MAQUINAS_ELECTRICAS_NRC2448.docx

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CARRERA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

ASIGNATURA: MÁQUINAS ELÉCTRICAS

NRC: 2448

RESUMEN

CAPÍTULO 12 MOTORES DC

Profesor: Ing. Wilson Yépez.

Sangolquí, 2 de Julio 2014

ÍNDICEMOTORES DE DC CON ROTOR DEVANADO..................................................................................3

1..................................................................................................................TIPOS DE MOTOR3

2. PRINCIPIOS DE LA DÍNAMO DE ROTOR DEVANADO..............................................................4

2.1.....................................................................................................ROTOR Y ESTATOR5

2.2. ARMADURA Y CAMPO..............................................................................................................6

2.3. CÓMO PRODUCE VOLTAJE UN GENERADOR —LEY DE FARADAY............................8

2.4. POLARIDAD DEL VOLTAJE GENERADO —LEY DE LENZ..............................................11

2.5. ADICIÓN DE ANILLOS ROZANTES Y ESCOBILLAS PARA COMPLETAR UN GENERADOR DE CA ...................................................................................................................... 12

2.6. RECTIFICACIÓN MECÁNICA DE LA CA A CD —CONMUTACIÓN.................................13

2.7. MEJORAMIENTO DE LA DÍNAMO —MÁS BOBINAS DE ARMADURA..........................14

2.8. USO DE LA DÍNAMO COMO MOTOR...................................................................................15

2.9. RELACIÓN DE LORENTZ........................................................................................................17

3. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE CD DE ROTOR DEVANADO......................................20

3.1. FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ (FCEM)....................................................................23

3.2 CÓMO AJUSTA LA ARMADURA LA CORRIENTE QUE TOMA, EN FORMA AUTOMÁTICA .................................................................................................................................. 28

3.3. LA RELACIÓN ENTRE E IA..................................................................................................29

3.4 RELACIÓN DEL PAR DE UN MOTOR CON LAS CORRIENTES MEDIBLES IF E IA......31

3.5 POTENCIA MECÁNICA.............................................................................................................32

4. GRÁFICAS CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES CON CONFIGURACIÓN EN DERIVACIÓN ........................................................................................................................................ 33

5. CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES DE CD CONFIGURADOS EN SERIE.................38

6. CONFIGURACIÓN COMPUESTA..................................................................................................53

7. INTERPOLOS....................................................................................................................................55

8. ARRANQUE, PARO Y REVERSA..................................................................................................57

8.1 ARRANCADORES......................................................................................................................57

8.2 PARO............................................................................................................................................61

8.3 FRENADO CON REVERSA......................................................................................................64

8.4 REVERSA....................................................................................................................................65

SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA..........................................................................68

MOTORES DE DC CON ROTOR DEVANADO

1. TIPOS DE MOTOR

Corriente eléctrica directa recibe

Un motor de cd

Rotación mecánica del ejeentrega

recibeRotación mecánica

de una máquina externa

Un motor de cd Generador

entrega Corriente eléctricadirecta

Dínamo

2. PRINCIPIOS DE LA DÍNAMO DE ROTOR DEVANADO

tieneBobina de

electroimán

esDevanado de

muchas vueltas

enSu parterotatoria

Dínamo derotor devanado

No tiene Imanes permanentes

Es más fácil explicar el funcionamiento delgenerador que del motorPrincipios delfuncionamientode un dínamoAun cuando la dínamo funcione como motor, al mismo tiempo

genera voltajePar degiro de los motore

2.1. ROTOR Y ESTATOR

La parte interna, elrotor, debe girar

Para que ungenerador La parte externa, el

estator, permanece

Cilindro montado sobre un eje (soportado por cojines)

2.2. ARMADURA Y CAMPO

UN GENERADOR

Devanado de armadura

Devanado de campo

Produce voltaje porque tiene un cambio de flujo

magnético

Aquí se produce el flujo magnético

Electroimán que produce una intensidad B de flujo magnético cuando pasa

Devanado esde

armadura

Devanado que en realidad produce el

voltaje de salida VSAL

esta En el rotor pero no necesariamente

Un polo salientecasi siempre se ensancha al llegar a su cara

Para que el flujo del campo magnético sedistribuya con más uniformidad en la superficie del rotor

Para que el devanado no pueda salirse delpolo

esEntrehierro

Distancia entre lasuperficie del rotor y las caras polares de campoa

Menor entrehierroel campo magnético es más fuerte

Aumentando la eficiencia de lamáquina y suministrando más salida de energía eléctrica

LaminacionesEl cilindro del rotor y

los polos del campo son de acero

problema

para

Comunicarle permeabilidad magnética y producir mayor densidad de flujo magnético

Buen conductor eléctrico

desarrollando

Corrientes parásitas

Desperdiciando energía y contribuyendo al

calentamiento de la máquina

Rotor y polos de campo con laminaciones de acero separados por capas finas de plástico

solución

Relación espacial entre el flujo magnético y una espiral de la armadura.

LEY DE FARADAY

∆𝚽𝑽 = 𝑵∆𝒕Indica que cuando una espira de alambre (un devanado) se somete a un flujo magnético que varié en el tiempo, inducirá o generará un voltaje V. El voltaje inducido por cada vuelta, en volts, es igual a la rapidez de cambio del flujo magnético respecto al tiempo, medida en webers por segundo.Si el devanado total tiene muchas(N) vueltas, el voltaje total que produce es N multiplicado por el voltaje por cada vuelta

2.3. CÓMO PRODUCE VOLTAJE UN GENERADOR —LEY DE FARADAY

Al girar la bobina de una vuelta en elespacio, el voltaje instantáneo que aparece en las terminales del devanado varía en forma de onda senoidal. En forma específica, a medida que la bobina gira de la posición de 0° a la de 90° y después avanza a la de 180°, vertical, el voltaje v generado por la bobina produce un medio ciclo positivo de una onda senoidal, como se indica. Entonces, cuando la bobina gira los 180° siguientes, es decir, de la posición de 180° a regresar a la posición de 0°, v produce el medio ciclo negativo.

