Document

Universidad de Oviedo
Tema VI: La máquina de
corriente continua
Dpto.
Dpto. de
de Ingeniería
Ingeniería Eléctrica,
Eléctrica,
Electrónica
Electrónica de
de Computadores
Computadores yy
Sistemas
Sistemas
6.1. La máquina de CC:
generalidades
●
●
●
●
●
La máquina de CC consta de dos devanados alimentados con CC:
uno llamado inductor que está en el estator de la máquina y otro
llamado inducido que está en el rotor.
En el caso de funcionamiento como motor ambos devanados
están alimentados con CC. En el caso de funcionamiento como
generador se alimenta con CC el inducido y se obtiene la FEM
por el inductor (también continua).
Su funcionamiento se basa en la existencia de un mecanismo
llamado colector que convierte las magnitudes variables generadas o aplicadas a la máquina en magnitudes constantes.
Se utilizan en tracción eléctrica (tranvías, trenes etc.) y en accionamientos donde se precisa un control preciso de la velocidad.
Están en desuso debido a su complejo mantenimiento.
1.
1. Culata
Culata
2.
2. Núcleo
Núcleo polar
polar
3.
3.
6.2. Despiece de una
máquina de CC
Expansión
Expansión polar
polar
4.
4. Núcleo
Núcleo del
del polo
polo auxiliar
auxiliar o
o
de
de conmutación
conmutación
5.
5. Expansión
Expansión del
del polo
polo
auxiliar
auxiliar o
o de
de conmutación
conmutación
6.
6.
Núcleo
Núcleo del
del inducido
inducido
1
9
8
2
12
10
3
6
7.
7. Arrollamiento
Arrollamiento de
de inducido
inducido
8.
8. Arrollamiento
Arrollamiento de
de
excitación
excitación
9.
9. Arrollamiento
Arrollamiento de
de
conmutación
conmutación
10.
10. Colector
Colector
11.
11. –
– 12.
12. Escobillas
Escobillas
11
5
7
4
 M. F. Cabanas:
Cabanas:
Técnicas para el
mantenimiento y
diagnó
diagnóstico de
máquinas elé
eléctricas
rotativas
Motores de CC
Catá
Catálogos comerciales
Motor de CC para
aplicaciones de
robótica
Pequeños motores de CC
e imanes permanentes
Fotografí
Fotografía realizada en los talleres de ABB Service Gijó
Gijón
Catá
Catálogos comerciales
Motor de CC de 6000 kW fabricado por ABB
6.3. Funcionamiento
como generador I
Fuerza externa que
hace girar a la
espira
Imanes permanentes o campo magnético
creado por una corriente continua
N
N
S
Escobillas
Anillos
rozantes
S
Instrumento de medida
 M. F. Cabanas:
Cabanas:
Técnicas para el
mantenimiento y
diagnó
diagnóstico de
máquinas elé
eléctricas
rotativas
La FEM que se obtiene a la salida de la máquina varía en el tiempo ya
que esta máquina no dispone de colector
6.3. Funcionamiento
como generador II
dφ = B ⋅ darea
area
dφφ == B ⋅⋅ l ⋅⋅ r ⋅⋅ dα
α
φφ ==
ππ−−αα
∫ B ⋅⋅l ⋅⋅r ⋅⋅ dαα
αα
φφ == B ⋅⋅ l ⋅⋅ (ππ −− 2α
α)
Si
Si la
la espira
espira gira
gira con
con velo
velocidad
α
dt
cidad angular
angular ω
ω=d
=dα
α//dt
mientras
mientras se
se mueva
mueva en
en la
la
zona
zona del
del flujo
flujo se
se inducirá
inducirá
en
en ella
ella FEM:
FEM:
d
d

α 
dφφ
dα
== −−B
E

B ⋅⋅ll⋅⋅rr−− 22
E == −−
dt
dt
dt
dt 

E = 2 ⋅B ⋅l⋅ V
dα
E
 L. Serrano:
Fundamentos de
máquinas elé
eléctricas
rotativas
V = R⋅ω
Con la máquina girando
a una cierta velocidad V,
la fem que se induce es
alterna: cambia de
signo cada vez que se
pasa por debajo de cada
polo.
