CAPITULO 6

MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA

6.18 DIMENSIONAMIENTO DEL COLECTOR (PASO 5)

En máquinas de velocidad media la velocidad periférica del colector es de alrededor de 14 m/s y en máquinas medianas se encuentra entre 10..20 m/s.

Para velocidades de hasta 25 m/s es normal realizar el colector con delgas cuya sujeción es del tipo a cola de milano, según se indica en la Figura 6.22.

El anillo cónico P, sostenido y prensado contra las delgas mediante bulones, fija las delgas contra el otro soporte cónico. Esta presión debe traducirse en una compresión de las delgas entre si.

Es necesario que los conos apoyen contra las delgas a lo largo de la superficie a, mientras que es necesario que haya un juego suficiente a lo largo de la superficie b, siendo conveniente que estas superficies sean, por razones mecánicas, cilíndricas más que cónicas.

Cabe remarcar que aquí no se pretende abarcar ni profundizar las distintas soluciones constructivas posibles de colectores, sino sólo plantear algunos de los criterios de diseño y problemas constructivos más importantes que se pueden presentar durante un proyecto.

El colector normalmente está refrigerado mediante circulación de aire que lo recorre, en sentido axial, en la parte interna como se observa en la Figura 6.22, que puede entonces circular en el interior del inducido, si se han previsto canales axiales o radiales de ventilación.

El colector puede estar montado directamente sobre el eje de la máquina (en este caso puede no haber circulación de aire en la parte interna) o bien mediante un cubo como indica la figura antes citada.

La aislación entre los conos de fijación y las delgas se realiza con conos aislantes de micanita prensados cuyos espesores oscilan entre 1 y 3 mm.

El ancho de la delga medido en la superficie del colector en máquinas de pequeña potencia debe encontrarse entre 3 y 3.5 mm como mínimo y de 10 a 12 mm como máximo, siendo de 6 a 8 mm el valor medio utilizado normalmente.

El aislante entre delgas que se utiliza es micanita con una cantidad de material aglomerante reducido y con un espesor que va de 0.6..0.8 mm, y que debe ser uniforme y rigurosamente exacto para evitar que aun mínimas diferencias, puedan ser la causa de una sensible variación del diámetro del colector debido a la gran cantidad de delgas que lo componen.

Una vez armado el colector se lo debe someter a un delicado proceso de estabilización que consiste en calentarlo a una temperatura superior a la de funcionamiento por un tiempo determinado (que depende de su tamaño) y que tiene por finalidad permitir la adaptación de la micanita a las posibles irregularidades de las delgas, y además expulsar el exceso de humedad y de aglomerante.

Luego se ajustan las piezas que lo arman y el conjunto se lo hace girar a una determinada velocidad.

Los ciclos de calentamiento y centrifugado se repiten antes de montar el colector en la máquina tantas veces como sea necesario hasta lograr un bloque compacto y resistente a los esfuerzos mecánicos a los que el colector estará sometido durante su vida útil.

La fijación directa de los extremos del devanado a las entalladuras realizadas en las delgas solamente es posible en máquinas pequeñas.

En máquinas medianas y grandes la conexión entre los extremos del devanado y las delgas se realiza mediante adecuadas láminas de cobre llamadas banderas que requieren un especial cuidado debido a que las mismas deben poder soportar los esfuerzos centrífugos, vibraciones y eventuales dilataciones térmicas sin comprometer la aislación entre delgas.

Estas banderas tienen una frecuencia propia de oscilación y además una frecuencia impuesta debido a las fuerzas electrodinámicas o a las oscilaciones torsionales del sistema rotante.

En máquinas grandes es conveniente calcular la diferencia entre estas frecuencias para evitar la presencia de peligrosos fenómenos de resonancia.

Para aumentar la frecuencia propia de vibración se colocan cuñas distanciadoras entre las banderas con un adecuado bandaje de sujeción.