Una rotación completa de la bobina produce una ondasenoidal completa de voltaje.

Condición de flujo instantáneo por la bobina en el instante de 0° (instante vertical).

Condición de flujo instantáneo por la bobina en el instante de 30°.

Se ve con claridad que ya no tiene a la línea más superior de flujo atravesándola e igual en el fondo. Ahora sólo hay 11 líneas de flujo que atraviesan la bobina. Así, la bobina ha perdido dos líneas (2 mWb) durante el tiempo transcurrido al girar de 0° a 30°.

El plano de la bobinavertical, como se indica. campo

magnéticorepresenta con 13 líneas

esEl se de

flujo, que se pueden imaginarque son 13 mili webers de flujo(Φ𝑇 𝑇 𝐴𝐿=plano

13mWb). Con elde la bobina

perfectamente vertical, las 13líneas pasan por la bobina. Elflujo Φ que pasa por la bobinatiene su valor máximo posible,13 mWb. Además, en este instante de la rotación de la bobina, el flujo que la atraviesa no está cambiando —por un momento es constante.La ley de Faraday, es muy clara sobre qué acción produce el voltaje. No es que un flujo que atraviese la bobina produzca voltaje; es el cambio del flujo a través de la bobina lo que produce el voltaje.El voltaje instantáneo es cero.

Condición de flujo instantáneo por la bobina en el instante

Condición de flujo instantáneo por la bobina en el instante de 60°.

Autor3: BENALCAZAR ROMAN ALEXANDER PAUL

Esquema de una máquina generadora eléctrica, con anillos rozantes y escobillas.

2.4. POLARIDAD DEL VOLTAJE GENERADO —LEY DE LENZ

Para deducir la polaridad del voltaje generado utilizaremos la ley de Lenz que dice:

Si fuerzas externas hacen que una espira tenga un cambio del flujo que la atraviesa, la espira trata de circular corriente en sus conductores, en la dirección que haga que su propio flujo “interno” se oponga al cambio que le imponen los eventos exteriores.

Que significa que si hay eventos exteriores que causan disminución del flujo que atraviesa la bobina, ésta debe inducir una polaridad de voltaje que trate de hacer circular corriente eléctrica en la dirección que forme un flujo “interno” que ayude al flujo externo. Al ayudar al flujo externo, la bobina se opone a la disminución que le imponen los eventos externos.

Sin embargo, si los eventos externos causan que aumente el flujo que atraviesa la bobina, entonces ésta deberá inducir una polaridad de voltaje que trate de hacer circular corriente en dirección que produzca un flujo interno que se oponga o apunte en dirección contraria al flujo externo. Al apuntar en dirección contraria al flujo externo, la bobina se opone al aumento que le imponen los eventos externos.

Pola

ridad

del

vol

taje

Para conectar la bobina giratoria de armadura con el mundoexterno de las cargas, se sueldan las terminales de la bobina a anillos de cobre que se montan en el eje, pero están aislados de él.

Unos bloques de carbón, llamados escobillas se mantienenpresionados contra los anillos rozantes. Incrustados en las escobillas hay alambres de cobre que llevan a la carga resistiva.

Con este arreglo de escobillas y anillos rozantes podemos conectar el devanado móvil de la armadura con una carga externa.


2.5. ADICIÓN DE ANILLOS ROZANTES Y ESCOBILLAS PARA COMPLETAR UN GENERADOR DE CA

Adic

ión

de a

nillo

s ro

zant

es

y esco

billa

s pa

ra c

ompl

etar

Lo que necesitamos para pasar de ca a cd es unconmutador mecánico —el anillo rozante, en la figura muestra el dínamo más sencillo posible, el cual está compuesto por un solo anillo rozante cortado en dos piezas, o segmentos. Los segmentos del conmutador están aislados del eje y entre sí.

Deestamaneralaconmutaciónmecánicadesegmentos con escobillas coincide exactamente con el cambio eléctrico de la polaridad del segmento.

Donde laescobilla senoidal

escobilla inferior siempre es positiva, y lasuperiorsiempreesnegativa.Laondade ca generada internamente se ha

rectificado “de onda completa” en la carga externa,como indica la forma de onda.

División del anillo rozante en segmentos, para rectificar la ca y suministrar cd


2.6. RECTIFICACIÓN MECÁNICA DE LA CA A CD —CONMUTACIÓN

Adic

ión

de a

nillo

s ro

zant

es

y esco

billa

s pa

ra c

ompl

etar

Autor5: ESCOBAR ALBUJA DAVID ANDRES

La figura muestra una segunda bobina de armadura en el rotor, apartada 90° de la primera. El conmutador se ha cortado en cuatro segmentos, en lugar de sólo dos. No es difícil ver que este arreglo permitirá que una de las bobinas energice la carga durante la cercanía al máximo de cada medio ciclo, y la otra toma el relevo durante la cercanía al máximo de sus medios ciclos.2.7. MEJORAMIENTO DE LA DÍNAMO —MÁS BOBINAS DE ARMADURA


voltaje.resultadomuestra en lasondasdela figura siguiente.

Deben quedar claras las ventajas de tener más bobinas en la armadura:

Sólo con una inversión adicional pequeña en la fabricación de la máquina, su capacidad se mejora en forma dramática.En un devanado de armadura en una dínamo moderna, las bobinas de armadura no funcionan en forma independiente entre sí.Todas están interconectadas en arreglos en serie/paralelo, para que cada bobina individual haga una contribución parcial para la capacidad general de la máquina, en todo momento.


2.8. USO DE LA DÍNAMO COMO MOTOR

Cuando se cambia de operación como generador a motor, se quita la carga eléctrica y se sustituye por un suministro eléctrico de cd, como se ve en la figura. En el eje se fija el dispositivo de carga mecánica.

