Maquinas Electricas

150 Unidad 4

(continuación)

Diseño del esquema del devanado
1. Se dibujan los haces activos que se alojan en cada una de las ranuras. En
este caso es aconsejable no numerar aún las ranuras.

a Figura 4.79. Representación de los haces activos en ranuras.

2. Como ranura de inicio se puede tomar cualquiera de las representadas. En
este caso, para facilitar el diseño se ha tomado la tercera de la izquierda.
A partir de ella se representa la primera bobina teniendo en cuenta que el
paso YK se ha acortado a 3. Para ello se cuentan tres ranuras a partir de la
contigua a la considerada como inicial.

3. Para dibujar la siguiente bobina (o sección inducida) se cuentan 4 ranuras
(Y2) a partir de la ranura contigua a la que aloja el lado activo entrante de
la primera bobina.

4. Se numeran las ranuras a partir de la que elegimos como primera para
nuestro diseño, que se considera como la número 1.

Yk Y2

Ranuras a contar para Y2

12 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Ranuras a contar para Yk

a Figura 4.83. Pasos del devanado.

5. Se dibujan las delgas del colector considerando que la número 1 es la
correspondiente a la conexión con el terminal del haz activo de la primera
bobina o sección inducida.

6. Se comprueba que el paso de colector YCOL = 7 es correcto, teniendo en
cuenta que hay que contar a partir de la delga contigua a la que se conectó
el terminal de la primera bobina.

12 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Ycol

a Figura 4.84. Paso de colector.

Máquinas rotativas de corriente continua 151

7. Se dibuja el resto del bobinado siguiendo la misma pauta.

8. Se representan las escobillas. En este caso se ha decidido instalar cuatro,
a pesar de que un devanado ondulado solamente necesita dos. Como el
número de delgas es impar, el paso obtenido para ello es Ye = 3,25.

SNSN

aa
bc
cb

12 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

edgf gdef
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

a Figura 4.85. Devanado completo con escobillas.

4.8. Conexiones equipotenciales saber más

Son conexiones que se realizan en los devanados que tienen varias ramas en pa- Sabiendo que el número de ramas
ralelo. Se utilizan para evitar una descompensación de las fuerzas electromotrices en paralelo es igual al número de
y las corrientes que circulan en cada una de ellas. Esto se debe a los efectos pro- polos de la máquina, podemos
ducidos por: la asimetría del entrehierro en diferentes puntos de la máquina o por diseñar las conexiones equipoten-
divergencias en diferentes puntos del circuito magnético (producidas por defectos ciales de 1ª categoría utilizando las
físicos de los polos o desigualdad en el campo de excitación). siguientes expresiones de cálculo:
Las conexiones equipotenciales pueden realizarse de diferentes maneras, pero las
más utilizadas son las denominadas de 1ª clase, que se realizan en la parte inferior Número de conexiones equipoten-
de las cabezas de las bobinas donde se encuentran los terminales de conexión de ciales:
cada una de ellas.
Neq = K
aa p
bb
cc Paso o ancho de la conexión equi-

NS N potencial:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Yeq = K
dd p
ee

12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

a Figura 4.86. Conexiones equipotenciales en un devanado imbricado simple de 4 polos.

Generalmente, las conexiones equipotenciales se realizan por el lado del colector
uniendo delgas entre sí mediante soldaduras; sin embargo, en ocasiones este tipo
de conexiones se hace en el lado en el que se encuentran las cabezas superiores
del devanado.

152 Unidad 4

ACTIVIDADES FINALES

1. Identifica cada una de las partes de esta máquina rotativa de corriente continua.

8 9 1.
1 2.
7 3.

6 2 4.
a Figura 4.87. 5.

3 6.

7.
4 8.

5 9.

2. Di cuáles de estos devanados se pueden ejecutar y cuáles no.
• Imbricado simple: 32 ranuras, 16 delgas y 2 pares de polos.
• Imbricado simple: 13 ranuras, 23 delgas y 3 pares de polos.
• Imbricado ondulado simple: 23 ranuras, 23 delgas y 1 par de polos.
• Imbricado ondulado simple: 11 ranuras, 22 delgas y 2 pares de polos.

3. Dibuja cómo se deben conectar las bobinas inductoras en una máquina de corriente continua de 8 polos.

4. Haz lo mismo para una máquina de 6 polos. ¿Puede ser el número de polos impar?

5. Utilizando una máquina rotativa de corriente continua que haya en el aula taller, realiza los cálculos para
un número de pares de polos que permita que el devanado se pueda ejecutar. Luego realiza todas las ac-
tividades profesionales propuestas de esta unidad.

6. Dibuja el esquema del inducido de una máquina de corriente continua de 4 polos sabiendo que el número
de ranuras y el de delgas es el mismo: 16. Representa las escobillas y la polaridad en cada haz activo de las
bobinas.

a Figura 4.88.

Máquinas rotativas de corriente continua 153

7. Dibuja el esquema de un devanado imbricado simple para una máquina de 4 polos, 16 ranuras y 32 del-
gas. Representa las escobillas y la polaridad en los haces activos de las bobinas.

a Figura 4.89.

8. Dibuja el esquema de un devanado ondulado simple para una máquina de 4 polos, 17 ranuras y 17 del-
gas. Representa las escobillas sabiendo que se van a instalar tantas como polos.

a Figura 4.90.

9. Dibuja en tu cuaderno el esquema de un devanado imbricado simple para una máquina de 13 ranuras, 39
delgas y 2 polos.

10. Haz lo mismo para devanado imbricado simple destinado a una máquina de 17 ranuras, 51 delgas y 1 par
de polos.

entra en internet

11. Localiza imágenes de cómo se construyen las bobinas de los inducidos destinados a máquinas de gran
potencia.

12. ¿En qué consiste el torneado del colector?
13. Localiza un vídeo de cómo se bobina un inducido de forma manual y otro con una máquina automática.
14. ¿Qué es un motor sin escobillas?, ¿tiene algo que ver con lo estudiado en esta unidad?

154 Unidad 4

PRÁCTICA PROFESIONAL 1

HERRAMIENTAS desmontaje de una máquina
rotativa de corriente continua
• Martillo con cabeza de nailon
• Llaves Allen de diferentes tamaños OBJETIVO
• Juego de llaves fijas y/o de tubo
• Recipiente o gaveta de plástico Conocer las técnicas y herramientas utilizadas para desmontar una máquina
• Extractor de cojinetes rotativa.
• Guantes, alicates y extractor
PRECAUCIONES
de chavetas
• Utiliza guantes en la operación de desmontaje y montaje de la máquina.
MATERIAL • Cubre de cinta aislante los huecos de las chavetas para evitar cortes con el filo

• Una máquina de corriente continua de sus bordes.
• Rotulador permanente y cinta aislante

DESARROLLO

1. Preparar la mesa de trabajo con el equipo de herramientas necesario para el desmontaje de la máquina. Es
aconsejable disponer de una bandeja o gaveta para dejar en ella todos los elementos que se retirarán en esta
operación.

a Figura 4.91. Algunas de las herramientas necesarias para desmontar la máquina.

2. Utilizando un rotulador permanente, realizar marcas en los dos escudos de la máquina de tal forma que identifi-
ques claramente en qué lado de la culata están ubicados cada uno de ellos.

a Figura 4.92. Marcaje de culatas.

3. Por la ventana del escudo que contiene las escobillas, las retiramos para evitar que se dañen en el proceso de
desmontaje.

4. Utilizando un extractor de chavetas retiramos las de ambos extremos del eje. Si no dispones del extractor, pue-
des usar un alicate universal o de pico de pato. También, a modo de truco, puedes emplear pequeño tornillo de
banco portátil fijando y tirando de la chaveta.

Máquinas rotativas de corriente continua 155

5. Cubre el hueco de la chaveta con un par de vueltas de cinta aislante, ya que el filo de sus bordes puede provocar
algún corte durante la manipulación del rotor.

a Figura 4.93. Retirada de escobillas, extracción de chavetas y taponado del hueco de la chaveta.

6. Si la máquina dispone de acoplamientos, ventiladores o cualquier otro elemento en su eje, es necesario retirarlo
utilizando un extractor de dimensiones adecuadas.

a Figura 4.94. Extracción de los acoples del eje de una máquina rotativa.

7. Utilizando las herramientas apropiadas, afloja los tornillos o pasadores que sujetan los escudos a la culata de la
máquina y, de forma cuidadosa, retira los escudos de ambos lados. Presta especial atención al desmontaje del
escudo en el que se encuentran los portaescobillas, ya que una manipulación precipitada e inadecuada puede
deteriorarlos de forma irremediable.

a Figura 4.95. Retirada de los escudos.

8. Si es necesario para realizar de forma cómoda las operaciones de rebobinado, retira con un extractor los cojine-
tes y el ventilador del eje.

a Figura 4.96. Máquina desmontada.

9. Con estas operaciones se concluye el desmontaje de la máquina, quedando lista para tareas de mantenimiento
o rebobinado.

156 Unidad 4

HERRAMIENTAS PRÁCTICA PROFESIONAL 2

• Herramientas de electricista Bobinado del devanado
• Bobinadora manual y todos de excitación de una máquina
de corriente continua
sus accesorios
• Devanador OBJETIVO
• Llaves Allen, fijas y/o de tubo
• Recipiente o gaveta de plástico Conocer la técnica para el rebobinado del devanado inductor de una máquina
• Guantes, calibre y micrómetro rotativa de corriente continua.
• Serrucho de carpintero
• Brújula y polímetro PRECAUCIONES
• Una máquina de corriente continua
• Soldador rápido • Utiliza guantes en la operación de desmontaje y montaje de la máquina.
• Peladora de hilo esmaltado • Utiliza las herramientas y la bobinadora siguiendo las indicaciones de seguri-

MATERIAL dad dictadas por tu profesor.

• Rotulador permanente Nota inicial
• Cinta de algodón de 1 cm de ancho
• Hilo esmaltado de bobinar La siguiente práctica profesional se ha planteado desde el punto de vista del
• Alambre plano de atar verde rebobinado de una máquina supuestamente averiada. En ningún caso desea
• Madera de aglomerado para realizar el cálculo del circuito eléctrico de excitación para una máquina nueva. En
este caso, se supone que conocemos el diámetro de conductor y el número de
el molde de las piezas polares espiras para la construcción de dichas bobinas.
• Madera de aglomerado de 6 mm
DESARROLLO
de ancho
• Estaño 1. Toma medida del interior de la bobina. Si la máquina es de polos extraíbles, las
medidas se toman con un calibre. Si la máquina es ranurada, se toma la medida
con un hilo de cobre rígido moldeando la forma en la propia máquina.

A
C

a Figura 4.97. Medida en máquina de polos salientes. a Figura 4.98. Medida en máquina de polos salientes.

Hay que tener en cuenta que una vez finalizadas las bobinas, deben aislarse con cinta de algodón, por lo que
debe aumentarse 2 ó 3 mm cada una de las medidas, ya que si no se tienen en cuenta, puede ocurrir que la bo-
bina no quepa en el interior de la pieza polar.

Máquinas rotativas de corriente continua 157

2. Una vez tomada la medida de la bobina, procedemos como se indicó en las prácticas profesionales de la Unidad
2 para su construcción. En este caso, las bobinas inductoras se fabricarán con una bobinadora manual, bien
utilizando moldes prefabricados, bien construyendo un molde con madera tipo sándwich.

00000

Mode de madera
tipo sándwich

a Figura 4.99. Molde de madera. a Figura 4.100. Colocación en bobinadora manual.

