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Tema V: Fundamentos de la
conversión electromecánica
de energía
Universidad de Oviedo
Dpto. de Ingeniería Eléctrica,
Electrónica de Computadores y
Sistemas
5.1. La conversión5.1. La conversión
electromecánica Ielectromecánica I
N S
Imanes
Permanentes
Escobillas
Fuerza Electromotriz
inducida en la espira
por el campo
Fuerza externa que
hace girar a la
espira
Espira
Campo
Magnético
+ GENERADOGENERADO
RR
ELEMENTALELEMENTAL
5.1. La conversión5.1. La conversión
electromecánica IIelectromecánica II
N S
Imanes
Permanentes
Corriente que circula
por la espira debida al
generador
Espira
Campo
Magnético
Escobillas
FUERZA QUE TIENDE A HACER
GIRAR A LA ESPIRA: PAR MOTOR
MOTORMOTOR
ELEMENTAELEMENTALL
5.2. El principio de5.2. El principio de
reversibilidadreversibilidad
Todas las máquinasTodas las máquinas
eléctricas rotativaseléctricas rotativas
son reversiblesson reversibles
Pueden funcionarPueden funcionar
como motor o comocomo motor o como
generadorgenerador
MotorMotor
Conversión de EnergíaConversión de Energía
Eléctrica en Energía MecánicaEléctrica en Energía Mecánica
GeneradorGenerador Conversión de Energía MecánicaConversión de Energía Mecánica
en Energía Eléctricaen Energía Eléctrica
5.3. Balance energético de5.3. Balance energético de
una máquina rotativauna máquina rotativa
PérdidasPérdidas
rotacionalerotacionale
ss
PérdidasPérdidas
en el cobreen el cobre
del rotordel rotor
PérdidaPérdida
s en els en el
hierrohierro
PérdidasPérdidas
en elen el
cobre delcobre del
estatorestator
PotenciaPotencia
eléctricaeléctrica
consumidaconsumida
(P(Pee ))
ESTATORESTATOR ROTORROTOR
PotenciaPotencia
mecánicamecánica
útil delútil del
motormotor
(P(Puu ))
e
u
P
P
=η
%90≅η
Tema VI: La máquina de
corriente continua
Universidad de Oviedo
Dpto. de Ingeniería Eléctrica,
Electrónica de Computadores y
Sistemas
La máquina de CC consta de dos devanados alimentados con CC:La máquina de CC consta de dos devanados alimentados con CC:
uno llamadouno llamado inductorinductor que está en el estator de la máquina y otroque está en el estator de la máquina y otro
llamadollamado inducidoinducido que está en el rotor.que está en el rotor.
En el caso de funcionamiento como motor ambos devanados estánEn el caso de funcionamiento como motor ambos devanados están
alimentados con CC. En el caso de funcionamiento como generadoralimentados con CC. En el caso de funcionamiento como generador
se alimenta con CC el inducido y se obtiene la FEM por el inductorse alimenta con CC el inducido y se obtiene la FEM por el inductor
(también continua).(también continua).
Su funcionamiento se basa en la existencia de un mecanismoSu funcionamiento se basa en la existencia de un mecanismo
llamadollamado colectorcolector que convierte las magnitudes variables gene-radasque convierte las magnitudes variables gene-radas
o aplicadas a la máquina en magnitudes constantes.o aplicadas a la máquina en magnitudes constantes.
Se utilizan en tracción eléctrica (tranvías, trenes etc.) y en accio-Se utilizan en tracción eléctrica (tranvías, trenes etc.) y en accio-
namientos donde se precisa un control preciso de la velocidad.namientos donde se precisa un control preciso de la velocidad.
Están en desuso debido a su complejo mantenimiento.Están en desuso debido a su complejo mantenimiento.
6.1. La máquina de CC:6.1. La máquina de CC:
generalidadesgeneralidades
1. Culata
2. Núcleo polar
3.3. Expansión polar
4. Núcleo del polo auxiliar
o de conmutación
5. Expansión del polo
auxiliar o de
conmutación
6.6. Núcleo del inducido
7. Arrollamiento de
inducido
8. Arrollamiento de
excitación
9. Arrollamiento de
conmutación
10. Colector
6.2. Despiece de una6.2. Despiece de una
máquina de CCmáquina de CC
11
22 33
44
66
77
55
88
99
1010
1111
1212
©© M. F. Cabanas:M. F. Cabanas:
Técnicas para elTécnicas para el
mantenimiento ymantenimiento y
diagnóstico dediagnóstico de
máquinas eléctricasmáquinas eléctricas
rotativasrotativas
Motores de CCMotores de CC
Motor de CC de 6000 kW fabricado por ABBMotor de CC de 6000 kW fabricado por ABB
Pequeños motores dePequeños motores de
CC e imanesCC e imanes
permanentespermanentes
Motor de CC paraMotor de CC para
aplicaciones deaplicaciones de
robóticarobótica
Catálogos comercialesCatálogos comerciales
Fotografía realizada en los talleres de ABB Service GijónFotografía realizada en los talleres de ABB Service Gijón
Catálogos comercialesCatálogos comerciales
N NS S
I manes permanentes o campo magnético
creado por una corriente continua
Escobillas Anillos
rozantes Instrumento de medida
Fuerza externa que
hace girar a la
espira
La FEM que se obtiene a la salida de la máquina varía en elLa FEM que se obtiene a la salida de la máquina varía en el
tiempo ya que esta máquina no dispone de colectortiempo ya que esta máquina no dispone de colector
6.3. Funcionamiento6.3. Funcionamiento
como generadorcomo generador II
©© M. F. Cabanas:M. F. Cabanas:
Técnicas para elTécnicas para el
mantenimiento ymantenimiento y
diagnóstico dediagnóstico de
máquinas eléctricasmáquinas eléctricas
rotativasrotativas
EE
ddαα
α⋅⋅⋅=φ drlBd
∫
α−π
α
α⋅⋅⋅=φ drlB
( )α−π⋅⋅⋅=φ 2rlB
areadBd ⋅=φ






−⋅⋅−=−=
dt
d
rlB
dt
d
E
αφ
2
VlBE ⋅⋅⋅= 2
Si la espira gira conSi la espira gira con
velo-cidad angularvelo-cidad angular
ωω=d=dαα/dt mientras se/dt mientras se
mueva en la zona delmueva en la zona del
flujo se inducirá en ellaflujo se inducirá en ella
FEM:FEM:
Si la espira gira conSi la espira gira con
velo-cidad angularvelo-cidad angular
ωω=d=dαα/dt mientras se/dt mientras se
mueva en la zona delmueva en la zona del
flujo se inducirá en ellaflujo se inducirá en ella
FEM:FEM:
6.3. Funcionamiento6.3. Funcionamiento
como generadorcomo generador IIII
ω⋅= RV©© L. Serrano:L. Serrano:
Fundamentos deFundamentos de
máquinas eléctricasmáquinas eléctricas
rotativasrotativas
Con la máquinaCon la máquina
girando a una ciertagirando a una cierta
velocidad V, la femvelocidad V, la fem
que se induce esque se induce es
alterna: cambia dealterna: cambia de
signo cada vez que sesigno cada vez que se
pasa por debajo depasa por debajo de
cada polo.cada polo.
