tema 2 maq. electricas

8/17/2019 Tema 2 Maq. Electricas

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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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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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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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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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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


A1

A2E1 E2

A1

A2

D1 D2

P

N

P

N

P

N

A1

A2

E1E2E2E1

D1 D2

P

N


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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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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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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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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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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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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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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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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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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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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



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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



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Bi

Fi N ∞

La inducción magnética “Bi “presenta depresiones en las zonasinterpolares debido al aumento de lareluctancia.



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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



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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.



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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



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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



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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



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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



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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.



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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

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