TEMA 3.1: Generadores de corriente continua

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TEMA 3.1: Generadores de corriente continua
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J. Montanyà
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2
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3.1.1 Introducción
GENERALIDADES DE LA MÁQUINA DE CC
•
•
•
•
La máquina está compuesta por dos devanados alimentados con CC: uno
llamado inductor que se encuentra en el estator de la máquina y el otro
llamado inducido que está en el rotor.
Cuando la máquina funciona como generador se alimenta el inductor con
CC y por el inducido obtendremos una FEM (CC).
Cuando la máquina funciona como motor los dos devanados están
alimentados con CC.
Necesitan un frecuente mantenimiento.
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3.1.2 Estructura de la máquina de CC
Adaptado de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]
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3.1.3 Despiece de la máquina de CC
Fig.2. Despiece máquina CC.
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3.1.4 Ejemplos de máquinas de corriente continua
Máquinas del laboratorio: La Electricitat S.A. – Sabadell – 1950 – 22 kW
5
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3.1.4 Ejemplos de máquinas de corriente continua
Máquinas del laboratorio: Laboratorio de accionamientos
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3.1.4 Ejemplos de máquinas de corriente continua
Máquinas del laboratorio: Laboratorio de accionamientos
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3.1.4 Ejemplos de máquinas de corriente continua
Máquinas del laboratorio
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3.1.5 La placa de características
Ejemplo de una de las máquinas del laboratorio:
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3.1.5 La placa de características
Tipo de servicio: S1
S1
SERVICIO CONTINUIO
- Máquina trabajando a carga constante, de este modo se alcanza la temperatura de régimen
permanente.
S2
SERVICIO TEMPORAL O DE
CORTA DURACIÓN
-La máquina trabaja en régimen de carga constante un tiempo breve, de este modo no se llega a
alcanzar una temperatura estable.
- Permanecerá entonces parada hasta alcanzar de nuevo la temperatura ambiente.
S3
SERVICIO INTERMITENTE
-Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante.
- Periodos de reposo sin que se alcance nunca una temperatura constante.
S4
SERVICIO INTERMITENTE
- Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante.
-Se incluye el tiempo de arranque.
-Periodos de reposo sin que se alcance nunca una temperatura constante.
S5
SERVICIO INTERMITENTE
- Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante.
-Se incluye el tiempo de arranques y frenados.
-Periodos de reposo sin que se alcance nunca una temperatura constante.
S6
SERVICIO INTERMITENTE
-Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante.
- Sin periodos de reposo.
S7
SERVICIO INTERMITENTE
- Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante.
-Se incluye el tiempo de arranque.
- Sin periodos de reposo.
S8
SERVICIO INTERMITENTE
- Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante.
-Se incluye el tiempo de arranques y frenados.
- Sin periodos de reposo.
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3.1.5 La placa de características
Ejecución B5
[Siemens]
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3.1.5 La placa de características
Protección: IP 23
[NTP 588: Grado de protección de las envolventes de los materiales eléctricos]
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3.1.5 La placa de características
Código de refrigeración IC 06
[ABB, Low Voltage General Purpose Motors]
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3.1.5 La placa de características
La placa de
características
[ABB, Low Voltage General Purpose Motors]
Clase de aislamiento: F
Clase de
Aislamiento
Temperatura
máxima
Y
90 ºC
A
105 ºC
E
120 ºC
B
130 ºC
F
155 ºC
H
180 ºC
200
200 ºC
220
220 ºC
250
250 ºC
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3.1.6 Tipos de devanados del inducido
• Los devanados pueden ser imbricados u ondulados,
dependiendo de si se cruzan o no las partes de la
bobina observadas desde el lado del colector.
Adaptado de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]
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3.1.6 Tipos de devanados del inducido
•
•
•
Devanado ondulado (simple): siempre dispone de dos vías (a=1)
Si la corriente por vía es demasiado elevada se utiliza el devanado imbricado (simple).
En el devanado imbricado se tienen tantas vías como polos (p=a).
•
•
Colector: Nº de delgas = Nº de conductores
Escobillas: número de escobillas igual al número de polos.
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3.1.6 Tipos de devanados del inducido
•
•
•
Devanado ondulado (simple): siempre dispone de dos vías (a=1)
Si la corriente por vía es demasiado elevada se utiliza el devanado imbircado (simple).
En el devanado imbricado se tienen tantas vías como polos (p=a).
•
•
Colector: Nº de delgas = Nº de conductores
Escobillas: número de escobillas igual al número de polos.
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3.1.6 Tipos de devanados del inducido
Devanado imbricado simple
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3.1.6 Tipos de devanados del inducido
En el ejemplo, la corriente entra por una escobilla (en delga 1) , se puede observar los sentidos de las corrientes
cada uno de los conductores y como sale la corriente por la otra escobilla (en delga 4).
Si el motor avanza (rota) un paso de escobilla la corriente entrará por la delga 2 y saldrá por la delga 5 (que no
está representada).
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3.1.6 Tipos de devanados del inducido
Devanado ondulado simple
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3.1.7 Eje directo y Línea Neutra

