TEMA 5: LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA (2014)

Apunte Español
Universidad Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)
Grado Ingeniería de Diseño Industrial y Desarrollo del Producto - 2º curso
Asignatura Sistemes elèctrics
Año del apunte 2014
Páginas 32
Fecha de subida 26/06/2014
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La máquina de corriente continua Capítulo 5 CAPÍTULO 5: LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA 5.1. Aspectos constructivos 5.2. Principios físicos de su funcionamiento 5.3. Tipos de conexiones en la máquina DC 5.4. Características del generador DC 5.5. Características del motor DC 1 La máquina de corriente continua Capítulo 5 5.1. Aspectos constructivos 2 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Aspecto de la máquina DC 3 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Despiece de la máquina DC 4 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 5.2. Principios físicos de su funcionamiento 5 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Campo magnético creado por una corriente eléctrica I B Causa Efecto B I I corriente eléctrica [A] B inducción magnética [T] Regla de la mano derecha 6 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Campo magnético creado por una corriente eléctrica H= N ⋅I l B = µ0 ⋅ H Φ = B⋅S = N ⋅I l µ0 S Siendo “l” la longitud del entrehierro.
f .m.m. = N ⋅ I ℜ= l µ0 S 7 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Fuerza electromotriz inducida Byv E Causas Efecto B inducción magnética [T] v velocidad [m/s] E f.e.m.
[V] Regla de la mano derecha. (Generadores) 8 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Fuerza electromotriz inducida E = dΦ ∆Φ ≈ dt ∆t ∆Φ = B ⋅ ∆S = B ⋅ l ⋅ ∆x ∆x v= ∆t E = B ⋅l ⋅v Siendo “l” la longitud del conductor móvil.
I= E R 9 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Fuerza creada por una corriente eléctrica dentro de un campo magnético Causas BeI F Efecto B inducción magnética [T] I corriente eléctrica [A] F fuerza [N] f.c.e.m.
I F fuerza contraelectromotriz Ley de Lenz: todo efecto se opone a la causa que lo produce.
B Regla de la mano izquierda. (Motores) 10 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Fuerza creada por una corriente eléctrica dentro de un campo magnético F = B ⋅l ⋅ I Siendo “l” la longitud del conductor perpendicular al campo magnético y situado dentro del mismo.
Par de fuerzas creado por los dos lados activos de una espira: M = F ⋅ 2r 11 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Proceso de generación de una f.e.m.
N A N B S A B S 12 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Cálculo de la f.e.m. total E = n º conductores en una rama ⋅ ec n º conductores en una rama = N 2a  N   2p  ⋅ Φ  ⋅ (l ) ⋅ (w ⋅ r ) E =  ⋅  2a   2πr ⋅ l  E= ec = B ⋅ l ⋅ v Φ Φ 2p = ⋅Φ = S 2πr ⋅ l 2πr ⋅ l 2p v = w⋅r B= w= 1 2p ⋅ ⋅ N ⋅Φ⋅w 2π 2a E = K ⋅Φ ⋅ w 2π ⋅n 60 K= 1 2p ⋅ ⋅N 2π 2a 13 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Cálculo de la f.e.m. total  1 2p  ⋅ ⋅ N ⋅Φ ⋅w E =  2π 2a  E = K ⋅Φ⋅w 1 2p ⋅ ⋅N 2π 2a w ⇒ rad / s K= n ⇒ r. p.m.
K En =  2π  E = K ⋅Φ⋅n 60   E = K En ⋅ Φ ⋅ n 1 2p ⋅ ⋅N 60 2a 14 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Reacción de inducido en carga Desplazamiento de la línea neutra magnética N A + + + B S 15 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Consecuencias de la reacción de inducido Desplazamiento de las escobillas hasta la línea neutra 16 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Consecuencias de la reacción de inducido Polos de conmutación + + A + B N S + + 17 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Compensación de la reacción de inducido Polos de conmutación y devanado compensador + A + + B N S + + + + + 18 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 El fenómeno de la saturación Curva B-H de un material ferromagnético B B2 B1 H H1 H2 19 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Reacción de inducido con saturación El flujo medio por polo disminuye debido a la acción conjunta de la saturación del hierro y la reacción del inducido Φ↓ ⇒ E↓ Caída de tensión por la reacción del inducido: − ∆E 20 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Proceso de conmutación delga-escobillas Inicio: corriente máxima (I/2) en sentido izquierdo I/2 1 I/2 Línea Neutra Magnética 2 3 4 5 6 I El devanado del inducido es un circuito eléctrico cerrado y la “E” total es la suma de las tensiones inducidas en las bobinas situadas entre las dos escobillas.
