Máquinas DC Tensión inducida en armadura Reacción de armadura
Ing. Christian Vera
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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 Fundament os mecánicos – Los motores rotan sobre sobre su eje: sentido sentido horario, sentido antihorario. antihorario. – Para la velocidad velocidad se utiliza los los siguientes siguientes términos:
• Esta Estas s se relac relaciona ionan n de la sigu siguient iente em manera anera
• La acel acelerac eración ión angu angular lar
Fundamentos Fundament os 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 (Kg.m)
Máquinas DC
Principales características • Fácil control de velocidad • Fabricación cara • Cuidados en el arranque • Aplicación: generadores, motores
Principio de funcionamiento funcionamiento • Inducción electromagnética – Conductor Conductor de longitud longitud L se desplaza a una velocidad velocidad v en un campo magnético uniforme B uniforme B . La fem La fem inducida inducida en el conductor será:
Generalidades • La máquina máquina DC consta de dos devanados devanados alimentad alimentados os con C.C.: uno llamado inductor que que está en el estator y otro llamado inducido inducido que que está en el rotor. • Par ara a el el funcio funcionam namie iento nto co como mo mo motor tor , am ambo bos s devanados están alimentados con C.C. En C.C. En el caso de funcionamiento funcionamiento como genera erador dor alime al iment nta a el in indu duci cido do co con n C. C.C C y se obtienegen la fem por se el inductor (tensión continua continua). ). • Su Su funcionamiento se basa en la existencia de un mecanismo llamado colector colector que que convierte las magnitudes variables generadas o aplicadas a la máquina en magnitudes constantes. • Se utiliza en tracción tracción eléctrica eléctrica (tranvías (tranvías,, trenes, etc.) y en accionamientos accionamient os donde se precisa un control de velocidad. • Están en desuso debido a su complejo mantenimiento .
Partes de una máquina DC 1 . C arca sa 2. Núcl Núcleo eo po pola larr 3. Ex nsió ión nl pola po 4. Expa Núcl Núpans cleo eo de del polo polar lor auxiliar o de conmutación 5. Arro Núcl Núroll cleo eo d del elnto indu inoduci cido do 6. Ar llam amie ient de inducido 7. Arro Arroll llam amie ient nto o de
1 8
2
9 10
6 11
5
4
8. excitación Arro Arroll llam amie ient nto o de conmutación 9 . C ol e ctor 10.11 10.1 1 Escobillas
3
7
Partes de una máquina DC • Estator estructura Carcasa: estructura
que soporta a las demás partes. También tiene
por función conducir el flujo magnético de un polo a otro. Polos
principales: constituye constituye un núcleo magnético, formado por un
conjunto de chapas laminadas. Tiene por función producir el flujo magn ma gnét étic ico. o. Su Sus s ex extr trem emid idad ades es so son n ma mas s la larg rgas as y co cons nsti titu tuye yen n la las s zapatas polares. De Deva van nado
prin inci cip pal de campo: bo 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 espira espiras s de alambre delgado. Bobina
serie
– Compuesta de pocas espiras de a alambre lambre grueso.
Partes de una máquina DC • Estator Polos Polos
auxil au xilia iare res s o de co conm nmuta utació ción: n: son alojados en la región
entre los polos y constituidos por un conjunto de chapas laminadas. Devana Devanado do
de con conmu mutac tació ión: n: son son re reco corr rrid idos os po porr la co corri rrien ente te de
armadura, siendo conectados en serie con este. Tiene por función facilitar la conmutación y evitar el aparecimiento de centellamento centellamento en el conmutador . Dev Devan anad ado o
de co comp mpens ensaci ación: ón: alo aloja jado do so sobr bre e el po polo lo pr prin inci cipa pal. l.
Tiene por función neutralizar neutralizar la reacción de armadura reforzando 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 – Con Conjun junto to po porta rta es escob cobas as: : esttru es ruct ctu ura me mecá cáni nica ca qu que e aloja las escobas. Las esco es coba bas s so son n co cons nsti titu tuid idas as de material conductor y deslizan sobre el conm co nmut utad ado or cu cuan ando do es estte gira. Las escobas también conectan de la meláqcircuito uina cexterno on el devanado de armadura.
Partes de una máquina DC • Rotor Núcleo
magnético: constituido de un conjunto de
chapas
de
acero
magnétic magné tico o la lami mina nadas das,, co con n ranuras axiales para alojar el devanado de armadura. De Deva vana nado do
Compuesto
de ar arm mad adur ura: a: 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 lá lámi mina nas s de mi mica ca.. Ti Tien ene e po por r func fu nció ión n tr tran ansf sfor orma marr la te tens nsió ión n alterna inducida en una tensión continua.
Eje: elem elemen ento to qu que e tr tran ansm smit ite e la potenc pot encia ia mec mecáni ánica ca des desarr arrolla ollada da 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 polaridad
El colector es un dispositivo que invierte el sentido de la FEM para obtener unay tensión continua positiva
E
N
S
2Bl 2BlV V
E = 2 ⋅ B ⋅ l ⋅ V 0
π
2π
Colector real (muchas delgas)
Colector
Esquema de conexión
Desempeño 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 Solución – Las máquinas 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 al codo de la curva de saturación. saturación.