0 π 2π
2BlV
-2BlV
E N S
Polos inductores
de la máquina
El colector es unEl colector es un
dispositivo que inviertedispositivo que invierte
el sentido de la FEMel sentido de la FEM
para obtener unapara obtener una
tensión continua ytensión continua y
positivapositiva
0 π 2π
2BlV
E N S
Colector elemental (2 delgas)Colector elemental (2 delgas)
0 π 2π
2BlV
E N S
Colector real (muchas delgas)Colector real (muchas delgas)
VlBE ⋅⋅⋅= 2
6.4. El colector6.4. El colector
0+- + +- +
12
1
2
21
Sentido de rotación
de la espira
Colector de dos
delgas
Instante Inicial Conmutación Inversión de la polaridad
EscobillasEscobillas
ColectorColector
realreal
ColectorColector
©© M. F.M. F.
Cabanas:Cabanas:
Técnicas para elTécnicas para el
mantenimiento ymantenimiento y
diagnóstico dediagnóstico de
máquinasmáquinas
eléctricaseléctricas
rotativasrotativas
CatálogosCatálogos
comercialescomerciales
©© M. F.M. F.
Cabanas:Cabanas:
Técnicas para elTécnicas para el
mantenimiento ymantenimiento y
diagnóstico dediagnóstico de
máquinasmáquinas
eléctricaseléctricas
rotativasrotativas
ϕ⋅
⋅
= n
a
pN
E
60
4 ϕ⋅⋅= nKE
6.5. FEM inducida en6.5. FEM inducida en
un máquina de CCun máquina de CC
ApB ⋅=ϕ
ApAp=área del=área del
polopolo
p
lr
p
lr
ºN
A
Ap
polos
Rotor ⋅⋅π
=
⋅⋅π
=≅
2
2
lr
P
B
⋅⋅π
⋅ϕ=
{rnrV ⋅
π
⋅=⋅ω=
60
2 nn=Velocidad en RPM=Velocidad en RPM
r= radior= radio
FEM EN UNA ESPIRAFEM EN UNA ESPIRA VlBE ⋅⋅⋅= 2
FEM DE INDUCIDA PORFEM DE INDUCIDA POR
EL DEVANADOEL DEVANADO
COMPLETO DE LACOMPLETO DE LA
MÁQUINAMÁQUINA
NN=nº total de=nº total de
espirasespiras aa=nº de=nº de
circuitos en paralelocircuitos en paralelo
{a
VBl
NE
2
⋅=
r
P
a
V
NE
⋅
⋅
⋅⋅=
π
ϕ2
6.6. Par interno de6.6. Par interno de
una máquina de CCuna máquina de CC
I
a
NP
TTOTAL ⋅ϕ⋅
⋅π
⋅
=
2
aa=nº de circuitos en paralelo=nº de circuitos en paralelo
II=Corriente rotor (inducido)=Corriente rotor (inducido)
PAR CREADO POR ELPAR CREADO POR EL
DEVANADODEVANADO
COMPLETO DE LACOMPLETO DE LA
MÁQUINAMÁQUINA
a
I
rlBNTTOTAL ⋅⋅⋅⋅= 2
NN=nº total de=nº total de
espirasespiras
lr
P
B
⋅⋅π
⋅ϕ=
PAR CREADO POR UNA ESPIRAPAR CREADO POR UNA ESPIRA
a
I
rlBIrlBT espiraespira ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅= 22
IKTTOTAL ⋅ϕ⋅=
II= Corriente de inducido= Corriente de inducido
El campo magnético de la máquina de CC puede generarse medianteEl campo magnético de la máquina de CC puede generarse mediante
imanes permanentes, o con bobinas alimentadas con CC (casoimanes permanentes, o con bobinas alimentadas con CC (caso
habitual):habitual):
Según la forma de alimentación de las bobinas se tienen 2 tipos deSegún la forma de alimentación de las bobinas se tienen 2 tipos de
excitación:excitación:
 Excitación independiente:Excitación independiente: la corriente que alimenta al deva-nado inductorla corriente que alimenta al deva-nado inductor
es ajena a la propia máquina, procede de una fuente independientees ajena a la propia máquina, procede de una fuente independiente
externa.externa.
 Autoexcitación:Autoexcitación: la corriente de excitación en este caso pro-cede de lala corriente de excitación en este caso pro-cede de la
propia máquina. Según la forma de obtener esta corriente existen 3 tipospropia máquina. Según la forma de obtener esta corriente existen 3 tipos
diferentes de máquina de CC:diferentes de máquina de CC:
Excitación SerieExcitación Serie: devanado inductor en serie con el inducido: devanado inductor en serie con el inducido
Excitación derivaciónExcitación derivación : devanado inductor conectado directa-mente a las: devanado inductor conectado directa-mente a las
escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido.escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido.
Excitación compuesta o mixtaExcitación compuesta o mixta : una bobina en serie y la otra en paralelo.: una bobina en serie y la otra en paralelo.