Para dimensionar el colector se deben adoptar las relaciones y parámetros siguientes:

· relación diámetro del colector al diámetro del inducido en el fondo de la ranura

· espesor del aislante entre delgas en mm

· densidad de corriente en escobillas en A/mm2

· relación entre la longitud axial neta de las escobillas y la longitud efectivamente ocupada (tiene en cuenta el espacio ocupado por las cajas portaescobillas)

· coeficiente de rozamiento de la escobilla

· presión de la escobilla en gr/mm2

· número de barrales portaescobillas

Con la relación diámetro del colector al diámetro del inducido en el fondo de la ranura que llamamos DCDF se obtiene el diámetro del colector.

Se calcula el paso de la delga teniendo en cuenta para ello el número de delgas y el espesor de aislación entre delgas adoptado.

Para tener una conmutación adecuada la dimensión tangencial de la escobilla es conveniente que se encuentre comprendida entre 2 y 3 delgas.

Si se adoptan las dimensiones tangenciales de las escobillas normalizadas, se selecciona una dimensión tangencial de escobilla por defecto más cercano a 2.9 veces el paso de la delga antes calculado.

Las normas fijan valores para la sobreelevación de temperatura del colector (la cual se mide con termómetro), depende del aislamiento que se utilice para su construcción, excepto cuando el colector se encuentra muy próximo a los arrollamientos (colector sin banderas), en cuyo caso la sobreelevación de temperatura no debe exceder los valores correspondientes a la clase del aislamiento utilizado para el devanado del inducido.

Las pérdidas por rozamiento en el colector se pueden calcular con la expresión:

siendo:

HMU: coeficiente de rozamiento

PRES: presión de escobillas g/mm2

TES: dimensión tangencial de la escobilla mm

AES: dimensión axial de la escobilla mm

VCOL: velocidad periférica del colector m/s

NBAR: número de barrales portaescobillas

Las pérdidas eléctricas se calculan con:

PERC = VESC ´ NBAR ´ CORR3 / 100 (kW)

siendo:

VESC: caída de tensión por escobilla (se adopta 1 V)

CORR3: corriente de escobilla (de todo el barral)

La sobreelevación de temperatura que alcanza un colector depende de su forma constructiva y del modo como se lo refrigera, para un colector normal (sin banderas) refrigerado superficialmente de un modo eficaz, se puede utilizar la expresión:

(°C)

SUPC = 10-6 ´ p ´ ACOL ´ DCOL (m2)

(W/m2´ °C)

siendo SUPC la superficie del colector y CTRA el coeficiente de transmisión de calor (que depende del modo de ventilación).

La tensión media entre delgas se calcula con:

EMED = UU2 ´ NPOL / ZZ (V)

los términos que intervienen tienen el significado ya indicado.

6.19 CONMUTACION

La conmutación es el fenómeno más delicado que se desarrolla en la máquina de corriente continua.

Su estudio teórico es muy difícil, debido a la notable cantidad de variables que en ella intervienen como así también diversos aspectos experimentales.

Una conmutación mala o defectuosa puede ser la consecuencia de un mal proyecto, pero también cuando la máquina ha sido construida con una adecuada conmutación pueden presentarse igualmente una gran cantidad de inconvenientes.

Sin pretender realizar un minucioso tratamiento del tema, se mencionan algunas de las posibles causas que la afectan.

La posición de las escobillas tiene una gran influencia en la conmutación, siendo necesario determinar experimentalmente en la sala de pruebas del fabricante, la correcta zona neutra para las escobillas.

6.19.1 Caída de contacto en escobillas

Hay varias teorías acerca del contacto de escobillas siendo el fenómeno de naturaleza muy compleja.

Para dar una explicación simple se puede decir que una escobilla que funciona correctamente no tiene un contacto mecánico con el colector, al límite se apoya sobre un colchón de moléculas de agua.

La corriente circula a través de una serie de puntos que se mueven rápidamente sobre toda la superficie de contacto de la escobilla, y el desplazamiento de los contactos depende de la atmósfera en que se encuentran.

Estudios realizados han demostrado que la humedad relativa ambiente debe ser 100% para una temperatura de -5 °C y 20% para 20 °C.

Si la humedad es demasiado baja,(esta situación se puede presentar en lugares de baja temperatura), puede ser necesario utilizar escobillas especialmente impregnadas o bien como alternativa, producir una humidificación artificial del aire.

