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MAQUINA DE CORRIENTE CONTINUA COMO GENERADOR Brito Egas Wilson Francisco Laboratorio de Conversión Electromecánica de Energía, Departamento de Energía Eléctrica, Escuela Politécnica Nacional. Quito, Ecuador [email protected]  Resumen— Un motor de corriente continua, es una máquina eléctrica que convierte la energía eléctrica en mecánica generando la rotación de un eje, como su nombre lo indica, este tipo de máquinas usan corriente continua, es decir que la polaridad no varía con el tiempo. Este tipo de máquinas generalmente constan de dos partes: el estator que contiene los devanados principales de la máquina y es la parte estática del motor, el rotor constituye la parte móvil del motor y consta de otro devanado y de unas escobillas a las cuales se les conoce también como carbones. Uno de los principales inconvenientes de estos motores es su mantenimiento, pues resulta ser muy costoso y difícil debido al desgaste que sufren las escobillas durante el uso del motor. Existen diversas aplicaciones para estos motores, como el de motor a pasos y una variedad de motores sin escobillas usados en la modelación de sistemas aéreos. Index Terms— Derivation, Motor, Shunt,compund

TABLA II SUBIDA Y BAJADA DE CARGA

Subida de Carga Carg a 0 1 2 3

V

I

N

110

0

113, 6 112, 8 111, 3

1, 7 2, 4 3, 6

Bajada de Carga Carg a

1800

3

1800

2

1800

1

1802

-

V 109 113, 7 113, 3 -

I 2, 3 1, 2 0 -

N 179 5 180 0 180 0 -

I. INFORME A. Tabulación de datos obtenidos en la Práctica. TABLA I

B. Grafiar la curva de saturación tanto de subida como de bajada (mismo gráfico). Explicar de manera clara y técnica la forma, características, iveles alcanzados etc. De la curva dibujada.

SUBIDA Y BAJADA SIN CARGA

Subida sin Carga V I 6,6 0 75,5 0,23 85,2 0,3 95,3 0,4 105 0,53 114,8 0,73

Bajada sin Carga V I 105,2 0,49 95,1 0,36 85,3 0,27 80 0,23 -

Fig. 1. Curva de saturación

La curva empieza con un voltaje mínimo, que se deba a la magnetización residual de la máquina. A partir de allí hasta llegar alrededor de una corriente de 0.23, mantiene una relación lineal, que se debe a que el arreglo de magnetismo en el material incrementa directamente proporcional a la corriente de campo. A partir de los 0.23 [A] las moléculas no magnetizadas ya son muy pocas e incrementar el flujo en el polo es más difícil. Este punto es conocido como el codo de magnetización. Entre este punto y el final se puede apreciar la saturación de la máquina, esta curve se debe a que como ya hemos explicado anteriormente, la cantidad de moléculas no magnetizadas es menor y por más que se aumente la corriente de campo, el flujo no aumentara linealmente. [1] Podemos ver en esta curva que aplicando una tensión de 114.8 Voltios se llega a una corriente de saturación de 0.73 Amperios. C. Determinar gráficamente el valor de la resistencia crítica del generador. Dada la curva de magnetización de la figura 1, podemos tomar como referencias los puntos: (0, 6.6) y (0.23, 75.5) 𝑌 −𝑌

𝑅𝑐 = 𝑋2−𝑋1 = 2

1

75.5−6.6 0.23

68.9

= 0.23 = 299.57Ω ≈ 300Ω

(1)

D. Analizar y explicar los resultados obtenidos en lo que respecta al voltaje generado, de acuerdo a los sentidos de giro y campo magnético del generador. De los resultados obtenidos podemos concluir que mientras mas corriente de campo tengamos, más voltaje inducido tendremos, siempre y cuando no se llegue al punto de saturación. A partir de ese punto el voltaje inducido ya no será directamente proporcional a la cantidad de corriente de campo. También podemos observar que cuando la carga aumenta, la relación de pérdidas de voltaje entre perdidas en la máquina y la carga se altera produciendo una disminución en el voltaje terminal y una reducción de la velocidad.

Fig. 2. Esquema de conexión de un Generador serie DC

Conforme a la figura es posible deducir: 𝐸𝑎 = 𝑉𝐿 + (𝑅𝑎 + 𝑅𝑐 + 𝑅𝑟 )𝐼𝑎

(2)

𝑉𝐿 = 𝑅𝐿 𝐼𝐿 El generador de C.C. en configuración serie presenta una característica VL v/s IL creciente. El funcionamiento de este generador es muy similar al caso anterior, el flujo remanente posibilita la existencia de una corriente inicial que excita el campo, aumentando la tensión generada, consecuentemente la corriente y así sucesivamente hasta saturar el núcleo. De esta manera, en un primer tramo (zona lineal del material ferromagnético) el voltaje generado crece en forma prácticamente lineal al igual que la tensión generada en vacío, en este caso la diferencia entre las curvas se explica debido principalmente a las pérdidas en el cobre, las cuales crecen linealmente con el aumento de corriente. Pasado el nivel de corriente nominal, el núcleo se satura, razón por la cual el voltaje en bornes queda limitado y por ende, el valor de la corriente del circuito (corriente de carga). En esta situación, se dice que el generador está en zona la de corriente constante.

