electrotecnia. Índice. definiciones. clasificación. la maquina de c.c. - estructura interna -...

ELECTROTECNIAELECTROTECNIA

ÍndiceÍndice

. Definiciones. Definiciones

. Clasificación. Clasificación

. La maquina de c.c.. La maquina de c.c.

- Estructura interna- Estructura interna

- Principio de funcionamiento- Principio de funcionamiento

- Características- Características

- Esquemas y tipos- Esquemas y tipos

- Arranque y variación de la velocidad- Arranque y variación de la velocidad

. Resolución de ejercicios. Resolución de ejercicios

Máquina eléctrica es el aparato capaz de transformar energía eléctrica en cualquier forma de energía o viceversa

DefinicionesDefiniciones

- Estática

- Rotativa

- Corriente continua

- Corriente alterna

- Vacío

- Plena Carga (valores nominales)Funcionamiento

Pérdidas :

- Eléctricas

- Mecánicas

- Magnéticas

Rendimiento = =Psalida

PentradaPentrada

Pentrada - Pérdidas

ClasificaciónClasificación

GeneradoresGeneradores

MotoresMotores

CorrienteContinua(Dinamo)

CorrienteAlterna

Corrientecontinua

Corrientealterna

Síncronos Asíncronos

rotor = inducido

estator = inductor

Energíaeléctrica

Energíaeléctrica

Energíamecánica

Energíamecánica

rotor = inductor

estator = inducido

I en ambos devanados

estator = inductor

rotor = inducido

I c.c. por inductor

I c.a. por inducido

I c.a. en ambos devanados

Alternador

E

M

El principio de reversibilidadEl principio de reversibilidad El principio de reversibilidadEl principio de reversibilidad

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

BalanceBalance energéticoenergético BalanceBalance energéticoenergético

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

Máquinas de C.C. Estructura internaMáquinas de C.C. Estructura interna

Estator Rotor

-CarcasaCarcasa

- PolosPolos

- Bobinas Bobinas inductorasinductoras

- Polos Polos auxiliaresauxiliares

- NúcleoNúcleo

- Bobinas Bobinas inducidasinducidas

- EjeEje

- Colector o Colector o conmutadorconmutador

Escobillas

EscobillasEscobillas

Rotor Rotor

Catálogos Catálogos comercialescomercialesMáquinas de C.C. Estructura internaMáquinas de C.C. Estructura interna

ColectorColector

Principio de funcionamientoPrincipio de funcionamiento

IIeeB = B = μμ00.I.Iee..

N N 2.2.ππ..rr

F = I. (l F = I. (l x x B)B)

FF

BB

I , LI , L

Ri

LexUex E Ui

Inducido Inductor

Resistencia del inducido

Tensión excitación

FEM Inducida

Rex

Resistencia del inductor

Principio de funcionamientoPrincipio de funcionamiento El campo magnético de la máquina de CC puede generarse El campo magnético de la máquina de CC puede generarse

mediante imanes permanentes, o con bobinas alimentadas con mediante imanes permanentes, o con bobinas alimentadas con CC (caso habitual):CC (caso habitual):

Según la forma de alimentación de las bobinas se tienen 2 tipos Según la forma de alimentación de las bobinas se tienen 2 tipos de excitación:de excitación: Excitación independiente:Excitación independiente: la corriente que alimenta al deva-nado la corriente que alimenta al deva-nado

inductor es ajena a la propia máquina, procede de una fuente inductor es ajena a la propia máquina, procede de una fuente independiente externa.independiente externa.

Autoexcitación:Autoexcitación: la corriente de excitación en este caso pro-cede la corriente de excitación en este caso pro-cede de la propia máquina. Según la forma de obtener esta corriente de la propia máquina. Según la forma de obtener esta corriente existen 3 tipos diferentes de máquina de CC:existen 3 tipos diferentes de máquina de CC:

Excitación SerieExcitación Serie: devanado inductor en serie con el inducido: devanado inductor en serie con el inducido Excitación derivaciónExcitación derivación: devanado inductor conectado directa-mente a : devanado inductor conectado directa-mente a

las escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido.las escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido. Excitación compuesta o mixtaExcitación compuesta o mixta: una bobina en serie y la otra en : una bobina en serie y la otra en

paralelo. paralelo.

