2 maquina cc
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II Máquinas Eléctricasde CC
II MII Mááquinas Elquinas Elééctricasctricasde CCde CC
ArmengolArmengol BLancoBLanco
Tipos de Máquinas de CC
• Generador Homopolar (disco deFaraday)
• Máquina Heteropolar (o convencional)
Generador Homopolar Máquina Heteropolar (oconvencional
Ley de Faraday
• e = Blu
• e FEM Inducida• B Densidad de flujo• l longitud del conductor• u velocidad del conductor
Regla de la mano derecha
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Generador de CA elementalEspira giratoria
• Sea una espira de sección S
• e= BScos
• e FEM Inducida• B Densidad de flujo• S Sección de la espira• Ángulo entre B y S
Generador de CA Elemental Componentes: Paralela yperpendicular
Forma de onda delvoltaje en las escobillas Generador de CC Elemental
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Voltaje de salida en lasescobillas Partes de una Máquina CC
• Estator
• Rotor
Estructura de la Máquina de CC Estructura de la Máquina de CC
Partes Esenciales de una Máquina de CC Elementos de una Máquina de CC
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Chapa magnéticaDetalles del Colector
Estructura de la Máquina de CCDescripción de la Maquina de CC
• La máquina de corriente continua es unamáquina rotativa, por lo cual estaconstituida por el estator y el rotor.
• El estator tiene al exterior la carcasa y alinterior el yugo, los polos principales, el
devanado de excitación, los interpolos, eldevanado de interpolo y el devanado decompensación. No todas las máquinasdisponen del devanado de interpolo y eldevanado de compensación, porque estosdevanados tienen un propósito específico.
Descripción de la Maquina de CC• El estator es la parte fija de la máquina
Descripción de la Maquina de CC• El rotor tiene en la parte periférica el
devanado de armadura que esta representadopor las bobinas a y b y a un extremo de lamáquina se dispone del conmutador, el cualtiene una serie de delgas y entre delga y delgahay un espacio de aislamiento eléctrico.
• El devanado de la armadura se conecta a lasdelgas del conmutador.
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Descripción de la Maquina de CC• El rotor es la parte de la máquina que gira
Descripción de la Maquina de CC• Para alimentar la carga de un generador o para
conectar la fuente de voltaje de un motor, se utilizanlas escobillas que están fijas en el espacio.
Estruct ura de la Máquina de Corriente Continua
Estator: Formado por una corona de materialferromagnético denominada culata o yugo en cuyointerior, regularmente distribuidos y en número par,van dispuestos unos salientes radiales con unaexpansión en su extremo, denominados polos, sujetospor tornillos a la culata. Rodeando los polos, se hallanunas bobinas de hilo, o pletina de cobre aislado, cuya
misión es, al ser alimentadas por corriente continua,crear el campo magnético inductor de la máquina, elcual presentará alternativamente polaridades norte ysur. encontramos también en el estator, alternandolos polos antes citados, otros llamados polos deconmutación.
Estructura de la Máquina de Corriente Continua
Partes Principales del Estator:
Yugo.- Es necesario para cerrar el circuitomagnético de la maquina. Generalmente estaconstituido de hierro fundido o de acero.
Polos.- Están fabricados de acero al sil icio
laminado. Las laminas del polo no estánaislados entre si debido a que el flujo principalno varia con el tiempo.
Estructura de la Máquina de Corriente Continua
Partes Principales del Estator:
Bobinas de Campo.- Están arrollados sobre los polos, elmaterial empleado es el cobre, ya que tiene menorresistividad y por lo tanto menos pérdidas (Ri²)
Interpolos.- Están fabricadas de laminas de acero alsilicio y llevan un arrollamiento de alambre grueso. Lafinalidad de los interpolos es evitar chispas en elcolector cuando se cortocircuiten las delgas delcolector o conmutador, es decir durante el proceso deconmutación.
Estructura de la Máquina de Corriente Continua
Partes Principales del Estator:
Escobillas: dispuestas en los porta escobillas, debronce o latón, que retienen las escobillas queestablecerán el enlace eléctrico entre las delgas y elcolector y el circuito de corriente continua exterior,las escobillas están constituidas de carbón o grafito.
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Pieza Polar de un Polo Inductor:
• Se llama también expansión polar, es laparte más cercana al inducido.