E. Consultar y explicar el proceso de excitación de un generador serie. En un motor DC serie, toda la corriente de armadura fluye a través del devanado de campo, el diagrama de conexión estaría representado por:

Fig. 3. Excitación motor Dc.

Es importante notar que en la zona de corriente constante la caída de tensión se explica por un efecto predominante de la reacción de armadura que se suma a las pérdidas de Joule del generador. Esta particularidad es aprovechada sobre todo en aplicaciones de soldadura de arco, donde al momento de tocarse los electrodos (antes de soldar), el voltaje es bajo y la corriente que fluye es alta y al momento de separar los electrodos, el voltaje aumenta bruscamente y la corriente se mantiene en un valor alto. [2]

F. Consultar el método que permite determinar experimentalmente si el generador compuesto es acumulativo o diferencial.

Al conectar el motor por primera vez, es importante determinar la continuidad del circuito de campo paralelo. Sin carga en el motor, se conecta el motor solo como un generador en derivación solamente, sin conectar el campo serie en el circuito. Entonces se debe tomar en cuenta a que dirección gira el motor. Ahora con una carga, se conecta el motor como un motor en serie solamente. Si el motor gira en el mismo sentido, entonces la conexión pertenece a un motor compuesto acumulativo, de lo contrario sería un diferencial. [3]

Donde: H Campo magnético [A/m] dl Diferencial de longitud [m]. J Densidad de corriente [A/m2 ]. ds Diferencial de superficie [m2 ]. Si para evaluar la integral curvilínea se toma como trayectoria una línea de fuerza, los vectores H y los dl tendrán la misma dirección y el producto escalar se transforma en algebraico, si además se supone al hierro infinitamente permeable, el campo H en el mismo será nulo y solamente contribuirá a la integral el campo en el entrehierro. Tomando una trayectoria como la indicada en la figura 10, la fuerza magnetomotriz encerrada por la misma es 2Nf ·If que, por simetría, se reparte mitad en cada entrehierro. Los inducidos, salvo en máquinas muy pequeñas, poseen una considerable cantidad bobinas y éstas se encuentran uniformemente distribuidas en la superficie del mismo, esta situación se aproxima mucho a una capa de corriente. Como la corriente de inducido Ia se reparte en las ramas en paralelo del mismo, si se llama a al número de pares de ramas en paralelo, la corriente en cada rama será:

𝑰𝒂 𝟐𝒂

Si Z es el número total de conductores del inducido y D el diámetro del mismo, la densidad lineal de corriente en la superficie del inducido será: 𝒁 𝑰

𝑨 = 𝝅𝑫 𝟐𝒂𝒂 G. Consultar el significado de regulación de voltaje para distintos tipos de generadores. La regulación de un generador se refiere al cambio de voltaje que tiene lugar cuando la carga cambia. Se expresa normalmente como el cambio en el voltaje de una condición sin carga a una condición de plena carga, y se expresa como un porcentaje de plena carga. Se expresa en la siguiente fórmula:

%𝑅 =

𝑉sin 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 −𝑉𝑃𝑙𝑒𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑉𝑃𝑙𝑒𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

(3)

H. Consultar el método requerido para determinar la caída de voltaje debido al efecto de la reacción de armadura. Si se considera solamente la corriente de excitación If , se puede obtener la diferencia de potencial magnético que actúa en el entrehierro aplicando la ley de Ampère:

∮ 𝐻𝑑𝑙 = ∫𝑆 𝐽. 𝑑𝑠

(4)

(5)

(6)

Esta densidad lineal de corriente, en las máquinas grandes puede ser de varias decenas de kA por metro de perímetro del inducido. Al suponer infinita la permeabilidad del hierro, el campo H en el mismo es nulo y esa fmm se reparte por mitades en el entrehierro. Además, como la corriente está uniformemente distribuida en la superficie del inducido, la variación de la fmm es lineal. Los máximos de esa fmm se encuentran sobre el eje transversal q y su valor se puede calcular sumando los Ampère vuelta que producen los conductores del inducido que se encuentran desde el eje longitudinal d, hasta el eje transversal q, es decir medio paso polar. La cantidad de conductores en medio paso polar será: 1 𝑍

(7) 2 2𝑃 Multiplicando esos conductores por la corriente en cada uno de ellos se tiene el valor máximo de la fmm de armadura:

𝑰 = 𝑨 𝝉𝟐𝒑

1 𝑍 𝐹𝑎 𝑚𝑎𝑥 = 8 𝑎𝑝 𝒂

(8) 𝑃𝐸𝑅𝐷𝐼𝐷𝐴𝑆 𝑇𝑂𝑇𝐴𝐿𝐸𝑆 =

Si bien esa fmm puede ser importante, como actúa en el eje transversal, donde el entrehierro es grande, los valores de inducción que desarrolla no son grandes, pero sus efectos no son nulos, como sería de desear, y la línea neutra magnética se desplaza. [4]

La eficiencia del generador está dado por la ecuación mostrada a continuación. [5]

𝐸𝑓 =

I. Consultar y describir un método práctico para determinar la característica de eficiencia de un generador de cc. El método más practico consiste en medir directamente la potencia de entrada del motor y la de salida sin embargo el método de la suma es más acertado. Sea R = resistencia total del circuito de la armadura (incluyendo la resistencia de contacto de cepillo, en serie la resistencia del devanado, interpolo resistencia del devanado y la compensación de la resistencia del devanado).    