6.7. Formas de excitación6.7. Formas de excitación
II
Ri
LexUex E Ui
I nducidoI nductor
Resistencia del
inducido
Tensión
excitación
FEM
I nducida
Rex
Resistencia
del inductor
Motor de excitaciónMotor de excitación
independienteindependiente
Ri
Lex
UexE Ui
I nducido I nductor
Resistencia del inducido
Rex
Motor de excitaciónMotor de excitación
derivaciónderivación
Ri LexRex
E Ui
I nducido
I nductor
Resistencia del
inducido
Motor de excitaciónMotor de excitación
serieserie
6.7. Formas6.7. Formas
de excitaciónde excitación
IIII
Ri Lex1
E Ui
I nducido
Inductor 1
Resistencia
del inducido
I nductor 2
Rex1
Rex2
Lex2
Motor de excitaciónMotor de excitación
compuesta largacompuesta larga
Ri
E Ui
I nducido
I nductor 1
Resistencia del
inducido I nductor 2
Lex2Rex2
Rex1
Lex1
Motor de excitaciónMotor de excitación
compuesta cortacompuesta corta
6.8. La reacción de inducido6.8. La reacción de inducido
II
π
2BlV
-2BlV
E N S
FEM con reacción
de inducido
0 2π
Al circular corrienteAl circular corriente
por el inducido se vapor el inducido se va
a crear un campoa crear un campo
que distorsiona elque distorsiona el
campo creado porcampo creado por
los polos inductoreslos polos inductores
de la máquinade la máquina
Esta distorsión delEsta distorsión del
campo recibe elcampo recibe el
nombre de reacciónnombre de reacción
de inducidode inducido
EFECTOSEFECTOS
PRODUCIDOPRODUCIDO
S POR LAS POR LA
REACCIÓNREACCIÓN
DEDE
INDUCIDOINDUCIDO
Desplazamiento de la “Desplazamiento de la “ plano o línea neutra”plano o línea neutra”
(plano en el que se anula el campo(plano en el que se anula el campo
Disminución del valor global del campo de laDisminución del valor global del campo de la
máquinamáquina
DESPLAZAMIENTDESPLAZAMIENT
O LÍNEA NEUTRAO LÍNEA NEUTRA
©© Mulukutla S.Mulukutla S.
Sarma: ElectricSarma: Electric
machinesmachines
REDUCCIÓN PAR YREDUCCIÓN PAR Y
AUMENTO VELOCIDADAUMENTO VELOCIDAD
6.8. La reacción de inducido6.8. La reacción de inducido
IIIIDesplazamientDesplazamient
o de la “o de la “planoplano
o línea neutra”o línea neutra”
POLOS DEPOLOS DE
CONMUTACIÓNCONMUTACIÓN
LOS POLOS DE CONMUTACIÓNLOS POLOS DE CONMUTACIÓN
COMPENSAN LOCALMENTE LACOMPENSAN LOCALMENTE LA
REACCIÓN DE INDUCIDO ELIMINANDO LAREACCIÓN DE INDUCIDO ELIMINANDO LA
DISTORSIÓN DEL CAMPODISTORSIÓN DEL CAMPO
Disminución delDisminución del
valor global delvalor global del
campo de lacampo de la
máquinamáquina
PROBLEMASPROBLEMAS
DURANTE LADURANTE LA
CONMUTACIÓNCONMUTACIÓN
6.9. La máquina de CC como6.9. La máquina de CC como
generador Igenerador I
Generador con excitaciónGenerador con excitación
independienteindependiente
Ri
LexUex
E Ui
I nducidoI nductor
FEM
I nducida
IexRex
Se hace girar el inducido y seSe hace girar el inducido y se
alimenta el inductor. La tensiónalimenta el inductor. La tensión
de excitación controla la FEMde excitación controla la FEM EE
y, por tanto, la tensión de saliday, por tanto, la tensión de salida
UUii
La tensión de salida creceLa tensión de salida crece
proporcionalmente con laproporcionalmente con la
velocidad de girovelocidad de giro nn
La relación entre la corriente de excitación y la FEM inducidaLa relación entre la corriente de excitación y la FEM inducida
no es lineal: existe saturaciónno es lineal: existe saturación
ϕ⋅
⋅
= n
a
pN
E
60
4 ϕ⋅⋅= nKE
IIRR II11
[ ]iex RRIE +⋅=
IIexex
EE Curva de magnetizaciónCurva de magnetización
El generador “arranca” gracias al magnetismoEl generador “arranca” gracias al magnetismo
remanente siguiendo un proceso deremanente siguiendo un proceso de
AUTOEXCITACIÓNAUTOEXCITACIÓN
6.9. La máquina de CC como6.9. La máquina de CC como
generador IIgenerador II
Ri
Lex
UexE Ui
I nducido I nductor
Rex
I
Generador con excitaciónGenerador con excitación
derivaciónderivación
En la generador en derivación laEn la generador en derivación la
propia tensión de salida del generadorpropia tensión de salida del generador
se utiliza para producir la excitaciónse utiliza para producir la excitación
UUex=ex= UUii
EE
RR
Pto. dePto. de
equilibrioequilibrio
MagnetismoMagnetismo
remanenteremanente
ϕϕ
RR
EE
RR
EE11
EE22
iex
R
R
RR
E
I
+
=
EE11II11EE
22
Se repite hasta elSe repite hasta el
pto. de equilibriopto. de equilibrio
6.10. Curvas características6.10. Curvas características
de los motores de CC Ide los motores de CC I
ϕ⋅
=
'K
T
I i
ii R
'K
T
nKU ⋅
⋅
+⋅⋅=
ϕ
ϕi
i
R
'KK
T
K
U
n ⋅
⋅⋅
−
⋅
= 2
ϕϕ
ϕ⋅⋅= nKE iI'KT ⋅⋅= ϕ
Ec. General maq. CCEc. General maq. CC
Ri
LexUex E Ui
I nducidoI nductor
Resistencia del
inducido
Tensión
excit ación
FEM
I nducida
Rex
Resist encia
del inductor
