05_Reaccion_del_Inducido_MCC (1)

Vista previa del material en texto

Máquinas Eléctricas II Dr. Ing. Mario Guillermo Macri 
Reacción de Inducido en Máquinas de Corriente Continua Página 1 
REACCION DE INDUCIDO DE LA MAQUINA 
DE CORRIENTE CONTINUA 
 
La Fig.1 representa a la izquierda con líneas punteadas el campo magnético de corriente continua 
de los polos inductores excitados, pero sin que exista corriente por el devanado de inducido, por 
lo que dicho campo es producido solo por los polos inductores. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig.1: Campos de excitación y de armadura actuando aisladamente 
 
A la derecha de la Fig.1 muestra el campo de la armadura cuando no existe campo de excitación 
en los polos. El campo magnético resultante cuando se considera la reacción de armadura sobre 
el campo polar es el de la Fig.2: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig.2: Efecto de la reacción de armadura 
 
Para poder estudiar más detenidamente la reacción de inducido se han trazado en la Fig. 3 las 
curvas de campo del arrollamiento del inducido (a), del arrollamiento excitador (b) y de ambos 
arrollamientos juntos cuando no se considera la saturación (c), y finalmente al considerar la satu-
ración magnética (d): 
 
 
Máquinas Eléctricas II Dr. Ing. Mario Guillermo Macri 
Reacción de Inducido en Máquinas de Corriente Continua Página 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 3: Curvas de campo en el entrehierro 
 La Fig. 3a representa la curva de campo del arrollamiento del inducido. La tensión magnética 
de los trayectos de flujo alrededor de los conductores del inducido es nula en el plano de la 
línea media polar. Dicha tensión magnética crece para cada línea magnética en sentido hacia 
las zonas neutras y en relación con el aumento de los amper-vueltas que le corresponden. La 
reluctancia magnética de las líneas es muy elevada en los huecos polares en comparación con 
la de las líneas frente a los polos. Por tal razón la curva del campo del inducido sube, a partir 
de la línea media polar, hasta las puntas de los polos, y luego baja rápidamente 
 
 La Fig. 3b representa la curva de campo del arrollamiento excitador, curva cuya forma se 
aparta de la senoidal, haciéndola aplanada mediante un adecuado perfil de la expansión polar, 
Máquinas Eléctricas II Dr. Ing. Mario Guillermo Macri 
Reacción de Inducido en Máquinas de Corriente Continua Página 3 
a efectos de mejorar la forma de onda en la rectificación mecánica que produce el sistema co-
lector escobillas. 
 
 La Fig. 3c se obtiene sumando en magnitud y sentido los valores de la inducción que dan las 
curvas de campo a y b para los mismos puntos del perímetro del inducido, obteniéndose la 
curva del campo resultante (curva c). La adición de los valores de inducción B, correspon-
dientes a las curvas de los campos polar e inducido para obtener el campo resultante presu-
pone que existe proporcionalidad entre la tensión magnética y la inducción para cada parte de 
las que forman el circuito magnífico. 
 
Esta proporcionalidad, como antes se ha indicado no existe cuando el hierro está saturado, puesto 
que la reluctancia magnética depende del grado de saturación del hierro. Por tanto, la curva del 
campo resultante obtenida sencillamente por la adición de los valores de inducción B, puede di-
ferir considerablemente de la curva real. 
 
Las líneas de campo resultante, que penetran por el intervalo entre polos en la periferia del indu-
cido, se cierran recorriendo largos trayectos en el aire y en hierro muy poco saturado y, por tanto, 
la parte de curva (el campo resultante obtenida por adición que corresponde al citado intervalo, 
coincidirá con la curva de campo real de la máquina en carga. 
 
En cambio, las líneas de campo en la periferia del inducido frente a los polos se cierran esen-
cialmente en hierro más o menos saturado, de manera que la parte de la curva de campo resultan-
te obtenida por adición, que se presente frente a los polos, varia mucho, por regla general, de la 
curva de campo real. 
 
En la Fig. 3c, debido la reacción de inducido, la inducción en el aire, frente o los cantos polares 
izquierdos, ha bajado al valor B'a y frente a los cantos polares derechos ha subido al valor B”a . 
Debido a esto, varía asimismo la inducción en los dientes frente a los cantos polares, y según sea 
la saturación de los dientes determinada de antemano por los amperios- vueltas de excitación, va-
riará la reluctancia del circuito magnético: la reluctancia del circuito magnético frente al canto 
polar izquierdo, baja, y frente al canto polar derecho aumenta. 
 
Las propiedades magnéticas del hierro, siendo la inducción las usuales (alrededor de 1,5 Tesla) 
determinan que la disminución de la reluctancia sea menor que el aumento. 
Esto trae como consecuencia que la inducción verdadera en el aire frente al canto polar izquierdo 
sea solo algo mayor (valor B'a) que B'a , mientras que frente al canto polar derecho resulta bas-
tante menor ( valor B''a ) que B''a . Por ello la curva real de una máquina en carga es como la de 
la Fig. 3d. 
 
