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Tema 3
MÁQUINAS EL ÉCTRICAS
Capítulo I
Motores y Generadores de C.C .
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Los generadores de cc también llamados dinamos , convierten una energía mecánica de entrada enenergía eléctrica de salida en forma de corriente continua.
Hoy han sido sustituidos por rectificadore s estáticos de silicio. Constan de:• Inductor o excitación colocado en el estator
• Inducido colocado en el rotor y por lo tanto giratorio, provisto de un colector de delgas .
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA 1
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El devanado de excitación está constituido por los arrollamientos de todos los polos conectados en serie, a los que se aplica una tensión de alimentación en cc.
Que produce una corriente de circulación Ie que da lugar a una f.m.m . que origina un flujo en el entrehierro de la máquina.
El inducido gira dentro del campo magnético del inductor y genera una f.e.m . continua E en vacío.
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA 2
nkE E ..Φ=
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Inductor: Ve = Re . Ie
Inducido:
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA 3
iiesc RIVEV ⋅−−=
Φ
Ve
V
E
Ri
Ii
Vesc
Potencia mecánica
I e
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Balance de potencias en el inducido de una dinamo. Multiplicando por Ii
E . Ii =V . Ii + Ri . Ii2 + Vesc . IiInducido Pa = P2 + Pcu + PescInductor Pexc = Ve . Ie = Re . Ie2
Potencia mecánica de entrada P1 = Pexc+ Pm + PFe + Pa
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA 4
Φ
Ve
V
E
Ri
Ii
Vesc
Potencia mecánica
I e
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• Para obtener la potencia mec ánica de entradaP1 habrá que sumar a la potencia eléctrica de salida todas las pérdidas de la máquina :
– P2 = V . I Potencia eléctrica de salida– PCu i = Ri.Ii 2 Pérdidas en cobre inducido
– Pesc Pérdidas en las escobillas– PFe Pérdidas en el hierro del inducido– Pm Pérdidas en mecánicas
– PCu estator = Re.Ie 2 Pérdidas en cobre inductor
excmFeescCui PPPPPPP +++++= 21
Ii
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA 5
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Balance de potencias en el generador de c.c.
Pexc
Pm
PFe
Pesc
Pcu
Potencia eléctrica de salidaP2=V*I
Potencia mecánica de entrada
P1
Pa
GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA 6
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• Dependiendo de donde se alimenta el inductor, distinguimos:
– Máquinas con excitación independiente , el inductor se alimenta desde una fuente independiente de la del inducido.
– Máquinas autoexcitadas , el inductor se alimenta desde la misma fuente del inducido.
• Máquinas serie , los devanados del inductor y el inducido están en serie. El inductor es de pocas espiras de hilo grueso ya que circulará por él la corriente total de la máquina.
• Máquinas shunt o derivación, el inductor se conecta en paralelo con el inducido. El inductor es de muchas espiras de hilo fino.
• Máquinas compound o compuesta s, la excitación está repartida en dos bobinas, una en serie y otra en paralelo con el inducido. Sedistingue entre:
– Derivación corta.– Derivación larga .
GENERADORES DE C. C.: TIPOS 1
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PN
REDC1 C2COMPENSACIÓN
E1E2
INDUCTORPARALELO C-DO INDEPENDIENTE J-K
B1 B2G H
POLOS AUXILIARES
D1 ED2 F
INDUCTORSERIE
A1 AA2 B
INDUCIDO
GENERADORES DE C.C.: TIPOS 2
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EXCITACIEXCITACIÓÓN INDEPENDIENTEN INDEPENDIENTEEXCITACIEXCITACIÓÓN SERIEN SERIE
EXCITACIEXCITACIÓÓN COMPUESTAN COMPUESTAEXCITACIEXCITACIÓÓN DERIVACIN DERIVACIÓÓNN
GENERADORES DE C.C.: TIPOS 3Tipos de excitación de las máquinas de c.c.
