Tema V: Fundamentos de la conversión electromecánica

de energía

Tema V: Fundamentos de la conversión electromecánica

de energía

5.1. La conversión 5.1. La conversión electromecánica Ielectromecánica I5.1. La conversión 5.1. La conversión electromecánica Ielectromecánica I

N S

ImanesPermanentes

Escobillas

Fuerza Electromotrizinducida en la espira

por el campo

Fuerza externa quehace girar a la

espira

EspiraCampo

Magnético

+ GENERADOR GENERADOR ELEMENTALELEMENTAL

5.1. La conversión 5.1. La conversión electromecánica IIelectromecánica II5.1. La conversión 5.1. La conversión electromecánica IIelectromecánica II

N S

ImanesPermanentes

Corriente que circulapor la espira debida al

generador

EspiraCampo

Magnético

EscobillasFUERZA QUE TIENDE A HACER

GIRAR A LA ESPIRA: PAR MOTOR

MOTORMOTORELEMENTAELEMENTALL

5.2. El principio de 5.2. El principio de reversibilidadreversibilidad

5.2. El principio de 5.2. El principio de reversibilidadreversibilidad

Todas las Todas las máquinas máquinas eléctricas eléctricas

rotativas son rotativas son reversiblesreversibles

Pueden funcionar Pueden funcionar como motor o como motor o

como generadorcomo generador

MotoMotorr

Conversión de Energía Conversión de Energía Eléctrica en Energía Eléctrica en Energía MecánicaMecánica

GeneradoGeneradorr

Conversión de Energía Mecánica Conversión de Energía Mecánica en Energía Eléctricaen Energía Eléctrica

5.3. Balance energético 5.3. Balance energético de una máquina rotativade una máquina rotativa5.3. Balance energético 5.3. Balance energético de una máquina rotativade una máquina rotativa

Pérdidas Pérdidas rotacionalrotacional

eses

Pérdidas Pérdidas en el en el

cobre del cobre del rotorrotor

PérdidaPérdidas en el s en el hierrohierro

Pérdidas Pérdidas en el en el

cobre del cobre del estatorestator

Potencia Potencia eléctrica eléctrica consumidconsumid

a a (P(Pee))

ESTATORESTATOR ROTORROTORPotencia Potencia mecánicmecánica útil del a útil del motor motor (P(Puu))

e

u

PP

e

u

PP

%90 %90

Tema VI: La máquina de corriente continua

Tema VI: La máquina de corriente continua

La máquina de CC consta de dos devanados alimentados La máquina de CC consta de dos devanados alimentados con CC: uno llamado con CC: uno llamado inductorinductor que está en el estator de la que está en el estator de la máquina y otro llamado máquina y otro llamado inducidoinducido que está en el rotor. que está en el rotor.

En el caso de funcionamiento como motor ambos En el caso de funcionamiento como motor ambos devanados están alimentados con CC. En el caso de devanados están alimentados con CC. En el caso de funcionamiento como generador se alimenta con CC el funcionamiento como generador se alimenta con CC el inducido y se obtiene la FEM por el inductor (también inducido y se obtiene la FEM por el inductor (también continua).continua).

Su funcionamiento se basa en la existencia de un Su funcionamiento se basa en la existencia de un mecanismo llamado mecanismo llamado colectorcolector que convierte las que convierte las magnitudes variables gene-radas o aplicadas a la magnitudes variables gene-radas o aplicadas a la máquina en magnitudes constantes.máquina en magnitudes constantes.

Se utilizan en tracción eléctrica (tranvías, trenes etc.) y Se utilizan en tracción eléctrica (tranvías, trenes etc.) y en accio-namientos donde se precisa un control preciso en accio-namientos donde se precisa un control preciso de la velocidad.de la velocidad.

Están en desuso debido a su complejo mantenimiento.Están en desuso debido a su complejo mantenimiento.

6.1. La máquina de CC: 6.1. La máquina de CC: generalidadesgeneralidades

1.

