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EE-214M CAPITULO III LA MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA (DC) Ing. Luis R ojas MIranda

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EE-214MCAPITULO IIILA MAQUINA DE CORRIENTE

CONTINUA (DC)

Ing. Luis Rojas MIranda

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MAQUINA DC DE CORRIENTE CONTINUA

Es una máquina eléctrica rotativa con un sistema de conmutación mecánico ( delgascolectoras y escobillas) o electrónico ( dispositivos semiconductores como diodos,tiristores, transistores, etc)

VENTAJAS:

1- Amplio rango de regulación de velocidad.2- Regulación de velocidad sencilla, fina y económica.3- mantiene una alta eficiencia en todo el rango de regulación.

DESVENTAJAS:

1- La existencia del conmutador (colector) mecánico.2- El chisporroteo en las escobillas ocasiona quemaduras en los contactos, suciedad,

y por lo tanto necesita de un mantenimiento sistemático de la máquina.

3- el sistema de colector-escobilla es una fuente de perturbaciones de alta frecuencia(radio perturbación), y para su amortiguamiento se necesitan filtros especiales.

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1. Culata o corona estatórica

2. Núcleo polar3. Pieza polar o zapata polar

4. Núcleo de polo auxiliar

5. Zapata polar del polo auxiliar

6. Inducido

7. Arrollado del inducido

8. Arrollado de excitación9. Arrollado de conmutación

10. Colector

11. Escobillas positivas

12. Escobillas negativas 

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EXCITACIÓNINDEPENDIENTE

EXCITACIÓNSERIE

EXCITACIÓNPARALELA (SHUNT)

EXCITACIÓNCOMPUESTA (COMPOUND)

IMÁNPERMANENTE

CONMUTACIÓNCONVENCIONAL

(MECÁNICA)

SIN ESCOBILLAS(DISPARADOS POR POSICIÓN)

PASO A PASO

ROTOR DE IMÁNPERMANENTE

ROTOR DE RELUCTANCIAVARIABLE

CONMUTACIÓNELECTRÓNICA

MOTOR DC

CLASIFICACIÓN DE MÁQUINAS ELÉCTRICASDE CORRIENTE CONTINUA (DC)

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USO Y APLICACIÓN DE LAS MAQUINAS DC

MOTORES DE MANDO O USO INDUSTRIAL.Tracción eléctrica (transporte), mecanismos de elevación ( grúas, montacargas),

bancos mecánicos (tornos, cepilladoras), barcos (propulsión eléctrica).los motores usados para estos fines generalmente son de excitación serie.

DE MANDO Accionamiento eléctrico (dispositivos auxiliares en automóviles, tractores, aviones,y barcos).

Los motores usados para estos fines generalmente son de excitaciónindependiente.

EN DISPOSITIVOS AUTOMATICOS Accionadores o servomotores (transforman la señal eléctrica en desplazamientoMecánico).Los motores usados para estos fines generalmente son de potencia fraccionaria Y con imanes permanentes.

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GENERADORESDE USO INDUSTRIALFuente de alimentación para la industria (fábricas de aluminio, baterías, cromadoY para subestaciones de tracción).

DE USO ESPECIALFuente de alimentación (excitatriz de generadores síncronos.Dispositivos automáticos:- Informativo como taco generadores.- Amplificadores (amplidinas , como amplificadores de señales eléctricas).Generadores para soldadura, que usan una excitación compuesta sustractiva.

CONCLUSIONCon el avance tecnológico de la electrónica de potencia, aparecen sofisticadosequipos variadores de frecuencia y tensión, así como rectificadores controladosPor tiristores. Éste avance hace que las máquinas DC sean cada vez másdesplazadas y en su lugar sean utilizados motores de Corriente Alterna y fuentes de

 Alimentación en AC-DC.Por otro lado el sistema de conmutación mecánico en las máquinas DC están siendoreemplazadas por sistemas de conmutación electrónica

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REACCIÓN DE ARMADURA

MÉTODO DE SUPERPOSICIÓN.- Se asume μ=constante, por lo tanto, los

parámetros de la máquina permanecen constantes.

El flujo que existe bajo carga se debe considerar como un flujo resultante

creado por la fmm resultante. Por lo tanto, la acción de la fmm de armadura

Fa sobre la fmm de excitación Ff   SE DENOMINA REACCIÓN DE

 ARMADURA. 

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DISTRIBUCIÓN DE LA FMM Ff  y EL CAMPO Bf DE EXCITACIÓN

El rotor puede estar en reposo o en movimiento yLa posición de las escobillas no interesa.

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DISTRIBUCIÓN DE LA FMM Ff  y EL CAMPO Bf DE ARMADURA

Las escobillas están ubicadas en el neutro geométrico.Y no interesa si el rotor esta en reposo o en movimiento.

