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
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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
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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
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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
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Circuito equivalente:
Generador de CC
Aspectos Generales
INDUCIDO
(rotor)
CA
RG
AiI
E escV V
iR
eI
eV
INDUCTOR
(estator)
eR
n
Potencia
mecánica
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Balance energético:
i i escE V R I V= + +
e e eV R I=Inductor ➔
Inducido➔
Generador de CC
Aspectos Generales
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Balance energético:
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
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Balance energético:
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
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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
Balance energético:
Generador de CC
Tipos de Excitación del Campo
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Excitación
Separada
Excitación independiente
Excitación propia
Excitación
Independiente
(Autoexcitadas)
Excitación serie
Excitación derivación
Excitación compuestaCorta
Larga
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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
Tipos de Excitación del Campo
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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
Tipos de Excitación del Campo
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Máquinas Autoexcitadas
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
Tipos de Excitación del Campo
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Máquinas Autoexcitadas
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
Tipos de Excitación del Campo
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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
Tipos de Excitación del Campo
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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
Tipos de Excitación del Campo
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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
Tipos de Excitación del Campo
Generador de CC
Características de Servicio
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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)
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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=
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( )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
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( )eE f I=
.n cte=
. 0iI cte= =
Curva de
vacío
Recta de resistencia
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
Excitación DERIVACIÓN
► Característica de VACÍO
Ri
IeRe
E V
Inducido Inductor
IiI
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( )eE f I=
.n cte=
. 0iI cte= =
Curva de
vacío
Recta de resistencia
de inductor
Resistencia Crítica ➔ resistencia límite más
allá de la cual la máquina no se excita.
e crR R
Generador de CC
Excitación DERIVACIÓN
► Característica de VACÍO
Ri
IeRe
E V
Inducido Inductor
IiI
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► 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
Excitación DERIVACIÓN
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
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➢ 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
Excitación DERIVACIÓN
► 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
© Justo José Roberts FI-UNMdP (2019) 26
Generador de CC
Consultas
Prof. Justo José Roberts
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