v

 inducido

 inductor
Se mantiene la cuadratura entre el
el campo del inductor y el campo
del inducido.
 
e  l v   
Los conductores situados en la
Línea Neutra sus fem’s son nulas.
Adaptado de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]
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3.1.8 Funcionamiento del colector de delgas
La figura muestra el proceso de conmutación en el colector (Las escobillas deben colocarse en
las Líneas neutras)
Adaptado de [N. Mohan, Electric Drives: An Integrative Approach, NMPERE,2001 ]
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3.1.9 La fuerza electromotriz inducida
Fem inducida en una espira (sin rectificar)
Fem inducida en una espira (rectificada)
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3.1.9 La fuerza electromotriz inducida
fem’s correspondientes a las espiras e1...e6
Máquina bipolar, 12 espiras
-
[L.S. Iribarnegaray, Fundamentos de Máquinas Eléctricas Rotativas, Ed. Marcombo, 1989 ]
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3.1.9 La fuerza electromotriz inducida
Fem inducida en una espira (en general).
e1 (t )   1
Valor medio de la tensión inducida:
E avg
1

T

d
dt
T
01
'
1
e (t ) dt
E avg 
1
T

T
0
 d 

dt
 dt 
En un semiperiodo (T/2) el flujo concatenado varía entre los
límites de + a - .
T es el periodo de la corriente.
Eavg 
Eavg 
E avg 
1 T
d
T 0
 2  ˆ
d
T ˆ
ˆ 4
ˆ
2
4




 
T
T
T
Tomaremos:
E
ˆ
4
T
(fem producida por una espira)
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3.1.9 La fuerza electromotriz inducida
La frecuencia de la tensión generada va ligada al número de polos (2p) y a la velocidad de rotación:
f 
E
n·p
60
ˆ
4
ˆ n·p
 4
T
60
(fem producida por una espira)
Las escobillas recogen las fem’s inducidas en las distintas bobinas durante un
semiperiodo. La fem resultante será igual a la suma de fem’s medias de las
distintas bobinas que componen cada rama en paralelo (2a) del devanado:
a
z  2·N
z
2a
número de pares de vías en paralelo.
número de conductores.
número de tensiones aditivas
fem producida por el conjunto de conductores (z/2) por espira
ˆ n· p z 1
E  4
60 2 2 a
ˆ pz n
E 
60a
2a  2 p o p / a  1 IMBRICADO SIMPLE
2a  2
o a  1 ONDULADO SIMPLE
E
pz
 
