INSTITUTO TECNOLOGICO DE NUEVO LEON

DEPARTAMENTO DE ING. ELECTRICA Y ELECTRONICA

MAQUINAS ELÉCTRICAS

U3 Generador de cd

ELABORADOS: OSCAR ARREOLA SORIA

GUADALUPE N. L. ENERO 2014

CONTENIDO U1

3.1 PRINCIPIOS DE GENERACIÓN DE FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA.

3.2 GENERADOR DE EXCITACIÓN SEPARADA.

3.3 GENERADORES AUTOEXCITADOS.

3.4 CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES DE LOS GENERADORES.

3.1 PRINCIPIOS DE GENERACIÓN DE FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA.

Las maquinas de corriente directa representan para algunos que es una maquina en peligro de desaparicion, en virtud de que la corriente directa hoy en día se obtiene a través de dispositivos semiconductores (rectificadores electrónicos) y por tanto cada vez tienen menor demanda los generadores de corriente directa [1].

Una de las ventajas de las maquinas de CD es que se pueden trabajar como generador y como motor sin hacer ninguna modificación, lo cual implica que la construcción es la misma , es decir no hay diferencias reales siendo la única diferencia la dirección del flujo de potencia [2], [3].

Acción generador El generador de cd basa su funcionamiento en el principio de inducción

electromagnética de faraday, la cual establece que si hacemos girar una espira en un campo magnético se produce una fem inducida en sus conductores. Conforme gira la espira, se produce una fem en las terminales de la misma, esta tensión aparece entre las escobillas y por consecuencia se transmite a la carga, como se aprecia en la figura 1.1 [4].

Figura 1.1 Generador de cd elemental.(T. Wildi. Maquinas Eléctricas y sistemas de potencia, Pág.. 72

Figura 1.2 Voltaje inducido como función del tiempo en un generador

La diferencia de potencial obtenida en el exterior a través de un anillo colector y una escobilla en cada extremo de la espira tiene una senoidal, durante la primera mitad del ciclo se obtiene la misma tensión alterna pero, en el semiperiodo siguiente, se invierte la conexión convirtiendo el semiciclo negativo en positivo (Ver figura 1.2)

Para rectificar la corriente alterna inducida en el devanado del rotor, se remplazan los anillos rozantes por un conmutador, de esta forma el voltaje inducido en las escobillas pulsa pero no cambia de polaridad (ver figura 1.3). Debido a la polaridad constante en las escobillas, esta maquina de cd recibe el nombre de generador de cd o dinamo [4].

Figura 1.3 Voltaje inducido como función del tiempo en un generador.

En la figura 1.4 se muestran algunas de estas partes principales

Figura 1.4 Partes principales de una maquina de corriente directa. (Siemens. Components in DC motors/Electrical Training Course)

Devanado de Campo El devanado de campo también denominado inductor o estator, es el

responsable de producir el campo magnético principal en la maquina. Esta conformado básicamente por un electroimán montado en piezas polares para formar el estator electromagnético (en motores pequeños el campo puede estar formado por imanes permanentes).

Los devanados de campo y las piezas polares son colocadas en la carcasa. Es la parte fija de la maquina [2], [4] y [6]. (Ver figura 1.5)

Figura 1.5 devanado de campo de una maquina de corriente directa. (Siemens, components in DC motors/Electrical Training Course)

Armadura La armadura es la parte rotatoria de un generador de cd, de ahí que

también muchas veces se le llame rotor o inducido. Va montada en un eje y gira entre los polos de los devanados de campo. Esta construida sobre el eje o flecha, núcleo, devanado y conmutador.

Los devanados de armadura usualmente son montados de tal forma que se colocan en las ranuras del núcleo. En la figura 1.6 se muestra una armadura de una maquina de cd [2], [4] y [6].

Figura 1.6 Armadura de una maquina de corriente directa.(Siemens. Components in DC motors/Electrical Training Course)

Escobillas Las escobillas son las que se encargan de trasmitir el voltaje

generado a las cargas. Están colocadas en los lados del conmutador, están hechas de carbón o grafito.

Están sujetas a la estructura del estator de forma tal que mediante muelles o resortes se asegura que las escobillas mantengan un contacto firme con las delgas del colector. En la figura 1.7 se puede apreciar la forma en que van colocadas las escobillas [2], [4] y [6].

