Máquinas DC
190
Principios electromagnéticos Todo conductor eléctrico recorrido por una corriente genera a su alrededor un campo magnético. Fuerza electromagnética:
Al circular una corriente por un conductor situado dentro de un campo magnético se produce una fuerza que, tiende a mover al conductor en dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético. F F = I ß l sen
N
ß I
S
α
I = intensidad de corriente (A) ß = inducción (Teslas) l = Longitud (m) α = Ángulo formado por el conductor y la dirección del campo magnético.
En los motores eléctricos, el conductor y el campo magnético forman 90º.
Principios electromagnéticos Inducción electromagnética:
En un conductor que se mueve en un campo magnético cortando las líneas de fuerza fuerza del campo campo se crea o genera genera una fem inducida inducida E. E
d
El signo negativo es debido a que se opone a la causa que la originó.
dt
Esta fuerza electromotriz inducida depende de la variación de flujo con respecto al tiempo: El fluj flujoo (Ø) (Ø) es el núm númer eroo total total de de líne líneas as de ind induc ucci ción ón magné agnétitica ca que que atra travies viesaa una sup superfi erfici ciee:
d ds La superficie es: (ver figura) ds l de Por física: Sustituyendo, la fem es:
de v dt
E l v
Introducción •
Dados los medios de rectificación de corrientes alternas en corriente continua de que ahora se dispone, resulta fácil y práctico la utilización de motores de corriente continua, debido principalmente a las posibilidades que tienen de regular su velocidad en función de las necesidades del proceso. 193
Introducción Las posibilidades de los motores DC se han multiplicado, sobre todo en procesos en los que el control y variación de la velocidad resulta imprescindible para el funcionamiento de las máquinas. 194
Constitución La máquinas de corriente continua está constituido por una parte fija o estator, donde se encuentra el devanado inductor, y una parte móvil o rotor formado por el inducido y el colector de delgas. 195
Estator •
•
El estator sirve de soporte al resto de elementos y constituye el camino de retorno para el flujo producido por los devanados de excitación. Estos devanados están arrollados sobre los núcleos polares. El conjunto constituido por bobina de excitación, núcleo polar y zapata polar se conoce con el nombre de polo de excitación o polo principal.
196
197
Devanados del inducido y de excitación •
•
El otro devanado (inducido) es aquel en el que se induce una fuerza contraelectromotriz que da lugar a un par motor. La función principal de uno de los circuitos (el de excitación) es producir el campo magnético.
198
Campo serie Se caracteriza por:
Sección : gruesa Longitud: corta (pocas espiras) Resistencia eléctrica: baja Conexión: en serie con el devanado de armadura
199
Campo Shunt Se caracteriza por:
Sección : delgada Longitud: grande (gran # de espiras) Resistencia eléctrica: alta Conexión: en paralelo con el devanado de armadura
200
Rotor •
El rotor está formado por una corona de material ferromagnético que presenta en su superficie externa un ranurado donde se aloja el devanado inducido del motor. 201
Colector •
•
•
El colector es un conjunto de delgas (segmentos de cobre aisladas entre si), que se encuentran en el eje del rotor. Los terminales de las bobina se sueldan a las delgas. El conjunto colector y escobillas permite la rectificación.
202
Tipos de bobinado del inducido •
•
•
Se tiene dos tipos de bobina: Bobinado imbricado: se utiliza para grandes intensidades y tiene muchos recorridos en paralelo. Requiere de un gran número de polos de campo y un número igual de escobillas. Bobinado ondulado: se emplea para grandes voltajes. Cuenta con dos recorridos en paralelo y dos escobillas independientemente del número de polos.
203
Bobinado imbricado
204
Bobinado ondulado
205
Interpolos •
En motores de potencia superior a 1kW, aparte de los polos principales, existen otro tipo de polos más pequeños a los que se les denomina polos auxiliares. La misión de estos polos es la de lograr una buena conmutación.
206
Mejora de la conmutación •
Para mejorar la conmutación se incluye los interpolos, de allí que también se les llame polos de conmutación.
