Máquinas DC Tensión inducida en armadura Reacción de armadura
Ing. Christian Vera
[email protected]
Objetivos Identifica las partes constructivas y las características de fun fu ncionamiento de las máquinas CD CD..
Realiza pruebas e interpreta los resultados a máquinas síncronas y transformadores. Evalúa el rendimiento de la operación de las máquinas síncronas y de transformadores. Interpreta y realiza el conexionado de esquemas eléctricos para la instalación o ensayo de máquinas síncronas y transformadores.
Objetivos Identifica las partes constructivas y las características de fun fu ncionamiento de las máquinas CD CD..
Realiza pruebas e interpreta los resultados a máquinas síncronas y transformadores. Evalúa el rendimiento de la operación de las máquinas síncronas y de transformadores. Interpreta y realiza el conexionado de esquemas eléctricos para la instalación o ensayo de máquinas síncronas y transformadores.
Clasificación
Fundamentos mecánicos – Los motores rotan sobre su eje: sentido horario, sentido antihorario. – Para la velocidad se utiliza los siguientes términos:
• Estas se relacionan de la siguiente manera
• La aceleración angular
Fundamentos mecánicos • Torque – Producto de la fuerza aplicada al objeto por la distancia entre la línea de acción de fuerza y el eje de rotación.
El torque se mide en Newtons Metro (N.m) o en kilogramo metro (g.m)
Máquinas DC
Principales características • Fácil control de velocidad • Fabricación cara • Cuidados en el arranque • Aplicación: generadores, motores
Principio de funcionamiento • Inducción electromagnética – Conductor de longitud L se desplaza a una velocidad v en un campo magnético uniforme B . La fem inducida en el conductor será:
Generalidades • La máquina DC consta de dos devanados alimentados con C.C.: uno llamado inductor que está en el estator y otro llamado inducido que está en el rotor. • Para el funcionamiento como motor , ambos devanados están alimentados con C.C. En el caso de funcionamiento como generador se alimenta el inducido con C.C y se obtiene la fem por el inductor (tensión 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 utiliza en tracción eléctrica (tranvías, trenes, etc.) y en accionamientos donde se precisa un control de velocidad. • Están en desuso debido a su complejo mantenimiento .
Partes de una máquina DC 1. 2. 3. 4.
Carcasa Núcleo polar Expansión polar Núcleo del polo auxiliar o de conmutación 5. Núcleo del inducido 6. Arrollamiento de inducido 7. Arrollamiento de excitación 8. Arrollamiento de conmutación 9. Colector 10.11 Escobillas
1 8
2
9 10
3 6 11
5
7
4
Partes de una máquina DC • Estator Carcasa: estructura
que soporta a las demás partes. También tiene
por función conducir el flujo magnético de un polo a otro. Polos
principales: constituye un núcleo magnético, formado por un
conjunto de chapas laminadas. Tiene por función producir el flujo magnético. Sus extremidades son mas largas y constituyen las zapatas polares.
Devanado principal de campo: bobinado sobre el polo de excitación principal. Alimentado en CC y establece así un campo magnético continuo en el tiempo.
Partes de una máquina DC • Estator Devanado Bobina
principal de campo shunt
– Compuesta de muchas espiras de alambre delgado. Bobina
serie
– Compuesta de pocas espiras de alambre grueso.
Partes de una máquina DC • Estator Polos
auxiliares o de conmutación: son alojados en la región
entre los polos y constituidos por un conjunto de chapas laminadas. Devanado
de conmutación: son recorridos por la corriente de
armadura, siendo conectados en serie con este. Tiene por función facilitar la conmutación y evitar el aparecimiento de centellamento en el conmutador .
Devanado de compensación: alojado sobre el polo principal. Tiene por función neutralizar la reacción de armadura reforzando el campo principal. Sólo lo llevan las máquinas de gran potencia.
Partes de una máquina DC • Estator
Polos auxiliares o de conmutación
Devanado
de conmutación
Devanado
de compensación
Partes de una máquina DC • Estator – Conjunto porta escobas: estructura mecánica que aloja las escobas. Las escobas son constituidas de material conductor y deslizan sobre el conmutador cuando este gira. Las escobas también conectan el circuito externo de la máquina con el devanado de armadura.
Partes de una máquina DC • Rotor
Núcleo
magnético:
constituido de un conjunto de
chapas
de
acero
magnético laminadas, con ranuras axiales para alojar el devanado de armadura.
Devanado de armadura: Compuesto
de
un
gran
número de espiras en serie conectadas al conmutador.
Partes de una máquina DC • Rotor
Conmutador
(colector):
constituido de láminas de cobre aisladas unas de otras por medio de láminas de mica. Tiene por función transformar la tensión alterna inducida en una tensión continua.
Eje: elemento que transmite la potencia mecánica desarrollada por el motor a una carga a el acoplada.