Motor de exc. independienteMotor de exc. independiente
Ri
Lex
UexE Ui
I nducido I nductor
Resistencia del inducido
Rex
Motor de exc. derivaciónMotor de exc. derivación
Desde el punto de vista funcional ambos motores son muy similares ya que elDesde el punto de vista funcional ambos motores son muy similares ya que el
inducido está sometido a una tensión constanteinducido está sometido a una tensión constante
IIii
IIii
Ecuación del mo-Ecuación del mo-
tor derivación etor derivación e
independienteindependiente
iii IREU ⋅−=
6.10. Curvas características6.10. Curvas características
de los motores de CC IIde los motores de CC II
Curva par-velocidad deCurva par-velocidad de
los motores de excitaciónlos motores de excitación
independiente yindependiente y
derivaciónderivación
i
i
R
'KK
T
K
U
n ⋅
⋅⋅
−
⋅
= 2
ϕϕ
nn
IIii
CONSIDERANDCONSIDERAND
O CTES.O CTES. UUii yy ϕϕ
CARACTERÍSTICACARACTERÍSTICA
DURADURACARACTERÍSTICA DE VELOCIDADCARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD
n=f(In=f(Iii ))
ϕ⋅⋅= nKE
ϕϕ ⋅
⋅
⋅−
⋅
=
K
IR
K
U
n iii
nn
TT
Pendiente 2 – 8%Pendiente 2 – 8%
AumentoAumento
dede RRii
ϕϕ=cte=cte
iii IREU ⋅−=
6.10. Curvas características6.10. Curvas características
de los motores de CC IIIde los motores de CC III
[ ] iexii IRRUE ⋅+−= Ecuación delEcuación del
motor seriemotor serie
[ ]
ϕ⋅
⋅+−
=
K
IRRU
n iexii
ϕ⋅⋅= nKE
Ec. General maq. CCEc. General maq. CC
iI'KT ⋅⋅= ϕ
Ec. General maq. CCEc. General maq. CC
[ ]
2
ϕϕ ⋅⋅
⋅+
−
⋅
=
'KK
TRR
K
U
n exii
La relación entreLa relación entre
IIexex y el flujoy el flujo ϕϕ
viene definidaviene definida
por lapor la
característicacaracterística
magnética (B-H)magnética (B-H)
ϕϕ
IIexex
Zona linealZona lineal
ϕϕ=CI=CIexex
Ri LexRex
E Ui
I nducido
I nductor
Resistencia del
inducido
Ii=Iex
Motor de excitación serieMotor de excitación serie
Ii=Iex
En el motor serie el devanado deEn el motor serie el devanado de
excitación y el inducido estánexcitación y el inducido están
conectados en serie.conectados en serie. IIexex =I=Iii y esta últimay esta última
depende de la carga arrastrada por eldepende de la carga arrastrada por el
motor, por tan-to, sus característicasmotor, por tan-to, sus características
funcionales serán distintas de las delfuncionales serán distintas de las del
motor de exc. indep.motor de exc. indep.
6.10. Curvas características6.10. Curvas características
de los motores de CC IVde los motores de CC IV
ComoComo IIexex =I=Iii en laen la
zona lineal delzona lineal del
motor se cumple:motor se cumple:
ϕϕ=CI=CIii
2
iIC'KT ⋅⋅=
En la zonaEn la zona
lineal (pareslineal (pares
bajos)bajos)
C'K
T
I i
⋅
=
Cte
TCte
U
n i
−
⋅
=
SUSTITUYENDSUSTITUYEND
OO
La característica mecánica cuando elLa característica mecánica cuando el
motor trabaja en la zona lineal (paresmotor trabaja en la zona lineal (pares
bajos).bajos). ES UNA HIPÉRBOLAES UNA HIPÉRBOLA
En la zona deEn la zona de
saturaciónsaturación
(cuando al(cuando al
motor semotor se
exigen paresexigen pares
elevados) seelevados) se
puede admitirpuede admitir
ϕϕ=Cte=Cte
SUSTITUYENDSUSTITUYEND
OO
TCteCten ⋅−=
La característicaLa característica
mecánica en la zonamecánica en la zona
de saturación (paresde saturación (pares
altos)altos) ES UNAES UNA
RECTARECTA
TT
nn
NONO puede trabajarpuede trabajar
con cargas bajascon cargas bajas
porque tiende aporque tiende a
embalarseembalarse
6.10. Curvas características6.10. Curvas características
de los motores de CC Vde los motores de CC V
CARACTERÍSTICA DE VELOCIDADCARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD n=f(In=f(Iii ))
[ ] iexii IRRUE ⋅+−= Ecuación delEcuación del
motor seriemotor serie
ϕ⋅⋅= nKE Ec. General maq. CCEc. General maq. CC
[ ]exiii RRInKU +⋅+⋅⋅= ϕ
[ ]
ϕϕ ⋅
+⋅
−
⋅
=
K
RRI
K
U
n exii ComoComo IIexex =I=Iii enen
la zona linealla zona lineal
del motor sedel motor se
cumple:cumple:
ϕϕ=CI=CIii
[ ]
Cte
RR
ICte
U
n exi
i
+
−
⋅
=
La característica de velocidad cuando el motorLa característica de velocidad cuando el motor
trabaja en la zona linealtrabaja en la zona lineal ES UNAES UNA
HIPÉRBOLAHIPÉRBOLA
nn
IIii
En la zona de saturación seEn la zona de saturación se
puede admitirpuede admitir ϕϕ=Cte=Cte
[ ]
Cte
RRI
Cte
U
n exii +⋅
−=
En la zonaEn la zona
dede
saturaciónsaturación
es una rectaes una recta
decrecientedecreciente
6.11. Variación de6.11. Variación de
velocidad en los motoresvelocidad en los motores
de CC Ide CC I
DISPOSITIVOSDISPOSITIVOS
PARA LAPARA LA
VARIACIÓN DEVARIACIÓN DE
TENSIÓNTENSIÓN
CONTINUACONTINUA
ϕ⋅⋅= nKE
iI'KT ⋅⋅= ϕ
Ec. General maq. CCEc. General maq. CC
Se usa conSe usa con n>nn>nnominalnominal ..
