tema 3.1: generadores de corriente continua · 2013. 3. 6. · adaptado de [j. fraile mora,...

Sistema eléctrico del avión: Generadores DCETSEIATDepartament d’enginyeria Elèctrica

J. Montanyà

1

TEMA 3.1: Generadores de corriente continua


J. Montanyà

2

GENERALIDADES DE LA MÁQUINA DE CC

• La máquina está compuesta por dos devanados alimentados con CC: unollamado inductor que se encuentra en el estator de la máquina y el otrollamado inducido que está en el rotor.

• Cuando la máquina funciona como generador se alimenta el inductor conCC y por el inducido obtendremos una FEM (CC).

• Cuando la máquina funciona como motor los dos devanados estánalimentados con CC.

• Necesitan un frecuente mantenimiento.

3.1.1 Introducción


J. Montanyà

3

3.1.2 Estructura de la máquina de CC

Adaptado de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]


J. Montanyà

4

Fig.2. Despiece máquina CC.

3.1.3 Despiece de la máquina de CC


J. Montanyà

5

Máquinas del laboratorio: La Electricitat S.A. – Sabadell – 1950 – 22 kW

3.1.4 Ejemplos de máquinas de corriente continua


J. Montanyà

6

Máquinas del laboratorio: Laboratorio de accionamientos



J. Montanyà

7

Máquinas del laboratorio: Laboratorio de accionamientos



J. Montanyà

8

Máquinas del laboratorio



J. Montanyà

9

Ejemplo de una de las máquinas del laboratorio:

3.1.5 La placa de características


J. Montanyà

10

Tipo de servicio: S1

S1 SERVICIO CONTINUIO - Máquina trabajando a carga constante, de este modo se alcanza la temperatura de régimen permanente.

S2 SERVICIO TEMPORAL O DE CORTA DURACIÓN

-La máquina trabaja en régimen de carga constante un tiempo breve, de este modo no se llega a alcanzar una temperatura estable. - Permanecerá entonces parada hasta alcanzar de nuevo la temperatura ambiente.

S3 SERVICIO INTERMITENTE -Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante.- Periodos de reposo sin que se alcance nunca una temperatura constante.

S4 SERVICIO INTERMITENTE - Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante.-Se incluye el tiempo de arranque.-Periodos de reposo sin que se alcance nunca una temperatura constante.

S5 SERVICIO INTERMITENTE - Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante.-Se incluye el tiempo de arranques y frenados.-Periodos de reposo sin que se alcance nunca una temperatura constante.

S6 SERVICIO INTERMITENTE -Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante.- Sin periodos de reposo.

S7 SERVICIO INTERMITENTE - Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante.-Se incluye el tiempo de arranque.- Sin periodos de reposo.

S8 SERVICIO INTERMITENTE - Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante.-Se incluye el tiempo de arranques y frenados.- Sin periodos de reposo.



J. Montanyà

11

Ejecución B5

[Siemens]



J. Montanyà

12

Protección: IP 23

[NTP 588: Grado de protección de las envolventes de los materiales eléctricos]



J. Montanyà

13

Código de refrigeración IC 06

[ABB, Low Voltage General Purpose Motors]



J. Montanyà

14

La placa de características

Clase de Aislamiento

Temperatura máxima

Y 90 ºC

A 105 ºC

E 120 ºC

B 130 ºC

F 155 ºC

H 180 ºC

200 200 ºC

220 220 ºC

250 250 ºC

[ABB, Low Voltage General Purpose Motors]


Clase de aislamiento: F


J. Montanyà

15

• Los devanados pueden ser imbricados u ondulados, dependiendo de si se cruzan o no las partes de la bobina observadas desde el lado del colector.

3.1.6 Tipos de devanados del inducido



J. Montanyà

16

• Devanado ondulado (simple): siempre dispone de dos vías (a=1)• Si la corriente por vía es demasiado elevada se utiliza el devanado imbricado (simple). • En el devanado imbricado se tienen tantas vías como polos (p=a).

• Colector: Nº de delgas = Nº de conductores• Escobillas: número de escobillas igual al número de polos.



J. Montanyà

17

• Devanado ondulado (simple): siempre dispone de dos vías (a=1)• Si la corriente por vía es demasiado elevada se utiliza el devanado imbircado (simple). • En el devanado imbricado se tienen tantas vías como polos (p=a).

• Colector: Nº de delgas = Nº de conductores• Escobillas: número de escobillas igual al número de polos.