1. Culata

2. Núcleo polar

3.3. Expansión polar

4. Núcleo del polo auxiliar o de conmutación

5. Expansión del polo auxiliar o de conmutación

6.6. Núcleo del inducido

7. Arrollamiento de inducido

8. Arrollamiento de excitación

9. Arrollamiento de conmutación

10. Colector

11. – 12. Escobillas

1. Culata

2. Núcleo polar

3.3. Expansión polar

4. Núcleo del polo auxiliar o de conmutación

5. Expansión del polo auxiliar o de conmutación

6.6. Núcleo del inducido

7. Arrollamiento de inducido

8. Arrollamiento de excitación

9. Arrollamiento de conmutación

10. Colector

11. – 12. Escobillas

6.2. Despiece de una 6.2. Despiece de una máquina de CCmáquina de CC

11

22 33

44

66

7755

88

991010

1111

1212

M. F. Cabanas: M. F. Cabanas: Técnicas para el Técnicas para el

mantenimiento y mantenimiento y diagnóstico de diagnóstico de

máquinas eléctricas máquinas eléctricas rotativasrotativas

Motores de Motores de CCCC

Motor de CC de 6000 kW fabricado por ABBMotor de CC de 6000 kW fabricado por ABB

Pequeños motores de Pequeños motores de CC e imanes CC e imanes permanentespermanentes

Motor de CC para Motor de CC para aplicaciones de aplicaciones de

robóticarobótica

Catálogos comercialesCatálogos comerciales

Fotografía realizada en los talleres de ABB Service Fotografía realizada en los talleres de ABB Service GijónGijón

Catálogos comercialesCatálogos comerciales

N N S S

Imanes permanentes o campo magnético creado por una corriente continua

Escobillas Anillos rozantes Instrumento de medida

Fuerza externa que hace girar a la

espira

La FEM que se obtiene a la salida de la máquina varía en el La FEM que se obtiene a la salida de la máquina varía en el tiempo ya que esta máquina no dispone de colectortiempo ya que esta máquina no dispone de colector

6.3. 6.3. Funcionamiento Funcionamiento

como generadorcomo generador I I

M. F. Cabanas: M. F. Cabanas: Técnicas para el Técnicas para el

mantenimiento y mantenimiento y diagnóstico de diagnóstico de

máquinas eléctricas máquinas eléctricas rotativasrotativas

EEEE

dd

areadBd areadBd

dtd

rlBdtd

E

2

dtd

rlBdtd

E

2

VlBE 2 VlBE 2

Si la espira gira con Si la espira gira con velo-cidad angular velo-cidad angular =d=d/dt mientras se /dt mientras se mueva en la zona del mueva en la zona del flujo se inducirá en flujo se inducirá en ella FEM:ella FEM:

Si la espira gira con Si la espira gira con velo-cidad angular velo-cidad angular =d=d/dt mientras se /dt mientras se mueva en la zona del mueva en la zona del flujo se inducirá en flujo se inducirá en ella FEM:ella FEM:

6.3. 6.3. Funcionamiento Funcionamiento

como generadorcomo generador II II

RV L. Serrano: L. Serrano: Fundamentos de Fundamentos de

máquinas eléctricas máquinas eléctricas rotativasrotativas

Con la máquina Con la máquina girando a una cierta girando a una cierta velocidad V, la fem velocidad V, la fem que se induce es que se induce es

alterna: cambia de alterna: cambia de signo cada vez que signo cada vez que se pasa por debajo se pasa por debajo

de cada polo.de cada polo.

0 2

2BlV

-2BlV

E N S

Polos inductoresde la máquina

0 2

2BlV

-2BlV

E N S

Polos inductoresde la máquina

El colector es un El colector es un dispositivo que dispositivo que

invierte el sentido de invierte el sentido de la FEM para obtener la FEM para obtener una tensión continua una tensión continua

y positivay positiva

0 2

2BlV

E N S

0 2

2BlV

E N S

Colector elemental (2 delgas)Colector elemental (2 delgas)

0 2

2BlV

E N S

0 2

2BlV

E N S

Colector real (muchas delgas)Colector real (muchas delgas)