Al disminuir la excitaciónAl disminuir la excitación
disminuyen el flujo y el pardisminuyen el flujo y el par
pero aumenta la velocidadpero aumenta la velocidad
AA n<nn<nnominalnominal se mantiene el flujose mantiene el flujo
constante y se varía la tensión deconstante y se varía la tensión de
inducidoinducido
VARIACIÓN DEVARIACIÓN DE
LA VELOCIDADLA VELOCIDAD
DEL MOTORDEL MOTOR
Variación de la excitaciónVariación de la excitación
(debilitamiento del campo)(debilitamiento del campo)
Variación de la tensión de inducidoVariación de la tensión de inducido
manteniendo el flujo constantemanteniendo el flujo constante
Rectificadores controladosRectificadores controlados
Troceadores (“Choppers”)Troceadores (“Choppers”)
VR
T4 T6 T2
T1 T3 T5
VS
VT
+
+
+
6.11. Variación de velocidad6.11. Variación de velocidad
en los motores de CC IIen los motores de CC II
““CHOPPER”CHOPPER”
DE 4DE 4
CUADRANTESCUADRANTES
DiodosDiodos
TransistoresTransistores
VR
T4 T6 T2
T1 T3 T5
VS
VT
+
+
+
TiristoresTiristores
VSVS
RECTIFICADOR CONTROLADORECTIFICADOR CONTROLADO
800
18 201612 141086420
600
400
200
0
-200
-400
-600
-800
ud’(V)
t(ms)
VSVS
VccVcc

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Continua (3)

  • 1. Tema V: Fundamentos de la conversión electromecánica de energía Universidad de Oviedo Dpto. de Ingeniería Eléctrica, Electrónica de Computadores y Sistemas
  • 2. 5.1. La conversión5.1. La conversión electromecánica Ielectromecánica I N S Imanes Permanentes Escobillas Fuerza Electromotriz inducida en la espira por el campo Fuerza externa que hace girar a la espira Espira Campo Magnético + GENERADOGENERADO RR ELEMENTALELEMENTAL
  • 3. 5.1. La conversión5.1. La conversión electromecánica IIelectromecánica II N S Imanes Permanentes Corriente que circula por la espira debida al generador Espira Campo Magnético Escobillas FUERZA QUE TIENDE A HACER GIRAR A LA ESPIRA: PAR MOTOR MOTORMOTOR ELEMENTAELEMENTALL
  • 4. 5.2. El principio de5.2. El principio de reversibilidadreversibilidad Todas las máquinasTodas las máquinas eléctricas rotativaseléctricas rotativas son reversiblesson reversibles Pueden funcionarPueden funcionar como motor o comocomo motor o como generadorgenerador MotorMotor Conversión de EnergíaConversión de Energía Eléctrica en Energía MecánicaEléctrica en Energía Mecánica GeneradorGenerador Conversión de Energía MecánicaConversión de Energía Mecánica en Energía Eléctricaen Energía Eléctrica
  • 5. 5.3. Balance energético de5.3. Balance energético de una máquina rotativauna máquina rotativa PérdidasPérdidas rotacionalerotacionale ss PérdidasPérdidas en el cobreen el cobre del rotordel rotor PérdidaPérdida s en els en el hierrohierro PérdidasPérdidas en elen el cobre delcobre del estatorestator PotenciaPotencia eléctricaeléctrica consumidaconsumida (P(Pee )) ESTATORESTATOR ROTORROTOR PotenciaPotencia mecánicamecánica útil delútil del motormotor (P(Puu )) e u P P =η %90≅η
  • 6. Tema VI: La máquina de corriente continua Universidad de Oviedo Dpto. de Ingeniería Eléctrica, Electrónica de Computadores y Sistemas
  • 7. La máquina de CC consta de dos devanados alimentados con CC:La máquina de CC consta de dos devanados alimentados con CC: uno llamadouno llamado inductorinductor que está en el estator de la máquina y otroque está en el estator de la máquina y otro llamadollamado inducidoinducido que está en el rotor.que está en el rotor. En el caso de funcionamiento como motor ambos devanados estánEn el caso de funcionamiento como motor ambos devanados están alimentados con CC. En el caso de funcionamiento como generadoralimentados con CC. En el caso de funcionamiento como generador se alimenta con CC el inducido y se obtiene la FEM por el inductorse alimenta con CC el inducido y se obtiene la FEM por el inductor (también continua).(también continua). Su funcionamiento se basa en la existencia de un mecanismoSu funcionamiento se basa en la existencia de un mecanismo llamadollamado colectorcolector que convierte las magnitudes variables gene-radasque convierte las magnitudes variables gene-radas o aplicadas a la máquina en magnitudes constantes.o aplicadas a la máquina en magnitudes constantes. Se utilizan en tracción eléctrica (tranvías, trenes etc.) y en accio-Se utilizan en tracción eléctrica (tranvías, trenes etc.) y en accio- namientos donde se precisa un control preciso de la velocidad.namientos donde se precisa un control preciso de la velocidad. Están en desuso debido a su complejo mantenimiento.Están en desuso debido a su complejo mantenimiento. 6.1. La máquina de CC:6.1. La máquina de CC: generalidadesgeneralidades
  • 8. 1. Culata 2. Núcleo polar 3.3. Expansión polar 4. Núcleo del polo auxiliar o de conmutación 5. Expansión del polo auxiliar o de conmutación 6.6. Núcleo del inducido 7. Arrollamiento de inducido 8. Arrollamiento de excitación 9. Arrollamiento de conmutación 10. Colector 6.2. Despiece de una6.2. Despiece de una máquina de CCmáquina de CC 11 22 33 44 66 77 55 88 99 1010 1111 1212 ©© M. F. Cabanas:M. F. Cabanas: Técnicas para elTécnicas para el mantenimiento ymantenimiento y diagnóstico dediagnóstico de máquinas eléctricasmáquinas eléctricas rotativasrotativas
  • 9. Motores de CCMotores de CC Motor de CC de 6000 kW fabricado por ABBMotor de CC de 6000 kW fabricado por ABB Pequeños motores dePequeños motores de CC e imanesCC e imanes permanentespermanentes Motor de CC paraMotor de CC para aplicaciones deaplicaciones de robóticarobótica Catálogos comercialesCatálogos comerciales Fotografía realizada en los talleres de ABB Service GijónFotografía realizada en los talleres de ABB Service Gijón Catálogos comercialesCatálogos comerciales
  • 10. N NS S I manes permanentes o campo magnético creado por una corriente continua Escobillas Anillos rozantes Instrumento de medida Fuerza externa que hace girar a la espira La FEM que se obtiene a la salida de la máquina varía en elLa FEM que se obtiene a la salida de la máquina varía en el tiempo ya que esta máquina no dispone de colectortiempo ya que esta máquina no dispone de colector 6.3. Funcionamiento6.3. Funcionamiento como generadorcomo generador II ©© M. F. Cabanas:M. F. Cabanas: Técnicas para elTécnicas para el mantenimiento ymantenimiento y diagnóstico dediagnóstico de máquinas eléctricasmáquinas eléctricas rotativasrotativas