J. Montanyà

18


Devanado imbricado simple


J. Montanyà

19


En el ejemplo, la corriente entra por una escobilla (en delga 1) , se puede observar los sentidos de las corrientes cada uno de los conductores y como sale la corriente por la otra escobilla (en delga 4). Si el motor avanza (rota) un paso de escobilla la corriente entrará por la delga 2 y saldrá por la delga 5 (que noestá representada).


J. Montanyà

20


Devanado ondulado simple


J. Montanyà

21

v

inductor

Los conductores situados en laLínea Neutra sus fem’s son nulas.


vle

3.1.7 Eje directo y Línea Neutra

inducido

Se mantiene la cuadratura entre el el campo del inductor y el campo

del inducido.


J. Montanyà

22

La figura muestra el proceso de conmutación en el colector (Las escobillas deben colocarse en las Líneas neutras)

Adaptado de [N. Mohan, Electric Drives: An Integrative Approach, NMPERE,2001 ]

3.1.8 Funcionamiento del colector de delgas


J. Montanyà

23

Fem inducida en una espira (sin rectificar)

Fem inducida en una espira (rectificada)

3.1.9 La fuerza electromotriz inducida


J. Montanyà

24

Máquina bipolar, 12 espiras

- [L.S. Iribarnegaray, Fundamentos de Máquinas Eléctricas Rotativas, Ed. Marcombo, 1989 ]

fem’s correspondientes a las espiras e1...e6



J. Montanyà

25

dtdte

1)(1

dtteT

ET

avg 01

'1 )(1 dt

dtd

TE

T

avg

0

1

T

avg dT

E0

1

ˆ

ˆ

2 dT

Eavg

En un semiperiodo (T/2) el flujo concatenado varía entre loslímites de + a - .

Fem inducida en una espira (en general).

Valor medio de la tensión inducida:

ˆ ˆ2 4 4

avgET T T

T es el periodo de la corriente.

TE

ˆ4

Tomaremos:

(fem producida por una espira)



J. Montanyà

26

az

2

Nz ·2

azpnE

21

260·ˆ4

La frecuencia de la tensión generada va ligada al número de polos (2p) y a la velocidad de rotación:

60·pnf

Las escobillas recogen las fem’s inducidas en las distintas bobinas durante un semiperiodo. La fem resultante será igual a la suma de fem’s medias de las distintas bobinas que componen cada rama en paralelo (2a) del devanado:

número de conductores.

número de tensiones aditivas

60·ˆ4

ˆ4 pnT

E

fem producida por el conjunto de conductores (z/2) por espira

ˆ60pzE n

a

(fem producida por una espira)

2pzE

a

SIMPLEIMBRICADOapopa 1/22

SIMPLEONDULADOaoa 122

a número de pares de vías en paralelo.



J. Montanyà

27

3.1.10 Tipos de máquinas según su excitación

Máquina (generador) de corriente continua con excitación independiente

El flujo inductor se obtiene mediante un circuito de excitación independiente. Permite la regulación de la tensión generada.

escaaa UIREU

escaaa UIRkU

escaaexcga UIRIkkU )(

ai IkM

aexcgi IIkkM )(

exc

escexc R

UI


J. Montanyà

28


Máquina (generador) de corriente continua con excitación derivación (shunt o paralelo)

El flujo inductor se obtiene mediante un circuito de excitación independiente conectado en paralelo con la máquina. No permite regulación.

escaaa UIREU

escaaa UIRkU

escaaexcga UIRIkkU )(

ai IkM

aexcgi IIkkM )(

exc

escexc R

UI


J. Montanyà

29


Máquina (generador) de corriente continua con excitación mediante imanes permanentes

El flujo inductor se obtiene mediante imanes permanentes. El flujo es constante.

escaaa UIREU

escaaa UIRkU

ai IkM

.cte


J. Montanyà

30

TEMA 3.2: BALANCE DE POTENCIAS, LA REACCIÓN DE INDUCIDO Y LA CONMUTACIÓN


J. Montanyà

31

3.3.1 Balance de potencias de una máquina de CC

PÉRDIDAS EN EL COBRE DEL ESTATOR(INDUCTOR)

PERDIDASEN LAS ESCOBILLAS

PÉRDIDAS EN EL HIERRO (SOLO INDUCIDO)

PÉRDIDAS EN EL COBRE EN EL INDUCIDO

PÉRDIDAS MECÁNICAS(ROZAMIENTO Y VENTILACIÓN)

POTENCIAÚTIL

POTENCIAABSORBIDA


J. Montanyà

32

POTENCIAABSORBIDA

·MPabs



J. Montanyà

33

ROTOR


POTENCIAABSORBIDA

·MPabs



J. Montanyà

34

2aaCu IRP

ind

ROTOR


POTENCIAABSORBIDA

·MPabs

ai IEP


PÉRDIDAS EN EL HIERRO

Solo aparecen enel rotor debido a lamagnetización cíclicaque aparece por su movimiento aunque elflujo del inductor seaconstante.

