Marco teórico Generadores en dc Son máquinas de corriente continua que cumple los dos principios fundamentales donde se trasforma energía mecánica en energía eléctrica. Cuando un conductor que se encuentra situado en el interior de un campo magnético se mueve de tal forma que corta líneas de flujo magnético, se genera en él una fuerza electromotriz Al circular una corriente a través de un conductor situado dentro de un campo magnético se produce una fuerza mecánica que tiende a mover al conductor en dirección perpendicular a la corriente y al campo magnético.
Figura 1. Esquema magnético del generador Generador Generador con excitación excitación independiente
En este tipo de generador, la tensión en los bornes es casi independiente de la carga de la máquina y de su velocidad, ya que la tensión se puede regular por medio del reóstato de campo, aunque naturalmente, dentro de ciertos límites, porque la excitación del campo inductor no puede aumentar más allá de lo que permite la saturación.
Figura 2. Esquema de conexiones de un generador con excitación independiente
En la Figura 2 se representa el esquema de conexiones completo de un generador de corriente continua con excitación independiente; se supone que el sentido de giro de la máquina es a derechas lo que, por otro lado, es el que corresponde a casi todas las máquinas motrices. Si hubiere que cambiar el sentido de giro, bastará con cambiar, las conexiones del circuito principal.
Generador con excitación en p aralelo (shun t)
El generador con excitación shunt suministra energía eléctrica a una tensión aproximadamente constante, cualquiera que sea la carga, aunque no tan constante como en el caso del generador con excitación independiente.
Figura 3. Esquema de conexiones de un generador con excitación shunt.
Cuando el circuito exterior está abierto, la máquina tiene excitación máxima porque toda la corriente producida se destina a la alimentación del circuito de
excitación; por lo tanto, la tensión en bornes es máxima. Cuando el circuito exterior está cortocircuitado, casi toda la corriente producida pasa por el circuito del inducido y la excitación es mínima, la tensión disminuye rápidamente y la carga se anula.
Curva de magnetización. Debido a que el voltaje interno generado es una función no lineal de la fuerza magneto-motriz de un generador no es posible calcular sencillamente el valor de E A esperado para una corriente de campo dada. La curva de magnetización del generador debe utilizarse para calcular el voltaje de salida correspondiente a un voltaje de entrada dado.
Figura 4. Curva de magnetización Generador con excitación en serie La excitación de un generador en serie se lleva a cabo cuando los devanados de excitación y del inducido se conectan en serie y, por lo tanto la corriente que atraviesa el inducido en este tipo de generador es la misma que la que atraviesa la excitación. Este último devanado, está constituido por pocas espiras con hilo conductor de gran sección, pues la f.e.m. necesaria para producir el campo principal se consigue con fuertes corrientes y pocas espiras.
Figura 5. Esquema de conexión generador serie
Generador con excitación compound El generador con excitación compound tiene la propiedad de que puede trabajar a una tensión prácticamente constante, es decir, casi independiente de la carga conectada a la red, debido a que por la acción del arrollamiento shunt la corriente de excitación tiende a disminuir al aumentar la carga, mientras que la acción del arrollamiento serie es contraria, o sea, que la corriente de excitación tiende a aumentar cuando aumente la carga. Eligiendo convenientemente ambos arrollamientos puede conseguirse que se equilibren sus efectos siendo la acción conjunta una tensión constante cualquiera que sea la carga. Incluso, se puede obtener dimensionando convenientemente el arrollamiento serie, que la tensión en bornes aumente si aumenta la carga, conexión que se denomina hipercompound y que permite compensar la pérdida de tensión en la red, de forma que la tensión permanezca constante en los puntos de consumo.
