Download Conversión electromecánica de energía

Universidad del Bio-Bio
Fundamentos de las máquinas
eléctricas rotatorias
1. GENERACIÓN
Fuerza externa que
hace girar a la
espira
Espira
Campo
Magnético
N
Imanes
Permanentes
S
Escobillas
+
Fuerza Electromotriz
inducida en la espira
por el campo
GENERADOR
ELEMENTAL
2. ACCIÓN MOTRIZ
Espira
N
Escobillas
Campo
Magnético
Imanes
Permanentes
S
FUERZA QUE TIENDE A HACER
GIRAR A LA ESPIRA: PAR MOTOR
Corriente que circula
por la espira debida al
generador
MOTOR
ELEMENTAL
El principio de reversibilidad
Todas las máquinas
eléctricas rotativas
son reversibles
Motor
Generador
Pueden funcionar
como motor o como
generador
Conversión de Energía Eléctrica
en Energía Mecánica
Conversión de Energía Mecánica
en Energía Eléctrica
Balance energético en
máquinas eléctricas
ROTOR
ESTATOR
Potencia
eléctrica
consumida
Potencia
mecánica
útil del
motor
(Pu)
(Pe)
Pu

Pe
  90%
Pérdidas
en el cobre
del estator
Pérdidas
en el
hierro
Pérdidas en
el cobre del
rotor
Pérdidas
rotacionales
Universidad del Bio-Bio.
La máquina de corriente
continua
Dpto. de Ingeniería Eléctrica.
La máquina de CC:
generalidades

La máquina de CC consta de dos devanados alimentados con CC: uno
llamado inductor que está en el estator de la máquina y otro llamado
inducido que está en el rotor.

En el caso de funcionamiento como motor ambos devanados están
alimentados con CC. En el caso de funcionamiento como generador se
alimenta con CC el inductor y se obtiene la FEM (también continua)
desde el inducido o armadura.

Su funcionamiento se basa en la existencia de un mecanismo llamado
conmutador que convierte las magnitudes alternas generadas o
aplicadas a la máquina en magnitudes unidireccionales.

Se utilizan en tracción eléctrica (tranvías, trenes etc.) y en accionamientos donde se precisa un control preciso de la velocidad.

Tienden a ser reemplazadas por máquinas de C.A., debido a su
complejo mantenimiento y mayor costo.
Partes de una máquina
de CC
1.
Culata
2.
Núcleo polar
3.
Expansión polar
4.
Núcleo del polo auxiliar o
de conmutación
5.
Expansión del polo
auxiliar o de conmutación
6.
Núcleo del inducido
7.
Arrollamiento de inducido
8.
Arrollamiento de
excitación
9.
Arrollamiento de
conmutación
10. Colector
11. – 12. Escobillas
1
9
8
2
12
10
3
6
11
5
7
4
 M. F. Cabanas:
Técnicas para el
mantenimiento y
diagnóstico de
máquinas eléctricas
rotativas
Motores de CC
Catálogos comerciales
Motor de CC para
aplicaciones de
robótica
Pequeños motores de CC
e imanes permanentes
Fotografía realizada en los talleres de ABB Service Gijón
Catálogos comerciales
Motor de CC de 6000 kW fabricado por ABB
Funcionamiento como
generador I
Fuerza externa que
hace girar a la
espira
Imanes permanentes o campo magnético
creado por una corriente continua
N
N
S
Escobillas
Anillos
rozantes
S
Instrumento de medida
 M. F. Cabanas:
Técnicas para el
mantenimiento y
diagnóstico de
máquinas eléctricas
rotativas
La FEM que se obtiene a la salida de la máquina varía en el tiempo ya
que esta máquina no dispone de conmutador
3.3. Funcionamiento
como generador II
d  B  darea
d  B  l  r  d


 B  l  r  d

  B  l  r    2 
Si la espira gira con velocidad angular =d/dt
mientras se mueva en la
zona del flujo se inducirá en
ella una FEM dada por:
E
d
d 

 B  l  r   2

dt
dt 

E  2B l V
d
E
 L. Serrano:
Fundamentos de
máquinas eléctricas
rotativas
V  R
Con la máquina girando
a una cierta velocidad V,
la fem que se induce es
alterna: cambia de
signo cada vez que se
pasa por debajo de cada
polo.
El conmutador es un
dispositivo rectificador
electromecánico que
invierte el sentido de la
FEM para obtener una
tensión continua y positiva
E
N
E  2B l V
E
N
S
2BlV
Polos inductores
de la máquina

