Diseño de los Devanados en las Máquinas Sincrónicas. Máquinas Eléctricas III.
Alumno:
C.I
López José 6.85.!6" Escuela...................."!
#5$%5$%#6
Introducción. La intención &e este tra'a(o es pro)un&izar mas en el estu&io &e las interacciones entre )uerzas ma*netomotrices+ éstas son las &an lu*ar al campo ma*nético &entro &e la máquina+ a las tensiones in&uci&as+ , a la &enomina&a cupla electroma*nética en las máquinas rotati-as. Esas )uerzas ma*netomotrices están pro&uci&as por las corrientes que circulan por los &istintos arrollamientos. e a'arcara los &istintos tipos &e arrollamientos &istri'ui&os que son los arrollamientos que son los &enomina&os a anillos , a colector+ asi como tam'ien se &esarrollan unos e(emplos &e estos tipos &e &e-ana&os.
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Aspectos Constructivos. En las máquinas eléctricas rotati-as se encuentran &os )ormas constructi-as 'ásicas: las cil/n&ricas , con polos salientes. Estas se pue&en encontrar en el estator+ en el rotor o en am'os+ lo que &a lu*ar a cuatro posi'ili&a&es constructi-as+ que se muestran en lá si*uiente )i*ura 0ro.#:
a1
'1
c1
&1
2i*ura # Com'inación &e )ormas constructi-as.
Los usos más frecuentes de las distintas combinaciones son:
a1 Estator , rotor cil/n&ricos: es la com'inación caracter/stica &e los motores asincrónicos , &e las máquinas sincrónicas &e alta -eloci&a&. '1 Estator cil/n&rico , rotor con polos saliente es caracter/stico &e las máquinas sincrónicas &e 'a(a -eloci&a&. c1 Estator con polos salientes , rotor cil/n&rico es caracter/stico &e las máquinas &e corriente continua , &e al*unas máquinas sincrónicas &e poca potencia.
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&1 Estator , rotor con polos salientes se emplea en máquinas especiales+ por e(emplo en los motores por pasos.
Formas cilíndricas. En las )ormas cil/n&ricas &e las máquinas se colocan arrollamientos &istri'ui&os+ estos arrollamientos están )orma&os por 'o'inas u'ica&as en to&a o parte &e esa super)icie cil/n&rica. 3ara )i(ar las 'o'inas éstas se colocan en ranuras realiza&as en la super)icie o mu, cerca &e ella. En *eneral esas 'o'inas se encuentran recorri&as por corriente alterna , cumplen la )unción &e in&uci&o. Como en esas )ormas cil/n&ricas el )lu(o es alterno+ las mismas &e'en ser lamina&as , con c4apas )inas+ para &isminuir las pér&i&as por corrientes parásitas , permitir la rápi&a -ariación &el )lu(o. En la )i*ura se muestra una máquina &e corriente continua &e &os polos &on&e se pue&en apreciar el arrollamiento rotórico &el tipo &istri'ui&o+ que cumple la )unción &e in&uci&o.
Polos salientes. En los polos salientes &e las máquinas se colocan arrollamientos concentra&os que son 'o'inas u'ica&as alre&e&or &e los polos. Esos arrollamientos concentra&os *eneralmente se encuentran recorri&os por corriente continua , cumplen la )unción &e ecitación. Los e(emplos caracter/sticos son las máquinas &e corriente continua , las sincrónicas &e 'a(a -eloci&a&. Como el )lu(o en esos polos salientes es constante+ o -ar/a lentamente+ se los pue&e construir macizos + pero muc4as -eces se los 4ace lamina&os+ con
c4apas relati-amente
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*ruesas+ para )acilitar
su
construcción. En la misma máquina &e corriente continua &e la )i*ura se pue&en apreciar polos salientes con arrollamientos concentra&os en el estator los que cumplen la )unción &e ecitación. 2i*ura
2i*ura nro.
ipos &e Arrollamientos 7istri'ui&os. Eisten &os tipos &e arrollamientos &istri'ui&os: a1 Los primeros &enomina&os
a anillos+
o &e )ases son eléctricamente
a'iertos , pue&en estar tanto en el estator como en el rotor. '1 mientras que los se*un&os+ &enomina&os a colector + son eléctricamente cerra&os , se utilizan solamente en el rotor. As/ como los arrollamientos concentra&os son simples 'o'inas+ )áciles &e conce'ir+ los arrollamientos &istri'ui&os son muc4o más comple(os ,a que &e'en cumplir no solamente con&iciones eléctricas , ma*néticas+ sino tam'ién constructi-as: las 'o'inas &e'en ser sencillas &e realizar+ &e colocar , minimizar el uso &e materiales.
