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Escuela Politécnica Nacional. Carrillo. Máquina de corriente continua como generador.

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Gr.3

Máquina de corriente continua generador Carrillo Terán Omar Sebastián [email protected] Escuela Politécnica Nacional Quito, Ecuador Subgrupo A 

Resumen.Los generadores de corriente continua son máquinas eléctricas rotatorias a las que se les ha insertado energía mecánica, que a través de un proceso de excitación a boninas de campo para la creación de campo magnético, al girar espiras ubcadas en los devanados de armadura mediante la energía mecánica antes mencionada, estas podrán serán afectadas por el fenómeno de la ley de Faraday, induciéndose un voltaje en estas espiras, dependiente de la velocidad de la máquina y del flujo que se haya inducido en las espiras rotatorias. Índice de Términos.- Conexión shunt, devanado de armadura, campo, velocidad de giro.

la forma en que estén acoplados el inductor y el inducido: en serie, en derivación y en combinación. Este campo será constante, pero la bobina al estar girando verá un campo variante respecto al tiempo, por lo cual dará paso a un voltaje inducido. Los motores y los generadores de corriente continua están constituidos esencialmente por los mismos elementos como se puede apreciar en la figura 1, diferenciándose únicamente en la forma de utilización. Por reversibilidad entre el motor y el generador se entiende que si se hace girar al rotor, se produce en el devanado inducido una fuerza electromotriz capaz de transformarse en energía en el circuito de carga.

I. INTRODUCCIÓN El generador DC funciona bajo el principio de la ley de Faraday, la cual dice que el voltaje inducido en una espira es igual a la variación del flujo magnético que circule por la misma respecto al tiempo. 𝑑Φ (1) dt El campo inductor de un generador se puede obtener mediante un imán permanente (magneto) o por medio de un electroimán (dinamo). En este último caso, el electroimán se excita por una corriente independiente o por autoexcitación, es decir, la propia corriente producida en la dinamo sirve para crear el campo magnético en las bobinas del inductor. Existen tres tipos de dinamo según sea 𝐸 = −𝑁

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Fig. 1 Partes constitutivas de una maquina DC

Las escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contacto con el conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la bobina a los cables externos. Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la corriente invertía su sentido

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dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de un sentido en el circuito exterior al que el generador estaba conectado. En la práctica de laboratorio se armó 2 tipos de motores, con excitación independiente y auto excitados, cuyos equivalentes eléctricos se muestran en las figuras 2 y 3 respectivamente.

Fig. 2 Esquema eléctrico de un generador DC con excitación independiente.

En este tipo de generadores, el responsable de generar el campo es una fuente DC externa, gracias a la cual se podrá generar el voltaje inducido.

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previamente excitada con una batería para lograr obtener un magnetismo remanente que dé lugar a todo lo antes mencionado.

II. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA El instructor procedió a realizar una breve explicación la teoría y el principio de funcionamiento de los motores eléctricos DC para luego hacer énfasis en los antes mencionados con conexión con excitación independiente y conexión shunt. Se tocó brevemente temas importantes como la inducción de voltaje a través de un campo constante, así como los esquemas eléctricos de las conexiones a realizarse en la práctica de laboratorio. III. DISCUSIÓN A. Tabular de manera adecuada todas las mediciones obtenidas durante la práctica. TABLA 1 PARÁMETROS DE LA MAQUINA USADA COMO MOTOR

Resistencia de armadura Resistencia de campo

0.8Ω 148.2Ω

TABLA 2 PARAMETROS DE LA MAQUINA USADA COMO GENRADOR

Fig. 3 Esquema eléctrico de un generador DC auto excitado.

Como se puede apreciar en la figura 3, se puede apreciar una fuerza contra electro motriz en lugar de una fuerza electro motriz en el esquema, esto se debe a que el circuito pertenece a un motor, pero en realidad es el mismo para un generador. El responsable de generar voltaje inducido y campo a la vez es la rotación de la armadura, pues esta genera el campo y a su vez alimenta a la carga. Esto es posible solamente si la maquina ha sido Laboratorio de conversión electromecánica de energía.

Resistencia de campo Resistencia de armadura

178.3 Ω 0.4 Ω

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TABLA 3 GENERADOR CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE VALORES DE CORRIENTE DE CAMPO PARA UNA DETERMINADA FUERZA ELECTRO MOTRIZ (VOLTAJE ASCENDENTE)

Corriente de campo (A) 0 0.12 0.18 0.2 0.22 0.32 0.42 0.56 0.62

Fuerza electro motriz (V) 7.9 56 60 69.6 79.6 90 99.6 109.8 113.8

TABLA 4 VALORES DE CORRIENTE DE CAMPO PARA UNA DETERMINADA FUERZA ELECTRO MOTRIZ (VOLTAJE DESCENDENTE)