Nota. Debido a las dimensiones que tienen las bobinas inductoras y la poca docilidad que presentan una vez
que están construidas, aquí se ha optado por construir un molde de madera con las dimensiones exactas, ya que
esto facilita la instalación posterior de cada una de las bobinas en las piezas polares. Además, al ser el número de
espiras elevado, las tapas del sándwich deben ser de grandes dimensiones para cubrirlas sin dificultad.

3. Para construir la bobina se seguirán las técnicas vistas en la práctica profesional de la Unidad 2. No olvides colocar
el alambre de atar para que la bobina no se desmorone una vez que se haya extraído de la bobinadora.

4. Encinta fuertemente toda la bobina con la cinta de algodón. El atado final puedes hacerlo dividiendo la cinta por
la mitad y atando un extremo sobre el otro.

a Figura 4.101. Encintado de la bobina inductora.

5. Siguiendo los pasos vistos anteriormente, construye tantas bobinas inductoras como sea preciso para la máquina
con la que estés trabajado. Recuerda que el número de bobinas es igual al número de polos y aquí se ha conside-
rado que la máquina que se está reparando es bipolar.

6. Coloca cada bobina en el interior de su pieza polar. En el caso de que la máquina sea de polos salientes, saca el
polo de la culata e inserta la bobina en él.

a Figura 4.102. Bobina en pieza polar extraíble.

158 Unidad 4

PRÁCTICA PROFESIONAL 2 (cont.)

7. Con las herramientas adecuadas fija nuevamente las piezas polares en la culata. Ten la precaución de dejar los
terminales de las bobinas del lado en el que se encuentra el orificio que comunica con la caja de bornes.

a Figura 4.103. Montaje de piezas polares en culata.

8. Realiza la conexión entre bobinas de forma que cada pieza polar tenga un signo diferente. Para ello ayúdate de
la regla de la mano derecha tal y como se ha explicado en la unidad. En la figura de la izquierda se muestra cómo
deben conectarse las dos bobinas para conseguir polos de diferente signo. En la figura de la derecha se muestra
cómo están instaladas en la culata de la máquina y la conexión entre ellas.

JK
II

SN

SN

II

a Figura 4.104. Conexión entre bobinas. a Figura 4.105. Instalación y conexión entre ellas.

9. Utiliza la técnica de soldadura blanda para unir los terminales de las bobinas. Cubre la unión con tubo flexible de
fibra de vidrio.

a Figura 4.106. Secuencia de montaje: en primer lugar se pelan los terminales que vamos a unir, más tarde se inserta el tubo
flexible en uno de los terminales y, finalmente, se retuerce un hilo sobre el otro.

Máquinas rotativas de corriente continua 159
El proceso de soldadura se muestra en las siguientes figuras:

a Figura 4.107. Secuencia final de montaje: en primer lugar se suelda la unión con estaño y, finalmente, se cubre el empalme con
el tubo flexible.

10.Comprueba con un polímetro si existe continuidad entre los terminales J-K.

K

Polímetro

TTL

400 mA 1000 V
MAX 750 V

500 V MAX

a Figura 4.108. Comprobación de continuidad en el devanado de excitación.

11.Si es correcta la comprobación, alimenta con una tensión de no más de 50 V de corriente continua dichos ter-
minales y acerca una brújula a las piezas polares. Si la conexión entre bobinas es correcta, en cada una de ellas
debe aparecer una polaridad diferente. ¿Qué ocurre si se invierte la polaridad de la alimentación?

50 Vcc
KJ

Brújula Brújula

a Figura 4.109. Brújulas indicando la polaridad.

12.Conecta los terminales del devanado inductor a los bornes J-K de la caja de bornes de la máquina.

160 Unidad 4

HERRAMIENTAS PRÁCTICA PROFESIONAL 3

• Herramientas de electricista Bobinado del inducido
• Bobinadora manual y todos de una máquina de corriente
continua
sus accesorios
• Devanador, micrómetro y polímetro OBJETIVO
• Inducido de una máquina
Conocer la técnica para el rebobinado del devanado del inducido de una máqui-
de corriente continua na rotativa de corriente continua.
• Soldador
• Peladora de hilo esmaltado PRECAUCIONES
• Pistola de aire comprimido
• Serreta de colectores • En las operaciones de limpieza de ranuras debes evitar dañar la chapa mag-
• Cepillos, rascadores, limas redondas nética del interior.

de picado, etc. • Realiza con precaución las operaciones de soldadura para evitar la conexión
• Guillotina de cartón entre delgas contiguas.

MATERIAL • Utiliza las herramientas y la bobinadora siguiendo las indicaciones de seguri-
dad dictadas por tu profesor.
• Rotulador permanente
• Cartón aislante • Etiqueta adecuadamente los terminales de las bobinas para evitar errores en
• Cuñas rígidas para cierre de ranuras la conexión.
• Hilo esmaltado de bobinar
• Alambre plano de atar Nota inicial
• Estaño
• Cinta de carrocero de 2 cm da ancho La siguiente práctica profesional se ha planteado desde el punto de vista del
• Cuerda para zunchado rebobinado de una máquina supuestamente averiada. En ningún caso desea
realizar el cálculo del circuito eléctrico del inducido para una máquina nueva. En
este caso, se supone que conocemos el diámetro de conductor y el número de
espiras para la construcción de dichas bobinas.

DESARROLLO

Preparación del rotor

1. Retira el hilo y los aislantes de la máquina a rebobinar.

2. Instala el rotor en un soporte de inducidos. Esto facilitará las operaciones de limpieza, preparación y rebobinado, espe-
cialmente si es de grandes dimensiones. A continuación, limpia las ranuras de la armadura utilizando rascadores, limas
redondas de picado muy fino y cepillos metálicos.

a Figura 4.110. Rotor sobre soporte de inducido. Cepillo
Rascador
a Figura 4.111. Limpieza de ranuras del inducido.

Máquinas rotativas de corriente continua 161

3. Con una serreta de colector retira la mica y cualquier tipo de impureza que pueda haber entre las delgas. Más tarde,
limpia todo el rotor utilizando una pistola de aire a presión.

a Figura 4.112. Limpieza del colector. a Figura 4.113. Soplado del rotor.

4. Comprueba con un polímetro que no existe continuidad entre delgas contiguas. Después, cortocircuita todas las del-
gas del colector enrollando sobre él un par de vueltas de cable sin aislante, comprobando que no existe continuidad
entre delgas y las partes metálicas del rotor.

a Figura 4.114. Comprobación entre delgas. a Figura 4.115. Comprobación entre delgas y rotor.

5. Comprueba que los aislantes rígidos que se encuentran en los laterales del tambor se hayan en buen estado. Si no es
así, deberán ser sustituidos por unos nuevos. A continuación, aísla con cinta textil adhesiva, cartón aislante o, en su
defecto, cinta de carrocero las partes de los ejes sobre las que se ubicarán las cabezas de las bobinas. Este aislamiento
evitará cualquier contacto físico de las espiras de las bobinas con la parte metálica del rotor.

Aislamiento

a Figura 4.116. Comprobación de aislantes del tambor. a Figura 4.117. Aislamiento del eje.

6. Corta una tira de cartón aislante de aproximadamente el perímetro interno de una ranura. Haz varias pruebas hasta
conseguir el tamaño adecuado. Toma las medidas del modelo y corta tantas tiras de cartón aislante como ranuras
tenga la armadura. Finalmente, dobla cada una de las tiras de forma que se adapten al interior de las ranuras.

Aislamiento
de ranura

a Figura 4.118. Aislamiento de a Figura 4.119. Preparación del cartón a Figura 4.120. Detalle de ranuras aisladas.
la ranura. para vestir las ranuras.

162 Unidad 4

PRÁCTICA PROFESIONAL 3 (cont.)

Bobinado del rotor
7. Diseñar el esquema del devanado del inducido en el que se está trabajando.

Nota. Para facilitar la explicación del proceso se ha tomado como ejemplo uno de los devanados diseñados en
la unidad. Exactamente se trata de un devanado imbricado simple para un rotor de 12 ranuras y 12 delgas ins-
talado en una máquina de 4 polos. A lo largo de la explicación se muestran fotografías de algunos devanados
de inducidos que no corresponden exactamente con el del esquema, pero que sirven como ejemplo de cómo
realizar las operaciones de montaje.

aa
bb
cc

NS N
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
dd
ee
12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

a Figura 4.121. Esquema del devanado.

8. Antes de comenzar a construir las bobinas se hace necesario establecer un sistema de etiquetado de terminales
para su correcta conexión al colector. Aquí se muestra una forma de realizarlo, pero cualquier otra similar puede
ser igual de eficiente. Por ejemplo, cada bobina se puede etiquetar con un número 1, 2, 3, etc., seguido de dicho
número va una letra mayúscula para indicar que es el terminal entrante de la bobina (va a en la capa superior) o
una minúscula para indicar que es el saliente (va a la capa inferior). Si el devanado dispone de varias secciones in-
ducidas, se ponen letras consecutivas para cada una tanto para los terminales entrantes como para los salientes.

Ejemplo de etiquetado en una bobina Ejemplo de etiquetado en bobinas
con una sección inducida con más de una sección inducida

• Los terminales 1A y 1a corresponden respectiva- • Los terminales 1A y 1a pertenecen a la primera sec-
mente a la bobina numerada con el 1 (ranuras 1-4). ción inducida de la bobina número 1.

• Los terminales 2A y 2a a la bobina número 2 (ra- • Los terminales 1B y 1b pertenecen a la segunda

nuras 2-5) sección inducida de la bobina número 1.

• El mismo criterio se sigue para etiquetar los termi-
nales de las secciones inducidas de la bobina nú-
mero 2.

12 12

1 2 34 5 1 2 3 45

1A 2A 1a 2a 2A 2B 2a 2b

a Figura 4.122. Etiquetado de una 1A 1B 1a 1b
sección inducida.
a Figura 4.123. Etiquetado de va-
rias secciones inducidas.

Máquinas rotativas de corriente continua 163

9. Una vez establecido el sistema de etiquetado en el caso de nuestro ejemplo, tendríamos 12 bobinas con dos termina-
les cada una de ellas. Dicho referenciado se puede dibujar directamente sobre el esquema del devanado o represen-
tando una tabla similar a la siguiente.

Número de bobina Terminales Ranuras

1 1A - 1a 1-4
2 2A - 2a 2-5
3 3A - 3a 3-6
4 4A - 4a 4-7
5 5A - 5a 5-8
6 6A -6a 6-9
7 7A - 7a 7 - 10
8 8A - 8a 8 - 11
9 9A - 9a 9 - 12
10 10A - 10a 10 - 1
11 11A - 11a 11 - 2
12 12A - 12a 12 - 3

10.Con un hilo rígido toma medida de la bobina en el rotor. Para ello insértalo en las ranuras correspondientes (paso de
bobina) teniendo en cuenta que las cabezas tienen que tener una cierta holgura para poder alojarlas adecuadamente,
pero que tampoco pueden ser excesivamente largas, ya que podría no ser posible el montaje sobre el rotor.

Ancho de bobina Hilo rígido para
medida del molde

a Figura 4.124. Medida de la bobina.

11.Saca el hilo con la medida y colócalo en los moldes en la bobinadora, luego mueve los moldes hasta que su apertura
se adapte a la medida tomada.

12.Construye doce bobinas siguiendo el proceso estudiado en la práctica profesional de la Unidad 2 y etiqueta sus termi-
nales con cinta aislante o cinta de carrocero siguiendo el sistema propuesto.

1a
3a

Hilo con 1A2a
medida 3A

a Figura 4.125. Detalle de adaptación de los 2A
moldes a la medida de la bobina.
a Figura 4.126. Bobinas finalizadas y etiquetadas.

164 Unidad 4

PRÁCTICA PROFESIONAL 3 (cont.)

