Máquinas de Corriente Continua

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MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA 1 y 2 CONSTITUCIÓN, PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO, ECUACIONES BÁSICAS, CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIETO MOTORES Y ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS 1

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TEORÍA DE MÁQUINAS Y CIRCUITOS DE CC. INGENIERÍA INDUSTRIAL.

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  • MQUINASDECORRIENTECONTINUA1y2

    CONSTITUCIN,PRINCIPIODEFUNCIONAMIENTO,ECUACIONESBSICAS,CARACTERSTICASDEFUNCIONAMIETO

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 1

  • Principiodefuncionamiento

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 2

    N

    S

    Eje directo

    Eje en cuadratura

    Elfuncionamientocomomotorsebasaenlafuerzaqueapareceporlainteraccinentrelosconductoresdelrotoryelcampomagnticocreadoporlospolosprincipales.Elfuncionamientocomogeneradorsebasaenlaf.e.m.inducidaenlosconductoresdelrotoralmoverseenelsenodelcampomagnticocreadoporlospolosprincipales.Tantocuandofuncionacomomotorcomocuandolohacecomogeneradorambosefectosaparecensimultneamente.

  • ELEMENTOSBSICOS

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 3

    Partefijaoesttor(inductor) 1.Carcasaoenvolventemecnica(norepresentada) 2.Culata 3.Polosprincipales 4.Ncleospolares. 5.Zapataoexpansinpolar. 6.Devanado/sinductor/es. 7.Polosauxiliaresodeconmutacin. 8.Arrollamientodelospolosauxiliares. 9.Escobillas 10.Devanadodecompensacin. Partemvilorotor(Inducido) 10.Arrollamientodelinducido. 11.Colectordedelgas(conmutador).

  • ElementosdelamquinadeC.C.

    EsttoroInductor: Eslapartedelamquinadestinadaaproducirelcampomagnticoprincipal,necesarioparaqueseoriginenlasfuerzasmecnicasylasf.e.m inducidasenrotor(inducido).Formadoporunacoronadematerialferromagnticodenominadaculata oyugo.Ensuinterior,regularmentedistribuidosyennmeropar,vandispuestosunossalientesradialesconunaexpansinensuextremo,denominadospolos,sujetosmediantetornillosalaculata.Rodeandolospolossehallanunasbobinasdehilo,opletinadecobreaisladocuyamisines,alseralimentadas,crearelcampomagnticoinductor,elcualpresentaralternativamentepolaridadesnorteysur.Salvolasmquinasdepotenciareducida(demenosde1kW)encontramostambinenelesttor,alternandoconlospolosprincipales,otrosdemenortamaollamadospolos deconmutacin.

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 4

  • ElementosdelamquinadeC.C.Elesttorconstadelaspartessiguientes: Culata: eslapartedelcircuitomagnticofijonorodeadapordevanadosydestinadaaunirlospolosdelamquina.

    Piezapolaropolo: eslapartedelcircuitomagnticosituadaentrelaculatayelentrehierro,incluyendoelncleoylaexpansinpolar.

    Ncleo: Eslapartedelcircuitomagnticorodeadaporeldevanadoinductor. Devanadoinductor: eselconjuntodeespirasdestinadoaproducirelflujomagnticoprincipal.

    Expansinpolar: eslapartedelapiezapolarmsprximaalinducidoycuyamisinesaumentarlazonadestebaadaporelcampoinductor.

    Poloauxiliarodeconmutacin: Esunpolomagnticosuplementariodestinadoamejorarlaconmutacin.Suelenemplearseenlasmquinasdemedianaygranpotencia.

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 5

  • ElementosdelamquinadeC.C.

    RotoroInducido: Eslapartedelamquinaenlaquesealojanlosconductoresdelinducidoydestinada,porlotanto,aproducirelparylaf.e.m.inducidos.Formadoporunejedeacero quesesoportaaunacoronacilndricadematerialferromagntico formadaabasedechapasdehierroalsilicio,aisladasunasdelasotrasporunacapadebarnizodexido. Lacoronade chapamagnticapresentaensusuperficieexternaun ranurado dondesealojaeldevanadoinducidodelamquina.Estedevanadoestaconstituidoporbobinasdehiloodepletinadecobreconvenientementeaislados,cerradosobresmismoalconectarelfinaldelaltimabobinaconelprincipiodelaprimera.

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 6

  • ElementosdelamquinadeC.C.Elinducidoconstadelassiguientespartes:

    Ncleodelinducido: eslapiezacilndricamontadasobreelcuerpo(oestrella)fijadoaleje,yconstruidoabasedechapasmagnticas.Disponedeunasranurasparaalojareldevanadoinducido.