Figura 1.7 ubicación de las escobillas en una maquina de cd

Conmutador El conmutador junto con las escobillas son los responsables de hacer llegar

la tensión generada a las cargas. Esta construida esencialmente por piezas planas de cobre duro de sección trapezoidal, conocidas como delgas, separadas y aisladas unas de otras por delgas laminadas de mica, formando el conjunto un tubo cilíndrico aprisionado fuertemente. El conmutador tiene tantas delgas como bobinas posee la armadura de la maquina. En la figura 1.8 se presenta como esta compuesto el conmutador

Figura 1.8 estructura del conmutador

FUNCIONAMIENTO MAQUINA CC

Partes claves del funcionamiento:

Rotor - Armadura o Inducido.- Es donde se produce la respuesta: Par (motor) o Voltaje Inducido (generador).

Estator – Campo o Inductor.- Es donde se produce el flujo magnético, necesario para la operación de la maquina.

El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales : Rotor y Estator                                         

Dentro de éstas se ubican los demás componentes como : Escobillas y porta escobillas

Colector Eje

Núcleo y devanado del rotor Imán Permanente

Armazón Tapas o campanas

Tabla de Estructura La siguiente tabla muestra la distribución de las piezas del motor:  

Rotor Estator

Eje Armazón

Núcleo y Devanado Imán permanente

Colector Escobillas y porta escobillas

  Tapas

Rotor

Constituye la parte móvil del motor, proporciona el torque para mover a la carga. Está formado por :

Eje Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación al núcleo, devanado y al colector.

Núcleo Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de acero, su función es proporcionar un trayecto magnético entre los polos para que el flujo magnético del devanado circule.

Las laminaciones tienen por objeto reducir las corrientes parásitas en el núcleo. El acero del núcleo debe ser capaz de mantener bajas las pérdidas por histéresis. Este núcleo laminado contiene ranuras a lo largo de su superficie para albergar al devanado de la armadura (bobinado).

Devanado Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la armadura. Estas bobinas están alojadas en las ranuras, y están conectadas eléctricamente con el colector, el cual debido a su movimiento rotatorio, proporciona un camino de conducción conmutado

Estator

Constituye la parte fija de la máquina. Su función es suministrar el flujo magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar

su movimiento giratorio. Está formado por :

Armazón Denominado también yugo, tiene dos funciones primordiales : servir como

soporte y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor y del imán permanente, para completar el circuito magnético.

Imán permanente Compuesto de material ferromagnético altamente remanente, se encuentra fijado al armazón o carcaza del estator. Su función es

proporcionar un campo magnético uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que interactúe con el campo

formado por el bobinado, y se origine el movimiento del rotor como resultado de la interacción de estos campos

Escobillas

Las escobillas están fabricadas se carbón, y poseen una dureza menor que la del colector, para evitar que éste se desgaste rápidamente. Se encuentran albergadas por los portaescobillas. Ambos, escobillas y porta escobillas, se encuentran en una de las tapas del estator. La función de las escobillas es transmitir la tensión y corriente de la fuente de alimentación hacia el colector y, por consiguiente, al bobinado del rotor. La función del porta escobillas es mantener a las escobillas en su posición de contacto firme con los segmentos del colector. Esta función la realiza por medio de resortes, los cuales hacen una presión moderada sobre las escobillas contra el colector. Esta presión debe mantenerse en un nivel intermedio pues, de ser excesiva, la fricción desgastaría tanto a las escobillas como al colector; por otro lado, de ser mínima esta presión, se produciría lo que se denomina "chisporroteo", que es cuando aparecen chispas entre las superficies del colector y las escobillas, debido a que no existe un buen contacto.

 

ECUACIONES DE VOLTAJE Y PAR INDUCIDO EN LAS MÁQUINAS DE CD REALES

¿Cuánto voltaje se induce una máquina real?

Voltaje en un conductor bajo caras polares es

eind = v B l

Voltaje interno del inducido de una máquina real

¿Cuánto par se induce en la armadura de una máquina real?

Par en un conductor bajo caras polares

Par inducido total en el rotor de una maquina CDa

BlZr

a

ZvBlEA

P

rl

P

AAP

2

P

rlBBAPP

2

P

rlB

a

ZP

a

BlZrEA

2

2

PA a

ZP

a

BlZrE

2 PA KE

nKE PA '

a

ZPK

60'

n60

2

lBrIcondind

a

II Acond

a

ZrlBI Aind

P

rl

P

AAP

2

P

rlBBAPP

2

APind Ia

ZP

2

APind IK

Tipos de excitación en generadores de cd Los generadores de cd son maquinas de cd utilizadas

como generador. Hay varios tipos de generadores de cd que difieren entre si en la forma en que se obtienen sus flujos de campo. Estos métodos afectan las características de salida de los diferentes tipos de generadores [2], [3], [8] y [9].

