MAQUINAS ELECTRICAS

MAQUINAS ELECTRICAS
MODULO DE AUTOAPRENDIZAJE
V1-13-10-2015
SESION 9.2: EXCITACIÓN DE LAS MAQUINAS DE C.C.
1. INTRODUCCION
La forma como se produce el flujo magnético en las máquinas de corriente contínua (cc), estas máquinas
se clasifican en:
EXCITACIÓN INDEPENDIENTE
AUTOEXCITADAS.
•
EXCITACIÓN SERIE
•
EXCITACIÓN SHUNT
•
EXCITACIÓN COMPUND
EXCITACIÓN INDEPENDIENTE
El bobinado de excitación de la máquina es alimentado por una fuente de c.c. exterior. La corriente de
excitación puede ser regulada por un reostato o por la propia fuente. Su utilización es limitada por
necesitar de una fuente exterior para su excitación.
MAQUINAS AUTOEXCITADAS
La fuente de alimentación del bobinado de excitación llega a través del inducido de la propia máquina.
En los generadores el flujo inicial de excitación se produce por histérisis.
En los motores, el bobinado de excitación se alimenta a través de la red de c.c.
EXCITACIÓN SERIE
Son de pocas espiras y sección grande, para tener la menor caída de tensión posible. Las bobinas
inductoras son recorridas por la misma corriente generada por el inducido y absorbidas por la carga.
Msc. César L. López A
Ingeniero en Energía - Mecánico Electricista
CIP 67424
Página 1
MAQUINAS ELECTRICAS
MODULO DE AUTOAPRENDIZAJE
V1-13-10-2015
EXCITACIÓN SHUNT
El circuito inductor está conectado está conectado
en derivación con el circuito inducido y con la carga.
Las bobinas están constituidas por un número
elevado de espiras y poca sección.
EXCITACIÓN COMPUND
Constituida por dos circuitos, uno serie y otro en
derivación.
Esta
máquina
reúne
las
características de la conexión serie y de la
conexión shunt, por lo que mejora bastante las deficiencias de las anteriores.
2. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNA MAQUINA DE CC: MOTOR
Hay cinco tipos principales de motores de c.c..
1. Motores de Excitación externa.
2. Motores de excitación en derivación
3. Motores de imán permanente
4. Motores de excitación Serie,
5. Motores de excitación compound
Para un motor cc, 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 caída 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
Msc. César L. López A
Ingeniero en Energía - Mecánico Electricista
CIP 67424
Página 2
MAQUINAS ELECTRICAS
MODULO DE AUTOAPRENDIZAJE
V1-13-10-2015
que producen el flujo magnético están representadas por la inductancia L F 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
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 las
máquinas, son las herramientas necesarias para analizar el comportamiento y el funcionamiento de una
máquina de c.c.
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
Msc. César L. López A
Ingeniero en Energía - Mecánico Electricista
CIP 67424
Página 3
MAQUINAS ELECTRICAS
MODULO DE AUTOAPRENDIZAJE
V1-13-10-2015
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.
MOTORES DC CON EXCITACIÓN SEPARADA
Msc. César L. López A
Ingeniero en Energía - Mecánico Electricista
CIP 67424
Página 4
MAQUINAS ELECTRICAS
MODULO DE AUTOAPRENDIZAJE
V1-13-10-2015
MOTORES DC EN
DERIVACION.
MOTORES
DC
EN
SERIE.
MOTORES
DC
COMPUESTOS.
Msc. César L. López A
Ingeniero en Energía - Mecánico Electricista
CIP 67424
Página 5
MAQUINAS ELECTRICAS
MODULO DE AUTOAPRENDIZAJE
V1-13-10-2015
3. 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
inducido, aumenta el par inducido (
IA = (VT - EA↓ )/RA aumenta. Cuando aumenta la corriente del
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)
Esta ecuación representa justamente una línea recta con pendiente negativa, como se muestra en la
figura.
4. EJEMPLO 1
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 R adj+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.
Msc. César L. López A
Ingeniero en Energía - Mecánico Electricista
CIP 67424
Página 6
MAQUINAS ELECTRICAS
MODULO DE AUTOAPRENDIZAJE
V1-13-10-2015
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
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
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
5. ANALISIS NO LINEAL DE UN MOTOR EN DERIVACION
El flujo Φ y, por tanto, el voltaje generado EA de una máquina cc 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 E A 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.
Msc. César L. López A
Ingeniero en Energía - Mecánico Electricista
CIP 67424
Página 7
MAQUINAS ELECTRICAS
MODULO DE AUTOAPRENDIZAJE
V1-13-10-2015
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:
6. EJEMPLO 2.
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:
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:
Msc. César L. López A
Ingeniero en Energía - Mecánico Electricista
CIP 67424
Página 8
MAQUINAS ELECTRICAS
MODULO DE AUTOAPRENDIZAJE
V1-13-10-2015
7. PRACTICA DE AUTOCOMPROBACION
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. Cuáles 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 generador cc. Realice una jerarquización.
Msc. César L. López A
Ingeniero en Energía - Mecánico Electricista
CIP 67424
Página 9
MAQUINAS ELECTRICAS
MODULO DE AUTOAPRENDIZAJE
V1-13-10-2015
14. El siguiente motor, se
conecta en derivación,
presenta
la
las
siguientes
características
y
el
circuito equivalente
.
a) Si se ajusta la resistencia Radj en 175 Ω. Cuál es la velocidad de rotación del motor en
condiciones de vacío.
b) Si no existe reacción del inducido, ¿ cuál es la velocidad del motor a plena carga?.
c) 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)
d) 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?
Msc. César L. López A
Ingeniero en Energía - Mecánico Electricista
CIP 67424
Página 10