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UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO ING. AEROESPACIAL
Electrotecnia y Sistemas
Eléctricos de Aeronaves
Año 2023
Año 2023
Año 2023
Año 2023
Ing. Augusto M. Cassino
Profesor Adjunto

TEMA 05: MOTOR DE
CORRIENTE CONTINUA Y
GENERADOR SINCRÓNICO
Temas:
• Máquinas rotativas. Conceptos básicos.
• Motor de corriente continua. Tipos de conexiones. Curvas.
Modelos.
• Motor brushless. Concepto y aplicaciones.
• Motores en aeronaves.
• Generador sincrónico. Concepto y aplicaciones. Modelo.
Regulación.
• Generadores en aeronaves.
• Constant Speed Drive.
• Generadores en Boeing 737-800.

Motor:
Transforma energía eléctrica en energía magnética y luego en
energía mecánica.
Generador:
Transforma energía mecánica en energía magnética y luego en
energía eléctrica.
El campo magnético es el medio de acoplamiento entre el subsistema eléctrico
y mecánico
Motor Generador

Campos magnéticos.
1. Un conductor que presenta una corriente eléctrica (cargas circulando)
en presencia de un campo magnético experimenta una fuerza
inducida sobre él. Principio de funcionamiento del motor.
2. Un conductor eléctrico que se mueve en presencia de un campo
magnético tendrá una tensión inducida en él. Principio de
funcionamiento del generador.

Principio del motor:
Par inducido en una espira que porta corriente eléctrica:
ind espira S
k B B
τ = ⋅ ×

El par es máximo cuando el plano de la espira es
paralela al campo magnético.
El par obtenido es proporcional a:
• La intensidad de campo magnético del elemento rotante (rotor).
• La intensidad de campo magnético externo del elemento estático (estator).
• El seno del ángulo entre ellos. Para un motor DC el ángulo es 90°.
• Una constante que representa los parámetros constructivos de la máquina.
Para los motores de corriente alterna, si se logra que el campo magnético del
estator rote entonces se obtiene una persecución circular constante que es el
principio básico de un motor. En los motores DC los campos son fijos y están
aproximadamente a 90° mecánicos.
Son productos vectoriales y se aplica la regla de la mano derecha

Principio del generador
Tensión inducida en una espira que rota:
( ) ( )
max
ind
u A B sen t sen t
ω ω φ ω ω
= ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅
La tensión es máxima cuando el plano de la espira es perpendicular al campo
magnético
En general, la magnitud de la tensión obtenida es proporcional a:
• El flujo de campo magnético dentro de la máquina.
• La velocidad de giro.
• Una constante que representa los parámetros constructivos de la máquina
(cantidad de espiras, material, etc).
Si se logra mantener una velocidad de giro permanente y en lo posible constante
entonces se obtiene una tensión inducida de magnitud y frecuencia constante que
es el principio básico de un generador.
Donde: A es el área de la espira y B la intensidad de campo magnético que la
atraviesa y ω es la velocidad angular de giro.

Relación entre frecuencia eléctrica y mecánica:
Cuando una máquina rotativa tiene un par de polos magnéticos la
frecuencia eléctrica de las ondas involucradas coincide con la frecuencia
mecánica asociada al giro.
Si la máquina se construye con un número mayor de polos, por cada
revolución mecánica se producen más ciclos eléctricos:
Y además
2
e m
P
ω ω
= ⋅ 2 2
60
m m
n
f
ω π π
= = ⋅
2 60
e
P n
f = ⋅
Entonces:
Donde: n [RPM] revoluciones por minuto de la máquina.
P número de polos, de estator o rotor, deben ser iguales.

Conceptos básicos:
Bobinado de armadura o de inducido: bobinado de la máquina en
donde se induce tensión.
Bobinado de campo o de excitación: produce el flujo magnético
principal de la máquina. En muchas máquinas pequeñas la
magnetización se realiza con un imán permanente en lugar de un
bobinado.
Material del núcleo:
Ferromagnético.
• Maximiza el acoplamiento
magnético entre los bobinados
• Eleva la densidad de energía
magnética almacenada
• Establece las trayectorias
deseadas del flujo magnético.
Tipos de máquinas: • De corriente continua.
• Sincrónicas.
• Asincrónicas (llamadas de inducción)

Curva de una carga mecánica:
( )
T f
= ω
Cada carga mecánica tiene una ley que define su funcionamiento:
O bien: ( )
1
f T
−
=
ω
ω
ω
ω
ω
T
T0
La cupla requerida para su impulsión depende de la velocidad a la que
gira o bien la velocidad a la que gira depende de la cupla con la que se
impulsa.
ω
ω
ω
ω
T
Ejemplos:

Bibliografía:
Máquinas eléctricas. Chapman. Ed. McGraw Hill.
• Cap. 4: Fundamentos de las máquinas eléctricas.
Máquinas eléctricas – Fitzgerald.
• Capítulo 4: Máquinas rotatorias conceptos básicos.