El colector es un
dispositivo que invierte
el sentido de la FEM
para obtener una
tensión continua y
positiva
E
N
N
E = 2 ⋅B ⋅l⋅ V
E
N
S
2BlV
2BlV
Polos inductores
de la máquina
ππ
0
ππ
2π
-2BlV
-2BlV
E
SS
N
N
SS
2BlV
2BlV
2BlV
2BlV
00
ππ
2π
ππ
2π
Colector elemental (2 delgas)
ππ
2π
ππ
2π
Colector real (muchas delgas)
00
6.4. El colector
Catá
Catálogos
comerciales
 M. F. Cabanas:
Cabanas:
Técnicas para el
mantenimiento y
diagnó
diagnóstico de
máquinas
elé
eléctricas
rotativas
Colector
Escobillas
Sentido de rotación
de la espira
Colector
real
Colector de dos
delgas
1
2
1
2
1
 M. F. Cabanas:
Cabanas:
Técnicas para el
mantenimiento y
diagnó
diagnóstico de
máquinas
elé
eléctricas
rotativas
2
- +
0
- +
Instante Inicial
Conmutación
Inversión de la polaridad
6.5. FEM inducida en
un máquina de CC
FEM
FEM EN
EN UNA
UNA ESPIRA
ESPIRA
FEM
FEM DE
DE INDUCIDA
INDUCIDA POR
POR EL
EL
DEVANADO
DEVANADO COMPLETO
COMPLETO DE
DE
LA
LA MÁQUINA
MÁQUINA
{
E = 2 ⋅B ⋅l⋅ V
2 VBl
E = N⋅
a
ϕϕ == B ⋅⋅ Ap
Ap ≅≅
Ap=área del
polo
N=nº total de espiras
a=nº de circuitos en
paralelo
A Rotor
2ππ ⋅⋅ r ⋅⋅ l ππ ⋅⋅ r ⋅⋅ l
Rotor =
==
=
2p
Nºpolos
p
polos
2V P ⋅ ϕ
E = N⋅
⋅
a π ⋅r
2π
V = ω⋅r = n⋅
⋅r
60
B = ϕ⋅
{
N⋅p
E=4
n⋅ϕ
60a
P
π⋅r ⋅l
n=Velocidad en RPM
r= radio
E = K ⋅n⋅ϕ
6.6. Par interno de
una máquina de CC
PAR
PAR CREADO
CREADO POR
POR UNA
UNA ESPIRA
ESPIRA
PAR
PAR CREADO
CREADO POR
POR EL
EL
DEVANADO
DEVANADO COMPLETO
COMPLETO
DE
DE LA
LA MÁQUINA
MÁQUINA
I
TTOTAL
N
B
l
r
=
⋅
2
⋅
⋅
⋅
TOTAL
a
N=nº total de espiras
I
Tespira
= 2B ⋅ l ⋅ r ⋅ I espira
= 2B ⋅ l ⋅ r ⋅
espira
espira
a
a=nº de circuitos en paralelo
I=Corriente rotor (inducido)
P
B = ϕ⋅
π⋅r ⋅l
TTOTAL
TOTAL
TTOTAL
= K ⋅ϕ⋅I
TOTAL
I= Corriente de inducido
2P ⋅ N
=
⋅ϕ⋅I
π⋅a
6.7. Formas de excitación I
●
El campo magnético de la máquina de CC puede generarse
mediante imanes permanentes, o con bobinas alimentadas
con CC (caso habitual):
●
Según la forma de alimentación de las bobinas se tienen 2
tipos de excitación:
! Excitación independiente: la corriente que alimenta al devanado inductor es ajena a la propia máquina, procede de una
fuente independiente externa.
! Autoexcitación: la corriente de excitación en este caso procede de la propia máquina. Según la forma de obtener esta
corriente existen 3 tipos diferentes de máquina de CC:
● Excitación Serie: devanado inductor en serie con el inducido
● Excitación derivación: devanado inductor conectado directamente a las escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido.
● Excitación compuesta o mixta: una bobina en serie y la otra
en paralelo.
Resistencia
Resistencia del
del inducido
inducido
6.7. Formas de
excitación II
Resistencia
Resistencia
del
del inductor
inductor
Resistencia
Resistencia del
del
inducido
inducido
Rex
ex
Uex
ex
Lex
ex
Tensión
Tensión
excitación
excitación
FEM
FEM
Inducida
Inducida
Inducido
Inductor
Motor
Motor de
de excitación
excitación
independiente
independiente
Rex
ex
E
Uex
ex
Uii
Lex
ex
Inducido
Inducido
Inductor
Inductor
Motor
Motor de
de excitación
excitación
derivación
derivación
Rii
E
Rii
Resistencia
Resistencia del
del
inducido
inducido
Inductor
Inductor
Uii
Rii
Rex
ex
L
Lex
ex
E
Inducido
Inducido
Motor
Motor de
de excitación
excitación
serie
serie
U
Uii
Resistencia
Resistencia
del
del inducido
inducido
Rii
Inductor 1
Rex1
ex1
Lex1
ex1
Rex2
ex2
Inductor 2
E
Lex2
ex2
Inducido
Motor
Motor de
de excitación
excitación
compuesta
compuesta larga
larga
Inductor 2
Resistencia
Resistencia del
del
inducido
inducido
Rii
E
Rex2
ex2
Rex1
ex1
Inductor 1
Lex1
ex1
Inducido
Motor
Motor de
de excitación
excitación
compuesta
compuesta corta
corta
Lex2
ex2
Uii
Uii
6.8. La reacción de inducido I
Al circular corriente
por el inducido se va
a crear un campo que
distorsiona el campo
creado por los polos
inductores de la
máquina
Esta distorsión del
campo recibe el
nombre de reacción
de inducido
EFECTOS
PRODUCIDOS
POR LA
REACCIÓN DE
INDUCIDO
E
N
S
2BlV
2BlV
FEM
FEM con
con reacción
reacción
de
de inducido
inducido
DESPLAZAMIENTO
LÍNEA NEUTRA
0
ππ
ππ
2π
-2BlV
-2BlV
Desplazamiento de la “plano o línea neutra” (plano
en el que se anula el campo
Disminución del valor global del campo de la
máquina
6.8. La reacción de inducido II
Desplazamiento
de la “plano o
línea neutra”
 Mulukutla S.