13. Etiqueta las ranuras con un rotulador indeleble. Una vez etiquetadas, inserta la primera bobina en la armadura
entre las ranuras 1 y 4 de forma que los terminales queden del lado del colector. Marca cuál es la delga consi-
derada como número 1. Ten en cuenta que la unión entre la delga 1 y 2 se encuentra aproximadamente en la
mitad de la cabeza de la bobina.

Etiquetado de terminales 1a
Etiquetado de ranuras
Identificación
5 de delgas
4
3 J.C.M.Castillo 3
2 2
1 1

Cuñas de cierre 1A

a Figura 4.127. Etiquetado de delgas.

14. Cierra con cuñas rígidas cada una de las ranuras. Esto evitará que el devanado salga al exterior.

Cuña de
cierre

a Figura 4.128. Detalle de cierre de ranuras mediante cuñas.

15. Completa el devanado de la armadura. Ten en cuenta que el devanado debe quedar peinado. Esto quiere decir
que las cabezas de bobina se deben entrelazar entre sí. Para ello es necesario sacar de la ranuras las primeras
bobinas (en nuestro caso tres de ellas) para así cerrarlo correctamente.

1 2 3
12 1 2 12 1 2 12 1 2
11 3 11 3 11 3
10 4 10 4 10 4
95 95 95
8 76 8 76 8 76

4 5 6
12 1 2 12 1 2 12 1 2
11 3 11 3 11 3
10 4 10 4 10 4
95 95 95
8 76 8 76 8 76

a Figura 4.129. Proceso de cerrado de un devanado. a Figura 4.130. Detalles del pei-
nado de dos inducidos.
16. Cierra con cuñas de forma definitiva todo el devanado.
17. Comienza el proceso de soldadura de los terminales al colector.

Máquinas rotativas de corriente continua 165

18. Para facilitar esta operación crea una tabla de conexiones como la aquí propuesta.

Número de bobina Terminales Ranuras

1 1A - 12a 1–3

2 2A - 1a 2–4

3 3A – 2a 3–5

4 4A – 3a 4–6

5 5A – 4a 5–7

6 6A -5a 6–8

7 7A – 6a 7–9

8 8A – 7a 8 – 10

9 9A – 8a 9 – 11

10 10A – 9a 10 – 12

11 11A – 10a 11 – 1

12 12A - 11a 12 - 2

19. Corta los terminales con la longitud adecuada para conectarlos a las delgas correspondientes, por otro lado,
pela unos 50 mm las puntas de los terminales de hilo esmaltado. Una vez hecho, es conveniente que vayas
soldando y cortando los terminales de dos en dos. Esto evitará equivocaciones en el conexionado al colector.

20. Inserta las puntas de los terminales en la ranura de la delga y aplica un punto de soldadura evitando que dos
delgas contiguas queden unidas eléctricamente.

Nota. Debes saber que los inducidos fabricados mediante procesos automatizados, en lugar de unir los termi-
nales a las delgas mediante soldadura, lo hacen por la técnica de remachado.

Ranuras
para
soldadura

a Figura 4.131. Detalle de ranuras de delgas para aplicar puntos de soldadura, ejemplo de soldadura y ejemplo de remachado.

21. Por último es necesario zunchar el inducido. Para ello se utiliza cinta de algodón fina o cuerda para atar todos
los terminales poco antes del colector. Es importante realizar esta operación, ya que en caso contrario los termi-
nales se pueden soltar con la máquina en funcionamiento.

a Figura 4.132. Zunchado.

166 Unidad 4

HERRAMIENTAS PRÁCTICA PROFESIONAL 4

• Polímetro comprobación de inducidos
• Medidor de aislamiento
• Comprobador de inducidos OBJETIVO

de sobremesa Conocer las técnicas de comprobación de inducidos en máquinas de corriente
• Comprobador de inducidos portátil continua.

MATERIAL PRECAUCIONES

• Cables de prueba del polímetro • Consulta el manual de instrucciones para el uso adecuado de cualquiera de
o del comprobador de inducidos los instrumentos aquí utilizados.

• Hoja de sierra

DESARROLLO

Las técnicas de comprobación aquí mostradas se pueden utilizar tanto en inducidos rebobinados (como el realizado
en la práctica profesional anterior) como en aquellos pertenecientes a otras máquinas cuyo funcionamiento que-
remos comprobar.

Comprobación del aislamiento entre circuito eléctrico y magnético

1. Utilizando un medidor de aislamiento o un comprobador de continuidad, coloca una de las puntas de prueba en cual-
quiera de las delgas del colector (puedes cortocircuitarlas enrollando un cable sobre ellas) y la otra en cualquier parte
metálica del rotor.

Nota. Algunos comprobadores de inducidos de sobremesa disponen de comprobador de continuidad.

2. Si no obtenemos continuidad o la resistencia es muy alta, significa que el devanado no presenta falta de aislamiento.

TTL

400 mA 1000 V
MAX 750 V

500 V MAX

a Figura 4.133. Comprobación de aislamiento.

Uso del comprobador de inducidos de sobremesa
3. Sitúa el inducido en el núcleo en V del comprobador y alimenta el comprobador. Es normal que el propio instrumento

emita un ligero zumbido magnético.
4. Coloca una lámina metálica (como puede ser una hoja de sierra) sobre la ranura a comprobar. Si la lámina no vibra,

significa que esa bobina es correcta.

Máquinas rotativas de corriente continua 167

5. Gira lentamente el rotor y comprueba una a una todas las ranuras con la lámina metálica. Si en alguna de ellas
aumenta de forma considerable el zumbido y la vibración, quiere decir que has localizado una bobina que está
en cortocircuito. En este caso debes seguir sus terminales hasta el colector y comprobar si alguna de las delgas
están en cortocircuito.

Lámina metálica

J.C.M.Castillo

Núcleo en V del
comprobador

a Figura 4.134. Comprobación de cortocircuito.

6. Muchos de estos instrumentos disponen de un sistema de comprobación de corriente que permite determinar
si la intensidad que circula por las bobinas es la misma en todas ellas. Para ello hay que conectar los cables de
prueba en el instrumento, y con las puntas de prueba ir tocando en las delgas de cada bobina. Si alguna de ellas
no marca igual o lo hace débilmente, indica que el cable se ha roto o que está mal soldado a la delga.

J.C.M.Castillo

Comprobador
de corriente

a Figura 4.135. Comprobación de conductor interrumpido.

Uso del comprobador portátil
Nota. El uso del comprobador de mano solamente es necesario si no se ha utilizado o no se dispone del compro-
bador de inducidos de sobremesa.

a Figura 4.136. Uso del comprobador de mano.

7. Enciende el instrumento y sitúa su cabeza lectora sobre alguna de las ranuras del inducido. Si el indicador lumi-
noso pasa de verde a rojo, y además emite un zumbido, significa que alguna de las bobinas está en cortocircuito
en el devanado o en el colector de delgas.

168 Unidad 4

MUNDO TÉCNICO

equilibrado de máquinas rotativas

De igual forma que otro tipo de máquinas o dispositi- En el primer caso, se pueden fijar piezas no magnéticas
vos giratorios, los rotores de las máquinas eléctricas re- en el rotor, como ocurre con los rotores de jaula de ar-
quieren un equilibrado para evitar vibraciones y ruidos. dilla en los motores de inducción.
Es más, si el desequilibrio es muy pronunciado, el rotor
podría rozar contra el estator deteriorando los circuitos También puede añadirse algún tipo de masilla que se
magnético y eléctrico. Por este motivo, todas las má- endurezca al secarse, y que se puede fijar sobre los pro-
quinas que salen de fábrica pasan por un proceso de pios devanados del inducido de la máquina.
equilibrado. Por ejemplo, si se hace un rebobinado en
el taller de reparación, la disposición de los devanados
puede cambiar respecto al original, por tanto, será ne-
cesario su equilibrado.

Existen máquinas automáticas específicas para realizar
el equilibrado de rotores eléctricos. Estas disponen de
un conjunto de sensores de medición, una unidad de
control informatizada para el procesamiento de da-
tos y una interfaz de operación para el diálogo con el
operador. No obstante, existen técnicas de equilibrado
manual en las que el rotor se sitúa en un soporte tipo
torno y, después de hacerlo girar, se marca el punto en
el que se queda siempre fijo, calculando así, si es nece-
sario algún tipo de contrapeso.

a Figura 4.138. Rotor con pa- a Figura 4.139. Masilla endu-
sadores para equilibrado por recida para equilibrado de
remachado. inducidos.

Para el equilibrado por eliminación de material se re-
quiere experiencia y maquinaria específica, ya que con-
siste en eliminar por fresado o desbarbado parte del
circuito magnético del rotor.

a Figura 4.137. Máquina automática de equilibrado de rotores a Figura 4.140. Equilibrado por fresado.
(Cortesía de Balance Systems).

El equilibrado del rotor de una máquina eléctrica rota-
tiva puede hacerse de dos formas: añadiendo o elimi-
nando material.

Máquinas rotativas de corriente continua 169

EN RESUMEN

MÁqUINAS ROTATIVAS DE CORRIENTE CONTINUA
Principio de funcionamiento
Constitución

Circuito eléctrico Circuito magnético

Conexión de los devandados

Arranque Variación de velocidad Características

Devanados de corriente continua Devanado
ondulado simple
Inductor o excitación Inducido
Devanado
imbricado simple

EVALÚA TUS CONOCIMIENTOS Resuelve en tu cuaderno
o bloc de notas

1. ¿Cuáles son los dos circuitos eléctricos que tiene 4. Los polos de conmutación se utilizan para:
una máquina rotativa de corriente continua? a. que la máquina gire más rápido.
b. acortar el paso de bobina.
a. Piezas polares. c. Inducido. c. eliminar la reacción del inducido.

b. Inductor. d. Paso polar. 5. El número de polos de devanado de excitación
puede ser impar.
2. El inducido se encuentra instalado en el estator. a. Verdadero.
b. Falso.
c. Verdadero. b. Falso.

3. La escobillas se deben situar en la denominada:

Máquinas rotativas

5 de corriente alterna

vamos a conocer...

1. Principio de funcionamiento de las máquinas
rotativas de corriente alterna

2. Clasificación de máquinas de corriente alterna
3. Máquinas síncronas
4. Máquinas asíncronas
5. Devanados de máquinas de corriente alterna
PRÁCTICA PROFESIONAL 1

Puesta en marcha de un alternador
PRÁCTICA PROFESIONAL 2

Bobinado del devanado del estator
de una máquina de corriente alterna
PRÁCTICA PROFESIONAL 3
Bobinado del inductor de un alternador
MUNDO TÉCNICO
Variación de velocidad en motores
de inducción

y al finalizar esta unidad...

Conocerás cuál es el principio de
funcionamiento de las máquinas de corriente
alterna.
Identificarás los elementos que constituyen
los circuitos magnético y eléctrico de este
tipo de máquinas.
Identificarás los diferentes tipos de máquinas.
Diseñarás los diferentes devanados utilizados
en ellas.
Comprobarás el funcionamiento de una
máquina síncrona.
Construirás devanados para estatores
y rotores de máquinas de corriente alterna.
Comprobarás el correcto funcionamiento
de los diferentes tipos de devanados.