Tipos comunes de generadores de cd son: Generador de excitación separada Generador en derivación Generador en serie Generador compuesto acumulativo Generador compuesto diferencial

3.2 GENERADOR DE EXCITACIÓN SEPARADA. En este tipo de generador el flujo principal se obtiene de una fuente de

potencia independiente del mismo generador. Una de sus características es que ofrece una tensión en terminales casi constante cuando no se utiliza una resistencia de ajuste sobre la corriente de campo. Algunas de sus aplicaciones son:

Pruebas de laboratorio y comerciales. Conjuntos con regulación especial En la figura 1.11 aparece el circuito equivalente de este tipo de generador.

Figura 1.11 Generador de cd de excitación independiente (S.J. Chapman, Maq Elec, pag. 597)

Figura 1.12 Características de las terminales de un generador de cd de excitación independiente. a) con devanado de compensación; b) sin devanado de compensación (S.J. Chapman, Maq Elec, pag. pag 598)

En la figura 1.12 se observa el comportamiento que tiene este generador en función de la carga, con devanado de compensación y sin devanado de compensación

3.3 GENERADORES AUTOEXCITADOS.

Generador en derivación

En este tipo de generador el voltaje en las terminales es igual al que tiene el devanado de campo debido a que ambos devanados están conectados en paralelo, de ahí que también se le llame generador en paralelo o shunt.

Cuando el generador se encuentra sin carga, la corriente del inducido es la misma que la corriente de campo. Cuando tiene carga, la corriente de la armadura suministra la corriente de la carga y la corriente de campo tal como se aprecia en la figura 1.13

Este generador es capaz de aumentar el voltaje en sus terminales mientras exista algún flujo remanente en los polos del campo. En la figura 1.14 se puede apreciar como aumenta el voltaje en las

terminales según varia la corriente de campo en función de la resistencia de campo.

Figura 1.13 Circuito equivalente de un generador de cd en derivación (S. J. Chapman, Maquinas Eléctricas, Pág. 603)

Figura 1.14 Crecimiento del voltaje en un generador en derivación cd

Generador en serie Como su nombre lo indica el devanado del inductor en un generador en

serie se encuentra conectado en serie con devanado del inducido y la fuente de excitación. Debido a este tipo de conexión, las corrientes que circulan por ambos devanados son muy altas y por lo tanto el calibre del conductor será mayor y con muy pocas vueltas de alambre comparado con el devanado en derivación.

En la figura 1.15 se muestra el circuito equivalente de un generador de cd en serie. La curva de magnetización de un generador serie se obtiene al excitar de manera separada el devanado de campo serie. La tensión en las terminales del generador decrecerá en función de la reacción de armadura presente en la maquina, es decir a mayor reacción de armadura le corresponderá mayor caída de tensión en las terminales del generador. En la figura 1.16 se puede apreciar este efecto.

Figura 1.15 Circuito equivalente de un generador de cd en serie (S.J. Chapman pag. 609)

Figura 1.16 Características del generador serie (B. S. Gurú, ME y T)

Generador de cd compuesto acumulativo

Figura 1.17 Circuito equivalente de un generador de cd compuesto acumulativo con derivación larga

Generador de cd compuesto acumulativo

Figura 1.18 Circuito equivalente de un generador de cd compuesto acumulativo con derivación corta

Generador de cd compuesto diferencial Este generador es una variante del generador compuesto acumulativo,

es decir se siguen usando tanto el devanado en derivación, como el devanado serie, con la única diferencia que las polaridades ahora son opuestas, provocando con ello una diferencia en si fmm restándose la una de la otra. En la figura 1.19 se aprecia el circuito equivalente del generador compuesto diferencial.

Algunas características de este generador: A medida que aumenta la corriente en la armadura, también se eleva la

caída de tensión en la armadura, esto provoca que también disminuya el voltaje en los bornes de la maquina.

A medida que aumenta la corriente de armadura, también se eleva la fmm del campo serie provocando que la fuerza magnetomotriz neta de la maquina también se reduzca, decreciendo a su vez EA, dando como consecuencia una disminución de la tensión en las terminales del generador.

Estas características provocan que el voltaje en las terminales decrezca conforme se incrementa la carga.

Figura 1.19 Circuito equivalente de un generador de cd compuesto diferencial con derivación larga

Análisis no lineal del generador de dc

Debido a que el voltaje inducido EA es una función no lineal. La curva de magnetización del generador debe utilizarse para calcular aproximadamente el voltaje de salida correspondiente a una corriente de entrada de excitación.