0
2
-2BlV
E
S
N
S
2BlV
2BlV
0

2
Colector elemental (2 delgas)
2

Colector real (muchas delgas)
0
El CONMUTADOR
Catálogos
comerciales
 M. F. Cabanas:
Técnicas para el
mantenimiento y
diagnóstico de
máquinas
eléctricas
rotativas
Colector
Escobillas
Sentido de rotación
de la espira
Colector
real
Colector de dos
delgas
1
2
1
2
1
 M. F. Cabanas:
Técnicas para el
mantenimiento y
diagnóstico de
máquinas
eléctricas
rotativas
2
- +
0
- +
Instante Inicial
Conmutación
Inversión de la polaridad
FEM inducida en un
máquina de CC
FEM EN UNA ESPIRA
FEM DE INDUCIDA POR EL
DEVANADO COMPLETO DE
LA MÁQUINA

E  2B l V
2 VBl
E  N
a
  B  Ap
Ap 
Ap=área del
polo
paralelo
A Rotor
2  r  l   r  l


Nºpolos
2p
p
2V P  
E  N

a  r
V  r  n
Np
E4
n
60 a
N=nº total de espiras
a=nº de circuitos en

2
r
60
P
B  
r l
n=Velocidad en RPM
r= radio
E  K n
Par interno de una
máquina de CC
PAR CREADO POR UNA ESPIRA
PAR CREADO POR EL
DEVANADO COMPLETO
DE LA MÁQUINA
I
TT OT A L N  2B  l  r 
a
N=nº total de espiras
I
Tespira  2B  l  r  Iespira  2B  l  r 
a
a=nº de circuitos en paralelo
I=Corriente rotor (inducido)
P
B  
r l
TT OT A L  K    I
I= Corriente de inducido
2P  N
TT OT A L 
I
a
Formas de excitación I

El campo magnético de la máquina de CC puede generarse
mediante imanes permanentes, o con bobinas alimentadas
con CC (caso habitual):

Según la forma de alimentación de las bobinas se tienen 2
tipos de excitación:
 Excitación independiente: la corriente que alimenta al devanado inductor es ajena a la propia máquina, procede de una
fuente independiente externa.
 Autoexcitación: la corriente de excitación en este caso procede de la propia máquina. Según la forma de obtener esta
corriente existen 3 tipos diferentes de máquina de CC:
 Excitación Serie: devanado inductor en serie con el inducido
 Excitación derivación: devanado inductor conectado directamente a las escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido.
 Excitación compuesta o mixta: una bobina en serie y la otra
en paralelo.
Resistencia del inducido
Formas de
excitación II
Ri
Rex
E
Uex
Ui
Lex
Resistencia
del inductor
Resistencia del
inducido
Rex
Uex
Lex
Tensión
excitación
Inducido
Motor de excitación
derivación
Ri
E
FEM
Inducida
Inducido
Inductor
Motor de excitación
independiente
Inductor
Resistencia del
inducido
Inductor
Ui
Ri
Rex
Lex
E
Inducido
Motor de excitación
serie
Ui
Resistencia
del inducido
Ri
Inductor 1
Rex1
Lex1
Rex2
Ui
Inductor 2
E
Lex2
Inducido
Motor de excitación
compuesta larga
Inductor 2
Resistencia del
inducido
Ri
Rex1
E
Rex2
Inductor 1
Lex1
Inducido
Motor de excitación
compuesta corta
Lex2
Ui
La reacción de inducido I
Al circular corriente
por el inducido se va
a crear un campo que
distorsiona el campo
creado por los polos
inductores de la
máquina
Este campo, creado
por la armadura,
recibe el nombre de
reacción de inducido
EFECTOS
PRODUCIDOS
POR LA
REACCIÓN DE
INDUCIDO
E
N
S
2BlV
FEM con reacción
de inducido
DESPLAZAMIENTO
LÍNEA NEUTRA
0

2
-2BlV
Desplazamiento de la “zona neutra” (zona en la
cual se anula el campo)
Disminución del valor global del campo de la
máquina
La reacción de inducido II
A.Desplazamiento
de la “zona
 Mulukutla S.
Sarma: Electric
machines
neutra”
PROBLEMAS DURANTE
LA CONMUTACIÓN
POLOS DE
CONMUTACIÓN
REDUCCIÓN PAR Y
AUMENTO VELOCIDAD
B.Disminución del
valor global del
campo de la
máquina
LOS POLOS DE CONMUTACIÓN COMPENSAN
LOCALMENTE LA REACCIÓN DE INDUCIDO
EVITANDO EL DESPLAZAMIENTO DE LA ZONA
NEUTRA
La máquina de CC como
generador I
Rex Iex
Uex
Lex
Ri
E
Ui
FEM
Inducida
Inducido
Inductor
Generador con excitación
independiente
Se hace girar el inducido y se
alimenta el inductor. La tensión de
excitación controla la FEM E y, por
tanto, la tensión de salida Ui
La tensión de salida crece
proporcionalmente con la velocidad
de giro n
Np
E4
n
60 a
E  K n
La relación entre la corriente de excitación y la FEM inducida no
es lineal: existe saturación
La máquina de CC como
generador II
I
Ri
En la generador en derivación la propia
tensión de salida del generador se
utiliza para producir la excitación
Rex
E
Uex
Ui
Uex=Ui
Lex
E
Inducido
Inductor
Generador con excitación
derivación (autoexcitado en
paralelo)
E2
El generador produce tensión gracias al
magnetismo remanente siguiendo un proceso
de AUTOEXCITACIÓN
Magnetismo
remanente
Curva de magnetización
R
Se repite hasta el
pto. de equilibrio
ER
E2
IR 
I1
ER
R ex  R i
E1
E1
Pto. de
equilibrio
E  I  R ex  R i 
ER
Iex
IR
I1
Curvas características de los
motores de CC I
Resistencia
del inductor
Resistencia del
inducido
I
i
Rex
Uex
Lex
Tensión
excitación
Inductor
Resistencia del inducido
Ri
Ri
E
E
Ui
I
i
Rex
Uex
Ui
FEM
Inducida
Lex
Inducido
Inducido
Inductor
Motor de exc. derivación
Motor de exc. independiente
Desde el punto de vista funcional ambos motores son muy similares ya que el
inducido está sometido a una tensión constante
Ui  E  R i Ii
Ecuación del motor derivación e
independiente
E  K n
T  K'  Ii
Ec. General maq. CC
n
Ui
T

