Corriente Directa

Resumen de capítulos 8 y 9

Arley Stiven Caballero Sanabria cod: 200920135

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia

8 de febrero de 2012

Tunja Boyacá

CAPITULO 8

FUNDAMENTOS DE MÁQUINAS DE CORRIENTE DIRECTA (CD)

Las máquinas de cd son generadores que convierten energía mecánica en energía eléctrica de cd y motores que convierten energía eléctrica de cd en energía mecánica. La mayoría de las máquinas de cd son semejantes a las máquinas de ca en el sentido de que tienen voltajes y corrientes de ca dentro de ellas; las máquinas de cd cuentan con una salida de cd simplemente porque hay un mecanismo que convierte los voltajes internos ca en voltajes cd en sus terminales. Puesto que a este mecanismo se le llama conmutador, a la maquinaria cd también se le conoce como maquinaria de colector o de conmutación.

ESPIRA GIRATORIA SENCILLA ENTRE CARAS POLARES CURVAS

La máquina de cd giratoria más sencilla consta de una espira sencilla de alambre que gira sobre un eje fijo. La parte giratoria de esta máquina se llama rotor y la parte estacionaria se llama estator. El campo magnético de la máquina se alimenta de los polos norte y sur magnéticos.

Puesto que el flujo magnético debe tomar el camino más corto a través del aire, es perpendicular a la superficie del rotar en todo punto situado bajo las caras polares. Además, puesto que el entrehierro tiene una anchura uniforme, la reluctancia es la misma en todo punto situado bajo las caras polares. El que la reluctancia sea uniforme quiere decir que la densidad del flujo magnético es constante en todo punto situado bajo las caras polares.

El voltaje inducido en una espira giratoria

Para determinar el voltaje total etot en la espira, se examinará cada uno de sus segmentos por separado y se sumarán todos los voltajes resultantes.

Segmento ab. En este segmento la velocidad del alambre es tangencial a la trayectoria de rotación. El campo magnético B apunta perpendicularmente hacia fuera de la superficie del rotor en todo punto situado bajo la cara polar y es cero más allá de las orillas de la cara polar. Por debajo de la cara polar, la velocidad v es perpendicular a B, y la cantidad v X B apunta hacia la página.

2. Segmento bc. En este segmento la cantidad v X B apunta hacia la página o hacia afuera de la misma, mientras que la longitud l tiene el mismo plano que la página, por lo que v X B es perpendicular a l. Por 10 tanto, el voltaje en el segmento bc será cero: 3. Segmento cd. En este segmento la velocidad del alambre es tangencial al camino de rotación. El campo magnético B apunta perpendicularmente hacia dentro de la superficie del rotor en todo punto situado bajo la cara polar y es cero más allá de las orillas de la cara polar. Por debajo de la cara polar, la velocidad v es perpendicular a B, y la cantidad v X B apunta hacia fuera de la página.

4. Segmento da. Igual que en el segmento bc, v X B es perpendicular a l. Por lo tanto, el voltaje en el segmento da también será cero.

Cuando la espira gira 180°, el segmento ab está bajo la cara del polo norte en lugar de bajo la cara del polo sur. En ese momento se invierte la dirección del voltaje en el segmento, pero su magnitud permanece constante.

Puesto que la densidad del flujo B es constante en todo punto del entrehierro situado por debajo de las caras polares, el flujo total debajo de cada polo es igual al área del polo multiplicada por la densidad de su flujo.

Entonces, el voltaje generado en la máquina es igual al producto del flujo dentro de ella y su velocidad de rotación, multiplicado por una constante que representa la construcción mecánica de la máquina.

En general, el voltaje en cualquier máquina real depende de tres factores: 1. El flujo en la máquina. 2. La velocidad de rotación. 3. Una constante que representa la construcción de la máquina.

Obtención del voltaje de cd de una espira giratoria

En ella se añaden dos segmentos conductores semicirculares a un extremo de la espira y se establecen dos contactos fijos en un ángulo tal que en el instante en que el voltaje en la espira es cero, los contactos hacen que los dos segmentos entren en cortocircuito.

De esta manera, cada vez que el voltaje de la espira cambia de dirección, los contactos también cambian de conexión y la salida del contacto siempre se acumula de la misma manera. Este proceso de cambio de conexión se conoce como conmutación. Los segmentos giratorios semicirculares se llaman segmentos de conmutación y los contactos fijos se llaman escobillas.

El par inducido en la espira giratoria

El método que debe emplearse para determinar el par en la espira es examinar cada uno de los segmentos de la espira y luego sumar los efectos de todos los segmentos individuales.