207
Devanado de compensación •
Para grandes potencias y cuando los motores se carguen bruscamente se incluye el devanado de compensación, que genera un campo magnético de sentido contrario al campo creado por la armadura y este campo varía en forma proporcional a la carga (corriente por la armadura) dado que se conecta en serie con el inducido. 208
Tensión inducida Tensión inducida en la bobina es máximo:
Tensión inducida en la bobina es cero: Plano Neutro Plano imaginario perpendicular a las línea de flujo magnético de los polos.
Rectificación
Inductor
210
Rectificación mecánica •
•
•
Una forma de enviar la f.e.m. inducida en la espira a un circuito exterior es emplear el llamado colector de delgas. Se observa que los extremos de la espira van a parar a un anillo formado por dos segmentos de cobre denominados delgas, aisladas entre sí del eje de la máquina. Sobre las delgas van colocadas unas escobillas fijas en el espacio, a las cuales se conecta el circuito exterior. La misión del colector de delgas es obligar a que la corriente que atraviesa el circuito exterior circule siempre en el mismo sentido.
211
Fuerza contraelectromotriz (EC) Es importante considerar que al girar el inducido se creará en el mismo una determinada tensión eléctrica, de sentido contrario a la fuente, que se opone al paso de la corriente para compensar así las variaciones de flujo magnético producida, denominada fuerza contraelectromotriz .
E C K n 212
Tensión inducida (Ea)
.
Figura 1. Esquema lineal de un bobinado imbricado del inducido para una máquina con dos pares de polos.
Figura 2. Tensión de salida para un generador con cuatro delgas.
Tensión inducida (Ea) La tensión inducida es directamente proporcional al número de polos (p)
Ea
p
Tensión inducida (Ea) Ea
N
La tensión inducida es directamente a la velocidad (N) Ea
Ф
La tensión inducida es directamente al flujo magnético (Ф) 215
Tensión inducida (Ea)
Ejemplo aplicativo 1: Calcular la tensión inducida en el devanado de la armadura de una máquina DC de 4 polos, devanado imbricado, que tiene 728 conductores activos y gira a 1800 RPM. El flujo magnético por polo es 30 mWb.
Ejemplo aplicativo 2: Repetir el mismo ejercicio considerando que el tipo de bobinado es ondulado. Comentar resultados.
Ejemplo •
Una generador DC hexapolar tiene un devanado rotórico ondulado de 72 ranuras y 6 conductores por ranura.
1. Deducir la expresión de la fem inducida en el devanado del rotor. 2. Calcular el flujo magnético necesario para generar una tensión de 250V a una velocidad de 1000rpm.
221
222
223
Campo creado por la excitación excitación El campo creado por los polos magnéticos son perpendiculares al plano neutro. Plano neutro: es la zona donde una bobina no induce tensión.
224
Reacción del inducido •
La corriente que circula por el devanado del inducido da lugar a un campo transversal que afectará al campo principal. 225
Campo resultante •
El campo principal se perturba debido a la presencia del campo de la armadura, perturbación que depende de la magnitud de la carga.
226
Reacción de armadura
•
ФA =
Flujo de reacción de armadura
•
ФFIELD =
Flujo principal.
•
ФTOTAL=
Flujo resultante.
Corrimiento de la zona neutra •
Producto de la reacción de la armadura provoca el corrimiento del plano neutro en sentido contrario al sentido de giro del motor.
228
Chisporroteo
Producto del corrimiento del neutro, la conmutación se efectúa fuera del plano neutro, haciéndose que se cortocircuite bobinas con tensión, provocándose un elevado chisporroteo.