La curva de campo resultante indica que la zona neutra de la Fig. 3b (en vacío), es desplazada en 
un ángulo  (Fig. c y d), y sobre la línea de escobillas, que es donde se produce la conmutación 
que produce el cortocircuito de un grupo de espiras de la armadura a través de las escobillas, apa-
rece en carga un campo de magnitud Bt como muestra la Fig. 3c y d. 
 
Debido a la distorsión del campo en carga, la inducción en el aire frente a los polos alcanzará en 
algunos sitios el valor Bamax haciendo aumentar, en consecuencia, la tensión entre las delgas co-
rrespondientes. Por tal razón si el valor de Edel , en vacío no queda bastante por debajo de los lí-
mites indicados, al funcionar la máquina con carga, la reacción de inducido puede dar lugar a 
anillos de chispas. 
 
 
Máquinas Eléctricas II Dr. Ing. Mario Guillermo Macri 
Reacción de Inducido en Máquinas de Corriente Continua Página 4 
Según ha demostrado la práctica, en vacío, el valor de Edel deberá ser menor que: 
 
 40 a 50 V. en máquinas pequeñas, 
 35 V. en máquinas medianas, 
 25 a 30 V. en máquinas grandes. 
 
 
INCONVENIENTES DE LA REACCIÓN DE INDUCIDO 
 
La reacción de inducido ejerce una influencia desfavorable en el funcionamiento de las máquinas 
en carga, debido a los siguientes conceptos: 
 
a) La reacción de inducido aumenta las pérdidas en el hierro de los dientes y de las piezas po-
lares. 
La inducción máxima en el aire en vacío aumenta con carga hasta el valor B”a (Fig. 3c), como la 
inducción en las piezas polares y en los dientes aumenta casi en la misma proporción que la in-
ducción en el aire, como las pérdidas en cl hierro son aproximadamente proporcionales al cua-
drado del valor máximo de la inducción: 
2
kBpFe  
 
Las pérdidas en el hierro aumentan sensiblemente Este aumento de pérdidas en el hierro se toma 
en consideración en el estudio de las pérdidas de potencia como una pérdida adicional. 
 
b) La distorsión del campo debida a la reacción de inducido da lugar a un aumento de tensión 
entre delgas contiguas del colector lo que favorece la producción de chispas. 
La f. e. m. inducida en un conductor del inducido viene dada por: 
 
e = B l v 
 
Entonces la f. e. m. que actúa entre dos delgas para una velocidad dada dependerá de la induc-
ción B la cual (como se ve en la Fig. 3c o d) no es constante en el desarrollo del entrehierro. 
Al girar, los conductores del inducido pasan por el campo resultante producido conjuntamente 
por el arrollamiento de los polos inductores y el arrollamiento del inducido y como la inducción alo largo del perímetro del inducido no es siempre la misma, la tensi6n entre las delgas del colec-
tor variará con la posición de los conductores comprendidos entre ellas. La tensión entre dos del-
gas variará proporcionalmente a la inducción a lo largo del perímetro del inducido. 
 
La tensión entre las delgas deberá mantenerse bajo cierto valor, pues de lo contrario se produ-
cirían chispas entre aquéllas, a través del aislante de mica cubierto de polvo de carbón que las 
separa. 
 
Las chispas se producen, por regla general, entre las de1gas donde existe la máxima tensión; al 
principio, mientras queman el polvo de carbón superpuesto al aislante, son inofensivas, pero, en 
cambio, cuando la citada tensi6n entre delgas es bastante alta, pueden llegar a formar pequeños 
arcos que se apagan produciendo estallidos. Entonces se forman en el colector orificios y al mis-
mo tiempo perlas de fusión que acaban por hacer imposible que la máquina continúe funcionan-
do. También dichas chispas dan lugar al desprendimiento de gases cuprosos, que en ocasiones 
producirían arcos entre la superficie del colector y las piezas contiguas no aisladas y sometidas a 
tensión. Por esto, tales piezas se proveen siempre de aislamiento. El arco, una vez formado, pue-
de seguir persistiendo cuando las bobinas entre las delgas consideradas entran en la zona de las 
Máquinas Eléctricas II Dr. Ing. Mario Guillermo Macri 
Reacción de Inducido en Máquinas de Corriente Continua Página 5 
inducciones pequeñas. Como constantemente nuevas bobinas entran en la zona de la inducción 
máxima, pronto se formará una corona de pequeños arcos que finalmente se convertirá en uno 
solo amplio, ceñido al colector entre las escobillas de distinta polaridad. Así es como tenemos el 
llamado anillo de chispas, que pone la red en cortocircuito. 
 