Figura 6. Esquema de conexión generador compound en derivación larga
Figura 7. Esquema de conexión generador compound en derivación corta APLICACIONES DE LOS GERERADORES DE CORRIENTE CONTINUA El generador de excitación independiente: Tiene aplicaciones como amplificador-multiplicador y como tacómetro. El generador shunt: Al proporcionar una tensión estable al variar la carga es el más utilizado, empleándose en distribución de energía a tensión contante. Siendo una de sus aplicaciones la carga de baterías de acumuladores de automóviles. El generador serie: Al ser muy inestable, se utiliza en contadas ocasiones. Se suele utilizar para suministros de intensidad constante, como soldadura y alumbrado. El generador compund: Es el más estable, pero debido a que posee dos devanados de excitación, resulta más costoso que el shunt, por lo que es menos empleado, restándose importancia a la pequeña caída de tensión que aparece con el aumento de carga.
Se emplea casi exclusivamente como excitatriz de los generadores de c.a. y en redes de tracción.
Frenados de Motores Entendemos que una máquina eléctrica funciona como freno cuando ejerce un par de frenado; es decir, de sentido contrario a su velocidad. Dependiendo de cómo sea el par de la carga, se tiene que el comportamiento del sistema máquina eléctrica-carga cuando la primera actúa como freno es así: Si la carga deja de actuar como tal y pasa a ejercer un par motor, el sistema buscará un punto de funcionamiento en el que se equilibre este par con el de frenado de la máquina eléctrica y la velocidad alcanzará un valor constante. Regulación de la velocidad por variación de la frecuencia f1 manteniendo el flujo por polo ΦM constante
(f1c = f1N) Freno reostático Los frenos reostáticos, a diferencia de los regenerativos, disipan la energía eléctrica en forma de calor al hacer circular la corriente generada durante el frenado, a través de enormes bancos de resistores variables o reostatos. Los frenos reostáticos se utilizan en carretillas elevadoras y trolebuses, además de las locomotoras eléctricas y diésel. El calor generado por los resistores puede servir para calentar el interior del vehículo. Si el calor se disipa al exterior, se hace a través de capuchas enormes diseñadas para albergar los bancos de resistores. La principal desventaja de los frenos regenerativos comparados con los reostáticos es la necesidad de igualar la corriente generada con la suministrada. Con las fuentes de corriente continua, esto requiere que el voltaje sea controlado estrictamente. Solamente con el desarrollo de la electrónica fue posible utilizar fuentes de corriente alterna, pues la frecuencia del suministro también debe ser igualada.
Freno regenerativo
Un freno regenerativo o KERS (Kinetic Energy Recovery System, sistema de recuperación de energía cinética) es un dispositivo que permite reducir la velocidad de un vehículo transformando parte de su energía cinética en energía eléctrica. Esta energía eléctrica es almacenada para un uso futuro. El freno regenerativo en trenes eléctricos alimenta la fuente de energía del mismo. En vehículos de baterías y vehículos híbridos, la energía se almacena en un banco de baterías o un banco de condensadores para un uso posterior. El frenado tradicional, basado en la fricción, se sigue usando junto con el regenerativo por las siguientes razones:
El frenado regenerativo reduce de manera efectiva la velocidad a niveles bajos La cantidad de energía a disipar está limitada a la capacidad de absorción de ésta por parte del sistema de energía, o el estado de carga de las baterías o los condensadores. Un efecto no regenerativo puede ocurrir si otro vehículo conectado a la red suministradora de energía no la consume o si las baterías o condensadores están cargados completamente.
FUNCIONAMIENTO DE LA MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA EN LOS 4 CUADRANTE Cuadrantes de regulación de un motor de corriente continua. Se denomina cuadrantes de funcionamiento a las diferentes configuraciones de corriente y de tensión que puede tener un motor. Cuatro cuadrantes de funcionamiento de un motor de corriente continua.