Motor de corriente continua:
Armadura: El devanado de armadura se encuentra en el rotor y la
conexión se realiza a través de escobillas conductoras.
Campo: El devanado de campo está en el estator.
• El estator tiene polos salientes y se
excita con corriente continua (excepto
en motores de imán permanente).
• El rotor crea un campo magnético (eje
en cuadratura) que tiende a alinearse
con el campo creado por los bobinados
de campo (Eje directo).
• Cuando el rotor gira, las conexiones de
la bobina se cambian mediante la
acción del conmutador, de modo que
los campos estén siempre en
cuadratura. Esto da como resultado
una cupla continua y unidireccional.

Motor de corriente continua (cont.):
Escobillas: Son elementos conductores que se utilizan para energizar el
rotor en movimiento.
Conmutador: Es la pieza acoplada al rotor que está en contacto con las
escobillas. Al mismo se conectan distintos puntos del bobinado rotórico.

Motor de corriente continua :

Detalles de las escobillas:

Principio de funcionamiento:

Par inducido (cupla motriz):
El par mecánico que se induce en el rotor se obtiene de determinar la fuerza
radial o cupla que se produce en cada segmento de las espiras del bobinado
rotórico utilizando la Ley de Lorentz y luego sumando los efectos de cada
segmento.
( )
F i l B
= ⋅ ×
Donde: Tind: Cupla inducida en el rotor.
ia: corriente de armadura.
ϕ: flujo magnético de la máquina.
k: constante constructiva de la máquina.
El resultado de este análisis es el siguiente: ind a
T k i
= ⋅ ⋅
φ
Ley de Lorentz:

Tensión por velocidad:
El movimiento relativo del rotor frente
al estator hace que la bobina de
armadura se encuentre inmersa frente
a un flujo magnético variable
se induce en ella una
tensión (llamada tensión
por velocidad o tensión
de inducido)
La tensión se obtiene de determinar la tensión en cada segmento de las espiras
utilizando la ecuación:
( )
ind
e v B l
= × ⋅
a m
E k
= ⋅ ⋅
φ ω
Donde: Ea: tensión interna generada (en la armadura).
wm: velocidad de giro del conjunto.
ϕ: flujo magnético de la máquina.
k: constante constructiva de la máquina.
El resultado de este análisis es el siguiente:

Modelo de armadura y campo bobinado:
Armadura
Ra La Lc
Rc
Ea
Campo
Armadura
Ra Rc
Ea
Campo
En estado permanente:
Las ecuaciones del motor son:
a m
E k
= ⋅ ⋅
φ ω
ind a
T k i
= ⋅ ⋅
φ
Estas ecuaciones son aproximadas pero permiten modelar con buena
precisión las máquinas de corriente continua.
Modelo completo:

Tipos de conexiones:
La conexión influye en las características de estado permanente y transitorio de la
máquina.
Excitación separada o
independiente
Armadura
Campo
Excitación serie
Excitación paralelo o
derivación
Excitación mixta
Campo
Armadura
Campo
Armadura
Campo
Campo
Armadura
Excitación a
imán
permanente
(sin rotor
bobinado)
Armadura N S

Modelo conexión imán permanente:
Entonces:
f a a a m a a
ind a
U E I R k w I R
T k I
φ
φ
= + ⋅ = ⋅ ⋅ + ⋅
= ⋅ ⋅
ind
f m a
T
U m w R
m
= ⋅ + ⋅
2
f a
m ind
U R
w T
m m
= − ⋅
Si se plantea la 2LK se obtiene:
Se obtiene:
Utilizando el modelo de la armadura:
Debido al imán permanente el flujo es constante:
Si la tensión de alimentación y la resistencia de armadura no cambian:
m ind
w A B T
= − ⋅
Armadura N S
Uf Ea
Ra
Ia
cte k m
= ⇒ ⋅ =
φ φ