    Devanadoinducido: eselconjuntodebobinasalojadasenlasranurasdelrotor yresponsableprincipaldelaconversinelectromecnicadeenergaensuinteraccinconelcampoinductor.

    Colector: esunconjuntodelminasdecobre(delgas),deseccintrapezoidalyaisladasunasdeotrasqueformanuntubocilndricosolidarioalejedelamquina.Elcolectortienetantasdelgascomobobinasposeeeldevanadoinducidodelamquina.

    Escobillas: piezasrelativamenteblandasdecarbn,grafitoometalgrafitado que,untoconelcolector,establecenlaconexinelctrica, porcontactodeslizante, entreelinducidoyelcircuitodecorrientecontinuaexterior.

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 7

  • ElementosdelamquinadeC.C.

    Entrehierro Eselespaciodeaireentrelasexpansionespolaresyelrotor.Debetenerunespesorsuficienteparaevitarelrozamiento,aunquecuantomsbajoseastemenorreluctanciatendrelcircuitomagnticoy,porlotanto,mayorflujoparaunamismaf.m.m..Enmquinasgrandessueleserdevariosmmyenpequeasde1mmoinclusomenos.Cojinetes Sonlaspiezasquesirvendeapoyoyfijacindelejedelinducidoalacarcasa(tapas)alavezqueminimizanelrozamientoentreellos.

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 8

  • ElementosdelamquinadeC.C.

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 9

  • Funcionamientodelamquinadec.c.

    Elfuncionamientobsicoseexplicasuponiendounaespirarectangular,quepuedegirarsobresuejelongitudinal,inmersaenelsenodeuncampomagnticoconstanteyuniforme.Cuandolaespiragiraseinduceenellaunaf.e.m.y,siestrecorridaporunacorriente,lainteraccinentrestayelcampooriginaunafuerza(fuerzadeLorentz),yporlotantounpar,quetiendeahacergirarlaespira.

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 10

  • Colectoryescobillas Paraqueelpartengasiempreelmismosentido,esnecesarioqueelsentidodelacorrientedelosconductoresquepasandelantedecadapolomagnticoseasiempreelmismo.Paraello,laconexinelctricadecadaespiraalcircuitoexteriorserealizamediantedelgasenlosterminalesdecadabobinayescobillas.EstoobligaaqueencadaespiraseinviertalapolaridaddelacorrienteencadacicloN Sdelcampomagntico.Aestefenmenoseledenominaconmutacin.Cuantomayorseaelndebobinasydedelgasmenoreselrizadodelaf.e.m.generadaymsconstanteelpar.

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 11

  • Tiposdebobinados

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 12

    Devanadoimbricado

    Devanadoondulado

  • Colectoryescobillas

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 13

    Ejemplodedevanadoimbricadodelrotordeunamquinadec.c.decuatropolosy,porlotanto,dosparesdeescobillas.Todoslosconductoresenfrentadosaunmisopoloestnrecorridosporcorrienteenelmismosentido.Cadavezqueunaespiratieneasusdosconductoresactivossobrelalneaneutradebeinvertirselacorrienteendichaespira.

  • Reversibilidaddelfuncionamientodelamquinadec.c.:Generador

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 14

    Cuandofuncionacomogenerador(dinamo),esunmotorprimarioelquehacegiraralrotorenelsenodelcampomagnticoinductor.Enelinducidosegeneraunvoltajeque,alseraplicadoalcircuitoexterior(cargaelctrica),provocalacirculacindeunacorrienteunidireccionalmedianteelconjuntocolectorescobillas.Elparelectromagnticointernoseoponealsentidodelmovimiento.

  • Reversibilidaddelfuncionamientodelamquinadec.c.:MotorCuandofuncionacomomotor,unafuenteelctricaexternaalimentaalinducidomedianteelconjuntocolectorescobillasparaproducirelparmotorunidireccionalnecesarioparamoverlacarga(mecnica).Enelinducidosegeneraunafuerzacontraelectromotriz(f.c.e.m.)queseoponealvoltajeaplicado.

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 15

  • Reaccindelinducido

    Fuerzasmagnetomotricesycamposmagnticosdelinductoreinducido

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  • ReaccindelinducidoElcampoquerealmenteexisteenelentrehierrodelamquinaeselresultantedelosdosanteriores.Enausenciadesaturacinpodraaplicarselahiptesisdelinealidadysumarlasinduccionesdecadaunodeellosparaobtenerlatotal.Deestemodo,lainduccinmediafrenteacadapolonovariaraporlareaccindelinducido.Sinembargo,estonormalmentenoesvlidoyenlaszonasdondesesumanlasf.m.m.lainduccinresultanteesmenorquelasumadelaspartes.Porestemotivolainduccinmediafrentealospolosesmenorenpresenciadelfenmenodereaccindelinducidoqueenausenciadel.Aestoesaloquesedenominareaccinlongitudinaldelinducido.Otraconsecuenciaeselquesedesplazalalneaneutramagnticaconrespectoalageomtrica,dandolugaraloquesedenominareaccintransversaldelinducido.