21 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Proceso de conmutación delga-escobillas Instante de corriente nula en las espiras cortocircuitadas I/2 1 I/2 Línea Neutra Magnética 2 3 4 5 6 I En el proceso de conmutación de la figura, la corriente de la bobina conectada entre las delgas 2 y 3 es cero cuando está situada en el medio de la línea neutra magnética.
22 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Proceso de conmutación delga-escobillas Final: corriente máxima (I/2) en sentido derecho I/2 1 I/2 Línea Neutra Magnética 2 3 4 5 6 I En el proceso de conmutación finaliza cuando la corriente de la bobina conectada entre las delgas 2 y 3 llega a ser I/2 pero en sentido contrario al inicial.
23 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 5.3. Tipos de conexiones en la máquina DC 24 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Nomenclatura de los devanados Inducido.
Inductor con conexión derivación.
Inductor con conexión serie.
G H Polos de conmutación y devanado de compensación.
Inductor con conexión independiente.
25 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Inducido, polos de conmutación y devanado de compensación Ii generador U = E − (Ri + R pc )⋅ I i − 2ue + generador A Ii motor M U = E + (Ri + R pc )⋅ I i + 2ue motor U B G - H Siempre se conectan en serie 26 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Máquina con excitación independiente Ii generador + U = E − Ri ⋅ I i − 2ue + Ii motor A generador J M U U = E + Ri ⋅ I i + 2ue Ie Ue motor K B - - El inductor se alimenta con una fuente de tensión independiente.
27 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Máquina con conexión derivación I generador U = Ui = Ue I = Ii − Ie + I motor Ii motor A C generador U I = Ii + Ie Ii generador motor Ie M D B - El inductor se conecta en paralelo con el inducido.
28 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Máquina con conexión serie I generador E I = Ii = Ie U = Ui −Ue + F I motor A generador M U U = Ui +Ue motor B - El inductor se conecta en serie con el inducido.
29 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Máquina con conexión compuesta larga I i = I es I generador I = I i − I ed generador I = I i + I ed motor U = U ed + E I motor generador U = U i + U es motor A C Ie U U = U i − U es F D M B - Es una máquina derivación a la que se le ha añadido un devanado serie para compensar sus limitaciones.
30 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Máquina con conexión compuesta larga Se dispone de un motor de excitación compuesta aditiva, donde los amperivueltas serie y derivación se suman. Si se pretende que funcione como generador compuesto aditivo será necesario invertir las conexiones de la excitación serie.
De mantener las mismas conexiones, el generador sería de excitación compuesta diferencial.
31 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Máquina con conexión compuesta corta E F + A C M U D B - No es muy utilizada porque la tensión en el devanado derivación depende de la carga.
32 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 5.4. Características del generador DC 33 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Generador con excitación independiente E0 = K En ⋅ Φ ⋅ n La tensión de salida cuando la intensidad de excitación es cero, es debida al magnetismo remanente de los polos inductores.
A partir de un determinado valor de intensidad de excitación se produce el fenómeno de la saturación.
34 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Generador con excitación independiente U = E0 − ∆E − (Ri + R pc )⋅ I i − 2ue 35 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Generador con excitación independiente 36 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Generador con excitación independiente Cuando aumenta la corriente de la carga es necesario aumentar la intensidad de excitación para mantener constante la tensión en bornes.
I ↑⇒ U ↓ U = E0 − ∆E − (Ri + R pc )⋅ I i − 2ue E0 = K En ⋅ Φ ⋅ n I e ↑⇒ Φ ↑⇒ E0 ↑ 37 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Generador con conexión derivación Característica Exterior El generador derivación tiene una caída de tensión más acentuada que el generador independiente porque el flujo depende de la tensión en bornes.
U = E0 − ∆E − (Ri + R pc )⋅ I i − 2ue I Icc I i ↑⇒ U ↓⇒ I e ↓⇒ Φ ↓⇒ E0 ↓⇒ U ↓ IM U = f(I); n = cte; 38 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Generador con conexión derivación Tramo estable en el generador derivación.
Rc U Rc1 U0 Rc2 resistencia de carga.
Rc2 < Rc1 El incremento de la corriente del inducido al disminuir la resistencia de carga es más importante que el efecto de la disminución del flujo por la disminución de la tensión en bornes.
