. Tipos de conexión entre devanados.

No todos los devanados son intercambiables para conseguir las diferentes configuraciones aquí propuestas. Por ejemplo, un devanado inductor diseñado para una conexión serie, no puede conectarse en Shunt, y viceversa, ya que el número de espiras y el diámetro del conductor con el que está construido son diferentes. Sin embargo, el devanado inductor para un motor Shunt puede utilizarse sin problemas en una máquina con conexión independiente.

3.1. La caja de bornes caso práctico inicial Que los bornes de la máquina estén etiquetados como A-B J-K implica que esta opera como un motor de excitación independiente.

Los bornes de cada uno de los devanados están etiquetados según la configuración para la que han sido diseñados. Generalmente, este tipo de máquinas dispone de cuatro bornes de conexión en su caja de bornes, excepto la máquina Compound que dispone de seis. –

+ +

Alimentación 1

+

–

A

B

A

B

A

B

E

F

C

D

J

K

–

Máquina serie a

Máquina Shunt

Máquina independiente

– Alimentación 2

+

Figura 4.27. Cajas de bornes en diferentes tipos de motores de corriente continua.

Las conexiones entre devanados de máquinas autoexcitadas se realizan con puentes que facilita el fabricante o mediante latiguillos que debe construir el técnico de montaje.

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+

+

A

–

E

A

F

Máquina serie a

–

+

–

B

C

– –

Alimentación 1

–

B

+

En la figura se muestra cómo deben conectarse los terminales de los devanados en los diferentes tipos de máquinas para que inviertan su sentido de giro.

–

+ +

Para invertir el sentido de giro de un motor de corriente continua, se debe cambiar sentido de la corriente en uno de sus devanados. Esto hace que se invierta el par en el inducido, produciendo en consecuencia el cambio en el sentido de giro del motor. Desde el exterior de la máquina esto se realiza permutando los cables de alimentación, bien en los bornes del devanado inducido, bien en los bornes del devanado inductor. Por otro lado, para evitar que el motor se acelere demasiado, en la práctica siempre se recomienda invertir las conexiones del inducido en lugar de las del inductor (excitación).

+

3.2. La inversión del sentido de giro

A

D

J

Máquina Shunt

B

K

Máquina Independiente

– Alimentación 2

a Figura 4.28. Sentido de giro en motores: antihorario (arriba) y horario (abajo).

+

Figura 4.29. Conexión de bornes para la inversión del sentido de giro.

3.3. El arranque de los motores de corriente continua En el momento de su arranque un motor de corriente continua genera una sobrecorriente que puede ser perjudicial, tanto para la instalación de alimentación como para los devanados de la propia máquina. Para disminuir dicha corriente se conecta un reóstato en serie con el devanado inducido. Así, cuando el motor alcanza su funcionamiento nominal, en velocidad y en corriente, el reóstato se anula.

ejemplo

recuerda

La siguiente figura muestra cómo se conecta el reóstato en serie con el inducido para el arranque de un motor Shunt.

1

2

3 1

4 3

2

4

+ –

+ –

Fusibles

Editex

10

A

JCMC

+ –

0,5

I

0

Editex

I

J.C.M.Castillo

Potencia

A editex |||

||||

50

||| ||||||

|||

|||

|||

|||||

|||||||

||| ||||

|||| | 100

Reóstato de arranque

|||

|

–

||

Reóstato

|||

|||

|||

0

A C



a

El REBT en la instrucción ITC-BT-47 establece que la constante máxima de proporcionalidad entre la intensidad de la corriente de arranque y la de plena carga, en los motores de corriente continua, debe ajustarse a los siguientes valores:

B D

+

A

B

-

E

F

Constante

De 0,75 kW a 1,5 kW

2,5

De 1,5 kW a 5,0 kW

2,0

De más de 5,0 kW

1,5

Figura 4.30. Arranque de un motor Shunt. (continúa)

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126 (continuación)

La puesta en tensión de la máquina debe hacerse con el reóstato a máxima resistencia. Así, disminuiremos progresivamente el valor óhmico hasta que el motor consiga su velocidad nominal, en cuyo caso el valor de la resistencia debe ser cero. Observa lo que ocurre con la corriente.

3.4. Variación de velocidad La velocidad de un motor de corriente continua es directamente proporcional a la tensión del inducido VAB e inversamente proporcional al campo de excitación Φ. La constante K es propia de la máquina y es definida por el fabricante en función el número de polos, de espiras y de derivaciones del devanado. N=

recuerda En un motor en derivación, si se desconecta el devanado inductor con el motor en marcha, este se embala de forma peligrosa. También puede producirse este efecto en motores en serie si no se coloca carga en el eje.

VAB K·Φ

Así, es fácil comprender que si se varía la tensión del devanado inducido o si se modifica el campo del inductor, variando la corriente que por él circula, también lo hace la velocidad de la máquina. V+ V–

V+ V–

Reóstato

Regulación a par constante

saber más En la actualidad la regulación de velocidad se realiza utilizando medios electrónicos.

a

Reóstato

Regulación a potencia constante

Figura 4.31. Conexión del reóstato de regulación de la velocidad.

La forma clásica de regular la velocidad en un motor de corriente continua se basa en insertar un reóstato de potencia adecuada en serie con uno de los devanados. Si bien esta forma es sencilla y eficaz desde el punto de vista eléctrico, no lo es tanto desde el punto de vista del montaje y de la instalación, ya que los reóstatos de regulación son dispositivos voluminosos. Si el reóstato se conecta en el circuito del inducido, la regulación de velocidad se realiza a par constante; sin embargo, si se conecta en el circuito inductor, se dice que la regulación se realiza a potencia constante. En la actualidad el arranque y la regulación de velocidad en máquinas de corriente continua, cuando esta funciona como motor, se realiza utilizando medios electrónicos. Esto presenta las siguientes ventajas: • Menor espacio en el cuadro de control. • Mayor facilidad en el ajuste y configuración. • Mejor interconexión con otros sistemas de control industrial, como pueden ser los autómatas programables.

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Analizando las curvas de variación de velocidad y tomando en este caso como referencia un motor Shunt o uno con excitación independiente, se puede comprobar cuál es el comportamiento de la máquina. • Variación de velocidad regulando la tensión del inducido. En la curva se observa cómo al regular la tensión del inducido VAB, la velocidad varía de forma constante. En este caso se ha representado una línea recta que corresponde a la variación de velocidad del motor sin carga. No obstante, si el motor dispone de un par resistente en su eje, esta puede no ser exactamente una recta, debido a las deformaciones del flujo producidas por el efecto de la reacción del inducido.

Velocidad

N

VAB Tensión del inducido a

Figura 4.32. Curva de tensión inducida-velocidad.

Na

N Embalamiento

Velocidad

• Variación de la velocidad regulando la corriente de excitación. En la curva se observa cómo al disminuir la corriente de excitación, la velocidad del motor aumenta. En este caso hay un punto crítico de corriente Ia, que indica que al disminuir demasiado la intensidad de la excitación, la máquina tiende a embalarse, aumentando de forma peligrosa su velocidad.

Nn

Ia a

In

Iexc Corriente excitación

Figura 4.33. Curva de corriente de excitación-velocidad.

3.5. Característica de velocidad Se denomina característica de velocidad a la curva que representa el comportamiento de un motor cuando sobre su eje aumenta la carga y se mantiene invariable la tensión de alimentación.

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Supondremos un circuito para el funcionamiento de un motor de excitación independiente o uno de excitación Shunt. Una vez arrancado, si se mantiene la tensión de alimentación al motor, tanto del inducido como de la excitación, al modificar el valor de la carga en su eje, se observa que la velocidad y la corriente del inducido cambian. Hay que tener en cuenta que en los motores de derivación, debido a que se encuentran autoexcitados, la velocidad tiende a autorregularse. Además, dicha variación de velocidad no es superior al 10%, lo que significa que en este tipo de motores, la velocidad se mantiene estable aunque se modifique su carga.

3.6. Característica de par

Velocidad

El par interno del motor se relaciona directamente con el flujo de la excitación y con la corriente del inducido. Así, si el flujo generado por el campo de excitación no varía, el par motor dependerá de forma proporcional de la corriente del inducido. N

IAB Corriente del inducido

a

Figura 4.34. Característica de par.

3.7. Característica par-velocidad También denominada característica mecánica, se representa mediante una curva en la que se relaciona el par motor con la velocidad. En ella se observa cómo el par útil disminuye de forma constante a medida que la velocidad aumenta. Así, el par se mantiene constante a velocidad nominal. El par de arranque es muy elevado, pero también lo es la corriente absorbida en ese instante. Par

Pn

N Nn

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a

N0

Figura 4.35. Característica par-velocidad.

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4. Devanados en máquinas de corriente continua En este apartado se estudiará el diseño de los devanados en máquinas de corriente continua desde el punto de vista de su esquema y su ejecución. El cálculo eléctrico o redimensionado de la máquina se sale de los objetivos de estos estudios, por lo que aquí solamente se trabajarán los conceptos y habilidades correspondientes a la reparación e, incluso, al rebobinado de una máquina de corriente continua sin modificar sus características eléctricas.

Bobina encintada Hueco para la pieza polar

Fundas aislantes

4.1. Devanado inductor o de excitación El devanado inductor o de excitación se encuentra instalado en el estator y dispone de tantas bobinas como número de polos tiene la máquina. Además, si está prevista la instalación de polos de conmutación, debe añadirse un número de bobinas auxiliares igual al número de polos principales.

Terminales del hilo esmaltado

a Figura 4.36. Bobina polar o inductora.