Corriente de campo (A) 0.56 0.4 0.3 0.22 0.18 0.14

Fuerza electro motriz (V) 110.3 100.4 90.5 80.7 70.5 62.4

TABLA 5 CURVA DE CARGA (W=1800RPM)

IL(A) 0 4.4 8.3 12.2 15.4

VL (V) 110 108.6 100.4 97.2 91.3

TABLA 6 GENERADOR CON AUTOEXITADO VALORES DE CORRIENTE DE CAMPO PARA UNA DETERMINADA FUERZA ELECTRO MOTRIZ (VOLTAJE ASCENDENTE)

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Corriente de campo (A) 0 0.02 0.06 0.12 0.16 0.26 0.42 0.64

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Fuerza electro motriz (V) 7.5 10.5 20.8 45.9 61.7 82.5 100.6 115.9

TABLA 7 GENERADOR CON AUTOEXITADO VALORES DE CORRIENTE DE CAMPO PARA UNA DETERMINADA FUERZA ELECTRO MOTRIZ (VOLTAJE DESCENDENTE)

Corriente de campo (A) 0.36 0.24 0.06 0.04

Fuerza electro motriz (V) 95.5 82.9 31.8 18.9

TABLA 8 CURVA DE CARGA (W=1800RPM)

IL(A) 0 4.4 8.3 11.9 13.7

VL (V) 110.2 105.7 99.4 91 81.1

B. Graficar la curva de saturación tanto de subida como de bajada (en un mismo gráfico). Explicar de manera clara y técnica la forma, características, niveles alcanzados de la curva dibujada.

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Fig.4 Curva de saturación del generador con excitación independiente a 1800 rpm.

Como se puede apreciar, aunque en la gráfica no se logra alcanzar a visualizar debido a la falta de datos, el voltaje generado máximo bordea los 120V, al igual que es evidente que las gráficas de subida como de bajada de saturación del generador no son las mismas. Esto se debe a que en la subida el material del núcleo de las bobinas se magnetiza de cierta forma, mientras que cuando el voltaje disminuye este de cierta forma se desmagnetiza, no necesariamente al nivel que se encontraba cuando se empezó a magnetizarlo, es por esto que las curvas de subida y de bajada no coinciden. C. Determinar gráficamente el valor resistencia crítica del generador.

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Como se puede apreciar en la figura 2 del generador, en la región lineal de la curva se puede definir una resistencia crítica, la cual representará la mayor resistencia que se pueda colocar en el campo para que pueda existir voltaje inducido. Debido a que esta es la relación entre voltaje y corriente se puede definir como la pendiente de la curva en cierto punto:

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De acuerdo con la teoría tanto como la polaridad y la magnitud del voltaje generado es directamente proporcional al sentido de giro del motor y a la velocidad del mismo respectivamente. Al bajar al voltaje se puede apreciar en la figura 2 que la curva de magnetización no es la misma, esto se debe a que el voltaje remanente cambia, ligeramente pero cambia dependiendo de la excitación en el núcleo de los devanados y por ende eso se refleja en las gráficas y tablas obtenidas. E. Consultar y explicar el proceso autoexcitación de un generador serie.

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En esta configuración la corriente de armadura al ser igual que la corriente de campo serie que se genera debido a la rotación del rotor, por ende la resistencia de los devanados serie debe ser muy baja, lo cual se traduce en un alambre muy grueso y pocas vueltas. Se produce un campo magnético debido al paso de la corriente de armadura, por ende se esta autoestimando. Al igual que la conexión shunt antes mencionada, para lograr arrancar el generador en esta configuración, se hace uso del magnetismo remanente que produce la inducción inicialmente mientras el campo se desarrolla.

Tomando el punto de (0.12 , 56) y (0 , 7.9) se encuentra la resistencia crítica cuyo valor es: 56 − 7.9 𝑅𝑓𝑐 = = 401Ω 0.12 D. Analizar y explicar los resultados obtenidos en lo que respecta al voltaje generado, de acuerdo a los sentidos de giro del campo magnético y generador.

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Fig.5 Esquema eléctrico de un generador serie.

F. Consultar el método que permite determinar experimentalmente si el generador compuesto es acumulativo o diferencial. La determinación de polaridades relativas en cada bobina es fundamental para saber si un generador compuesto es acumulativo o diferencial. Dependiendo de la manera en que la corriente ingrese por los devanados, estos provocarán flujos

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magnéticos en determinada dirección, estos se sumaran o restaran dependiendo como se encuentren las polaridades relativas de las bobinas de campo serie y campo shunt respectivamente, esto es lo que determina el tipo de conexión. Otro efecto visible es la variación del voltaje generado Ea y en base a esta variación podemos determinar si el generador se conecta en configuración aditiva o sustractiva, entonces se puede definir: Acumulativo: Cuando aumenta la corriente de armadura aumenta también la fuerza magneto motriz del campo serie, al sumarse los flujos de los dos campos del generador, a su vez esto eleva Ea lo cual provoca un aumento en el voltaje de los terminales de la carga. Diferencial: Inversamente, cuando aumenta la corriente de armadura, aumenta también la fuerza magneto motriz del campo serie, lo cual produce un flujo que se resta del flujo del campo, reduciendo la fuerza total neta del generador, esto reduce Ea provocando una disminución en el voltaje de los terminales de la carga. G. Consultar el significado de la regulación de voltaje para los diversos tipos de generadores de c.c.

