RESPUESTAS MAQUINAS ELECTRICAS

Universidad Nacional Siglo XX Maestría en Ing. de Control-Automatización e Ing. de Telecomunicaciones Módulo 16: Regulación Automática y Máquinas Eléctricas avanzadas

PREGUNTAS TEXTO 2 Por: Adolfo Quenallata Layme PREGUNTAS Y TEMAS DE ANÁLISIS. 8-1.

¿Qué es conmutación? ¿Cómo puede convertir un conmutador voltajes ac del inducido de la máquina a voltajes dc en sus terminales?

Conmutación es un proceso de conversión de voltaje ac en voltaje dc mediante unos mecanismos que realizan conexión y desconexión. Un conmutador convierte voltaje ac del inducido de la máquina, cambiando la polaridad del voltaje generado en el inducido mediante un mecanismo denominado colector, el cual a su vez está compuesto por delgas y escobillas que al rotar el inducido se produce esta conmutación. 8-2.

¿Por qué la curvatura de las caras polares de la máquina dc contribuye a uniformar el voltaje de la salida dc de ella?

Porque el entrehierro que se forma al construir de esta forma se mantiene constante y por ende la reluctancia también es constante, lo que consecuentemente significa que el flujo magnético sea constante y producir un voltaje constante. 8-3.

¿Qué es el factor de paso de una bobina?

Es el grado de acortamiento del paso de una bobina, especialmente esto se da cuando se acorta el paso de una bobina a menos de 180° eléctricos. 8-4.

Explique el concepto de grados eléctricos. En relación con el ángulo mecánico del eje de la máquina, ¿cómo es el ángulo eléctrico del voltaje en un conductor del rotor?

Los grados eléctricos son la distancia respecto a la distancia entre dos lados activos de una bobina, puesto que entre estos siempre existe 180° eléctricos. El ángulo eléctrico del voltaje en un conductor respecto del ángulo mecánico no necesariamente es el mismo, pudiendo ser menor en la mayoría de los casos. 8-5.

¿Qué es paso de conmutación?

Es el número de devanados completos independientes. 1

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8-6.

¿Qué es la multiplicidad de un devanado del inducido?

Cuando los inducidos con más de un grupo de devanados tienen devanados múltiples completos e independientes. 8-7.

¿En qué difieren los devanados imbricados de los devanados ondulados?

En el devanado imbricado las bobinas están conectadas en serie respecto a las delgas, es decir que los extremos de las bobinas están conectados a segmentos de conmutación adyacentes. En el devanado ondulado cada segunda bobina del rotor se conecta al segmento de colector posterior adyacente a aquel segmento en el cual se conectó el comienzo de la primera. 8-8.

¿Qué son los compensadores? ¿Por qué se requieren en una máquina con devanados imbricados y no en una máquina con devanados ondulados?

Los compensadores son barras que se encuentran en el devanado imbricado para unir puntos del mismo nivel de voltaje de las diferentes trayectorias en paralelo. Una máquina con devanados imbricados lo requiere para que las corrientes circulantes que se presenten fluyan dentro de estas secciones y no a través de las escobillas, y los devanados ondulados no requiere los compensadores porque los segmentos en proceso de conmutación conectan los puntos de igual voltaje situados bajo todas las caras polares. 8-9.

¿Qué es reacción de inducido? ¿Cómo afecta la operación de una máquina dc?

La reacción del inducido es la distorsión del flujo de una máquina, cuando se incrementa la carga consecuentemente aumenta la corriente por el inducido y consecuentemente el campo magnético distorsionador. Esta reacción de inducido afecta a la operación de la máquina dc de dos formas, el primero desplazando el plano neutro que puede llevar inclusive el flameo de los segmentos de conmutación cerca de las escobillas debido a que el voltaje de los segmentos adyacentes son muy grandes que producen la ionización del aire. 8-10. Explique el problema del voltaje Ldi/dt en los conductores bajo conmutación. Llamado también golpe inductivo, que se genera debido a la inversión de la corriente por los colectores por lo que se induce un golpe de voltaje v=Ldi/dt, lo que este alto voltaje ocasiona chispas en las escobillas de la máquina y causa los mismos problemas del desplazamiento del neutro.