Cada bobina debe generar un polo magnético. Así, al menos debe haber dos bobinas de signos contrarios para generar un campo magnético de excitación. Las bobinas están formadas por numerosas espiras de hilo esmaltado con dos terminales de conexión. Estos se utilizarán para la conexión de las otras bobinas del mismo devanado al interior de la caja de bornes. Todo el conjunto se cubre con cinta de algodón y posteriormente se impregna de barniz.

a

Figura 4.37. Detalle de una bobina inductora en un polo de tipo saliente y extraíble.

Las bobinas del devanado inductor se construyen teniendo en cuenta el tipo de excitación de la máquina, ya que no es lo mismo una bobina destinada a una máquina con excitación en serie que a una de tipo Shunt. La conexión entre bobinas inductoras se hace en serie de modo que los signos de los polos magnéticos sean contrarios para bobinas contiguas (N-S-N-S, etc.). Así, para una máquina bipolar deben conectarse dos bobinas, para una tetrapolar cuatro bobinas, y así sucesivamente. El signo del polo es fácil de identificar, dando por supuesto un sentido de la corriente en la bobina y aplicando la regla de la mano derecha o la regla del sacacorchos. La siguiente figura muestra cómo se consiguen los polos en dos bobinas que estén situadas en un mismo plano y con la misma posición del arrollamiento del conductor.

04 Maquinas electricas.indd 129

a Figura 4.38. Forma de averiguar la polaridad de la bobina.

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Unidad 4

130

Quedaría del siguiente modo:

S

d Figura 4.39. Conexión de

bobinas inductoras en una máquina bipolar (derecha) y conexión simplificada (izquierda).

caso práctico inicial Si una máquina dispone de 4 bobinas de gran tamaño, significa que tiene cuatro polos.

I I

N I

I

Sin embargo, cuando dichas bobinas se encuentran situadas en la carcasa de la máquina, la disposición de terminales puede estar cambiada respecto al esquema anterior. En este caso es necesario conocer el sentido de arrollamiento del conductor y aplicar la regla de la mano derecha en cada uno de los polos.

ejemplo En la siguiente máquina se representa la conexión de las bobinas instaladas en la culata de una máquina bipolar.

Rotor

c

Figura 4.40. Conexión de bobinas inductoras en una máquina bipolar.

importante Podría ocurrir que por motivos constructivos, y para facilitar la conexión entre bobinas en el interior de la máquina, algunos fabricantes opten por realizar el arrollamiento del hilo de las bobinas polares en sentido contrario unas de otras. Esto habrá que tenerlo muy en cuenta en el momento de la conexión entre ellas, pues así conseguimos polos de diferente signo.

Así, si las bobinas se representan con la cara o lado que mira hacia el rotor, la conexión de ambas bobinas es la siguiente:

N

S I

I

c

Figura 4.41. Conexión de bobinas.

actividades 1. Dibuja cómo sería la conexión de las bobinas inductoras para una máquina rotativa de 4 polos.

04 Maquinas electricas.indd 130

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Máquinas rotativas de corriente continua

131

4.2. Devanado del inducido o de la armadura El devanado del inducido se aloja en el rotor y se conecta al exterior a través del dispositivo de conmutación.

N

Cabezas de las bobinas Ranuras con haces activos de las bobinas

Colector

Parte inferior de bobinas

Tambor

S Conexiones de terminales de bobinas al colector

a

Ranuras con los conductores de las bobinas

a Figura 4.42. Conductores en el tambor del inducido.

Figura 4.43. Partes del inducido de una máquina de corriente continua.

Todos los inducidos que se realizan en la actualidad son de tipo tambor. En ellos todas las bobinas se alojan en las ranuras de un núcleo con forma cilíndrica fabricado en chapa magnética. Los terminales se conectan a las delgas del colector. Cada devanado está formado por un número determinado de bobinas, cuyos terminales (al menos 2) se encuentran entre dos delgas diferentes del colector siguiendo un criterio geométrico que se verá más adelante. Bobina

Ranuras del rotor

Conexiones de los terminales a

Delgas

Figura 4.44. Bobina en inducido.

Para facilitar la representación de esquemas de devanados, las bobinas se dibujan con un solo hilo, representado sus cabezas, lados activos y terminales de conexión. En los esquemas no se representan las ranuras, aunque de forma opcional pueden aparecer con un número para identificar el orden en el devanado. Cabeza de bobina Lados activos en ranuras

Número de ranura 3

4

5

6

Terminales de bobinas en delgas a

04 Maquinas electricas.indd 131

Figura 4.45. Representación de una bobina.

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Unidad 4

132

Secciones inducidas

importante Todas las secciones inducidas de una bobina deben ser iguales en el número de espiras y en el diámetro del conductor.

Una bobina se divide en diferentes partes que se alojan en las mismas ranuras y que poseen sus propios terminales de conexión. A cada una de ellas la llamamos sección inducida. Así, una bobina con una sola sección inducida dispone de dos terminales de conexión. Si son dos las secciones inducidas, tiene cuatro terminales de conexión, y así sucesivamente.

1 sección inducida a

saber más Las secciones inducidas se realizan en el momento de construcción de la bobina, colocando tantos hilos en paralelo como secciones inducidas se deseen conseguir.

2 secciones inducidas

3 secciones inducidas

Figura 4.46. Bobinas con una o varias secciones inducidas.

En cierto modo se puede decir que las secciones inducidas son en realidad bobinas independientes que se alojan en las mismas ranuras de la armadura. El número de secciones inducidas S de un devanado es igual al número de delgas del colector D. S=D De igual forma, el número de secciones inducidas por bobina u es el resultado de dividir el número de delgas D del colector entre el número de ranuras de la armadura K. u=

saber más Las bobinas de máquinas de gran potencia se construyen con pletinas en lugar de usar hilo esmaltado.

D K

En los esquemas de devanados los lados activos que van en el interior de las ranuras se pueden representar de dos formas: 1. Utilizando líneas individuales de trazo continuo para las de la primera capa (salientes), y utilizando líneas de trazo discontinuo para las de la segunda (entrantes). 2. Utilizando líneas de color grueso, una para primera capa y otra para la segunda. De ellas saldrán las cabezas de cada una de las secciones inducidas.

3

a

Figura 4.47. Bobina preformada (Cortesía de Telsen.net).

04 Maquinas electricas.indd 132

Forma 1 a

Forma 2

Figura 4.48. Formas de representación de las secciones inducidas en un devanado.

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Máquinas rotativas de corriente continua

133

4.3. Clasificación de los devanados Los devanados de los inducidos se clasifican según diferentes criterios:

recuerda

Según el número de capas por ranura

Representaremos la capa superior como el conjunto de haces activos salientes de una bobina. La capa inferior representará el de los entrantes. En los esquemas los primeros aparecerán con línea continua y los segundos en línea discontinua.

Aparecen distintos casos en función del número de bobinas que ocupan una ranura. Los devanados pueden ser de una o de doble capa. Los devanados de una capa son aquellos en los que una ranura es ocupada solamente por los conductores de una sola bobina. Los devanados de dos capas son aquellos en los que la ranura es ocupada en dos niveles por los lados activos de dos bobinas. Dos capas por ranura

a

Representación abreviada

Figura 4.49. Devanados de doble capa.

Es evidente que aquellos devanados que requieran más de una sección inducida en sus bobinas, todas ellas estarán en su capa correspondiente.

a

3 secciones por capa

2 secciones por capa

1 sección por capa

Figura 4.50. Secciones inducidas por capa.

En los devanados que requieren más de una sección inducida, los lados activos de la bobina saliente de una ranura se colocan en la capa superior y los entrantes en la capa inferior de la ranura a la que saltan.

caso práctico inicial Los devanados de doble capa requieren dos terminales por cada delga del colector.

c

Figura 4.51. Detalle del cableado de dos secciones inducidas de un devanado de doble capa.

En algunas ocasiones puede ser necesario detallar la conexión de cada una de las secciones inducidas. Para ello se utiliza un esquema similar al de la figura.

Ranura 6

Ranura 9

saber más Por lo general, los devanados de los inducidos se ejecutan todos a doble capa.

Delgas a

04 Maquinas electricas.indd 133

Figura 4.52. Detalle de conexión de secciones inducidas en un devanado.

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Unidad 4

134

vocabulario

ejemplo

Español-Inglés Devanado: winding

En la siguiente figura se muestra cómo se ejecuta un devanado a dos capas.

Devanado de inducido: armadure winding Devanado imbricado: lap winding Devanado ondulado: wave winding Bobinas serie: coils series Bobinas de campo (inductoras): field coil Progresivo: progressive Regresivo: retrogressive

S 3

4

5

6

7

8

9

4

c 2

a

3

4

5

6

7

6

5

N

7 8

3

8

9

Figura 4.53. Distribución de los devanados en dos capas.

En el esquema del devanado (izquierda), se representan dos haces activos en cada ranura. Si nos centramos en la ranura marcada como número 6, se puede ver que la bobina de color verde es entrante y la bobina de color rojo saliente. Así, las primeras siempre se montarán en la capa inferior de la ranura y las segundas en la superior, siendo habitual que el lado que llega a las ranuras se represente de forma punteada y el que sale de ellas en línea continua.

Según la conexión de bobina en el colector En función de cómo se conecten los finales de las bobinas y secciones inducidas en el colector, los devanados pueden ser: • imbricados o en paralelo, • ondulados o en serie. Devanados imbricados También denominados devanados paralelos, se caracterizan porque cada lado de la bobina queda situado debajo de un polo de signo contrario. Este tipo de devanados a su vez se clasifican en simples y múltiples.

saber más El devanado progresivo o no cruzado es el más común para el bobinado de inducidos.