𝑉𝑛𝑙 − 𝑉𝑓𝑙 ∗ 100 𝑉𝑓𝑙

Esto cambia cuando se conecta una carga pues el circuito se cierra y empieza a circular corriente y por ende aparecen perdidas en los devanados. LA regulación hace referencia a que tan significativos son en conjunto la resistencia de los devanados y la corriente que circula por estos en comparación al voltaje inducido Ea, y como varía este fenómeno de inducción el estar en vacío y a plena carga.

H. Consultar el método requerido para determinar la caída de voltaje debido al efecto de la reacción de armadura de un generador. La reacción de armadura es la deformación del campo magnético producido por el estator debido a la conexión de una carga. Para poder cuantificar esta deformación en función del voltaje, debemos determinar la fuerza necesaria para vencer la inercia eléctrica del rotor. Como la fuerza magneto motriz depende del flujo y este a su vez de la corriente, lo que se realiza es excitar a la máquina con un voltaje variable, e ir aumentándolo hasta lograr obtener un pequeño movimiento en el rotor. El valor de voltaje obtenido será el equivalente a la caída de tensión debido a la reacción de armadura. I. Consultar y describir un método práctico para determinar la eficiencia de un generador.

La regulación de voltaje está dada por: 𝑅𝑣% =

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Esta regulación puede variar entre valores cercanos a cero o incrementarse de manera significativa dependiente de ciertos factores. Una maquina eléctrica será de mejor calidad cuando su regulación tienda a cero. Cuando un generador en cualquier grupo de conexión se encuentra sin carga, el voltaje inducido Ea sema mayor, pues en muchos de los casos como en las realizadas en la práctica de laboratorio no existía paso de corriente cuando la carga no estaba conectada, lo cual da paso a que no existan perdidas en los devanados. Laboratorio de conversión electromecánica de energía.

Para poder encontrar la eficiencia de un motor es necesario conocer la potencia de este determinar sus pérdidas. Existen 2 tipos de perdidas: Perdidas eléctricas: Debido a las resistencias internas de los devanados. Perdidas mecánicas: Principalmente pérdidas rotacionales y por el rozamiento de las escobillas. La eficiencia es exclusiva de cada máquina y sus características de construcción. J. Consultar al menos 3 aplicaciones prácticas para la máquina de corriente continua.

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Trenes de laminación reversibles. Los motores deben de soportar una alta carga. Normalmente se utilizan varios motores que se acoplan en grupos de dos o tres. Cizallas en trenes de laminación en caliente. Se utilizan motores en derivación. Trenes Konti. Son trenes de laminación en caliente con varios bastidores. En cada uno se va reduciendo más la sección y la velocidad es cada vez mayor.

K. En un generador de cc que alimenta a una industria, ¿qué tipo de conexión elegiría usted: evitación independiente o auto excitado? Justifique su respuesta. Conexión shunt o auto excitada, debido a que en una industria es importante reducir los costos económicos y una fuente de voltaje para generar campo magnético representa un gasto extra. IV. CONCLUSIONES El magnetismo remanente es el responsable de que la una máquina DC configurada como generador pueda arrancar si está conectada en derivación. La curva de saturación de una maquina DC varía dependiendo de la velocidad de giro de la misma y en las condiciones en las que se tome datos para elaborar la tabla de valores, pues el magnetismo remanente cambiará dependiendo de las condiciones de excitación y por ende también lo hará el voltaje remanente. La resistencia crítica es el valor de resistencia de campo mínimo que hace que pueda inducirse voltaje en las espiras de la armadura. Debido a esto es importante escoger adecuadamente el valor de la resistencia de campo externa para el arranque de generadores DC. V.

REFERENCIAS

[1] Cátedra de conversión electromecánica de energía, Franklin Quilumba. [2] Fitzgerald, A. E. Fitzgerald, C. Kingsley, and S. Umans, Electric Machinery. McGraw-Hill, 2003.

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[3] http://www.webscolar.com/generadores-de-corrientecontinua [4] http://www.monografias.com/trabajos82/maquinacorriente-continua-como-motor/maquina-corrientecontinua-como-motor2.shtml Autor Omar Sebastián Carrillo Terán, Estudiante de Ingeniería Eléctrica, Escuela Politécnica Nacional.