Generadores y motores de c.c.

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1 Generadores y motores de c.c.
ELECTROTECNIA Generadores y motores de c.c. 2º bachillerato José L. Ortega

2 Índice . Definiciones . Clasificación . La maquina de c.c.
- Estructura interna - Principio de funcionamiento - Características - Esquemas y tipos - Arranque y variación de la velocidad . Resolución de ejercicios

3 Definiciones Psalida Pentrada Pentrada - Pérdidas
Máquina eléctrica es el aparato capaz de transformar energía eléctrica en cualquier forma de energía o viceversa Estática Rotativa Corriente continua Corriente alterna Vacío Plena Carga (valores nominales) Funcionamiento Pérdidas : - Eléctricas - Mecánicas - Magnéticas Rendimiento = = Psalida Pentrada Pentrada - Pérdidas

4 Clasificación Energía mecánica Energía eléctrica Corriente Alterna
Generadores Corriente Continua (Dinamo) E Alternador estator = inductor rotor = inducido I en ambos devanados Corriente alterna Motores Corriente continua Síncronos Asíncronos M estator = inductor estator = inducido rotor = inducido rotor = inductor Energía eléctrica Energía mecánica I c.c. por inductor I c.a. por inducido I c.a. en ambos devanados

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

6 Potencia eléctrica consumida (Pe)
Balance energético ESTATOR ROTOR Potencia mecánica útil del motor (Pu) Potencia eléctrica consumida (Pe) Pérdidas rotacionales Pérdidas en el cobre del rotor Pérdidas en el hierro Pérdidas en el cobre del estator

7 Máquinas de C.C. Estructura interna
Escobillas Estator Rotor Carcasa Polos Bobinas inductoras Polos auxiliares Núcleo Bobinas inducidas Eje Colector o conmutador

8 Máquinas de C.C. Estructura interna
Catálogos comerciales Rotor Colector Escobillas

9 Principio de funcionamiento
L ex U E Inducido Inductor Resistencia del inducido Tensión excitación FEM Inducida Resistencia del inductor B = μ0.Ie. N 2.π.r Ie F B I , L F = I. (l x B)

10 Principio de funcionamiento
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.

11 Características 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 hace girar el rotor mediante una fuerza mecánica, obteniéndose en inducido una FEM inducida y una c.c. 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.

12 Motor de excitación independiente
Esquemas y tipos Motor de excitación independiente Supondremos en todos los casos que Lex no tiene influencia en los circuitos de c.c. Ii Ie TIPOS EXCITACIÓN Independiente Serie Derivación Compuesta larga Compuesta corta E = Ui – Ii.Ri Pm= E.Ii = Ui.Ii – Ii2.Ri pérdidas

13 Motor de excitación serie Motor de excitación derivación
Esquemas y tipos Motor de excitación serie Motor de excitación derivación Ii= Ie= I I = Ie + Ii E = Ui – I.(Rex+Ri) E = Ui – Ii.Ri = Ie.Rex Pm= E.Ii= Ui.I – Ii2.Ri Pm= E.I = Ui.I – I2.(Rex+Ri) pérdidas Pérdidas = Ie2.Rex+ Ii2.Ri

14 Motor de excitación compuesta larga
La bobina excitadora se conecta ahora n dos partes, una en serie con la bobina inducida y otra parte en paralelo con la misma bobina inducida Motor de excitación compuesta corta

15 Características Par Motor Potencia Útil Velocidad de giro
M = K.Φ.Ii N.m En donde Ω es 2.π.n/60 Potencia Útil Pm = M.Ω W Si Iex constante n E1 n E2 = n = K Seg -1 E Φ Velocidad de giro SR = % no – npc npc Regulación de la velocidad

16 Inversión de giro a) Cambiando la polaridad de los terminales del bobinado inducido b) Cambiando la polaridad de los terminales del bobinado inductor.

17 Arranque de motores de C.C.
Ii n = K Seg -1 E Φ Pm= E.Ii = 0 Pero existe una Ii considerable inicialmente R Para lograr disminuir esta Ii inicial, insertamos en serie con el inducido una resistencia variable de arranque R, que iremos disminuyendo a medida que el motor se acerque a la velocidad nominal.