171

situación de partida CASO PRÁCTICO INICIAL

Al taller de reparación de MantenExpress están llegando todo • Todas tienen un estator con un elevado número de ranuras
tipo de máquinas eléctricas. En las últimas semanas ha recibido 3 (entre 24 y 48) y, aunque son máquinas diferentes, el devana-
máquinas de una fábrica de calzado que, supuestamente, están do tiene una ejecución muy similar.
averiadas.
• La máquina que tiene 8 bornes tiene un rotor peculiar, está ranu-
Antes de proceder a su desmontaje Fermín y Abel han foto- rado, pero no de forma uniforme. Hay varios espacios más amplios
grafiado su placa de características y, en especial, su caja de (concretamente 4) en el núcleo magnético, y el devanado está
bornes. Curiosamente, cada una de ellas es diferente: una dis- conectado a dos anillos de color dorado embutidos en el rotor.
pone de 6 bornes, otra de 8 y la tercera de 9. Los técnicos que
las han trasportado hasta el taller dicen que una pertenece • La máquina con 9 bornes dispone de un rotor bobinado similar
a un grupo electrógeno de emergencia, pero que las otras, al de la anterior, pero ranurado de forma simétrica en todo su
funcionando como motor, estaban acopladas a máquinas de contorno. Al contrario que la anterior, tiene tres anillos en el eje.
producción.
• Y, por último, la máquina con 6 bornes dispone de tiene un
Siguiendo el protocolo de desmontaje previsto por la empresa, rotor sin devanado.
Fermín y Abel han abierto cada una de las máquinas y se han
encontrado con lo siguiente: Fermín y Abel se han hecho algunas preguntas sobre las máqui-
nas recibidas que se deben responder antes de ponerse manos
a la obra.

estudio del caso

Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después analiza cada
punto del tema con el objetivo de contestar el resto de preguntas de este caso práctico.

1. ¿Se puede variar la velocidad de los motores de co- 7. ¿A qué máquina corresponde la caja de 8 bornes?
rriente alterna regulando la tensión de alimentación?
8. ¿Por qué una de las máquinas dispone de un rotor
2. ¿Son reversibles las máquinas de corriente alterna que no tiene devanado?
como lo eran las de continua, que podían funcionar
como generador o como motor? 9. ¿A qué máquina pertenece la caja de 9 bornes?, ¿y el
rotor de tres anillos?
3. Los motores de corriente continua requieren un cam-
po inductor fijo para su funcionamiento, ¿es esto 10. La velocidad que indica la placa de características de
igual en los de corriente alterna? un motor asíncrono no coincide con la calculada a
partir de la frecuencia y del número de pares de po-
4. ¿A qué máquina pertenece el rotor que tiene dos los, ¿Por qué ocurre esto?
anillos?, ¿para qué sirven dichos anillos?
11. El circuito inductor de una máquina de corriente con-
5. ¿Por qué la máquina reparada dispone solamente de tinua dispone de un devanado de tipo concentrado,
2 líneas de escobillas y, sin embargo, tiene 4 piezas ¿ocurre lo mismo en las máquinas de corriente alterna?
polares?
12. Una máquina de corriente alterna puede funcionar
6. ¿Es una coincidencia que los circuitos del estator de como motor o como generador, ¿qué diferencias exis-
las tres máquinas tengan una ejecución muy similar? ten entre los devanados del estator en ambos casos?

172 Unidad 5

1. Principio de funcionamiento
de las máquinas rotativas
de corriente alterna

Como hemos visto con anterioridad, una máquina rotativa elemental opera uti-
lizando un sistema de conmutación basado en el colector de delgas. En este caso
se produce una fuerza electromotriz que no cambia de signo. Sin embargo, si se
sustituye dicho sistema de conmutación por un par de anillos rozantes, de modo
que sobre ellos se apoyen las escobillas, se comprueba que la fuerza electromotriz
presenta valores positivos y negativos, ya que el sentido de la corriente cambia
periódicamente.
De este modo, si se comparan las señales de ambos tipos de generadores, se ob-
serva que en el que utiliza colector de delgas el resultado es una señal de tipo pul-
satorio, ya que el sentido de circulación de la corriente se mantiene cada media
vuelta de espira. Sin embargo, si se usa un sistema de anillos, la corriente cambia
de sentido (y de signo) cada media vuelta de la espira y se obtiene en los bornes
del rotor una señal de tipo sinusoidal o senoidal.

Posición de la espira

Señal en bornes A-B

a Figura 5.1. Generador elemental en CC. a Figura 5.2. Señal de salida de un generador en CC.

En el caso del generador de corriente alterna, si se mantiene fijo el inducido y es
el inductor el que gira, se presenta el mismo fenómeno de inducción y, por tanto,

de generación de fuerza electromotriz, invirtiéndose así los papeles de ambos cir-
cuitos respecto a la máquina de corriente continua.

Posición de la espira

Señal en bornes A-B

a Figura 5.3. Generador elemental en CA. a Figura 5.4. Señal de salida de un generador en CA.

Máquinas rotativas de corriente alterna 173

En la práctica esta es la disposición habitual para los generadores, ya que facilita
el diseño de la máquina, simplificando así el circuito por el que circula menos
corriente (el del inductor) y utilizando el sistema de conexión móvil basado en
anillos rozantes y escobillas.
Los generadores de corriente alterna se denominan alternadores.

Fuerza motriz Inducido
Inductor
(excitación)

Alimentación
del inductor
Fuerza electromotriz
inducida
a Figura 5.5. Alternador elemental con inducido fijo e inductor móvil.

1.1. Frecuencia

En el estudio de la máquina elemental de dos polos, una vuelta completa de la
espira (ciclo geométrico), genera un ciclo (eléctrico) en la fuerza electromotriz
inducida. El tiempo que tarda en producirse dicho ciclo se denomina periodo
(T) y se expresa en segundos. Así, el número de ciclos por segundo se denomina
frecuencia (f) y se mide en hercios (Hz). De esta forma se puede establecer una
relación entre las dos magnitudes:

T= 1 Una vuelta de la espira
f

Así se deduce, que si en un mismo tiempo se producen más o menos ciclos, la NS t
frecuencia también variará en consecuencia.
T
Si la máquina dispone de más dos polos, como es habitual en las máquinas reales,
el número de ciclos por vuelta será igual al número de pares de polos según se N t
muestra en la figura 5.6. SS

En máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna la frecuencia está relaciona- N
da con la velocidad de rotación del rotor (N) en revoluciones por minuto (rpm)
y con el número de pares de polos (p) de la máquina. T

f=p N SNS t
60 NN

S

T

De esta forma es posible conocer la frecuencia de un generador en función de la a Figura 5.6. Variación del número
velocidad a la que gira su sistema motriz. de ciclos en función del número de
pares de polos.

174 Unidad 5

caso práctico inicial ejemploS

Parece claro que la velocidad de ¿Qué frecuencia entregará un generador de corriente alterna de 4
giro de un motor de corriente polos si es movido por un motor de gasolina que gira a 3000 rpm?
alterna nada tiene que ver el valor
de la tensión del sistema de ali- f=p N =2 3000 = 100 Hz
mentación. Es el valor de frecuen- 60 60
cia, junto con en número de pares
de polos de la máquina, los que Si un motor de corriente alterna con 3 pares de polos es alimentado
determinan dicha velocidad. por un sistema de corriente a 50 Hz, ¿cuál será su velocidad de giro?

N = 60 f = 60 50 = 1000 rpm
p 3

¿A qué velocidad girará motor de ejemplo anterior si está alimentado
por una red de 60 Hz?

N = 60 f = 60 60 = 1200 rpm
p 3

La velocidad obtenida por la expresión anterior se denomina velocidad de sin-
cronismo. Así, una máquina que consigue que su rotor gire a dicha velocidad se
denomina síncrona, y a la que no lo hace asíncrona.

vocabulario 1.2. Ángulo eléctrico

Español-Inglés Una vuelta completa de la espira corresponde con un ciclo geométrico de 360°.
Monofásico: single phase Si la máquina tiene dos polos, el ciclo magnético (o eléctrico) coincide con él,
Trifásico: three phase ya que es el que se recorre para encontrar un polo del mismo signo que el inicial
Grados eléctricos: electrical (N-S-N). Sin embargo, si la máquina tiene 4 polos, el ciclo geométrico corres-
degrees pondiente a la vuelta completa se traduce en un ciclo eléctrico de 180º, ya que
Grados geométricos: mechanical es el ángulo que hay que recorrer para pasar por completo por el campo de acción
degrees de dos polos de signo contrario.
Polo norte: north pole
Polos sur: south pole 2 polos 4 polos 6 polos

saber más N N S N 120º
S S 180º
Los sistemas monofásicos están S 360º S
desfasados 90º eléctricos. N
NN
S

Grados eléctricos Grados geométricos
a Figura 5.7. Grados eléctricos.

1.3. Sistemas de fases

Las máquinas de corriente alterna, tanto generadores como motores, pueden
diseñarse para cualquier sistema de fases: bifásico, trifásico, hexafásico, etc., sin
embargo, algunos de ellos no tienen demasiadas aplicaciones en la práctica. El
sistema más utilizado a nivel industrial es el de tipo trifásico, siendo el que aquí
se estudiará principalmente.

Máquinas rotativas de corriente alterna 175

Un sistema trifásico está formado por tres fuerzas electromotrices iguales en U
frecuencia y magnitud, pero desfasadas entre sí 120° eléctricos. Cada fuerza
electromotriz está generada por un devanado independiente, estos devanados se WV
encuentran instalados sobre el estator a 120° unos de otros, tal como se representa a Figura 5.8. Desfase de 120º entre
de forma simbólica en la siguiente figura. los devanados del estator.

1

F1 F2 F3

3 120º 120º 2

120º

a Figura 5.9. Formas de onda de un sistema trifásico y ubicación simbólica de los devanados en caso práctico inicial
el estator.
En los motores de corriente alter-
1.4. Campo magnético giratorio na el campo magnético inductor
es de tipo giratorio, y no fijo como
El funcionamiento de los motores de corriente alterna, tanto síncronos como en los de corriente continua.
asíncronos, está basado en el efecto denominado campo magnético giratorio.
Un motor trifásico dispone de tres devanados separados entre sí 120° cuyas bobi-
nas están montadas sobre el estator de forma distribuida. Si se alimentan los tres
devanados utilizando un sistema de corriente alterna trifásica, el campo magnético
generado dependerá de los valores instantáneos en cada una de las fases. De esta
forma, el signo de los polos cambia en cada uno de los devanados en función de
dichos valores a lo largo del tiempo, produciéndose así el efecto de campo giratorio.

J.C.M.CC U V

W

a Figura 5.10. Campo giratorio en sentido horario. caso práctico inicial

De igual forma, si se cambia la secuencia de dos de las fases, se consigue que el Las máquinas de CA pueden fun-
flujo circule en sentido contrario. En la práctica, dicho efecto se traduce en el cionar como motor o como gene-
cambio del sentido de giro de la máquina. rador.
El cambio de secuencia de fases es tan sencillo como permutar dos de ellas.

J.C.M. saber más

UWV La velocidad del campo giratorio
es siempre constante y es la del
a Figura 5.11. Campo giratorio en sentido antihorario. sincronismo.

176 Unidad 5

2. Clasificación de máquinas
de corriente alterna

De igual forma que las máquinas rotativas de corriente continua, las de corriente
alterna son reversibles, es decir, pueden funcionar como generador (alternador)
o como motor.
Una clasificación de las máquinas de corriente alterna puede ser la siguiente:

MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA

Máquinas síncronas Máquinas asíncronas

Generadores Motores Generadores Motores
(Alternadores) sincrónicos asincrónicos

Trifásicos Monofásicos Trifásicos

Monofásicos De rotor bobinado

De rotor sin bobinar
(Rotor en cortocircuito)

a Figura 5.12. Clasificación de máquinas de corriente alterna.

Según la clasificación anterior se establecen dos grandes grupos: máquinas sín-
cronas y máquinas asíncronas. Dentro del primer tipo tienen especial interés
los generadores o alternadores, y dentro del segundo los motores. No obstante,
en la actualidad, son numerosas las aplicaciones en las que se están empleando
máquinas de tipo asíncrono como generadores, aunque su estudio se sale de los
objetivos de esta obra.