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  • Reaccindelinducido

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 18

  • Reaccindelinducido

    Paracontrarrestarlareaccintransversaldelinducidoseintroducenunospolosenlalneaneutra,denominadospolosauxiliares.

    Paracontrarrestarlareaccinlongitudinaldelinducidosepracticanunasranurasenlospolosprincipalesdestinadasaalojaraldenominadodevanadodecompensacin.

    Ambosdevanadossealimentanenserieconelinducidoparaqueas,alestarrecorridosporlamismacorrientequeste,contrarrestensusefectosenlamismamedidaenqueseproducen.

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 19

  • ElfenmenodelaconmutacinEnelmomentoenqueunabobinapasaporlalneaneutra,hadecambiarelsentidodelacorrienteenellaparaque,comoyasehacomentado,elparsemantengaenelmismosentido.Laecuacindelabobinaindicaquelatensinenbornasdelamismaesproporcionalaladerivadadelflujoquelaatraviesa.Esteflujoeseldebidoalacorrienteenlapropiabobinamseldebidoalcamporesultanteenelentrehierro.Esteltimoesmximoenelmomentodelaconmutacin(pasoporlalneaneutra)ysuderivada,porlotanto,mnima(ceroidealmente).Sinembargo,shabraqueconsiderarelflujodebidoalareaccintransversaldelinducidoyalasinductanciasmutuasentrebobinasdelpropioinducido.

    ;

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 20

  • Conmutacin

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 21

  • Conmutacin

    DeacuerdoconlaLeydeLenz,estasf.e.m.seoponenalcambiodecorrienteprovocandounaconmutacinnolineal.

    Sielcambiodecorrienteesbrusco,laelevadatensin(impulsodetensin)originadaenlabobinaqueconmutaproduceunachispaporlarupturadelarigidezdielctricadelaireentredelgas.

    Elproblemaesanmayorsilaconmutacinseforzarafueradelalneaneutrayaqueseaadiraelefectodebidoalflujoexterno.

    Unamalaconmutacinprovocachispasenelcolectoraumentandoeldesgastedelcolectorylasescobillas

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  • Problemadelaconmutacin:soluciones

    Polosauxiliaresodeconmutacin:Seutilizansloenmquinasdetamaomedioogrande(desdealgunoscientosdevatios).Sufuncinescontrarrestarlaosefectosdelareaccindelinducidoycrearuncamposuficienteparacompensarlatensindereactancia(deautoinduccin)delabobinaenconmutacin.

    Secolocanentrelospolosprincipales,enlalneaneutrageomtrica.Enalgunasocasionesseutilizabanportaescobillas desplazablesparaajustaraojosuposicinhastaeliminarelchisporroteoenelcolector.Lomaloesquelaposicinptimadependedelacarga.

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 23

  • Ecuacionesbsicasdelamquinadec.c.:f.e.m.F.e.m.enunconductor: ;

    Paraelconjuntodelinducido,conz conductoresya caminosenparalelo:

    Expresandolainduccinenfuncindelflujo:

    ;

    Elreadecadapoloser:

    ;

    Y lainduccin,porlotanto:

    Lavelocidadlinealdelosconductores:

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 24

    Resulta,finalmente:

    2

    2

    60

    60

    Definiendolaconstante,caractersticadelamquina:

    60

  • Ecuacionesbsicasdelamquinadec.c.:parElparcreadoporunconductordelrotorvaldr:

    Lacorrientedeunconductor,enuninducidoconacaminosenparalelo:

    Elpardebidoaloszconductores:

    2

    Porlotanto:

    2

    Definiendounaconstantecaractersticadelamquina

    2

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  • Circuitoequivalente

    2 Tpicamente:

    0.12 2

    Despejandolavelocidad:

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  • Formasdeconexin(excitacin)delamquinadec.c. Excitacinindependiente. Excitacinparalela,derivacinoshunt.

    Excitacinserie. Excitacincompuestaocompound.Tienendosdevanados,unoenserieyotroenparalelooindependiente.

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 27

  • Motordeexcitacinindependiente

    Enelcircuitodelinducidotendremos: 2

    Yasehavistoque:

    Elfuncionamientodelmotorseestudiamediantelassiguientescurvascaractersticas: caractersticadepar caractersticadevelocidad caractersticamecnica

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  • Caractersticadepar:

    Elpares,aexcitacinconstante,proporcionalalacorrientedelinducido.

    Silamquinanoestcompensada,esdecir,sicarecededevanadosdecompensacin,amedidaqueaumentalaintensidaddisminuyeelflujo, loqueprovocaunadisminucindelpar(curvadiscontinua).