VlBE 2 VlBE 2

6.4. El 6.4. El colectorcolector

0+- + +- +

12

1

2

21

Sentido de rotaciónde la espira

Colector de dosdelgas

Instante Inicial Conmutación Inversión de la polaridad

EscobillasEscobillasColector Colector

realreal

ColectorColector

M. F. M. F. Cabanas: Cabanas:

Técnicas para Técnicas para el el

mantenimiento mantenimiento y diagnóstico y diagnóstico de máquinas de máquinas

eléctricas eléctricas rotativasrotativas

Catálogos Catálogos comercialescomerciales

M. F. M. F. Cabanas: Cabanas:

Técnicas para Técnicas para el el

mantenimiento mantenimiento y diagnóstico y diagnóstico de máquinas de máquinas

eléctricas eléctricas rotativasrotativas

napN

E60

4 napN

E60

4 nKE nKE

6.5. FEM inducida 6.5. FEM inducida en un máquina de en un máquina de

CCCC

ApB ApBApAp=área del =área del polopolo

plr

plr

ºNA

Appolos

Rotor

2

2p

lrp

lrºN

AAp

polos

Rotor

2

2

lrP

B

lr

PB

rnrV

60

2 rnrV

60

2 nn=Velocidad en =Velocidad en RPM r= radioRPM r= radio

FEM EN UNA ESPIRAFEM EN UNA ESPIRAFEM EN UNA ESPIRAFEM EN UNA ESPIRA VlBE 2 VlBE 2FEM DE INDUCIDA POR FEM DE INDUCIDA POR EL DEVANADO EL DEVANADO COMPLETO DE LA COMPLETO DE LA MÁQUINAMÁQUINA

FEM DE INDUCIDA POR FEM DE INDUCIDA POR EL DEVANADO EL DEVANADO COMPLETO DE LA COMPLETO DE LA MÁQUINAMÁQUINA

NN=nº total de =nº total de espiras espiras aa=nº de =nº de circuitos en circuitos en paraleloparalelo

aVBl

NE2

aVBl

NE2

rP

aV

NE

2r

PaV

NE

2

6.6. Par interno de 6.6. Par interno de una máquina de CCuna máquina de CC

IaNP

TTOTAL

2 I

aNP

TTOTAL

2

aa=nº de circuitos en =nº de circuitos en paralelo paralelo II=Corriente rotor =Corriente rotor (inducido)(inducido)

PAR CREADO POR EL PAR CREADO POR EL DEVANADO DEVANADO COMPLETO DE LA COMPLETO DE LA MÁQUINAMÁQUINA

PAR CREADO POR EL PAR CREADO POR EL DEVANADO DEVANADO COMPLETO DE LA COMPLETO DE LA MÁQUINAMÁQUINA

aI

rlBNTTOTAL 2aI

rlBNTTOTAL 2

NN=nº total de =nº total de espirasespiras

lrP

B

lr

PB

PAR CREADO POR UNA ESPIRAPAR CREADO POR UNA ESPIRAPAR CREADO POR UNA ESPIRAPAR CREADO POR UNA ESPIRA

aI

rlBIrlBT espiraespira 22aI

rlBIrlBT espiraespira 22

IKTTOTAL IKTTOTAL II= Corriente de = Corriente de inducidoinducido

El campo magnético de la máquina de CC puede El campo magnético de la máquina de CC puede generarse mediante imanes permanentes, o con generarse mediante imanes permanentes, o con bobinas alimentadas con CC (caso habitual):bobinas alimentadas con CC (caso habitual):

Según la forma de alimentación de las bobinas se Según la forma de alimentación de las bobinas se tienen 2 tipos de excitación:tienen 2 tipos de excitación:

Excitación independiente:Excitación independiente: la corriente que alimenta al la corriente que alimenta al deva-nado inductor es ajena a la propia máquina, deva-nado inductor es ajena a la propia máquina, procede de una fuente independiente externa.procede de una fuente independiente externa.

Autoexcitación:Autoexcitación: la corriente de excitación en este la corriente de excitación en este caso pro-cede de la propia máquina. Según la forma caso pro-cede de la propia máquina. Según la forma de obtener esta corriente existen 3 tipos diferentes de obtener esta corriente existen 3 tipos diferentes de máquina de CC:de máquina de CC: Excitación SerieExcitación Serie: devanado inductor en serie con el : devanado inductor en serie con el

inducidoinducido Excitación derivaciónExcitación derivación: devanado inductor conectado : devanado inductor conectado

directa-mente a las escobillas, por tanto, en paralelo con directa-mente a las escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido.el inducido.

Excitación compuesta o mixtaExcitación compuesta o mixta: una bobina en serie y la : una bobina en serie y la otra en paralelo. otra en paralelo.

