Maquinas corriente continua

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Presentación de PowerPointIntrod. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
Máquinas de Corriente Continua
Jorge Patricio Muñoz Vizhñay
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
Las máquinas de corriente continua (CC o CD) tienen una gran importancia histórica debido a su empleo como generadores o dinamos siendo el primer procedimiento para producir energía eléctrica a gran escala.
Se procuraba producir un tipo de corriente similar a la de las pilas galvánicas.
La corriente alterna, a inicios de 1830 constituía experimentos prácticos sin ningún interés práctico.
Las máquinas de CC son empleadas mayormente como motor.
La ventaja fundamental de los motores de CC frente a los motores de CA es el mayor grado de flexibilidad para el control de la velocidad y par.
Con el avance de la electrónica de potencia, la aplicación de los motores de CC en los cuales mantenía supremacía, se ha ido reduciendo en favor de los motores de CA, cuyo costo de fabricación y mantenimiento es reducido.
El empleo de la dinamo como generador o dinamo esta obsoleto debido a que la corriente alterna presenta ventajas para generación, transporte y distribución de energía eléctrica.
INTRODUCCIÓN
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
Las máquinas eléctricas son convertidores electromecánicos capaces de transformar energía desde un sistema eléctrico a un sistema mecánico o viceversa
MÁQUINAS ELÉCTRICAS
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
MÁQUINAS ELÉCTRICAS
En los motores eléctricos las espiras rotativas del conductor son guiadas mediante la fuerza magnética ejercida por el campo magnético y la corriente eléctrica. Se transforma la energía eléctrica en energía mecánica.      
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Aspectos Constructivos
Núcleo del inducido
Arrollamiento de inducido
Arrollamiento de excitación
Arrollamiento de conmutación
11. – 12. Escobillas
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Aspectos Constructivos
Aisla-miento entre delgas
Aisla-mien-to entre delgas
Colector de delgas
Aislamiento con núcleo
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Aspectos Constructivos
Inductor
Inducido
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Aspectos Constructivos
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Aspectos Constructivos
Corrección de equilibrio dinámico
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Aspectos Constructivos
La Máquina de CC
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Se basan en la Ley de inducción electromagnética de Faraday que indica que "en cualquier conductor que se mueve en el seno del campo magnético se generará una diferencia de potencial entre sus extremos, proporcional a la velocidad de desplazamiento".
Principio de funcionamiento de un generador
MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Principio de funcionamiento
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
La tensión inducida e en un conductor que se desplaza a una velocidad u dentro de un campo magnético B es la siguiente:
MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Principio de funcionamiento
B
u
l
Los electrones son empujados hacia abajo por la fuerza magnética FB hasta que se establece el equilibrio.
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
MÁQUINAS ELÉCTRICAS:
Principio de funcionamiento del generador
Si en lugar de un conductor rectilíneo se introduce una espira con los extremos conectados a una determinada resistencia y se le hace girar en el interior del campo, de forma que varíe el flujo magnético abrazado por la misma, se detectará la aparición de una corriente eléctrica alterna que circula por la resistencia y que cesará en el momento en que se detenga el movimiento.
Principio de funcionamiento de un generador
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
Para que la corriente en la espira tenga un sentido de circulación, es necesario tener un anillo dividido en dos partes (dos segmentos circulares de cobre llamados delgas aislados entre si y montado el conjunto sobre el mismo eje), de esta manera se producirá la conmutación.
Principio de funcionamiento de un generador
MÁQUINAS ELÉCTRICAS:
Espira
Escobillas
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
Para que la corriente en la espira tenga un sentido de circulación, es necesario tener un anillo dividido en dos partes (dos segmentos circulares de cobre llamados delgas aislados entre si y montado el conjunto sobre el mismo eje), de esta manera se producirá la conmutación.
Principio de funcionamiento de un generador
MÁQUINAS ELÉCTRICAS:
Principio de funcionamiento del generador
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
La escobilla A hace siempre contacto solo con la delga a la que va conectado el conductor al lado del polo N; al contrario la escobilla B hace contacto siempre con el conductor que pasa junto al polo S.
Esto significa que la polaridad de las escobillas permanece invariable.