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CAMPO RESULTANTE POR LA INTERACCIÓN DE LOS CAMPOSBf (EXCITACIÓN) Y Ba (ARMADURA).

El eje neutro magnético se desplaza en un ángulo , en donde el campo resulta cero.

Por lo tanto, las escobillas deben ser adelantadas en el generador y retrasadas en elRotor.

BR  – Campo resultante con circuito magnético no saturado. μ=const.

BRμ  – Campo resultante con circuito magnético saturado. μ≠const.

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CONCLUSIONES

•Debido al desplazamiento del eje neutro magnético en “δ” grados, respectodel eje neutro geométrico (eje q); el proceso de conmutación se torna dificultosasurgiendo un notable chisporroteo.

•La RA dirigido por el eje d distorsiona el campo resultante, por lo tanto en las

escobillas aparece cierta tensión que ocasiona el chisporroteo. Así mismo ladistribución de la tensión alrededor del conmutador no será uniforme.

•Si se considera la saturación del sistema magnético (μ≠const.), tendrá que tomarse en cuenta el efecto desmagnetizante de la RA, esto significa que el camporesultante real será menor, por lo tanto la fuerza electromotriz inducida en laarmadura (Ea) será menor.

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•Con las escobillas en el eje neutro geométrico (posición principal).Campo transversal a 0° (grados eléctricos) respecto al eje neutro geométrico(eje q), por lo tanto:

•Con las escobillas a ± 90° respecto al eje neutrogeométrico.Campo longitudinal por lo tanto:

FUERZA MAGNETOMOTRIZ DE R. A. (Para p = 2) 

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METODOS PARA MEJORAR EL PROCESO DE CONMUTACION 

1- Desplazamiento de las escobillas hacia el eje neutro magnético. (usado enmáquinas pequeñas que no llevan polos auxiliares).

DESVENTAJAS: 

• Aparece un cierto efecto desmagnetizante debido a la R. A.

•El desplazamiento de las escobillas depende de las condiciones de operacióndel generador:Si el generador o motor es impulsado en dirección opuesta a las indicadas, las

escobillas deben ser desplazadas “δ” ángulos magnéticos en la nueva dirección 

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2- Uso de los POLOS AUXILIARES o INTERPOLOS: Se utilizan en máquinas demediana y gran potencia.Su ubicación está en el eje q y su conexión eléctrica debe ser en serie con el

devanado de armadura (Fi ~ ia) ; de tal forma que el campogenerado por éste sea de sentido contrario al campo de R. A.Para asegurar una conmutación apropiada, se recomienda que la FMMgenerada por el interpolo sea:

METODO PARA CONTRARESTAR LA DISTORSION DEL CAMPO

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METODO PARA CONTRARESTAR LA DISTORSION DEL CAMPODEBIDO A LA R.A. 

Se utiliza el devanado de compensación, el cual está ubicado en la zapata delpolo principal. Su conexión eléctrica debe ser en serie con el devanado dearmadura; de tal forma que el campo generado por éste sea contrario al campo

de R. A.

El número de espiras del devanado de compensación, debe ser tal que su FMM Fc sea igual y de sentido opuesto a la FMM de R. A. Fa bajo cada zapata polar.El uso del devanado de compensación, se justifica para máquinas con:

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Si se usan en combinación con inter polos o polos auxiliares o de conmutación, sedebe cumplir:

y

Donde:- FMM del interpolo sin devanado de compensación.- FMM del interpolo con devanado de compensación.

- FMM del devanado de compensación.

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ANALISIS CUANTITATIVO DEL CAMPO DE REACCIÓN DE ARMADURA Ba

Utilizamos una máquina con inducido liso (g’),  con una capa de conductores

uniformemente distribuidos por la periferia del inducido (rotor).

Si se conoce que:

Na  – Número de conductores en el devanado, I  – Corriente en una vía paralela

(en un conductor), Da  –  Diámetro exterior del inducido, π  Da  –  Unidad de

longitud de la circunferencia.