En la figura, VA simboliza el voltaje de la fuente que se aplica a la armadura En el Sistema Internacional, el par de giro está en newton-metros (N-m).

Según atracción de polos magnéticos al motor de cd de la figura, a corriente convencional está entrando al motor por la escobilla inferior, saliendo de la máquina a través de la escobilla superior, hasta la terminal negativa del voltaje VA.

Cuando gira 90° desde la posición mostrada en la figura, la armadura está en la posición de 180°. La escobilla superior negativa estará tocando al segmento con la terminal roja, y el conductor de la terminal roja estará un poco a la izquierda del plano vertical central de la dínamo.


La producción de par en los motores:

Punto de vista de atracción de polos: cuando se hace pasar la corriente a través de la o las bobinas del devanado de armadura, la bobina de armadura produce su propio campo magnético, independiente del campo magnético inicial producido por el devanado de campo. Un lado de la bobina de armadura se transforma en norte magnético y el otro se transforma en sur magnético.

El lado norte de la armadura es atraído hacia el polo sur del campo; el lado sur de la armadura es atraído hacia el polo norte estacionario del campo. Esa atracción entre fuerzas hace que el conjunto de armadura

y rotor gire para alinearse magnéticamente, para que el norte de la armadura quede lo más cerca posible del sur del campo estacionario y

viceversa.

El par no es uniforme. Pulsa, como se ve en la gráfica del par de la figura. No es posible comprender por qué pulsa de esta manera el par cuando se adopta el punto de vista anterior de atracción y repulsión

de polos, para comprender la producción del par motor.


2.9. RELACIÓN DE LORENTZ

Autor6: FREIRE CONRADO ANTHONY BRYAN

= =

Esquema de un motor de corriente directa con devanado de campo en paralelo o derivación con el devanado de armadura.

Conexión física del motor en derivación.

3. FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE CD DE ROTOR DEVANADO

Se mostrara las configuraciones esquemáticas, aunque se domine por completo los principios fundamentales. El motor de cd se encontrara con el devanado de campo conectado en paralelo, o en derivación, con el devanado de la armadura.

Identificación de las corrientes en un motor de cd configurado en derivación

Ajustable =


EJEMPLO 1En el motor suponer que se aísla el devanado en derivación del campo y se mide suresistencia con un óhmetro; resulta = . Supongamos que el voltaje de suministro aplicado es 230 V.

(a) Calcular la corriente de campo (b) Imaginar que se intercala un reóstato de en el circuito del campo de

derivación.

(a) Usando la ley de Ohm determinaremos la corriente de campo

=

= =

(b) Para calcular la corriente mínima, se debe ajustar el reóstato a . La corriente máxima para este caso va a ser la misma del literal anterior =

=

= EJEMPLO 2

Respecto al esquema del motor en derivación. Supongamos que la corriente de campo se conoce, y es 1.5ª.


(a) Si la corriente total en la línea de suministro es 7.8 A. Cuanta corriente pasa por el circuito de la armadura.

(b) Supongamos que hay un aumento en la resistencia mecánica al movimiento del eje del motor, debido a la carga, hace que el motor trabaje más. Trabaja más tomando más corriente, en forma automática,

del suministro de cd. Si el nuevo valor de la corriente total es = A, Cual es el nuevo valor de la corriente por la armadura.

(a) Por la ley de Kirchhoff deduciremos la sumatoria de las corrientes en el nodo superior de la rama media.

= = =

(b) se conservara, la corriente que hace el cambio de la potencia de salida va a ser .

= = =

Autor7: LLUGSHA TOAPANTA EDWIN ROBERTOLa armadura hace la tarea de corregir en forma automática la corriente que consume.

El símbolo EC representa la fuerza contra electromotriz (FCEM), o voltaje contrario, que es generada por el devanado de armadura del motor.

La polaridad de la FCEM está en posición con el voltaje de la fuente impulsora, VA. Así, EC se resta de VA para determinar el voltaje neto disponible para hacer que pase la corriente IA por la resistencia RA del devanado.

3.1. FUERZA CONTRAELECTROMOTRIZ (FCEM)

Autor7: LLUGSHA TOAPANTA EDWIN ROBERTO

EJEMPLO 1

SOLUCION

(a) Según la ley de voltaje de Kirchhoff

(b) De acuerdo con la ley de Ohm

La FCEM es mucho mayor que la caída según la ley de Ohm

En la parte (a), los valores son

En la parte (b), los valores son

Autor7: LLUGSHA TOAPANTA EDWIN ROBERTO

Autor8: MAYA MEDINA JENNIFER ELIZABETH

= [

EJEMPLO 2

Una constante de proporcionalidad = 0.087para calcular EC. Sus caras polares tienen = por lo que = 𝑘𝐸𝐶 𝑙

2= Supongamos que el valor de es 1.5A y B=0.95T. Son valores caracteristicos de una máquina de caballaje integral

-Si el motor gira a 2480 r/min ¿qué cantidad de FCEM genera?-Supongamos que la corriente de campo IFse reduce a 1.2 A mediante un reóstato enserie.