Aquí se tratarán los diferentes tipos de máquinas desde el punto de vista construc-
tivo y de su constitución interna, centrándonos principalmente en el cálculo y en
la ejecución de sus devanados. Para ello se realizarán algunas actividades prácticas
relacionadas con el arranque y la puesta en marcha, aspectos que facilitarán el
estudio de su funcionamiento.

a Figura 5.13. Máquina síncrona. a Figura 5.14. Máquina asíncrona.

Máquinas rotativas de corriente alterna 177

3. Máquinas síncronas importante

Como ya se ha dicho, las máquinas síncronas son aquellas en las que el rotor gira El estator de una máquina síncro-
a la velocidad de sincronismo. De la misma forma que las de corriente continua, na es similar al de una máquina
están formadas por un circuito magnético y dos eléctricos. asíncrona, incluso puede ser el
mismo
3.1. Circuito magnético de las máquinas síncronas

Está constituido por dos partes, una ubicada en el estator y otra en el rotor. En
este caso, a diferencia de la máquina de corriente continua, la armadura está en
la parte fija o estator, y la culata en la parte móvil o rotor.

Armadura (estator) a Figura 5.15. Detalle del estator
Ranuras para el devanado de una máquina síncrona.
de la armadura

N
Piezas polares (polos)

SS

N
Culata

a Figura 5.16. Circuito magnético de una máquina síncrona.

Así, el circuito magnético fijo es la armadura, que está formada por un apila-
miento de chapas magnéticas embutido en la carcasa del estator. Está ranurada
axialmente para permitir alojar en ella las bobinas del devanado inducido. Las
ranuras pueden tener diferentes tamaños y formas en función del tipo y de la
potencia de la máquina.

a Figura 5.17. Posibles tipos de ranuras de la armadura. vocabulario

El circuito magnético rotativo ubicado en el rotor, también constituido de chapa Español-Inglés
magnética apilada, está destinado a alojar el circuito del devanado de excitación Formas de ranuras: shape of slots
o inductor. Dicho circuito puede ser de dos tipos: Cuña: wedge
Devanado giratorio: revolving
• De polos salientes. Se utilizan generalmente para máquinas de más de dos po- winding
los, de gran potencia y tamaño, que van a girar a baja velocidad. En este caso
las piezas polares están unidas por la culata que se encuentra en el eje del rotor.

• Ranurados o de polos lisos. Se utilizan en máquinas de pequeña potencia o
bajo número de polos que van a girar a gran velocidad. En ellas el rotor es un
tambor con un aspecto similar al de los de corriente continua, pudiendo estar
total o parcialmente ranurado.

178 Unidad 5

N Las de polos lisos disponen de zonas sin ranuras (diente ancho) que correspon-
den con las zapatas polares.

N

SS SS

N N

a Figura 5.18. Rotor de polos salientes a Figura 5.19. Rotor ranurado de diente ancho.
(Cortesía de Stator Systems).

recuerda 3.2. Circuitos eléctricos de una máquina síncrona

Se denomina entrehierro al espa- De igual forma que las de corriente continua, las máquinas síncronas tienen dos
cio que existe entre la armadura y circuitos eléctricos: el inductor y el inducido. Sin embargo, la principal diferencia
el rotor. respecto a las primeras está en que la disposición de los devanados está invertida,
es decir, el inducido está en el estator y el inductor en el rotor.
Entrehierro
Circuito inductor
N
Es el encargado de generar el campo magnético de excitación. Se encuentra bo-
S binado sobre el rotor formando un número fijo de polos, que en el recorrido de su
contorno deben ser de signo alternativo, es decir, N, S, N, S, etc.
aN Figura 5.20. Entrehierro de una
máquina síncrona. El número de polos se define en el momento de la construcción el rotor, por
tanto, si la máquina ha sido diseñada para 4 polos, no se podrá utilizar para un
número diferente.

Polo Cabezas
de bobinas
Aislante entre
anillos

caso práctico inicial Ranuras

El rotor con dos anillos pertenece Conexión del devanado
al alternador del grupo electróge- a los anillos
no que se ha llevado al taller de
reparación. La misión de los anillos Anillos
es alimentar el circuito inductor a Figura 5.21. Inductor de una máquina síncrona.
que se encuentra devanado en el
rotor. El colector de anillos
A diferencia de las máquinas de corriente continua, la alimentación del cir-
cuito del rotor en una máquina síncrona no requiere conmutación. Por este
motivo no es necesario montar en él un sistema tan complejo como es el co-
lector de delgas. En este caso la conexión se realiza mediante un par de anillos
que alimentan cada uno de los terminales del devanado inductor, y sobre los se
apoyan las escobillas.

Máquinas rotativas de corriente alterna 179

Desde el punto de vista del mantenimiento, el colector de anillos y sus escobillas U VW
son mucho más duraderos que sus equivalentes en las máquinas de corriente M/G
continua, ya que al no haber conmutación, el desgaste por contacto eléctrico es
mínimo.

sq

U1 U2

V1 M/G V2

W1 W2

a Figura 5.23. Anillos rozantes. a Figura 5.24. Escobillas. sq

a Figura 5.22. Símbolos de una má-
quina síncrona.

El circuito inducido a Figura 5.25. Inducido o armadura
de una máquina síncrona.
El devanado del inducido se encuentra alojado en el estator y, en función del
número de fases para el que ha sido diseñado, puede ser monofásico, bifásico o
trifásico. No obstante, debido a que los últimos son los más utilizados en la indus-
tria, serán los que aquí se estudiarán principalmente.

El inducido de una máquina trifásica síncrona (y como se verá más adelante, el
de una asíncrona también), está formado por tres devanados, uno por fase, que
se entrelazan entre sí siguiendo un diseño geométrico a través de las ranuras de
la armadura. Cada uno de estos devanados está formado por una serie de bobinas
que se conectan con otras de la misma fase, en mayor o menor medida, en función
del número de polos de la máquina.

El número de polos del inducido debe ser el mismo que el número de polos del
devanado de excitación o inductor.

La caja de bornes

Desde el interior de la máquina a la caja de bornes llegarán 8 conductores. Seis
de ellos pertenecen a los devanados del inducido (dos por fase ocho) y dos son los
procedentes del portaescobillas que alimenta el circuito inductor.

U1 V1 W1 s

W2 U2 V2 q saber más

a Figura 5.26. Bornes y conexiones internas de las bobinas de una máquina síncrona. Antiguamente los bornes de las
máquinas trifásicas se nombraban
En el inducido el devanado de cada fase dispone de dos terminales de conexión, con U-V-W para los principios y
uno de principio y otro de fin. con X-Y-Z para los finales.

En la actualidad esta denomina-
ción está obsoleta.

180 Unidad 5

Para etiquetar los distintos terminales se usan las letras U, V, W seguidas de un
número, 1 ó 2, que indica si el terminal es un principio o un final, respectivamen-
te. Así, U1-U2 corresponden a los terminales del devanado de una de las fases,
V1-V2 a los de la siguiente fase y W1-W2 a los de la última.
De igual forma que otros dispositivos de tipo trifásico (como los trasformadores
que estudiaste en unidades anteriores), la conexión entre los devanados de una
máquina síncrona puede hacerse en estrella o en triángulo, teniendo en cuenta
la relación entre tensiones de fase y línea ya estudiadas.

UU22 VV11 UU11 VV11 WW11 ss VV11 ss
qq UU11 VV11 WW11 qq

VV22

UU11 VV22 WW22 UU22 VV22 UU22 WW22 WW22 UU22 VV22
WW22 WW11
UU11 WW11

a Figura 5.27. Conexión triángulo. a Figura 5.28. Conexión estrella.

caso práctico inicial 3.3. Funcionamiento como generador. Alternador

La caja con 8 bornes pertenece al El principal uso de la máquina asíncrona es como generador de corriente alterna,
alternador del grupo electrógeno recibiendo en este caso el nombre de alternador.
de seguridad que ha llegado al
taller para su reparación. Vca trifásica
generada

Vcc excitación

Alternador

U1 V1 W1 s

W2 U2 V2 q

Fuerza motriz

a Figura 5.29. Alternador.

Si se aplica al eje una fuerza motriz a la vez que se alimenta el circuito de excita-

recuerda ción con cuunyaafufreenctueenexctiaerdneapdeendVeCCd,esleaovbetlioecniedaedn sus bornes una tensión alterna
trifásica, de giro.
Cuando las bobinas están conec-
tadas en triángulo, la tensión de La excitación de un alternador puede conseguirse de diferentes formas: mediante
línea es la misma que la tensión de sistemas estáticos de alimentación (baterías) o mediante un sistema de genera-
fase, es decir, V = Vf. Sin embargo, ción o excitatriz acoplado al propio eje de la máquina. En la actualidad es muy
sediseltarfesalsblaeo,,bleaisntadesnecesiisórt,náVnd=eco√línn3–ee·catVaefd.s a√s3–elna común utilizar un pequeño generador de corriente alterna, que se mueve por el
propio eje del alternador, cuya corriente de salida se rectifica mediante diodos o
rectificadores semicontrolados.

Máquinas rotativas de corriente alterna 181

Los alternadores son los encargados de producir la mayor parte de la energía eléctrica
que utilizamos en la actualidad. Estos se encuentran en las centrales de producción
eléctrica y son movidos utilizando sistemas hidráulicos, eólicos o por vapor a presión.
Por lo general, la mayoría de los alternadores son de tipo trifásico, sin embargo,
para aplicaciones menores, como pueden ser los grupos electrógenos de baja po-
tencia, pueden ser monofásicos o bifásicos.
En la figura siguiente se muestra el alternador de una minicentral hidroeléctrica.

saber más

Una excitatriz es una máquina
acoplada (o no) al eje del pro-
pio alternador que se encarga
de producir la energía requerida
para alimentar el devanado de
excitación.

a Figura 5.30. Minicentral hidroeléctrica. saber más

Regulación de la tensión y frecuencia de salida Los sistemas eólicos de producción
de energía hacen buen uso de los
La corriente del inductor debe mantenerse como un valor fijo (el asignado en la generadores de corriente alterna.
placa de bornes). La variación de dicha corriente, mediante un sistema de alimen-
tación regulable basado en un Variac y en un rectificador de corriente (o cualquier
sistema similar), permite ajustar el valor de la tensión de salida del alternador.

El ensayo de vacío permite definir la curva que relaciona la tensión de salida del
alternador con la corriente de excitación. En dicha curva se comprueba cómo para
valores bajos de excitación (hasta algo más del valor nominal), la tensión generada
aumenta en forma lineal, es decir, proporcional, a dicha corriente. Sin embargo,
una vez se ha superado cierto valor de excitación, el núcleo magnético se satura y,
por tanto, la tensión generada prácticamente no aumenta o lo hace tímidamente.

V

Tensión generada

Iexc a Figura 5.31. Aerogenerador.
Corriente de excitación
a Figura 5.32. Curva que relaciona la corriente de excitación con la tensión generada.

182 Unidad 5

Por otro lado, la velocidad de giro del rotor y el número de pares de polos de la
máquina son las variables que determinan la frecuencia (Hz) en los bornes de
salida del alternador. Así, para un mismo número de pares de polos, a mayor ve-
locidad de arrastre, mayor es la frecuencia.

Un ejemplo de lo anterior puede ser el de un alternador que dispone de 2 pares
de polos y que gira a 1500 rpm. Matemáticamente se puede comprobar que la
frecuencia de salida es de 50 Hz.

f=p N =2· 1500 = 50 Hz
60 60

Sin embargo, si la misma máquina girara a una velocidad inferior, por ejemplo,
750 rpm, la frecuencia en bornes sería de 25 Hz.

f=p N =2· 750 = 25 Hz
60 60

De esto se deduce que la regulación del sistema motriz acoplado al eje de un alter-
nador influye directamente sobre el valor de la frecuencia obtenida.

