Curso: Ingeniería Mecánica Máquinas de Corriente Continua

UNIVERSIDAD NACIONAL

DE MAR DEL PLATA

Máquinas Eléctricas (342)

Curso: Ingeniería Mecánica

Prof. Justo José Roberts

Máquinas de

Corriente Continua(Parte 2)

Generador de CC

Introducción

© Justo José Roberts FI-UNMdP (2019) 2

Parte 1• Aspectos constructivos de las máquinas de corriente continua.

• Principio de funcionamiento como motor y generador.

• Excitación.

• Ecuación general del motor y generador.

• Reacción de inducido, consecuencias.

• Conmutación.

Parte 2• Generador de Corriente Continua.

➢ Curvas características de los generadores de excitación independiente,

derivación, serie y compuesta.

➢ Característica magnética, en vacío, en carga, externa y de regulación.

Parte 3• Motor de Corriente Continua.

➢ Corriente de arranque.

➢ Momento resistente y de rotación.

➢ Curvas características de motores de excitación independiente, derivación, serie

y compuesta.

➢ Variación de velocidad.

➢ Sistema Ward-Leonard.

➢ Inversión de marcha.

➢ Frenado.

Generador de CC

Aspectos Generales


Principio de Reversibilidad:

Todas las máquinas eléctricas rotativas son reversibles ➔ pueden

funcionar como motor y como generador.

Sistema

Eléctrico

CC

Sistema

Mecánico

Máquina

Eléctrica

ROTATIVA

Motor de CC

Peléctrica CC Pmecánica

Generador de CC

Peléctrica CC Pmecánica

Sistema

Eléctrico

CC

Sistema

Mecánico

Máquina

Eléctrica

ROTATIVA

Los mismos principios son aplicables al funcionamiento de la

máquina como generador y como motor, sin embargo:

Generador CCn ≈ cte (máquina motriz)

U, Iex ➔ variablesMotor CC

U = cte (red)

n, Iex ➔ variables

Generador de CC

Aspectos Generales


Esquema simplificado máquina de 2 polos y 2 delgas:

Arrollamiento de

excitación

Corriente de

excitación

Escobillas

Conmutador o

colector

Bobina de

inducido

i

i

i

i

D

C

A B


El devanado del inductor es alimentado por una corriente de excitación, Ie

Se origina un flujo magnético uniforme en el entrehierro, Φ

El inducido gira a n rpm impulsado por máquina motriz del campo

magnético

Se induce una f.e.m. alterna en las bobinas del inducido

Por acción del conmutador (escobillas+colector), se rectifica la onda de

tensión alterna para obtener una f.e.m. contínua E, en vacío.

1E K n=

Al conectar una carga, aparece una corriente Ii que provoca una caída de

tensión en el inducido por resistencias del devanado Ri y por contacto

escobillas-collector Vesc

i i escE V R I V= + +

Generador de CC

Aspectos Generales


Circuito equivalente:

Generador de CC

Aspectos Generales

INDUCIDO

(rotor)

CA

RG

AiI

E escV V

iR

eI

eV

INDUCTOR

(estator)

eR

n

Potencia

mecánica


Balance energético:

i i escE V R I V= + +

e e eV R I=Inductor ➔

Inducido➔

Generador de CC

Aspectos Generales



2

i i i i esc iEI VI R I V I= + +

Multiplicando por Ii:

Balance de potencias:

2 iP VI= ➔ Potencia eléctrica suministrada por el generador.

2

Cui i iP R I= ➔ Pérdidas en el cobre del inducido.

➔ Pérdidas en los contactos de las escobillas.

➔ Potencia electromagnéticas desarrollada.

esc esc iP V I=

a iP EI=

2a Cui escP P P P= + +

Generador de CC

Aspectos Generales



1 exc m Fe aP P P P P= + + +

Lo potencia mecánica de entrada

donde,

2

exc e e e eP V I I R= = ➔ Pérdidas en el cobre del estator.

mP ➔ Pérdidas mecánicas (roce, ventilación).

➔ Pérdidas en el hierro (sólo en el rotor).FeP

Generador de CC

Aspectos Generales


Lo

po

ten

cia

mec

án

ica

de e

ntr

ad

a

FePmP

excP

escP CuiP

1P a iP EI=Lo potencia

eléctrica de

salida

2 iP VI=

2

1

P

P =

Válido para

máquinas

autoexcitadas

Generador de CC

Aspectos Generales


Generador de CC

Tipos de Excitación del Campo


Excitación

Separada

Excitación independiente

Excitación propia

Excitación

Independiente

(Autoexcitadas)

Excitación serie

Excitación derivación

Excitación compuestaCorta

Larga


Excitación Separada

Excitación independiente:

La corriente de excitación está

provista por una fuente de CC

ajena a la máquina (por

ejemplo una batería de

acumuladores o un

rectificador).

Excitación propia:

Se reemplaza la fuente externa

por una máquina de CC

acoplada al eje de la máquina

principal. Se la denomina

“excitatriz”.

iI

eI

iI

eI

e iI I

iI I=

Generador de CC



Máquinas Autoexcitadas

Excitación serie:

El bobinado del inductor está conectado en serie con el

bobinado del inducido ➔ pocas espiras de alambre grueso ➔

circulado por la corriente de carga.

iI

eI

e iI I I= =

Generador de CC




Excitación derivación (shunt):

El bobinado del inductor está conectado en paralelo

(derivación) con el bobinado del inducido ➔ muchas espiras

de alambre fino ➔ circulado por corriente de baja

intensidad.

eI

i eI I I= +

iI

I

Generador de CC




Excitación compuesta (compound): repartida en 2 devanados

• Serie (de pocas espiras)

• Derivación (de muchas espiras)

➢ Corta ➔ conectado a los bornes de inducido, antes

del devanado serie.