• Devanados imbricados simples. Los terminales se conectan siempre a delgas adyacentes, pudiendo hacerse en la anterior o en la posterior. Si la conexión se realiza en la siguiente delga, el devanado avanza en sentido horario y se denomina progresivo o no cruzado. Si por el contrarios la conexión se realiza en la delga anterior, el devanado retrocede denominándose regresivo o cruzado.

S 3

N 4

3

5

4

N 3

6

5

6

Devanado progresivo (no cruzado) a

04 Maquinas electricas.indd 134

4

3

S 5

4

6

5

6

Devanado regresivo (cruzado)

Figura 4.54. Detalles de devanados imbricados simples.

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Máquinas rotativas de corriente continua

135

En este tipo de devanados el número de ramas en paralelo es igual al número de pares de polos. Es decir, dos para las máquinas bipolares, cuatro para las tetrapolares, seis para las hexapolares, y así sucesivamente. • Devanados imbricados múltiples. Cuando la máquina es de gran potencia y trabaja con tensiones reducidas, la corriente de las ramas paralelas del devanado aumenta de forma considerable. En estos casos, para completar el recorrido de todas las secciones inducidas del devanado, hay que dar varias vueltas al inducido. Así, si solamente se dan dos vueltas, el devanado se denomina doble; si se dan tres, triple, y así sucesivamente. No obstante, no es habitual realizar devanados superiores al doble.

N

a

saber más En los devanados imbricados simples cada bobina siempre estará conectada entre dos delgas contiguas.

S

1

2

3

4

5

6

7

8

8

1

2

3

4

5

6

7

Figura 4.55. Ejemplo de un devanado imbricado doble.

De igual forma que los devanados imbricados simples, los de tipo múltiple pueden ser progresivos o regresivos. Devanados ondulados En un devanado ondulado los terminales de las bobinas o secciones inducidas se van conectando en avance con la armadura. Así, para recorrer un grupo de secciones inducidas de igual número que el de pares de polos, es necesario dar una vuelta completa al inducido. Se observa entonces que dichas secciones inducidas se encuentran conectadas en serie entre sí y que sus terminales se unen en delgas que no son contiguas. En los bobinados ondulados solamente existen dos ramas en paralelo, a diferencia con los imbricados, que disponen de tantas ramas como polos. Este dato es importante, ya que una máquina con un devanado ondulado, solamente requiere un par de escobillas. No obstante, para mejorar la conmutación y evitar un exceso de corriente sobre ellas, es habitual disponer de tantas escobillas como pares de polos tenga la máquina.

a

Debido a la disposición en serie de las bobinas de un devanado ondulado, estos se utilizan para aplicaciones que requieren elevadas tensiones y un consumo de corriente no demasiado alto.

N

S

N

S

saber más

12 1 2

13 1 3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 1 0

1 11

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Figura 4.56. Ejemplo de un devanado ondulado.

04 Maquinas electricas.indd 135

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Unidad 4

136

saber más Como se verá en el apartado relativo al cálculo, el diseño de los devanados ondulados es mucho más exigente que los imbricados, ya que los primeros no se pueden ejecutar para cualquier número de ranuras y delgas de un inducido.

En este tipo de devanados, igual que en los imbricados, los haces activos de una misma bobina siempre se encuentran situados bajo polos de signo contrario. De igual forma que los devanados imbricados, los de tipo ondulado pueden ser progresivos o regresivos, además de simples o múltiples.

4.4. Datos y conceptos utilizados en el diseño de devanados A continuación se citan los datos de uso común para el diseño de cualquiera de los devanados nombrados.

saber más Los polos de conmutación no deben ser tenidos en cuenta para establecer el paso polar.

Paso polar (YP ) Es la distancia que existe entre dos masas polares contiguas de signo contrario. En el estudio electrotécnico de las maquinas rotativas este dato suele darse de forma angular en grados. No obstante, para el diseño de los devanados es más útil utilizar dicha distancia en número de ranuras, siendo así el valor del paso polar: Yp =

K 2p

Donde K es el número de ranuras totales de al máquina y p el número de pares de polos. Paso polar Paso polar

N N

S

S

S N

Máquina bipolar a

Máquina tetrapolar

Figura 4.57. Paso polar.

Paso de ranura (YK )

caso práctico inicial Las bobinas se montan con un número de ranuras según el denominado paso de ranura.

Es el número de ranuras que hay de uno a otro lado activo de una misma bobina. Se representa habitualmente por YK. El número de ranuras se empieza a contar en la ranura contigua a la que ubica el primer haz activo de la bobina. Así, en la siguiente figura el paso de ranura YK es igual a 3. Paso de ranura (Yk) 12

1

2

11 10 a

04 Maquinas electricas.indd 136

3 4

Figura 4.58. Paso de ranura.

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Máquinas rotativas de corriente continua

137

El paso de ranura coincide aproximadamente con el paso polar YP, pero en ocasiones, en función del cálculo o del número de ranuras del inducido, puede ser más pequeño (paso de ranura acortado) o más largo (paso de ranura alargado).

Paso d e

Pas Pas od e

n ra

ado lar alarg po ura

lar po o tad or ac

S a

En las máquinas de pequeña potencia que funcionan como motor, se suele acortar el paso de ranura para obtener un mejor comportamiento.

o

N

ran Pas ur a

o

N

saber más

S

Figura 4.59. Paso de ranura acortado y alargado.

A este paso también se le denomina paso o ancho de bobina, ya que es el número de ranuras que hay que saltar para llegar desde un lado activo de la bobina al otro. Paso diametral

N

El concepto de paso diametral viene dado de las máquinas de dos polos (bipolares), en ellas el paso de ranura coincide con el paso polar, y además con el diámetro del rotor. No obstante, esta denominación se da a todas aquellas donde, aun no siendo bipolares, su paso de ranura o de bobina coincide con el paso polar. Paso de colector (YCOL ) Es el número de delgas que hay entre los dos terminales de una sección inducida o bobina.

S a

YCOL a

Figura 4.60. Paso diametral.

YCOL

Figura 4.61. Paso de colector de una bobina o sección inducida.

En cada uno de los casos el paso de colector será: • En bobinados imbricados simples YCOL = ±1, siendo el positivo para los progresivos y el negativo para los regresivos. • En los devanados imbricados múltiples será YCOL = ±2 para los dobles, YCOL = ±3 para los triples, etc.

04 Maquinas electricas.indd 137

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Unidad 4

138

• En los ondulados simples: YCOL =

D±1 p

Donde YCOL es el paso del colector en número de delgas, D es el número de delgas del colector y p el número de pares de polos de la máquina. Unidades de medida para el diseño del devanado La medida de los pasos o anchos nombrados anteriormente para el diseño del devanado en la armadura puede hacerse de dos formas: • Por número de ranuras. • Por número de secciones inducidas. Con cualquiera de ellas se obtienen los mismos resultados y, aunque aquí se da preferencia a la medida por ranuras, se utilizarán también los cálculos por secciones inducidas para comprobar los resultados.

Ranuras Secciones inducidas a

1

2

3

4

5

6

Figura 4.62.

Los anchos a tener en cuenta en el diseño de los devanados imbricados y ondulados (siempre en función del número de secciones) son los siguientes: • Paso de sección (Y1). Es el número de secciones inducidas de la capa superior de la ranura que hay que contar para saltar de un lado activo a otro de la sección a la que se quiere aplicar el ancho. Dicho de otra forma, es el número de secciones salientes (que parten de una ranura) a contar a partir de la ranura contigua a la que aloja las secciones de referencia, hasta localizar los haces activos de la capa inferior de dicha sección. En la figura anterior se muestra cómo el paso de sección de este devanado es 6, ya que es el número de lados activos de las secciones que se encuentran en la capa superior antes de llegar a la ranura 4, que es la que aloja los haces activos de entrada de la bobina de referencia. El ancho de sección (Y1) es el producto del ancho de bobina YK (salto de ranura) por el número de secciones inducidas por bobina u. Y1 = YK · u • Paso de conexión (Y2). Es el número de secciones inducidas de la capa superior que existe para realizar la conexión entre el final de la sección y el principio del haz activo de la siguiente. Es decir, es el número de secciones inducidas que hay que saltar para realizar la conexión entre una sección inducida y la siguiente.

04 Maquinas electricas.indd 138

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Máquinas rotativas de corriente continua

139

El paso de conexión es diferente según el tipo de ejecución del devanado. Así para los de tipo imbricado es: Y2 = Y1 – YCOL Y para los de tipo ondulado: Y2 = YCOL – Y1 La figura que engloba todo lo anterior es la siguiente: Devanados imbricados

Devanados ondulados

Yp

Y1

YCOL

Y2

Y1 1 N 2

3 S 4

YCOL

Y2

1

2

3

1

2

N

8

9

YCOL

YCOL a

S

N

Figura 4.63. Anchos y pasos requeridos para el diseño de devanados de inducidos.

4.5. Diseño de devanados imbricados simples A continuación se describe el proceso de diseño de los devanados imbricados simples. El cálculo se realiza desde su punto de vista de su representación geométrica en el esquema, para su posterior rebobinado en una máquina similar. En ningún caso se realizará el cálculo para una máquina nueva, ya que se sale de los objetivos de esta unidad. El diseño de un devanado requiere conocer previamente cuáles son los datos requeridos para su representación gráfica y su posterior ejecución en la armadura. Datos previos al cálculo Se debe partir de un conjunto de datos conocidos: • pares de polos de la máquina (p), • número de ranuras (K), • número de delgas del colector (D), • paso de colector YCOL = ±1, siendo el positivo para los progresivos y el negativo para los regresivos.

a

Figura 4.64. Número de delgas.