Pi potencia interna o electromagnética desarrolladapor la máquina

kgWBfkP mhh /·· 5.25.1

kgWBfkP mee /·· 22

Pérdidas por histéresis

Pérdidas por corrientes parasitarias

2·UkPFe

Pérdidas en el hierro


J. Montanyà

35

2aaCu IRP

ind

ROTOR



POTENCIAABSORBIDA


aescesc IVP

·MPabs

VVesc 2

ai IEP

suelen considerarse 2V por par de escobillas





J. Montanyà

36

2aaCu IRP

ind

2aaCu IRP

ind

ESTATORROTOR

PÉRDIDAS EN EL COBRE DEL ESTATOR(INDUCTOR)

PÉRDIDAS EN EL COBRE EN EL INDUCIDO



POTENCIAÚTIL

POTENCIAABSORBIDA


aau IVP ·

aescesc IVP

2excexcCu IRP

exc

·MPabs

VVesc 2

ai IEP

suelen considerarse 2V por par de escobillas





J. Montanyà

37

aaabs IVP ·

·MPu

Resumen

umCuindfeescCuabs PPPPPPPindexc

En general:

MOTOR

·MPabs

GENERADOR

aau IVP ·

%90

abs

u

PPRendimiento:



J. Montanyà

38

• La reacción de inducido es el efecto que ejerce la fmm. del devanado delinducido sobre la fmm del inductor y que hace variar la forma y magnituddel flujo del entrehierro respecto a los valores que presentaba la máquinaen vacío.

Fi: Fmm de reacción delinducido.

Fe: Fmm creada de los polos.

3.2.3 La reacción de Inducido

Figura de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]


J. Montanyà

39

• La amplitud de la inducción magnética trabajando en vacío (asumimos muy pocacorriente en el inducido) idealmente debería ser constante.

• No obstante debido a los flujos de dispersión que aparecen entre las expansionespolares, hacen que esta curva coja forma trapezoidal.




J. Montanyà

40

• En esta imagen se representa la distribución de la f.m.m. del inducido sobre la periferia del entrehierro. Se muestran los polos a trazos para constatar que su acción no se tiene en cuenta.




J. Montanyà

41

Deformación del campo magnético en el entrehierro debido a la reacción del inducido.

Desplazamiento de las escobillas hasta la línea neutra real.


Figuras de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]


J. Montanyà

42

• Consecuencias de la inducción resultante en el inducido:

- La reacción del inducido deforma la curva de inducción debajo de cadapolo.

- Si la máquina no está saturada no se modifica su fem. ya que tenemos flujoconstante.

- En el caso de saturación la B resultante tiene un valor inferior a la salida delos polos, hace que el flujo disminuya y que aparezca un efectodesmagnetizante reduciendo así el valor de la fem.

- Posible elevación de la tensión entre delgas consecutivas motivada por elpaso de las espiras por la zona de refuerzo del flujo entre polos (chisporreoen el colector).

- Desplazamiento de la línea neutra debido a la reacción del inducido, éstase adelanta (generador) o se retrasa (motor) respecto al sentido de giro delrotor. Para evitar esto hay que modificar la posición de las escobillasadelantándolas o retrasándolas.



J. Montanyà

43

• En la mayoría de máquinas de CC para eliminar el desplazamiento de la línea neutrageométrica con las variaciones de carga y asegurar una mejor conmutación, seemplean los polos auxiliares, estos van provistos de un devanado que se conecta enserie con el inducido, produciendo un campo magnético opuesto al de la reaccióntransversal.




J. Montanyà

44

Escobillas:• Cuando las escobillas están situadas en la línea neutra geométrica, la reacción de

inducido es totalmente transversal, lo que conduce a un desplazamiento de la líneaneutra magnética que provoca un chispeo en el colector.

• Si se desplazan las escobillas a la línea neutra magnética verdadera, se evita elchisporroteo del colector pero aparece una reacción antagonista que se opone a laacción del inductor y que debe ser compensada por un aumento idéntico en la fmmde los polos.