Para tener una conmutación satisfactoria se requiere además que se supere un valor mínimo de densidad de corriente en las escobillas (la densidad de corriente es sinónimo de temperatura).

Esta situación se puede explicar teniendo en cuenta que la temperatura en la zona vecina a la superficie de contacto produce humedad al vaporizarse el aire y a este fenómeno se lo denomina comúnmente lubricación eléctrica.

Esta lubricación es necesaria para que se forme una película sobre la superficie del colector, conocida con el nombre de pátina, y que está formada a partir de la escobilla por partículas libres, una película de grafito y una película de óxido de cobre.

La Figura 6.23 muestra la variación del coeficiente de rozamiento en función de la temperatura y se incluye además la escala que indica la densidad de corriente.

Se puede observar que para una temperatura de 100 °C (10 A/cm2) el coeficiente de rozamiento resulta 0.1 y para 50 °C (5 A/cm2) el mismo resulta tres veces mayor.

Esta situación indica que el rozamiento, y por lo tanto el desgaste de la escobilla y del colector, puede resultar excesivo cuando la humedad y/o la densidad de corriente son demasiado bajos.

El límite crítico de densidad de corriente se encuentra entre 5..6 A/cm2.

Es importante remarcar que la temperatura se debe producir en la superficie de contacto de las escobillas no siendo suficiente para ello calentar el colector por medios artificiales.

Esto se debe a que la temperatura de los puntos de conducción de corriente es muy alta y en cambio los valores de temperatura indicados en la Figura 6.23 son valores promedios medidos después de un cierto lapso y para todo el colector.

Veamos ahora que ocurre cuando una máquina funciona con una carga pequeña y en consecuencia las escobillas trabajan con una densidad de corriente baja.

Después de algún tiempo en servicio se puede observar que el colector presenta un desgaste anormal.

La causa de esta situación se debe a la baja densidad de corriente que implica una baja temperatura de contacto y en consecuencia no se vaporiza el agua necesaria para producir la lubricación eléctrica.

Las escobillas comienzan a estar en contacto mecánico con el colector produciendo la formación de una película sobre este último que tiende a impedir la circulación de la corriente.

La corriente entonces comienza a circular por los puntos más débiles de esta capa produciéndose leves bandas sobre el colector.

En la superficie de las escobillas que corresponden a estas bandas del colector, se forman surcos y la corriente tiende a concentrarse en esta zona, produciendo bandas sobre las escobillas y el colector.

Esta situación conduce a la formación de depresiones en la superficie del colector que pueden alcanzar un ancho superior a 1 mm (conocido en la literatura técnica con el nombre de «ribbing») o bien menores de 1 mm (denominado «threading»).

Otra causa común, que produce estas mismas consecuencias, es el funcionamiento de la máquina en atmósferas contaminadas con gases sulfúricos, clorhídricos o amoniacales.

En síntesis, la caída de contacto entre escobilla y colector no es constante, en general disminuye con el incremento de la densidad de corriente.

El valor de esta caída de tensión depende de los materiales con que están construidos el colector y las escobillas, del sentido de pasaje de la corriente, del valor de densidad de la corriente, de la temperatura, de la presión ejercida sobre la superficie de contacto, de las características químicas y mecánicas de las superficies de contacto.

6.20 TORNEADO, RECTIFICADO Y DESMICADO DEL COLECTOR

Para lograr una conmutación satisfactoria y un buen contacto entre escobillas y colector es de fundamental importancia prestar mucha atención al rectificado y desmicado del colector.

Si el mecanizado se realiza a una velocidad baja, el radio de cada delga puede resultar menor que el radio del colector, y esta situación puede resultar perjudicial e inaceptable para la conmutación.

La terminación superficial del colector (rugosidad) debe ser como máximo de 4 micrones.

Para un colector nuevo la máxima excentricidad normalmente es de 0.04 mm, además la diferencia de radio (altura) de dos delgas adyacentes no debe exceder 4 micrones.

La mica entre delgas debe rebajarse entre 0.7..1.2 mm y además los bordes de las delgas deben estar completamente libres de mica.

