Fundamentos de la conversión electromecánica de energía (Presentación PowerPoint)

5.1. La conversión electromecánica I (Gp:) GENERADOR ELEMENTAL

5.1. La conversión electromecánica II (Gp:) MOTOR ELEMENTAL

5.2. El principio de reversibilidad Todas las máquinas eléctricas rotativas son reversibles Pueden funcionar como motor o como generador Motor Conversión de Energía Eléctrica en Energía Mecánica Generador Conversión de Energía Mecánica en Energía Eléctrica

5.3. Balance energético de una máquina rotativa (Gp:) Pérdidas rotacionales

(Gp:) Pérdidas en el cobre del rotor

(Gp:) Pérdidas en el hierro

(Gp:) Pérdidas en el cobre del estator

Potencia eléctrica consumida (Pe) ESTATOR ROTOR Potencia mecánica útil del motor (Pu)

La máquina de corriente continua

La máquina de CC consta de dos devanados alimentados con CC: uno llamado inductor que está en el estator de la máquina y otro llamado inducido que está en el rotor. En el caso de funcionamiento como motor ambos devanados están alimentados con CC. En el caso de funcionamiento como generador se alimenta con CC el inducido y se obtiene la FEM por el inductor (también continua). Su funcionamiento se basa en la existencia de un mecanismo llamado colector que convierte las magnitudes variables gene-radas o aplicadas a la máquina en magnitudes constantes. Se utilizan en tracción eléctrica (tranvías, trenes etc.) y en accio-namientos donde se precisa un control preciso de la velocidad. Están en desuso debido a su complejo mantenimiento.

6.1. La máquina de CC: generalidades

Culata Núcleo polar Expansión polar Núcleo del polo auxiliar o de conmutación Expansión del polo auxiliar o de conmutación Núcleo del inducido Arrollamiento de inducido Arrollamiento de excitación Arrollamiento de conmutación Colector 11. – 12. Escobillas 6.2. Despiece de una máquina de CC (Gp:) 1

(Gp:) 2

(Gp:) 3

(Gp:) 4

(Gp:) 6

(Gp:) 7

(Gp:) 5

(Gp:) 8

(Gp:) 9

(Gp:) 10

(Gp:) 11 (Gp:) 12

? M. F. Cabanas: Técnicas para el mantenimiento y diagnóstico de máquinas eléctricas rotativas

Motores de CC (Gp:) Motor de CC de 6000 kW fabricado por ABB

(Gp:) Pequeños motores de CC e imanes permanentes

(Gp:) Motor de CC para aplicaciones de robótica

Catálogos comerciales Fotografía realizada en los talleres de ABB Service Gijón Catálogos comerciales

La FEM que se obtiene a la salida de la máquina varía en el tiempo ya que esta máquina no dispone de colector 6.3. Funcionamiento como generador I ? M. F. Cabanas: Técnicas para el mantenimiento y diagnóstico de máquinas eléctricas rotativas

E d? Si la espira gira con velo-cidad angular ?=d?/dt mientras se mueva en la zona del flujo se inducirá en ella FEM: 6.3. Funcionamiento como generador II ? L. Serrano: Fundamentos de máquinas eléctricas rotativas

Con la máquina girando a una cierta velocidad V, la fem que se induce es alterna: cambia de signo cada vez que se pasa por debajo de cada polo. El colector es un dispositivo que invierte el sentido de la FEM para obtener una tensión continua y positiva (Gp:) Colector elemental (2 delgas)

(Gp:) Colector real (muchas delgas)

6.4. El colector Escobillas Colector real Colector ? M. F. Cabanas: Técnicas para el mantenimiento y diagnóstico de máquinas eléctricas rotativas Catálogos comerciales ? M. F. Cabanas: Técnicas para el mantenimiento y diagnóstico de máquinas eléctricas rotativas

6.5. FEM inducida en un máquina de CC (Gp:) Ap=área del polo

(Gp:) n=Velocidad en RPM r= radio

(Gp:) FEM EN UNA ESPIRA

(Gp:) FEM DE INDUCIDA POR EL DEVANADO COMPLETO DE LA MÁQUINA (Gp:) N=nº total de espiras a=nº de circuitos en paralelo

6.6. Par interno de una máquina de CC a=nº de circuitos en paralelo I=Corriente rotor (inducido) (Gp:) PAR CREADO POR EL DEVANADO COMPLETO DE LA MÁQUINA (Gp:) N=nº total de espiras

(Gp:) PAR CREADO POR UNA ESPIRA

(Gp:) I= Corriente de inducido

El campo magnético de la máquina de CC puede generarse mediante imanes permanentes, o con bobinas alimentadas con CC (caso habitual): Según la forma de alimentación de las bobinas se tienen 2 tipos de excitación: Excitación independiente: la corriente que alimenta al deva-nado inductor es ajena a la propia máquina, procede de una fuente independiente externa. Autoexcitación: la corriente de excitación en este caso pro-cede de la propia máquina. Según la forma de obtener esta corriente existen 3 tipos diferentes de máquina de CC: Excitación Serie: devanado inductor en serie con el inducido Excitación derivación: devanado inductor conectado directa-mente a las escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido. Excitación compuesta o mixta: una bobina en serie y la otra en paralelo. 6.7. Formas de excitación I