Con el motor funcionando a este nuevo valor de B, supongamos que su FCEM disminuyea 195 V. Calcular la nueva velocidad del

motor

== ( )( ) ( ) =

a)

b) Si las variables magnéticas son proporcionales a la corriente de campo, se puede escribir

= = = = = = = = ( ) ( )

Se usa el método de proporcionalidad para calcular el flujo

= = ( )=

Autor8: MAYA MEDINA JENNIFER ELIZABETH

c) Si se ordena la ecuación se obtiene

= =

Autor9: PATIÑO VELA CHRISTOPHER

3.2 CÓMO AJUSTA LA ARMADURA LA CORRIENTE QUE TOMA, EN FORMA AUTOMÁTICA

El eje del rotor demanda mayor par de giro que el inicial (1) si maneja carga

mecánica difícil de impulsar por ejemplo un

liquido muy viscoso en una bomba (2)

1. El aumento en el par demandado por la bomba

hace que disminuya la velocidad del

motor

4. El motor tiene sobretiro; se estabilizará con rapidez en un nuevo conjunto de condiciones de operación, donde el nuevo y mayor valor de IA2 es el suficiente para permitir un nuevo y

mayor par de giro

2. Menor velocidad menor FCEM, como la IF se

mantiene la B también, a medida que disminuye la velocidad S también

disminuye EC

3. La disminución de EC produce un aumento de IA,

VA y RA tienen valoresconstantes, en el caso ideal

Autor10: PAZMIÑO MOYA VINICIO DAVID

La fuerza mecánica creada por los conductores de la armadura del motor es proporcional a su corriente I y a la intensidad de campo Magnetico

Una armadura real tiene varias bobinas interconectadas entre sí a través de numerosos segmentos (“delgas”) de conmutación.

Como TAU depende de la F, y F es proporciaonal a B y a I cabe esperar que TAU sea proporcional a B y a I

Todas las bobinas funcionan en forma simultánea, ayudándose entre sí en la producción general de par de giro.

3.3. LA RELACIÓN ENTRE E IA

Se puede escribir

Autor10: PAZMIÑO MOYA VINICIO DAVIDEl factor de proporcionalidad k depende de los mismos detalles constructivos de los que dependió kEC

El diámetro y longitud del rotor, cantidad de polos, cantidad total de conductores en el devanado de armadura y el método específico de interconexión, en serie o paralelo, de las bobinas de la armadura

Autor10: PAZMIÑO MOYA VINICIO DAVID

EJEMPLO 1

Nuestro motor de caballaje integral tiene kEC = 0.087, estando S en r/min. Este hecho

determina en forma absoluta el valor de su factor k, ya que kEC tuvo ya en cuenta todoslos detalles estructurales del motor. Nuestro motor tiene k = 0.83, con la velocidad enr/min en N-m. Las hojas detalladas de datos del fabricante deben indicarlo. O bien, sepuede calcular multiplicando 9.551.

kEC por el factor de conversión, de rad/s a r/min, que es

k9.551kEC

9.5510.087 0.83

B = 0.95 T cuando IF = 1.5 A. El motor generaba EC = 205 V con S = 2480 r/min. Recordamos que RA = 2.8Ω

Calcular la corriente de armadura, IA, bajo estas condiciones de funcionamiento. Usar la ecuación (12-6).

Calcular el par de salida del motor .

Solución

k A VA EC

RA 230V 205V

2.88.93A

Se aplica la ecuaciónkBI A 0.83(0.95T )(8.93A) 7N m

Autor11: PROAÑO CHICAIZA GRACE ADRIANA

Relación del par de motorcon corrientes IF e IA

asumiendo

B directamenteproporcional a IF

IF < Itrans EC= Kec*IF*Sdonde kt =9.551*Kec

τ=kt*B*IA

Se mide confacilidad

si y solo si

τ=(9.551*kec)IA*If

3.4 RELACIÓN DEL PAR DE UN MOTOR CON LAS CORRIENTES MEDIBLES IF E IA

EJEMPLO 1

Nuestro motor de caballaje integral que tiene k ec =0.087 y kt =0.83 y B=0.95

Calcule la corriente IA

IA = VA – EC/RA

= 230 V - 205 V

2.8Æ = 8.93 A

Solución

• τ = k*BIA = 0.8310.95 T218.93 A2 = 7.0 N-m

POTENCIAMECANICA

• Producto delpar por la velocidad

P=τ*smec• Se mide enwatts

S en rad/s•

Autor11: PROAÑO CHICAIZA GRACE ADRIANA

3.5 POTENCIA MECÁNICA

τ= N-m

Autor12: SAA ESCOBAR DARIO ALEXANDER

Se debe a que el eje de un motor este impulsando una carga mecanicaEstos es asi porque las condiciones en la carga definen caunto par debe producir el motor.

Su regulacion es de 17% conciderado un valor muy buenoLos motores en derivacion de cd tienen un torque de arranque bastante buenoSe concidera que un factor de aumento de 7 es bastante bueno

Esta configuracion tambien de denominadashunt, en paralelo o en derivacion

Su nombre se debe porque el devanadodel campo esta electricamente paralelo con el devanado de armadura.

4. GRÁFICAS CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES CON CONFIGURACIÓN EN DERIVACIÓN

MOTORES DE CONFIGURACIÓN EN DERIVACIÓN

C

Dem

anda

de

torq

ue o

Conocer las constantesde proporcionalidaddel motor ( y k𝜏)

NECESITAMOS Reemplazamos en laecuacion: 𝑐 = Reemplazamos en laecuacion: 𝜏 = 𝜏



𝐿 Valor del la corriente cuando el motor se encuentra a plena carga

Al sobrepasar 𝐿 se producira perdidad de potencia, debido a la elevacion de la temperatura

El par o torque que produce 𝐿 se llama par de plena carga 𝜏 𝐿

La velocidad producida por 𝜏 𝐿 se llamavelocidad a plena carga y esta 𝐿

EL funcionamiento a plena carga se refiereal funcionamiento maximo continuo

El motor puede rebasar sus condiciones de plena carga durante un tiempo muy corto sin daniarse

Al instante que aranca un moto, el picode consumo de aumenta

es limitada por la ley de Ohm para elcircuito de la armadura ( 𝑞 ) =

Un pico de corriente tan grandepodria causar una caida de voltaje

La ventaja de esta pico de corriente esque produce un mayo torque a plena carga

• 𝜏( 𝑞 ) = 𝜏 × × ( 𝑞 )


Regulación

Es la medida decuanto cambio relativo de velocidad sucede en un∆𝜏 𝜖 [ , 𝜏 ] Se calcula:• 𝑔 =𝑆𝑁𝐿 𝑆 𝐿 ∗ 𝑆 𝐿

Donde:𝑁𝐿 Velocidad del motor sincarga𝐿 Velocidaddel motor aplena carga

Ejemplo 1Con los datos de los gráficos anteriores calcular el porcentaje de regulación de velocidad.