Modelo conexión imán permanente (cont.):
Si se grafica la curva de la máquina
(velocidad en función del par):
Ta
ω
ω
ω
ωm
Esta curva también se obtiene para una máquina de conexión en
derivación e independiente.
La intersección de la curva del motor con la curva de la carga mecánica
define el punto de trabajo
del conjunto carga-motor:
Ta
ω
ω
ω
ωm Carga 1 Carga 2
Carga 3
Motor
m ind
w A B T
= − ⋅

Modelo conexión paralelo:
Entonces:
Rc
Ra
Uf Ea
If Ia
Ic
f a a a m a a
ind a
U E I R k w I R
T k I
φ
φ
= + ⋅ = ⋅ ⋅ + ⋅
= ⋅ ⋅
ind
f m a
T
U k w R
k
φ
φ
= ⋅ ⋅ + ⋅
⋅
( )
2
f a
m ind
U R
w T
k k
φ φ
= − ⋅
⋅ ⋅
Se obtiene:
Armadura
Campo
Uf
Utilizando el modelo de cada componente:
El flujo es proporcional a la corriente de campo
y ésta a la tensión y la Rc (según la Ley de Ohm):
f
c
c
U
n I n
R
= ⋅ = ⋅
φ
Si esos parámetros no cambian: m ind
w A B T
= − ⋅

Modelo conexión paralelo (cont.):
Ta
ω
ω
ω
ωm
Se obtiene la misma curva que para un motor a imán permanente.
A diferencia del motor con imán permanente, se podría controlar el flujo
de la máquina para modificar su velocidad o torque.
m ind
w A B T
= − ⋅

Control de velocidad de un motor en derivación:
Existen varios métodos:
• Cambio de la resistencia de campo.
Consiste en alterar el flujo de la máquina
• Cambio de tensión de alimentación del
bobinado de armadura.
La pendiente de la curva permanece constante.
Debe alimentarse el bobinado de armadura
por separado
• Inserción de resistencia en serie con el bobinado de armadura.
Método poco utilizado y antieconómico por la
energía perdida en el resistor
ω
ω
ω
ωm
Ta
Rf2 Rf1
Rf1
Ta
ω
ω
ω
ωm
Ua2 Ua1
Ua1
Ta
ω
ω
ω
ωm
Ra1 Ra2
Ra2

Modelo conexión serie:
Rc Ra
Uf Ea
Ia
Entonces:
( )
f a a a c m a s
m a
U E I R R k w I R
T k I
φ
φ
= + ⋅ + = ⋅ ⋅ + ⋅
= ⋅ ⋅
( )
ind
f m a c
T
U k w R R
k p
= ⋅ ⋅ + ⋅ +
⋅
φ
1
f a c
m
ind
U R R
w
q
q T
+
= ⋅ −
Se obtiene:
Armadura
Campo
Uf
Utilizando el modelo de cada componente:
El flujo es proporcional a Ia:
Si la tensión y los resistores no cambian: m
ind
A
w B
T
= −
2 2
a a a
p I T k p I q I
= ⋅ ⇒ = ⋅ ⋅ = ⋅
φ

Modelo conexión serie (cont.):
Se observa que la velocidad se eleva mucho si está en vacío. Por ello siempre se
arrancan con carga mecánica para evitar el embalamiento de la máquina.
Ta
ω
ω
ω
ωm
La intersección de la curva del motor con la curva de la carga mecánica define el
punto de trabajo:
Ta
ω
ω
ω
ωm Carga 1 Carga 2
Carga 3
Motor
m
ind
A
w B
T
= −

Control de velocidad de un motor serie:
Existe un solo método eficiente:
• Cambio de tensión de alimentación.
La velocidad aumenta para aumentos de cupla

Resumen de características:
Desventaja general: Las escobillas y el colector son elementos que limitan la
velocidad de giro, introducen grandes pérdidas eléctricas, generan interferencia
electromagnética debido a las chispas que se generan. Tienen alto
mantenimiento, menor vida útil y menor rendimiento.
Motor Serie:
• Ideal para tareas que requieren gran poder de tracción.
• Su velocidad varía mucho con la carga mecánica.
• Grúas, arrancadores, montacargas
Motor Paralelo:
• Su velocidad es casi constante con la carga mecánica.
• Se puede controlar en forma sencilla y eficiente su velocidad.
Conexión compuesta:
• Se obtienen características de ambos tipos de conexión

Rendimiento del motor:
Cifra que muestra que tan bueno es un motor en la conversión de energía
eléctrica a mecánica y permite compararlo con otro.
% 100 100 100
sal sal mec
ent sal pérd mec pérd
P P P
P P P P P
η = ⋅ = ⋅ = ⋅
+ +
Tipos de pérdidas:
• Pérdidas en el cobre: Causadas por la resistencia de los bobinados tanto de
armadura como de campo (excepto máquina de imán permanente).
• Pérdidas en las escobillas: Causadas por la resistencia de contacto de las
escobillas con el colector.
• Pérdidas en el núcleo: Causada por la histéresis del material del núcleo y por
las corrientes parásitas en él.
• Pérdidas mecánicas: Causadas por la fricción del rotor en sus rodamientos,
ventilación, etc.

