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MÁQUINAS ELÉCTRICAS
TEMA - 2
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MÁQUINAS
ROTATIVAS
DE CORRIENTE
CONTINUA
DE CORRIENTE
ALTERNA
-
MOTOR
-
DINAMO
(GENERADOR)
TRIFÁSICAS
MONOFÁSICAS
ASÍNCRONAS
O DE INDUCCIÓN
SÍNCRONAS
CLASIFICACIÓN GENERAL DE LASMÁQUINAS ELÉCTRICAS
EXCITACIÓN
INDEPENDIENTE
AUTOEXCITADAS
E. SERIE
E. DERIVACIÓN
E. COMPUESTA
MOTOR DE FASE PARTIDA
MOTOR DE ESPIRA DE SOMBRA
MOTOR UNIVERSAL
ROTOR EN JAULA
ROTOR BOBINADO
ALTERNADOR
(GENERADOR)
MOTOR SÍNCRONOMÁQUINAS
ESTÁTICAS TRANSFORMADOR
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INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS DECORRIENTE CONTINUA
Disponen de un inductor situado en el estator, que
contiene el devanado de excitación o campo. Cuando funciona como generador (dinamo):
Hacemos girar el rotor
Aplicamos corriente continua a la excitación
Vimos que en las bobinas del rotor se inducían f.e.m. senoidalesde valor y frecuencia:
Gracias a la acción rectificadora del colector de delgas se obtenía
a la salida una corriente continua.
dt
dNe
Φ−=
60
npf =( )LBve
×=
Ii
Carga
Φ
Ve
VE
Ri
Vesc
Potencia mecánica
I e
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INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS DECORRIENTE CONTINUA
Cuando funciona como motor:
Aplicamos corriente continua a la excitación.Aplicamos corriente continua al inducido a través de las escobillas
y el colector.
Vimos que en los lados activos de la bobinas del rotoraparecían unas fuerzas iguales y de sentido contrario, de valor:
Estas fuerzas dan lugar a un par motor.
( )LBIF
×=
Φ
Ve
VE
Ri
Ii
Vesc
Potencia mecánica
I e
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INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS DECORRIENTE CONTINUA
La principal aplicación actual de la máquina de corriente
continua es el funcionamiento como motor.
Se han desarrollado sistemas electrónicos que permitenprescindir del colector y las escobillas, por ser estos elementosdelicados y que requieren mantenimiento.
Las ventajas del motor de corriente continua frente a los decorriente alterna son:
La facilidad de regulación de la velocidad en un amplio margen,controlando la corriente del inducido, del inductor o de las dos a lavez.
El elevado par de arranque que se puede obtener.
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INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS DECORRIENTE CONTINUA
Tradicionalmente se han utilizado en:
Trenes de laminación.
Telares.
Tracción eléctrica (ferrocarriles).
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ASPECTOS CONSTRUCTIVOS1. CARCASA O CULATA, en esta
máquina pertenece al circuito
magnético del inductor.2. NÚCLEOS POLARES, se
construyen de chapas de aceroapiladas y aisladas.
3. ZAPATA POLAR , para que elcampo sea más uniforme en elentrehierro.
4. POLOS AUXILIARES, DECONMUTACIÓN O INTERPOLOS,se conectan en serie con el inducidoy reducen el chispeo entreescobillas y colector.
6. INDUCIDO.
7. ARROLLAMIENTO DELINDUCIDO.8. DEVANADO INDUCTOR O
EXCITACIÓN10.COLECTOR DE DELGAS11.ESCOBILLAS
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ASPECTOS CONSTRUCTIVOS
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ASPECTOS CONSTRUCTIVOS
Dependiendo de donde se alimenta el inductor,
distinguimos:Máquinas con excitación independiente, el inductor se alimenta
desde una fuente de alimentación independiente de la delinducido (funcionando como motor)
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 circularápor él la corriente total de la máquina.
Máquinas shunt o derivación, el inductor se conecta en paralelo conel inducido. El inductor es de muchas espiras de hilo fino.
Máquinas compound o compuestas, la excitación está repartida endos bobinas, una en serie y otra en paralelo con el inducido. Sedistingue entre: Derivación corta. Derivación larga.