Primer cuadrante: Este es el cuadrante de funcionamiento más conocido. En este cuadrante se alimenta al motor con tensión positiva. El motor absorbe corriente y gira en sentido contrario de las agujas del reloj. El motor absorbe potencia
Segundo cuadrante: En este caso el motor también se comporta como un generador de corriente. Este cuadrante es semejante al cuarto cuadrante con la salvedad de que el sentido de giro es igual al de las agujas del reloj. Giro del eje motor contrario al habitual: Existen ciertos modos de funcionamiento del motor que se deberían evitar por la gran corriente que consumen y el esfuerzo que supone para el motor. Estos modos de funcionamiento consisten en un giro del motor contrario al descrito para cada cuadrante. Sólo se estudiará el caso del primer cuadrante.
Si el motor se encuentra girando en el sentido de las agujas del reloj (tercer cuadrante) y en ese momento se conecta la tensión en sentido positivo, la fcem interior del motor será negativa y la tensión de alimentación positiva, de manera que en la resistencia interna del motor debe absorber toda la tensión, por lo que la corriente aumenta hasta el doble que la corriente de arranque. Este modo de funcionamiento produce sobre-corrientes que se deben evitar.
Tercer cuadrante: Este cuadrante es semejante al primer cuadrante. En este cuadrante se alimenta al motor con tensión negativa. El motor absorbe corriente y gira en sentido de las agujas del reloj. La corriente tiene sentido contrario al de la corriente del primer cuadrante. Como la corriente y la tensión cambian de signo, el motor también absorbe potencia.
Cuarto cuadrante: En este caso el motor se alimenta con tensión positiva y gira en el sentido contrario de las agujas del reloj, igual que en el primer cuadrante. Pero en este cuadrante la corriente sale del motor que por lo tanto funciona como un generador de corriente continua. La máquina cede potencia. Este funcionamiento se puede utilizar para frenar el motor. Al ceder potencia al exterior, el motor se ve frenado en vez de acelerado. Este tipo de frenado se denomina frenado regenerativo. Para poder realizarle es necesario alimentar al motor con una tensión inferior a la fuerza contra-electromotriz (tensión) interna.
Figura8. Máquinas de corriente continua en los 4 cuadrantes
Volante de inercia Un volante de inercia o volante motor es un elemento totalmente pasivo, que únicamente aporta al sistema una inercia adicional de modo que le permite almacenar energía cinética. Este volante continúa su movimiento por inercia cuando cesa el par motor que lo propulsa. De esta forma, el volante de inercia se opone a las aceleraciones bruscas en un movimiento rotativo. Así se consiguen reducir las fluctuaciones de velocidad angular. Es decir, se utiliza el volante para suavizar el flujo de energía entre una fuente de potencia y su carga. En la actualidad numerosas líneas de investigación están abiertas a la búsqueda de nuevas aplicaciones de los volantes. Algunos ejemplos de dichos usos son:
Absorber la energía de frenado de un vehículo, de modo que se reutilice posteriormente en su aceleración (KERS). Como dispositivos para suavizar el funcionamiento de instalaciones generadoras de energía eléctrica mediante energía eólica y energía fotovoltaica, así como de diversas aplicaciones eléctricas industriales. En los ferrocarriles eléctricos que usan desde hace mucho tiempo un sistema de freno regenerativo que alimenta la energía extraída del frenado nuevamente a las líneas de potencia; con los nuevos materiales y diseños se logran mayores rendimientos en tales fines.
El motor de jaula de ardilla Consta de un rotor constituido por una serie de conductores metálicos (normalmente de aluminio) dispuestos paralelamente unos a otros, y cortocircuitados en sus extremos por unos anillos metálicos, esto es lo que forma la llamada jaula de ardilla por su similitud gráfica con una jaula de ardilla. Esta 'jaula' se rellena de material, normalmente chapa apilada. De esta manera, se consigue un sistema n-fásico de conductores (siendo n el número de conductores) situado en el interior del campo magnético giratorio creado por el estator, con lo cual se tiene un sistema físico muy eficaz, simple, y muy robusto (básicamente, no requiere mantenimiento).
Figura 9. Partes del motor jaula de ardilla
Figura 10. Esquema de elementos internos del motor.