229
GENERADOR DC
231
Tensión inducida The voltage produced in a DC generator is inherently AC and only becomes DC after rectification Consider an AC generator, consisting of a coil on the rotor and a permanent magnet for the stator. •
•
a pair of slip rings and stationary brushes provide a current path from the rotor to the external environment a load would be connected to the brushes, x and y
232
Tensión inducida •
•
•
An external prime mover provides a torque that spins the rotor the coil revolve inside the magnetic field as the individual conductors cut through the flux, a voltage is induced
233
Tensión inducida
•
•
maximum instantaneous voltage appears across x and y when the coil is passing through the horizontal plane no flux is cut when the coil is passing through the vertical plane, resulting in a zero voltage across x and y
234
Generación DC A unidirectional pulsating dc voltage can be generated by switching the brushes from one slip ring to the other every time the polarity changes at the zero crossing •
•
one brush x would always be at a positive potential the other brush y would always be at a negative potential
235
Generación DC •
A commutator provides the crossover rectification process. •
a commutator is a single slip ring split into two halves with each segment insulated from the other
236
Generación DC The commutator revolves with the coil. •
•
•
•
•
voltage between the two segments is picked up by the brushes the voltage between brushes x and y pulsate but never change polarity the commutator acts as a mechanical reversing switch the alternating voltage in the coil is rectified by the commutator the constant polarity between x and y causes the current in the external load to flow in the same direction
237
Generación DC
238
Diferencias entre generadores AC y DC •
The elements of the AC and DC generators are essentially the same and are assembled together in the same way •
•
the basic operating principle is also the same: a coil rotates inside a magnetic field between the poles of a magnet, and develops a ac voltage
The machines only differ in the way the coils are connected to the external circuit •
an ac generator used slip rings
•
a dc generator uses a commutator
239
•
By increasing the number of coils to four, oriented at rightangles to each other, and dividing the commutator into four segments, the voltage waveshape is improved •
the voltage pulsates but never falls to zero
•
all four coils are identical
240
Tipos de Generadores DC Por la forma de excitación se tienen 2 y son: Generador de Excitación Independiente Requieren de una fuente DC para alimentar el devanado de campo. Generador Autoexcitado Requieren de la existencia del magnetismo remanente. Tenemos: Generador DC con excitación Shunt Generador DC con excitación Serie Generador DC con excitación Compuesta
Características
Circuito de campo, independiente del circuito de armadura. Requiere de una fuente DC externa. El flujo principal es afectado solamente de la reacción de armadura.
Ejemplo •
•
Un generador DC, tetrapolar con excitación independiente gira a una velocidad de 970rpm. La tensión en bornes es de 440 V, y la corriente del inducido de 125 A, siendo la resistencia del inducido de 0,12Ω. Considere que cada escobilla provoca 1 V de caída de tensión. Determinar (despreciando la reacción de inducido):
247
Ejemplo 1. El valor de la corriente que circula por los conductores del inducido. El arrollamineto es tipo imbricado. 2. El valor de la fem inducida. 3. El valor del flujo de inducción, siendo el número de conductores de 992. 4. La tensión en bornes trabajando en vacío. 5. A que velocidad gira la máquina para que su tensión en bornes sea de 440V (en vacío). 6. Que valor debería tener el flujo de inducción funcionando la máquina en vacío, para que a la misma velocidad la tensión siga siendo se 440V.
248
249
250
251
Generador DC Shunt •
Se cumple:
252
Generador DC Shunt •
La regulación de tensión es mayor a la del generador DC de excitación independiente
253
Generador DC Shunt Razones de la no autoexcitación
Que no exista magnetismo remanente Que la conexión del devanado de campo se encuentra invertido Que el valor de la resistencia del circuito shunt sea mayor o igual a las resistencias críticas. Si la carga conectada tenga un valor de resistencia muy pequeña (elevada carga)
254
Ejemplo •
Se conoce la característica en vacío de un generador derivación de 30KW, 290V, a una velocidad de 1200rpm, siendo la resistencia del devanado derivación de Rd=210Ω.
255
ejemplo Determinar:
a) La fem de vacío, si la corriente en el shunt es de 1 Amperio, sin reostato de excitación. b) A cuanto asciende esta fem si la velocidad aumenta a 1300rpm. c) Cual deberá ser la resistencia del reostato de excitación para que se produzca la desexcitación del generador. d) A qué velocidad se producirá la desexcitación del generador cuando se encuentre sin reostato de excitación.