➢ Larga ➔ conectado a los terminales de la máquina,

después del devanado serie.

eI iI

Corta derivación

Larga derivación

I

i eI I I= +

Generador de CC



Principio de Autoexcitación• Fenómeno descubierto por W. Siemens en el año 1869, constituye el

fundamento del desarrollo industrial de la máquina de CC.

• Se basa en el magnetismo remanente de los polos.

1

2A

B

+

+

-

-

z n

N

S

eIMagnetismo

remanente

Generador de CC



Principio de Autoexcitación

1) Los conductores al pasar bajo el

magnetismo remanente (Φ) sentido

N-S ➔ se induce una pequeña f.e.m

(E)➔ circula una pequeña corriente

por la bobina del inductor (Ie).

2) Si los devanados deben estar

conectados adecuadamente➔ la

corriente genera un campo que

refuerza el campo remanente.

3) Los conductores cortan un campo más

intenso (Φ) ➔ inducirá una f.e.m.

mayor (E) ➔ una corriente mayor

(Ie)➔ así sucesivamente hasta

saturación del circuito magnético ➔

régimen de funcionamiento estable.

1

2A

B

+

+

-

-

z n

N

S

eI

eI

Generador de CC



Principio de AutoexcitaciónCondiciones necesarias:

1) Deben concordar el sentido del flujo del

arrollamiento excitador con el del magnetismo

remanente.

2) Debe haber concordancia entre el

magnetismo remanente, el sentido de giro y

el sentido del arrollamiento de los polos

inductores.

Causas de no excitación (no se “ceba”):

a) Falta de magnetismo remanente.

b) Falta de concordancia entre los elementos mencionados en 2).

c) En algunas conexiones (derivación) por cortocircuito exterior.

d) Falso contacto en las escobillas (poca presión de contacto).

Generador de CC


Generador de CC

Características de Servicio


Curvas características:• Se estudian las propiedades de las máquinas de CC utilizando

curvas características➔ establecen la dependencia entre magnitudes

de interés.

• Cada tipo de excitación ➔ define el comportamiento de la máquina y

sus curvas características.

• El funcionamiento de la máquina de CC depende de 4 variables:

n➔ velocidad de rotación

Ie ➔ corriente de excitación

V ➔ tensión en bornes

Ii ➔ corriente del inducido

Tomando una como constante, otra

como parámetro, otro como variable y

otra como función

Familia de curvas (características)


Curvas características:

Característica Función Variable Parámetro Constante

De VacíoE Ie Ii = 0

n

En CargaV Ie Ii

ExternaV Ii Ie

RegulaciónIe Ii V

( )eE f I=

( )e iI f I=

( )eV f I=

Generador de CC

Características de Servicio

( )iV f I=


( )eE f I=

.n cte=

. 0iI cte= =

Curva de

vacío

Recta de resistencia

de inductore

e

ER

I = =

Característica del inductor

Característica en vacío

+Punto común

“P”

Generador de CC

Excitación DERIVACIÓN

► Característica de VACÍO

Ri

IeRe

E V

Inducido Inductor

IiI


( )eE f I=

.n cte=

. 0iI cte= =

Curva de

vacío


de inductor

• La corriente de excitación Ie aumentará

cuando:

f.e.m. del

inducido (E)

Tensión del circuito

derivación (IeRe)>

• En el equilibrio (punto P) éstas se

igualan, y se obtiene la tensión de

régimen.

Generador de CC



Ri

IeRe

E V

Inducido Inductor

IiI


( )eE f I=

.n cte=

. 0iI cte= =

Curva de

vacío


de inductor

Resistencia Crítica ➔ resistencia límite más

allá de la cual la máquina no se excita.

e crR R

Generador de CC



Ri

IeRe

E V

Inducido Inductor

IiI


► Característica en CARGA

.n cte=

.iI cte=

( )eV f I=

► Característica deREGULACIÓN

.n cte=

.U cte=

( )e iI f I=

Para obtener tensión

constante a medida que

aumenta la carga ➔ se

debe aumentar la

excitación.

Generador de CC


eI

i i escAB R I V= +

EV

i i escAB R I V= +

E f.e.m. en carga

V tensión bornes

E0 característica en vacío

BC reacción inducido=

0 ; 0eV I=

O-m excitación necesaria

para que circule corriente

com V=0.

A-m excitación necesaria

vencer la reacción del

inducido


➢ Máquina real: dado que está alimentada

por la tensión en bornes del inducido:

• Presenta una variación de tensión

terminal superior a la máquina de

excitación independiente ➔ al

adicionar caída por Ri, Ves y reacción

del inducido➔ provoca una

disminución correspondiente de la

corriente de excitación.

.n cte=

.eI cte=( )iV f I=

i i escV E R I V= − −

i eI I I= +

Generador de CC


► Característica EXTERNA

Ri

IeRe

E V

Inducido Inductor

IiI

Excitación

independiente

Excitación

derivación

1. Marcelo A. Sobrevila. Ingeniería de la Energía Eléctrica - Libro II. Buenos

Aires: Marymar, 1985.

2. Jesús Fraile Mora. Máquinas Eléctricas. España: Mc Graw Hill, 2003.

3. M. Cortés Cherta. Curso moderno de máquinas eléctricas rotativas, tomo

II: Máquinas de corriente continua. Barcelona: ETA, 1972.

4. http://www.tuveras.com/maquinaselectricas.htm

Generador de CC

Referencias


http://www.tuveras.com/maquinaselectricas.htm

Generador de CC

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