𝑆 𝐿 𝑆𝐹𝐿𝑆(%) =× 𝑟𝑒𝑔 𝑆 𝐿= × = 𝑟 𝑖 𝑟 𝑖 ×


Autor13: SANDOVAL VIZUETE PATRICIO JAVIER

CONFIGURACION SERIE

Alternativa a Configuración enDerivación

Devanadode campo en serie con devandao de armadura

Alambredel devandao del motor mas grueso

El devanadode campo menos vueltas que en Conf.

Derivacion.

Se usamenor cantidad de numero de espiras.

CampoMagnético no es constante

Se debe conducir toda lacorriente de armadura

CONEXIÓN DEL MOTOR EN SERIE

5. CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES DE CD CONFIGURADOS EN SERIE

FuerzaContraelectromotriz

= ECUACIONES

BÁSICASFuerza de par 𝜏 = 𝜏

Intensidad del Campo Magnetico

Determinado por Corriente deArmadura Aumenta al tomar mucha corriente

(motor)

Mayor Corriente Satisfacer gran demanda de par por parte de la carga

Menor Corriente Poca demanda de par por parte de la carga


CONSIDERACIONES DE INTENSIDAD DE CAMPO MAGNÉTICO

DIFERENCIASENTRE CONFIGURAC ION SERIE Y EN DERIVACION

𝜏 𝑞 de 7 (Motor

en deivación),𝜏 𝑞 de 15 o 20

(Motor en serie)

Motor enserie usado en aplicaciones conde se pare y arranque con frecuencia.Desventaja

de configurció n serie mala regulación de la velocidad.


Autor13-14: SANDOVAL JAVIER - SANTANDER CARLOS

EJEMPLO 1

Si se desarmara el motor en derivación de la sección 12-4, y se rebobinara su campo para hacerlo un motor serie, seguiría teniendo los mismos factores de proporcionalidad que el motor en derivación original. Esto se debe a que quedan inalterados todos los detalles de la armadura, y la cantidad de polos en el campo no cambia. Por consiguiente, podemos depender de

= ( )Y

𝜏 = ( )Suponga que la resistencia del devanado de campo, , en la figura 12-27, se mide yresulta . Cabe esperar que la resistencia del devanado de campo sea muy baja, porque el alambre de la bobina es bastante grueso y mucho más corto (menos vueltas) que el devanado original en derivación.Supongamos que el número de vueltas en el devanado de campo serie es tal que ladensidad de flujo de este motor llega a = cuando por el motor circula su corriente de funcionamiento a plena carga, . (No ha cambiado el devanado dearmadura, por lo que todavía tiene la misma limitación de corriente continua máxima que antes.)

También supongamos que para todos los valores de menores que 12 A, B es proporcional a . Eso equivale a decir que el motor está funcionando en la región lineal de su curva de magnetización del núcleo, a la izquierda de . O bien, que A. Vea la figura 12-21.

a) La ecuación (12-12a) para el motor serie sigue siendo 𝜏 = . La supuesta proporcionalidad entre B e . se puede expresar como

=O bien

= ∗ ( ) = ( )


Figura 12-27Nuestro motor original transformado en un motor serie

Sustituir la ecuación (12-18) en la ecuación (12-19) para obtener una ecuación querelacione el par 𝜏 con la corriente de armadura para nuestro motor serie. A esta nueva ecuación le llamaremos (12-19a).

Confiamos en las ecuaciones (12-18) y (12-19a) cuando 12 A.

b) Hacer una tabla que tenga encabezados de columna 𝜏 (N-m), (A), EC (V) y S(r/min), de izquierda a derecha. En la columna del par, escribir todos los valores de

𝜏 enteros de 1 a 15 N-m. También incluir un renglón para el par de funcionamientoa plena carga, 9.5 N-m, entre el renglón 9 y el renglón 10. Para todos los valores

enteros desde 𝜏 = 1 N-m hasta 𝜏 = 9 N-m, reacomodar la ecuación (12-19a) para calcular la corriente de armadura del motor serie. También calcular para 𝜏 = 9.5 N-m, que es 𝜏 . Ingresar los valores calculados de IA en la tabla.c) No son tan de fiar las ecuaciones (12-18) y (12-19a) cuando 12 A. Sin embargo,para poder trabajar, proseguiremos usando la ecuación (12-19a) reordenada para

estimar los valores de para todos los valores enteros de 𝜏 de 10 a 15 N-m.

d) Graficar los puntos calculados con la ecuación (12-19a). Usar 𝜏 como variableindependiente e como variable dependiente.

Solución

a) 𝜏 = ( ) y = ( ) De modo que 𝜏 = ( ) ∗ ( ) ∗

𝜏 = ( ) ∗ ( )


b) Al reacomodar la ecuación (12-19a) y despejar se obtiene

( ) =𝜏 = 𝜏

= √ 𝜏 = √𝜏

La ecuación (12-19b) expresa la característica esencial de un motor serie. Indicaque la corriente en el motor no tiene que aumentar en proporción directa a su par, sino sólo en proporción de la raíz cuadrada el par.

En otras palabras, se pueden producir valores muy grandes de par de arranque sin que necesariamente se tengan picos perjudiciales de corriente en el arranque.Comenzando con = 1 N-m se obtiene

= ( )√ = ( ) = Para 𝜏 =2 N-m el resultado es

= ( )√ = ( ) ∗ = Y así sucesivamente, hasta que 𝜏 =9.5 N-m, en el que

= ( )√ = ( ) ∗ = La tabal 12-1 muestra estos resultados.

c) Al continuar como antes para 𝜏 = , se obtiene

= ( )√ = ( ) ∗ = ( )

Y así sucesivamente estos resultados.