Balance de potencia:
Si se realiza el balance de potencia de la máquina se puede observar los distintos
procesos que insumen energía a la fuente:
La P eléctrica de entrada está dada por la o las fuentes que alimentan el motor
La P electromagnética es la P que se desarrolla en la fuente Ea.
La potencia mecánica es la que recibe la carga mecánica. Sin embargo en el eje,
la máquina proporciona la suma de esta potencia más la potencia de pérdidas
mecánicas.
em a a
P E I
= ⋅
( )
m m m ind pérdmec m
P T T T
= ⋅ = − ⋅
ω ω

Conexión de un motor con una carga mecánica:
Si el eje del motor se vincula con la carga mecánica, la velocidad de rotación del
conjunto debe ser la misma y el motor debe entregar la cupla que la carga
requiere más las pérdidas mecánicas:
El producto de la cupla con la velocidad angular determinan la potencia mecánica
de la carga. El motor debe proporcionar esa potencia y también las pérdidas. La
suma de las potencias debe ser menor que la potencia nominal de la máquina
para uso de forma permanente
ω
ω
ω
ω
T0 Tx
ω
ω
ω
ωx
Pm PN Motor sobrecargado: Bajo rendimiento, pérdidas elevadas,
calentamiento excesivo, reducción de vida útil.
Pm = PN Motor apto para impulsar la carga de forma permanente.

Motor Brushless:
Motor de corriente continua moderno que genera la conmutación en forma
electrónica sin el uso de escobillas ni colector.
Ventajas:
• Mejor torque, confiabilidad y vida útil.
• Menor generación de ruido e interferencias electromagnéticas.
• Los bobinados son estáticos por lo cual no se requiere ventilarlos.
• Bajo peso.

Motor Brushless (cont.):
Aplicaciones:
• Ruedas eléctricas, transportes híbridos, vehículos personales.
• Herramientas sin cables, alimentadas por baterías.
• Pequeños motores para discos rígidos, ventiladores, servomotores, etc.
• Drones y aeromodelos.

Motores en aeronaves:
Estado actual:
• Impulsión de potencia:
• Bombas hidráulicas.
• Bomas de combustible
• Arrancadores.
• Ventilación, acondicionamiento de aire
• Limpiaparabrisas.
• Tren de aterrizaje.
• Compensación de mandos
• Actuadores de control de vuelo.
• Pitch.
• Pitch trim.
• Roll.
• Rudder: Yaw control.
• Flaps
• Speed brake.
• Rotor principal y rotor de cola en helicópteros.
• Vector de empuje en turbinas.
• Etc.

Motores en aeronaves:

Motores actuadores en aeronaves.

Motores actuadores en aeronaves. Futuro:

Bibliografía:
• Cap. 6: Motores de CC.
Fundamentos de electrotecnia – Kuznetsov.
• Capítulo 12: Máquinas de corriente continua.
Curso de electrotecnia – Kasatkin, Perekalin.
• Capítulo 17: Máquinas a colector.
• Capítulo 9: Máquinas de CD estado estable.

Generador sincrónico:
Armadura: El devanado de armadura se encuentra en el estator.
Campo: El devanado de campo está en el rotor, el cual se excita con
corriente continua que le llega a través de anillos deslizantes (no existe el
conmutador). También puede consistir de un imán permanente en
generadores pequeños o de un sistema sin anillos deslizantes en
generadores modernos
• El flujo creado por el rotor barre la
bobina alojada en el estator induciendo
una tensión senoidal cuya frecuencia es
P/2 veces la frecuencia de giro de la
máquina.
• La frecuencia eléctrica está
sincronizada con la velocidad mecánica
y de ahí el nombre de máquina
sincrónica.
φ

Generador sincrónico para generador eólico:

Motogenerador sincrónico:

Generador sincrónico:

Generador sincrónico antiguo:

Generador trifásico:

