reaccion de armadura en motores de cc

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REACCIÓN DE ARMADURA

RINCON FLOREZ LEWIS

Cód: 74866335

CASTELLANOS BALLESTEROS PAOLA

Cód: 1090449181

SALAMANCA JAIMES JESÚS

Cód: 1090436761

DOCENTE:

Ing. JORGE LUIS DIAZ

UNIVERSIDAD DE PAMPLONA

FACULTAD DE INGENIERIAS Y AQUITECTURA

MAQUINAS ELECTRICAS

PAMPLONA

2012




INTRODUCCIÓN

Las máquinas eléctricas se han hecho imprescindibles en los

tiempos actuales, y comprenden desde las grandes unidades

de generadores (alternadores) situados en las centrales

productoras de energía eléctrica, hasta las máquinas (motores

empleados en el transporte de viajeros y mercancías, en la

industria, etc. Las máquinas eléctricas son el resultado de una

aplicación de los principios del electromagnetismo y en particular

de las leyes de Faraday, Lenz, Lorentz y Ohm.

Para asegurar el buen funcionamiento de las máquinas resulta

necesario estudiar una serie de fenómenos que se producen en

las mismas debido a la reacción que ocurre en el inducido cuando

es conectada alguna carga a la máquina, así también como en el

momento de la conmutación es necesario conocer estos efectos y

solucionar los problemas que presentan éstos para alargar la vida

útil de la máquina y evitar pérdidas económicas.

La mayoría de las máquinas eléctricas, salvo los reactores y los

electroimanes monofásicos, poseen dos o más arrollamientos y,

cuando se encuentran en carga y circulan corrientes por esos

arrollamientos cada uno de ellos produce una fuerza magneto

motriz (fmm) que, al combinarse, dan lugar al flujo en la estructura

magnética, a las tensiones inducidas, y a las fuerzas y cuplas que

originan las acciones ponderomotrices de la máquina.




OBJETIVOS

Tener un concepto estructurado acerca de la reacción de

armadura en motores de corriente directa

Identificar las consecuencias de la reacción de armadura en

motores de corriente directa, sus consecuencias y modos

corregirlas.




REACCION DE ARMADURA

El inducido o reacción de armadura con su arrollamiento de

armadura, de tipo distribuido, alojado en ranuras, y también se

muestran figuradamente las escobillas que en realidad apoyan

sobre el colector.

Reacción de armadura

Cuando una máquina de c.c. funciona en vacío, no existe corriente

en el inducido y el flujo en el entrehierro está producido

únicamente por la f.m.m. del inductor. Cuando se cierra el circuito

del inducido sobre una resistencia de carga aparece una

corriente de circulación por los conductores del rotor que dan lugar

a una f.m.m. que combinada con la del estator producen el flujo

resultante en el entrehierro de la máquina. Se conoce como

reacción del inducido al efecto que ejerce la f.m.m. de este

devanado sobre la f.m.m. del inductor, y que hace variar la forma

y magnitud del flujo en el entrehierro respecto a los valores que la

máquina presenta en vacío. Para estudiar el fenómeno de la

reacción del inducido se va a considerar, por simplicidad una




máquina bipolar como la de la figura anterior. De esta forma,

podrá aplicarse el principio de superposición tanto a los

diagramas de f.m.m. como a los que representan las distribuciones

de flujo magnético en el entrehierro. Dicho de otra manera, en

vez de combinar las f.m.m. del inductor y el inducido para

obtener el flujo resultante, se obtendrá éste sumando las

distribuciones del campo magnético que produce cada f.m.m.

actuando independientemente.

Cuando la máquina trabaja en vacío, solamente actúa la

excitación de los polos, de esta forma se obtiene una

distribución de campo magnético en el entrehierro que es

constante y máxima debajo de cada polo y que decrece

rápidamente en el espacio interpolar hasta hacerse cero en la

línea neutra. En la figura anterior se muestra un esquema

desarrollado de la máquina de la primera figura con la

distribución de la inducción magnética correspondiente en vacío.