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Los arrollamientos rotóricos &e las máquinas eléctricas se conectan a tra-és &e esco'illas que pue&e apo,ar so're anillos rozantes+ )i*ura 8+ que son aros con&uctores+ continuos+ conecta&os a los etremos &el arrollamiento o so're un colector + )i*ura 9+ que está )orma&o por se*mentos con&uctores+ &enomina&os &el*as+ aisla&as entre s/ , conecta&as a ca&a 'o'ina.
Figura
Figura
Tipos de Ranuras. Es &on&e se alo(an las 'o'inas pue&en ser: A'iertas+ semicerra&as o cerra&as.
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Fi ura
Las ranuras abiertas+
que poseen sus la&os paralelos+ se emplean en
máquinas &e potencia me&ia o *ran&e+ por e(emplo más &e 5% ; , en los in&uci&os a colector+ sal-o los mu, peque
so're
una
estructura
cil/n&rica+
los
&ientes
resultan
necesariamente trapezoi&ales+ es &ecir no tienen la misma sección en to&a su altura+ lo que &e'e ser teni&o en cuenta al consi&erar la in&ucción ma*nética , la saturación &e los mismos. La razón por la cual se emplean las ranuras a'iertas+ con sus la&os paralelos+ es que las 'o'inas utiliza&as en esas máquinas son prácticamente r/*i&as , no se po&r/an colocar si la a'ertura &e la ranura )uera más estrec4a. Las ranuras semiabiertas se
emplean en máquinas &e menor potencia+
que utilizan 'o'inas )orma&as por con&uctores sueltos+ los que se colocan in&i-i&ualmente o en peque
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mismas+ con-iene que am'os sean re&on&ea&os+ como se muestra en la )i*ura 5. Las ranuras cerra&as+ que no necesariamente &e'en tener una sección circular como se muestra en la )i*ura 5+ se emplean principalmente en los rotores &e las máquinas asincrónicas. 7entro &e esas ranuras se colocan 'arras con&uctoras+ normalmente sin aislación+ que constitu,en el arrollamiento rotórico &e esas máquinas. Es com>n que las máquinas posean &istintos tipos &e ranuras en el estator , en el rotor+ a&ecuán&olas a los arrollamientos emplea&os. Lados de bobinas capas.
7entro &e ca&a ranura pue&e 4a'er uno+ &os o más la&os &e 'o'inas+ al n>mero &e la&os &e 'o'ina por ranura se lo &esi*nará con la letra u. Cuan&o 4a, un solo la&o &e 'o'ina por ranura+ se &ice que el arrollamiento es &e simple capa+ cuan&o 4a, &os o más la&os &e 'o'ina por ranura estos se &isponen en &os capas , se &ice que el arrollamiento es &e &o'le capa+ esto se muestra em lá )i*ura 6
Figura La canti&a& &e 'o'inas que se pue&en colocar en ? ranuras &epen&e &el n>mero &e la&os &e 'o'ina que se coloquen en ca&a una &e ellas. En 7
e)ecto+ multiplican&o el n>mero total &e ranuras ? por la canti&a& &e la&os &e 'o'ina que 4a, en ca&a ranura u+ se o'tiene el n>mero total &e la&os &e 'o'ina que ca'en en esas ranuras ,+ como ca&a 'o'ina tienen &os la&os+ el n>mero total &e 'o'inas @ será:
Formas de las bobinas Las partes &e la 'o'ina que se encuentran coloca&as &entro &e las ranuras son las que están someti&as al )lu(o mutuo , consecuentemente &on&e se in&ucen las tensiones , se &esarrollas las )uerzas >tiles+ ésos son los la&os acti-os &e la 'o'ina+ el resto se encuentra en el aire , constitu,en las ca'ezas &e 'o'ina , las coneiones+ éstas concatenan solamente )lu(o &isperso , contri'u,en en *ran me&i&a a la reactancia &e &ispersión+ estas son las partes más a)ecta&a por los es)uerzos &inámicos que se pro&ucen particularmente en los cortocircuitos. En la )i*ura se muestran esquemáticamente las &istintas partes &e las 'o'inas. Las 'o'inas utiliza&as en la ma,or/a &e los arrollamientos a anillos &e las máquinas &e unos pocos ilo=atts+ suelen 4acerse so're un mol&e rectan*ular+ con los -értices re&on&ea&os. Cuan&o el arrollamiento está termina&o &e'e que&ar per)ectamente aisla&o+ con las ca'ezas &e 'o'ina , las coneiones 'ien acomo&a&as ,