04 Maquinas electricas.indd 139

a

Figura 4.65. Número de ranuras.

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Unidad 4

140

Secuencia de cálculo A partir de los datos conocidos comienzan los cálculos necesarios para un correcto dimensionado del devanado: • Paso 1. Se comprueba si el devanado se puede ejecutar. Para ello se divide el número de ranuras de la armadura K entre el número de pares de polos p. El resultado debe ser un número entero. k p

= Número entero

Si no se cumple esta condición, el devanado no es viable. • Paso 2. Se calcula el ancho de bobina o paso de ranura YK y el número de secciones inducidas por bobina u: YK =

K 2p

u=

D K

• Paso 3. Con estos dos sencillos cálculos ya es posible dibujar el esquema del devanado. No obstante, es aconsejable disponer de otros datos para un mejor desarrollo del mismo. Algunos de estos cálculos son: Paso polar

YP = YK

Número total de secciones inducidas

S=D

Número de bobinas del devanado

B=K

Ancho de sección (Y1 )

Y1 = YK · u

Paso de conexión

En secciones inducidas (Y2 )

Y2 = Y1 – YCOL

En ranuras (YCONEX )

YCONEX = YCOL – YK

El paso de conexión se puede hacer por secciones inducidas (Y2) o por ranuras (YCONEX). En cualquier caso el resultado es el mismo. Si el número de secciones inducidas es 1, los resultados para Y1 e Y2 coinciden con las unidades de medida dadas en número de ranuras.

ejemplo A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado imbricado simple progresivo. Datos previos • Número de polos: 4 (2 pares de polos) p = 2 • Número de ranuras K = 12 • Número de delgas D = 12 • Paso de colector YCOL = +1 (progresivo)

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Máquinas rotativas de corriente continua

141

Datos principales • Condición de ejecución. K 12 = =6 p 2 Es un número entero, por tanto el devanado se puede ejecutar. • Paso de ranura o de bobina. YK =

K 12 = =3 2p 4

• Secciones inducidas por bobina. u=

D 12 = =1 K 12

Otros datos • Paso polar. YP = YK = 3 • Número total de secciones inducidas. S = D = 12 • Número de bobinas del devanado. B = K = 12 • Ancho de sección. Y1 = YK · u = 3 · 1 = 3 • Paso de conexión. Y2 = Y1 – YCOL = 3 – 1 = 2 Se mide en secciones inducidas, sin embargo en este caso, al ser 1 el número de secciones inducidas por bobina, se puede medir también en ranuras. Diseño del esquema del devanado 1. Sabiendo que el número de secciones inducidas por bobina es 1, se dibujan los haces activos de todas las bobinas en las ranuras (con línea continua el haz de la capa superior de la ranura y con línea discontinua el de la capa inferior). Las ranuras se pueden numerar si se desea. En el ejemplo se ha considerado que la ranura número 1 es la que se encuentra en el extremo izquierdo. No obstante, dicho orden no es significativo para la ejecución del esquema.

1 a

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Figura 4.66. Representación de haces activos en ranuras.

2. Se dibuja la cabeza de una bobina estableciendo el paso de ranura YK en 3. Para ello se cuentan tres ranuras a partir de la contigua a la que se ha dibujado el primer haz activo.

(continúa)

04 Maquinas electricas.indd 141

17/07/12 08:09

Unidad 4

142 (continuación)

Quedaría así:

Ranuras a contar 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Yk a

Figura 4.67. Paso de ranura.

3. Siguiendo la misma pauta, se dibujan las cabezas de todas las bobinas. Aquellas que quedan cortadas en ambos extremos del esquema, se pueden etiquetar opcionalmente para identificar mejor el recorrido del devanado. En este caso se ha optado por disponer de la misma letra para los extremos correspondientes a la misma bobina o sección inducida. a b c

a b c

1

a

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Figura 4.68. Representación de cabezas de ranura.

4. Se conecta el haz activo saliente de la capa superior de la primera bobina (ranura 1) a una delga del colector, que puede ser etiquetada como la número 1. El haz activo saliente de la misma bobina se contactará a la delga contigua (2), ya que es un devanado imbricado progresivo.

Ranuras a contar 1

2

3

4

5

6

7

8

1 12 a

1

2

3

4

5

6

9

2 7

10

3 8

Y29

11

12

4 10

11

Figura 4.69. Conexión al colector.

12 inducidas, 1 2 3 5. El paso de conexión (Y2) es de 2 secciones que en este caso coincide con 2 ranuras. Se une la delga etiquetada con el número 2 al haz activo saliente de la siguiente bobina o sección inducida.

Ranuras a contar

1

2

3

4

1

2

3

4

3

12

1

2

3

Y2 12 a

04 Maquinas electricas.indd 142

1

2

Figura 4.70. Paso de la conexión (izquierda) y detalle de la conexión (derecha).

17/07/12 08:10

Máquinas rotativas de corriente continua

143

6. Se completan todas las conexiones entre bobinas y delgas. a b c

a b c

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

d e

d e 12

a

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Figura 4.71.

7. Se establece la posición de las escobillas comenzando por la delga número 1. Como es una máquina de 4 polos, se deben dibujar 4 escobillas equidistantes entre sí, ubicadas en las delgas 1-7 y 4-10 para sus respectivos signos. 8. Y, finalmente, como comprobación se establece un sentido de corriente arbitrario para las escobillas. En este caso se ha considerado que la corriente entra por las escobillas de las delgas 1 y 7, y sale por las delgas 4 y 10. Así, si en cada haz activo se representa con una flecha el sentido de la corriente, se comprueba que está correctamente dibujado, ya que se consiguen dos polos de un signo y otros dos de otro, siendo alternativos entre sí. a b c

a b c N 1

S 2

3

4

N 5

6

7

8

9

10

11

12

d e

d e 12

a

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Figura 4.72.

9. Así, la representación circular de este devanado es:

11 10 9

a

04 Maquinas electricas.indd 143

1

12 10

11 12

2 1

8

8

2

7

6

7

5

3 4

3

9

4

6

Figura 4.73. Representación circular.

5

11

12

2

11 12 1 10 2 3 9 4 8 7 6 5

10 9

1

8

7

3 4

6

5

a Figura 4.74. Colocación de bobinas y conexiones.

17/07/12 08:10

Unidad 4

144

ejemplo En el ejemplo anterior se mostraba el devanado imbricado simple progresivo correspondiente al inducido de una máquina de corriente continua de 4 polos 12 ranuras y 12 delgas en el colector. Si para las mismas características de máquina, se desea ejecutar un devanado de tipo regresivo o cruzado, todos los datos de cálculo serán idénticos salvo aquellos que se encuentren afectados por el paso de colector, que es –1. Así los datos que cambian son: • Paso del colector. YCOL = –1 (regresivo) • Paso de conexión. Y2 = Y1 – YCOL = 3 + 1 = 4 Como Y2 es 4, las conexiones son de tipo cruzado:

3

1

4

5

6

7

2

3

4

5

Paso de conexión Y2 a

Figura 4.75. Paso de conexión regresivo.

De esta forma, el esquema del devanado el siguiente: a b c

a b c S 1

2

N 3

4

5

N 6

7

8

9

10

11

12

d e f g

d e f g 11

a

12

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Figura 4.76. Devanado de tipo regresivo o cruzado.

En él se observa que al situar las escobillas en las mismas delgas que en el devanado anterior, al hacer el seguimiento del sentido de la corriente, el progreso se hace hacia la izquierda en lugar de hacia la derecha como ocurría en el ejemplo anterior. En este caso el paso de conexión (Y2) tiene un valor superior, en una unidad, al paso de sección (Y1), por tanto, el retorno de la conexión se hace sobre una delga contigua anterior a la que se comenzó.

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4.6. Diseño de devanados imbricados con más de una sección El proceso de cálculo es el mismo que el visto anteriormente. La diferencia radica en que en este tipo de bobinado hay más de una sección por capa y, por tanto, es necesario tenerlo en cuenta en el momento del diseño. El número de secciones inducidas por bobina viene dado por la expresión: u=

D K

Se deduce fácilmente que estos devanados se dan siempre que el número de ranuras sea inferior al número de delgas. Además, para que todas las bobinas dispongan del mismo número de secciones inducidas, la relación entre D y K debe ser del doble, triple, etc.

ejemplo A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado simple progresivo. Datos previos • Número de polos: 2 (1 par de polos) p = 1

importante Si el número de secciones inducidas es 1, los resultados para Y1 e Y2 coinciden con las unidades de medida dadas en número de ranuras.

• Número de ranuras K = 6 • Número de delgas D = 12 • Paso de colector YCOL = +1 (progresivo) Datos principales • Condición de ejecución.

K 6 = =6 p 1

Es un número entero, por tanto el devanado se puede ejecutar. K 6 = =3 2p 2 D 12 = =2 • Secciones inducidas por bobina. u = K 6

• Paso de ranura o de bobina. YK =

Otros datos • Paso polar. YP = YK = 3 • Número total de secciones inducidas. S = D = 12 • Número de bobinas del devanado. B = K = 12 • Ancho de sección. Y1 = YK · u = 3 · 2 = 6 secciones • Paso de conexión. Y2 = Y1 – YCOL = 6 – 1 = 5 secciones • Número total de secciones inducidas del devanado: 24.