256
257
258
259
260
Ejemplo •
•
La característica de vacío de un generador de excitación derivación, cuando gira a una velocidad de 1000rpm es la correspondiente a los valores indicados en la siguiente tabla: El devanado de inducido tiene una resistencia de 0,2Ω. Si la máquina se hace girar a 800rpm, calcular:
261
Ejemplo a) La tensión en bornes en vacío. b) La corriente que circulará por el inducido y por la carga cuando la tensión en bornes sea de 200V. La resistencia del devanado inductor es de 48Ω, pudiendo despreciarse la reacción de inducido. c) El valor de la resistencia crítica y del reostato para el cual la máquina deja de excitarse. d) El valor de la velocidad critica para el cual el generador no se excitará.
262
263
264
265
266
Ejemplo
267
268
269
270
271
272
273
Problema
275
Solución
276
Solución
277
Solución
278
Ejemplo Un generador DC en derivación suministra una potencia de 1620W con una tensión de 120V. El arrollamiento de excitación tiene una resistencia de 80 Ω. Calcular: 1. La intensidad de corriente eléctrica que circula por el inducido. 2. La potencia total suministrada por la dinamo si el inducido tiene una resistencia de 0,8 Ω. 3. El rendimiento eléctrico.
279
280
Ejemplo La resistencia del circuito de excitación de un generador DC en derivación es de 200 Ω. La máquina alimenta un circuito compuesto de elementos de calentamiento cuya resistencia es de 40 Ω. Si por el inducido circula una corriente de 3,6A. Determinar la intensidad de las corrientes de excitación y de carga. 281
282
Problema
283
Generador DC serie
284
Generador DC serie
Proceso de auto excitación
285
Generador DC serie Observaciones
A diferencia de los generadores anteriores, requiere que la carga se encuentre conectada, para iniciar el proceso de auto excitación La regulación de tensión resulta negativa.
286
Generador DC compuesto
287
Generador DC compuesto
288
Generador DC Compuesto
289
MOTOR DC
290
Sentido de giro •
El sentido de giro de un motor DC puede invertirse cambiando el sentido de la corriente por la armadura o el de la corriente por el campo. Resulta más seguro el primer método.
291
Parámetros característicos. •
Antes de todo vamos a considerar los parámetros característicos comunes a todos los motores DC. •
Velocidad.
•
Torque al eje.
•
Par máximo en el arranque.
•
Corriente en el inducido.
•
Rendimiento.
•
Potencia al eje. 292
Velocidad •
La fórmula fundamental es:
n Donde: •
•
•
•
Ec k
Ut Ia Ra k
es el flujo magnético, K una constante de proporcionalidad y Ec es la fuerza contraelectromotriz que se induce en todo motor DC.
La velocidad de un motor DC dependerá tanto de la tensión aplicada como del flujo inducido.
293
Velocidad •
De la ecuación de la velocidad notamos que la velocidad puede variarse de dos formas: •
•
•
Controlando la tensión en terminales. Controlando el campo magnético con la ayuda de la corriente de campo.
Un motor DC corre el riesgo de embalarse si el campo se reduce dráticamente o se pierde estando la armadura con tensión. 294
Par interno •
De la fórmula:
Ti k 1 Ia
se observa que el par Ti es función de la corriente de inducido Ia y del flujo de excitación
295
Par máximo en el arranque •
•
El par máximo en el arranque varia para cada tipo de motor, pero cumpliendo siempre la expresión anterior. Puede ser además de 1,5 a 2 veces superior al nominal, dependiendo de la velocidad de sobrecarga momentánea del motor.
296
Corriente del inducido •
•
El valor de la corriente del inducido Ia, de un motor DC viene dado siempre por la expresión:
Donde:
Ia
Ut Ec Ra
•
Vt es la tensión en los bornes del inducido,
•
Ec la fuerza contraelectromotriz y
•
Ra la resistencia del inducido.
297
Corriente de arranque •
En el arranque la fuerza contraelectromotriz en el momento del arranque es cero. Ello provoca una elevada corriente en el momento del arranque que puede quemar al inducido; razón por la cual se inserta resistencias en el arranque a fin de limitar dicha corriente.