18 Control de la velocidad
n = K Seg -1 E Φ 1º Variando el campo magnético, en general bajándolo. n aumenta a partir de la básica. 2 º Variando la tensión Ui aplicada a) mediante un reostato serie con el inducido b) mediante dinamo elevadora-reductora E = Ui – Ii.R

19 Problemas Septiembre 2001 Un motor de c.c. de tipo derivación está conectado a una tensión de 240 V y absorbe una corriente de 70 A. Se han medido las resistencias de sus devanados y resultan 200 Ω para el devanado de excitación y 0,12 Ω para el devanado inducido . El motor tiene un rendimiento de 0,90. Se pide : - Intensidad que circula por el devanado de excitación. - Fuerza contraelectromotriz. - Potencia mecánica útil en eje del motor. - Pérdidas por rozamiento (mecánico y de ventilación).

20 Motor de excitación derivación
I = 70A Ri= 0,12Ω Rex= 200Ω =240 V Iex= = = 1,2 A Uex V Rex Ω E = Uex- Ri.(I-Iex) = 240 V – 0,12 Ω.(70 A – 1,2 A) = 240 – 0,12.68,8 = 231,7 V Pm= E.Ii = 231,7 V. 68,8 A = W Pérdidas = Iex2.Rex+ Ii2.Ri = 1, ,82.0,12 = 856 W Comprobación Uex.I = = 16800W menos 15944W da 856 W 15944 – Pérdidas mecánicas 16800 η = = 0,9 Perd Mec. = 824 W

21 Junio 2003 Un motor de excitación independiente de c.c., cuyo inducido tiene una resistencia de 5 Ω, está conectado a una red de 250 V. La máquina absorbe 1 KW de la red de 250 V con una carga determinada en el eje. Para estas últimas condiciones, despreciando la potencia absorbida por el circuito de excitación : - Dibujar el esquema del motor. - Calcular la corriente del inducido - Hallar la fuerza contraelectromotriz

22 Ii Ui.Ii = 1000 W = 5Ω = 250 V Ii = = 4 A 1000 250 E = Ui – Ri.Ii = 250V – 5Ω.4A = 250 – 20 = 230 V

23 Septiembre 2006 Un motor de c.c. de excitación tipo serie tiene una resistencia de inducido de 0,1 Ω y una resistencia de excitación (inductor) de 0,3 Ω. Cuando se conecta el motor a una red de 200 V, desarrolla una potencia útil de 10 KW. a) Dibujar un esquema eléctrico de dicho motor. b) Calcular la intensidad absorbida por la red. c) Hallar la fuerza contraelectromotriz. d) Determinar las pérdidas en las resistencias de inducido y de excitación. e) ¿ Cual es el rendimiento del motor? NOTA : 1ª Se desprecian las pérdidas mecánicas. 2ª Si hay varias soluciones para la intensidad calculada en el apartado b) se elegirá la menor de ellas.

24 Tomamos esta solución 0,3Ω 0,1Ω 10KW = 200V 10000 = E.I
R i L ex E U Inducido Inductor + 0,3Ω 0,1Ω 10KW = 200V 10000 = E.I 200 = (Ri+Rex).I + E = 0,4 . I + E Tenemos un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas. Resolviendo da: E = 122,5V I = 443,75A E = 177,5V I = 56,25A Tomamos esta solución Ri. I2 = 0,1. 56,252 = 314,4 W Pérdidas Rex. I2 = 0,3. 56,252 = 949,2 W Rendimiento = η = = = = 0, = 88% Ptotal Pútil E.I U.I 10000 11250

25 Motor de excitación serie
Septiembre 2002 Un motor serie de c.c. de 10CV, 220V, 44A, 1500 r.p.m.,tiene una resistencia de inducido de 0,08 Ω, y una resistencia del devanado de excitación de 0,1 Ω. Calcular, cuando funciona a plena carga: - Valor de la f.e.m. - Resistencia del reostato de arranque para que la intensidad de arranque no sea mayor que 1,5 veces la intensidad nominal. - Par útil del motor. DATO : 1 CV = 736 W Plena carga I = 44 A ? = 9680 W ≠ 7360 W R i L ex E U Inducido Inductor Resistencia del inducido + E = U – I.(Rex+Ri) E = 220V – 44A.(0,08+0,1)Ω = 212,08V Motor de excitación serie

26 I nominal = 44 A 1,5 .In = 66 A U = (Ri + Rex+ R). I + E
Reostato I nominal = 44 A 1,5 .In = 66 A U = (Ri + Rex+ R). I + E 220 = (0,1 +0,08 + R ) R = ,18 = ,18 = 3,15 Ω 220 – 66 Pm= E.Ii = 212, = 9331,5 W y como Pm = M.Ω W M = = 59,4 N.m 9331,5 2.π.1500/ 60