(continúa)

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146 (continuación)

Diseño del esquema del devanado 1. Se representan los lados activos de las secciones inducidas en las ranuras, que en este caso son 2 por bobina.

a

3

2

1

6

5

4

Figura 4.77. Haces activos de las secciones inducidas en ranuras.

2. Teniendo en cuenta que el ancho de sección Y1 es 6, dibujamos las cabezas que unen los haces activos salientes de la ranura 1 con los haces activos entrantes de la ranura 4. El número de secciones se cuenta a partir de la ranura contigua a la bobina que se esté tomando como referencia.

3

2

1

6

5

4

Secciones inducidas a contar (en este caso Y1 = 6) a

Figura 4.78. Ancho de sección.

3. Se unen las cabezas de todas las secciones inducidas.

2

1 a

3

6

5

4

Figura 4.79. Unión de las cabezas de secciones inducidas.

4. Como el paso de conexión Y2 es de 5 secciones, por la parte de abajo del esquema se unen entre sí la secciones inducidas de la misma bobina con las de la siguiente según se muestra en la figura.

1

2

3

4

5

6

Secciones a contar para 1ª conexión. Secciones a contar para 2ª conexión. a

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Figura 4.80. Paso de conexión entre secciones inducidas.

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5. Se representan las delgas del colector y las cuatro escobillas separadas entre sí de forma equidistante de forma similar a lo realizado para en los ejemplos anteriores. 6. De igual forma, se supone un sentido de la corriente en las escobillas y se marcan los polos del devanado.

a

1

N

2

11

12

1

3

2

3

4

4

S

5

5

6

7

6

8

9

10

Figura 4.81. Devanado imbricado simple con dos secciones inducidas por bobina.

4.7. Diseño de devanados ondulados simples Los devanados ondulados se caracterizan porque las conexiones entre bobinas o secciones inducidas se realizan de tal forma que, en función del paso de conexión, se avanza buscando el principio de una bobina que esté afectada en sus haces activos por polos del mismo signo que los polos, de sus respectivos haces, de la bobina inicial. De esta forma, si una vez realizado el esquema, se siguen las conexiones entre bobinas completando una vuelta a la armadura, se llegará a la delga contigua a la que se partió.

N

S

N

S

Delga de cierre de la primera vuelta Delga de partida a

Figura 4.82. Vuelta completa de un devanado ondulado.

Hay que tener en cuenta que no todos los inducidos, en número de ranuras y delgas, se pueden ejecutar como devanados ondulados, siendo en ese sentido más exigentes en el cumplimiento de las condiciones de ejecución que los de tipo imbricado

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Datos previos al cálculo De igual forma que en los de tipo imbricado, se deben conocer algunos datos de partida para realizar el cálculo: pares de polos de la máquina p, número de ranuras K y número de delgas del colector D. En este caso, el paso de colector YP hay que calcularlo como se indica a continuación, ya que es condición indispensable de ejecución. Secuencia de cálculo A partir de los datos conocidos comienzan los cálculos necesarios para un correcto dimensionado del devanado: • Paso 1. Se comprueba si el devanado se puede ejecutar. YCOL =

D±1 p

= Número entero

El dato ±1 corresponde a la decisión previa que se debe tomar sobre si el devanado es de tipo progresivo o regresivo. Así, para que un devanado ondulado pueda ejecutarse se debe cumplir lo siguiente: – que YCOL sea un número entero, – qué el número de delgas D del colector sea primo respecto al número de pares de polos p. • Paso 2. Realizamos los siguientes cálculos: – Se calcula el ancho de bobina o paso de ranura: K

YK =

2p

Pudiéndose acortar o alargar si se considera conveniente. – Se calcula el número de secciones inducidas por bobina u: u=

recuerda El paso de ranura o ancho de bobina YK deber ser próximo al paso polar YP , por ese motivo se puede alarga r o acortar.

D K

– Se calcula el paso de conexión Y2: Y2 = YCOL – YK En este caso se calcula tomado como unidad el número de secciones inducidas, pero si se deseara calcularlo en función del número de ranuras, el valor de YK sería modificado, es decir, el acortado o el alargado. • Paso 3. Otros datos que conviene saber son: Paso polar

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YP =

K 2p

Número total de secciones inducidas

S=D

Número de bobinas del devanado

B=K

Ancho de sección (Y1 )

Y1 = YK · u

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• Paso 4. Como se ha dicho anteriormente, con independencia del número de polos, un devanado ondulado solamente está formado por dos circuitos. Por tanto, solo es necesario colocar un par de escobillas en el colector. No obstante, para mejorar la conmutación y repartir el consumo de corriente entre ellas, es aconsejable poner tantos pares de escobillas como polos tenga la máquina. Así, el paso para colocar las escobillas se calcula con la expresión: Ye =

caso práctico inicial El hecho de que la máquina del caso práctico inicial disponga de 4 polos y solamente 2 líneas de escobillas, indica que el devanado del inducido es de tipo ondulado.

D 2p

ejemplo A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado ondulado simple progresivo. Datos previos • Número de polos: 4 (2 pares de polos) p = 2 • Número de ranuras K = 13 • Número de delgas D = 13 Datos principales • Condición de ejecución. YCOL =

D±1 13 + 1 = =7 p 2

Es un número entero. Además, el número de delgas D = 13 es primo respecto al número de pares de polos p = 2. • Paso de ranura o de bobina. K 13 YK = = = 3,25 _∼ 3 (Acortado) 2p 4 • Secciones inducidas por bobina. u =

D 13 = =1 K 13

Otros datos • Paso polar. Yp =

K 13 = = 3,25 2p 4

• Número total de secciones inducidas. S = D = 13 • Número de bobinas del devanado. B = K = 13 • Ancho de sección. Y1 = YK · u = 3 · 1 = 3 secciones • Paso de conexión. Y2 = YCOL – YK = 7 – 3 = 4 secciones • Paso de escobillas. Ye =

K 13 = = 3,25 2p 4 (continúa)

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150 (continuación)

Diseño del esquema del devanado 1. Se dibujan los haces activos que se alojan en cada una de las ranuras. En este caso es aconsejable no numerar aún las ranuras.

a

Figura 4.79. Representación de los haces activos en ranuras.

2. Como ranura de inicio se puede tomar cualquiera de las representadas. En este caso, para facilitar el diseño se ha tomado la tercera de la izquierda. A partir de ella se representa la primera bobina teniendo en cuenta que el paso YK se ha acortado a 3. Para ello se cuentan tres ranuras a partir de la contigua a la considerada como inicial. 3. Para dibujar la siguiente bobina (o sección inducida) se cuentan 4 ranuras (Y2 ) a partir de la ranura contigua a la que aloja el lado activo entrante de la primera bobina. 4. Se numeran las ranuras a partir de la que elegimos como primera para nuestro diseño, que se considera como la número 1. Yk

Y2 Ranuras a contar para Y2

12 1 2

13 1 3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 1 0

1 11

Ranuras a contar para Yk a

Figura 4.83. Pasos del devanado.

5. Se dibujan las delgas del colector considerando que la número 1 es la correspondiente a la conexión con el terminal del haz activo de la primera bobina o sección inducida. 6. Se comprueba que el paso de colector YCOL = 7 es correcto, teniendo en cuenta que hay que contar a partir de la delga contigua a la que se conectó el terminal de la primera bobina.

12 1 2

13 1 3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 1 0

1 11

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Ycol a

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Figura 4.84. Paso de colector.

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7. Se dibuja el resto del bobinado siguiendo la misma pauta. 8. Se representan las escobillas. En este caso se ha decidido instalar cuatro, a pesar de que un devanado ondulado solamente necesita dos. Como el número de delgas es impar, el paso obtenido para ello es Ye = 3,25. N

S

N

S a b c

a c b 12

13

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

d e f g

e d g f 1

a

2

3

4

5

6

7

8

9

11

10

12

13

Figura 4.85. Devanado completo con escobillas.

4.8. Conexiones equipotenciales Son conexiones que se realizan en los devanados que tienen varias ramas en paralelo. Se utilizan para evitar una descompensación de las fuerzas electromotrices y las corrientes que circulan en cada una de ellas. Esto se debe a los efectos producidos por: la asimetría del entrehierro en diferentes puntos de la máquina o por divergencias en diferentes puntos del circuito magnético (producidas por defectos físicos de los polos o desigualdad en el campo de excitación). Las conexiones equipotenciales pueden realizarse de diferentes maneras, pero las más utilizadas son las denominadas de 1ª clase, que se realizan en la parte inferior de las cabezas de las bobinas donde se encuentran los terminales de conexión de cada una de ellas. a b c

a b c N 1

S 2

3

4

N 5

6

7

8

9

10

11

Sabiendo que el número de ramas en paralelo es igual al número de polos de la máquina, podemos diseñar las conexiones equipotenciales de 1ª categoría utilizando las siguientes expresiones de cálculo: Número de conexiones equipotenciales: K p Paso o ancho de la conexión equipotencial: Neq =

12

d e

saber más

d e

Yeq = 12

a

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

K p

11

Figura 4.86. Conexiones equipotenciales en un devanado imbricado simple de 4 polos.

Generalmente, las conexiones equipotenciales se realizan por el lado del colector uniendo delgas entre sí mediante soldaduras; sin embargo, en ocasiones este tipo de conexiones se hace en el lado en el que se encuentran las cabezas superiores del devanado.

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ACTIVIDADES FINALES 1. Identifica cada una de las partes de esta máquina rotativa de corriente continua. 1.

9 1

8

2. 3.

2

4. 5.

3

7

4 6 a

5

6. 7. 8. 9.

Figura 4.87.