Mientras la espira está bajo las caras polares, el par es: 1. Segmento ab. En el segmento ab la corriente de la batería se dirige hacia fuera de la página. El campo magnético bajo las caras polares apunta radialmente hacia fuera del rotor, por lo que la fuerza en el alambre está dada por.

2. Segmento bc. En el segmento bc la corriente de la batería fluye de la parte superior izquierda de la figura a la parte inferior derecha.

3. Segmento cd. En el segmento cd la corriente de la batería está dirigida hacia la página. El campo magnético bajo la cara polar apunta radial mente hacia el rotor. 4. Segmento da. En el segmento da la corriente de la batería fluye de la parte superior izquierda de la figura hacia la parte inferior derecha.

Entonces, el par producido en la máquina es el producto del flujo y la corriente en la máquina, multiplicadas por una cantidad que representa la construcción mecánica de la máquina (el porcentaje del rotor que está cubierto por las caras polares). En general, el par de cualquier máquina real depende de los mismos tres factores: 1. El flujo en la máquina 2. La corriente en la máquina. 3. Una constante que representa la construcción de la máquina.

CONMUTACIÓN EN UNA MÁQUINA DE CD SENCILLA DE CUATRO ESPIRAS

La conmutación es el proceso mediante el cual se convierten los voltajes y corrientes de ca en el rotor de una máquina de cd a voltajes y corrientes de cd en sus terminales. En la figura 8-7 se muestra una máquina de cd sencilla de dos polos con cuatro espiras. Esta máquina tiene cuatro espiras completas incrustadas en ranuras labradas en el acero laminado de su rotor. Las caras polares de esta máquina son curvas para que el entrehierro tenga una anchura uniforme y proporcionar una densidad de flujo uniforme en cualquier punto ubicado por debajo de las caras polares.

Si se llama e = vBl al voltaje inducido en cualquier lado de la espira, entonces el voltaje total en las escobillas de la máquina es: Nótese que hay dos caminos paralelos para que la corriente fluya a través de la máquina.

En cualquier momento en que el voltaje en una espira se invierte, las conexiones de la espira también se invierten y el voltaje total se sigue acumulando en la dirección original.

En resumen: La conmutación es el proceso de cambiar las conexiones de la espira del rotor de una máquina de cd en el mismo momento en que el voltaje en la espira cambia de polaridad para mantener un voltaje de salida de cd esencialmente constante. Al igual que en el caso de una espira sencilla giratoria, los segmentos giratorios a los que las espiras están unidos se llaman segmentos del conmutador y las partes estacionarias que se montan en la parte superior de los segmentos en movimiento se llaman escobillas.

CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA DE CONMUTACIÓN Y DEL INDUCIDO EN LAS MÁQUINAS DE CD

En las máquinas de cd reales hay varias maneras en las que se puede conectar las espiras en el rotor (también llamado inducido o armadura) a sus segmentos del conmutador

Bobinas del rotor

A cada lado de una vuelta se le llama conductor. Normalmente una bobina abarca 180 grados eléctricos.

Si una bobina abarca 180 grados eléctricos, los voltajes en los conductores en cualquier lado de la bobina serán exactamente iguales en magnitud y opuestos en dirección en todo momento. Este tipo de bobina se llama bobina de paso diametral.

Hay algunas bobinas que abarcan menos de 180 grados eléctricos, se les llama bobinas de paso fraccionario, y al devanado de rotor embobinado con bobinas de paso fraccionario se le llama devanado de cuerdas.

Conexiones a los segmentos del conmutador

La distancia (en número de segmentos) entre los segmentos del conmutador a los cuales están conectados los dos extremos de una bobina se llama paso del conmutador yc. Si el extremo de una bobina (o un cierto número de bobinas de conexión ondulada) se conecta a un segmento del conmutador adelante del cual está conectado su comienzo, el devanado se llama devanado progresivo. Si el extremo de una bobina se conecta a un segmento del conmutador detrás del cual está conectado su comienzo, el devanado se llama devanado regresivo. Si todo lo demás es igual, la dirección de rotación de un rotor con devanado progresivo será inversa a la dirección de rotación de un rotor con devanado regresivo.

Además, los devanados del rotor (inducido) se clasifican de acuerdo con el conjunto de devanados completos e independientes. Un devanado simple (símplex) de rotar es único, completo y cerrado. Un devanado doble (dúplex) de rotor consta de dos conjuntos de devanados de rotor completos e independientes.

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