De igual forma, si el número de revoluciones de sistema motriz aumenta conside-
rablemente, la frecuencia también lo hará.

f=p N =2· 4000 = 133,33 Hz
60 60

saber más 3.4. Funcionamiento como motor. Motor síncrono

Para poder realizar el acoplamien- La máquina síncrona, además de funcionar como generador, puede usarse como
to de un alternador a la red eléctri- motor. Para ello debe mantenerse la corriente de excitación y aplicar la alimen-
ca es necesario que la frecuencia tación (en este caso trifásica) al devanado del estator.
y la tensión generadas coincidan
con las del sistema con el que se Con estas condiciones de alimentación se produce en el circuito magnético
van a acoplar. del estator el efecto denominado campo magnético giratorio, ya mencionado al
principio de esta unidad. Si se alimenta la excitación, el devanado inductor
saber más genera un campo magnético fijo que intenta alinearse con el campo giratorio en
un breve periodo de tiempo (el de la velocidad de sincronismo), no pudiendo
Cuando se habla de cargar un arrancar. En esta situación el rotor puede emitir un zumbido debido a las rápidas
generador, decimos que se aplica atracciones y repulsiones e, incluso, puede sufrir un ligero balanceo, pero sin
un receptor eléctrico (carga eléc- logar arrancar. Sin embargo, si con un sistema de arrastre se lleva al rotor a la
trica) en sus bornes. Si por el con- velocidad de sincronismo, cuando este se desacopla de su eje, el motor síncrono
trario se trata de un motor, quiere continuará girando.
decir que se aplica una resistencia
mecánica en su eje. Debido a esta condición indispensable para su arranque, el motor asíncrono sola-
mente es utilizado en aplicaciones muy específicas.

actividadeS

1. Antes de continuar se recomienda realizar la práctica profesional 1 del final de la unidad. Con ella podrás com-
probar cómo funciona un alternador trifásico y cuál es su comportamiento al variar la velocidad de arrastre y
la corriente de excitación.

Máquinas rotativas de corriente alterna 183

4. Máquinas asíncronas

Deben su nombre a que funcionan a una velocidad diferente (inferior) a la de
sincronismo.

El funcionamiento como motor es el principal uso de las máquinas asíncronas. No
obstante, en la actualidad, se están utilizando con regularidad como generadores,
aunque su estudio se sale de los objetivos de este libro.

Núcleo de la Caja de bornes
armadura

Ventilador Rotor en
cortocircuito

J.C.M.Castillo Cojinete
Eje
Tapa del
ventilador

Escudo posterior Escudo anterior
Placa de

características

Devanado del estator
a Figura 5.33. Constitución de un motor asíncrono trifásico.

De la misma forma que las máquinas síncronas, las asíncronas están formadas por
un circuito magnético y dos circuitos eléctricos, además de otros elementos como
son: la carcasa, escudos, tapas, base de fijación, etc.

4.1. Circuito magnético Barras Armadura
del rotor (estator)
Está formado por dos partes: una fija en el estator y una móvil en el rotor. Rotor en
cortocircuito Ranuras
La armadura o estator de la
El estator es idéntico al utilizado en las máquinas síncronas, por tanto aquí no se armadura
volverá a enunciar cuál es su constitución, ya que no existe ninguna diferencia
entre ambos. a Figura 5.34. Partes de una má-
quina asíncrona con rotor en cor-
El rotor tocircuito.
En cuanto al rotor, puede ser de dos tipos:
• Rotor en cortocircuito. Este tipo no dispone de ranuras abiertas que permi-

tan insertar en ellas un bobinado ejecutado a base de hilo o pletina esmal-
tada. Sin embargo, está constituido por un número determinado de barras
rígidas que se cierran en cortocircuito en sus extremos, formado así su propio
devanado.
• Rotor ranurado. Su aspecto es similar al de otros rotores ya estudiados para
otros tipos de máquinas. Se encuentra ranurado en todo su contorno para per-
mitir alojar en él un devanado construido a base de bobinas de hilo o pletina
esmaltada.

184 Unidad 5
Algunos rotores se muestran a continuación:

a Figura 5.35. Rotor en cortocircuito. a Figura 5.36. Rotor ranurado.

recuerda 4.2. Circuitos eléctricos en máquinas asíncronas

Los circuitos magnético y eléctrico La parte eléctrica de las máquinas asíncronas está formada por dos circuitos: uno
del estator de una máquina asín- en el rotor y otro en el estator.
crona son los mismos que los de
una máquina síncrona. Si consideramos su funcionamiento como motor, el circuito inductor se encuen-
tra ubicado en el estator y el inducido en el rotor.
a Figura 5.37. Estator de una má-
quina asíncrona. Inductor

U1 V1 W1 El devanado del inductor es idéntico al utilizado en el estator de la máquina sín-
crona. En la industria, aunque existen devanados de tipo monofásico y bifásico,
mayoritariamente son de tipo trifásico, que están formados por tres devanados
(uno por fase) distribuidos por el perímetro de la armadura y separados entre sí
120° eléctricos.

El número de polos de una máquina se define en el momento de la ejecución de
este devanado. Así, la velocidad de giro dependerá de este dato y de la frecuencia
de la red de alimentación.

Inducido

Es el circuito eléctrico que está ubicado en el rotor. Puede ser de dos tipos: de
barras en cortocircuito o bobinado.

• De barras en cortocircuito. Como ya se ha dicho anteriormente, está forma-
do por barras, normalmente de aluminio, embutidas en ranuras ciegas en el
tambor del rotor, que se cierran en sus extremos mediante discos del mismo
material, dando al sistema un aspecto de jaula de ardilla por lo que este tipo de
rotores suelen recibir este nombre.

U1 V1 W1

U2 V2 W2 a Figura 5.39. Barras de un rotor en jaula de ardilla.

a Figura 5.38. Símbolos de un mo- En los motores de gran potencia estas barras son intercambiables para ser sus-
tor asíncrono trifásico con rotor en tituidas en caso de deterioro o rotura.
cortocircuito.

Máquinas rotativas de corriente alterna 185

Para mejorar el par de arranque, los rotores en cortocircuito pueden ser: caso práctico inicial
a) De doble jaula. Constituido por un segundo grupo interno de barras y concén-
En realidad, el rotor de la máqui-
trico al principal. na que ha llegado para reparar, sí
b) De ranura profunda. Formado por un único sistema de barras alargadas hacia dispone de devanado, pero es un
poco especial, ya que en lugar de
el interior del rotor. estar construido por hilo de cobre
esmaltado, está hecho con unas
barras internas conectadas en cor-
tocircuito.

a Figura 5.40. Rotores de doble jaula (izquierda) y de ranura profunda (derecha). vocabulario

Este tipo de máquinas es el más utilizado en la actualidad debido a que su Español-Inglés
mantenimiento es prácticamente nulo gracias a la ausencia de conexiones Asíncronos: asynchronous
móviles o rozantes, algo que es característico en los sistemas basados en Síncronos: synchronous
colector. Campo magnético giratorio:
rotating magnetic field
El conexionado de un motor al exterior se realiza a través de los seis bornes de Trifásico: three-phase
su caja de conexiones, pudiendo hacerse en estrella o en triángulo, como ya Espiras: turns
se ha visto anteriormente. En este caso, la conexión estrella es para la tensión Deslizamiento: slip
mayor y la conexión triángulo para la menor. Entrehierro: air gap
Ventilador: fan
Velocidad: speed
Baja tensión: low voltage
Alta tensión: high voltage

U1 V1 W1 U1 V1 W1

W2 U2 V2 W2 U2 V2 U1 V1 W1

a Figura 5.42. Conexión de la caja de bornes de un motor trifásico de inducción. K LM

• De rotor bobinado. El tambor del rotor es de tipo ranurado y en él se U1 U2
alojan las bobinas que constituyen el devanado, que recibe el nombre de V1 V2
rotórico. Una de las principales características de este tipo de motores es W1 W2
que dispone de un elevado par de arranque respecto a los motores de rotor
en jaula de ardilla de ranura normal. Como con los motores de rotor en K LM
cortocircuito de doble ranura o ranura profunda se obtienen resultados simi- a Figura 5.41. Símbolos de un mo-
lares, los motores de rotor bobinado han quedado relegados a aplicaciones tor asíncrono trifásico con rotor bo-
muy específicas. binado.

El devanado del rotor suele estar formado por tres devanados, que se conectan
en estrella por uno de sus extremos y a los anillos del colector por el otro. No
obstante, el número de devanados puede ser diferente, siempre que se obtenga
el mismo número de polos que tenga el estator.

186 Unidad 5

caso práctico inicial Un esquema es el siguiente:

La caja con nueve bornes perte- Rotor bobinado Caja de bornes
nece a la máquina asíncrona de (inducido)
rotor bobinado. Seis de ellos son
del devanado situado en el estator Escobillas
y los otros tres, etiquetados como
K, L, M, del devanado del rotor. Escudo

saber más Colector de anillos
Devanado de la armadura
Algunos tipos de aerogeneradores
utilizan máquinas asíncronas de (inductor)
rotor bobinado.
Estator Escudo

a Figura 5.43. Partes de un motor de rotor bobinado.

Los motores de rotor bobinado, también denominados de anillos rozantes,
están diseñados para trabajar en cortocircuito.

caso práctico inicial a Figura 5.44. Detalle del colector de anillos y de las escobillas de un motor asíncrono de
rotor bobinado.
La diferencia entre la velocidad de
sincronismo y la indicada en la caja 4.3. Funcionamiento del motor asíncrono
de bornes del motor trifásico con
rotor en jaula de ardilla se llama En una máquina asíncrona, funcionando como motor, al alimentar el devanado del
deslizamiento y es necesaria para estator se genera un campo magnético de tipo giratorio que induce una corriente
que el motor pueda girar. Dicho de sobre el devanado del rotor (sea de barras o bobinado). Esta corriente a su vez
otra forma, si no existiera el desli- genera por inducción (de ahí el nombre que se le suele dar a este tipo de motores)
zamiento, el rotor se pararía. un campo magnético rotórico que se comporta como si de imanes permanentes se
tratara. De esta forma, el rotor intenta alinearse con el campo del estator, provo-
NS cando en él un par de fuerzas que provocan el giro. Así, siempre que se mantenga
Nm el campo del inductor, el rotor gira buscando su alineamiento.

a Figura 5.45. Velocidades del mo- La velocidad del campo giratorio es la de sincronismo, sin embargo, la del rotor
tor síncrono. siempre debe estar por debajo de ella, ya que si ambas llegaran a igualarse, el mo-
tor se pararía. La diferencia entre ambas velocidades recibe el nombre de desliza-
miento (S). Se suele expresar en % y se calcula mediante la siguiente expresión:

S= NS – Nm · 100
NS

Donde Ns es la velocidad de sincronismo y Nm la de la máquina.

Máquinas rotativas de corriente alterna 187

El momento del arranque

El instante del arranque de un motor de inducción es especialmente delicado, ya
que la máquina debe vencer el par resistente que se aplica en su eje hasta conse-
guir la velocidad de funcionamiento nominal. Si la carga que se aplica en él es
excesivamente grande, el motor puede no llegar a arrancar.

Los fabricantes de motores suelen representar esta característica mediante la de-
nominada curva par-velocidad. En ella se puede observar lo que ocurre con el par
motor hasta que consigue la velocidad nominal. Como se observa en las figuras,
existe una zona inestable en la que el par motor pasa por diferentes valores. En
ese momento, si el par resistente es excesivamente elevado y está por encima de la
curva del par motor, la máquina puede tener problemas para arrancar o incluso no
conseguirlo. Una vez superada esta zona inestable, el motor consigue su velocidad
nominal, funcionando en condiciones normales.