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8-11. ¿Cómo afecta el desplazamiento de las escobillas el problema de chisporroteo en las máquinas dc? Si bien reduce el chisporroteo, desplazar las escobillas agravaría el problema del debilitamiento del flujo de la reacción del inducido de la máquina. 8-12. ¿Qué son los polos de conmutación? ¿Cómo se utilizan? Son pequeños polos que se colocan en medio de los polos principales, sobre los conductores que están directamente conmutándose, suministrando un flujo que puede cancelar el voltaje en las bobinas bajo conmutación. Se utilizan conectando en serie con los devanados del rotor, que cuando aumenta la corriente en la carga también aumentan la magnitud de desplazamiento del neutro, sin embargo también aumenta la magnitud del flujo del polo de conmutación cancelándose el chisporroteo. 8-13. ¿Qué son devanados de compensación? ¿Cuál es su desventaja más grave? Son bobinados que se disponen en las caras de los polos siendo paralelos a los conductores del rotor y conectados en serie con el mismo. La desventaja más grave es que son costosos y no eliminan los efectos de Ldi/dt debiendo siempre combinarse con el uso de interpolos o polos de conmutación. 8-14. ¿Por qué se utilizan polos laminados en la construcción de máquinas modernas? Porque en la modernidad de utiliza muchos dispositivos de estado sólido, lo cual trae mayor contenido alterno de potencia suministrada, lo cual origina mayores pérdidas por corrientes parásitas. 8-15. ¿Qué es clase de aislamiento? Son los niveles de sobretemperatura permisible en sus devanados, según la norma NEMA, las clases A, B, F y H, es para cada uno de estos respectivamente. 70, 100, 130 y 155 °C. 8-16. ¿Qué tipos de pérdidas se presentan en una máquina dc? Pérdidas en el cobre (Efecto Joule), Pérdidas en las escobillas, Pérdidas en el núcleo, Pérdidas mecánicas y Pérdidas misceláneas o dispersas.

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EJERCICIOS. 8-1.

La siguiente información se refiere a la espira rotatoria sencilla mostrada en la figura 8-6: B=0.4T l=0.5m r=0.25m Vb=48V R=0.4Ω ω=500 rad/s

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a) ¿Está operando esta máquina como motor o como generador? Explique su respuesta. Si la velocidad de w de rotación del eje es 500 rad/s, luego el voltaje inducido en el lazo rotativo será:

Esta máquina está funcionando como un generador. b) ¿Cuál es la corriente i que fluye hacia dentro o hacia fuera de la máquina? ¿Cuál es la potencia que fluye hacia dentro o hacia fuera de la máquina? La corriente producida por la máquina es aproximadamente:

c) Si se cambiara la velocidad del rotor a 550 rad/s, ¿qué ocurriría con la corriente que fluya hacia dentro o hacia fuera de la máquina? Si la velocidad del rotor fuera aumentada a 550 rad/s, el voltaje inducido del lazo aumentaría a:

Y la corriente que fluye a:

d) Si se cambiara la velocidad del rotor a 450 rad/s, ¿qué ocurriría al flujo de corriente hacia adentro o hacia fuera de la máquina? Si la velocidad del rotor fuera disminuida para 450 rad/s, el voltaje inducido del lazo caería a:

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Y la corriente que fluye a:

La corriente fluirá de adentro hacia afuera de la máquina. 8-2.

Con referencia a la máquina sencilla de dos polos y ocho bobinas mostrada en la figura P8-1, se da la siguiente información: B=1.0 T En el entrehierro l=0.3m longitud de los lados de la bobina r=0.08m radio de la bobina n=1700 rev/min=178 rad/seg en sentido contrario a las manecillas del reloj

La resistencia de cada bobina del rotor es 0.04 Ω

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a) ¿Es progresivo o regresivo el devanado del inducido mostrado? El devanado es progresivo, porque los finales de cada bobina están conectados a los segmentos colectores de adelante y el siguiente segmento a los comienzos de las bobinas. b) ¿Cuántas trayectorias de corriente hay en el inducido de esta máquina? Hay dos trayectorias de corriente en el inducido de esta máquina (éste es un bobinado simple). c) ¿Cuáles son la magnitud y polaridad del voltaje en las escobillas de esta máquina? El voltaje es positivo la escobilla x con relación a la escobilla y. d) ¿Cuál es la resistencia Ra, del inducido de esta máquina? Hay 8 bobinas en esta máquina conectados paralelamente, teniendo en cada bobina una resistencia de 0.04 Ω, siendo una resistencia total Ra de: (

)(

)

e) Si se conecta una resistencia de 10 Ω a los terminales de la máquina, ¿cuánta corriente Fluye en ella? Considere la resistencia interna de la máquina para determinar el flujo de corriente.

f) ¿Cuáles son la magnitud y dirección del par inducido resultante?

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g) Si la velocidad de rotación y la densidad de flujo magnético son constantes, dibuje el voltaje en los terminales de esta máquina en función de la corriente tomada de ella. 8-3. Demuestre que la ecuación para el voltaje inducido de una espira sencilla rotatoria:

es justamente un caso especial de la ecuación general para el voltaje inducido en una máquina de: De la ecuación 8-38: Donde:

8-4.