I ARR
Ut Ra
I ARR
Ut Ra R ARR
Con resistencia de arranque
298
Curvas características Las características de funcionamiento del motor de c.c. dependen del tipo de excitación. Las características más importantes, siendo constante la tensión aplicada al motor, serán: Características de velocidad .‐representa la variación de la velocidad de giro en función de la corriente del inducido ( n Vs Ia). Características de par : representa la variación del par en función de la corriente del inducido (T Vs Ia). Característica mecánica : es la más importante para el estudio del sistema motor ‐carga (T vs n). 299
Par‐velocidad •
•
El par motor y la velocidad de rotación dependen el uno del otro. Esta es una característica esencial del motor. Es lineal y permite conocer la velocidad en vacío y el par de arranque del motor.
T T ARR
n0
n
De la curva par‐velocidad se deduce la curva de la 2 P ( kW ) T ( N m) n( r . p.m.) potencia útil del motor 60 300
Par‐velocidad •
Las curvas par‐velocidad y potencia útil dependen de la tensión de alimentación del motor. La tensión de alimentación dada para el motor corresponde a una utilización continua del motor a una temperatura ambiente de 20º C en el punto de funcionamiento nominal.
301
Par‐velocidad Pu
Es del todo posible alimentar el motor con una tensión distinta (en general comprendida entre el ‐50% y el +100% de la tensión prevista para el motor). Subalimentado, el motor será menos potente, sobre‐ alimentado, el motor será más potente, pero se calentará en exceso (necesario servicio intermitente).
Pmax
n 0/2
Pu: potencia útil. n0: velocidad de vacío
n0
n
302
Par‐velocidad •
•
•
Para variaciones de la tensión de alimentación del orden del ‐25% al +50%, la nueva curva par‐ velocidad resulta paralela a la antigua. Su par de arranque y su velocidad en vacío varían en el mismo porcentaje n% que la tensión de alimentación. La potencia útil máxima del motor está, con respecto a ésta, multiplicada por (1 + n%)2. 303
Par ‐ corriente •
•
Esta es la segunda característica importante del motor de corriente continua. La misma es lineal: permite conocer la corriente en vacío y la corriente con el rotor bloqueado (corriente de arranque) . Esta curva no depende de la tensión de alimentación del motor. Solo el extremo de la curva puede alargarse, más o menos, en función del par y de la corriente de arranque. 304
Par ‐ corriente T
T ARR
I0
I ARR
I
305
Par ‐ corriente •
•
•
Se denomina "constante del par" del motor a la pendiente de esta curva. Esta constante del par es tal que:
T ARRen rotación" a K ×I Se denomina "par de rozamiento T 0. K T I ARR I 0
306
Potencia ‐velocidad P
•
De la curva par‐ corriente, se deduce la curva de potencia absorbida en función de la velocidad de rotación del motor.
Pa
Pu
n0
n
max
n0
n
307
Potencia ‐velocidad •
•
•
La potencia útil (Pu) y la potencia absorbida (Pa) varían de forma distinta con la velocidad de rotación. El rendimiento () se halla también en función de la velocidad del motor. El rendimiento es máximo (MAX) para una velocidad de rotación dada superior a la mitad de la velocidad en vacío.
308
Sistemas de excitación 309
Sistemas de excitación •
•
Las distintas formas de conectar los arrollamientos de excitación de los motores DC constituyen la base para poder modificar ampliamente las formas de funcionamiento de estos motores. Según sea la conexión elegida, los motores reciben nombres especiales.
310
Sistemas de excitación •
A continuación se exponen los sistemas de excitación más utilizados en la práctica:
•
Excitación por Imanes Permanentes.
•
Excitación Independiente.
•
Autoexcitación: •
Excitación Serie.
•
Excitación Paralelo.
•
Excitación Compuesta.