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 29

  • Caractersticadevelocidad:

    2

    2

    Enmquinasnocompensadaslavelocidadcaemenosdebidoaladisminucindelflujo(lneadiscontinua).Conelrotorenreposo:

    2

    Puestoquelaresistenciadelcircuitoprincipalhadeserbajalaintensidaddebloqueoesmuyalta.Estamquinanosedebealimentaratensinnominalcuandoseencuentraparada.

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 30

  • Caractersticamecnica:

    2

    2

    2

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 31

  • Caractersticamecnica.Estabilidad Cuantomenor(msnegativa)sealapendientedelacaractersticamecnica,msestableserlamquina.Lacondicindeestabilidades:

    Elparmotordebeaumentaraldisminuirlavelocidadmsdeloquelohaceelparresistente

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 32

    , :

    , ;

  • Mquinadeexcitacinserie

    Lospolosprincipalesestnenserieconelcircuitodelinducido.

    Eldevanadodeexcitacinconstadepocasespirasfabricadasconconductoresdeelevadaseccinlaatravsdeellos.

    Cuandolacorrienteesaltalamquinasaturayelflujodejadeserproporcionalaella.

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 33

  • Caractersticadepar:

    Intensidadesbajas:

    Intensidadesaltas:

    T C I

    C ITI

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  • Caractersticadevelocidad:

    Intensidadesbajas:

    (ecuacindeunahiprbola) Intensidadesaltas:

    (ecuacindeunarecta)

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 35

    n

    I

  • Caractersticamecnica:

    Intensidadesbajas:

    Enestetramolacurvaessimilaraunahiprbola(conunacurvaturamsexagerada) Intensidadesaltas:

    (ecuacindeunarecta)

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    T

    n

  • Problemadeaplicacin(1)

    P1.Unmotordecorrientecontinuadevaloresnominales:P=10hp(1hp=746W),220V,1000r.p.m.,excitacinderivacin(Rex =100)yresistenciatotaldelcircuitodelinducido,Rind =0,4,tieneunrendimientoglobalacarganominaldel85%.Sepide:1.1Valoresnominalesdecorriente,partilyparelectromagntico.1.2Suponiendoquemueveunacargadeparresistenteproporcionalalavelocidad,quresistenciahabrqueaadirenserieconelinducidoparareducirlavelocidada500r.p.m.?.calcularelnuevorendimiento.1.3Suponiendoqueelmotorseexcitadeformaindependiente(alosmismos220V),qutensinhabrqueaplicaralinducidoparareducirlavelocidada500r.p.m.silacargaofreceahoraunparresistenteproporcionalalcuadradodelavelocidad?.Calcularelnuevorendimiento.Idem paraunacargacomoladelapartadoanterior

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  • Problemadeaplicacin(2)

    P2.UnmotorCCseriedecuatropolosgiranormalmentea600r.p.m.alimentadoa250Vyabsorbiendo20Acuandotodaslasbobinasdecampoestnconectadasenserie.Suponiendoqueelpardelacargaesdetipoventilador(proporcionalalcuadradodelavelocidad),estimarlanuevavelocidadderotacinylacorrientecuandolasbobinasdecamposecolocanendosramasenparalelo.Supngasequeelflujosemantieneentodomomentoproporcionalalaintensidaddeexcitacinyquelasprdidassondespreciables.

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  • MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 39

    EJERCICIO:Un motor de corriente continua tiene una potencia til de 147 kW para una tensin de 500 V. Tiene una resistencia en los polos principales de 24 , 0.05 en el inducido y 0.046 en devanado de compensacin. Tiene un rendimiento del 89%. Siendo una mquina de excitacin independiente, calcular:

    a) Intensidad nominal.

    b) Intensidad que consumira si lo conectsemos directamente a la tensin nominal en el arranque.

    SOLUCIN

    a)

    . 165;

    330

    b) La mquina est parada 0 y la conectamos a una tensin de 500. Como la mquina es de excitacin independiente, para el clculo de la corriente del inducido no se tendr en cuenta la resistencia de los polos principales. Por tanto:

    500 0

    0.05 0.012 0.046 4629

    Comparando la intensidad nominal con la intensidad en el arranque, se observa que en el arranque se consumira 14 veces la intensidad nominal:

    14

  • MotordeCC:arranque

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  • MotordeCC:variacindelavelocidad

    1 2

    1

    1

    Segnestasecuaciones,lavelocidaddependedelatensin ydelflujo(mediante

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 41

  • MotordeCC:variacindelavelocidad

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 42

  • Variacindevelocidad:diagramadebloques

    MOTORESYACCIONAMIENTOSELCTRICOS 43

    2

    1

  • MotordeCC:zonadetrabajo

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