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EXCITACIEXCITACIÓÓN INDEPENDIENTEN INDEPENDIENTEEXCITACIEXCITACIÓÓN SERIEN SERIE
EXCITACIEXCITACIÓÓN COMPUESTAN COMPUESTA
EXCITACIEXCITACIÓÓN DERIVACIN DERIVACIÓÓNN
Derivación corta
Derivación larga
+
-+ -
+
-
A1
A2
G
GG
A1
A1
A2 A2
E1 E2
E1E2E1
E2 D2D1
+
++
+
++ +
--
-
-- -
A
AA
B
B B
J K
CDCD
GENERADORES DE C.C.: TIPOS 4Tipos de excitación del Generador de c.c.
-EF
-
+
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n = cte.V = cte.Ie = f (I)DE REGULACIÓN
n = cte.Ie = cte.V = f (I)EXTERIOR
n = cte.I = cte.V = f (Ie)EN CARGA
n = cte.I = 0E=V= f (Ie)DE VACÍO
CARACTERÍSTICA:
CARACTERÍSTICAS DE SERVICIO 1
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1.- Característica de vacío E = f ( I e ). Representa la relación de la f.e.m. generada por la dinamo con la corriente de excitación funcionando en vacío. I = 0, n = cte
2.- Característica en carga V = f ( I e ). Representa la relación entre tensión terminal y la corriente de excitación para una intensidad de carga constante ( I = cte ) . n = cte
3.- Característica externa V = f ( I ). Representa la tensión en bornes en función de la corriente de carga, para una corriente de excitación constante . Ie = cte, n = cte
4.- Característica de regulación I e = f ( I ). Representa la relación entre la corriente de excitación y la corriente de carga para una tensión en bornes constante (V = cte) . n = cte
CARACTERÍSTICAS DE SERVICIO 2
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S1
A
L1
Vexc
+
-
Excitación independiente
2
R1
50%
1
5
Z1
Z=A+jB
J1
63
8
4
V
A
VInductor
Inducido
Potencia Mecánica
Reostatode excitación
GENERADORES EXCITACIÓN INDEPENDIENTE 1
G
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nkE E ⋅Φ⋅= .cten =
• Característica de vacío de un generador con excitación independiente: E = f ( Ie ), I=0, n= cte
Carga
Φ
Ve
ER
Ri
IiPotencia mecánica
I eV
A
Característica de vacío
Ie(A)
E (V)
�Adopta la misma forma de la característica de imanación del circuito magnético.
�Debido al magnetismo remanente con Ie= 0 ya existe una ER.
�Debido a la histéresis magnética las curvas obtenidas son distintas con Ia ascendente y descendente.
)( eIf=Φ
GENERADORES EXCITACIÓN INDEPENDIENTE 2
E
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■ En este tipo de generador la corriente inductora se obtiene de una fuente de c.c. externa a la máquina.■ Para determinar la curva de vacío E = f ( Ie ) se hace girar el rotor a velocidad constante (n = cte) , manteniendo desconectada la carga (I = 0). La corriente de excitación Ie se va aumentando progresivamente desde 0 hasta su valor máximo permitido, anotando la f.e.m. generada E.
■ Se obtiene una rama ascendente A y otra descendente B al ir disminuyendo gradualmente la corriente de excitación.
GENERADORES EXCITACIÓN INDEPENDIENTE 3
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■ La curva media entre las dos ramas será la curva característica de vacío .
■Se observa que hay un magnetismo remanente E Rya que la curva corta al eje de ordenadas en un valor
positivo para corriente de excitación Ie = 0.
GENERADORES EXCITACIÓN INDEPENDIENTE 4
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• Característica exterior de un generador con excitación independiente: V = f ( I ), Ie = cte, n = cte.
Carga
Φ
Ve
E Ri
Ii =IPotencia mecánica
I eV
A
I
GENERADORES EXCITACIÓN INDEPENDIENTE 5
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■ La característica externa V = f ( I ) de un generador con excitación independiente habrá que conectar la carga. Al variar ésta se obtiene dicha curva cuando se mantiene constante la velocidad ny la intensidad de excitación Ie .
GENERADOR EXCITACIÓN INDEPENDIENTE 6
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GENERADOR EXCITACIÓN DERIVACIÓN 1 • Proceso de autoexcitación de un generador derivación :
Carga
Φ
E Ri
I Potencia mecánica
I eV
A
� Con Ie = 0 ya se induce una pequeña ERque origina una “Ie”.