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EXCITACIÓNINDEPENDIENTE EXCITACIÓN
SERIE
EXCITACIÓNCOMPUESTA
EXCITACIÓNDERIVACIÓN
ASPECTOS CONSTRUCTIVOS
A1
A2E1 E2
A1
A2
D1 D2
P
N
P
N
P
N
A1
A2
E1E2E2E1
D1 D2
P
N
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ASPECTOS CONSTRUCTIVOS
INDUCIDO A1A2
INDUCTOR
SERIE
D1
D2POLOSAUXILIARES
B1B2
INDUCTOR
PARALELO
O INDEPENDIENTE
E1
E2
COMPENSACIÓN C1C2
RED P
N
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
FUNCIONAMIENTO COMO GENERADOR
Por ser más didáctico suponemos el rotor en anillo. En este tipo de arrollamiento solo se aprovecharía el lado de cada
espira que está bajo el polo.
Aplicando la regla de la mano derecha obtenemos que las f.e.m.inducidas en cada espira tienen distinto sentido según estén bajo un
polo norte o un polo sur.
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO FUNCIONAMIENTO COMO GENERADOR
Podemos considerar cada espira como un generador elemental de
corriente continua.
En vacío (sin ningún receptor conectado) no circulará corriente por el inducido ya que la f.e.m. de la rama derecha es igual y opuestaa la de la izquierda.
Hay que situar las escobillas en la línea neutra si queremosaprovechar al máximo la f.e.m. inducida en el rotor.
La línea neutra indica la posición en que se invierte la f.e.m.inducida en las bobinas.
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
FUNCIONAMIENTO COMO GENERADOR
En el devanado en anillo, así como en el devanado imbricadosimple, siempre hay tantas ramas o circuitos en paralelo comopolos.
En el devanado ondulado simple, el número de ramas o circuitosen paralelo siempre es dos.
IMBRICADO SIMPLE 2 c = 2 p
ONDULADO SIMPLE 2 c = 2
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
FUNCIONAMIENTO COMO GENERADOR
Vamos a determinar la f.e.m. inducida en el rotor de la dinamo.
La f.e.m. inducida en una espira en un semiperiodo es:
En un semiperiodo el flujo abarcado o concatenado varía de – Φ a + Φ.
Recordando:
T
4
d 2T
1
Emed Φ
=Φ= ∫
Φ+
Φ−/
60
.n p
f =
T
1f =
60
np4Emed
.Φ=
Φ
N S
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
FUNCIONAMIENTO COMO GENERADOR
Tenemos Z conductores en el inducido, que formarán Z/2 espiras,distribuidas en 2C ramas en paralelo.
Donde KE es la constante de la máquina.
c
p
Z
n
c
zn p
E Φ=Φ= .602
1
260
.
4
nk E E ⋅Φ⋅=
c
p
60
ZK E ⋅=
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
FUNCIONAMIENTO COMO MOTOR
La fuerza sobre un conductor del inducido, según la Ley deLaplace, viene dada por:
La intensidad que entra en el inducido se reparte en 2C ramas enparalelo, luego:
El par producido por un conductor:
Donde R es el radio del inducido
)LBI(F
×=
2C
ILBF imed ⋅⋅=
R 2C
ILBT imed ⋅⋅⋅=
N S
F
BI
L
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
FUNCIONAMIENTO COMO MOTOR
El par producido por los Z conductores que hay en el rotor:
La inducción magnética es Bmed
= Φ/S, donde Φ y S son el flujo yla superficie por polo de la máquina.
El par electromagnético o interno:
2p
LR 2π
ΦBmed ⋅
=
iIΦZc
p
2π
1ZR L
2C
I
2p
R.L2π
ΦT i ⋅⋅=⋅⋅⋅⋅
⋅=
ZR 2C
ILBT imed ⋅⋅⋅⋅=
NR
L
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
FUNCIONAMIENTO COMO MOTOR
El par electromagnético o interno:
Donde KT es la constante de la máquina.
iIΦZc
p
2π
1T ⋅⋅= iIΦK T T ⋅⋅=
c
p
2π
ZK T =
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
SI QUEREMOS UTILIZAR LA MISMA CONSTANTE:
Par electromagnético:
La fuerza electromotriz / contraelectromotriz:
iIΦZc
p
2π
1T ⋅⋅= i I ΦK T ⋅⋅=
c
p
2π
Z K =
c60
pZ
2
60
c
pZ
60
nE
⋅
⋅Φ⋅⋅
π
⋅ω=Φ= . ω⋅⋅= ΦK E c
p
2π
Z K =
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
FUNCIONAMIENTO COMO MOTOR
Si queremos la potencia electromagnética
Muy próxima a la potencia mecánica P2 o potencia útil.