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)i(as para soportar los es)uerzos a que estarán someti&as to&o eso+ la eperiencia+ la )acili&a& &el arma&o , la econom/a &e materiales+ 4a esta'leci&o ciertas )ormas &e 'o'inas como las más con-enientes entre las más emplea&as se encuentran las &e )orma 4ea*onal B&iamante1+ trapezoi&al , rectan*ular+ como se muestran en lá )i*ura .
2i*ura )ormas &e 'o'ina. La )orma más utiliza&a es la 4ea*onal o en &iamante+ especialmente en máquinas &e me&iana , *ran potencia , con arrollamientos &ispuestos en &o'le capa. 3ara que las ca'ezas &e 'o'ina que&en per)ectamente or&ena&as+ en sus etremos &an una me&ia -uelta con lo que se consi*ue que sus la&os que&en a &istintos ni-eles+ )i*ura 8
2i*ura 8 cam'io &e capa. En la )i*ura 9 se muestra la ca'eza &e una 'o'ina.
)i*ura 9 ranuras ra&iales.
Pasos polar de bobina e &enomina paso polar+ p a la &istancia que 4a, &e un polo al si*uiente+ )i*ura #%. En una máquina con *eometr/a cil/n&rica 4a, que &e)inir el ra&io al cual se mi&e esa &istancia , 4a, -arias posi'ili&a&es+ tomar el ra&io &el rotor+ el interno &el estator+ el me&io &el entre4ierro u otro lo que en to&os los casos &e'erá que&ar claramente &e)ini&o. 3or e(emplo si se &esea calcular el )lu(o por polo en el entre4ierro+ con-iene utilizar el ra&io o el &iámetro me&io &el entre4ierro.
2i*ura #% paso polar. Desulta mu, cómo&o utilizar como uni&a& &e me&i&a la ranuraF que es+ precisamente+ la &istancia entre ranuras.
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La utilización &e la ranura como uni&a& &e me&i&a para los pasos+ tiene -arias -enta(as: la ma,or/a &e los resulta&os son n>meros enteros+ relati-amente pequen elemento &e me&ición+ simplemente se cuentan las ranuras. A la &istancia entre los la&os &e las 'o'inas se la &enomina paso &e 'o'ina G#+ como se muestra en las )i*uras #" a #5. El paso &e las 'o'inas pue&e ser i*ual+ menor o ma,or que el paso polar+ , en esos casos se &ice que la 'o'ina es &iametral+ acorta&a o alar*a&a respecti-amente.
Tipos de arrollamientos Los tipos 'ásicos &e arrollamientos &istri'ui&os son &os: im'rica&os , on&ula&os+ los que pue&en tener -ariantes respecto a su )orma 'ásica. Los arrollamientos im'rica&os son los más utiliza&os+ mientras que los on&ula&os suelen emplearse en máquinas &e corriente alterna &e *ran porte o en al*unos in&uci&os &e máquinas &e corriente continua. Arrollamientos im'rica&os
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En ellos las sucesi-as 'o'inas que&an parcialmente superpuestas En la )i*ura #" se muestra un *rupo &e &os 'o'inas &e un arrollamiento im'rica&o. 7on&e: G#: 3aso &e 'o'ina. G: 3aso &e coneión. G: 3aso total o &el arrollamiento En los arrollamientos im'rica&os se cumple la si*uiente relación entre los pasos: G H G# G i 'ien en los arrollamientos a anillos es )recuente es que G sea una ranura menor que G# + con lo que resulta G H #+ en los arrollamientos a colector pue&en presentarse otras -ariantes que &an lu*ar a arrollamientos con &istinta caracter/sticas , &enominaciones+ como se -erá más a&elante.