Sarma:
Sarma: Electric
machines
PROBLEMAS DURANTE
LA CONMUTACIÓN
POLOS DE
CONMUTACIÓN
REDUCCIÓN PAR Y
AUMENTO VELOCIDAD
Disminución del
valor global del
campo de la
máquina
LOS POLOS DE CONMUTACIÓN COMPENSAN
LOCALMENTE LA REACCIÓN DE INDUCIDO
ELIMINANDO LA DISTORSIÓN DEL CAMPO
6.9. La máquina de CC como
generador I
Iex
ex
Rex
ex
Uex
ex
Lex
ex
Rii
E
Uii
FEM
FEM
Inducida
Inducida
Inducido
Inductor
Generador con excitación
independiente
Se hace girar el inducido y se
alimenta el inductor. La tensión de
excitación controla la FEM E y, por
tanto, la tensión de salida Ui
La tensión de salida crece
proporcionalmente con la velocidad
de giro n
N⋅p
E=4
n⋅ϕ
60a
E = K ⋅n⋅ϕ
La relación entre la corriente de excitación y la FEM inducida no
es lineal: existe saturación
6.9. La máquina de CC como
generador
II
I
Rii
En la generador en derivación la propia
tensión de salida del generador se
utiliza para producir la excitación
Rex
ex
E
Uex
ex
Uii
Uex=Ui
Lex
ex
Inducido
Inducido
E
Inductor
Inductor
Curva de magnetización
E2
Generador con excitación
derivación
El generador “arranca” gracias al magnetismo
remanente siguiendo un proceso de
E1
+R ]
E
E == II ⋅⋅ [R
R ex
ex + Rii
AUTOEXCITACIÓN
Magnetismo
remanente
ϕR
Se repite hasta el
pto. de equilibrio
ER
E2
IIRR ==
I1
E
ERR
R
Rex
+R
Rii
ex +
E1
Pto. de
equilibrio
ER
Iex
IR
I1
6.10. Curvas características
de los motores de CC I
Resistencia
Resistencia
del
del inductor
inductor
Resistencia
Resistencia del
del
inducido
inducido
R
Rex
ex
U
Uex
ex
LLex
ex
Tensión
Tensión
excitación
excitación
Inductor
Inductor
Resistencia
Resistencia del
del inducido
inducido
R
Rii
R
Rii
E
E
E
E
U
Uii
R
Rex
ex
U
Uex
ex
U
Uii
FEM
FEM
Inducida
Inducida
LLex
ex
Inducido
Inducido
Inducido
Inducido
Inductor
Inductor
Motor
Motor de
de exc
exc.. derivación
derivación
Motor
Motor de
de exc
exc.. independiente
independiente
Desde el punto de vista funcional ambos motores son muy similares ya que el
inducido está sometido a una tensión constante
Uii = E − R ii ⋅Iii
Ecuación del motor derivación e
independiente
E = K ⋅ n ⋅ ϕϕ
T = K '⋅ϕϕ ⋅ Iii
Ec. General maq. CC
n=
Uii
T
−
⋅ R ii
2
2
K ⋅ϕ
ϕ K ⋅ K '⋅ϕ
ϕ
Iii =
T
K '⋅ϕϕ
Uii = K ⋅ ϕϕ ⋅ n +
T
⋅ R ii
K '⋅ϕϕ
6.10. Curvas características
de los motores de CC II
Curva par-velocidad de los
motores de excitación
independiente y derivación
n=
Uii
T
−
⋅ R ii
2
2
K ⋅ϕ
ϕ K ⋅ K '⋅ϕ
ϕ
n
CONSIDERANDO
CTES. Ui y ϕ
CARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD
n=f(Ii)
Uii = E − R ii ⋅Iii
E = K ⋅ n ⋅ ϕϕ
Pendiente
Pendiente 2
2–
– 8%
8%
Aumento
Aumento
de
Rii
de R
T
CARACTERÍSTICA DURA
n
ϕ=cte
Uii
R ii ⋅ Iii
n=
−⋅
K ⋅ϕ
K ⋅ϕ
Iii
6.10. Curvas características
de los motores de CC III
Resistencia
Resistencia del
del
inducido
inducido
Rii
E
Inductor
Inductor
Rex
ex
Iii=Iex
ex
L
Lex
ex
Ii=Iex
U
Uii
Inducido
Inducido
Motor
Motor de
de excitación
excitación serie
serie
E = K ⋅ n ⋅ ϕϕ
Ec. General maq. CC
T = K '⋅ϕϕ ⋅ Iii
Ec. General maq. CC
n=
En el motor serie el devanado de
excitación y el inducido están conectados
en serie. Iex=Ii y esta última depende de
la carga arrastrada por el motor, por tanto, sus características funcionales serán
distintas de las del motor de exc. indep.