Entonces se puede calcular la carga lineal o superficial del inducido.

cm A D

 I  N  A

a

a/

  

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  Luego asumiendo que las escobillas se encuentran en el neutro geométrico y

  1

 y   12

 p

Se puede calcular la fmm del inducido:

 p

 Da

 Da

 NaI  A Adx F a

 

  

 

 

2

2

  Si se considera μ=const, la reluctancia igual a cero, y se toma solo laresistencia magnética en un entrehierro. Entonces en cualquier punto

por debajo de la zapata polar se tendrá:

 x g 

 A g  Fa Ha Ba   2,

''  000          

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ESQUEMA S ELÉCTRICOS DEMOTORES Y GENERADORES

DC

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 EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

aaa  I  R E V   

  f   x  f    f     i Rr V   

 I  I a  

 paeaa   r r r  R  

MOTOR GENERADOR

aaa  I  R E V   

  f   x  f    f     i Rr V   

 I  I a 

 paeaa   r r r  R  

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EXCITACIÓN SERIE

aaa  I  R E V   

 x  f   paeaa   Rr r r r  R  

 f  a   i I  I   

MOTOR GENERADOR

aaa   I  R E V   

 x  f   paeaa   Rr r r r  R  

 f  a   i I  I   

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aaa   I  R E V   

  f  a   i I  I   

 paeaa   r r r  R  

EXCITACIÓN SHUNT O PARALELO.

MOTOR GENERADOR

  f   x  f    f     i Rr V V   

aaa   I  R E V   

 f  a   i I  I   

 paeaa   r r r  R  

  f   x  f    f     i Rr V V   

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EXCITACIÓN COMPUESTA (CONEXIÓN CORTA)

aaa

  I  R E V   

 s s  f    f     ir ir V   

  f  a   i I  I   

 paeaa  r r r  R  

MOTOR GENERADOR

 s I  I  

aaa   I  R E V   

 s s f   f     ir ir V   

 f  a   i I  I   

 paeaa   r r r  R  

 s I  I  

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ECUACIÓN DE LA FEM DEL MOTOR SHUNT

Ia= const., wm=const. Régimen estable

De (*):

armaduradetotal a Resistenci Rr r  I 

V r 

 I  I 

V r VI VI  I  E VI 

 I  I i I V  I r Vi I  E VI 

 P  P  P  P VI  P 

aeaa

ea

aa

eaaaa

a f  aeaa f  aa

ecuacuf  e

;)(   2

2

1

aaaa   E V  I  R E V   

a

aa

EVI

 

VI i I V  P    f  a     )(1

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VELOCIDAD DE ROTACIÓN Y CARACTERISTICA MECÁNICA

Como:

  femladel   fundamentaecuaciónlaen K  E  m  f  ea       

)(; am

 f  e

aamaam f  e   I  f  

 K 

 I  RV  I  R K V   

   

    

a f  T 

m

aa

m

ee   I  K 

 I  E  P T     

  

)(2   em

 f  T e

ea

 f  e

m   T  f   K  K 

T  R

 K 

V     

   

Característicade velocidad.

 Además:

Si V=const. → ωm=Te; depende como varía Φf al variar el Te, y además del tipo

De excitación. 

Característicamecánica.

característica de torque

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ECUACIÓN DE TORQUES DEL MOTOR

m

Tmec   To

Te

a f  T 

m

e

e

m

 femec

m

oo

 I  K acelerante

 P 

 frenante P  P  P 

  

  

En vacío: Sin carga en el eje.

DIAGRAMA DE FLUJO DE POTENCIA DEL MOTOR SHUNT

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Si:dt 

d  J Tdinconst 

  m

m

       .

dineomec   T T T T   

dinmecoe   T T T T    MOTOR

GENERADOR

Con carga: Además de To y Te surge:

.,2 accionadomecanismoel  por ejeal aplicadotorque Frenante P 

m

mec  

 

mecoe  T T T   

ECUACIÓN DE EQUILIBRIO DE TORQUES DEL MOTOR.

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ECUACIÓN DE LA FEM DEL GENERADOR

EVIR EVaaa 

..6,0

..2

.

,

 grafitado Metal vol Ve

 grafitadoCarbónvol Ve polaridad distintade

escobillaslas por tensióndeCaidaV  I 

V  R e

a

ee

Para ωm=const.

ECUACIÓN FUNDAMENTALEN BORNES DELGENERADOR

Donde:

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ECUACIÓN DE TORQUES DEL GENERADOR

Para ωm=const. 

EN VACÍO: Existe un torque frenante debido a las pérdidas en vacío.

n P  P  P 

T  m

m

 femec

m

o       

2;0

a f  T 

m

a

m

ee   I  K 

 EI  P T     

  

CON CARGA: Surge el torque electromagnético frenante.

Estos dos torques frenantes deben equilibrar al torque mecánico

aplicado al eje del generador y deben estar dirigidos en sentidos

contrarios.

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oemec  T T T   

dt 

d  J T    m

din

 

dinoemec   T T T T  general  En

  .

ECUACIÓN DE EQUILIBRIO DETORQUES DEL GENERADOR.

En estado transitorio, cuando ω≠const. Surge un torque dinámico de rotación.

Corresponde a lavariación de la

energía cinética dela masa giratoria.