La pérdida total de cobre en el circuito del inducido

2

𝑉𝐼+𝐼𝑎 𝑅𝑎𝑡 +𝑝𝐾 +𝑉𝐼𝑎

(13)

J. Consultar al menos 3 aplicaciones prácticas de máquinas de corriente continua a)

Grúa de tracción

b)

Tornos

c)

Ascensores

(9)

La pérdida de potencia en el circuito de derivación

𝑉𝐼𝑠ℎ

𝑉𝐼

K. . En un generador de cc que alimenta a una industria, ¿Qué tipo de conexión elegiría usted: excitación independiente o auto-excitado (derivación)? Escogería el auto-excitado porque en primer lugar es más complicado mantener una excitación independiente para el motor, porque las perdidas en el campo pueden minimizarse y por ende aumentar la eficiencia y porque su regulación de velocidad es mejor.

I es la corriente de salida I sh es la corriente a través del campo en derivación I una es la corriente del inducido = I + I sh V es la tensión terminal.

𝐼𝑎2 𝑅𝑎𝑡

2

𝐼𝑎 𝑅𝑎𝑡 + 𝑝𝐾 + 𝑉𝐼𝑎 (12)

II. CONCLUSIONES

(10)



Pérdidas mecánicas = pérdidas de carga de los cojinetes + pérdida por fricción a una pérdida de conmutador efecto del viento pérdidas en el núcleo = pérdida de histéresis + pérdidas por corrientes parásitas



pérdidas por dispersión = pérdida mecánica + pérdidas en el núcleo

La suma de la pérdida del campo shunt de cobre y las pérdidas parásitas puede ser considerado como una pérdida combinada fijo (constante) que no varía con el corriente de carga I. Por lo tanto, las pérdidas constantes (en derivación y compuestos generadores de pérdida) = + pérdidas en el cobre de campo en derivación callejeros.





Los grupos de conexiones de transformadores trifásicos nos indican como están conectados los bobinados de los transformadores que estamos usando y a su vez indica el desfase que se presenta en la transformación. El rendimiento de un trasformador trifásico de un solo cuerpo es superior al de un transformador trifásico echo con un banco de transformadores pues las perdidas serían menores. Un banco de trasformación puede resultar conveniente al momento de necesitar realizar un mantenimiento en el transformador, pues si se usa para la distribución de energía, no se puede dejar sin energía para realizar dicho mantenimiento. La forma en como esté conectado el transformador trifásico ya sea delta o estrella tiene sus ventajas y desventajas, por ello para el diseño de un trasformador es necesario tomar en cuenta que tipo de carga usaremos.

III. RECOMENDACIONES

  

Verificar que los equipos de medición estén correctamente calibrados Asegurarse de no sobrepasar los valores nominales de las bobinas. En el momento de realizar las conexiones, verificar que no se cortocircuiten terminales. IV. REFERENCIAS

[ «Magnetization Curve of DC Generator,» Electrucal4u, [En 1 línea]. Available: http://www.electrical4u.com/magnetization] curve-of-dc-generator/. [Último acceso: 14 Febrero 2017]. [ «Plataforma de Apoyo a la Docencia Presencial,» [En línea]. 2 Available: ] https://www.google.com.ec/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&sourc e=web&cd=1&ved=0ahUKEwiqnPKEhZDSAhVCziYKHbbu AB4QFggYMAA&url=https%3A%2F%2Fwww.ucursos.cl%2Fingenieria%2F2007%2F2%2FEI1B2%2F3%2Fm aterial_docente%2Fbajar%3Fid_material%3D144217&usg=A FQjCNHe9L3C4l8-746. [Último acceso: 14 Febrero 2017]. [ J. K. Walter N. Alerich, «DC Compund Motor,» de Electricity 3 4: AC/DC Motors, Controls, and Maintenance, 2001, pp. 29] 30. [ U. t. d. B. Aires, «Universidad tecnológica de Buenos Aires,» 4 [En línea]. Available: ] https://www4.frba.utn.edu.ar/html/Electrica/archivos/maquinas _electricas_1/apuntes/13.pdf. [Último acceso: 14 Febrero 2017]. [ «Efficiency of DC Generator,» Circuit Globe, [En línea]. 5 Available: http://circuitglobe.com/efficiency-of-dc] generator.html. [Último acceso: 14 Febrero 2017].

V. ANEXO