Además, si una maquina tiene reacción de inducido, su flujo se reducirá con cada aumento de carga y hará que EA disminuya. Para determinar aproximadamente el voltaje de salida en la maquina con reacción del inducido es utilizar el análisis grafico.

La fuerza de magnetización total en una generador de dc es la fuerza magnetización del circuito de campo menos la fuerza magnetización debido a la reacción del inducido (AR):

Corriente equivalente de campo

El voltaje resultante EA0 puede ser determinado localizando esa corriente equivalente sobre la curva de magnetización. La corriente equivalente de campo de un generador dc de excitación separada y derivación esta dada por

La diferencia entre la velocidad de la curva de magnetización y la velocidad real del generador debe ser tomada en cuenta utilizando la ecuación:

Ver el ejemplo 9-9

La corriente equivalente del campo en derivación Ieq, debida a los efectos del campo serie y de la reacción del inducido, esta dada por

La corriente efectiva de campo en derivación de la maquina es

Análisis no lineal de los generador de dc compuestos acumulativo y diferencial

Acumulativo Diferencial

Diferencial

Acumulativo

Característica en terminales de un generador dc compuesto acumulativo Casos individuales del generador compuesto acumulativo

3.4 CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES DE LOS GENERADORES.

Fig. 9-61 Características en terminales

Figura 9-62 Generador compuesto acumulativo con resistencia de desviación

Figura 9-66 Características en terminales de un generador compuesto diferencial

1.3 Tipos de generadores de cd Gasolina

Diesel Gas

Características de una planta eléctrica

Plantas Eléctricas Generador G2500 DLXEnermax Corriente Máxima (A): 18

Voltaje AC: 120VSalida DC: SíNúmero de Fases: 1Factor de Potencia: 1Motor: G200Marca: HONDAInstrumentos de medición: SíBreaker AC: 1x20ABreaker DC/Fusible: 8AAlarma de Aceite: Sí.Kit de Ruedas: Sí

Referencias

1.4 Construcción y tipos de devanados en el generador de C.D. 1.4.1 Construcción del generador de cd La maquina de corriente directa puede funcionar como generador

y/o como motor, por lo tanto su construcción es la misma independiente de su funcionamiento y solo la forma de excitación determina si trabaja como motor o generador [5].

Las partes principales de una maquina de cd son: Tapas frontal y posterior Carcasa Devanado de armadura o inducido Rodamientos Eje o flecha Devanado de campo o inductor Conmutador Escobillas y porta escobillas

Devanado de Armadura: El devanado de armadura o inducido puede ser de dos tipos:1.- Devanado imbricado; este devanado se distingue porque forma tantas trayectorias paralelas como numero de polos de campo haya, se recomienda utilizar cuando se deseen altas corrientes y bajas tensiones en este tipo de devanados se utiliza un par de escobillas por cada dos trayectorias

En este devanado los extremos de una bobina van conectados a dos delgas adyacentes del conmutador, (ver figura 1.9).

Continuación, Tipos de devanados en el generador de cd

1.4.2 Tipos de devanados en el generador de cd Como se ha indicado anteriormente el

generador de cd tiene dos bobinas; el devanado de campo y devanado de armadura, enseguida se indican los tipos de devanados que tiene cada uno de ellos [2], [7] y [8].

Devanado de campo: El devanado de campo se compone por lo general de dos bobinas que irán conectadas según el tipo de excitación que se desee en el generador.

Figura 1.9 a) Maquina de 4 polos de cc con devanado imbricado, 16 bobinas y 16 segmentos del conmutador.

Fig. 1.9 b) Diagrama de cableado del rotor. Nótese que cada devanado termina en el segmento de conmutación justamente posterior al segmento en donde se conectó su comienzo. Este es un devanado imbricado progresivo.

Continuación, Tipos de devanados en el generador de cd

Devanado ondulado: Este tipo de devanado también se denomina devanado serie en virtud de que todas las bobinas de armadura debajo de los pares de polos similares, están en serie. Este tipo de devanado se recomienda utilizar cuando se desean obtener altos voltajes y bajas corrientes. En este devanado los extremos de una bobina van conectados a segmentos del conmutador que están aproximadamente 360o eléctricos (ver figura 1.10)

Figura 1.10A Maquina tretrapolar de cc con devanado ondulado y nueve ranuras que opera como generador. (Chapman, Maquinas Eléctricas, Pág.. 511)

Fig. 1.10B Diagrama de devanado del rotor de la maquina cd. Notese que el final de cada segunda bobina en serie se conecta al segmento siguiente al del comienzo de la primera bobina. Este es un devanado ondulado progresivo.