Corriente Corriente que absorb

Par máximo e el motor

Par
Par moto
Par de arranque r

Par nominal Par or
Par mot Corriente
Par mínimo nominal

Par resistente Par resistente

Zona inestable Zona Velocidad
0 estable

Velocidad Velocidad de Zona inestable Zona Velocidad
nominal sincronismo 0 estable

a Figura 5.46. Curva par-velocidad. a Figura 5.47. Curva de corriente sobre la
curva par-velocidad.

Vencer el par resistente en el momento del arranque, cuando el motor está a recuerda
plena carga, produce una sobrecorriente cuyo valor es muy superior a la corriente
nominal del motor. Este exceso puede resultar enormemente perjudicial, tanto En la instrucción ITC-BT-47 del
para la instalación como para la aparamenta que alimenta la máquina. Este efecto REBT se establece que la constan-
se enfatiza en los motores de gran potencia, de modo que será necesario tenerlo te máxima de proporcionalidad
siempre en cuenta. Para evitar este efecto tan perjudicial se recurre a diferentes entre la intensidad de la corriente
métodos en función del tipo de motor. de arranque y la de plena carga.
En motores de corriente continua
En los motores con rotor en cortocircuito o jaula de ardilla se recurre a diferen- debe ajustarse a los siguientes
tes sistemas de arranque como los denominados: estrella-triángulo, Part-Win- valores:
ding o de devanados separados, por resistencias estatóricas o por autotransfor-
mador. En los motores de rotor bobinado es habitual el arranque denominado Potencia Constante
por eliminación de resistencias rotóricas. En cualquiera de los casos, su estudio se 2,5
sale de los objetivos de esta unidad. De 0,75 kW 2,0
a 1,5 kW 1,5
El arranque estrella-triángulo es, desde hace tiempo, uno de los más utilizados,
aun así, en la actualidad se están viendo sustituidos paulatinamente por siste- De 1,5 kW
mas electrónicos basados en arrancadores progresivos o variadores de velocidad. a 5,0 kW

De más de
5,0 kW

188 Unidad 5

caso práctico inicial 5. Devanados de máquinas
de corriente alterna
No hay ninguna diferencia entre el
devanado del estator de un gene- Los devanados de las máquinas de corriente alterna se ubican en:
rador de corriente alterna y el de
un motor, es más, si las máquinas • el rotor de máquinas síncronas, bien sea de polos salientes o de polos lisos,
fueran idénticas en dimensiones y
características eléctricas, podrían • el rotor de las máquinas asíncronas de polos lisos,
intercambiarse entre sí.
• el estator de máquinas síncronas y asíncronas, ya sea funcionando como motor
o como generador, siendo el proceso de cálculo, diseño y ejecución idéntico
en ambos casos.

Los devanados del estator se diseñan según el número de fases del sistema de
alimentación al que van a ser conectados. Si bien pueden construirse para los de
tipo monofásico y bifásico, aquí se centrará el estudio en los devanados de tipo
trifásico, ya que son los más utilizados en la industria.

5.1. Conceptos previos para el diseño
y ejecución de devanados en corriente alterna

A continuación se describirán aquellos conceptos de uso común que son ne-
cesarios para calcular y diseñar los diferentes tipos de devanados de corriente
alterna.

Bobinas y grupos de bobinas

El concepto de bobina es el mismo que el estudiado para los devanados de co-
rriente continua. Una bobina es un conjunto de espiras de, aproximadamente
el mismo tamaño, que se inserta entre dos ranuras del núcleo magnético. Dis-
ponen de dos lados activos, dos cabezas y dos (o más) terminales de conexión.

Un grupo de bobinas está formado por dos o más bobinas unidas entre sí, cons-
truidas con un conductor del mismo diámetro y del mismo número de espiras.

Lados activos Bobinas
Cabeza
superior

Terminales Hilo de unión entre
a Figura 5.48. Grupo de bobinas. bobinas

a Figura 5.49. Grupo de tres bo- En los esquemas de devanados de corriente alterna los grupos de bobinas se repre-
binas. sentan de forma simplificada, dibujándose solamente las cabezas superiores, los
lados activos y las conexiones entre grupos de bobinas. No obstante, en algunas
ocasiones, también se recurre a una representación más desarrollada en la que se
muestran las uniones entre las diferentes bobinas del grupo.

Máquinas rotativas de corriente alterna 189

Algunas representaciones esquemáticas son:

Grupo de bobinas Representación desarrollada Representación simplificada

123 10 11 12 123 10 11 12

a Figura 5.50. Representación de un grupo de tres bobinas.

Tipos de devanados caso práctico inicial

Los dos tipos de devanados más representativos son los concentrados y los dis- Los devanados de tipo concentrado
tribuidos. solamente se utilizan para la excita-
ción en máquinas de corriente con-
• Devanados de tipo concentrado. En ellos cada polo se forma con una única tinua, para rotores de polos salien-
bobina arrollada sobre la pieza polar. Es el sistema utilizado para el devana- tes en máquinas síncronas y para
do de excitación de las máquinas de corriente continua y, también, para el devanados de motores Brushless y
devanado del inductor de las máquinas síncronas basadas en rotor de polos Paso a paso.
salientes. Si bien este tipo de devanado podría utilizarse para los estatores
de las máquinas de corriente alterna, en la actualidad está en desuso debido
al bajo aprovechamiento de núcleo, pues requiere una armadura de mayor
tamaño.

Bobina 1 Bobina 2

Bobina 1 Bobina 2

S NS N

sq Rotor máquina síncrona

a Figura 5.51. Devanado concentrado de dos polos y su aplicación al inductor de una máquina vocabulario
síncrona.
Español-Inglés
• Devanados de tipo distribuido. Utilizan varias ranuras por polo y fase, permi-
tiendo así un mejor aprovechamiento del núcleo de la máquina y, por tanto, Devanado concentrado:
optimizar su tamaño. En estos devanados los haces activos de una misma bo- concentrated winding
bina se encuentra ubicados en polos contiguos de signo contrario, recibiendo
por este motivo el nombre de distribuidos. Devanado distribuido:
distributed winding
El sistema de devanados distribuidos es el más utilizado en la actualidad para
la construcción de circuitos eléctricos en estatores, tanto en máquinas de co- Devanado concéntrico:
rriente alterna síncronas como asíncronas. concentric winding

Devanado excénctrico o en cadena:
chain winding

190 Unidad 5
Un esquema de este tipo de devanado sería el siguiente:

NS

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

U1 W2 V1 U2 W1 V2 Distribución de bobinas
a Figura 5.52. Ejemplo de un devanado distribuido. en el estator

Los devanados distribuidos pueden ser de dos tipos: concéntricos y excéntricos.

a) Devanados concéntricos. Son aquellos en los que las bobinas de los grupos
se construyen de forma concéntrica con diferentes tamaños. El diseño y la
ejecución de este tipo de devanados son sencillos, sin embargo, debido a la
disposición que tienen las cabezas de las bobinas en el interior de la máquina,
el aprovechamiento del espacio es menor que en los de tipo excéntrico.

b) Devanados excéntricos. Son aquellos cuyos grupos tienen todas las bobinas
iguales. Su ejecución en la máquina permite un mejor peinado de las cabezas
y, por tanto, un mejor aprovechamiento del espacio respecto a los de tipo
concéntrico.

Bobinas concéntricas Bobinas excéntricas

NS NS

123 10 11 12

123 10 11 12

vocabulario a Figura 5.53. Grupos de bobinas para devanados concéntricos y excéntricos.

Español-Inglés Los devanados excéntricos pueden ser imbricados de una capa, imbricados
Por polos: de doble capa u ondulados. A continuación se tratarán ejemplos de cálculo y
whole coil winding ejecución de cada uno de ellos.

Por polos consecuentes: Conexiones entre grupos de bobinas
half coil winding La conexión entre los diferentes grupos de bobinas puede hacerse de dos formas
diferentes:
• por polos,
• por polos consecuentes.

Máquinas rotativas de corriente alterna 191

Conexión por polos
Se realiza conectando el final de un grupo con el final del siguiente, y el principio
de este con el principio del siguiente.

NS N S N

Final Final Final Final
Principio
Principio

a Figura 5.54. Conexión por polos en una máquina de 4 polos.

Así, en este tipo de conexión hay tantos grupos de bobinas por fase (Gf), como
polos (2p) tiene la máquina.

Gf = 2p

Si el resultado se multiplica por el número de fases (q) del sistema de alimenta-
ción, se conoce el número total de grupos requeridos para el devanado.

G = 2pq

Conocer el número de grupos por fase y el número de grupos totales del deva-
nado, no es un dato esencial para el cálculo geométrico del mismo, pero permite
comprobar que su diseño es correcto.

Conexión por polos consecuentes

Se dice que una conexión se hace por polos consecuentes cuando se conecta el
final de un grupo de bobinas con el principio del siguiente y así sucesivamente.

SSSS SS

Final Principio Final Principio

a Figura 5.55. Conexión por polos consecuentes en una máquina de 6 polos.

En este caso el número de grupos por fdaesep(aGrefs) corresponde a la mitad del número
de polos, es decir, es igual al número de polos (p).

Gf = p

Por tanto, el número total de grupos del devanado es el producto de los pares de
polos por el número de fases del devanado (q):

G = pq

192 Unidad 5

Ubicación de los principios de fase de un devanado

Los principios de fase permiten definir geométricamente las ranuras en las que
estarán ubicados cada uno de los grupos de las fases.

En función si el devanado es trifásico o bifásico, el paso de los principios de fase
se calcula utilizando las siguientes expresiones:

Trifásicos Bifásico

Y120 = K Y90 = K
3p 4p

El resultado obtenido se suma sucesivamente en una tabla denominada de princi-
pios de fases, obteniéndose lo siguiente:

U V W
1
1+3Y120 1+Y120 1+2Y120
…. 1+4Y120 1+5Y120

Así, cada columna representará la ranura en la que comienza un nuevo grupo de
una misma fase.

Esta tabla contiene más o menos filas en función del número de ranuras y del de
pares de polos del devanado a diseñar.

Las ranuras de la primera fila de cada una de las fases (U-V-W) corresponden
a los terminales de inicio (los que van a la caja de bornes) de cada uno de los
devanados.

saber más Bobinas por grupo
El número de bobinas por grupos (U) se calcula:
El número de bobinas por grupo
es el mismo para cualquiera de las Por polos Por polos consecuentes
fases del devanado. No obstante, U= K U= K
existen excepciones como las que 2pq
se nombrarán más adelante, en 4pq
las que grupos de una misma fase
pueden tener un número de bobi- A continuación se abordará el cálculo y el diseño de los diferentes tipos de de-
nas diferente. vanados en corriente alterna, analizando previamente los conceptos particulares
de cada uno de ellos.

5.2. Devanados concéntricos

Son aquellos que solamente utilizan grupos de bobinas concéntricas, ejecutándo-
se siempre a una capa.

Condición de ejecución
De igual forma que en los devanados de corriente continua, no todos se pueden
ejecutar para cualquier número de polos y de ranuras. No obstante, los devanados
de corriente alterna son algo menos restrictivos en ese sentido que los ya estudia-
dos para corriente continua.

Máquinas rotativas de corriente alterna 193

Para conocer si un devanado de este tipo se puede ejecutar, se debe calcular el saber más
número de ranuras por polo y fase (Kpq) mediante la siguiente expresión:
Para la construcción de devanados
Kpq = K concéntricos es necesario utilizar
2pq moldes preformados específicos.

Donde K es el número de ranuras, p el número de pares de polos y q el número a Figura 5.56. Moldes para grupos
de fases. de bobinas concéntricas.