∆E ↑ Rc ↓⇒ I i ↑↑⇒   Rc ⋅ I i I Icc IM   ⇒ U ↓⇒ I e ↓⇒ Φ ↓⇒ U ↓⇒ I i ↓⇒ equilibrio ↑ Estable 39 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Generador con conexión derivación U Tramo inestable en el generador derivación.
Rc U0 Rc3 resistencia de carga.
Rc4 < Rc3 La elevada disminución de la tensión en bornes debido a la disminución del flujo hace inestable a la máquina.
∆E ↑ Rc ↓⇒ I i ↑⇒   Rc ⋅ I i Rc4 I Icc IM   ⇒ U ↓↓⇒ I e ↓↓⇒ Φ ↓↓⇒ U ↓↓⇒ I i ↓↓ ↑ Inestable 40 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Generador con conexión serie La curva de vacío E0 se ha realizado alimentando al generador de forma independiente, es decir, variando la Ie dentro de los márgenes que tendría la I.
I = Ii = Ie U = E0 − ∆E − (Rs + Ri ) ⋅ I − 2ue 41 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Generador con conexión compuesta Característica Vacío Parte Derivación Cálculo del Numero de Espiras Serie Característica Exterior Parte Derivación del Generador U U U U0 U0 U I Ie Ie I nom U = f(I); n = cte; NS = N d ⋅ ( I e 2 − I e nom ) nom Ie2 U = f(Ie); n = cte; I = 0; Ii 42 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Generador con conexión compuesta U Característica Exterior U0 Derivación Serie I I nom U = f(I); n = cte; 43 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 5.5. Características del motor DC 44 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Balance de potencias en el motor DC P2 = M u ⋅ w η= P2 P2 ⋅100 = ⋅100 P1 P2 + Pexc + Pesc + Pcu _ i + PFe + Pmec Mu = P2 w 45 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Cálculo del par de un motor DC Fc = B ⋅ l ⋅ ic [N ] M c = (B ⋅ l ⋅ ic ) ⋅ r [N ⋅ m] N N 1 1 M = ∑ M c = B ⋅ l ⋅ r ⋅ ∑ ic B= N ∑i c 2 p ⋅Φ Φ = 2πr ⋅ l 2πr ⋅ l 2p = N ⋅ ic 1 Gira en sentido contrario al generador ic = Ii 2a 46 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Cálculo del par de un motor DC M = B ⋅ l ⋅ Nic ⋅ r I    2 p ⋅Φ  M =  ⋅ (l ) ⋅  N ⋅ i  ⋅ (r ) 2a   2πr ⋅ l   1 I   ⋅ (2 p ⋅ Φ ) ⋅  N ⋅ i  M= 2π 2a   M= La constante K es la misma que la obtenida en la fórmula de la f.e.m.
cuando la velocidad angular “w” se expresa en rad/s 1 2p ⋅ ⋅ N ⋅ Φ ⋅ Ii 2π 2a K= M = K ⋅ Φ ⋅ Ii 1 2p ⋅ ⋅N 2π 2a 47 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Motor con conexión derivación E = U − (Ri + R pc )⋅ I i − 2ue E = K En ⋅ Φ ⋅ n n= n Característica de Velocidad n0 U − (Ri + R pc )⋅ I i − 2ue K En ⋅ Φ En los motores con fuerte reacción de inducido se produce una reducción del flujo al aumentar la carga Ii. Esta situación podría aumentar la velocidad (línea discontinua).
Ii Iin n = fn(Ii); U = cte; Ie = cte.
I i ↑⇒ ∆E ↑⇒ U ↓⇒ I ed ↓⇒ Φ ↓⇒ n ↑ 48 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Motor con conexión derivación La reacción de inducido produce una reducción del flujo haciendo que el par interno se aparte de la línea discontinua.
M io = K ⋅ Φ o ⋅ I io M io = pFe + pmec = M pérdidas 2π ⋅ n 60 M u = M i − M pérdidas 49 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Motor con conexión derivación Es una característica dura porque cuando aumenta el par de la carga, la velocidad disminuye muy poco.
Característica Mecánica n n0 Se puede obtener a partir de las dos características anteriores.
n = fn (Ii ) M = fM (Ii ) n = f (M ) M Mn n = f(M); U = cte; Ie = cte.
50 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Motor con conexión serie Rt = Ri + Re + R pc Si 2ue << U − Rt ⋅ I i n≈ U − Rt ⋅ I i K En ⋅ Φ La separación de la línea de puntos se debe a la reacción de inducido.