En la práctica se impide este desplazamiento. Lasolución más eficaz consiste en neutralizar lareacción de inducido mediante la incorporaciónde un arrollamiento de compensación.

Devanado de compensación.




J. Montanyà

45

3.2.4 ConmutaciónOK

NO OK


J. Montanyà

46

TEMA 3.3: CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA


J. Montanyà

47

• Ecuaciones de la máquina:aa IREU

excIf

3.3.1 Máquina de corriente continua con excitación derivación/independiente

E

aa RL ,

E

aI

dexcIdd excexc RL ,

I

U

nkE ˆ'1 ˆ1kE

aaIRnkU '1

ai IkM 1

excgI

Si no hay saturación:

gkk 1gkk '

1'

aaexc IRnIkU '

aexci IIkM Figura izq. [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]

aa IRkU 1

aaexc IRkIU


J. Montanyà

48

nkE ˆ'1

U

a aU E R I

a aU K n R I

aI


Característica de vacio (Ua=E) Característica de salida o de carga


J. Montanyà

49

aIkM ·ˆ1

Características electromecánicas de par.

1. Sin reacción de inducido.

2. Con reacción de inducido.

Ia

Generador: Par contrario al de arrastre debido al consumo de corriente.

Motor: Par entregado a la carga que se arrastra.



J. Montanyà

50

U

U

nkIRU aa ·'1 aa IRnkU ··'

1



J. Montanyà

51

• Curva característica velocidad:

aa I

kR

kU ·ˆ·ˆ· 11

ao Ib

Características electromecánicas de velocidad.

1. Sin reacción de inducido.

2. Con reacción de inducido.E

aa RL ,

E

aI

dexcIdd excexc RL ,

I

U

Figura de [M.C. Cherta, J.Corrales, A.E.B., Teoría general de máquinas eléctricas, UNED,1991 ]Figura izq. [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]

o

Motor: caída de velocidad aumentar la carga mecánica (absorbe más corriente)



J. Montanyà

52

• Curva característica mecánica:

Mb

Mk

Ra

0

221

0 ·

aIkM

1

aa I

kR

kU ·ˆˆ 11

1. Máquina no saturada.3. Máquina con saturación.

M

Figura izq. [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]

o

Motor: caída de velocidad aumentar la carga mecánica (mayor par resistente)



J. Montanyà

53

TEMA 3.4: REGULACIÓN DE LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA


J. Montanyà

54

3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua

Si la carga aumenta (más demanda de corriente)

IaM

Ia

M

CONSUMO


J. Montanyà

55

Si la carga aumenta

Las caídas de tensión aumentan.

La tensión se reduce

IaM

nkE ˆ'1

Podemos aumentar el flujo(corriente de excitación)


CONSUMO


J. Montanyà

56

La velocidad del motor (p.e. turbina) varía. Si queremos

mantener la tensión constante podemos regular de forma

dinámica la excitación

IaM

nkE ˆ'1

n

CONSUMO



J. Montanyà

57

Simularemos en Simulink un generador de corriente continua

Constantes:k=0.5;La=0.005;Ra=2;

Valores nominales:

Ia = 22 AIexc = 1 AUa = 314 VN= 6000 rpm

3.4.2 Ejemplo de modelado mediante Matlab/Simulink


J. Montanyà

58

Paso 1: introducir en Matlab las constantes de la máquina (no se tiene en cuenta la inercia….)

>> k=0.5;>> La=0.005;>> Ra=2;



J. Montanyà

59

Paso 2: Ejecutar Simulink y abrir el fichero ‘Generador.mdl’



J. Montanyà

60

Paso 3: Configuration Simulation Parameters



J. Montanyà

61

Paso 4: Simulación


Comprobar el efecto de subir carga (Ia) y variar la excitación (Iexc).

Para simular: Simulation Start (o botón play).Para ver las formas temporales hacer click sobre los Scopes


J. Montanyà

62

Ejemplo 2: Regulación automática de un generador de corriente continua


•Se desea una consigna de 270 V.

•Se introduce un regulador tipo PI (kp: constante proporcional, ki: constante integración).

•A la velocidad de la turbina se le introduce una perturbación sinusoidal.


J. Montanyà

63

Fichero ‘generadorcontrolexc.mdl’


tema 3.1: generadores de corriente continua · 2013. 3. 6. · adaptado de [j. fraile mora,...

Documents