]
E = Uii − [R ii + R ex
ex ⋅I ii
]
Uii − [R ii + R ex
ex ⋅ I ii
K ⋅ ϕϕ
La relación entre
Iex y el flujo ϕ
viene definida por
la característica
magnética (B-H)
de la máquina
n=
Ecuación del
motor serie
[R + R ex
]
Uii
ex ⋅ T
− ii
K ⋅ ϕϕ
K ⋅ K '⋅ϕϕ22
ϕ
ϕ
Zona
Zona lineal
lineal
ϕ
CIex
ϕ=
=CI
ex
IIex
ex
6.10. Curvas características
de los motores de CC IV
Como Iex=Ii en
la zona lineal del
motor se cumple:
ϕ=CIi
2
T = K '⋅C ⋅ Iii 2
En la zona lineal
(pares bajos)
Iii =
La característica mecánica cuando el
motor trabaja en la zona lineal (pares
bajos). ES UNA HIPÉRBOLA
En la zona de
saturación
(cuando al
motor se
exigen pares
elevados) se
puede admitir
ϕ=Cte
T = Cte
SUSTITUYENDO
n = Cte − Cte ⋅ T
La característica
mecánica en la zona
de saturación (pares
altos) ES UNA RECTA
T
K '⋅C
n=
SUSTITUYENDO
Uii
− Cte
Cte ⋅ T
n
NO puede trabajar
con cargas bajas
porque tiende a
embalarse
T
6.10. Curvas características
de los motores de CC V
CARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD n=f(Ii)
]
E = Uii − [R ii + R ex
ex ⋅I ii
E = K ⋅ n ⋅ ϕϕ
Ecuación del
motor serie
n
En la zona de
saturación es
una recta
decreciente
Ec. General maq. CC
]
Uii = K ⋅ ϕϕ ⋅ n + Iii ⋅ [R ii + R ex
ex
n=
n=
]
I ⋅ [R ii + R ex
U
ex
− ii
K ⋅ ϕϕ
K ⋅ ϕϕ
[R + R ex
]
U
ex
− ii
Cte ⋅ Iii
Cte
Como Iex=Ii en
la zona lineal del
motor se cumple:
ϕ=CIi
La característica de velocidad cuando el motor
trabaja en la zona lineal ES UNA HIPÉRBOLA
Iii
En la zona de saturación se
puede admitir ϕ=Cte
n=
]
I ⋅ [R ii + R ex
U
ex
− ii
Cte
Cte
6.11. Variación de velocidad
en los motores de CC I
Variación de la tensión de inducido
manteniendo el flujo constante
VARIACIÓN DE LA
VELOCIDAD DEL
MOTOR
A n<nnominal se mantiene el flujo
constante y se varía la tensión de inducido
Variación de la excitación
(debilitamiento del campo)
E = K ⋅ n ⋅ ϕϕ
Se usa con n>nnominal.
Al disminuir la excitación
disminuyen el flujo y el par
pero aumenta la velocidad
T = K '⋅ϕϕ ⋅ Iii
DISPOSITIVOS
PARA LA
VARIACIÓN DE
TENSIÓN
CONTINUA
Ec. General maq. CC
Rectificadores controlados
Troceadores (“Choppers”)
6.11. Variación de velocidad en
los motores de CC II
V RR
+
V SS
+
V TT
+
Vcc
Diodos
T1
T3
T5
T4
T6
T2
“CHOPPER” DE
4 CUADRANTES
Transistores
VS
800
800 u ’(V)
udd’(V)
600
600
400
400
VRR
+
200
200
VSS
+
VTT
+
00
-200
-200
-400
-400
-600
-600
-800
-800
t(ms)
t(ms)
00
22
44
66
88
10
10
12
12
14
14 16
16
18
18
20
20
RECTIFICADOR CONTROLADO
T1
T1
T4
T4
Tiristores
T3
T3
T5
T5
T6
T6
T2
T2
VS