Circuito equivalente completo:
RA jXS
EA1
IA1
Uf1
RA jXS
EA2
IA2
Uf2
RA jXS
EA3
IA3
Uf3
Uc
RVar
Rc
Lc
Conexión estrella:
RA jXS
EA1 IA1
RA jXS
EA2 IA2
RA jXS
EA3 IA3
Conexión triángulo:
RA
jXS
EA1
RA
jXS
EA1
RA
jXS
EA1

Estructura interna:

Rotor y anillos deslizantes:

Estator:

Anillos deslizantes:

Generador aeronave

Sincronicidad:
La frecuencia eléctrica está íntimamente ligada a la tasa mecánica de
rotación.
La tensión inducida en cada bobinado del estator es:
Donde: Φ flujo por polo producido por el devanado de campo.
Nc espiras de los devanados del estator
fm frecuencia mecánica de giro del rotor
2
a eficaz c m
E N f k
π φ φ ω
= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅
Tensión interna inducida:
120
m
e
n P
f
⋅
=
Donde: nm Velocidad mecánica en rpm.
P número de polos.
fe frecuencia eléctrica en Hz.

Control de la frecuencia de giro en generadores
sincrónicos: Constant speed Drive
Proporciona movimiento mecánico a
velocidad constante a partir de un eje con
velocidad variable tomado de los motores:

Potencia en el generador sincrónico:
No toda la potencia mecánica de entrada del generador se convierte en
potencia eléctrica. Existen pérdidas diversas:
• Pérdidas en el cobre.
• Pérdidas en el núcleo.
• Pérdidas por rozamiento y ventilación.
• Pérdidas misceláneas.
Pe me m
T ω
= ⋅
La potencia mecánica de entrada es la potencia en el eje del generador:
Pem m m
T ω
= ⋅
La potencia electromagnética convertida internamente en eléctrica:
La diferencia se debe a las cuplas resistivas que cada una de las
pérdidas mecánicas y de núcleo ofrecen al impulsor primario.

Regulación de tensión:
Medida de la capacidad de un generador para mantener la tensión
constante en sus terminales cuando varía la carga eléctrica.
plena carga
plena carga
Reg % 100
vacío
U U
U
−
= ⋅
Para obtener la potencia de salida a la carga hay que descontar las
pérdidas eléctricas que dependen de las corrientes de armadura.
( )
P 3 cos ,
ef ef a a
em m m A A
T E I E I
ω
= ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ∠
Si el generador está alimentando una carga equilibrada:
( )
( )
2 2
P 3 cos , 3
3 cos ,
ef ef ef
ef ef
a a
s A A A a c c
a
f
f A
E I E I I R I R
U I U I
= ⋅ ⋅ ⋅ ∠ − ⋅ ⋅ − ⋅ =
= ⋅ ⋅ ⋅ ∠

Sistema autoexcitado sin anillos deslizantes:

Otros generadores: Arrancador generador (DC)

Nuevas tecnologías:
Variable Speed Constant Frequency
DC-Link system:
Se genera AC de frecuencia variable
y se rectifica para producir tensión continua, luego
la toma un inversor que produce tensión trifásica de tensión constante.
Evita el uso del Constant Speed Drive:
• Caja de engranajes menos confiable.
• Mayor costo de equipamiento y de operación / mantenimiento.
• Bajo rendimiento.
Ciclo-convertidores:
Se produce AC de frecuencia constante a partir
De AC de frecuencia variable directamente.
La frecuencia de salida es menor que la de entrada.
• Control es complejo.
• Eficiencia mayor.

Nuevas tecnologías (cont.):
Variable Frequency Generator:
Generador conectado directamente al eje del
motor térmico que produce sistema trifásico a
frecuencia variable.
• Menor peso y tamaño.
• Mejor rendimiento.
• Menor costo.
La unidad está embebida en los motores de impulsión:
• Cambios en el diseño y estructura de los motores.
• Modificación y sofisticación del soporte de los motores.
• Complejidad de eliminación de calor proveniente de los motores.
• Riesgo significativo de falla ante grandes cargas.
• Costo de los controladores.

Boeing 737-800: Generadores.

Bibliografía:
• Cap. 7: Fundamentos de las máquinas de CA, Cap. 8:
Generadores sincrónicos.
Fundamentos de electrotecnia – Kuznetsov.
• Capítulo 11: Máquinas sincrónicas.
Curso de electrotecnia – Kasatkin, Perekalin.
• Capítulo 16: Máquinas sincrónicas.
• Capítulo 5: Máquinas sincrónicas estado estable.
Principios de circuitos eléctricos. Floyd. Ed. Prentice Hall.
• Cap. 21: Sistemas trifásicos en aplicaciones de potencia.

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