Maquinas Electricas Rotativas De C.c.: Profesor Del Curso: Ms.sc. César L. López Aguilar Semana 13

TRANSFORMADOR

MAQUINAS ELECTRICAS ROTATIVAS DE C.C.

Profesor del Curso : Ms.Sc. César L. López Aguilar SEMANA 13

MOTOR

Máquinas Eléctricas Rotativas en Corriente continua o corriente directa (cc o dc)

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Haciendo girar una espira en un campo magnético se produce una f.e.m. inducida en sus conductores. La tensión obtenida en el exterior a través de un anillo colector y una escobilla en cada extremo de la espira tiene carácter senoidal. Este es el principio de las máquinas eléctricas de c.c.

Las máquinas de c.c. son dos : •LOS GENERADORES DE CC

•LOS MOTORES DE C.C. No hay diferencia real entre un generador y un motor, púes solo se diferencian por la dirección del flujo de potencia

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Principio de Funcionamiento:

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Estudio Energético del Motor Elemental 1.- Se aplica una fuerza Fcarga en dirección opuesta al movimiento, resultando una fuerza neta Fnet. opuesta a la dirección del movimiento. 2.- La aceleración resultante a = Fnet/m es ( - ), de tal manera que la barra se frena ( V ↓ )

3.- El voltaje inducido ↓E ind. = V ↓ B l y por lo tanto la corriente ↑i = (Vb – E ind. ↓) / R 4.- La fuerza inducida ↑F ind. = ↑i l B hasta que ⃒Find⃒ = ⃒F carga⃒ a una velocidad menor v. 5.- Una cantidad de potencia eléctrica igual a Eind x i se convierte en potencia mecánica igual a Find x v y la maquina actúa como motor. 24/11/2014

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Estudio Energético del Generador Elemental

1.- Se aplica una fuerza Fap en la dirección del movimiento; la fuerza resultante tiene la misma dirección del movimiento. 2.- La fuerza aplicada hará que la barra se acelere a = F net / m, asi la velocidad de la barra aumenta. 3.- Si v ↑ entonces Eind = v ↑ Bl aumentara y será mayor que el voltaje de la bateria Vb (Eind >Vb) y la corriente cambia de dirección i = ( Eind. – Vb ) / R 4.- La fuerza producida Find. = i ↑Bl aumenta hasta que ⃒Find ⃒ = ⃒ F carga ⃒ a una velocidad v mayor.

5.- Una cantidad de potencia mecánica igual a Find x v se convierte ahora en potencia eléctrica Eind x i y la maquina esta funcionando como generador. 24/11/2014

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Hay cinco tipos principales de generadores de c.c.. 1. Generadores de Excitación externa, el flujo de campo se origina en una fuente de potencia externa. 2. Generadores en Derivación, el flujo de campo se obtiene al conectar el circuito de campo directamente a través de los terminales del generador. 3. Generador Serie, el flujo de campo se produce conectando el circuito de campo en serie, con el inducido del generador. 4. Generador compuesto acumulativo, tanto el campo de derivación como el campo en serie están presentes y sus efectos se suman

5. Generador compuesto diferencial, tanto el campo de derivación como el campo en serie están presentes y sus efectos se suman 24/11/2014

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Hay cuatro tipos principalesde motores de c.c.. 1. Motores de Excitación shunt.

2. Motores de excitación Serie, 3. Motores de excitación compound

4. Motores de excitación independiente 5. Motorores de imán permanente

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Para un motor dc, el circuito equivalente se muestra en la figura, el circuito del inducido está representado por una fuente ideal de voltaje EA y una Resistencia RA. Esta representación es el equivalente Thevenin de la estructura total del rotor, incluidas las bobinas del rotor, los interpolos y los devanados de compensación, si los hay. La caida de voltajes en la escobilla está representada por una pequeña batería Vesc opuesta en dirección al flujo de corriente de la máquina. Las bobinas de campo que producen el flujo magnético están representadas por la inductancia LF y la Resistencia RF. La resistencia separada Radj representa una resistencia exterior variable, utilizada para controlar la cantidad de corriente en el circuito de campo

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El voltaje interno generado en la máquina está dado por :

EA = KΦw W, es la velocidad de rotación de la máquina El par inducido desarrollado está dado por

ind

= KΦI A

Estas dos ecuaciones corresponden a la LTK del circuito inducido y la curva de magnetización de la máquinas, son las herramientas necesarias para analizar el comportamiento y el funcionamiento de una máquina de c.c.