CaracterísticasCaracterísticas

La máquina de CC consta de dos devanados alimentados con La máquina de CC consta de dos devanados alimentados con CC: uno llamado CC: uno llamado inductorinductor que está en el estator de la máquina que está en el estator de la máquina y otro llamado y otro llamado inducidoinducido que está en el rotor. que está en el rotor.

En el caso de funcionamiento como motor ambos devanados En el caso de funcionamiento como motor ambos devanados están alimentados con CC. están alimentados con CC. En el caso de funcionamiento como En el caso de funcionamiento como generador se hace girar el rotor mediante una fuerza mecánica, generador se hace girar el rotor mediante una fuerza mecánica, obteniéndose en inducido una FEM inducida y una c.c.obteniéndose en inducido una FEM inducida y una c.c.

Su funcionamiento se basa en la existencia de un mecanismo Su funcionamiento se basa en la existencia de un mecanismo llamado llamado colectorcolector que convierte las magnitudes variables gene- que convierte las magnitudes variables gene-radas o aplicadas a la máquina en magnitudes constantes.radas o aplicadas a la máquina en magnitudes constantes.

Se utilizan en tracción eléctrica (tranvías, trenes etc.) y en Se utilizan en tracción eléctrica (tranvías, trenes etc.) y en accio-namientos donde se precisa un control preciso de la accio-namientos donde se precisa un control preciso de la velocidad.velocidad.

Están en desuso debido a su complejo mantenimiento.Están en desuso debido a su complejo mantenimiento.

Esquemas y tiposEsquemas y tipos

Ri

Lex Uex E Ui

Inducido Inductor



FEM Inducida

Rex


Ri

Lex Uex E Ui

Inducido Inductor



FEM Inducida

Rex


Motor de excitación Motor de excitación independienteindependiente

Motor de excitación Motor de excitación independienteindependiente

Supondremos en todos Supondremos en todos

los casos que los casos que LLexex no tiene no tiene

influencia en los circuitos influencia en los circuitos de c.c.de c.c.

TIPOS EXCITACIÓNTIPOS EXCITACIÓN

IndependienteIndependiente

SerieSerie

DerivaciónDerivación

Compuesta largaCompuesta larga

Compuesta cortaCompuesta corta

IIiiIIee

E = UE = Uii – I – Iii.R.Rii

PPmm= E.I= E.Iii = U = Uii.I.Iii – I – Iii22.R.Rii

pérdidaspérdidas

Ri Lex Rex

E Ui

Inducido

Inductor Resistencia del

inducido

Ri Lex Rex

E Ui

Inducido


inducido

Motor de Motor de excitación serieexcitación serie


Ri

Lex Uex E Ui

Inducido Inductor


Rex

Ri

Lex Uex E Ui

Inducido Inductor


Rex

Motor de excitación Motor de excitación derivaciónderivación


Esquemas y tiposEsquemas y tipos

E = UE = Uii – I.(R – I.(Rexex+R+Rii))

IIii= I= Iee= I= I

PPmm= E.I = U= E.I = Uii.I – I.I – I22.(R.(Rexex+R+Rii))