MÁQUINAS ELÉCTRICAS:
A
B
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS:
1 espira + 2 delgas
2 espiras + 4 delgas
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Principio de funcionamiento
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N
S
Inductor es la parte estática o circuito de excitación.
Inducido es la parte giratoria (rotor) que induce una fem en caso generador.
*
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Debe tenerse en cuenta que en cada bobina del arrollamiento se obtiene una fem alterna. En un semiciclo, el flujo concatenado varía entre + φ y – φ (flujo de los polos).
La fem producida en el inducido de la máquina de CC es:
p = número de pares de polos
n = velocidad de rotación en rpm
Φ = flujo concatenado
MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Principio de funcionamiento
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
Las escobillas de la máquina recogen las fem’s inducidas en las distintas bobinas durante un semiperiodo, la fem resultante en el inducido será igual a la suma de las fem medias de las distintas bobinas que componen cada rama en paralelo del devanado.
Si el inducido consta de Z conductores en Z/2 bobinas y esta dividido por las escobillas en 2c circuitos paralelos, se tendrá en
cada rama Z/4c bobinas conectadas en serie, la fem resultante será:
MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Principio de funcionamiento
Corriente eléctrica que fluye a través del conmutador de delgas.
El conmutador invierte la corriente cada media revolución para mantener el torque de la bobina en la misma dirección.
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
Se deduce que la fem puede regularse variando la velocidad del rotor (n) o cambiando el flujo del inductor (φ) mediante el ajuste de la corriente de excitación de los polos.
En los generadores o dínamos, esta fem se obtiene como consecuencia del movimiento del rotor por la acción de la energía mecánica y puede aprovecharse en un circuito exterior conectando una resistencia de carga que hará circular una corriente de inducido.
MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Principio de funcionamiento
El torque del motor es proporcional al campo magnético B.
El campo magnético B esta dirigido del polo norte al polo sur.
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
En los motores el giro de la máquina es el resultado de la interacción del flujo del inductor con las corrientes del inducido al conectar éste a una red de CC lo que provoca una fem de reacción en el rotor que se opone al sentido de la corriente y se denomina fcem.
MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Principio de funcionamiento
El torque del motor es proporcional al campo magnético B.
El campo magnético B esta dirigido del polo norte al polo sur.
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Fuerza Magnética
El campo magnético es definido por la ley de Lorentz, y específicamente por la fuerza magnética de una carga en movimiento. Las implicaciones de esta expresión incluyen:
La fuerza F es perpendicular a la corriente I y al campo magnético B.
2. La magnitud de la fuerza es F = IlBsenl B   donde el ángulo l B es el ángulo < 180º entre la longitud de espira y el campo magnético. Esto implica que la fuerza magnética de una corriente paralela al campo magnético es nula.
3. La dirección de la fuerza está dada por la regla de la mano derecha.
MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Principio de funcionamiento
I
F
B
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Sea que funcione como generador o motor, el paso de una corriente continua por los conductores del inducido provoca en el rotor un par electromagnético resistente para el trabajo como generador y de carácter motor cuando mueve una carga mecánica.
La fuerza media resultante en cada conductor será:
MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Principio de funcionamiento
Fuerza magnética
I
F
B
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La fuerza media resultante en cada conductor, de acuerdo a la Ley de Laplace, será:
La fuerza en sentido tangencial al rotor puede expresarse el par de la máquina de la siguiente manera:
MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Principio de funcionamiento
Torque = fuerza x brazo palanca
T = (ILB) sen θ x 2 lados
T = ILBW sen θ = I B A sen θ
También puede expresarse en función de la fem del inducido.
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El numerador de la expresión anterior representa la potencia electromagnética (Pa) que se aplica a la máquina (régimen generador) o que se extrae de ella (régimen motor).
MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Principio de funcionamiento
Torque = fuerza x brazo palanca
T = (ILB) sen θ x 2 lados
T = ILBW sen θ = I B A sen θ
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Generador
Fuerza Electromotriz Generada
Partiendo de una máquina de dos polos (p = 1) y dos ramas en paralelo o vías (c = 2) cuyo esquema se presenta en la figura siguiente.