2. Di cuáles de estos devanados se pueden ejecutar y cuáles no. • Imbricado simple: 32 ranuras, 16 delgas y 2 pares de polos. • Imbricado simple: 13 ranuras, 23 delgas y 3 pares de polos. • Imbricado ondulado simple: 23 ranuras, 23 delgas y 1 par de polos. • Imbricado ondulado simple: 11 ranuras, 22 delgas y 2 pares de polos. 3. Dibuja cómo se deben conectar las bobinas inductoras en una máquina de corriente continua de 8 polos. 4.

Haz lo mismo para una máquina de 6 polos. ¿Puede ser el número de polos impar?

5. Utilizando una máquina rotativa de corriente continua que haya en el aula taller, realiza los cálculos para un número de pares de polos que permita que el devanado se pueda ejecutar. Luego realiza todas las actividades profesionales propuestas de esta unidad. 6. Dibuja el esquema del inducido de una máquina de corriente continua de 4 polos sabiendo que el número de ranuras y el de delgas es el mismo: 16. Representa las escobillas y la polaridad en cada haz activo de las bobinas.

a

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Figura 4.88.

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7. Dibuja el esquema de un devanado imbricado simple para una máquina de 4 polos, 16 ranuras y 32 delgas. Representa las escobillas y la polaridad en los haces activos de las bobinas.

a

Figura 4.89.

8. Dibuja el esquema de un devanado ondulado simple para una máquina de 4 polos, 17 ranuras y 17 delgas. Representa las escobillas sabiendo que se van a instalar tantas como polos.

a

Figura 4.90.

9. Dibuja en tu cuaderno el esquema de un devanado imbricado simple para una máquina de 13 ranuras, 39 delgas y 2 polos. 10. Haz lo mismo para devanado imbricado simple destinado a una máquina de 17 ranuras, 51 delgas y 1 par de polos.

entra en internet 11. Localiza imágenes de cómo se construyen las bobinas de los inducidos destinados a máquinas de gran potencia. 12. ¿En qué consiste el torneado del colector? 13. Localiza un vídeo de cómo se bobina un inducido de forma manual y otro con una máquina automática. 14. ¿Qué es un motor sin escobillas?, ¿tiene algo que ver con lo estudiado en esta unidad?

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PRÁCTICA PROFESIONAL 1 HERRAMIENTAS • Martillo con cabeza de nailon • Llaves Allen de diferentes tamaños • Juego de llaves fijas y/o de tubo

desmontaje de una máquina rotativa de corriente continua

• Recipiente o gaveta de plástico • Extractor de cojinetes

OBJETIVO

• Guantes, alicates y extractor de chavetas

Conocer las técnicas y herramientas utilizadas para desmontar una máquina rotativa.

MATERIAL

PRECAUCIONES

• Una máquina de corriente continua

• Utiliza guantes en la operación de desmontaje y montaje de la máquina.

• Rotulador permanente y cinta aislante

• Cubre de cinta aislante los huecos de las chavetas para evitar cortes con el filo de sus bordes.

DESARROLLO 1. Preparar la mesa de trabajo con el equipo de herramientas necesario para el desmontaje de la máquina. Es aconsejable disponer de una bandeja o gaveta para dejar en ella todos los elementos que se retirarán en esta operación.

a Figura 4.91. Algunas de las herramientas necesarias para desmontar la máquina.

2. Utilizando un rotulador permanente, realizar marcas en los dos escudos de la máquina de tal forma que identifiques claramente en qué lado de la culata están ubicados cada uno de ellos.

a Figura 4.92. Marcaje de culatas.

3. Por la ventana del escudo que contiene las escobillas, las retiramos para evitar que se dañen en el proceso de desmontaje. 4. Utilizando un extractor de chavetas retiramos las de ambos extremos del eje. Si no dispones del extractor, puedes usar un alicate universal o de pico de pato. También, a modo de truco, puedes emplear pequeño tornillo de banco portátil fijando y tirando de la chaveta.

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5. Cubre el hueco de la chaveta con un par de vueltas de cinta aislante, ya que el filo de sus bordes puede provocar algún corte durante la manipulación del rotor.

a Figura 4.93. Retirada de escobillas, extracción de chavetas y taponado del hueco de la chaveta.

6. Si la máquina dispone de acoplamientos, ventiladores o cualquier otro elemento en su eje, es necesario retirarlo utilizando un extractor de dimensiones adecuadas.

a Figura 4.94. Extracción de los acoples del eje de una máquina rotativa.

7. Utilizando las herramientas apropiadas, afloja los tornillos o pasadores que sujetan los escudos a la culata de la máquina y, de forma cuidadosa, retira los escudos de ambos lados. Presta especial atención al desmontaje del escudo en el que se encuentran los portaescobillas, ya que una manipulación precipitada e inadecuada puede deteriorarlos de forma irremediable.

a Figura 4.95. Retirada de los escudos.

8. Si es necesario para realizar de forma cómoda las operaciones de rebobinado, retira con un extractor los cojinetes y el ventilador del eje.

a Figura 4.96. Máquina desmontada.

9. Con estas operaciones se concluye el desmontaje de la máquina, quedando lista para tareas de mantenimiento o rebobinado.

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PRÁCTICA PROFESIONAL 2 HERRAMIENTAS • Herramientas de electricista • Bobinadora manual y todos sus accesorios • Devanador

Bobinado del devanado de excitación de una máquina de corriente continua

• Llaves Allen, fijas y/o de tubo • Recipiente o gaveta de plástico • Guantes, calibre y micrómetro • Serrucho de carpintero • Brújula y polímetro

OBJETIVO Conocer la técnica para el rebobinado del devanado inductor de una máquina rotativa de corriente continua.

• Una máquina de corriente continua

PRECAUCIONES

• Soldador rápido

• Utiliza guantes en la operación de desmontaje y montaje de la máquina.

• Peladora de hilo esmaltado

• Utiliza las herramientas y la bobinadora siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor.

MATERIAL • Rotulador permanente

Nota inicial

• Cinta de algodón de 1 cm de ancho

La siguiente práctica profesional se ha planteado desde el punto de vista del rebobinado de una máquina supuestamente averiada. En ningún caso desea realizar el cálculo del circuito eléctrico de excitación para una máquina nueva. En este caso, se supone que conocemos el diámetro de conductor y el número de espiras para la construcción de dichas bobinas.

• Hilo esmaltado de bobinar • Alambre plano de atar verde • Madera de aglomerado para el molde de las piezas polares • Madera de aglomerado de 6 mm de ancho • Estaño

DESARROLLO 1. Toma medida del interior de la bobina. Si la máquina es de polos extraíbles, las medidas se toman con un calibre. Si la máquina es ranurada, se toma la medida con un hilo de cobre rígido moldeando la forma en la propia máquina.

A

a Figura 4.97. Medida en máquina de polos salientes.

C

a Figura 4.98. Medida en máquina de polos salientes.

Hay que tener en cuenta que una vez finalizadas las bobinas, deben aislarse con cinta de algodón, por lo que debe aumentarse 2 ó 3 mm cada una de las medidas, ya que si no se tienen en cuenta, puede ocurrir que la bobina no quepa en el interior de la pieza polar.

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2. Una vez tomada la medida de la bobina, procedemos como se indicó en las prácticas profesionales de la Unidad 2 para su construcción. En este caso, las bobinas inductoras se fabricarán con una bobinadora manual, bien utilizando moldes prefabricados, bien construyendo un molde con madera tipo sándwich.

00000

Mode de madera tipo sándwich

a Figura 4.99. Molde de madera.

a Figura 4.100. Colocación en bobinadora manual.

Nota. Debido a las dimensiones que tienen las bobinas inductoras y la poca docilidad que presentan una vez que están construidas, aquí se ha optado por construir un molde de madera con las dimensiones exactas, ya que esto facilita la instalación posterior de cada una de las bobinas en las piezas polares. Además, al ser el número de espiras elevado, las tapas del sándwich deben ser de grandes dimensiones para cubrirlas sin dificultad. 3. Para construir la bobina se seguirán las técnicas vistas en la práctica profesional de la Unidad 2. No olvides colocar el alambre de atar para que la bobina no se desmorone una vez que se haya extraído de la bobinadora. 4. Encinta fuertemente toda la bobina con la cinta de algodón. El atado final puedes hacerlo dividiendo la cinta por la mitad y atando un extremo sobre el otro.

a Figura 4.101. Encintado de la bobina inductora.

5. Siguiendo los pasos vistos anteriormente, construye tantas bobinas inductoras como sea preciso para la máquina con la que estés trabajado. Recuerda que el número de bobinas es igual al número de polos y aquí se ha considerado que la máquina que se está reparando es bipolar. 6. Coloca cada bobina en el interior de su pieza polar. En el caso de que la máquina sea de polos salientes, saca el polo de la culata e inserta la bobina en él.

a Figura 4.102. Bobina en pieza polar extraíble.

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PRÁCTICA PROFESIONAL 2 (cont.) 7. Con las herramientas adecuadas fija nuevamente las piezas polares en la culata. Ten la precaución de dejar los terminales de las bobinas del lado en el que se encuentra el orificio que comunica con la caja de bornes.

a Figura 4.103. Montaje de piezas polares en culata.

8. Realiza la conexión entre bobinas de forma que cada pieza polar tenga un signo diferente. Para ello ayúdate de la regla de la mano derecha tal y como se ha explicado en la unidad. En la figura de la izquierda se muestra cómo deben conectarse las dos bobinas para conseguir polos de diferente signo. En la figura de la derecha se muestra cómo están instaladas en la culata de la máquina y la conexión entre ellas. J

K I

S I

N

I

S

N

I

a Figura 4.104. Conexión entre bobinas.

a Figura 4.105. Instalación y conexión entre ellas.