pérdidaspérdidas

I = II = Iee + I + Iii

E = UE = Uii – I – Iii.R.Rii = I = Iee.R.Rexex

PPmm= E.I= E.Iii= U= Uii.I – I.I – Iii22.R.Rii

Pérdidas = Ie2.Rex+ Ii

2.Ri

Ri Lex1

E Ui

Inducido

Inductor 1Resistenciadel inducido

Inductor 2

Rex1Rex2

Lex2

Ri Lex1

E Ui

Inducido

Inductor 1Resistenciadel inducido

Inductor 2

Rex1Rex2

Lex2

Motor de Motor de excitación excitación

compuesta largacompuesta larga


compuesta largacompuesta larga

Ri

E Ui

Inducido

Inductor 1

Resistencia delinducido Inductor 2

Lex2Rex2Rex1

Lex1

Ri

E Ui

Inducido

Inductor 1

Resistencia delinducido Inductor 2

Lex2Rex2Rex1

Lex1


compuesta cortacompuesta corta


compuesta cortacompuesta corta

La bobina excitadora La bobina excitadora se conecta ahora n se conecta ahora n dos partes, una en dos partes, una en serie con la bobina serie con la bobina inducida y otra parte inducida y otra parte en paralelo con la en paralelo con la misma bobina misma bobina inducidainducida

EXCITACIÓN EXCITACIÓN COMPUESTACOMPUESTA

CaracterísticasCaracterísticas

Par MotorPar Motor M = K.M = K.ΦΦ..IIi i N.mN.m

Potencia ÚtilPotencia Útil PPmm = = M.M.ΩΩ WW

Velocidad de giroVelocidad de giro

Regulación de la velocidadRegulación de la velocidad SR = .100 SR = .100 %%nnoo – n – npcpc

nnpcpc

n = K . n = K . Seg Seg -1-1EE

ΦΦ

n1 E1n1 E1

n2 E2n2 E2==

Si ISi Iexex constante constante

En donde En donde ΩΩ es 2. es 2.ππ.n/60.n/60

Inversión de giroInversión de giro

a) Cambiando la polaridad de los terminales del bobinado inducidoa) Cambiando la polaridad de los terminales del bobinado inducido

b) Cambiando la polaridad de los terminales del bobinado inductor.b) Cambiando la polaridad de los terminales del bobinado inductor.

Arranque de motores de C.C.Arranque de motores de C.C.

Ri

Lex Uex E Ui

Inducido Inductor



FEM Inducida

Rex


Ri

Lex Uex E Ui

Inducido Inductor



FEM Inducida

Rex


IIii


ΦΦ

PPmm= E.I= E.Iii = 0 = 0

Pero existe una IPero existe una Iii considerable inicialmente considerable inicialmente

Para lograr disminuir esta Para lograr disminuir esta IIii inicial, inicial,

insertamos en serie con el insertamos en serie con el inducido una resistencia variable inducido una resistencia variable de arranque de arranque RR, que iremos , que iremos disminuyendo a medida que el disminuyendo a medida que el motor se acerque a la velocidad motor se acerque a la velocidad nominal.nominal.

RR

Control de la velocidadControl de la velocidad


ΦΦ

1º Variando el campo magnético, en general bajándolo.1º Variando el campo magnético, en general bajándolo.

nn aumenta a partir de la básica. aumenta a partir de la básica.

2 º Variando la tensión 2 º Variando la tensión UUii aplicadaaplicada

a) mediante un reostato serie con el inducidoa) mediante un reostato serie con el inducido

b) mediante dinamo elevadora-reductorab) mediante dinamo elevadora-reductora

E = UE = Uii – I – Iii.R.R

Ri

Lex Uex E Ui

Inducido Inductor



FEM Inducida

Rex


Ri

Lex Uex E Ui

Inducido Inductor



FEM Inducida

Rex


Problemas Problemas Septiembre 2001Septiembre 2001Un motor de c.c. de tipo derivación está conectado a una Un motor de c.c. de tipo derivación está conectado a una

tensión de 240 V y absorbe una corriente de 70 A. Se tensión de 240 V y absorbe una corriente de 70 A. Se han medido las resistencias de sus devanados y han medido las resistencias de sus devanados y resultan 200 resultan 200 ΩΩ para el devanado de excitación y 0,12 para el devanado de excitación y 0,12 ΩΩ para el devanado inducido . El motor tiene un para el devanado inducido . El motor tiene un rendimiento de 0,90. Se pide :rendimiento de 0,90. Se pide :

- Intensidad que circula por el devanado de - Intensidad que circula por el devanado de excitación.excitación.