  • 11. EE ddαα α⋅⋅⋅=φ drlBd ∫ α−π α α⋅⋅⋅=φ drlB ( )α−π⋅⋅⋅=φ 2rlB areadBd ⋅=φ       −⋅⋅−=−= dt d rlB dt d E αφ 2 VlBE ⋅⋅⋅= 2 Si la espira gira conSi la espira gira con velo-cidad angularvelo-cidad angular ωω=d=dαα/dt mientras se/dt mientras se mueva en la zona delmueva en la zona del flujo se inducirá en ellaflujo se inducirá en ella FEM:FEM: Si la espira gira conSi la espira gira con velo-cidad angularvelo-cidad angular ωω=d=dαα/dt mientras se/dt mientras se mueva en la zona delmueva en la zona del flujo se inducirá en ellaflujo se inducirá en ella FEM:FEM: 6.3. Funcionamiento6.3. Funcionamiento como generadorcomo generador IIII ω⋅= RV©© L. Serrano:L. Serrano: Fundamentos deFundamentos de máquinas eléctricasmáquinas eléctricas rotativasrotativas
  • 12. Con la máquinaCon la máquina girando a una ciertagirando a una cierta velocidad V, la femvelocidad V, la fem que se induce esque se induce es alterna: cambia dealterna: cambia de signo cada vez que sesigno cada vez que se pasa por debajo depasa por debajo de cada polo.cada polo. 0 π 2π 2BlV -2BlV E N S Polos inductores de la máquina El colector es unEl colector es un dispositivo que inviertedispositivo que invierte el sentido de la FEMel sentido de la FEM para obtener unapara obtener una tensión continua ytensión continua y positivapositiva 0 π 2π 2BlV E N S Colector elemental (2 delgas)Colector elemental (2 delgas) 0 π 2π 2BlV E N S Colector real (muchas delgas)Colector real (muchas delgas) VlBE ⋅⋅⋅= 2
  • 13. 6.4. El colector6.4. El colector 0+- + +- + 12 1 2 21 Sentido de rotación de la espira Colector de dos delgas Instante Inicial Conmutación Inversión de la polaridad EscobillasEscobillas ColectorColector realreal ColectorColector ©© M. F.M. F. Cabanas:Cabanas: Técnicas para elTécnicas para el mantenimiento ymantenimiento y diagnóstico dediagnóstico de máquinasmáquinas eléctricaseléctricas rotativasrotativas CatálogosCatálogos comercialescomerciales ©© M. F.M. F. Cabanas:Cabanas: Técnicas para elTécnicas para el mantenimiento ymantenimiento y diagnóstico dediagnóstico de máquinasmáquinas eléctricaseléctricas rotativasrotativas
  • 14. ϕ⋅ ⋅ = n a pN E 60 4 ϕ⋅⋅= nKE 6.5. FEM inducida en6.5. FEM inducida en un máquina de CCun máquina de CC ApB ⋅=ϕ ApAp=área del=área del polopolo p lr p lr ºN A Ap polos Rotor ⋅⋅π = ⋅⋅π =≅ 2 2 lr P B ⋅⋅π ⋅ϕ= {rnrV ⋅ π ⋅=⋅ω= 60 2 nn=Velocidad en RPM=Velocidad en RPM r= radior= radio FEM EN UNA ESPIRAFEM EN UNA ESPIRA VlBE ⋅⋅⋅= 2 FEM DE INDUCIDA PORFEM DE INDUCIDA POR EL DEVANADOEL DEVANADO COMPLETO DE LACOMPLETO DE LA MÁQUINAMÁQUINA NN=nº total de=nº total de espirasespiras aa=nº de=nº de circuitos en paralelocircuitos en paralelo {a VBl NE 2 ⋅= r P a V NE ⋅ ⋅ ⋅⋅= π ϕ2
  • 15. 6.6. Par interno de6.6. Par interno de una máquina de CCuna máquina de CC I a NP TTOTAL ⋅ϕ⋅ ⋅π ⋅ = 2 aa=nº de circuitos en paralelo=nº de circuitos en paralelo II=Corriente rotor (inducido)=Corriente rotor (inducido) PAR CREADO POR ELPAR CREADO POR EL DEVANADODEVANADO COMPLETO DE LACOMPLETO DE LA MÁQUINAMÁQUINA a I rlBNTTOTAL ⋅⋅⋅⋅= 2 NN=nº total de=nº total de espirasespiras lr P B ⋅⋅π ⋅ϕ= PAR CREADO POR UNA ESPIRAPAR CREADO POR UNA ESPIRA a I rlBIrlBT espiraespira ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅= 22 IKTTOTAL ⋅ϕ⋅= II= Corriente de inducido= Corriente de inducido
  • 16. El campo magnético de la máquina de CC puede generarse medianteEl campo magnético de la máquina de CC puede generarse mediante imanes permanentes, o con bobinas alimentadas con CC (casoimanes permanentes, o con bobinas alimentadas con CC (caso habitual):habitual): Según la forma de alimentación de las bobinas se tienen 2 tipos deSegún la forma de alimentación de las bobinas se tienen 2 tipos de excitación:excitación:  Excitación independiente:Excitación independiente: la corriente que alimenta al deva-nado inductorla corriente que alimenta al deva-nado inductor es ajena a la propia máquina, procede de una fuente independientees ajena a la propia máquina, procede de una fuente independiente externa.externa.  Autoexcitación:Autoexcitación: la corriente de excitación en este caso pro-cede de lala corriente de excitación en este caso pro-cede de la propia máquina. Según la forma de obtener esta corriente existen 3 tipospropia máquina. Según la forma de obtener esta corriente existen 3 tipos diferentes de máquina de CC:diferentes de máquina de CC: Excitación SerieExcitación Serie: devanado inductor en serie con el inducido: devanado inductor en serie con el inducido Excitación derivaciónExcitación derivación : devanado inductor conectado directa-mente a las: devanado inductor conectado directa-mente a las escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido.escobillas, por tanto, en paralelo con el inducido. Excitación compuesta o mixtaExcitación compuesta o mixta : una bobina en serie y la otra en paralelo.: una bobina en serie y la otra en paralelo. 6.7. Formas de excitación6.7. Formas de excitación II
  • 17. Ri LexUex E Ui I nducidoI nductor Resistencia del inducido Tensión excitación FEM I nducida Rex Resistencia del inductor Motor de excitaciónMotor de excitación independienteindependiente Ri Lex UexE Ui I nducido I nductor Resistencia del inducido Rex Motor de excitaciónMotor de excitación derivaciónderivación Ri LexRex E Ui I nducido I nductor Resistencia del inducido Motor de excitaciónMotor de excitación serieserie 6.7. Formas6.7. Formas de excitaciónde excitación IIII
  • 18. Ri Lex1 E Ui I nducido Inductor 1 Resistencia del inducido I nductor 2 Rex1 Rex2 Lex2 Motor de excitaciónMotor de excitación compuesta largacompuesta larga Ri E Ui I nducido I nductor 1 Resistencia del inducido I nductor 2 Lex2Rex2 Rex1 Lex1 Motor de excitaciónMotor de excitación compuesta cortacompuesta corta