2i*ura ## arrollamiento im'rica&o
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El &i'u(o &e los arrollamientos im'rica&os se simpli)ica suponien&o que las 'o'inas tienen una sola espira+ )i*ura #.
2i*ura # Arrollamiento im'rica&o+ &i'u(o simpli)ica&o.
Arrollamientos ondulados En los arrollamientos on&ula&os &os 'o'inas sucesi-as se encuentran &istancia&as aproima&amente un paso polar+ es &ecir no se superponen+ )i*ura #!. En los arrollamientos on&ula&os se cumple la si*uiente relación entre los pasos: G H G# G A&emás resulta:
G# " G" p
)i*ura #! arrollamiento on&ula&o
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El &i'u(o &e estos arrollamientos tam'ién se simpli)ica suponien&o que las 'o'inas tienen una sola espira
)i*ura #" arrollamiento on&ula&o. ADDKLLAMIE0K A CKLECKD Como ,a se mencionó+ estos arrollamientos se utilizan solamente en los rotores , tienen la )unción &e in&uci&o , a las máquinas que los emplean se las &enomina a colectorF sien&o su eponente más representati-o la máquina &e corriente continua+ pero tam'ién se emplean en al*unas máquinas &e corriente alterna mono)ásicas , tri)ásicas+ estas >ltimas no tan comunes. El colector , las esco'illas &e estas máquinas act>an como un conmuta&or que cam'ia las coneiones &e las 'o'inas+ este proceso se &enomina conmutación+ , en el mismo se pue&en )ormar c4ispas entre las esco'illas , las &el*as &el colector
Arrollamientos imbricados a colector En la )i*ura #5 se muestran -arias 'o'inas &e un arrollamiento+ im'rica&o &e &o'le capa+ con 'o'inas &e una sola espira , sus coneiones a las &el*as &el colector.
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Figura 15 arrollamiento imbricado conexion de bobinas a colector.
Los arrollamientos pro*resi-os o re*resi-os son simplemente -ariantes con prácticamente las mismas caracter/sticas eléctricas pero los simples+ &o'les o &e ma,or or&en tienen &istintas canti&a& &e pares &e ramas en paralelo a+ las que están relaciona&as con el n>mero &e pares &e polos p.
0o o'stante lo &ic4o+ los más comunes son los pro*resi-os simples+ que se -erán en el presente tra'a(o.
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7e'i&o a la )acili&a& con que se *eneran ramas en paralelo+ a los arrollamientos im'rica&os a colector+ tam'ién se los suele llamar arrollamientos paralelo.
!"emplo de arrollamiento imbricado a colector A )in &e e(empli)icar lo &ic4o+ a continuación se analiza un arrollamiento &e las caracter/sticas in&ica&as en la ta'la I.
3ara &i'u(ar el arrollamiento se pue&e empezar en cualquier ranura ,a que+ cuan&o que&e completo+ se cerrará en la misma ranura en que se comenzó. En si*uiente la )i*ura se muestran cinco 'o'inas+ comenzan&o en la ranura "+ , se pue&e o'ser-ar que la ranura 8 4a que&a&o llena: en la capa in)erior está un la&o &e la 'o'ina "8 , en la capa superior está un
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la&o &e la 'o'ina 8# el resto &e las ranuras mostra&as to&a-/a están parcialmente ocupa&as.
2i*ura #6 Comienzo &el arrollamiento im'rica&o , pasos En la )i*ura # se muestra el arrollamiento completo , las tensiones in&uci&as+ por aplicación &e la re*la &e la mano &erec4a+ suponien&o que el arrollamiento se mue-e 4acia la izquier&a , los polos están )i(os.
2i*ura # Arrollamiento im'rica&o completo
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