2 a
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3.1.10 Tipos de máquinas según su excitación
Máquina (generador) de corriente continua con excitación independiente
U a E  Ra I a  U esc
U a  k  Ra I a  U esc
U a  k (k g I exc )  Ra I a  U esc
U esc
I exc 
Rexc
El flujo inductor se obtiene mediante un
circuito de excitación independiente.
Permite la regulación de la tensión
generada.
M i kI a
M i  k (k g I exc ) I a
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3.1.10 Tipos de máquinas según su excitación
Máquina (generador) de corriente continua con excitación derivación (shunt o paralelo)
U a E  Ra I a  U esc
U a  k  Ra I a  U esc
U a  k (k g I exc )  Ra I a  U esc
U esc
I exc 
Rexc
El flujo inductor se obtiene mediante un circuito
de excitación independiente conectado en
paralelo con la máquina. No permite regulación.
M i kI a
M i  k (k g I exc ) I a
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3.1.10 Tipos de máquinas según su excitación
Máquina (generador) de corriente continua con excitación mediante imanes permanentes
U a E  Ra I a  U esc
U a  k  Ra I a  U esc
  cte.
M i kI a
El flujo inductor se obtiene mediante imanes
permanentes. El flujo es constante.
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TEMA 3.2: BALANCE DE POTENCIAS, LA
REACCIÓN DE INDUCIDO Y LA CONMUTACIÓN
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3.3.1 Balance de potencias de una máquina de CC
PÉRDIDAS EN
EL HIERRO (SOLO INDUCIDO)
POTENCIA
ABSORBIDA
PÉRDIDAS EN
EL COBRE
DEL ESTATOR
(INDUCTOR)
POTENCIA
ÚTIL
PÉRDIDAS EN
EL COBRE EN
EL INDUCIDO
PERDIDAS
EN LAS
ESCOBILLAS
PÉRDIDAS MECÁNICAS
(ROZAMIENTO Y VENTILACIÓN)
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3.2.1 Balance de potencias de una máquina de CC
POTENCIA
ABSORBIDA
Pabs  M ·
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3.2.1 Balance de potencias de una máquina de CC
ROTOR
POTENCIA
ABSORBIDA
Pabs  M ·
PÉRDIDAS MECÁNICAS
(ROZAMIENTO Y VENTILACIÓN)
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3.2.1 Balance de potencias de una máquina de CC
ROTOR
Pérdidas por histéresis
PCu ind  Ra I a2
Pi  E I a
Ph  k h · f ·Bm
1 .5  2 .5
W / kg 
Pérdidas por corrientes parasitarias
POTENCIA
ABSORBIDA
Pe  k e · f 2 ·Bm W / kg 
Pabs  M ·
2
PÉRDIDAS MECÁNICAS
(ROZAMIENTO Y VENTILACIÓN)
PÉRDIDAS EN
EL HIERRO
Solo aparecen en
el rotor debido a la
magnetización cíclica
que aparece por su
movimiento aunque el
flujo del inductor sea
constante.
Pi potencia interna o electromagnética desarrollada
por la máquina
Pérdidas en el hierro
PFe  k ·U 2
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3.2.1 Balance de potencias de una máquina de CC
ROTOR
PCu ind  Ra I a2
Pi  E I a
POTENCIA
ABSORBIDA
Pabs  M ·
PÉRDIDAS MECÁNICAS
(ROZAMIENTO Y VENTILACIÓN)
PÉRDIDAS EN
EL HIERRO
PERDIDAS
EN LAS
ESCOBILLAS
Solo aparecen en
el rotor debido a la
Pesc  Vesc I a
magnetización cíclica
suelen considerarse
que aparece por su
movimiento aunque el 2V por par de escobillas
flujo del inductor sea
Vesc  2 V
constante.
Pi potencia interna o electromagnética desarrollada
por la máquina
J. Montanyà
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3.2.1 Balance de potencias de una máquina de CC
ESTATOR
ROTOR
PCu ind  Ra I a2
POTENCIA
ÚTIL
Pi  E I a
Pu  Va ·I a
POTENCIA
ABSORBIDA
Pabs  M ·
PÉRDIDAS MECÁNICAS
(ROZAMIENTO Y VENTILACIÓN)
PÉRDIDAS EN
EL HIERRO
PERDIDAS
EN LAS
ESCOBILLAS
Solo aparecen en
el rotor debido a la
Pesc  Vesc I a
magnetización cíclica
que aparece por su suelen considerarse
movimiento aunque el 2V por par de escobillas
flujo del inductor sea
Vesc  2 V
constante.
Pi potencia interna o electromagnética desarrollada
por la máquina
PÉRDIDAS EN
EL COBRE EN
EL INDUCIDO
PCu ind  Ra I a2
PÉRDIDAS EN
EL COBRE
DEL ESTATOR
(INDUCTOR)
2
PCuexc  Rexc I exc
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3.2.1 Balance de potencias de una máquina de CC
Resumen
En general:
Pabs  PCuexc  Pesc  Pfe ind  PCuind  Pm  Pu
GENERADOR
MOTOR
Pabs  Va ·I a
Pu  M ·
Rendimiento:

