clase 2 maquinas de cc
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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
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
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