6.7. Formas de 6.7. Formas de excitación Iexcitación I

6.8. La reacción de 6.8. La reacción de inducido Iinducido I

2BlV

-2BlV

E N S

FEM con reacciónde inducido

0 2

2BlV

-2BlV

E N S

FEM con reacciónde inducido

0 2

Al circular corriente Al circular corriente por el inducido se por el inducido se

va a crear un va a crear un campo que campo que

distorsiona el distorsiona el campo creado por campo creado por

los polos los polos inductores de la inductores de la

máquinamáquinaEsta distorsión del Esta distorsión del campo recibe el campo recibe el

nombre de reacción nombre de reacción de inducidode inducido

EFECTOS EFECTOS PRODUCIDOS PRODUCIDOS

POR LA POR LA REACCIÓN REACCIÓN

DE INDUCIDODE INDUCIDO

Desplazamiento de la “Desplazamiento de la “plano o línea neutra”plano o línea neutra” (plano en el que se anula el campo(plano en el que se anula el campo

Disminución del valor global del campo de la Disminución del valor global del campo de la máquinamáquina

DESPLAZAMIENTDESPLAZAMIENTO LÍNEA NEUTRAO LÍNEA NEUTRA

Mulukutla S. Mulukutla S. Sarma: Sarma: Electric Electric machinesmachines

REDUCCIÓN PAR Y REDUCCIÓN PAR Y AUMENTO VELOCIDADAUMENTO VELOCIDAD

6.8. La reacción de 6.8. La reacción de inducido IIinducido II

DesplazamienDesplazamiento de la to de la

““plano o línea plano o línea neutra”neutra”

POLOS DE POLOS DE CONMUTACIÓNCONMUTACIÓN

LOS POLOS DE CONMUTACIÓN LOS POLOS DE CONMUTACIÓN COMPENSAN LOCALMENTE LA REACCIÓN COMPENSAN LOCALMENTE LA REACCIÓN

DE INDUCIDO ELIMINANDO LA DE INDUCIDO ELIMINANDO LA DISTORSIÓN DEL CAMPODISTORSIÓN DEL CAMPO

Disminución Disminución del valor del valor global del global del

campo de la campo de la máquinamáquina

PROBLEMAS PROBLEMAS DURANTE LA DURANTE LA

CONMUTACIÓNCONMUTACIÓN

6.9. La máquina de CC 6.9. La máquina de CC como generador Icomo generador I

Generador con Generador con excitación excitación

independienteindependiente

Ri

LexUex E Ui

InducidoInductor

FEMInducida

IexRex Ri

LexUex E Ui

InducidoInductor

FEMInducida

IexRexSe hace girar el inducido y se Se hace girar el inducido y se

alimenta el inductor. La alimenta el inductor. La tensión de excitación controla tensión de excitación controla

la FEM la FEM EE y, por tanto, la y, por tanto, la

tensión de salida tensión de salida UUii

La tensión de salida crece La tensión de salida crece proporcionalmente con la proporcionalmente con la

velocidad de giro velocidad de giro nn

La relación entre la corriente de excitación y la FEM La relación entre la corriente de excitación y la FEM inducida no es lineal: existe saturacióninducida no es lineal: existe saturación

napN

E60

4 napN

E60

4 nKE nKE

IIRR II11

iex RRIE iex RRIE

IIexex

EECurva de magnetizaciónCurva de magnetización

El generador “arranca” gracias al El generador “arranca” gracias al magnetismo remanente siguiendo un magnetismo remanente siguiendo un

proceso de proceso de AUTOEXCITACIÓNAUTOEXCITACIÓN

6.9. La máquina de CC 6.9. La máquina de CC como generador IIcomo generador II

Ri

Lex

UexE Ui

Inducido Inductor

Rex

I

Ri

Lex

UexE Ui

Inducido Inductor

Rex

I

Generador con Generador con excitación derivaciónexcitación derivación

En la generador en derivación la En la generador en derivación la propia tensión de salida del propia tensión de salida del

generador se utiliza para producir generador se utiliza para producir

la excitación la excitación UUex=ex=UUii

EE

RR

Pto. de Pto. de equilibrioequilibrio

Magnetismo Magnetismo remanenteremanente

RR EE

RR

EE11

EE22

iex

RR RR

EI

iex

RR RR

EI

EE11II11EE

22

Se repite hasta el Se repite hasta el pto. de equilibriopto. de equilibrio