Habría que descontar la potencia de pérdidas mecánicas y depérdidas en el hierro.
60
n2πT.ωTIEP ia
⋅=⋅=⋅=
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Cuando la máquina funciona como generador y está en carga, circula
por el inducido una corriente Ii y al estar sus conductores dentro del
campo magnético creado por el inductor ,aparecerá un par electromagnético “T” que se opone a la rotación (par resistente).
iIΦZc
p
2π
1T ⋅⋅=
Ii
UE >
N S Rcarga
Rotación
Par electromagnético
U
E
Ri+
-
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PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Cuando la máquina funciona como motor , al girar el rotor y estar sus
conductores dentro del campo magnético creado por el inductor , se
inducirá en ellos una f.e.m. “E” que se opone a la circulación de lacorriente por lo que en este caso se denomina fuerzacontraelectromotriz.
UE <
N S
Ii
Rotación
Par electromagnético
U
E
c
pΦZ
60
nE ⋅=
Ri+
-
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REACCIÓN DE INDUCIDO
Campo magnético generado por el inductor. Campo magnético generado por el inducido
Campo magnético resultante con la máquina en carga
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REACCIÓN DE INDUCIDO
Cuando la máquina, funcionando como generador,está en vacío, la única inducción magnética existenteen el entrehierro es la del inductor “Be”.
α
Be
ESTATOR
ROTOR
REACCIÓN DE INDUCIDO
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REACCIÓN DE INDUCIDOCuando se conecta una carga, circula corriente por el
inducido y esta crea una inducción magnética “Bi”.
Bi
Fi N ∞
Fuerzas magnetomotricesgeneradas por cada espira
Fuerza magnetomotriz total
REACCIÓN DE INDUCIDO
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REACCIÓN DE INDUCIDO
Bi
Fi N ∞
La inducción magnética “Bi “presenta depresiones en las zonasinterpolares debido al aumento de lareluctancia.
REACCIÓN DE INDUCIDO
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REACCIÓN DE INDUCIDOSe llama reacción de inducido al efecto que ejerce la
f.m.m. del rotor sobre la del estator.
Superponiendo la inducción magnética creada por el
estator y por el rotor:
B
θLíneas neutras en vacío y en carga
REACCIÓN DE INDUCIDO
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REACCIÓN DE INDUCIDO
Consecuencias:
El campo magnético se refuerza en un lado del polo y sedebilita en el otro.
En la zona en que se refuerza el campo, se producesaturación magnética y el flujo total por polo disminuye.
Por tanto, disminuye la f.e.m. inducida (E = KE.Φ.n),
obteniéndose una menor tensión a la salida, funcionandocomo generador o un menor par funcionando comomotor.
Se desplaza la línea neutra, adelantándose un ángulo θfuncionando como generador y retrasándose cuandofunciona como motor.
Se produce en fuerte chisporroteo en el colector ya que laescobilla pone en cortocircuito una bobina en la que seestá induciendo una f.e.m. por existir inducción en esazona.
REACCIÓN DE INDUCIDO
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REACCIÓN DE INDUCIDO
Soluciones:
Desplazar la posición de las escobillas a la nuevalínea neutra, adelantándolas funcionando comogenerador y retrasándolas como motor.
N SFe
F.m.m. en vacío
N S
θ
FeFi
F.m.m. en carga
REACCIÓN DE INDUCIDO
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REACCIÓN DE INDUCIDO
Soluciones:
Desplazar la posición de las escobillas.
La f.m.m. de reacción de inducido, Fi , se puededescomponer en una componente transversal, Fty en una Fd , que se opone a la de excitación Fe ,por tanto es desmagnetizante.
N SFe
Fi
Fd
Ft
REACCIÓN DE INDUCIDO
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REACCIÓN DE INDUCIDO
Soluciones:
Desplazar la posición de las escobillas.
Para compensar Fd , habrá que aumentar la f.m.m.de los polos en la misma proporción.
La posición de las escobillas debería variarse paracada intensidad del inducido, es decir, cada vezque variara la carga.
Por tanto, esta solución no es práctica.
N SFe
Fi
Fd
Ft
REACCIÓN DE INDUCIDO
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REACCIÓN DE INDUCIDO Soluciones:
Devanado de compensación.
En las caras polares y paralelas al eje de lamáquina se hacen unas ranuras y se alojanconductores en serie con el circuito exterior, demodo que circulen corrientes de sentido contrario alas del del inducido.