La fem generada se obtiene de la fórmula en función de los diversos parámetros de la máquina.
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Generador
Siendo la máquina movida por un motor primario en sentido contrario a las ajugas del reloj, se producen fem en los conductores.
Al conectar una resistencia de carga entre las escobillas aparecen corrientes en el inducido, que al reaccionar con el campo magnético del inductor provocan un par electromagnético que se opone a la rotación y que tiene el carácter de resistente respecto a la acción del motor primario.
El par motor ha de ser suficiente para equilibrar el par resistente.
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Motor
La máquina funcionando como motor se debe aplicar una tensión CC de alimentación, que provoca una corriente de circulación por los conductores del inducido. La interacción de estas corrientes con el flujo inductor origina un par de rotación en sentido contrario a las agujas del reloj que obliga a girar a la máquina. De esta manera aparece una fem en el inducido.
La fem engendrada se opone a la corriente que circula por los conductores recibiendo el nombre de fcem.
El movimiento se mantendrá en tanto que el par electromagnético sea mayor al par resistente ejercido por la carga mecánica.
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Reacción de inducido
Cuando se cierra el circuito del inducido sobre una resistencia de carga aparece una corriente por el rotor que da lugar a una fmm que combinada con la del estator producen un flujo resultante en el entrehierro de la máquina.
Se conoce como reacción del inducido al efecto que ejerce la fmm del inducido sobre la fmm del inductor, y que hace variar la forma y magnitud del flujo en el entrehierro respecto a los valores que la máquina presenta en vacío.
La máquina en vacío solamente actúa Fe.
Fe
Fi
Fe = fmm del inductor
Fi = fmm del inducido
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Reacción de inducido
Campo magnético del inductor
Campo magnético del inducido
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Reacción de inducido
Cuando la máquina trabaja en vacío actúa solamente la excitación de los polos y la distribución de campo magnético en el entrehierro es constante hasta hacerse cero en la línea neutra.
Se observa claramente el desplazamiento de la línea neutra debido a la reacción del inducido.
En vacío, la línea neutra magnética coincide con la línea neutra geométrica.
Fe
Fi
Fd
Ft
n
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Reacción de inducido
La máquina presentará una fmm de reacción del inducido Fi que coincide con el eje de las escobillas .
Esta Fi puede descomponerse en dos partes: a) una longitudinal o de eje directo Fd que tiene carácter de desmagnetizante o antagonista oponiéndose a la fmm de excitación Fe, puede considerarse ésta producida por los conductores comprendida en el ángulo 2α; y, b) otra componente transversal Ft producida por los demás conductores agrupados abarcando 180o - 2α (grados eléctricos).
Fe
Fi
Fd
Ft
n
α
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Reacción de inducido
Cuando circula corriente por el inducido y la máquina funciona como generador la línea neutra magnética se adelanta un ángulo α respecto al sentido de giro.
En caso de funcionamiento como motor, la línea neutra magnética se retrasa respecto a la geométrica.
El desplazamiento de la línea neutra magnética lleva consigo un fuerte chisporroteo en el colector, ya que pondrá en cortocircuito una sección del devanado.
Para evitar este fenómeno se debe desplazar las escobillas hasta encontrar la línea neutra real.
Se debe adelantar las escobillas cuando la máquina trabaja como generador y retrasar cuando trabaja como motor.
Fe
Fi
Fd
Ft
n
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Reacción de inducido
Para eliminar el desplazamiento de la línea neutra geométrica con las variaciones de carga y asegurar una mejor conmutación, se emplean los llamados polos auxiliares (interpolos o polos de conmutación) que se colocan en la línea neutra teórica, provistos de un devanado en serie con el inducido.
El devanado de conmutación produce un campo magnético opuesto al de la reacción transversal del inducido.
Esquema del Motor de CC
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Reacción de inducido
INCONVENIENTES
Disminuye indirectamente el rendimiento (hay que aumentar la corriente de excitación para compensar el efecto de la fem.
Crea peligro de chispas en el colector.
Aumenta las dificiltades para realizar una buena conmutación.
Esquema del Motor de CC
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Conmutación
Una buena conmutación debe realizarse sin la formación de chispas en el colector.