= ( )√ = ( ) ∗ = ( )


Tabla 12-1Variables de operación de nuestro motor serie.*

*La parte sombreada de la tabla solo es estimada, basada en una supuesta proporcionalidad entre la densidad del flujo de campo, B, y la corriente 𝑨. No setenido en cuenta el efecto de la saturación magnética.

Ahora procedemos a llenar los seis renglones inferiores de la tabla 12-1 con valores de que son estimaciones.

d) Los datos se grafican en la figura 12-28. Compárelos con el motor en derivación de la figura 12-24(b); esa recta se ha prolongado hasta 15 N-m, y se ha superpuesto en la gráfica del motor serie.

Observe cómo el motor serie puede producir par de sobrecarga sin calentar su devanado de armadura tanto como lo hace un motor en derivación


Figura 12-24b

Figura 12-28

Autor14: SANTANDER DIAZ CARLOS PATRICIO

EJEMPLO 2

(a) Acerca del diagrama de la figura 12-27, calcular la corriente de arranque, IA (arranque).

(b) Con valores muy grandes de IA no es razonable suponer que B conserve su proporcionalidad.En lugar de ello, para un cambio de IA desde IA(FL) = 12 A hasta IA(arranque), una estimación más razonable es que desde que empieza la saturación magnética (la transición), todo aumento posterior de B sucede sólo con la mitad de la rapidez con la que aumenta IA. Usar este método para estimar el aumento de B en el momento del arranque, arriba y más allá de su valor de0.95 T que se obtiene en la condición de plena carga, IA = 12 A. Entonces estimar Barranque sumando este aumento adicional de B, a 0.95.

Curva característica de IA en función del par, para un motor serie. La gráfica

sólo es realista hasta 9.5 N-m. Más allá, es idealizada.


(c) Estimar el par de arranque producido por este motor serie.

Solución.

(a) En el momento de arranque EC = 0, y se aplica la ley de Ohm. Ahora hay dos resistencias en el circuito de la armadura, RA y Rser. La resistencia total del circuito de la armadura es

La ley de Ohm da como resultado

(b) Si se compara la condición de arranque con la condición de plena carga, la corriente de armadura aumenta en un factor de

Así que si B hubiera conservado su proporcionalidad, hubiera aumentado a

Eso hubiera querido decir que el aumento de B sería de 0.95 T a 4.65 T, por lo que_B = 3.7 T; pero en nuestra estimación, la B real es sólo 1/2 _ 3.7 T = 1.85 T.

(c) Aplicando la ecuación del par motor se obtiene

Compare lo que realiza el motor serie al encenderse, con lo que realizó el motor en derivación configurado.


El motor serie produce 137 N-m del par, lo cual es casi el doble de los 65 N-m del motor en derivación. Además, el motor serie fue capaz de conseguirlo con un pico de sólo 59 A, que es considerablemente menor que el de 82 A del motor en derivación.

Autor15: TAIPE MENA GLORIA ESTEFANIA

EJEMPLO 3

(a) Completar la columna de EC de la tabla 12-1, calculando la fuerza contra electromotriz para cada renglón, usando la ley de voltaje de Kirchhoff.

En el primer renglón se tiene

EC = 230 V – (13.9 A * 3.9 Ω)

= 230 V - 15 V = 215 VPara el segundo renglón,

EC = 230 V – (5.5 A * 3.9 Ω ) = 230 V - 21 V = 209 V

y así sucesivamente, hasta el último renglón,

EC = 230 V – (15.1 A * 3.9 Ω) = 230 V - 59 V = 171 V

Los resultados de EC en los renglones abajo de la plena carga, 𝜏 = 9.5 N, son estimaciones.

(b) Llenar la columna de S, en la tabla 12-1, calculando la velocidad como sigue:

Que al sustituir la ecuación (12-12a) en la (12-8a) se obtiene

(b) En el primer renglón,


En el segundo renglón,

y así seguimos hasta el último renglón,

Como se mencionó anteriormente, la parte sombreada de la tabla, abajo del renglón de9.5 N-m, es estimada y no es de fiar.


(c) Graficar la curva de S en función de para este motor serie.

La velocidad se grafica en la figura, en función del par.

Un motor configurado en serie tiene muy mala regulación de velocidad. Es imposible especificar un factor Sreg basado en la ecuación (12-16), porque un motor serie no puede funcionar sin carga.

Aun en esta gráfica, es problemática la velocidad de 5500 r/min. Debería ser un conjunto de rotor muy bien fabricado, para mantenerse íntegro. Para la mayor parte de las dínamos de cd, la velocidad máxima segura es alrededor de 4000 r/min.

Compárese la regulación de la velocidad del motor serie con la del motor en derivación.

La gráfica característica del motor en derivación, en la figura 12-24(a), se ha prolongado hasta 15 N-m, y se ha encimado a la curva de velocidad del motor serie. Observe la muy


mala regulación de velocidad del motor serie. Es tan mala que no pudimos mostrar el valor de 8000 r/min que corresponde a = 1 N-m.

Esto descubre un hecho importante acerca de los motores serie: no se les puede dejar funcionar sin carga (par de carga cero), ni siquiera con valores muy pequeños de par de carga. Un motor serie girará a una velocidad excesiva y se destruirá a sí mismo, si el par de carga es demasiado bajo. Desde luego que no se le puede dejar trabajar libre, con su eje desacoplado mecánicamente de la carga.


6. CONFIGURACIÓN COMPUESTA

DERIVACIÓN:

regulación de velocidad y un par de arranque buenos.devanado: consiste en una gran cantidad de vueltas de alambre delgado. Tiene una alta resistencia RF y conduce una corriente relativamente pequeña IF.

El motor configurado

en:

SERIE:tiene mala regulación y un par de arranque excelente.devanado: consiste en pocas vueltas, relativamente, de alambre grueso. Tiene baja resistencia Rser y conduce toda la corriente de armadura IA.conduce la corriente de armadura IA>>IF bajo condiciones de par de carga grande

COMPUESTO:es un compromiso entre las características de operación de los motores en derivación y serie.

devanado: conduce una corriente IF baja.