Pu
Pabs
  90 %
Pabs  M ·
Pu  Va ·I a
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3.2.3 La reacción de Inducido
•
La reacción de inducido es el efecto que ejerce la fmm. del devanado del
inducido sobre la fmm del inductor y que hace variar la forma y magnitud
del flujo del entrehierro respecto a los valores que presentaba la máquina
en vacío.
Fi: Fmm
inducido.
de
reacción
del
Fe: Fmm creada de los polos.
Figura de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]
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J. Montanyà
3.2.3 La reacción de Inducido
•
•
La amplitud de la inducción magnética trabajando en vacío (asumimos muy poca
corriente en el inducido) idealmente debería ser constante.
No obstante debido a los flujos de dispersión que aparecen entre las expansiones
polares, hacen que esta curva coja forma trapezoidal.
Adaptado de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]
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3.2.3 La reacción de Inducido
•
En esta imagen se representa la distribución de la f.m.m. del inducido sobre
la periferia del entrehierro. Se muestran los polos a trazos para constatar
que su acción no se tiene en cuenta.
Figura de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]
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3.2.3 La reacción de Inducido
Deformación del campo magnético en el
entrehierro debido a la reacción del inducido.
Desplazamiento de las escobillas hasta la línea
neutra real.
Figuras de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]
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3.2.3 La reacción de Inducido
•
Consecuencias de la inducción resultante en el inducido:
-
La reacción del inducido deforma la curva de inducción debajo de cada
polo.
Si la máquina no está saturada no se modifica su fem. ya que tenemos flujo
constante.
En el caso de saturación la B resultante tiene un valor inferior a la salida de
los polos, hace que el flujo disminuya y que aparezca un efecto
desmagnetizante reduciendo así el valor de la fem.
Posible elevación de la tensión entre delgas consecutivas motivada por el
paso de las espiras por la zona de refuerzo del flujo entre polos (chisporreo
en el colector).
Desplazamiento de la línea neutra debido a la reacción del inducido, ésta
se adelanta (generador) o se retrasa (motor) respecto al sentido de giro del
rotor. Para evitar esto hay que modificar la posición de las escobillas
adelantándolas o retrasándolas.
-
-
-
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3.2.3 La reacción de Inducido
•
En la mayoría de máquinas de CC para eliminar el desplazamiento de la línea neutra
geométrica con las variaciones de carga y asegurar una mejor conmutación, se
emplean los polos auxiliares, estos van provistos de un devanado que se conecta en
serie con el inducido, produciendo un campo magnético opuesto al de la reacción
transversal.
Figura de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]
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3.2.3 La reacción de Inducido
Escobillas:
•
Cuando las escobillas están situadas en la línea neutra geométrica, la reacción de
inducido es totalmente transversal, lo que conduce a un desplazamiento de la línea
neutra magnética que provoca un chispeo en el colector.
•
Si se desplazan las escobillas a la línea neutra magnética verdadera, se evita el
chisporroteo del colector pero aparece una reacción antagonista que se opone a la
acción del inductor y que debe ser compensada por un aumento idéntico en la fmm
de los polos.
En la práctica se impide este desplazamiento. La
solución más eficaz consiste en neutralizar la
reacción de inducido mediante la incorporación
de un arrollamiento de compensación.
Devanado de compensación.
Figura de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]
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3.2.4 Conmutación
OK
NO OK
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TEMA 3.3: CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA
MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA
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3.3.1 Máquina de corriente continua con excitación
derivación/independiente
•
U  E  Ra I a
Ecuaciones de la máquina:
I
Ia
ˆn
E  k1' 
U  k1' n  Ra I a
La , R a
I excd
E
E
Lexcd , Rexcd
U
ˆ
E  k1 
U  k1   Ra I a
M i  k1I a
  f I exc