  • 19. 6.8. La reacción de inducido6.8. La reacción de inducido II π 2BlV -2BlV E N S FEM con reacción de inducido 0 2π Al circular corrienteAl circular corriente por el inducido se vapor el inducido se va a crear un campoa crear un campo que distorsiona elque distorsiona el campo creado porcampo creado por los polos inductoreslos polos inductores de la máquinade la máquina Esta distorsión delEsta distorsión del campo recibe elcampo recibe el nombre de reacciónnombre de reacción de inducidode inducido EFECTOSEFECTOS PRODUCIDOPRODUCIDO S POR LAS POR LA REACCIÓNREACCIÓN DEDE INDUCIDOINDUCIDO Desplazamiento de la “Desplazamiento de la “ plano o línea neutra”plano o línea neutra” (plano en el que se anula el campo(plano en el que se anula el campo Disminución del valor global del campo de laDisminución del valor global del campo de la máquinamáquina DESPLAZAMIENTDESPLAZAMIENT O LÍNEA NEUTRAO LÍNEA NEUTRA
  • 20. ©© Mulukutla S.Mulukutla S. Sarma: ElectricSarma: Electric machinesmachines REDUCCIÓN PAR YREDUCCIÓN PAR Y AUMENTO VELOCIDADAUMENTO VELOCIDAD 6.8. La reacción de inducido6.8. La reacción de inducido IIIIDesplazamientDesplazamient o de la “o de la “planoplano o línea neutra”o línea neutra” POLOS DEPOLOS DE CONMUTACIÓNCONMUTACIÓN LOS POLOS DE CONMUTACIÓNLOS POLOS DE CONMUTACIÓN COMPENSAN LOCALMENTE LACOMPENSAN LOCALMENTE LA REACCIÓN DE INDUCIDO ELIMINANDO LAREACCIÓN DE INDUCIDO ELIMINANDO LA DISTORSIÓN DEL CAMPODISTORSIÓN DEL CAMPO Disminución delDisminución del valor global delvalor global del campo de lacampo de la máquinamáquina PROBLEMASPROBLEMAS DURANTE LADURANTE LA CONMUTACIÓNCONMUTACIÓN
  • 21. 6.9. La máquina de CC como6.9. La máquina de CC como generador Igenerador I Generador con excitaciónGenerador con excitación independienteindependiente Ri LexUex E Ui I nducidoI nductor FEM I nducida IexRex Se hace girar el inducido y seSe hace girar el inducido y se alimenta el inductor. La tensiónalimenta el inductor. La tensión de excitación controla la FEMde excitación controla la FEM EE y, por tanto, la tensión de saliday, por tanto, la tensión de salida UUii La tensión de salida creceLa tensión de salida crece proporcionalmente con laproporcionalmente con la velocidad de girovelocidad de giro nn La relación entre la corriente de excitación y la FEM inducidaLa relación entre la corriente de excitación y la FEM inducida no es lineal: existe saturaciónno es lineal: existe saturación ϕ⋅ ⋅ = n a pN E 60 4 ϕ⋅⋅= nKE
  • 22. IIRR II11 [ ]iex RRIE +⋅= IIexex EE Curva de magnetizaciónCurva de magnetización El generador “arranca” gracias al magnetismoEl generador “arranca” gracias al magnetismo remanente siguiendo un proceso deremanente siguiendo un proceso de AUTOEXCITACIÓNAUTOEXCITACIÓN 6.9. La máquina de CC como6.9. La máquina de CC como generador IIgenerador II Ri Lex UexE Ui I nducido I nductor Rex I Generador con excitaciónGenerador con excitación derivaciónderivación En la generador en derivación laEn la generador en derivación la propia tensión de salida del generadorpropia tensión de salida del generador se utiliza para producir la excitaciónse utiliza para producir la excitación UUex=ex= UUii EE RR Pto. dePto. de equilibrioequilibrio MagnetismoMagnetismo remanenteremanente ϕϕ RR EE RR EE11 EE22 iex R R RR E I + = EE11II11EE 22 Se repite hasta elSe repite hasta el pto. de equilibriopto. de equilibrio
  • 23. 6.10. Curvas características6.10. Curvas características de los motores de CC Ide los motores de CC I ϕ⋅ = 'K T I i ii R 'K T nKU ⋅ ⋅ +⋅⋅= ϕ ϕi i R 'KK T K U n ⋅ ⋅⋅ − ⋅ = 2 ϕϕ ϕ⋅⋅= nKE iI'KT ⋅⋅= ϕ Ec. General maq. CCEc. General maq. CC Ri LexUex E Ui I nducidoI nductor Resistencia del inducido Tensión excit ación FEM I nducida Rex Resist encia del inductor Motor de exc. independienteMotor de exc. independiente Ri Lex UexE Ui I nducido I nductor Resistencia del inducido Rex Motor de exc. derivaciónMotor de exc. derivación Desde el punto de vista funcional ambos motores son muy similares ya que elDesde el punto de vista funcional ambos motores son muy similares ya que el inducido está sometido a una tensión constanteinducido está sometido a una tensión constante IIii IIii Ecuación del mo-Ecuación del mo- tor derivación etor derivación e independienteindependiente iii IREU ⋅−=
  • 24. 6.10. Curvas características6.10. Curvas características de los motores de CC IIde los motores de CC II Curva par-velocidad deCurva par-velocidad de los motores de excitaciónlos motores de excitación independiente yindependiente y derivaciónderivación i i R 'KK T K U n ⋅ ⋅⋅ − ⋅ = 2 ϕϕ nn IIii CONSIDERANDCONSIDERAND O CTES.O CTES. UUii yy ϕϕ CARACTERÍSTICACARACTERÍSTICA DURADURACARACTERÍSTICA DE VELOCIDADCARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD n=f(In=f(Iii )) ϕ⋅⋅= nKE ϕϕ ⋅ ⋅ ⋅− ⋅ = K IR K U n iii nn TT Pendiente 2 – 8%Pendiente 2 – 8% AumentoAumento dede RRii ϕϕ=cte=cte iii IREU ⋅−=
  • 25. 6.10. Curvas características6.10. Curvas características de los motores de CC IIIde los motores de CC III [ ] iexii IRRUE ⋅+−= Ecuación delEcuación del motor seriemotor serie [ ] ϕ⋅ ⋅+− = K IRRU n iexii ϕ⋅⋅= nKE Ec. General maq. CCEc. General maq. CC iI'KT ⋅⋅= ϕ Ec. General maq. CCEc. General maq. CC [ ] 2 ϕϕ ⋅⋅ ⋅+ − ⋅ = 'KK TRR K U n exii La relación entreLa relación entre IIexex y el flujoy el flujo ϕϕ viene definidaviene definida por lapor la característicacaracterística magnética (B-H)magnética (B-H) ϕϕ IIexex Zona linealZona lineal ϕϕ=CI=CIexex Ri LexRex E Ui I nducido I nductor Resistencia del inducido Ii=Iex Motor de excitación serieMotor de excitación serie Ii=Iex En el motor serie el devanado deEn el motor serie el devanado de excitación y el inducido estánexcitación y el inducido están conectados en serie.conectados en serie. IIexex =I=Iii y esta últimay esta última depende de la carga arrastrada por eldepende de la carga arrastrada por el motor, por tan-to, sus característicasmotor, por tan-to, sus características funcionales serán distintas de las delfuncionales serán distintas de las del motor de exc. indep.motor de exc. indep.