El chisporroteo entre escobillas y el colector obedece a causas mecánicas y eléctricas.
Las mecánicas por defecto en el ajuste de las escobillas con el colector, resalte de alguna delga, desequilibrio del rotor. Las causas eléctricas están la elevación de tensión entre delgas adyacentes que en especial puede ser provocada por los fenómenos de autoinducción del arrollamiento del inducido (conexión y desconexión de este arrollamiento).
Esquema del Motor de CC
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS
Motor
Generador
Conversión de Energía Mecánica en Energía Eléctrica
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS
Potencia eléctrica consumida (Pe)
ROTOR
Pérdidas en el cobre del rotor
(inducido)
(inductor)
Re * Ie2
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MÁQUINAS ELÉCTRICAS: Aspectos generales
Desde el punto de vista de comportamiento y condiciones de trabajo, tiene una gran importancia la forma en que se conectan entre si los devanados inductor e inducido. Se puede tener:
Máquinas con excitación independiente, el devanado inductor es alimentado mediante una fuente de alimentación externa a la máquina.
Máquinas autoexitadas, las que la máquina se excita a si misma tomando la corriente inductora del propio inducido (funcionamiento generador) o de la misma red de alimentación al inducido (funcionamiento motor).
Esquema del Motor de CC
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Generador Excitación Independiente
Motor Excitación Independiente
Ii
V
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Generador Excitación Independiente
Motor Excitación Independiente
Se emplea la máquina en casos especiales.
Se dispone de una resistencia en serie con el inductor para regular la corriente de excitación.
La fem generada será:
La fem generada para otra velocidad:
Aplicando estas relaciones se puede deducir la curva de vacío a otra velocidad n’ presentada en la figura izquierda de la lámina anterior.
Si no se considera la reacción del inducido, la fem generada E será constante y la variación de tensión en bornes será:
En la figura derecha puede observarse cada una de las caídas de tensión según la expresión anterior (reacción del inducido, caída de tensión en el inducido y escobillas).
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Generador Excitación Serie
V
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El inductor e inducido están conectados en serie.
Cuando la máquina esta en vacío, al ser Ie = I = Ii = 0, se obtiene una fem pequeña que se debe al magnetismo remanente del inductor.
Con una carga pequeña (alto valor de resistencia) y pequeña corriente de inducido, la máquina no podría autoexcitarse.
La curva de vacío puede obtenerse de manera similar que una máquina de excitación independiente.
Para una corriente de inducido OA, se genera una fem AC y la correspondiente tensión AB.
La diferencia BC representa la caída de tensión por la reacción del inducido, resistencia de inducido y contacto de escobillas.
La tensión en la carga varía bruscamente con la variación de ésta carga.
Generador Excitación Serie
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Generador Excitación Paralelo (shunt)
Rp
V
Introd. A la Electrónica de Potencia Curso 20010/11 Universitat de València
Generador Excitación Paralelo (shunt)
El inductor esta conectado en paralelo con el inducido y la excitación puede regularse insertando un reóstato en serie con éste bobinado inductor (Re es la resistencia total del circuito de excitación).
Rp representa la resistencia del devanado inductor.
Con la corriente de excitación Ie = 0 se produce una fem ER debido al magnetismo remanente en los polos (figura izquierda lámina anterior).
La fem engendrada corresponde al punto P, solución común a la curva de vacío y a la recta del inductor.
Cuando la fem alcance el punto P no habrá ningún aumento posterior de la corriente Ie, la fem deja de aumentar y este punto P determina los valores finales tanto de la tensión de vacío (fem) como de la corriente de excitación, cumpliéndose en este punto:
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Generador Excitación Paralelo (shunt)
En la figura de la derecha se muestra la característica externa de un generador shunt en comparación con un generador con excitación independiente. Debiendo considerarse la caída de tensión producida por las escobillas, resistencia del inducido y su reacción, con la disminución correspondiente en la corriente de excitación.
Este tipo de generador es el más utilizado y en los límites de carga normales no presenta caídas de tensión elevadas.
Variando la resistencia del reóstato de excitación puede ajustarse la tensión…