• Mediante la expansión polar se reduce lareluctancia magnética y por consiguienteel flujo de dispersión y las perdidasmagnéticas.
Mejora del Flujo Inductor
Estructura de la maquina de CC Estructura de la maquina de CC
Rotor: Formado por una columna de material
ferromagnético, a base de chapas de hierro, aisladas
unas de las otras por una capa de barniz o de óxido. La
corona de chapa magnética presenta en su superficie
externa un ranurado donde se aloja el devanado
inducido de la máquina. Este devanado esta constituido
por bobinas de hilo o de pletina de cobre
convenientemente aislados, cerrado sobre si mismo al
conectar el final de la última bobina con el principio de laprimera.
Estructura de la maquina de CC
Partes Principales del Rotor:
Núcleo de la armadura.- Esta constituido por láminas de
acero silicio de sección circular. La circunferencia de
ranurado para que puedan alojarse los conductores de
arrollamiento de armadura.
Los conductores y las ranuras generalmente van paralelos
el eje pero en otros casos son oblicuos.
El hierro de la armadura debe estar laminado y las chapas
aisladas entre si de otra manera el flujo del polo, induce
una f.e.m.
Estructura de la maquina de CC
Partes Principales del Rotor:
Núcleo de la armadura.- (cont.)
En el hierro (como lo hace en los conductores) que
producirá elevadas corrientes parasitas y las
correspondientes pérdidas (i²R) en la superficie del hierro.
La laminación del núcleo aumenta la resistencia de los
caminos de las corrientes parasitas y reduce la magnitud de
las corrientes.
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Estructura de la maquina de CC
Partes Principales del Rotor:
Conmutador ó Colector.- Constituido esencialmente por
piezas planas de cobre duro de sección trapezoidal,
llamadas delgas, separadas y aisladas unas de otras por
delgadas láminas de mica, formando el conjunto un tubo
cilíndrico aprisionado fuertemente. El colector tiene tantas
delgas como bobinas posee el devanado inducido de la
máquina.
Bobina de Armadura.- Existen 2 tipos de bobinados de
armadura las cuales son : el imbricado y el ondulado.
Inducido
Estructura de la maquina de CC Estructura de la maquina de CC
Objetivo del devanado de estator: producir un campo
en el entrehierro, constante en el tiempo y fijo en el
espacio.
Devanado del estator = Devanado de campo.
El devanado es del tipo concentrado, es decir que
únicamente esta formado por un paquete (bobina)
constituido por “n” espiras.
Estructura de la maquina de CC
Devanado de campo (estator) de una máquina de corriente continua de 2 polos.
Estructura de la maquina de CC
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Devanados del Estator
Circuito equivalente
del devanado de
campo.
Devanado de estator de 4 polos de unamáquina de corriente continua.
Devanados del Estator
Máquina de corriente continua de 4 polos.
El sentido de la corriente de estos bobinados
deben ser de tal forma que origine polos
alternados, en una maquina bipolar los polos
están diametralmente opuestos.
Devanados del Estator
Distribución de campo en un devanado de 4 polos.
Devanados del Rotor
Las espiras del rotor se pueden conectar de diferentes
maneras a las delgas del colector. La forma como se
conecten determina el número de ramas en paralelo en
que se divide la corriente del rotor, las magnitudes del
voltaje final de salida y la cantidad y ubicación de las
escobillas.
Devanados del Rotor
La mayoría de los arrollamientos de los rotores están
conformados por bobinas hexagonales que se colocan en
las ranuras del rotor. Cada bobina consta de un cierto
números de vueltas (espiras) de alambre, cada una
aislada de las demás. Cada uno de los lados de una
espira se denomina un conductor. El número total de
conductores en la armadura de una máquina esta dado
por:
Z = 2 C Nc
Z : # de conductores del rotor
C : # de bobinas del rotor
Nc : # de espiras de una bobina
Devanados del Rotor
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Devanados del Rotor
Normalmente una bobina abarca 180 grados eléctricos.