Efectos que impactan la eficiencia Al circular corrien corriente te E • elReacción de armadura por inducido (rotor) se campo va a crear 2BlV queun distorsiona el campo creado por los polos inductores (estator) de la máquina 0 Esta distorsión del campo recibe el nombre de reacción de armadura inducido o
N
S FEM con reacción de inducido
DESPLAZAMIENTO LÍNEA NEUTRA π
2π
-2BlV
EFECTOS PRODUCIDOS
Desplazamiento del “ plano o línea neutra” (plano en el que se anula el campo
POR LA DE REACCIÓN 14/09/2015 INDUCIDO
Disminución del valor global del campo de la máquina 24
Efectos que impactan la eficiencia • Reacció Reacción n de armadura
Don Donde la las s magn magniitude tudes s de lo los s fl fluj ujo os de armadura y campo se suman ( ΦT > Φc ), la resultante
total
d el
flujo
se
satura ,
aumentando las pérdidas en el fierro (calentamiento, corrientes parásitas, etc).
Dond Donde e las las magn magnit itud udes es de lo los s fluj flujos os de campo y armadura se restan ( ΦT > Φc ), y cons co nsec ecue uent ntem emen ente te,, el valo valorr del del voltaje indu in duci cido do
dis ism min inu uye ,
eficiencia de la máquina.
empeorando
la
Efectos que impactan la eficiencia • Reacción de armadura
as escobillas se sitúan en la línea La conmutación ocurre cuando, l as 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. Fig. (b), (b), cuan cuando do la lí líne nea a de neut neutra ra se desp desplaz laza a ha hast sta a sit situar uarse se en el pl plan ano o perpendicular a la resultante ΦT , resulta en una conmutación poco óptima.
Efectos que impactan la eficiencia • Reacció Reacción n 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 ciertas zonas. zonas.
Menor inducción en otras.
Menor fem inducida total.
Elevación de la tensión en láminas consecutivas consecutivas del colector.
Deslizamiento Deslizamiento de la línea línea neutra.
Efectos que impactan la eficiencia • Reacció Reacción n de armadura – Soluciones Soluciones Solución
para
la
1: Deslizar 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 • Reacció Reacción n de armadura – Soluciones Soluciones Solución
2: Neutralizar Neutralizar la reacción de armadura con devanados
de compensación. Conductores
alojados en ranuras en los polos y conectados
en serie con c on el circuito c ircuito exterior. exterior. corr corrie ient nte e ci circ rcul ula a en el deva devana nado do de comp compen ensa saci ción ón en sentido opuesto. Solución cara y aumenta las pérdidas en el cobre (máquinas
La
de elevada potencia).
Todo motor que utiliza dev eva anados de compen com pensa saci ción ón de debe be te tene nerr in inte terp rpol olos, os, ya que los devanados de compensación no cancelan los efectos Ldi/dt .
Efectos que impactan la eficiencia • Reacció Reacción n de armadura – Soluciones Soluciones Solución
Polos auxiliares de conmutación. 3 : : Polos 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. campo magnético opuesto al inducido.
Producen
El muuso y cde ompolos ún yadeqconmutación ue corrige les os prob roblemas de chisporroteo. Se encuentran en casi todas las máquinas de 1 HP o mayores.
Pérdidas en máquinas de C.C. Pérd Pé rdid idas as el eléc éctr tric icas as Producto
de las resistencias de los devanados (pérdidas en el cobre) y pérdidas en los contactos eléctricos (pérdidas en las escobillas)
Pérd Pé rdid idas as me mecá cáni nicas cas
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.
Pérd Pé rdid idas as ma magn gnét étic icas as Pérdidas
en el núcleo se manifiestan principalmente. Ciclo de histéresis del material ferromagnético. Corrientes parásitas de Foucalt.
Balance energético energético de una máquina rotativa ROTOR
ESTATOR
Potencia mecánica útil del motor (Pu)
Potencia eléctrica consumida (Pe)
η=
Pu Pe
η ≅ 90%
Pérdidas en el cobre del estator
Pérdidas en el hierro
Pérdidas en el cobre del rotor
Pérdidas rotacionales
Nomenclatura • IEC 60034-8 Inducido
A1-A2
Polos auxiliares o
B1-B2
de conmutación Devanado de compensación
C1-C2
Inductor serie
D1-D2
Inductor p pa aralelo
E1-E2
Bibliografía • Kos Kosow ow,, Yrving Yrving L. (1993 (1993)) Máquinas Máquinas eléctri eléctricas cas y transform transformado adores res.. Méxi México co D.F.: Prentice Hall. (621.3MO/K77/1993) • Chapman Stephen Stephen (2005) Máquinas Máquinas eléctricas. México D.F D.F.: .: Mc Graw-Hill. (621.3MO/CH523/2005) • En Enri riqu quez ez Ha Harp rper er,, Gi Gilb lber erto to (2 (200 007) 7).. El AB ABC C de la las s má máqu quin inas as el eléc éctr trica icas s I transformadores. México D.F.: D.F.: Limusa. (621.3MO/E64E/2007 (621.3MO/E64E/2007))