A este punto se debe remarcar la importancia fundamental que tiene la adecuada elección del tipo y de escobillas para una correcta conmutación.

Los fabricantes de escobillas brindan información de las características físicas y condiciones de empleo de las distintas calidades y tipos de escobillas que producen.

Como en la selección de la calidad de escobillas influyen un amplio espectro de datos a considerar, generalmente es conveniente aprovechar el asesoramiento que brindan los fabricantes, para determinar la calidad correcta de escobillas a utilizar.

6.21 PORTAESCOBILLAS

Un factor muy importante es la presión de escobillas y debe ser considerado cuidadosamente.

En la Figura 6.24 se indica para escobillas electrografíticas la característica de desgaste en función de la presión.

Como se puede observar el desgaste mínimo se tiene para una presión de alrededor de 180 gr/cm2.

Cuando la presión disminuye el desgaste aumenta bruscamente por causas eléctricas, mientras que con el aumento de la presión se produce un incremento del desgaste no tan pronunciado, y que se debe al aumento de la solicitación mecánica.

El muelle de la caja portaescobilla ejerce normalmente una presión de 200..250 gr/cm2. Una parte de esta presión se ejerce lateralmente siendo la presión sobre la escobilla propiamente dicha de aproximadamente 180 gr/cm2.

El polvo que se puede acumular entre las escobillas y las cajas portaescobillas produce una fricción adicional y una reducción de la presión, es decir, que aun con buenos portaescobillas la presión puede resultar inadecuada.

Se deben mantener limpias las máquinas particularmente en ambientes polvorientos o bien en el caso de que el sistema de ventilación de la máquina sea inadecuado para el lugar donde funciona.

Se debe tener especial cuidado de que ningún aceite entre en contacto con el colector y en el caso que ello ocurra, se deben reemplazar las escobillas y limpiar cuidadosamente el colector.

La distancia entre la caja portaescobillas y el colector debe ser de 2..3 mm y en tal sentido después de que el colector es sometido a un nuevo mecanizado, esta distancia debe ajustarse nuevamente.

6.22 TENSION DE REACTANCIA

La tensión en los extremos de las bobinas que están cortocircuitados durante la conmutación debería ser nula, pero debido a que la corriente en la bobina cambia de sentido, se induce una tensión, denominada de reactancia, que trata de hacer circular una corriente en sentido opuesto.

Esta tensión de reactancia se compensa normalmente con una tensión rotacional de igual valor, pero de sentido opuesto, producida por el flujo de los polos auxiliares o de conmutación ubicados entre los polos principales.

Si el flujo que producen estos polos auxiliares no está correctamente ajustado, y supongamos por ejemplo que se produce una subconmutación, en el borde de salida de la escobilla se tiene una elevada corriente que produce en consecuencia una conmutación inadecuada.

El proyectista debe estar seguro que la tensión de reactancia se encuentra dentro de límites aceptables y en base a ello se debe elegir el tipo de escobillas conveniente.

Las escobillas electrografíticas normalmente utilizadas tienen una resistencia de contacto que para densidades normales de corriente (alrededor de 10 A/cm2), producen una caída de tensión de por lo menos 1 volt.

Las máquinas que presentan problemas de conmutación, como por ejemplo máquinas de alta velocidad, con cargas pesadas o máquinas de corriente continua especiales, requieren adecuados tipos de escobillas.

Un método simple de controlar la conmutación consiste en graficar la caída de tensión, según se indica en la Figura 6.25, midiendo la caída de tensión entre la escobilla y tres puntos del colector.

La caída de tensión en cada punto se encuentra comprendida entre 1 a 2 volt.

La forma de las curvas de caída de tensión en función del punto de medición indica si la compensación de los interpolos es adecuada, y se puede decir lo siguiente:

I: se tiene una corriente de conmutación atrasada es decir una subconmutación, significa que se debe aumentar de algún modo el campo producido por los interpolos.

II: se tiene una conmutación correcta.

III: se tiene una corriente de conmutación adelantada o sobreconmutación, y en este caso se debe reducir el campo.