(Gp:) Motor de excitación independiente

(Gp:) Motor de excitación derivación

(Gp:) Motor de excitación serie

6.7. Formas de excitación II

(Gp:) Motor de excitación compuesta larga

(Gp:) Motor de excitación compuesta corta

6.8. La reacción de inducido I (Gp:) Al circular corriente por el inducido se va a crear un campo que distorsiona el campo creado por los polos inductores de la máquina (Gp:) Esta distorsión del campo recibe el nombre de reacción de inducido

EFECTOS PRODUCIDOS POR LA REACCIÓN DE INDUCIDO Desplazamiento de la “plano o línea neutra” (plano en el que se anula el campo Disminución del valor global del campo de la máquina (Gp:) DESPLAZAMIENTO LÍNEA NEUTRA

(Gp:) ? Mulukutla S. Sarma: Electric machines

REDUCCIÓN PAR Y AUMENTO VELOCIDAD 6.8. La reacción de inducido II Desplazamiento de la “plano o línea neutra” POLOS DE CONMUTACIÓN LOS POLOS DE CONMUTACIÓN COMPENSAN LOCALMENTE LA REACCIÓN DE INDUCIDO ELIMINANDO LA DISTORSIÓN DEL CAMPO Disminución del valor global del campo de la máquina PROBLEMAS DURANTE LA CONMUTACIÓN

6.9. La máquina de CC como generador I Generador con excitación independiente (Gp:) Se hace girar el inducido y se alimenta el inductor. La tensión de excitación controla la FEM E y, por tanto, la tensión de salida Ui

La tensión de salida crece proporcionalmente con la velocidad de giro n La relación entre la corriente de excitación y la FEM inducida no es lineal: existe saturación

IR I1 (Gp:) Iex (Gp:) E (Gp:) Curva de magnetización (Gp:) El generador “arranca” gracias al magnetismo remanente siguiendo un proceso de AUTOEXCITACIÓN

6.9. La máquina de CC como generador II (Gp:) Generador con excitación derivación (Gp:) En la generador en derivación la propia tensión de salida del generador se utiliza para producir la excitación Uex=Ui

ER Pto. de equilibrio (Gp:) Magnetismo remanente

?R ER E1 E2 E1 I1 E2 Se repite hasta el pto. de equilibrio

6.10. Curvas características de los motores de CC I (Gp:) Ec. General maq. CC

(Gp:) Motor de exc. independiente (Gp:) Motor de exc. derivación (Gp:) Desde el punto de vista funcional ambos motores son muy similares ya que el inducido está sometido a una tensión constante (Gp:) Ii (Gp:) Ii

(Gp:) Ecuación del mo-tor derivación e independiente

6.10. Curvas características de los motores de CC II (Gp:) Curva par-velocidad de los motores de excitación independiente y derivación

(Gp:) n (Gp:) Ii

CONSIDERANDO CTES. Ui y ? CARACTERÍSTICA DURA CARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD n=f(Ii) (Gp:) n (Gp:) T (Gp:) Pendiente 2 – 8% (Gp:) Aumento de Ri

?=cte

6.10. Curvas características de los motores de CC III Ecuación del motor serie (Gp:) Ec. General maq. CC (Gp:) Ec. General maq. CC

La relación entre Iex y el flujo ? viene definida por la característica magnética (B-H) de la máquina (Gp:) ? (Gp:) Iex (Gp:) Zona lineal ?=CIex

(Gp:) Motor de excitación serie (Gp:) En el motor serie el devanado de excitación y el inducido están conectados en serie. Iex=Ii y esta última depende de la carga arrastrada por el motor, por tan-to, sus características funcionales serán distintas de las del motor de exc. indep.

6.10. Curvas características de los motores de CC IV Como Iex=Ii en la zona lineal del motor se cumple: ?=CIi (Gp:) En la zona lineal (pares bajos)

SUSTITUYENDO La característica mecánica cuando el motor trabaja en la zona lineal (pares bajos). ES UNA HIPÉRBOLA En la zona de saturación (cuando al motor se exigen pares elevados) se puede admitir ?=Cte SUSTITUYENDO La característica mecánica en la zona de saturación (pares altos) ES UNA RECTA (Gp:) T (Gp:) n

NO puede trabajar con cargas bajas porque tiende a embalarse

6.10. Curvas características de los motores de CC V CARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD n=f(Ii) (Gp:) Ecuación del motor serie

(Gp:) Ec. General maq. CC

Como Iex=Ii en la zona lineal del motor se cumple: ?=CIi La característica de velocidad cuando el motor trabaja en la zona lineal ES UNA HIPÉRBOLA (Gp:) n (Gp:) Ii

En la zona de saturación se puede admitir ?=Cte (Gp:) En la zona de saturación es una recta decreciente

6.11. Variación de velocidad en los motores de CC I DISPOSITIVOS PARA LA VARIACIÓN DE TENSIÓN CONTINUA (Gp:) Ec. General maq. CC

Se usa con n>nnominal. Al disminuir la excitación disminuyen el flujo y el par pero aumenta la velocidad A n