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CURVA DE MAGNETIZACION DE UNA MAQUINA DE CC El voltaje generado EA de un motor o generador es : EA = KΦw

EA es directamente proporcional al flujo en la máquina y a la velocidad de rotación de ella. ¿Cómo se relaciona el voltaje interno generado con la corriente de campo de la máquina? La corriente de campo en una máquina que produce una fuerza magnetomotriz de campo fada por F= NF IF, la cual produce un flujo en la máquina de acuerdo a la curva de magnetización. La primera curva la conocemos, la segunda curva expresa EA contra IF a una velocidad wo dada

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Para obtener la máxima potencia posible de salida por libra de peso de la máquina, la mayoría de los motores y los generadores están diseñados para operar cerca del punto de saturación de la curva de magnetización , lo cual implica que se requiere un gran aumento de corriente de campo para obtener un pequeño aumento en EA, cuando opera cercano a la plena carga.

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MOTORES DC CON EXCITACIÓN SEPARADA

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MOTORES DC EN DERIVACION.

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MOTORES DC EN SERIE.

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MOTORES DC COMPUESTOS.

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CARACTERISTICAS DE LOS TERMINALES DE UN MOTOR CC

En un motor las cantidades de salida son el par al eje y la velocidad; por tanto, su característica de los terminales es una gráfica del par contra la velocidad en su salida. ¿Cómo responde un motor dc en derivación a una carga? Suponga que aumenta la carga en el eje de este motor el par de carga carga excederá el par inducido ind en la máquina, y el motor comenzará a reducir la velocidad. Cuándo el motor se frena, su voltaje interno generado disminuye (EA = K Φ w ↓) y la corriente del inducido del motor IA = (VT - EA↓ )/RA aumenta. Cuando aumenta la corriente del inducido, aumenta el par inducido ( ind = KΦIA↑) y, finalmente, el par inducido igualará al de la carga a una velocidad mecánica de rotación w más baja. Combinando las ecuaciones anteriores, se obtiene w = VT + RA ind K Φ (K Φ) 24/11/2014

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Esta ecuación representa justamente una línea recta con pendiente negativa, como se muestra en la figura.

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EJEMPLO.

Un motor dc en derivación de 50 hp, 250 V, 1200 rpm, con devanados de compensación, tiene una resistencia del inducido (incluidas las escobillas, los devanados de compensación y los interpolos) de 0.06 Ω. Su circuito de campo tiene una resistencia total del Radj+RF de 50 Ω con lo cual produce una velocidad de vacío de 1200 rpm. Hay 1200 vueltas por polo en el devanado de campo de derivación. Se pide a) Confeccionar el circuito equivalente b) La velocidad de este motor cuando su corriente de entrada es 100 A.

c) La velocidad de este motor cuando su corriente de entrada es 200 A. d) La velocidad de este motor cuando su corriente de entrada es 300 A. e) Dibuje la característica par-velocidad de este motor. Solución. El voltaje interno es EA = K Φ w , puesto que el campo es constante( debido a que VT y la resistencia de campo son constantes) y no hay efectos de reacción del inducido, el flujo en este motor es constante. La relación entre las velocidades y los voltajes internos generados del motor para dos condiciones de carga diferentes es 24/11/2014

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EA2

K Φ w2

K y Φ se cancela, k es una constante, el flujo es el mismo

----- = --------EA1

KΦw1

w2 = EA2 ------------

w1

EA1

En vacío, la corriente del inducido es cero de modo que EA1 = VT = 250 V, mientras que la velocidad w1=1200 rpm. Si puede calcularse el voltaje interno generado por otra carga. a) Si IL = 100 A IA= IL-IF = IL - VT/RF = 100 A-250/50 = 95 A Entonces EA = VT – IA RA = 250 V – (95 A)(0.06Ω) = 244.3 V La velocidad resultante del motor es : w2= 244.3 V 1200 rpm = 1173 rpm 250 V 24/11/2014