Esto significa que cuando un lado de la bobina está frente
al centro de un polo, el otro lado está frente al centro del
polo de polaridad contraria. Los polos físicos pueden
encontrarse separados por una distancia diferente de 180
grados mecánicos, pero el campo magnético invierte su
polaridad de un polo al siguiente.
e : Angulo medido en grados eléctricos
m : Angulo medido en grados mecánicos
P : Número de polos de la maquina.
me
P
2
Devanados del Rotor
Si una bobina abarca 180 grados eléctricos, los voltajes
en los conductores de los dos lados de la bobina tendrán
exactamente la misma magnitud y sentido opuesto en
todo momento. Esta bobina se llama bobina de paso
diametral o de paso total.
Devanados del Rotor
En algunos casos las bobina tienen menos de 180 grados
eléctricos. Entonces se llaman bobinas de paso
fraccionario, y el devanado del rotor que tenga estas
bobinas se llama devanado de cuerda. El nivel de
acortamiento de un devanado se puede describir
mediante el factor de paso o factor de ancho de bobina,
que esta definido por la ecuación.
p = Angulo eléctrico de la bobina180°
Con frecuencia se emplean, en maquinas de cc, los
devanados con un pequeño acortamiento en el paso de
bobina para mejorar la conmutación.
Devanados del Rotor
Devanado del Inducido.- Los inducidos generalmente tienen 2 tipos
de arrollamientos o devanados; el imbricado y el ondulado.Para que el colector cumpla su función los arrollamientos de losinducidos de las maquinas de c.c debe ser tal que partiendo de unpunto, recorremos toda la periferia del rotor (a través de las espiras)llegaremos al punto de partida.La FEM inducida en la bobina es mayor cuando el ancho de bobinaes igual al paso polar (paso entero). Por esta razón el ancho debobina se hace igual ó prácticamente igual al paso polar. Ademástodos los elementos del devanado deben conectarse entre si de tal
manera que las FEM de cada elemento se sumen, caso contrario lamaquina simplemente no funciona.
Devanados del Rotor
Que las f.e.m. de los elementos se sumen se consigue conectando lasalida de un elemento con la entrada del siguiente elemento
ubicados en polos opuestos ó de distinta polaridad.
Devanado Imbricado :
En este tipo de devanados sus 2 extremos estanconectados a 2 delgas adyacentes. Si el extremo final de la bobinase conecta a la delga siguiente se tiene un devanado imbricadoprogresivo Yc=1, si el extremo final se conecta a la delga anterior se
tiene un devando imbricado regresivo Yc=-1
Bobina de un devanadoImbricado
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Bobina de múltiples espirasdevanado ondulado
Devanados del Rotor
(a) Bobina de un devanado progresivo(b) Bobina de un devanado regresivo
Devanados del Rotor
Devanado Imbricado :
Un aspecto interesante del devando imbricadosimple es que tiene tantas ramas en paralelo como polos tenga lamaquina, este hecho hace que el devanado imbricado resultebastante favorable para maquinas de bajo voltaje y alta corriente.
Yp = k k : # delgas del colector; # de ranurasP P : # de polos de la maquina
Una bobina en una ranura
Detalles de la ranura
Devanados del Rotor
Devanado imbricado sencillo de una maquina de dos polos. Bobina de
un devanado progresivo
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Devanados del Rotor
Devanado imbricado de un motor de cc de 4 polos
Devanados del Rotor
Diagrama del devanado imbricado del rotor de la maquina.
Devanados del Rotor
Diagrama del devanado imbricado del rotor de la maquina.
Devanados del Rotor
Diagrama del devanado imbricado del rotor de la maquina (2 polos).
Devanados del Rotor
Diagrama del devanado imbricado del rotor de la maquina.
Devanados del Rotor
Devanado Ondulado :
El devanado ondulado ó serie es otra manera de
conectar las bobinas a las delgas del colector, en este
arrollamiento el final de la segunda bobina se conecta a
una delga adyacente donde comenzó la primera. Es decir
entre dos delgas adyacentes hay 2 bobinas en serie cada
una de las cuales tiene un lado frente a un polo. El
Voltaje final es la suma de los voltajes inducidos frente a
cada polo y no puede haber desequilibrio de tensión.
Si la conexión se hace a la delga siguiente el devanado
es progresivo si se hace a la delga anterior el devanado
es regresivo.
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Devanados del Rotor
Devanado Ondulado :
En general si la maquina tiene “P” polos hay P/2 bobinas en
serie entre delgas adyacentes.