Teóricamente la curva anterior debería tener una amplitud

constante y de diferente signo bajo cada polo y ser nula en el




espacio interpolar, pero esto no es así debido a los flujos de

dispersión que aparecen en los cuernos polares, que hacen que la

forma de B(x) sea en la práctica de forma trapezoidal, tal como

se muestra en la figura anterior. Al cerrar el circuito del

inducido, se originan unas corrientes que producen una f.m.m. de

forma triangular. El eje de esta f.m.m. coincide con el de la

línea de escobillas, de tal forma que si estas se disponen en la

línea neutra, la f.m.m. del inducido será la máxima en esta

línea interpolar, en consecuencia, la f.m.m. de reacción del inducido

tiene carácter transversal respecto a la del inductor.

Distribución de la inducción magnética en el entrehierro producida

por los polos




Campo de excitación:

Cuando hay solamente corriente de excitación las líneas de fuerza

del campo producido siguen una trayectoria como la mostrada en

la figura anterior donde el sentido de la corriente If es tal que el

polo superior resulta norte y el inferior sur. En la figura se indicó con

un vector Ff la dirección dominante de ese campo.

Se puede observar que la línea neutra magnética, n-n, es decir la

recta que une los puntos de campo nulo del inducido, coincide con

el eje transversal de la máquina; además la inducción magnética es

prácticamente constante bajo los polos y decae en los extremos de

las expansiones polares. Esta es la situación que existe en un

generador en vacío, y es la distribución de campo que se desea en

las máquinas de corriente continua.

Campo de excitación




Campo armadura:

Si se tiene solamente corriente de armadura I, lo que no es una

situación normal en las máquinas de corriente continua, se

producirá una fuerza magnetomotriz, indicada simbólicamente por

el vector Faa, en la dirección definida por las escobillas, figura

siguiente. El sentido de la corriente de armadura se supuso entrante

en la mitad superior del inducido y saliente en la otra mitad, por lo

tanto el inducido genera un polo norte en su lado izquierdo y un sur

en el derecho.

En este caso el campo resultante se cierra principalmente a través

de las expansiones polares y también resulta una inducción

prácticamente constante en el entrehierro.

Campo resultante:

Cuando la máquina de corriente continua se encuentra en carga y

hay corriente en la excitación y en el inducido, la fuerza

magnetomotriz transversal del inducido distorsiona el campo

producido por la excitación, produciendo un campo resultante como




se indica aproximadamente en la figura siguiente, que se aleja de la

distribución ideal mostrada en la tercera figura.

De acuerdo al principio de alineación, que establece que las fuerzas

magnetomotrices tratan de alinearse, la Fa trata de alinearse con la

F y se genera una cupla electromagnética en el rotor(inducido) en

sentido antihorario, por lo tanto la figura siguiente corresponde a un

motor girando en ese sentido o a un generador haciéndolo en

sentido contrario. F Analizando el campo resultante en la figura

siguiente se pueden observar dos efectos significativos.

Corrimiento de la línea neutra magnética:

La línea neutra magnética se desplaza un ángulo ∆θ, en el sentido

de giro de un generador, a una nueva posición n'-n'. Esto origina

problemas de conmutación que se traducen en la formación de

chispas entre las escobillas y el colector las que erosionan la

superficie de este último. Esto se soluciona agregando a la máquina




los denominados polos auxiliares que se ubican en el eje

transversal y su fmm restituye la línea neutra magnética al eje

transversal.

Antiguamente las máquinas de cierto porte poseían un mecanismo

para poder mover manualmente las escobillas a la posición donde

se producían menos chispas; pero como esto es función de la

carga, podrían requerirse ajustes frecuentes. Además si se mueven

las escobillas a una posición próxima a la de la línea neutra

magnética, la fmm de armadura genera una componente en el eje

longitudinal F que se opone a la de excitación, lo que es altamente

indeseable ya que se reduce la fuerza electromotriz inducida y la

cupla electromagnética y puede llevar a los motores a un

funcionamiento inestable. Además si se invierte el sentido de giro el

efecto es totalmente contrario y se empeora la conmutación.