9. Utiliza la técnica de soldadura blanda para unir los terminales de las bobinas. Cubre la unión con tubo flexible de fibra de vidrio.

a Figura 4.106. Secuencia de montaje: en primer lugar se pelan los terminales que vamos a unir, más tarde se inserta el tubo flexible en uno de los terminales y, finalmente, se retuerce un hilo sobre el otro.

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El proceso de soldadura se muestra en las siguientes figuras:

a Figura 4.107. Secuencia final de montaje: en primer lugar se suelda la unión con estaño y, finalmente, se cubre el empalme con

el tubo flexible.

10.Comprueba con un polímetro si existe continuidad entre los terminales J-K.

Polímetro

K

TTL

400 mA MAX

1000 V 750 V 500 V MAX

a Figura 4.108. Comprobación de continuidad en el devanado de excitación.

11.Si es correcta la comprobación, alimenta con una tensión de no más de 50 V de corriente continua dichos terminales y acerca una brújula a las piezas polares. Si la conexión entre bobinas es correcta, en cada una de ellas debe aparecer una polaridad diferente. ¿Qué ocurre si se invierte la polaridad de la alimentación? 50 Vcc K J

Brújula

Brújula

a Figura 4.109. Brújulas indicando la polaridad.

12.Conecta los terminales del devanado inductor a los bornes J-K de la caja de bornes de la máquina.

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PRÁCTICA PROFESIONAL 3 HERRAMIENTAS • Herramientas de electricista • Bobinadora manual y todos sus accesorios • Devanador, micrómetro y polímetro • Inducido de una máquina de corriente continua • Soldador • Peladora de hilo esmaltado • Pistola de aire comprimido • Serreta de colectores • Cepillos, rascadores, limas redondas de picado, etc. • Guillotina de cartón

MATERIAL • Rotulador permanente • Cartón aislante • Cuñas rígidas para cierre de ranuras • Hilo esmaltado de bobinar • Alambre plano de atar • Estaño • Cinta de carrocero de 2 cm da ancho • Cuerda para zunchado

Bobinado del inducido de una máquina de corriente continua OBJETIVO Conocer la técnica para el rebobinado del devanado del inducido de una máquina rotativa de corriente continua.

PRECAUCIONES • En las operaciones de limpieza de ranuras debes evitar dañar la chapa magnética del interior. • Realiza con precaución las operaciones de soldadura para evitar la conexión entre delgas contiguas. • Utiliza las herramientas y la bobinadora siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor. • Etiqueta adecuadamente los terminales de las bobinas para evitar errores en la conexión.

Nota inicial La siguiente práctica profesional se ha planteado desde el punto de vista del rebobinado de una máquina supuestamente averiada. En ningún caso desea realizar el cálculo del circuito eléctrico del inducido para una máquina nueva. En este caso, se supone que conocemos el diámetro de conductor y el número de espiras para la construcción de dichas bobinas.

DESARROLLO Preparación del rotor 1. Retira el hilo y los aislantes de la máquina a rebobinar. 2. Instala el rotor en un soporte de inducidos. Esto facilitará las operaciones de limpieza, preparación y rebobinado, especialmente si es de grandes dimensiones. A continuación, limpia las ranuras de la armadura utilizando rascadores, limas redondas de picado muy fino y cepillos metálicos.

Cepillo

Rascador

a Figura 4.110. Rotor sobre soporte de inducido.

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a Figura 4.111. Limpieza de ranuras del inducido.

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3. Con una serreta de colector retira la mica y cualquier tipo de impureza que pueda haber entre las delgas. Más tarde, limpia todo el rotor utilizando una pistola de aire a presión.

a Figura 4.112. Limpieza del colector.

a Figura 4.113. Soplado del rotor.

4. Comprueba con un polímetro que no existe continuidad entre delgas contiguas. Después, cortocircuita todas las delgas del colector enrollando sobre él un par de vueltas de cable sin aislante, comprobando que no existe continuidad entre delgas y las partes metálicas del rotor.

a Figura 4.114. Comprobación entre delgas.

a Figura 4.115. Comprobación entre delgas y rotor.

5. Comprueba que los aislantes rígidos que se encuentran en los laterales del tambor se hayan en buen estado. Si no es así, deberán ser sustituidos por unos nuevos. A continuación, aísla con cinta textil adhesiva, cartón aislante o, en su defecto, cinta de carrocero las partes de los ejes sobre las que se ubicarán las cabezas de las bobinas. Este aislamiento evitará cualquier contacto físico de las espiras de las bobinas con la parte metálica del rotor.

Aislamiento a Figura 4.116. Comprobación de aislantes del tambor.

a Figura 4.117. Aislamiento del eje.

6. Corta una tira de cartón aislante de aproximadamente el perímetro interno de una ranura. Haz varias pruebas hasta conseguir el tamaño adecuado. Toma las medidas del modelo y corta tantas tiras de cartón aislante como ranuras tenga la armadura. Finalmente, dobla cada una de las tiras de forma que se adapten al interior de las ranuras. Aislamiento de ranura

a Figura 4.118. Aislamiento de la ranura.

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a Figura 4.119. Preparación del cartón para vestir las ranuras.

a Figura 4.120. Detalle de ranuras aisladas.

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Unidad 4

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PRÁCTICA PROFESIONAL 3 (cont.) Bobinado del rotor 7. Diseñar el esquema del devanado del inducido en el que se está trabajando. Nota. Para facilitar la explicación del proceso se ha tomado como ejemplo uno de los devanados diseñados en la unidad. Exactamente se trata de un devanado imbricado simple para un rotor de 12 ranuras y 12 delgas instalado en una máquina de 4 polos. A lo largo de la explicación se muestran fotografías de algunos devanados de inducidos que no corresponden exactamente con el del esquema, pero que sirven como ejemplo de cómo realizar las operaciones de montaje. a b c

a b c N 1

S 2

3

4

N 5

6

7

8

9

10

11

12

d e

d e 12

1

2

3

4

5

6

7

8

9

11

10

a Figura 4.121. Esquema del devanado.

8. Antes de comenzar a construir las bobinas se hace necesario establecer un sistema de etiquetado de terminales para su correcta conexión al colector. Aquí se muestra una forma de realizarlo, pero cualquier otra similar puede ser igual de eficiente. Por ejemplo, cada bobina se puede etiquetar con un número 1, 2, 3, etc., seguido de dicho número va una letra mayúscula para indicar que es el terminal entrante de la bobina (va a en la capa superior) o una minúscula para indicar que es el saliente (va a la capa inferior). Si el devanado dispone de varias secciones inducidas, se ponen letras consecutivas para cada una tanto para los terminales entrantes como para los salientes. Ejemplo de etiquetado en una bobina con una sección inducida

Ejemplo de etiquetado en bobinas con más de una sección inducida

• Los terminales 1A y 1a corresponden respectiva- • Los terminales 1A y 1a pertenecen a la primera secmente a la bobina numerada con el 1 (ranuras 1-4). ción inducida de la bobina número 1. • Los terminales 2A y 2a a la bobina número 2 (ra- • Los terminales 1B y 1b pertenecen a la segunda nuras 2-5) sección inducida de la bobina número 1. • El mismo criterio se sigue para etiquetar los terminales de las secciones inducidas de la bobina número 2. 1

1

2 1A

a

1

2

3 2A 1a

4

5

2a

Figura 4.122. Etiquetado de una sección inducida.

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4

5

2A 2B 2a 1B 1a 1b

2b

2

1

1A

2

3

a Figura 4.123. Etiquetado de varias secciones inducidas.

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9. Una vez establecido el sistema de etiquetado en el caso de nuestro ejemplo, tendríamos 12 bobinas con dos terminales cada una de ellas. Dicho referenciado se puede dibujar directamente sobre el esquema del devanado o representando una tabla similar a la siguiente. Número de bobina

Terminales

Ranuras

1

1A - 1a

1-4

2

2A - 2a

2-5

3

3A - 3a

3-6

4

4A - 4a

4-7

5

5A - 5a

5-8

6

6A -6a

6-9

7

7A - 7a

7 - 10

8

8A - 8a

8 - 11

9

9A - 9a

9 - 12

10

10A - 10a

10 - 1

11

11A - 11a

11 - 2

12

12A - 12a

12 - 3

10.Con un hilo rígido toma medida de la bobina en el rotor. Para ello insértalo en las ranuras correspondientes (paso de bobina) teniendo en cuenta que las cabezas tienen que tener una cierta holgura para poder alojarlas adecuadamente, pero que tampoco pueden ser excesivamente largas, ya que podría no ser posible el montaje sobre el rotor. Ancho de bobina

Hilo rígido para medida del molde

a Figura 4.124. Medida de la bobina.

11.Saca el hilo con la medida y colócalo en los moldes en la bobinadora, luego mueve los moldes hasta que su apertura se adapte a la medida tomada.

3a

1a

12.Construye doce bobinas siguiendo el proceso estudiado en la práctica profesional de la Unidad 2 y etiqueta sus terminales con cinta aislante o cinta de carrocero siguiendo el sistema propuesto.

Hilo con medida 2a

1A

3A

2A

a Figura 4.125. Detalle de adaptación de los moldes a la medida de la bobina.

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a Figura 4.126. Bobinas finalizadas y etiquetadas.