En general las máquinas se diseñan para que funcionen con una ligera sobreconmutación que es preferible.

6.23 DETERMINACION DE LA GEOMETRIA DE LOS POLOS DE EXCITACION Y DE LOS POLOS AUXILIARES (PASO 6)

Es de fundamental importancia la determinación de la forma más adecuada del polo principal y de su expansión, para hacer despreciable la distorsión del flujo causado por la reacción de inducido.

Esta distorsión es causa de pérdidas notables en los dientes y en el arrollamiento del inducido y además, a igualdad de flujo útil, produce un aumento de la tensión máxima entre delgas, principalmente para aquellas delgas que corresponden a bobinas que cortan líneas de flujo en los puntos donde la inducción tiene el valor máximo.

Si se conoce la efectiva distribución del campo en carga se puede calcular la tensión máxima entre dos delgas, puede valer para máquinas de potencia media alrededor de 35 V, para máquinas de gran potencia entre 25 y 30 V y para máquinas de pequeña potencia entre 40 y 50 V.

Normalmente se hace mención a la tensión media entre delgas, y para construcciones normales se trata de que no supere los 20 V (sin circuito compensador) y hasta 25 V (con circuito compensador).

La práctica constructiva ha conducido a la forma normal de los polos en la cual el entrehierro tiene una dimensión constante a lo largo de una parte del arco polar, mientras en la extremidad del arco mismo, la dimensión del entrehierro aumenta hacia la salida del mismo.

Es importante la forma de la expansión polar del polo auxiliar para lograr una compensación de la tensión de reactancia lo mejor posible.

Se considera conveniente para ello que el arco de la expansión del polo auxiliar cuyo entrehierro es constante, abarque aproximadamente una ranura y los dos dientes vecinos.

Para el dimensionamiento tanto del polo principal como del polo auxiliar, se adoptaron un conjunto de relaciones que vinculan las dimensiones indicadas en la figura 6.21 (esquema polos) con otros parámetros de la máquina.

Estas relaciones pueden ser fijadas por el proyectista y de no ser así el programa propone adecuados valores que permiten resolver el problema de diseño de los polos.

Se deberá luego evaluar si los resultados obtenidos satisfacen los requerimientos del proyecto o bien, en caso contrario, introducir los cambios que se estime conveniente.

6.24 DETERMINACION DE LAS CARACTERISTICAS MAGNETICAS (PASO 7 Y 8)

Se deben conocer las características de los materiales adoptados para la construcción.

Estas son como ya hemos visto, la intensidad de campo (característica magnética) y las pérdidas específicas que son función del valor de la inducción.

Estos datos deben conocerse tanto para el material utilizado en el estator (polos de excitación, auxiliares y corona estatórica), como para el material utilizado en el rotor (inducido).

Si se introducen las características de los materiales utilizados, el programa controla la validez de estos valores y si son correctos los acepta, caso contrario adopta valores adecuados para ambos materiales.

Con los valores de inducción ya calculados para cada tramo del circuito magnético, y para la condición de funcionamiento nominal en vacío (haciendo la tensión en valor relativo igual a 1), se determina la f.m.m. de cada tramo y se imprimen la f.m.m. total, la f.m.m. del entrehierro, y la f.m.m. del entrehierro más diente.

Para la condición nominal (tensión nominal y velocidad base) se calculan las pérdidas específicas en el hierro de la corona rotórica y de los dientes (con los pesos correspondiente y el factor de incremento de pérdidas), y se las corrige por la relación de frecuencia entre la que efectivamente presenta el rotor a la velocidad base y la que corresponde a la característica del material utilizado.

La geometría de la cabeza de bobina se determina del mismo modo como para las otras máquinas rotantes.

Se calcula la resistencia total del devanado de armadura (considerándolo abierto) y luego la resistencia de armadura teniendo en cuenta para ello el número de ramas en paralelo (devanado ondulado o imbricado).

Se determinan a continuación varios puntos de la característica de vacío para distintos valores relativos de la tensión.

Con estos resultados se construyen los gráficos que representan la f.m.m. de entrehierro, la del entrehierro más diente y la total.