 Ri
2
K   K  K'
Ii 
T
K'
Ui  K    n 
T
 Ri
K'
Curvas características de los
motores de CC II
Curva par-velocidad de los
motores de excitación
independiente y derivación
n
Ui
T

 Ri
2
K   K  K'
n
CONSIDERANDO
CTES. Ui y 
CARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD
n=f(Ii)
E  K n
Ui  E  R i Ii
Pendiente 2 – 8%
Aumento
de Ri
T
CARACTERÍSTICA DURA
n
=cte
n
Ui
R I
 i i
K
K
Ii
Curvas características de los
motores de CC III
Resistencia del
inducido
Ri
E
Inductor
Rex
Ii=Iex
Lex
Ii=Iex
Ui
Inducido
Motor de excitación serie
E  K n
Ec. General maq. CC
T  K'  Ii
Ec. General maq. CC
n
En el motor serie el devanado de
excitación y el inducido están conectados
en serie. Iex=Ii y esta última depende de
la carga arrastrada por el motor, por tanto, sus características funcionales serán
distintas de las del motor de exc. indep.
E  Ui  R i  R ex  Ii
Ui  R i  R ex   Ii
K
La relación entre
Iex y el flujo 
viene definida por
la característica
magnética (B-H)
de la máquina
n
Ecuación del
motor serie
R  R ex   T
Ui
 i
K 
K  K'2

Zona lineal
=CIex
Iex
Curvas características de los
motores de CC IV
Como Iex=Ii en
la zona lineal del
motor se cumple:
=CIi
T  K'C  Ii
2
En la zona lineal
(pares bajos)
Ii 
=Cte
SUSTITUYENDO
Ui
n
 Cte
Cte  T
La característica mecánica cuando el
motor trabaja en la zona lineal (pares
bajos). ES UNA HIPÉRBOLA
En la zona de
saturación
(cuando al
motor se
exigen pares
elevados) se
puede admitir
T
K 'C
n
SUSTITUYENDO
n  Cte  Cte  T
La característica
mecánica en la zona
de saturación (pares
altos) ES UNA RECTA
NO puede trabajar
con cargas bajas
porque tiende a
embalarse
T
Curvas características de los
motores de CC V
CARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD n=f(Ii)
E  Ui  R i  R ex  Ii
E  K n
Ecuación del
motor serie
n
En la zona de
saturación es
una recta
decreciente
Ec. General maq. CC
Ui  K    n  Ii  R i  R ex 
n
I  R i  R ex 
U
 i
K
K

R i  R ex 
U
n

Cte  Ii
Cte
Como Iex=Ii en
la zona lineal del
motor se cumple:
=CIi
La característica de velocidad cuando el motor
trabaja en la zona lineal ES UNA HIPÉRBOLA
Ii
En la zona de saturación se
puede admitir
n
=Cte
I  R i  R ex 
U
 i
Cte
Cte
Variación de velocidad en los
motores de CC I
Variación de la tensión de armadura
manteniendo el flujo constante
VARIACIÓN DE LA
VELOCIDAD DEL
MOTOR
A n<nnominal se mantiene el flujo
constante y se varía la tensión de inducido
Variación de la excitación
(debilitamiento del campo)
E  K n
Se usa con n>nnominal.
Al disminuir la excitación
disminuyen el flujo y el par
pero aumenta la velocidad
T  K'  Ii
DISPOSITIVOS
PARA LA
VARIACIÓN DE
TENSIÓN
CONTINUA
Ec. General maq. CC
Rectificadores controlados
Troceadores (“Choppers”)
Instituto Real Maní Fc.
U Bio-Bio, concepción chile