Maquina compensada

Fuerza magneto motriz

desmagnetizante

Corrimiento de las escobillas

Para evitar este fenómeno habrá que desplazar las escobillas

hasta encontrar la línea neutra real, es decir en el esquema de

la figura 4 habrá que pasar la escobilla de la posición N a la

M, adelantando las escobillas cuando la máquina funciona




como generador y retrasándolas cuando trabaja como motor. En

la figura se muestra más claramente esta operación.

Desplazamiento de las escobillas hasta la línea neutra

Hay que hacer notar que todos los conductores que se

encuentran a la izquierda del eje de escobillas CD llevan

corriente saliente, mientras que todos los situados a su derecha

llevan corriente entrante. De esta forma, y como se ha

indicado en los párrafos anteriores, se producirá una f.m.m. de

reacción de inducido Fi que coincide con el eje de escobillas, que

puede descomponerse en dos partes: una longitudinal o de eje

directo Fd que tiene carácter desmagnetizante o antagonista,

pues se opone a la f.m.m. de excitación Fe, y que puede

considerarse que está producida por los conductores

comprendidos en el ángulo 2θ, y otra componente transversal Ft

producida por los demás conductores agrupados, abarcando (180-

2θ) grados eléctricos.




Como quiera que la reacción del inducido es proporcional a la

corriente de carga, el desplazamiento de las escobillas debería

ser variable con el régimen de carga de la máquina. Esto

supondría una operación de gran complejidad que los

constructores han intentado evitar. Por ello, en la práctica en las

máquinas de mediana y gran potencia se impide el

desplazamiento de la línea neutra atenuando el efecto de la

reacción transversal.

Polos auxiliares:

A fin de no desmejorar la conmutación, se debe anular el campo

resultante en eje transversal de la máquina y mantener la línea

neutra en esa posición, para lo cual, como ya se dijo, se colocan los

polos auxiliares.




Maquina compensada

En principio esos polos auxiliares pero como se verá al estudiar el

fenómeno de la conmutación, al invertirse el sentido de circulación

de la corriente en las bobinas de la armadura que están

conmutando y debido a las inductancias presentes, aparece una

tensión inducida, denominada tensión de reactancia, que también

empeora la conmutación. Esa tensión de reactancia se puede

compensar con los polos deberían producir una fmm igual al valor

máximo de la fmm de la armadura Fauxiliares para lo cual se

incrementa su fmm en un valor ∆F, lo que se indica con un rayado

en aux a máx

Arrollamiento de compensación

Los constructores han intentado evitar. Por ello, en la práctica en

las máquinas de mediana y gran potencia se impide el

desplazamiento de la línea neutra atenuando el efecto de la

reacción transversal. La solución más eficaz consiste en

neutralizar la reacción del inducido a lo largo de toda la

periferia de éste, mediante la incorporación de un arrollamiento

de compensación. Para ello, en las extremidades polares se

practican paralelamente al eje de la máquina unas ranuras en las

cuales se colocan unos conductores dispuestos en serie con el

circuito exterior, de tal forma que la corriente circule en ellos en




sentido opuesto a la de los conductores del inducido que están

debajo. En la figura 7 se muestra un esquema de este tipo que

contiene 4 conductores por polo, que casi compensan el efecto de

reacción transversal del inducido. En el caso ideal habrá que

incorporar en el devanado de compensación tantos conductores

como existan en el inducido y de esta forma la reacción trasversal

total de la maquina será nula y no habrá desplazamiento de la

línea neutra. Como quiera que estos arrollamientos eleven

considerablemente el costo de una máquina, aumentando

también pérdidas en el cobre, solamente se emplean en las

máquinas de potencia elevada que tengan que soportar

fluctuaciones en la carga.