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b) 1144 rmp

c) 115 rpm

d) En vacío el par inducido ind = 0, para hallar el par inducido para cualquier otra carga, la potencia convertida en este motor dc es Pconv= EAIA = ind w

ind

= EAIA / w

El par inducido cuando IL= 100 A es

El par inducido cuando IL= 200 A es

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ANALISIS NO LINEAL DE UN MOTOR EN DERIVACION El flujo Φ y, por tanto, el voltaje generado EA de una máquina dc es una función no lineal de su fuerza magnetomotriz. Entonces, cualquier fenómeno que altere la fuerza magnetomotriz en la máquina tendrá un efecto no lineal en el voltaje interno generado de ella. Puesto que la curva de magnetización es una gráfica directa de EA contra IF para una velocidad dada wo dada, el efecto de cambiar la corriente de campo de la máquina se puede determinar de su curva de magnetización. Si una máquina presenta reacción del inducido, su flujo se reducirá a medida que aumenta la carga. En un motor dc en derivación, la fuerza magnetomotriz total es igual a la fuerza magnetomotriz del circuito de campo menos la fuerza magnetomotriz debida a la reacción del inducido. (AR).

El voltaje resultante EA puede ser determinado localizando la corriente equivalente en la curva de magnetización. En un motor dc en derivación la corriente equivalente de campo está dada por:

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EJEMPLO.

Un motor dc en derivación de 50 hp, 250 V, 1200 rpm, sin devanados de compensación, tiene una resistencia del inducido (incluidas las escobillas, y los interpolos) de 0.06 Ω. Su circuito de campo tiene una resistencia total del Radj+RF de 50 Ω con lo cual produce una velocidad de vacío de 1200 rpm. Hay 1200 vueltas por polo en el devanado de campo de derivación y la reacción del inducido produce una fuerza magnetomotriz desmagnetizante de 840 A-vuelta a una corriente de carga de 200 A. La curva se muestra en la siguiente figura. Se pide a) La velocidad de este motor cuando su corriente de entrada es 200 A. b) Dibuje la característica par-velocidad de este motor.

Solución. Si IL = 200 A IA= IL-IF = IL - VT/RF = 200 A - 250/50 = 195 A Entonces EA = VT – IA RA = 250 V – (195 A)(0.06Ω) = 238.3 V Para IL = 200 A , la fuerza magnetomotriz desmagnetizante debida a la reacción del inducido es 840 A*vuelta, de modo que la corriente efectiva es:

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De la curva de magnetización, esta corriente efectiva de campo producirá un voltaje interno generado EAO de 233 V a una velocidad de 1200 rpm Puesto que el voltaje interno generado real es 238.3 V, la velocidad de operación del motor debe ser:

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El COLECTOR Conectando los extremos de la espira a unos semianillos conductores aislados entre sí, conseguiremos que cada escobilla esté siempre en contacto con la parte de inducido que presenta una determinada polaridad. Durante un semiperiodo se obtiene la misma tensión alterna pero, en el semiperiodo siguiente, se invierte la conexión convirtiendo el semiciclo negativo en positivo.

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El COLECTOR Conectando los extremos de la espira a unos semianillos conductores aislados entre sí, conseguiremos que cada escobilla esté siempre en contacto con la parte de inducido que presenta una determinada polaridad. Durante un semiperiodo se obtiene la misma tensión alterna pero, en el semiperiodo siguiente, se invierte la conexión convirtiendo el semiciclo negativo en positivo.

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El colector

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

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- +

0

- +

Instante Inicial

Conmutación

Inversión de la polaridad

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FLUJO DE POTENCIA Y PERDIDAS EN MAQUINAS DE C.C.

Los generadores de c.c. toman potencia mecánica y entregan potencia eléctrica y los motores de c.c. toman potencia eléctrica y entregan potencia mecánica . En cualquiera de los casos no toda la potencia que entra a la maquina se convierte en potencia útil a la salida, siempre hay pérdidas asociadas en el proceso. PSal. PEnt. – PPerd. η = ------- x 100% η = ---------------- x 100% Pent. PEnt. PERDIDAS EN LAS MAQUINAS DE C.C. 1.- Pérdidas eléctricas ó en el cobre ( I2 . R ) , Son todas las que se presentan en la armadura y en los devanados de campo de la máquina. - Pérdidas en la armadura : PA = IA2. RA - Pérdidas en el campo : PF = IF2. RF 2.- Pérdidas en las escobillas, Son las que se pierden en los contactos entre las escobillas y el colector PBD = V BD . IA Donde: 24/11/2014

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PBD : Pérdida por contacto de las escobillas V BD : Caída de voltaje en las escobillas =~2 V. IA : Corriente de armadura 3.- Pérdidas en el núcleo.- Debido a la histeresis y corrientes parasitas. 4.- Pérdidas mecánicas.Fricción.- Se debe al rozamiento de los rodamientos del eje. Ventilación .- Se debe a la fricción de las partes en movimiento de la maquina con el aire que se encuentra dentro de la carcasa.