Sólo se utiliza en máquinas de potencia elevada ycon fluctuaciones bruscas de la carga.
N SFeFt
Fc
REACCIÓN DE INDUCIDO
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REACCIÓN DE INDUCIDO Soluciones:
Polos auxiliares, interpolos o polos deconmutación.
Se colocan en la línea neutra teórica.
Tienen un devanado conectado en serie con elinducido.
Producen una f.m.m. opuesta a la de reacción de
inducido. Para que el flujo que originan sea proporcional a la
Ii para cualquier valor, el entrehierro en estos poloses mayor. De modo que no se alcanza lasaturación magnética.
REACCIÓN DE INDUCIDO
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REACCIÓN DE INDUCIDO Soluciones:
Polos auxiliares, interpolos o polos de conmutación.
N SFeFt
Fc
N
S
Carga
Polos auxiliaresPolos principales
CONMUTACIÓN
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CONMUTACIÓN Se denomina conmutación a la inversión de la
corriente en una bobina del inducido cuando esta pasapor una escobilla.
CONMUTACIÓN
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CONMUTACIÓN
– El periodo de quedisponemos parala inversión es “T”,tiempo en que lasdelgas a las que
va conectada labobina, hacencontacto con laescobilla.
t T
T Re
−=1R
t
T Re=2R
i I ii =+ 21
12
ii I i =+
T
t T I i i
−=1
T
t I i i=2
El tiempo disponible para laconmutación es “T”.
Las resistencias delga-escobillaen cada instante:
Las intensidades delga-escobillaen cada instante.
La intensidad en la bobina dondese realiza la conmutación:
=
T
t2-1
2
Ii i
CONMUTACIÓN
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CONMUTACIÓN
Ii
I2I1
S2S1
Ii/2Ii/2
I?
t T
S S 2 =
i I ii =+ 21
12
ii I i =+
T t T I i i −=1 T
t I i i=2
Las resistencias delga escobilla en cadainstante son inversamente proporcionales alas superficies de contacto S1 y S2.
=
T
t2-1
2
Ii i
t
T R R e2 =
( )t -T T S S 1 = ( )Tt)-T
R R e1 =
Las intensidades son inversamenteproporcionales a las resistencias
CONMUTACIÓN
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CONMUTACIÓN Si no existiera f.e.m. de autoinducción en la bobina “C” ,
la conmutación sería ideal, lineal o rectilínea. Laintensidad en la bobina seguiría la expresión:
=
T
t2-1
2
Ii i
Ii / 2
-Ii / 2
t
T/2 T
CONMUTACIÓN
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CONMUTACIÓN En la realidad, al tener que variar la corriente en la
bobina desde + Ii/2 hasta - Ii/2 , en un tiempo “T” ,seinduce una f.e.m. de autoinducción:
dt
di L
dt
d Φ N er =−=
er f.e.m reactiva Φ flujo creado por la
corriente de la bobina N nº de espiras de la bobina
er se opone a la variación de lacorriente en la bobina (ley de Lenz)
Retrasa el proceso de conmutación.Ii / 2
-Ii / 2
t
T/2 T
Conmutación líneal
Conmutación retardada
CONMUTACIÓN
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CONMUTACIÓN
El tiempo disponible para pasar desde i = 0 hasta i =- Ii /2 esmuy pequeño por lo que er toma un valor elevado.
La superficie de contacto delga-escobilla disminuye.
La densidad de corriente se hace muy elevada y originachisporroteo en el colector.
Ii / 2
-Ii / 2
t
T/2 T
i e
er
ec
CONMUTACIÓN
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CONMUTACIÓN Es necesario compensar la er por otra de signo opuesto e igual
magnitud ec.
Esto se consigue incorporando en la zona de conmutación un
polo auxiliar de la misma polaridad del que se dirige la bobinaen que se produce la conmutación y recorrido por la corriente Ii, es decir, puesto en serie con el inducido.
Los polos de conmutación tienen dos objetivos:
Contrarrestar la reacción de inducido. Contrarrestar la er de conmutación.
Por tanto, su f.m.m. debe ser:
Ft reacción de inducido
FB conmutaciónBtaux
FFF +=
CONMUTACIÓN
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CONMUTACIÓN
En el caso de que el tiempo en que se realice la conmutación supere aldisponible teórico “T” la corriente circulará entre la delga y la escobilla através del aire (chispa).
T