311
Excitación por imanes permanentes
312
Excitación por imanes permanentes •
•
•
•
ventajas: No necesitan corriente magnetizante, reduciéndose así el gasto energético de la misma al no producirse, en el circuito de excitación, pérdidas por efecto Joule. Se consigue un primer abaratamiento en su construcción, al suprimirse los conductores que constituyen el devanado de excitación. Poseen una excitación estable. 313
Excitación por imanes permanentes •
Inconvenientes: que hacen limitado su uso exclusivamente en máquinas de muy baja potencia, los cuales pasamos a enumerar: •
•
•
Poseen un campo magnético fijo sin posibilidad de regulación. El campo magnético es relativamente débil, presentando la máquina unas elevadas dimensiones con relación a la potencia desarrollada. La tecnología de elaboración e imantación de los imanes permanentes es compleja y por tanto, costosa. 314
Excitación independiente
315
Excitación independiente •
El circuito de excitación es completamente independiente del circuito de inducido, y la red de alimentación del inducido puede ser distinta de la red de alimentación de la excitación. 316
Excitación independiente •
Este tipo de excitación presenta una gran ventaja sobre el resto de sistemas de excitación, dado que al poder ser la corriente inductora totalmente independiente de la tensión de red que alimenta al motor, permite una amplia gama de regulaciones del motor. Sin embargo, la necesidad de una fuente exterior limita las aplicaciones de la excitación independiente. 317
Características •
•
•
•
Tiene la mejor regulación de velocidad de los motores DC. Para reducir la velocidad se reduce la tensión en la armadura y para elevar la velocidad se reduce la corriente de campo. No se embalan en vacío. Se emplea cuando se requiere variar la velocidad en amplios rangos, por ejemplo en accionamientos de rectificadoras, fresadoras y otras máquinas herramientas de presición. 318
Excitación serie
319
Excitación serie •
El devanado de excitación está conectado en serie con la armadura, que es de sección gruesa y de pocas espiras (baja resistencia). 320
Características •
•
El par desarrollado es proporcional al cuadrado de la corriente por la armadura, de allí que su par de arranque es muy alto, resultando una de sus principales ventajas. Cuando la carga es muy pequeña o nula, la corriente por la armadura y el campo es también reducida, provocando embalamiento de la máquina. 321
Características •
•
•
Por el contrario, cuando la carga se eleva, también lo hace la corriente de campo, reduciéndose notoriamente la velocidad. En otras palabras, su regulación de velocidad es alta y dependiente de la carga. Se acoplan directamente a la carga, no emplean fajas, para evitar el riesgo de embalamiento. Se emplean en vehículos de tracción eléctrica, ascensores, etc.
322
Curvas características
323
Motor shunt
324
Motor shunt •
El devanado de campo de muchas espiras de sección delgada (elevada resistencia eléctrica) se conecta en paralelo a la armadura. 325
Características •
Su regulación de velocidad es bastante buena, aunque mayor que el excitación independiente.
•
Su par de arranque es bueno.
•
Su corriente de arranque es alta.
•
•
El torque desarrollado es directamente proporcional a la corriente de la armadura. Si en operación normal, se abre el campo se embala. 326
Aplicación •
El motor shunt o paralelo se emplea en todos aquellos casos en que sea preciso una velocidad de giro uniforme, por ejemplo, para accionar máquinas herramientas.
327
Curvas características
328
Motor de excitación compuesta
329
Motor compuesto •
•
Posee los devanados de campo serie y shunt, conectados a la armadura. Posee las características de ambos motores. 330
Características •
•
•
•
Elevado par de arranque, aunque menor que la de un serie. Su regulación de velocidad es mayor que la del shunt pero menor que la del serie. No corre el riesgo de embalarse en vacío. Si el devanado serie es contrario al campo shunt corre el riesgo de invertirse el sentido de giro en el arranque, así mismo con el aumento de carga la velocidad se vuelve excesiva. 331
Características •
•
•
Si torque se mejora con el aumento de la corriente por la armadura. El vacío o con poca carga se comporta como un shunt, mientras para cargas grandes predomina el efecto del serie. Se aplica en equipos de elevación y donde se requiere no tener el problema de embalamiento que tiene el serie 332
Comparación 333
Par ‐ corriente del inducido
334
Velocidad ‐ corriente del inducido
335