Colector Sentido de rotación de la espira
Colector de dos delgas
1 2
1
2
1 2
- +
0
- +
Instante Inicial
Conmutación
Inversión de la polaridad
E
El colector es un dispositivo que invierte el sentido de la FEM para obtener una tensión continua positiva
#
$
2!l" 2!l "
E = 2 ⋅ B ⋅ l ⋅ V 0
π
2π
Colector real (muchas delgas)
Colector
Esquema de coneión
Desempe!o de la máquina DC
Efectos que impactan la eficiencia • Saturación – La relación entre la densidad de flujo y la intensidad de campo no es constante, debido al alineamiento de los dipolos que conforman el material.
Efectos que impactan la eficiencia • Saturación – Solución – Las máquinas de C.C. se diseñan de modo de lograr una máxima potencia por unidad de peso. Esto se consigue al situar el punto de operación nominal de la máquina cercano al codo de la curva de saturación.
Efectos que impactan la eficiencia &l circular corriente E • elReacción de armadura por inducido 'rotor( se va a crear un 2!l" ca)po que distorsiona el ca)po creado por los polos inductores 'estator( de la )*quina 0 Esta distorsión del ca)po recibe el no)bre de reacción de ar)adura o %2!l" inducido EFE+,-$ ./-+-$ .-/ & /E&++# E #"$%&$!%#' #+-
#
$ FEM con reacción de inducido
E$.&:&ME#,;#E& #E,/& π
2π
esplaa)iento del plano o l7nea neutra8 'plano en el que se anula el ca)po is)inución del valor lobal del ca)po de la )*quina !"
Efectos que impactan la eficiencia • Reacción de armadura
Donde las magnitudes de los flujos de armadura y campo se suman ( ΦT > Φc ), la resultante
total
del
flujo
se
satura ,
aumentando las pérdidas en el fierro (calentamiento, corrientes parásitas, etc).
Donde las magnitudes de los flujos de campo y armadura se restan ( ΦT > Φc ), y consecuentemente, el valor del voltaje inducido
disminuye ,
eficiencia de la máquina.
empeorando
la
Efectos que impactan la eficiencia • Reacción de armadura
La conmutación ocurre cuando, l as escobillas se sitúan en la línea neutra, fig.(a), cuando no existe corriente de armadura, la línea de neutro se sitúa en el plano perpendicular al flujo originado por el campo.
Fig. (b), cuando la línea de neutra se desplaza hasta situarse en el plano perpendicular a la resultante ΦT , resulta en una conmutación poco óptima.
Efectos que impactan la eficiencia • Reacción de armadura – Otro problema es el voltaje Ldi/dt generado en los segmentos del colector cortocircuitado por las escobillas, llamado golpe inductivo.
Efectos que impactan la eficiencia •
Consecuencias de la reacción de armadura
Saturación magnética en ciertas zonas.
Menor inducción en otras.
Menor fem inducida total.
Elevación de la tensión en láminas consecutivas del colector.
Deslizamiento de la línea neutra.
Efectos que impactan la eficiencia • Reacción de armadura – Soluciones Solución
para
la
1: Deslizar las escobas de la línea neutra geométrica línea
neutra
real
(operación
compleja-maniobra
correctiva).
Fijar
las escobillas en una posición determinada (cuando opera a
los 2/3 de carga). En este caso el motor chisporroteó en vacio y a plena carga. Hoy el desplazamiento de escobillas se utiliza únicamente en máquinas muy pequeñas.
Efectos que impactan la eficiencia • Reacción de armadura – Soluciones Solución
2: Neutralizar la reacción de armadura con devanados
de compensación. Conductores
alojados en ranuras en los polos y conectados en serie con el circuito exterior. La corriente circula en el devanado de compensación en sentido opuesto. Solución cara y aumenta las pérdidas en el cobre (máquinas de elevada potencia). Todo motor que utiliza devanados de compensación debe tener interpolos, ya que los devanados de compensación no cancelan los efectos Ldi/dt .
Efectos que impactan la eficiencia • Reacción de armadura – Soluciones Solución
3 : Polos auxiliares de conmutación. Mejoran la conmutación y eliminan el deslizamiento de la línea neutra. Son colocados en la línea neutra geométrica y conectados en serie con el inducido. Producen campo magnético opuesto al inducido.
El uso de polos de conmutación es muy común ya que corrige los problemas de chisporroteo. Se encuentran en casi todas las máquinas de 1 HP o mayores.
P"rdidas en máquinas de C#C# Pérdidas eléctricas Producto
de las resistencias de los devanados (pérdidas en el cobre) y pérdidas en los contactos eléctricos (pérdidas en las escobillas)
Pérdidas mecánicas
Asociadas a las pérdidas por concepto de roce entre las partes móviles de la máquina (rodamientos, etc.). Función cúbica de la velocidad de rotación de la máquina.
Pérdidas magnéticas Pérdidas
en el núcleo se manifiestan principalmente. Ciclo de histéresis del material ferromagnético. Corrientes parásitas de Foucalt.
$alance ener%"tico de una máquina rotativa /-,-/
E$,&,-/ .otencia el
.otencia )ec*nica >til del )otor '.u(
'.e(
η=
.u .e
η ≅ 90?
.
.
.
.
&omenclatura • IEC 60034-8 'nducido
()*(+
Polos auiliares o de conmutación
$)*$+
Devanado de compensación
C)*C+
'nductor serie
D)*D+
'nductor paralelo
E)*E+