- Fuerza contraelectromotriz.- Fuerza contraelectromotriz.

- Potencia mecánica útil en eje del motor.- Potencia mecánica útil en eje del motor.

- Pérdidas por rozamiento (mecánico y de - Pérdidas por rozamiento (mecánico y de ventilación).ventilación).

Ri

Lex Uex E Ui

Inducido Inductor


Rex

Ri

Lex Uex E Ui

Inducido Inductor


Rex



II = 70A= 70A

RRii= 0,12= 0,12ΩΩ

RRexex= 200= 200ΩΩ=240 V=240 V

IIexex= = = = = = 1,2 A1,2 A

UUex ex 240V 240V

RRex ex 200 200ΩΩ

E = UE = Uexex- R- Rii.(I-I.(I-Iexex) = 240 V – 0,12 ) = 240 V – 0,12 ΩΩ..(70 A – 1,2 A) = 240 – 0,12.68,8 = (70 A – 1,2 A) = 240 – 0,12.68,8 = 231,7 V231,7 V

PPmm= E.I= E.Iii = 231,7 V. 68,8 A = 15944 W = 231,7 V. 68,8 A = 15944 W

Pérdidas = Iex2.Rex+ Ii

2.Ri = 1,22.200 + 68,82.0,12 = 856 W

Comprobación UComprobación Uexex.I = 240.70 = 16800W menos 15944W da 856 W.I = 240.70 = 16800W menos 15944W da 856 W

15944 – Pérdidas mecánicas15944 – Pérdidas mecánicas

1680016800 ηη = = 0,9 = = 0,9 Perd Mec. = Perd Mec. = 824 W824 W

Junio 2003Junio 2003Un motor de excitación independiente de c.c., cuyo Un motor de excitación independiente de c.c., cuyo

inducido tiene una resistencia de 5 inducido tiene una resistencia de 5 ΩΩ, está conectado a , está conectado a una red de 250 V. La máquina absorbe 1 KW de la red una red de 250 V. La máquina absorbe 1 KW de la red de 250 V con una carga determinada en el eje. Para de 250 V con una carga determinada en el eje. Para estas últimas condiciones, despreciando la potencia estas últimas condiciones, despreciando la potencia absorbida por el circuito de excitación :absorbida por el circuito de excitación :

- Dibujar el esquema del motor.- Dibujar el esquema del motor.

- Calcular la corriente del inducido- Calcular la corriente del inducido

- Hallar la fuerza contraelectromotriz- Hallar la fuerza contraelectromotriz

Ri

Lex Uex E Ui

Inducido Inductor



FEM Inducida

Rex


Ri

Lex Uex E Ui

Inducido Inductor



FEM Inducida

Rex


IIii

= 5= 5ΩΩ

= 250 V= 250 V

UUii.I.Iii = 1000 W = 1000 W

IIii = = = = 4 A4 A10001000

250250

E = UE = Ui i – R– Rii.I.Iii = 250V – 5 = 250V – 5ΩΩ.4A = 250 – 20 = .4A = 250 – 20 = 230 V230 V

Septiembre 2006Septiembre 2006Un motor de c.c. de excitación tipo serie tiene una resistencia de Un motor de c.c. de excitación tipo serie tiene una resistencia de inducido de 0,1 inducido de 0,1 ΩΩ y una resistencia de excitación (inductor) de 0,3 y una resistencia de excitación (inductor) de 0,3 ΩΩ. Cuando se conecta el motor a una red de 200 V, desarrolla una . Cuando se conecta el motor a una red de 200 V, desarrolla una potencia útil de 10 KW.potencia útil de 10 KW.

a) Dibujar un esquema eléctrico de dicho motor.a) Dibujar un esquema eléctrico de dicho motor.

b) Calcular la intensidad absorbida por la red.b) Calcular la intensidad absorbida por la red.

c) Hallar la fuerza contraelectromotriz.c) Hallar la fuerza contraelectromotriz.

d) Determinar las pérdidas en las resistencias de inducido y de d) Determinar las pérdidas en las resistencias de inducido y de excitación.excitación.

e) ¿ Cual es el rendimiento del motor?e) ¿ Cual es el rendimiento del motor?