Una máquina dc tiene ocho polos y corriente nominal de 120 A. ¿Cuánta corriente fluirá en cada trayectoria en condiciones nominales si el inducido es a) de devanado imbricado simple, b) de devanado imbricado dúplex, e) de devanado ondulado simple? a) Imbricado simple:

b) Imbricado duplex:

c) Ondulado simple:

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8-5.

¿Cuántas trayectorias de corriente paralelas habrá en el inducido de una máquina de 20 polos si tiene devanado a) imbricado simple, b) ondulado dúplex, e) imbricado tríplex, d) ondulado cuádruplex? a) Imbricado simple:

b) Ondulado dúplex: c) Imbricado tríplex: d) Ondulado cuádruplex: 8-6.

La potencia convertida de una forma a otra dentro de un motor de fue dada por:

Utilice las ecuaciones para y [ecuaciones (8-38) y (8-49)] para demostrar que , esto es, demuestre que la potencia eléctrica que desaparece en el punto de conversión de potencia es exactamente igual a la potencia mecánica que aparece en ese punto.

Sustituyendo la ecuación 8-38 en

: (

)

(

)

Pero la ecuación 8-49: Por lo tanto:

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8-7.

Un generador de ocho polos, 25 kW, 120 V, tiene un inducido con devanado imbricado dúplex de 64 bobinas, cada una de las cuales tiene 10 vueltas. Su velocidad nominal es 3600 r/min. a) ¿Cuánto flujo por polo se requiere para producir el voltaje nominal en condiciones de vacío en este generador?

En esta máquina el número de trayectorias de corriente será:

El número de conductores será:

El voltaje inducido:

b) ¿Cuál es la corriente por trayectoria en el inducido de este generador con la carga nominal?

c) ¿Cuál es el par inducido en esta máquina en condiciones de carga nominal?

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d) ¿Cuántas escobillas debe tener este generador? ¿Qué ancho debe tener cada una? Este motor debe tener 8 escobillas, porque el bobinado tiene 8 polos. Como el bobinado es dúplex, cada escobilla debe ser lo suficientemente ancho para hacer contacto en 2 segmentos colectores completos. e) Si la resistencia de este devanado es 0.011 Ω por vuelta, ¿cuál es la resistencia Ra del inducido de esta máquina?

8-8.

La figura P8-2 muestra un motor de pequeño de 2 polos con 8 bobinas de rotor y 4 vueltas por bobina. El flujo por polo en esta máquina es 0.0125 Wb.

a) Si se conecta este motor a una batería de automóvil, 12 V dc, ¿cuál será su velocidad en vacío? El número de conductores será:

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La velocidad será:

b) Si el terminal positivo de la batería se conecta a la escobilla de la derecha del motor, ¿en qué forma girará? Si el terminal positivo de la batería está conectado a la escobilla de la extrema derecha, el motor girará con la dirección ingresando hacia la página, es decir, en sentido de las manecillas del reloj. c) Si se carga el motor de tal forma que consuma 50 W de la batería, ¿cuál será el par inducido del motor? (Ignore cualquier resistencia interna en el motor).

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8-9.

Con referencia al devanado de la máquina mostrada en la figura P8-3:

a) ¿Cuántas trayectorias paralelas de corriente hay a través de este devanado del inducido? Éste es un bobinado imbricado dúplex, de dos polos y hay caminos de 4 paralelos a través del rotor. b) ¿Dónde deberían estar localizadas las escobillas de esta máquina para lograr una conmutación adecuada? ¿Cuál debería ser su ancho? Las escobillas deberían estar en cortocircuito con el colector entre los dos polos. En el tiempo indicado, alrededor de las ranuras 1, 2, 9, y 10. Por consiguiente, las escobillas deberían estar conectadas para poner en cortocircuito fuera de conmutador de segmentos b-c-d y j-k-l en el instante indicado en la figura. Cada escobilla debería estar en contacto con dos delgas. 13

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c) ¿Cuál es la multiplicidad de esta máquina? Es dúplex. d) Si el voltaje de un solo conductor situado bajo las caras polares en esta máquina es e, ¿cuál es el voltaje en sus terminales? Hay 16 bobinas en el inducido de esta máquina. De ese número, un promedio de 14 de ellos estaría bajo las caras de un polo. Por consiguiente, hay 28 conductores divididos entre 4 caminos paralelos produce 7 conductores por trayectoria. Por consiguiente: . 8-10. Describa en detalle el devanado de la máquina mostrada en la figura P8-4. Si se aplica un voltaje positivo a la escobilla bajo la cara polar norte, ¿en qué forma rotará este motor? Éste es un arrollamiento imbricado de 2 polos, regresivo. Si un voltaje positivo es aplicado a la escobilla de la cara polar norte empujará hacia el norte, de tal manera que el rotor girará en una dirección contrario a las manecillas del reloj.

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