Si no hay saturación:
  gI exc
k ' k1' g
k  k1 g
U  k ' I exc n  Ra I a U  kI exc   Ra I a
M i  k I exc I a
Figura izq. [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]
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3.3.1 Máquina de corriente continua con excitación
derivación/independiente
U  E  Ra I a
ˆn
E  k1' 
U   K    n   Ra I a
U
Ia
Característica de vacio (Ua=E)
Característica de salida o de carga
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3.3.1 Máquina de corriente continua con excitación
derivación/independiente
ˆ ·I a
M  k1 
Generador: Par contrario al de arrastre debido al
consumo de corriente.
Motor: Par entregado a la carga que se arrastra.
1.
Sin reacción de inducido.
2.
Con reacción de inducido.
Ia
Características electromecánicas de par.
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3.3.1 Máquina de corriente continua con excitación
derivación/independiente
 
 
U  k1'  ·n  Ra ·I a
U  Ra I a  k1'  ·n
U
U
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3.3.1 Máquina de corriente continua con excitación
derivación/independiente
•
Curva característica velocidad:
I
Motor: caída de velocidad aumentar la carga
mecánica (absorbe más corriente)

o
Ia
La , R a
I excd
Lexcd , Rexcd
U
1. Sin reacción de inducido.
2. Con reacción de inducido.
E
E

R
U
 a ·I a
ˆ k1 ·
ˆ
k1 ·
  o  b Ia
Características electromecánicas de velocidad.
Figura de [M.C. Cherta, J.Corrales, A.E.B., Teoría general de máquinas eléctricas, UNED,1991 ]
Figura izq. [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]
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3.3.1 Máquina de corriente continua con excitación
derivación/independiente
•
Curva característica mecánica:

R
U
 a ·I a
ˆ k1 
ˆ
k1 
M
 Ia
k1̂
  0 
Motor: caída de velocidad aumentar la carga
mecánica (mayor par resistente)

o
1. Máquina no saturada.
3. Máquina con saturación.
Ra
M
2
2
k1 ·
  0  b M
M
Figura izq. [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]
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TEMA 3.4: REGULACIÓN DE LA MÁQUINA
DE CORRIENTE CONTINUA
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3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua
Ia
M
M
Ia
CONSUMO
Si la carga aumenta
(más demanda de corriente)
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3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua
M
Ia
CONSUMO
Si la carga aumenta
Las caídas de tensión aumentan.
La tensión se reduce
ˆn
E  k1' 
Podemos aumentar el flujo
(corriente de excitación)
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3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua
La velocidad del motor (p.e.
turbina) varía. Si queremos
mantener la tensión constante
podemos regular de forma
dinámica la excitación
Ia
M
CONSUMO
n
ˆn
E  k1' 
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3.4.2 Ejemplo de modelado mediante Matlab/Simulink
Simularemos en Simulink un generador de corriente continua
Constantes:
k=0.5;
La=0.005;
Ra=2;
Valores nominales:
Ia = 22 A
Iexc = 1 A
Ua = 314 V
N= 6000 rpm
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3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua
Paso 1: introducir en Matlab las constantes de la máquina (no se tiene en cuenta
la inercia….)
>> k=0.5;
>> La=0.005;
>> Ra=2;
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3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua
Paso 2: Ejecutar Simulink y abrir el fichero ‘Generador.mdl’
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3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua
Paso 3: Configuration  Simulation Parameters
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3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua
Paso 4: Simulación
Comprobar el efecto de subir carga (Ia) y variar la excitación (Iexc).
Para simular: Simulation  Start (o botón play).
Para ver las formas temporales hacer click sobre los Scopes
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3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua
Ejemplo 2: Regulación automática de un generador de corriente continua
•Se
desea una consigna de 270 V.
•Se
introduce un regulador tipo PI (kp: constante proporcional, ki: constante integración).
•A
la velocidad de la turbina se le introduce una perturbación sinusoidal.
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3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua
Fichero ‘generadorcontrolexc.mdl’
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