�Esta “Ie” hace aumentar el flujo Φ y por tanto “E”.
�El proceso se repite hasta alcanzar el punto de funcionamiento en el que se estabiliza el funcionamiento.Característica de vacío
Ie (A)
E (V)
E≈Ie.Re
E=f (Ie)
ER
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GENERADOR EXCITACIÓN DERIVACIÓN 2
■ Proceso de autoexcitación de un generador derivación :– Condiciones:
�Que exista magnetismo remanente ER.
�Que la pendiente de la recta E = Ie . Re sea menor que la del tramo lineal de la característica de vacío. Re < Rcr
�Que el sentido de “Ie ” sea el adecuado.
Característica de vacío Ie (A)
E (V)
E≈Ie.Re
E=f (Ie)
ER
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■ Tensión de funcionamiento de una dinamo derivación.■ La f.e.m. final engendrada E corresponde al punto P, que es la solucióncomún entre la curva de vacío y la recta del inductor .■ Hay una resistencia llamada crítica Rcr que es la que tiene una representación tangente a la parte inicial de la curva de vacío. Por lo tanto la resistencia del inductor no debe sobrepasar a la resistencia crítica. De otra forma no se producirá autoexcitación . Re < Rcr
GENERADOR EXCITACIÓN DERIVACIÓN 3
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GENERADOR EXCITACIÓN DERIVACIÓN 4
• Característica exterior de un generador con excitación derivación : Ii = I + Ie
Carga
Φ
E Ri
IPotencia mecánica
I e
V
A
I
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Característica externa V=f(I) de un generador de corriente continua con excitación en derivación
■ La característica externa representa una variación de tensión terminal superior al del generador con excitación independiente .
GENERADOR EXCITACIÓN DERIVACIÓN 5
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■El devanado inductor , de resistencia elevada, estáconectado en paralelo con el inducido y se regula la excitación por medio de un reóstato conectado en serie con el inductor.
■Muchas vueltas con conductor de pequeña sección. Ie 3% de la corriente del inducido.
GENERADOR EXCITACIÓN DERIVACIÓN 6
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GENERADOR CON EXCITACIÓN SERIE 1• Característica exterior de un generador con excitación
serie:
Carga
Φ
E Ri
Ii =Ie=IPotencia mecánica
V
A
I
V
Re
I (Ri + Re) + εE E
V
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Generador con excitación en serie y característica externa
■ El inductor y el inducido se conectan en serie . Por lo tanto el devanado de excitación estará compuesto por conductores de baja resistencia, gran sección de paso, y pocas vueltas ya que la excitación se consigue con toda la corriente de la máquina.■ Con el devanado inductor serie conectado es imposible sacar la característica de vacío. Es necesario conectarlo a una fuente externa.
GENERADOR CON EXCITACIÓN SERIE 2
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Generador con excitación en serie y característica externa
■ La reacción de inducido y las caídas de tensión en los devanados inductor e inducido siguen creciendo a partir de la zona de saturación de la máquina, de aquíque la característica externa de estos generadores tiene un valor máximo. Antes del máximo el funcionamiento es inestable y después del máximo es estable pero muy corta con lo que apenas se utilizan generadores serie .
GENERADOR CON EXCITACIÓN SERIE 3
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GENERADOR CON EXCITACIÓN COMPUESTA 1
• Característica exterior de un generador con excitación compuesta :
Carga
Φ
E
IPotencia mecánica
I eV
A
Φ
I
VHipercompuesta
Hipocompuesta
Diferencial
Aditivas
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Generador con excitación compuesta y característica externa
■ Puede ser configurado como compuesta corta o compuesta larga .■ Ambos devanados de excitación pueden ser aditivos o sustractivos , dependiendo si los campos generados por ambos devanados se suman o se restan.
GENERADOR CON EXCITACIÓN COMPUESTA 2
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Generador con excitación compuesta y característica externa
■ Las características externas de estos generadores pueden ser prácticamente planas . Si la influencia del devanado serie es mayor la característica puede aumentar con la carga dando lugar a una característica denominada hipercompuesta .■ De lo contrario da lugar a una característica hipocompuesta .
GENERADOR CON EXCITACIÓN COMPUESTA 3
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GENERADOR de VIDA