NOTA : 1ª Se desprecian las pérdidas mecánicas.NOTA : 1ª Se desprecian las pérdidas mecánicas.

2ª Si hay varias soluciones para la intensidad calculada en 2ª Si hay varias soluciones para la intensidad calculada en el apartado b) se elegirá la menor de ellas.el apartado b) se elegirá la menor de ellas.

Ri Lex Rex

E U

Inducido

Inductor

++++

0,30,3ΩΩ

0,10,1ΩΩ

10KW10KW = 200V= 200V

10000 = E.I10000 = E.I

200 = (R200 = (Rii+R+Rexex).I + E = 0,4 . I + E).I + E = 0,4 . I + E

Tenemos un sistema de dos Tenemos un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas. ecuaciones con dos incógnitas. Resolviendo da:Resolviendo da:

E = 122,5VE = 122,5V

I = 443,75AI = 443,75A

E = 177,5VE = 177,5V

I = 56,25AI = 56,25ATomamos esta soluciónTomamos esta solución

PérdidasPérdidasRRii. I. I22 = 0,1. 56,25 = 0,1. 56,252 2 = 314,4 W= 314,4 W

RRexex. I. I22 = 0,3. 56,25 = 0,3. 56,252 2 = 949,2 W= 949,2 W

Rendimiento = Rendimiento = ηη = .100 = = = 0,88.100 = 88% = .100 = = = 0,88.100 = 88%PtotalPtotal

PútilPútil

E.IE.I

U.IU.I 1000010000

11250 11250

Septiembre 2002Septiembre 2002Un motor serie de c.c. de 10CV, 220V, 44A, 1500 r.p.m.,tiene una Un motor serie de c.c. de 10CV, 220V, 44A, 1500 r.p.m.,tiene una

resistencia de inducido de 0,08 resistencia de inducido de 0,08 ΩΩ, y una resistencia del devanado de , y una resistencia del devanado de excitación de 0,1 excitación de 0,1 ΩΩ. Calcular, cuando funciona a plena carga:. Calcular, cuando funciona a plena carga:

- Valor de la f.e.m.- Valor de la f.e.m.

- Resistencia del reostato de arranque para que la intensidad - Resistencia del reostato de arranque para que la intensidad de arranque no sea mayor que 1,5 veces la intensidad nominal.de arranque no sea mayor que 1,5 veces la intensidad nominal.

- Par útil del motor.- Par útil del motor.

DATO : 1 CV = 736 WDATO : 1 CV = 736 W



E = U – I.(RE = U – I.(Rexex+R+Rii) )

Ri Lex Rex

E U

Inducido


inducido

++++

E = 220V – 44A.(0,08+0,1)E = 220V – 44A.(0,08+0,1)ΩΩ = 212,08V = 212,08V

Plena carga I = 44 A ?Plena carga I = 44 A ?

220.44 = 9680 W 220.44 = 9680 W ≠ 7360 W≠ 7360 W

Ri Rex

E U

++

++

ReostatoReostato

I I nominalnominal = 44 A = 44 A

1,5 .I1,5 .Inn = 66 A = 66 A

U = (RU = (Rii + R + Rexex+ R). I + E + R). I + E 220 = (0,1 +0,08 + R ). 66 + 0 220 = (0,1 +0,08 + R ). 66 + 0

R = - 0,18 = - 0,18 = 3,15 R = - 0,18 = - 0,18 = 3,15 ΩΩ 220 – 0 220220 – 0 220

6666 6666

PPmm= E.I= E.Iii = 212,08. 44 = 9331,5 W = 212,08. 44 = 9331,5 W PPmm = = M.M.ΩΩ WW

M = = 59,4 M = = 59,4 N.mN.m 9331,59331,5

2.2.ππ..1500/ 601500/ 60

y comoy como

electrotecnia. Índice. definiciones. clasificación. la maquina de c.c. - estructura interna -...

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