CONCLUSIONES:

La reacción del inducido en las máquinas de corriente

continua es un grave problema por distintas situaciones

como la deformación del campo magnético en el

entrehierro, producida por el campo magnético generado

en el inducido cuando este es conectado a alguna

carga. Otro problema es que al aparecer un campo

magnético generado en el inducido, éste puede saturar la

máquina, produciendo un efecto desmagnetizante que

reduce el campo magnético resultante y en consecuencia

reduce la fem generada por la máquina. El chisporroteo

es otro de los problemas graves que se tiene por la reacción

del inducido, este es generado por la deformación del campo

magnético producido por la reacción del inducido, en las

zonas donde ha existido un reforzamiento del campo

magnético, existen tensiones elevadas generando

chisporroteo, a la vez este ocasiona que se desgasten las

escobillas que se conmutan son el colector para recoger la

fem generada.

También resulta molesto estar moviendo las escobillas a la

línea neutra para evitar el chisporroteo, al hacer esto

nos estaríamos adaptando al problema en lugar de

resolverlo y tendría que hacerse cada vez que se varíe la

carga. La solución real al problema es colocar los llamados

polos auxiliares cuya función es la de mover la línea

neutra magnética hasta que quede alineada con la línea

neutra geométrica.

La conmutación también se puede ver afectada por la

reacción del inducido debido a las sobretensiones que

se pueden generar por la deformación del campo




magnético, generando un gran chisporroteo y

desgastando considerablemente el colector de delgas y las

escobillas y en consecuencia el buen funcionamiento de

la máquina. Para evitar todos estos problemas una

máquina de C.C. necesariamente debe tener los polos

auxiliares, que aunque representa un costo extra al final

resulta beneficioso tanto económicamente como ´para la

vida útil de la máquina.

• Los efectos indeseables de la necesaria reacción de inducido

son más críticos cuanto mayor esa potencia de las

máquinas.

• Las de menor potencia admiten un grado de

sobredimensionamiento que hace innecesaria la

compensación, a partir de unos pocos kilowatts resulta

conveniente colocarle polos auxiliares y en las de mayor

porte, algunas decenas de kilowatts, se les agrega el

arrollamiento compensador, ya que el diseño es más

ajustado y el sobredimensionamiento resulta muy costoso.

• Una máquina de corriente continua bien diseñada, mantenida

y utilizada, funcionará correctamente y tendrá una vida útil

que seguramente cubre las mejores expectativas.




BIBLIOGRAFIA

[1] Fraile Mora, Jesús. “Máquinas eléctricas”. Editorial

McGraw-Hill, quinta edición, cap. 6, Madrid, España, 2003.

[2] Chapman, Steven. “Maquinas Eléctricas”. Editorial McGraw

– Hill, tercera edición, cap.1, 2000

[3] González Romero, José. “Reacción del Inducido y

Conmutación”. Universidad Politécnica Salesiana, Facultad de

Ingenierías, Ingeniería Eléctrica, Cuenca, Ecuador.

INFOGRAFÍA

http://www.slideshare.net/JJOCELO/reaccin-del-inducido-y-

conmutacin-en-las-maquinas-de-corriente-directa

http://www.tuveras.com/maquinascc/dinamo/reaccion.htm

http://www.frba.utn.edu.ar/html/Electrica/archivos/maq_elec1/induci

do.pdf

http://www3.fi.mdp.edu.ar/maquinas-

electricas/Teorias%20PDF/MEII/PDF%20Presentaciones%20en%2

0Impress%20(.odp)/T04%20-

%20Reacci%F3n%20de%20armadura%20y%20conmutaci%F3n.pd

f

http://www.slideshare.net/JJOCELO/reaccin-del-inducido-y-conmutacin-en-las-maquinas-de-corriente-directa

http://www.slideshare.net/JJOCELO/reaccin-del-inducido-y-conmutacin-en-las-maquinas-de-corriente-directa

http://www.tuveras.com/maquinascc/dinamo/reaccion.htm

http://www.frba.utn.edu.ar/html/Electrica/archivos/maq_elec1/inducido.pdf

http://www.frba.utn.edu.ar/html/Electrica/archivos/maq_elec1/inducido.pdf

http://www3.fi.mdp.edu.ar/maquinas-electricas/Teorias%20PDF/MEII/PDF%20Presentaciones%20en%20Impress%20(.odp)/T04%20-%20Reacci%F3n%20de%20armadura%20y%20conmutaci%F3n.pdf





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