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PRÁCTICA PROFESIONAL 3 (cont.) 13. Etiqueta las ranuras con un rotulador indeleble. Una vez etiquetadas, inserta la primera bobina en la armadura entre las ranuras 1 y 4 de forma que los terminales queden del lado del colector. Marca cuál es la delga considerada como número 1. Ten en cuenta que la unión entre la delga 1 y 2 se encuentra aproximadamente en la mitad de la cabeza de la bobina. Etiquetado de terminales

1a

Etiquetado de ranuras

Identificación de delgas

5 4

3

3

2

J.C.M.Castillo

1

2 1

Cuñas de cierre

1A

a Figura 4.127. Etiquetado de delgas.

14. Cierra con cuñas rígidas cada una de las ranuras. Esto evitará que el devanado salga al exterior. Cuña de cierre

a Figura 4.128. Detalle de cierre de ranuras mediante cuñas.

15. Completa el devanado de la armadura. Ten en cuenta que el devanado debe quedar peinado. Esto quiere decir que las cabezas de bobina se deben entrelazar entre sí. Para ello es necesario sacar de la ranuras las primeras bobinas (en nuestro caso tres de ellas) para así cerrarlo correctamente.

1 11

12

1

2 2

3

10 9

4 11

4 8

7

12

1

6

2

10 9

11

4 8

7

6

9

5 5

3 2

10

5

3

12

1

11

3 4

8

7

12

1

6

2

10 9

11

7

6

1

2

10 9

5

6 3 4

8

12

5

11

4 8

7

12

1

6

2

10 9

3 5

3 4

8

a Figura 4.129. Proceso de cerrado de un devanado.

7

6

5

a Figura 4.130. Detalles del pei-

nado de dos inducidos.

16. Cierra con cuñas de forma definitiva todo el devanado. 17. Comienza el proceso de soldadura de los terminales al colector.

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18. Para facilitar esta operación crea una tabla de conexiones como la aquí propuesta. Número de bobina

Terminales

Ranuras

1

1A - 12a

1–3

2

2A - 1a

2–4

3

3A – 2a

3–5

4

4A – 3a

4–6

5

5A – 4a

5–7

6

6A -5a

6–8

7

7A – 6a

7–9

8

8A – 7a

8 – 10

9

9A – 8a

9 – 11

10

10A – 9a

10 – 12

11

11A – 10a

11 – 1

12

12A - 11a

12 - 2

19. Corta los terminales con la longitud adecuada para conectarlos a las delgas correspondientes, por otro lado, pela unos 50 mm las puntas de los terminales de hilo esmaltado. Una vez hecho, es conveniente que vayas soldando y cortando los terminales de dos en dos. Esto evitará equivocaciones en el conexionado al colector. 20. Inserta las puntas de los terminales en la ranura de la delga y aplica un punto de soldadura evitando que dos delgas contiguas queden unidas eléctricamente. Nota. Debes saber que los inducidos fabricados mediante procesos automatizados, en lugar de unir los terminales a las delgas mediante soldadura, lo hacen por la técnica de remachado. Ranuras para soldadura

a Figura 4.131. Detalle de ranuras de delgas para aplicar puntos de soldadura, ejemplo de soldadura y ejemplo de remachado.

21. Por último es necesario zunchar el inducido. Para ello se utiliza cinta de algodón fina o cuerda para atar todos los terminales poco antes del colector. Es importante realizar esta operación, ya que en caso contrario los terminales se pueden soltar con la máquina en funcionamiento.

a Figura 4.132. Zunchado.

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Unidad 4

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PRÁCTICA PROFESIONAL 4 HERRAMIENTAS • Polímetro • Medidor de aislamiento

comprobación de inducidos

• Comprobador de inducidos de sobremesa

OBJETIVO

• Comprobador de inducidos portátil

Conocer las técnicas de comprobación de inducidos en máquinas de corriente continua.

MATERIAL • Cables de prueba del polímetro o del comprobador de inducidos • Hoja de sierra

PRECAUCIONES • Consulta el manual de instrucciones para el uso adecuado de cualquiera de los instrumentos aquí utilizados.

DESARROLLO Las técnicas de comprobación aquí mostradas se pueden utilizar tanto en inducidos rebobinados (como el realizado en la práctica profesional anterior) como en aquellos pertenecientes a otras máquinas cuyo funcionamiento queremos comprobar. Comprobación del aislamiento entre circuito eléctrico y magnético 1. Utilizando un medidor de aislamiento o un comprobador de continuidad, coloca una de las puntas de prueba en cualquiera de las delgas del colector (puedes cortocircuitarlas enrollando un cable sobre ellas) y la otra en cualquier parte metálica del rotor. Nota. Algunos comprobadores de inducidos de sobremesa disponen de comprobador de continuidad. 2. Si no obtenemos continuidad o la resistencia es muy alta, significa que el devanado no presenta falta de aislamiento.

TTL

400 mA MAX

1000 V 750 V 500 V MAX

a Figura 4.133. Comprobación de aislamiento.

Uso del comprobador de inducidos de sobremesa 3. Sitúa el inducido en el núcleo en V del comprobador y alimenta el comprobador. Es normal que el propio instrumento emita un ligero zumbido magnético. 4. Coloca una lámina metálica (como puede ser una hoja de sierra) sobre la ranura a comprobar. Si la lámina no vibra, significa que esa bobina es correcta.

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5. Gira lentamente el rotor y comprueba una a una todas las ranuras con la lámina metálica. Si en alguna de ellas aumenta de forma considerable el zumbido y la vibración, quiere decir que has localizado una bobina que está en cortocircuito. En este caso debes seguir sus terminales hasta el colector y comprobar si alguna de las delgas están en cortocircuito. Lámina metálica

illo

J.C.M.Cast

Núcleo en V del comprobador

a Figura 4.134. Comprobación de cortocircuito.

6. Muchos de estos instrumentos disponen de un sistema de comprobación de corriente que permite determinar si la intensidad que circula por las bobinas es la misma en todas ellas. Para ello hay que conectar los cables de prueba en el instrumento, y con las puntas de prueba ir tocando en las delgas de cada bobina. Si alguna de ellas no marca igual o lo hace débilmente, indica que el cable se ha roto o que está mal soldado a la delga.

tillo

J.C.M.Cas

Comprobador de corriente

a Figura 4.135. Comprobación de conductor interrumpido.

Uso del comprobador portátil Nota. El uso del comprobador de mano solamente es necesario si no se ha utilizado o no se dispone del comprobador de inducidos de sobremesa.

a Figura 4.136. Uso del comprobador de mano.

7. Enciende el instrumento y sitúa su cabeza lectora sobre alguna de las ranuras del inducido. Si el indicador luminoso pasa de verde a rojo, y además emite un zumbido, significa que alguna de las bobinas está en cortocircuito en el devanado o en el colector de delgas.

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MUNDO TÉCNICO equilibrado de máquinas rotativas De igual forma que otro tipo de máquinas o dispositivos giratorios, los rotores de las máquinas eléctricas requieren un equilibrado para evitar vibraciones y ruidos. Es más, si el desequilibrio es muy pronunciado, el rotor podría rozar contra el estator deteriorando los circuitos magnético y eléctrico. Por este motivo, todas las máquinas que salen de fábrica pasan por un proceso de equilibrado. Por ejemplo, si se hace un rebobinado en el taller de reparación, la disposición de los devanados puede cambiar respecto al original, por tanto, será necesario su equilibrado. Existen máquinas automáticas específicas para realizar el equilibrado de rotores eléctricos. Estas disponen de un conjunto de sensores de medición, una unidad de control informatizada para el procesamiento de datos y una interfaz de operación para el diálogo con el operador. No obstante, existen técnicas de equilibrado manual en las que el rotor se sitúa en un soporte tipo torno y, después de hacerlo girar, se marca el punto en el que se queda siempre fijo, calculando así, si es necesario algún tipo de contrapeso.

En el primer caso, se pueden fijar piezas no magnéticas en el rotor, como ocurre con los rotores de jaula de ardilla en los motores de inducción. También puede añadirse algún tipo de masilla que se endurezca al secarse, y que se puede fijar sobre los propios devanados del inducido de la máquina.

a

Figura 4.138. Rotor con pasadores para equilibrado por remachado.

a Figura 4.139. Masilla endurecida para equilibrado de inducidos.

Para el equilibrado por eliminación de material se requiere experiencia y maquinaria específica, ya que consiste en eliminar por fresado o desbarbado parte del circuito magnético del rotor.

a Figura 4.137. Máquina automática de equilibrado de rotores

(Cortesía de Balance Systems).

El equilibrado del rotor de una máquina eléctrica rotativa puede hacerse de dos formas: añadiendo o eliminando material.

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a Figura 4.140. Equilibrado por fresado.

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EN RESUMEN MÁqUINAS ROTATIVAS DE CORRIENTE CONTINUA

Principio de funcionamiento

Constitución

Circuito eléctrico

Circuito magnético

Conexión de los devandados

Arranque

Variación de velocidad

Características

Devanados de corriente continua

Inductor o excitación

Inducido

Devanado ondulado simple Devanado imbricado simple

EVALÚA TUS CONOCIMIENTOS 1. ¿Cuáles son los dos circuitos eléctricos que tiene una máquina rotativa de corriente continua? a. Piezas polares.

c. Inducido.

b. Inductor.

d. Paso polar.

2. El inducido se encuentra instalado en el estator. c. Verdadero.

b. Falso.

3. La escobillas se deben situar en la denominada:

Resuelve en tu cuaderno o bloc de notas

4. Los polos de conmutación se utilizan para: a. que la máquina gire más rápido. b. acortar el paso de bobina. c. eliminar la reacción del inducido. 5. El número de polos de devanado de excitación puede ser impar. a. Verdadero. b. Falso.

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