Los golpes de carga grandes favorecen la formación de estos anillos de chispas, por lo cual las 
máquinas que hayan de soportar con frecuencia tales golpes de carga, como por ejemplo, las dí-
namos que alimentan líneas de tracci6n eléctrica, deben ser sometidas a una prueba que garantice 
su capacidad de resistencia respecto a los anillos de chispas. 
Cuanto menor sea la separaci6n entre los portaescobillas de distinta polaridad antes pondrán los 
anillos de chispas a las escobillas en cortocircuito. Por tal razón, en máquinas con un paso polar 
reducido y tensión entre delgas elevada, los portaescobillas suelen ir protegidos con una tapa ais-
lante. 
 
 c) La distorsión del campo, debida a la reacción de inducido, da lugar a una cada de tensión. 
 
Se ha visto que la superficie que abarca la curva de campo es proporcional al flujo de fuerza que 
penetra en el inducido. Las áreas que abarcan las curvas b y c de la Fig. 3 , tienen la misma su-
perficie, porque la curva c se ha obtenido adicionando a la curva b la curva a del campo transver-
sal del inducido, la cual es simétrica con respecto al eje de abscisas, y por tanto, el aumento de 
superficie que acusa la curva c frente a la mitad derecha del polo equivale exactamente a la dimi-
nución de superficie que acusa frente a la mitad izquierda. 
Ahora bien, ea realidad, la curva de campo de la máquina en carga tiene, como ya se dijo, la for-
ma de la curva d, la cual, con respecto a la curva c, abraza frente a la mitad izquierda del polo 
una superficie que es mayor en el importe de la parte rayada verticalmente, y frente a la mitad de-
recha otra que es, en cambio menor en el importe de la parte rayada horizontalmente. Como el 
área rayada horizontalmente es mayor que la rayada verticalmente, deducimos que la superficie 
abrazada por la curva d es menor que las abrazadas por las curvas b o c, o en otras palabras, sien-
do los amperios-vueltas de excitación los mismos, el flujo de fuerza que penetra en el inducido a 
lo largo del paso polar en máquinas con carga, resulta menor que en vacío. 
Esta diminución de flujo que trae consigo el campo transversal del inducido es debida únicamen-
te al aumento de la reluctancia en el circuito magnético. Existe otra diminución del flujo que 
acompaña a la reacción del inducido 
E = E0 – E es la disminución de f. e. m. producida por el campo transversal de los amperios-
vueltas del inducido. Si se quiere que en la máquina en carga la f. e. m. inducida sea la misma 
que en vacío habrá que aumentar los amperios-vueltas de excitación hasta que la reacción de 
inducido quede compensada. 
 
d) Debido a la reacción del inducido las zonas neutras magnéticas se desplazan en el períme-
tro del inducido, lo cual produce otra caída de tensión 
 
Con la máquina en carga la zona neutra se desplaza en función de la magnitud de la corriente un 
ángulo . Como las escobillas están en la línea neutra teórica (de vacío), aparecerá una tensión 
inducida por la inducción transversal Bt en las espiras puestas en cortocircuito por las escobillas 
en el momento de la conmutación. Esto induce una Fem en la espira en CC que se opone al cam-
bio de la corriente en la bobina en conmutación. Por otra parte entre las dos escobillas, existirán 
flujos con áreas opuestas que disminuyen el flujo total, y como la Fem depende del flujo de 
acuerdo a E = ke  w, esto es causa de caída de tensión. 
 
 
 
Máquinas Eléctricas II Dr. Ing. Mario Guillermo Macri 
Reacción de Inducido en Máquinas de Corriente Continua Página 6 
Desplazamiento de las escobillas 
 
Si para evitar el chisporroteo, desplazáramos las escobillas un ángulo  , se induciría en las 
espiras en CC una Fem que anularía las de reactancia, pero esto habría que hacerlo para cada es-
tado de carga de la máquina, por lo que resulta solo realizable para máquinas con carga constan-
te, seguiríamos generando un campo según la línea de escobillas, que fija el punto de inversión 
de la corriente de armadura, y estaríamos produciendo una caída de tensión importante debido a 
que aparece una componente del flujo longitudinal l que es desmagnetizante: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fig. 4: Desplazamiento de escobillas 
 
Al girar las escobillas en el sentido de las agujas del reloj un ángulo , por debajo de la escobilla 
izquierda los conductores con corriente saliente suben el mismo ángulo , mientras que los con-
ductores por arriba de la escobilla derecha bajan con corrientes entrantes. 
 
Se aprecia que en el ángulo de periferia 2, aparece una fuerza magnetomotriz longitudinal hacia 
arriba del dibujo, es decir antagónica a la del polo l , debilitando el flujo de excitación 0 del po-
lo y la Fem. 
 
El efecto que tiene el desplazamiento de las escobillas en las curvas de campo puede verse mejor 
en la Fig. 5 de la siguiente página: 
Máquinas Eléctricas II Dr. Ing. Mario Guillermo Macri 
Reacción de Inducido en Máquinas de Corriente Continua Página 7 
 
 
Fig. 5: Efecto del desplazamiento de escobillas en las curvas de campo