Φ = KΦ ⋅ Ii n≈ U R − t K2 ⋅ Ii K2 Es una hipérbola equilátera menos una constante (línea de puntos).
51 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Motor con conexión serie M i = K ⋅ Φ ⋅ Ii Φ = KΦ ⋅ Ii M i = K1 ⋅ I i2 M u = M i − M pérdidas 52 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Motor con conexión serie Es una característica blanda porque cuando aumenta el par de la carga, la velocidad disminuye mucho.
n Característica Mecánica Se puede obtener a partir de las dos características anteriores.
nn n = fn (Ii ) M = fM (Ii ) n = f (M ) M Mn n = f(M); U = cte; 53 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Motor con conexión compuesta n Característica Mecánica 3 2 1 derivación dominante 2 contribución equilibrada 3 serie dominante 1 nn 1 2 3 M Mn n = f(M); U = cte; 54 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Regulación de velocidad en motores DC E = U − (Ri + R pc )⋅ I i − 2ue E = K En ⋅ Φ ⋅ n Igualando estas dos expresiones y despejando la velocidad de giro “n”: n= U − (Ri + R pc )⋅ I i − 2ue K En ⋅ Φ Considerando despreciable la caída de tensión en las escobillas frente al resto de tensiones: 2ue << U − (Ri + R pc )⋅ I i n≈ U − (Ri + R pc )⋅ I i K En ⋅ Φ 55 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Regulación de velocidad en motores DC Variando la tensión del inducido 2 ⋅ ue ≈ 0 n≈ U K En ⋅ Φ Término de regulación − ( Ri + R pc ) ⋅ I i K En ⋅ Φ M = K ⋅ Φ ⋅ Ii Influencia del índice de carga 56 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Regulación de velocidad en motores DC Variando el flujo del inductor 2 ⋅ ue ≈ 0 n≈ U − ( Ri + R pc ) ⋅ I i K En ⋅ Φ M = K ⋅ Φ ⋅ Ii La variable de control “Φ” está en el denominador y además afecta al par.
57 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Arranque de motores DC Aumentando lentamente la tensión del inducido hasta Un n≈ U K En ⋅ Φ − ( Ri + R pc ) ⋅ I i K En ⋅ Φ M = K ⋅ Φ ⋅ Ii E = K En ⋅ Φ ⋅ n I a = I i ( n =0 ) = U Ri + R pc Reglamento electrotécnico para baja tensión. BOE 18-09-2002. (ITC-BT-47 Motores).
De 0.75 a 1.5 kW Ia/In < 2.5 De 1.5 a 5 kW Ia/In < 2.0 Para más de 5 kW Ia/In < 1.5 58 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Inversión del sentido de giro Motor derivación En funcionamiento normal el motor DC gira en sentido positivo. Esto depende de la polaridad N-S del campo magnético y del sentido de la corriente en el inducido.
59 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Inversión del sentido de giro Motor derivación Para invertir el sentido de giro de un motor DC se debe invertir el sentido de la corriente del inducido manteniendo la polaridad N-S del campo magnético del inductor.
60 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Frenado dinámico del motor DC con excitación independiente Ii Ie cte + Mr n U Rbr A + J M Ue cte B G K - H Inicialmente la máquina DC funciona como motor y se alimenta de una fuente de tensión continua U.
61 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Frenado dinámico del motor DC con excitación independiente La máquina DC pasa a funcionar como generador obteniendo el par de arrastre de la inercia mecánica de su eje. La energía se disipa en Rbr.
62 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 La máquina DC como generador y motor U n Ii Ii + + Ri 2º U<E Ri + U A G E + U Ma B - - A M E n (+) 1º U>E n (+) Mr B - - Ii Ii M Ii - - Ri 3º U>E Ri - U E - A M U B + E n (-) + A G Mr n (-) B + 4º U<E Ma + 63 La máquinade de corriente continua Técnicas Análisis Adicionales Capítulo 5 Bibliografía: Curso Moderno de Máquinas Eléctricas Rotativas (Tomo II).
Máquinas de Corriente Continua.
Manuel Cortés Cherta.
Editorial Reverté.
ISBN: 9788471460530 280 páginas.
Webs de interés: • www.tuveras.com (Apartado de máquinas).
• www.walter-fendt.de/ph14s/ (Apartado de electrodinámica).
• http://books.google.es/ M. Cortés Cherta Máquinas de Corriente Continua Editores Técnicos Asociados 64 ...