MAQUINAS ELECTRICAS MODULO DE AUTOAPRENDIZAJE V1-13-10-2015

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SESION 9.2: EXCITACIÓN DE LAS MAQUINAS DE C.C.

1. INTRODUCCION

La forma como se produce el flujo magnético en las máquinas de corriente contínua (cc), estas máquinas

se clasifican en:

EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

AUTOEXCITADAS.

• EXCITACIÓN SERIE

• EXCITACIÓN SHUNT

• EXCITACIÓN COMPUND

EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

El bobinado de excitación de la máquina es alimentado por una fuente de c.c. exterior. La corriente de

excitación puede ser regulada por un reostato o por la propia fuente. Su utilización es limitada por

necesitar de una fuente exterior para su excitación.

MAQUINAS AUTOEXCITADAS

La fuente de alimentación del bobinado de excitación llega a través del inducido de la propia máquina.

En los generadores el flujo inicial de excitación se produce por histérisis.

En los motores, el bobinado de excitación se alimenta a través de la red de c.c.

EXCITACIÓN SERIE

Son de pocas espiras y sección grande, para tener la menor caída de tensión posible. Las bobinas

inductoras son recorridas por la misma corriente generada por el inducido y absorbidas por la carga.

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EXCITACIÓN SHUNT

El circuito inductor está conectado está conectado

en derivación con el circuito inducido y con la carga.

Las bobinas están constituidas por un número

elevado de espiras y poca sección.

EXCITACIÓN COMPUND

Constituida por dos circuitos, uno serie y otro en

derivación. Esta máquina reúne las

características de la conexión serie y de la

conexión shunt, por lo que mejora bastante las deficiencias de las anteriores.

2. CIRCUITO EQUIVALENTE DE UNA MAQUINA DE CC: MOTOR

Hay cinco tipos principales de motores de c.c..

1. Motores de Excitación externa.

2. Motores de excitación en derivación

3. Motores de imán permanente

4. Motores de excitación Serie,

5. Motores de excitación compound

Para un motor cc, el circuito equivalente se muestra en la figura, el circuito del inducido está

representado por una fuente ideal de voltaje EA y una Resistencia RA. Esta representación es el

equivalente Thevenin de la estructura total del rotor, incluidas las bobinas del rotor, los interpolos y los

devanados de compensación, si los hay. La caída de voltajes en la escobilla está representada por una

pequeña batería Vesc opuesta en dirección al flujo de corriente de la máquina. Las bobinas de campo

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que producen el flujo magnético están representadas por la inductancia LF y la Resistencia RF. La

resistencia separada Radj representa una resistencia exterior variable, utilizada para controlar la

cantidad de corriente en el circuito de campo

El voltaje interno generado en la máquina está dado por : EA = KΦw

W, es la velocidad de rotación de la máquina

El par inducido desarrollado está dado por ind = KΦI A

Estas dos ecuaciones corresponden a la LTK del circuito inducido y la curva de magnetización de las

máquinas, son las herramientas necesarias para analizar el comportamiento y el funcionamiento de una

máquina de c.c.

CURVA DE MAGNETIZACION DE UNA MAQUINA DE CC

El voltaje generado EA de un motor o generador es : EA = KΦw

EA es directamente proporcional al flujo en la máquina y a la velocidad de rotación de ella. ¿Cómo se

relaciona el voltaje interno generado con la corriente de campo de la máquina?

La corriente de campo en una máquina que produce una fuerza magnetomotriz de campo fada por

F= NF IF, la cual produce un flujo en la máquina de acuerdo a la curva de magnetización. La primera

curva la conocemos, la segunda curva expresa EA contra IF a una velocidad wo dada

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Para obtener la máxima potencia posible de salida por libra de peso de la máquina, la mayoría de los

motores y los generadores están diseñados para operar cerca del punto de saturación de la curva de

magnetización, lo cual implica que se requiere un gran aumento de corriente de campo para obtener un

pequeño aumento en EA, cuando opera cercano a la plena carga.