Corte transversal de un motor compuesto, mostrando la relación eléctrica entre el devanado del campo en derivación, el devanado del campo serie y el devanado de armadura.Autor15: TAIPE MENA GLORIA ESTEFANIA

Autor16: TAMAYO BACACELA SANTIAGO ALEXANDER

7. INTERPOLOS

INTERPOLOS

Los motores de rotor devanado hemos supuesto que el flujo magnético

mantiene su distribución espacial, en otras palabras las líneas de Φ son

perpendiculares a las caras polares, se distribuyen uniformemente en todos

los puntos de las caras polares.

• Pero, el flujo no se comporta como este ideal. Se distorsiona cuando el devanado de la armadura toma mucha corriente cuando hay grandes pares de carga, porque los conductores de la armadura crean su propio flujo, que forma un ángulo de 90° en relación con el flujo principal (para una máquina con dos polos).

• Este problema se llama reacción dearmadura.

• El flujo neto que resulta de la combinación del flujo principal horizontal y el flujo vertical de la reacción de armadura está doblado y distorsionado.

• Esta distorsión de flujo causa dos problemas:

• - Reduce la producción de par por el motor.

• - Empeora el “chisporroteo” entre las escobillas y los segmentos de la armadura.

Para combatir el problema de la reacción de armadura, algunos motores se fabrican con interpolos.- Polos físicamente menores colocados entre los polos principales, como se ve en la figura.

Los devanados de los interpolos se conectan en serie con la armadura.Su dirección de devanado hace que su flujo se oponga al flujo de reacción de la armadura, con el flujo de reacción de armadura dirigido hacia abajo, el flujo de los interpolos apunta hacia arriba.Así, los interpolos anulan el efecto de reacción de la armadura y se eliminan los dos problemas asociados con él.

Autor16: TAMAYO BACACELA SANTIAGO ALEXANDER

Autor16-17: TAMAYO SANTIAGO - TITO WILSON

ARRANCADORESMuchos motores de cd se arrancan directo de la línea, este método produce el máximo par de arranque y la aceleración más rápida.

Existen casos en los que el motor no puede ser arrancadocon seguridad en esta forma, porque el pico de corriente dura demasiado.

Esto sucede cuando la carga tiene mucha inercia rotacional,el rotor mismo del motor tiene gran inercia, o ambas cosas.

La inercia grande tiende a presentarse en los motoresgrandes.

Como regla general, es probable que los motores grandes necesiten circuitos especiales de arranque, y no los motores pequeños.

8. ARRANQUE, PARO Y REVERSA

8.1 ARRANCADORES


Hay dos clases de circuitos de arranque para limitar el pico inicial de corriente en la armadura de un motor de cd:

1. Circuitos que aumentan el voltaje aplicado VA en forma gradual.

2.Circuitos que intercalan resistor(es)

Esta clase de circuitos de

arranque usa uno o más SCR con un circuito de control de compuerta, que cambia en forma

gradual el momento de

disparo y con ello eleva el valor

promedio de VA

El devanado de campo en

derivación está activado por un

voltaje estable de línea de cd. Si hay un reóstato en el

circuito del campo, debe ponerse en 0

antes de aplicar la corriente a la

armadura.

limitador(es) en serie con la

armadura

y después los desconectan a medida que el motor acelera.

En la figura se muestra un circuito que aumentan el voltaje aplicado VA en forma gradual.

Cuando el interruptor principal se cierra, VAv(línea) se aplica aldevanado del campo en derivación.

En el caso normal se cierra inicialmente el contacto delrelevador RA2-2, por lo que el reóstato está en cortocircuito. Eso garantiza los valores máximos posibles de IF y de la intensidad del campo magnético B.

En el escalón 3, cuando el contacto N.A. de servicio rudo MS-1se cierra, la corriente se irrumpe en la armadura como se ve en la figura


Un ejemplo de circuito de arranque de resistor conmutado se ve en la figura:

Pero se limita con los resistores de arranque R1 y R2, además de en las resistencias de devanado RA y Rinter, de valor bajo. Por consiguiente, IA(arranque) se limita a un valor seguro.


Autor17: TITO CRESPO WILSON XAVIER

2. Desconectar lacorriente y aplicar frenos de fricción mecánica

Cuando se desconecta la corriente, debendesconectarse al mismo tiempo la armadura y el campo en derivación.Sino primero debe desconectarse la armadura y después el campo en derivación.Nosepuedeinvertirelorden:primero desconectar el campo y después la armadura

3.Frenadodinámico.

Cuando se quita el voltaje aplicado VA de lasescobillas de la armadura, continúa existiendo la FCEM, ECSi se conecta una carga eléctrica resistiva a las escobillas de la armadura, se puede usar la dínamo como generador, en forma temporal.

8.2 PARO

Hay cuatro formas

de parar un

motor:

1. Desconectar la corriente y dejarlo que se pare solo.

2. Desconectar la corriente y aplicar frenos de fricción mecánica.

3. Frenado dinámico.

4. Frenar con reversa o contramarcha.


En la figura la corriente IA pasa por el devanado de armadura de arriba a abajo.

Esta dirección de corriente produce par de avance (supongamos que sea en el sentido de las maquinas sencillas de reloj).

• En la figura el interruptor de dos polos se ha abierto.

• se desconecta la fuente VA de cd y seconecta la resistencia Rfreno

• Hace pasar corriente Ifreno a través de Rfreno y después por la armadura, de abajo hacia arriba

• Cuando el motor cesa de girar, EC se vuelve cero y la acción de frenado cesa en forma natural

Una mejora al frenado dinámico simple es el frenado regenerativo.En este método de frenado el motor se pasa al modo de generador, pero entonces la energía rotacional de la dínamo se regresa en realidad a la fuente de cd, en lugar de disiparse en el aire ambiente, en la resistencia Rfreno.