EQUIPOS Y CARACTERÍSTICAS. Simbología interna de elementos de medición.
Figura 11. Conjunto de símbolos.
Símbolo 1: Sistema de medida ferromagnético
Símbolo 2: indicador que puede utilizarse para medir en alterna.
Símbolo 3: Clase de precisión
Símbolo 4: Aparato previsto para montaje vertical
Símbolo 5: Tensión de ensayo: 2kV
Fuente trifásica.
Figura 12. Terminal de salida Indicador de luz visible 220V AC Tres Terminales de salida L1 L2 L3 220V AC Fase – Fase. Dos terminales tierra y neutro respectivamente PE.
Auto-transformador BARTH.
Figura 13. Auto-trasformador Entrada Voltaje de alimentación 220V AC 60Hz. Tasa de corriente 2A AC y 4AC DC Salida. Voltaje de salida 0 – 220 V AC Voltaje de salida 0 – 220 V DC
Motor C.C. en derivación con polos de compensación BARTH 004.060
Figura 14. Motor shunt con polos de compensación
Voltaje generado nominal 220v C.C. Corriente de línea 1.9A. Potencia de salida 0.27kW Velocidad 1380 rev/min.
Motor C.C. en serie BARTH 004.001
Figura 15. Motor serie
Voltaje generado nominal 220v C.C. Corriente de línea 1.4A. Potencia de salida 0.17kW Velocidad 1500 rev/min.
Motor C.C. compound BARTH 004.030
Figura 16. Motor compound
Voltaje generado nominal 220v C.C. Corriente de línea 1.4A. Potencia 0.175kW Velocidad 1450 rev/min.
Taco-generador BARTH 004.005a.
Figura 17. Taco-generador
Voltaje de entrada 24v C.C. Corriente de armadura 0.075A. Tasa de crecimiento en velocidad 6V /1000rpm Velocidad máxima 4000 rev/min.
Voltímetro analógico BARTH 004.012.
Figura 18. Voltímetro Voltímetro de bifuncional AC/DC a dos escala de medición 250V AC/DC y 500 AC/DC respectivamente.
Amperímetro analógico BARTH 004.013b.
Figura 19. Amperímetro Amperímetro de bifuncional AC/DC a dos escala de medición 0 – 0.5A y 0 – 2.5A respectivamente.
Velocímetro BARTH 004.015a.
Figura 20. Velocímetro
Velocímetro con doble rango de medición (0 – 2000rpm) y (0 – 4000rpm) Fuente d e alimen tación 8821-22
Figura 21. Fuente trifásica.
Entrada Tensión de línea 120/208 V Corriente de línea 15 A
Características de la red 20 A, trifásica, de 5 conductores conectados en estrella, incluyendo el neutro y tierra
Salidas Trifásica fija ca línea-neutro120 línea-linea208 V – 15 A Trifásica variable ca línea-neutro 0-120 fase-fase 208 V – 5A Variable cc 0-120 V – 8A Fija cc 120 V – 2A Baja potencia ca 24 V – 3 A Peso neto 18,4 kg (40,5 lb)
Motor /Generado r 8211 DC
Figura 22. Motor / Generador DC
Potencial eléctrico requerido 120V DC. Potencia de salida en motor 175W. Potencia de salida en generador 120W.. Velocidad de carga 1800RPM. Corriente de carga en motor 2.8A. Corriente de carga en generador 1A. Peso 14.1kg (31lb).
Volate de inercia C- 12575
Figura 23. Volante de inercia
Momento de inercia 0.044Kg*m 2 Peso 3.5kg Motor Jaula de ardilla
Figura 24. Motor de jaula de ardilla
Potencial eléctrico requerido trifasico 208V AC . Potencia de salida 175W.
Velocidad de carga 1670RPM. Frecuencia 60Hz Corriente de carga en motor 1.2A. Peso 13.5kg