J- Momento de inercia de las partes giratorias del generador.

El Tdin se estudia en el motor.

Ó

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OPER ACIÓN DEL GENERADOR SHUNT AUTOEXCITADO

Los generadores de este tipo no necesitan de una fuente externa para alimentar sudevanado de excitación , sin embargo es importante que exista un flujo remanente

ESQUEMA ELECTRICO

 N  R       )%32(  

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CONDICIONES DE AUTOEXCITACION: 

1- Existencia de un flujo remanente2- Polaridad correcta del devanado de excitación o sentido correcto de rotación,

con la finalidad de que los campos se sumen (ΦR+ Φf )

3- Para

4- Para

PROCESO DE AUTOEXCITACION: 

 Asumiendo que el generador está operando en vacío y a velocidad constanteωm = const, entonces de la ecuación fundamental se tiene:

aaa  R I  E V   

Con “S” abierto (t<0) , 

Con “S” cerrado (t=0), 

Por lo tanto (1)

(2)

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(2) en (1)

Como entonces

Cuando se llega al punto donde termina el proceso de autoexcitación

donde el generador se estabiliza (por saturación magnética)

Durante el proceso de autoexcitación

Por lo que la tensión en los bornes del circuito de excitación es: 

Y la tensión de la armadura en vacío ( I = 0 )

Que está representada por la curvacomo entonces

Denominada característica de magnetización o de vacío 

  f  aa  i R E V   

a E V  

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 Además se cumple que:

Que caracteriza la velocidad y el sentido de variación de la corriente de excitación )(  f  i

Por lo tanto:

Si la recta de excitación pasa por debajo de la curva de magnetización

Entonces se cumple:

Lo que indica que la máquina se autoexcita y la corriente

hasta que se detiene cuando:

crece

La pendiente de la recta de excitación queda determinada como:

  V  R f   si

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 Así mismo se concluye que:

Si el generador se autoexcita.

Si el generador no se autoexcita y

CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES DC

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CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES DC

MOTOR SHUNT

Característica de velocidad Característica mecánica

)(; am f  e

aam   I  f  

 K 

 I  RV 

   

     )(

2   em

 f  T e

ea

 f  e

m   T  f   K  K 

T  R

 K 

V     

   

const  Rconst V V  I   f     f   N ar mec     ;);(    const  Rconst V V  I  f    f   N a

r mec     ;);( 

Debido a que la variación del Φf ˂ ˂ ˂ → ambas características coinciden 

Regulación de velocidad disminuyendo el flujo

0ada R

CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES DC

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CARACTERISTICAS DE OPERACIÓN DE LOS MOTORES DC

GENERADOR DE EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

Generalmente los generadores DC operan a velocidad constante .const r 

mn

m    

Bajo esta condición se pueden considerar las siguientes características:

1- Característica de vacio: .,0),(   const  I i  f   E V    r m  f  a      

5- Característica de corto circuito:

3- Característica externa:

4- Característica de regulación:

2- Característica bajo carga: .,),(   const const  I i  f  V    r m  f        

.,),(   const const  R I   f  V    r m  f        

.,),(   const const V  I   f  i   r m  f        

.,0),(   const V i  f   I    r m  f        

1- Característica de vacio:

.,0),(   const  I i  f   E V    r m  f  a      

De las ecuaciones fundamentales:

aaa   I  R E V      m f  ea   K  E      se tiene:

m  f  ea   K  E V      

r mn Re R  f     K  E i      0Cuando

n R   V  E    )%32(  

Para cálculos analíticos de regímenes estacionaros y transitorios la característica de vacío puede ser

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Para cálculos analíticos de regímenes estacionaros y transitorios, la característica de vacío puede ser Aproximado mediante las siguientes funciones:a) Serie de potencias:

m  f  m

n  f  n  f    f     iaiaiaai E    )()()()( 10  

enterosnmconst aaaamn

    ,.;,,, 10

0;)()()( 22

210     aiaiaai E    f    f    f   Expresión parabólica muy usada

b) Ecuación de Froelich: para las zonas de codo y saturación:

 f  

 f   f  

ib

aii E 

)( f  

 f   f  

 F b

aF i E 

)(

c) Ecuación exponencial:

.,);1()(   const baeai E    f  bi

  f    

c) Ecuación lineal para tramos lineales:

  f    f     biai E    )(

2- Característica bajo carga:

.,),(   const const  I i  f  V    r m  f        

aaa  I  R E V    De Se tiene que:

  V  R yI  RA I  aaSiEsta característica tiene la misma tendencia para el generadorshunt

Para determinar el ∆ característico se determina el punto D Para V=Vn y I=In →RaIa=CD=const. Si μfe=despreciable → Fa=const.