MOTORES DC CON EXCITACIÓN SEPARADA

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MOTORES DC EN

DERIVACION.

MOTORES DC EN

SERIE.

MOTORES DC

COMPUESTOS.

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3. CARACTERISTICAS DE LOS TERMINALES DE UN MOTOR CC

En un motor las cantidades de salida son el par al eje y la velocidad; por tanto, su característica de los

terminales es una gráfica del par contra la velocidad en su salida.

¿Cómo responde un motor dc en derivación a una carga? Suponga que aumenta la carga en el eje de

este motor el par de carga carga excederá el par inducido ind en la máquina, y el motor comenzará a

reducir la velocidad. Cuándo el motor se frena, su voltaje interno generado disminuye (EA = K Φ w ↓) y

la corriente del inducido del motor IA = (VT - EA↓ )/RA aumenta. Cuando aumenta la corriente del

inducido, aumenta el par inducido ( ind = KΦIA↑) y, finalmente, el par inducido igualará al de la carga a

una velocidad mecánica de rotación w más baja.

Combinando las ecuaciones anteriores, se obtiene

w = VT + RA ind

K Φ (K Φ)

Esta ecuación representa justamente una línea recta con pendiente negativa, como se muestra en la

figura.

4. EJEMPLO 1

Un motor dc en derivación de 50 hp, 250 V, 1200 rpm, con devanados de compensación, tiene una

resistencia del inducido (incluidas las escobillas, los devanados de compensación y los interpolos) de

0.06 Ω. Su circuito de campo tiene una resistencia total del Radj+RF de 50 Ω con lo cual produce una

velocidad de vacío de 1200 rpm. Hay 1200 vueltas por polo en el devanado de campo de derivación. Se

pide

a) Confeccionar el circuito equivalente

b) La velocidad de este motor cuando su corriente de entrada es 100 A.

c) La velocidad de este motor cuando su corriente de entrada es 200 A.

d) La velocidad de este motor cuando su corriente de entrada es 300 A.

e) Dibuje la característica par-velocidad de este motor.

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Solución. El voltaje interno es EA = K Φ w , puesto que el campo es constante( debido a que VT y la

resistencia de campo son constantes) y no hay efectos de reacción del inducido, el flujo en este motor es

constante. La relación entre las velocidades y los voltajes internos generados del motor para dos

condiciones de carga diferentes es

EA2 K Φ w2 K y Φ se cancela, k

es una constante, el flujo es el mismo

----- = ---------

EA1 K Φ w 1

w2 = EA2 w 1

------------

EA1

En vacío, la corriente del inducido es cero de modo que EA1 = VT = 250 V, mientras que la velocidad

w1=1200 rpm. Si puede calcularse el voltaje interno generado por otra carga.

a) Si IL = 100 A IA = IL- IF = IL - VT/RF = 100 A - 250/50 = 95 A

Entonces EA = VT – IA RA = 250 V – (95 A)(0.06Ω) = 244.3 V

La velocidad resultante del motor es : w2= 244.3 V 1200 rpm = 1173 rpm

250 V

b) 1144 rmp c) 115 rpm

d) En vacío el par inducido ind = 0, para hallar el par inducido para cualquier otra carga, la potencia

convertida en este motor dc es

Pconv= EAIA = ind w ind = EAIA / w

El par inducido cuando IL= 100 A es

El par inducido cuando IL= 200 A es

5. ANALISIS NO LINEAL DE UN MOTOR EN DERIVACION

El flujo Φ y, por tanto, el voltaje generado EA de una máquina cc es una función no lineal de su fuerza

magnetomotriz. Entonces, cualquier fenómeno que altere la fuerza magnetomotriz en la máquina tendrá

un efecto no lineal en el voltaje interno generado de ella.