Autor18: UQUILLAS MAÑAY CECILIA CAROLINA

8.3 FRENADO CON REVERSA

FRENADO CON REVERSA

A medida que se desacelera el rotor el par de retardo se

ECgeneradodisminuye

Procedimiento más vigoroso de frenado:

Aplicar oltaje VA de la fuene

de dc al devanado de

armadura.

Con polarida

d invertid


Motor configuradoen derivación:Ladirecciónde rotación se invierte

8.4 REVERSA

REVERSA

Se invirtierte la polaridad deldevanado de armadura o la del devanado de campo, pero no ambas

Evita problemas relacionados con tener desenergizado el campo en forma momentánea mientras está energizada

la armadura

Tener en cuenta que la dirección de la corriente

a través del devanado del campo serie no se debe

invertir.

• Si se invierte, su flujo se opondría al flujo principal

La corriente del devanado del interpolo debe

invertirse cuando se invierte la corriente de la

armadura


Los interpolos deben invertirse para contrarrestar y anular el flujo de reacción de la armadura.

C. Potencia: Energizalos devanados del motor

La corriente IF pasa por la bobina del relevador RFF sensor de corriente.

Después por el devanado de campo en derivación.

Después rodea al reóstato a través del contacto RReo-1, que es N.C. e inicialmente está en su estado normal.


(Relevador de falla de campo) Comprobar quesiemprelacorrientepaseenrealidadal circuito del campo en derivación

Está devanada con pocas vueltas de alambregrueso.Suresistencia,enconsecuencia,es bastante baja.Si la corriente en el devanado de campo cesa por cualquier motivo, se desenergiza la bobina de RFF.

Al oprimir el botón de arranque AVANCE en elescalón 6 se energiza la bobina del contactor AVA


Objetivo de RFF

La bobina de RFF

AVANCE

Autor19: VELASTEGUI SILVA FRANCISCO PAUL

Eliminación de azufre en una chimenea de central carboeléctrica

SOLUCIÓN DE PROBLEMAS EN LA INDUSTRIA

El carbón tiene azufre que al quemarse produce dioxido de azufre

La eliminación del dióxido de azufre gaseoso se hace en una torre de aspersión con

agua, llamada torre lavadora.

2. El CaSO3 toma un átomo más de oxígeno del aire fres- co que burbujea por el lodo. Con ello se produce Ca- SO4, sulfato de calcio,

que también se llama yeso.

La concentración de las sustancias en el lodo se mide con sensores electrónicos. Para mantener la concentración dentro de intervalos aceptables, se controla automática- mente la capacidad de pulverización de caliza, aumentando o disminuyendo la velocidad del motor cd que impulsa al molino.

el gas contaminado con SO2 entra a la torre. Al subir el gas

caliente, debe pasar por la aspersión de gotas finas.

Produce una reacción química

1. El CaCO3 de la caliza reacciona con el H2SO3 para producir sulfito de calcio, CaSO3.

El sulfito de hidrógeno no es un compuesto químico

estable, se mezcla con caliza pulverizada, arrastrada en una corriente de agua, como se ve

en la figura 12-41.

H2SO3, (ácido sulfuroso) disuelto. En esta reacción se retiene más del 90% del azufre total en los gases; menos del 10% es- capa por la chimenea.

Objetivos de localización de problema

2. ¿Cuál es su conclusión acerca del circuito de retroalimentación del sistema y el controlador de voltaje de armadura?

1. ¿Qué más puede usted decir acerca del origen del problema?

Vigilar la concentración de H2SO3 en el lodo. Al investigar, se encuentra usted, midiendo con el tacómetro, que el motor del molino sólo gira a 1100 r/min, aun cuando el voltaje aplicado en la armadura está en su máximo de 300 V.


3. En este momento ¿cuál es su sospecha?

Usted hace una comprobación visual inmediata de las condiciones eléctricas de escobillas y conmutador. Indica que las escobillas de carbón no están gastadas más allá de su límite —todavía queda mucho carbón. También, los resortes del porta escobillas parecen oprimir con firmeza los carbones contra las delgas, por lo que no se puede resolver el problema con un simple cambio de escobillas o de resortes (vea la figura 12-4).


Autor20: VACA CANO CARLOS EDUARDO

¿Cuál es el siguiente paso que razonablemente daría usted?

Trabajando rápido, se necesita que usted y 2 ayudantes tarden 1.5 hora para cambiar el

motor de accionamiento de cd, por una unidad de reserva que hay en el inventario de

mantenimiento.

¿Qué es lo primero que revisaría en el motor?

Suponga que el rotor gira sin esfuerzo, por lo que no se puede decir que la falla del motor

está en sus cojinetes.

¿Qué mediciones con óhmetro puede hacer en estemotor de cd, de rotor devanado, para revisar

su integridad eléctrica?

Si no tiene las especificaciones de la resistencia de los devanados, que es lo que suele suceder en

la vida real

¿qué otras medidas puede tomar para tener algún indicio de que los devanados están intactos?

Si descubre que un devanado ha sufrido daños en su aislamiento, se podría deber a que el motor no

está bien adaptado al voltaje cd de operación (no es probable),


¿Qué más mediciones con óhmetro sepueden hacer?

Suponga que descubre que un grupo de tres mediciones sucesivas son mucho menores que las otras veintiuna, obtenidas como se ve en la figura 12-43. Por consiguiente llega a la conclusión de que está dañado el devanado de armadura del motor.


¿qué debe usted hacer para terminar su investigación?

Un megóhmetro aplica alto voltaje, por lo que indica el funcionamiento del aislamiento bajo

condiciones realistas de alto voltaje, incluyendo posibles picos de voltaje. Si el aislamiento está intacto, el megóhmetro

medirá muchos megohms de resistencia (el aislamiento ideal tendría una resistencia

infinita).

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