  • 26. 6.10. Curvas características6.10. Curvas características de los motores de CC IVde los motores de CC IV ComoComo IIexex =I=Iii en laen la zona lineal delzona lineal del motor se cumple:motor se cumple: ϕϕ=CI=CIii 2 iIC'KT ⋅⋅= En la zonaEn la zona lineal (pareslineal (pares bajos)bajos) C'K T I i ⋅ = Cte TCte U n i − ⋅ = SUSTITUYENDSUSTITUYEND OO La característica mecánica cuando elLa característica mecánica cuando el motor trabaja en la zona lineal (paresmotor trabaja en la zona lineal (pares bajos).bajos). ES UNA HIPÉRBOLAES UNA HIPÉRBOLA En la zona deEn la zona de saturaciónsaturación (cuando al(cuando al motor semotor se exigen paresexigen pares elevados) seelevados) se puede admitirpuede admitir ϕϕ=Cte=Cte SUSTITUYENDSUSTITUYEND OO TCteCten ⋅−= La característicaLa característica mecánica en la zonamecánica en la zona de saturación (paresde saturación (pares altos)altos) ES UNAES UNA RECTARECTA TT nn NONO puede trabajarpuede trabajar con cargas bajascon cargas bajas porque tiende aporque tiende a embalarseembalarse
  • 27. 6.10. Curvas características6.10. Curvas características de los motores de CC Vde los motores de CC V CARACTERÍSTICA DE VELOCIDADCARACTERÍSTICA DE VELOCIDAD n=f(In=f(Iii )) [ ] iexii IRRUE ⋅+−= Ecuación delEcuación del motor seriemotor serie ϕ⋅⋅= nKE Ec. General maq. CCEc. General maq. CC [ ]exiii RRInKU +⋅+⋅⋅= ϕ [ ] ϕϕ ⋅ +⋅ − ⋅ = K RRI K U n exii ComoComo IIexex =I=Iii enen la zona linealla zona lineal del motor sedel motor se cumple:cumple: ϕϕ=CI=CIii [ ] Cte RR ICte U n exi i + − ⋅ = La característica de velocidad cuando el motorLa característica de velocidad cuando el motor trabaja en la zona linealtrabaja en la zona lineal ES UNAES UNA HIPÉRBOLAHIPÉRBOLA nn IIii En la zona de saturación seEn la zona de saturación se puede admitirpuede admitir ϕϕ=Cte=Cte [ ] Cte RRI Cte U n exii +⋅ −= En la zonaEn la zona dede saturaciónsaturación es una rectaes una recta decrecientedecreciente
  • 28. 6.11. Variación de6.11. Variación de velocidad en los motoresvelocidad en los motores de CC Ide CC I DISPOSITIVOSDISPOSITIVOS PARA LAPARA LA VARIACIÓN DEVARIACIÓN DE TENSIÓNTENSIÓN CONTINUACONTINUA ϕ⋅⋅= nKE iI'KT ⋅⋅= ϕ Ec. General maq. CCEc. General maq. CC Se usa conSe usa con n>nn>nnominalnominal .. Al disminuir la excitaciónAl disminuir la excitación disminuyen el flujo y el pardisminuyen el flujo y el par pero aumenta la velocidadpero aumenta la velocidad AA n<nn<nnominalnominal se mantiene el flujose mantiene el flujo constante y se varía la tensión deconstante y se varía la tensión de inducidoinducido VARIACIÓN DEVARIACIÓN DE LA VELOCIDADLA VELOCIDAD DEL MOTORDEL MOTOR Variación de la excitaciónVariación de la excitación (debilitamiento del campo)(debilitamiento del campo) Variación de la tensión de inducidoVariación de la tensión de inducido manteniendo el flujo constantemanteniendo el flujo constante Rectificadores controladosRectificadores controlados Troceadores (“Choppers”)Troceadores (“Choppers”)
  • 29. VR T4 T6 T2 T1 T3 T5 VS VT + + + 6.11. Variación de velocidad6.11. Variación de velocidad en los motores de CC IIen los motores de CC II ““CHOPPER”CHOPPER” DE 4DE 4 CUADRANTESCUADRANTES DiodosDiodos TransistoresTransistores VR T4 T6 T2 T1 T3 T5 VS VT + + + TiristoresTiristores VSVS RECTIFICADOR CONTROLADORECTIFICADOR CONTROLADO 800 18 201612 141086420 600 400 200 0 -200 -400 -600 -800 ud’(V) t(ms) VSVS VccVcc