Se usan en voltajes elevados.
Yc = 2(c±1) c: # de bobinas del rotor (+)
P Progresivo; (-) Regresivo
P: # de polos de la maquina
Ejm. Una máquina de cc de 4 polos con devanado ondulado
progresivo de 9 bobinas.
Yc = 2 x (c + 1 ) = 2 ( 9 + 1 ) = 5
P 4
Yc = 5 ( Paso del colector )
Devanados del Rotor
Devanado Ondulado :
Devanado Ondulado sencillo de una maquina de cuatro polos.
Devanados del Rotor
Diagrama del devanado o ndulado del rotor d e la maquina.
Devanado Imbricado
Devanado Ondulado Clasificación de acuerdoa la excitación
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Excitación separada Excitación independiente
Autoexcitada en ParaleloExcitación Shunt
Autoexcitada en Serie Excitación Serie
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Máquina Compuestaaditiva
Excitación Compound
Maquina compuestadiferencial
Excitación compounddiferencial
Maquina derivación larga Maquina derivación corta
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Ecuación de la Fuerzaelectromotriz FEM FEM
• Z número de conductores activos en la armadura
• a número de trayectorias paralelas en eldevanado de la armadura
• P número de campos polares• flujo por polo
• N velocidad de rotación de la armadura, rpm
mam k a2
ZPE
a
P
60
nZE
Ecuación del Par Ecuación del Par
aaae
m
mea
Ik Ia2
ZPT
60
n2
TEI
Ecuación de la Velocidad yfuerza contraelectromotriz
f 1
f
aat
f f
1
1
aat
aat
k k k
kI
R IVn
Ik
a60
ZPk
k
R IVn
R IEV
Reacción de la Armadura
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Reacción de la Armadura Efecto de la Reacción de Armadura
Efecto de la Reacción de Armadura Conmutación
Conmutación Conmutación
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Conmutación Conmutación
Voltaje en un generadoren derivación (shunt) Generador Derivación
aat
f f t
R IVE
IR V
Características delGenerador Características delGenerador
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Curva de MagnetizaciónCaracterística de bajo carga
Característica de carga Característica Tensión – Carga
Características Par-Velocidadde los Motores CC Pérdidas y Eficiencia• Pérdidas mecánicas
– Fricción en los cojinetes
– Fricción en el aire
– Fricción en las escobillas
• Pérdidas magnéticas
• Pérdidas del devanado
• Pérdidas eléctricas en la escobillas
• Pérdidas de dispersión por la carga
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Pérdidas en el GeneradorPérdidas en un Generador de CC
P rotacionales 3-15 %
P f+v = Pérdidas debido a la fusión y ventilación
P h+e = Pérdidas de histéresis y de Eddie(tipo magnético)
P fe rot= Pérdidas de hierro rotacional
I r i i
2
= Pérdidas de Joule
Notación:
Flujo de Potencia
motor
Generador
P. EléctricaP . Mec . P . Mec ánic a
P. Eléctrica
Potencia
Electromagnética
P f+v
P fe rot
P h+e
P.ctes. Parasitas
(tipo eléctrico) Ir
i
2
Perdidas debido alcontacto
con las escobillas
perdidas del campo serie
Perdida por interpolos
Pérdidas en el devanado de compensación
Perdidas en el campo de derivación (5%)
potencia Eléctrica de salida
VI
Potencia de entrada
Potencia mecánica
presencia de la máquina
auxiliar
GeneradorGenerador
Pérdidas están en elcircuito del inducido
3-6 %
Pérdidas en el MotorPérdidas en un Motor de CC
MOTORMOTORPotencia de salida
pot. eje
pot. mecánica
Pérdidas del
campo derivación
Pérdidas del devanado de compensación
Pérdida de interpolos
Pérdida del campo serie
Pérdida contacto escobillas
Pérdidas I r i
2
P h+e
P fe rot
Pérdidas cargas parasitas
P f+vPotencia electromagnética
PPéérdidas del circuito inducidordidas del circuito inducido
11 -- 5 %5 %
PPéérdidas rotacionales 3rdidas rotacionales 3 -- 15 %15 %
Potencia de entrada
Pruebas en las Máquinasde CC• Pruebas en vacío
• Pruebas bajo carga
• Elevación de la temperatura
• Conmutación