El resultado óptimo de este cálculo es un número entero. No obstante si dicho
número es impar y el devanado se ejecuta por polos, se puede hacer coincidir
en una misma ranura bobinas de distintos grupos de la misma fase que se hayan
construido con la mitad de espiras. También sería posible realizar devanados con
unos grupos con la mitad de bobinas que otros.

a Figura 5.57. Coincidencia de bobinas en una misma ranura. a Figura 5.58. Grupos asimétricos de una misma fase.

En el caso de un devanado realizado mediante polos consecuentes, el resultado saber más
óptimo para el diseño también es un número entero, ya sea par o impar. Sin
embargo, si se obtiene un número fraccionario formado por un número entero Todos los devanados excéntricos
más 0,5, se debe proceder, como se ha visto anteriormente, a dividir el número de se ejecutan a una capa salvo las
espiras de una de las bobinas de un grupo y hacerla coincidir en la misma ranura excepciones aquí nombradas.
con una bobina de similares características del siguiente grupo.

Cualquiera de estas excepciones requiere una cierta experiencia en el diseño del
devanado, ya que en numerosas ocasiones se salen de la lógica del desarrollo que
se va a explicar a continuación.

Amplitud

Es el número de ranuras que quedan libres (para ser usadas por grupos de otras
fases) entre los dos haces activos de la bobina interior, o más pequeña, del
grupo.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12345678
Amplitud
Amplitud m=4
m=6

a Figura 5.59. Amplitud de bobina.

194 Unidad 5

Número de fases del devanado
Los devanados concéntricos de corriente alterna se ejecutan principalmente para
sistemas trifásicos, pero también pueden realizarse para bifásicos y monofásicos.

N SN S
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

U1 W2 V1 W1 U2 V2

a Figura 5.60. Devanado trifásico.

NS N S N
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

U1 V1 U2 V2
a Figura 5.61. Devanado bifásico.

Los devanados trifásicos y bifásicos utilizan las mismas expresiones de cálculo,

excepto las destinadas a la obtención dceállcpualsooddeelopsridnecvipanioaddoesfmasoen(oYf1á2s0iceoYs s9o0)n.
Sin embargo, el proceso y el diseño de

ligeramente diferentes, por lo que su estudio se realizará en la próxima unidad.

saber más Conexión de los grupos de bobinas

Antes de ejecutar los devanados La conexión entre los grupos de bobinas de una misma fase se realiza, en general,
en la máquina, los circuitos mag- siguiendo los siguientes criterios:
néticos de estator y rotor deben
estar aislados convenientemente. • Los devanados trifásicos bipolares siempre se ejecutan por polos.

• Los devanados trifásicos de más de dos polos (multipolares) se ejecutan por
polos consecuentes.

• Los devanados monofásicos y bifásicos siempre se ejecutan por polos.

TRIFÁSICO BIFÁSICO MONOFÁSICO

a Figura 5.62. Aislamiento de las Multipolar Bipolar Multipolar Bipolar
ranuras del rotor.

Por polos Por polos
consecuentes

a Figura 5.63. Aislamiento de las a Figura 5.64. Elección del tipo de conexión de grupos.
ranuras del estator.

Máquinas rotativas de corriente alterna 195

Proceso de diseño de devanados concéntricos
En este apartado se muestra cómo ejecutar varios tipos de devanados concéntri-
cos partiendo de unos datos previos.
• Datos previos al cálculo. Se parte de los siguientes datos conocidos:

– Pares de polos de la máquina (p).
– Número de ranuras del estator (K).
– Tipo de conexión (por polos o por polos consecuentes).
• Paso 1. Se comprueba si el devanado se puede ejecutar con la expresión del
cálculo de ranuras por polo y fase.

Kpq = K
2pq

El resultado debe ser un número entero. No obstante, el devanado se podrá
ejecutar si esto no se cumple teniendo en cuenta las excepciones vistas con an-
terioridad.

• Paso 2. Se calcula el número de bobinas por grupo (U):

Por polos Por polos consecuentes

U= K U= K
4pq 2pq

Se obtiene la amplitud (m):

Por polos Por polos consecuentes
m = (q–1) · 2U m = (q–1) · U

Se calcula el paso de principios por fase:

Trifásicos Bifásicos

Y120 = K Y90 = K
3p 4p

Se representa la tabla de principios de ciclo, marcando la celda superior iz-
quierda con la ranura número 1:

U1 V1 W1
1

….

Opcionalmente, ya que no es imprescindible para el diseño del esquema, se
puede calcular el número de grupos por fase (Gf):

Por polos Por polos consecuentes
Gf = 2p Gf = p

196 Unidad 5

ejemplo

A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación
de un devanado concéntrico trifásico para el estator de un motor de
inducción con rotor de jaula de ardilla. Los datos de partida son los
siguientes:

• Número de polos: 4 (2 pares de polos).

• Número de ranuras: K = 24.

• Número de fases: q = 3.

Cálculo
Como el número de polos es 4, el devanado de debe ejecutar por polos con-
secuentes.

Datos principales

Condición de ejecución Kpq = K = 24 = 2 (par)
2pq 2·2·3

Número de bobinas por grupo U= K = 24 =2
2pq 2·2·3

Amplitud m = (q – 1) · U = (3 – 1) · 2 = 4

Paso de principios de fase Y120 = K = 24 =4
3p 3·2

saber más Diseño
1. Se construye la tabla de principios de fase sumando sucesivamente, en
Es aconsejable establecer colores celdas contiguas, el resultado de la anterior más el valor de Y120:
para cada una de las fases, tam-
bién definir los principios y finales U VW
de cada devanado. 159
13 17 21
U1 U2
Se finaliza el proceso de suma cuando el número obtenido es superior al
V1 V2 número de ranuras, que en este caso es 24.

W1 W2 2. Se representan todas las ranuras numeradas.
a Figura 5.65. Fases del devanado.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

3. Se dibuja el primer grupo a partir de la ranura 1, sabiendo que el número
de bobinas por grupo es de 2 y que la amplitud es 4.

4. Según la tabla de principios de fase, el primer terminal de este devanado
sale de la ranura 1, por tanto, se etiqueta con la referencia U1.

Máquinas rotativas de corriente alterna 197

5. De la tabla de principios de fase se obtiene el comienzo del segundo grupo
de la misma fase (que en este caso corresponde a la ranura 13) y se repre-
senta a partir de ahí con la misma amplitud (m = 4) y número de bobinas
por grupo (U = 2).

6. Al ser conexión por polos consecuentes, se une el final del primer grupo
(ranura 7) con el inicio del siguiente (ranura 13).

7. El final del segundo es el terminal de salida (U2) de este devanado.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

U1 U2
a Figura 5.66. Conexión por polos consecuentes entre grupos de la misma fase.

8. Se dibuja el segundo devanado, sabiendo que los principios de los grupos
de esta fase están en las ranuras 5 y 17.

9. Se representan los terminales de este devanado, que corresponde con la
ranura 5 para el principio V1 y con la ranura 23 para V2.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

U1 V1 U2 V2

a Figura 5.67. Representación del devanado de la fase V1 – V2.

10. Se dibuja el tercer y último devanado siguiendo el mismo criterio que en los saber más
anteriores. En este caso los principios de fase corresponden a las ranuras 9
y 21, siendo el terminal de entrada W1 el de la 9, y el de salida W2 el de la En las máquinas de gran potencia
número 3. es habitual aislar los devanados de
las diferentes fases con aislantes
11. Para comprobar que el devanado es correcto, se establece el sentido de laminados flexibles.
corriente para una de las fases y se comprueba que los polos consecutivos
son de diferente signo, siendo recomendable hacer lo mismo para cada a Figura 5.69. Aislamiento entre
uno de los devanados de forma independiente. bobinas de diferentes fases (Cor-
tesía de Pinellas Electric Motor
N SN S Repair).
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

W2 U2 V2
U1 V1
W1

a Figura 5.68. Devanado completo.

198 Unidad 5

Devanados concéntricos bifásicos
Los devanados concéntricos bifásicos se diseñan para un sistema de dos fases y
tienen un proceso de desarrollo similar al de los trifásicos.

1.ejemplo

A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un
devanado concéntrico bifásico cuyos datos de partida son los siguientes:

• Número de polos: 4 (2 pares de polos).
• Número de ranuras: K = 32.
• Número de fases: q = 2.

Cálculo
Todos los devanados bifásicos se ejecutan por polos.

Datos principales

saber más Condición de ejecución Kpq = K = 32 = 4 (entero y par)
2pq 2·2·2
Un devanado bifásico se puede
conectar a un sistema de alimen- Número de bobinas por grupo U = K = 32 = 2
tación monofásico (fase y neutro), 4pq 4 · 2 · 2
y viceversa. No obstante, el diseño
de ambos tipos de devanado es Amplitud m = (q – 1) ·2 · U = (2 – 1) 2 · 2 = 4
diferente.
Paso de principios de fase Y90 = K = 32 = 4
4p 4·2

Diseño
1. Se construye la tabla de principios de fase con el dato obtenido en Y90:

UV
15
9 13
17 21
25 29

2. Se dibuja el devanado siguiendo el procedimiento visto en el ejemplo
del trifásico. Las conexiones entre grupos deben hacerse final con final y princi-
pio con principio, ya que este tipo de devanados se ejecuta por polos.

NSNSN

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

U1 V1 U2 V2

a Figura 5.70. Devanado bifásico de 32 ranuras y 4 polos.

U1 U2 3. Se comprueba si el diseño es correcto estableciendo el sentido de la corrien-
te, primero en el devanado de una fase y luego en el otro, observando en
V1 V2 ambos casos si los polos contiguos son de signo contrario.
a Figura 5.71. Fases del devanado.

Máquinas rotativas de corriente alterna 199

5.3. Devanados excéntricos

La principal característica de los devanados excéntricos es que todas sus bobinas
son iguales y se ejecutan normalmente por polos. Los bobinados excéntricos
pueden ser imbricados u ondulados y, dentro de cada uno, de una o doble capa.
Además, los de tipo imbricado pueden ser enteros o fraccionarios. Aquí solamen-
te se estudiarán los de tipo entero.

Devanados excéntricos imbricados

Los devanados excéntricos imbricados pueden ejecutarse en una o doble capa.
En los primeros, una ranura es ocupada por un solo haz activo de una bobina; en
los segundos, una ranura es ocupada por dos haces activos de bobinas diferentes.

El número total de bobinas del devanado en los de una capa es igual a la mitad del nú-
mero de ranuras, y en los de doble capa es igual a la totalidad del número de ranuras.

Una capa Doble capa
U=K
B= K

2

En el esquema las bobinas se representan de la siguiente manera:

• En los devanados de una capa las bobinas de un grupo salen de ranuras impares
y llegan a ranuras pares.

• En los devanados de doble capa los haces activos de las bobinas que llegan
a una ranura coinciden en ella con haces activos que salen de bobinas de su
misma fase.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

a Figura 5.72. Detalle de un devanado de una capa. a Figura 5.73. Detalle de un devanado de doble capa.

El número de bobinas por grupo (U) y de grupos por fase (Gf) se calcula mediante
las expresiones:
B
U = 2pq Gf = 2p

Essiilngnpeaomsocboapnrogtlroaa,rrei(onY.pl)Eolesspdaleasvodanidsaetadrnoacsniduaerqauunoeadecxeaibsptoaebdeiennbatere(sYedKro)uscnmonianúscamisdeperooclaoimrnepseaclro.pnSatsiiogeusptaooslnadroe; Ranuras a contar para Yk = 6
es así, es necesario acortarlo.
NS
Paso polar K 12345678
Paso de ranura (impar en devanados de una capa) Yp = 2p
YK = Yp a Figura 5.74. Ranuras a contar para
el paso de ranura YK.