5.- Pérdidas adicionales.- Son pérdidas que no se pueden incluir dentro de ninguna de las anteriores =~ 1 % potencia a plena carga.

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DIAGRAMA DE FLUJO DE POTENCIA DE UN MOTOR P convertida

Pent=VT . IL

EA.IA = Tind.ωm

Pérdidas en el cobre

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Psal=Tcarga.ωm

Pérdidas en el Núcleo

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Pérdidas Mecanicas

Pérdidas Adicionales

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DIAGRAMA DE FLUJO DE POTENCIA DE UN GENERADOR

P convertida

Pm=Tent . ωm

Tind.ωm = EA.IA

Pérdidas Adicionales

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Psal=VTIL

Pérdidas Mécanicas

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Pérdidas en el Núcleo

Pérdidas en el cobre

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MOTORES DC • Un motor eléctrico de Corriente Continua es esencialmente una máquina que convierte energía eléctrica en movimiento o trabajo mecánico, a través de medios electromagnéticos.

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Utilización

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Funcionamiento • Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un cable conductor inmerso en un campo magnético, la fuerza magnética produce un par el cual provoca el giro del motor

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Corriente en un Motor DC Cuando una corriente eléctrica pasa través de un cable conductor inmerso en un campo magnético, la fuerza magnética produce un par el cual provoca el giro del motor

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• Cuando una corriente eléctrica Campo Magnético pasa a través de un cable conductor inmerso en un campo en el Motor DC magnético, la fuerza magnética produce un par el cual provoca el giro del motor

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Fuerza Magnética en el Motor DC

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• Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un cable conductor inmerso en un campo magnético, la fuerza magnética produce un par el cual provoca el giro del motor

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Fuerza Magnética

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Par en el Motor DC

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• Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un cable conductor inmerso en un campo magnético, la fuerza magnética produce un par el cual provoca el giro del motor

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ESQUEMA DE CONEXION

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Principio de Funcionamiento:

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Constitución general:

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Motor de Corriente Directa (DC):

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Motor de Corriente Directa (DC)Resumen

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PRACTICA DE AUTOCOMPROBACION

El siguiente motor, se conecta en derivación, presenta la las siguientes características y el circuito equivalente .

Las pérdidas rotacionales equivalen a 3550 W a plena carga 24/11/2014

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PRACTICA DE AUTOCOMPROBACION

1. Si se ajusta la resistencia Radj en 175 Ω. Cuál es la velocidad de rotación del motor en condiciones de vacío. 2. Si no existe reacción del inducido, ¿ cuál es la velocidad del motor a plena carga?. 3. Si el motor está operando a plena carga y su resistencia variable Radj aumenta a 250 Ω, ¿ cuál es la nueva velocidad del motor?. Compare la velocidad del motor a plena carga Radj=175 Ω(suponga que no hay reacción del inducido)

4. Suponga que el motor está operando a plena carga y su resistencia variable Radj es 175Ω. Si a plana carga la reacción del inducido es 1200 A-vuelta. ¿ Cuál es la velocidad del motor?

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1. Qué sucede con la tensión inducida en un motor cc al aumentar la carga 2. Qué sucede con la velocidad de rotación de un motor cc al aumentar la carga. 3. Qué sucede con la tensión inducida en un generador cc al aumentar la fuerza aplicada 4. Qué sucede con la velocidad en un generador cc al aumentar la fuerza aplicada. 5. Cuál es la diferencia entre una máquina en derivación y en serie, realice los circuitos equivalentes. 6. La tensión de armadura es igual a la tensión de la fuente, explique.

7. Cuales son las partes del rotor y del estator. 8. Qué es conmutación.

9. Cuál es la función del colector en una máquina de cc. 10.Cuál es la función de las escobillas de una máquina de cc.

11.En qué casos se utiliza un motor de c.c. 12.Cuáles son las pérdidas en un motor cc. Realice una jerarquización. 13.Cuáles son las pérdidas en un jerarquización. Profesor: Msc. César López Aguilar

generador 24/11/2014

cc. Realice

una 55