Puesto que la curva de magnetización es una gráfica directa de EA contra IF para una velocidad dada wo

dada, el efecto de cambiar la corriente de campo de la máquina se puede determinar de su curva de

magnetización.

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Si una máquina presenta reacción del inducido, su flujo se reducirá a medida que aumenta la carga. En

un motor dc en derivación, la fuerza magnetomotriz total es igual a la fuerza magnetomotriz del circuito

de campo menos la fuerza magnetomotriz debida a la reacción del inducido. (AR).

El voltaje resultante EA puede ser determinado localizando la corriente equivalente en la curva de

magnetización. En un motor dc en derivación la corriente equivalente de campo está dada por:

6. EJEMPLO 2.

Un motor dc en derivación de 50 hp, 250 V, 1200 rpm, sin devanados de compensación, tiene una

resistencia del inducido (incluidas las escobillas, y los interpolos) de 0.06 Ω. Su circuito de campo tiene

una resistencia total del Radj+RF de 50 Ω con lo cual produce una velocidad de vacío de 1200 rpm. Hay

1200 vueltas por polo en el devanado de campo de derivación y la reacción del inducido produce una

fuerza magnetomotriz desmagnetizante de 840 A-vuelta a una corriente de carga de 200 A. La curva se

muestra en la siguiente figura. Se pide

a) La velocidad de este motor cuando su corriente de entrada es 200 A.

b) Dibuje la característica par-velocidad de este motor.

Solución. Si IL = 200 A IA= IL - IF = IL - VT/RF = 200 A - 250/50 = 195 A

Entonces EA = VT – IA RA = 250 V – (195 A)(0.06Ω) = 238.3 V

Para IL = 200 A , la fuerza magnetomotriz desmagnetizante debida a la reacción del inducido es 840

A*vuelta, de modo que la corriente efectiva es:

De la curva de magnetización, esta corriente efectiva de campo producirá un voltaje interno generado

EAO de 233 V a una velocidad de 1200 rpm

Puesto que el voltaje interno generado real es 238.3 V, la velocidad de operación del motor debe ser:

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7. PRACTICA DE AUTOCOMPROBACION

1. Qué sucede con la tensión inducida en un motor cc al aumentar la carga

2. Qué sucede con la velocidad de rotación de un motor cc al aumentar la carga.

3. Qué sucede con la tensión inducida en un generador cc al aumentar la fuerza aplicada

4. Qué sucede con la velocidad en un generador cc al aumentar la fuerza aplicada.

5. Cuál es la diferencia entre una máquina en derivación y en serie, realice los circuitos

equivalentes.

6. La tensión de armadura es igual a la tensión de la fuente, explique.

7. Cuáles son las partes del rotor y del estator.

8. Qué es conmutación.

9. Cuál es la función del colector en una máquina de cc.

10. Cuál es la función de las escobillas de una máquina de cc.

11. En qué casos se utiliza un motor de c.c.

12. Cuáles son las pérdidas en un motor cc. Realice una jerarquización.

13. Cuáles son las pérdidas en un generador cc. Realice una jerarquización.

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14. El siguiente motor, se

conecta en derivación,

presenta la las

siguientes

características y el

circuito equivalente

.

a) Si se ajusta la resistencia Radj en 175 Ω. Cuál es la velocidad de rotación del motor en

condiciones de vacío.

b) Si no existe reacción del inducido, ¿ cuál es la velocidad del motor a plena carga?.

c) Si el motor está operando a plena carga y su resistencia variable Radj aumenta a 250 Ω, ¿ cuál

es la nueva velocidad del motor?. Compare la velocidad del motor a plena carga Radj=175 Ω

(suponga que no hay reacción del inducido)

d) Suponga que el motor está operando a plena carga y su resistencia variable Radj es 175Ω. Si a

plana carga la reacción del inducido es 1200 A-vuelta. ¿ Cuál es la velocidad del motor?