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Generadores de CC: Formación de tensión y análisis
- 1. Tensión en un generador en Derivación, Flujo de Potencia y Pérdidas en los Generadores REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO “SANTIAGO MARIÑO” CÁTEDRA: MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESCUELA: ELÉCTRICA Profesora: Ing. Ranielina Rondón Autor: Federico Díaz K. C.I.: 8.284.981
- 2. Proceso de Formación de Tensión en un Generador en Derivación Este es un tipo de generador que provee su propia corriente de campo, conectando el campo directamente a sus terminales, tal y como se observa en la figura: IA IL IA IF + IL= Vt = EA+ IARA IF = Vt RF Figura 1. Circuito equivalente de un generador en derivación. + – RA Vt RF LF IF EA – +
- 3. De acuerdo a la ley de Kirchhoff: IA IF + IL= Vt = EA+ IARA IF = Vt RF Este tipo de generador tiene una clara ventaja sobre al ya estudiado. Pero si no tiene alimentación externa para su excitación ¿de donde sale el flujo eléctrico inicial para arrancar cuando se energiza? Formación del voltaje en un generador en derivación: Supongamos que el generador de la gráfica circuital anterior, no se le conecta carga y que el motor primario comienza a mover su eje. ¿Cómo aparece el voltaje inicial en los terminales de la máquina? Pues ahí la importancia de la teoría ferromagnética (histéresis) El voltaje dependerá directamente de un flujo residual en los polos el cual viene dado por: EA = Kfresw Este voltaje es sumamente pequeño pero existe y aparece en los terminales del generador (puede ser un volt o dos). Cuando este voltaje aparece en los terminales del generador, produce una corriente que fluye en la bobina del campo del generador (IF = VT ↑ / RF)
- 4. Esta corriente produce una fuerza magnetomotriz en los polos, el cual incrementa el flujo y este a la vez incrementa y por tanto aumenta VT si VT↑→IF↑→Ф↑→EA.EA = Kfresw Para comprender más el comportamiento de este generador, analicemos la gráfica siguiente, en el cual se muestra la saturación magnética en la cara de los polos, ello es lo que limita la tensión en los bornes del generador. La constitución de IF y EA no se hace en forma rápida, mas bien se hace a través de varios pasos, según se ve en la siguiente gráfica: EA (y VT) V VT a) VT contra IF EA contra IF RF = VT IF IF, A IF (n) EA, res Curva de magnetización Figura 2. Aumento del voltaje en el arranque de un generador dc en derivación.
- 5. Existen algunos problemas cuando un generador en derivación se pone en marcha y no se forma el voltaje residual: Posibilidad de que no haya flujo magnético residual entonces en este caso la solución es desconectar el campo del circuito del inducido y conectarlo directamente a una fuente de corriente contínua. Este proceso se denomina como “Centello del Campo” La dirección de rotación del generador pudo haber sido invertida y/o las conexiones del campo pueden haber sido invertidas. La solución: corregir la polaridad correspondiente y si no se logra, proceder con el Centello del Campo La resistencia del campo se puede ajustar a un valor mayor que la resistencia crítica. Para entender este paso analicemos la siguiente gráfica: f res = 0 EA = 0 IF, A EA (y VT) V V0 V1 V2 V3 R0 R1R2 R3 Figura 3. Efecto de campo en derivación sobre el voltaje en los terminales de un generador dc en vacío. Si RF > R2 (resistencia crítica), entonces el voltaje del generador nunca se elevará.
- 6. R2, se denomina resistencia crítica donde la línea es aproximadamente paralela a la curva de magnetización. Si RF excede a R2 como es el caso de R3, no habrá formación de voltaje, la solución es reducir RF. Cuanto más baja sea la velocidad del eje, mas baja será la resistencia crítica, puesto que el voltaje de la curva de magnetización varía como función de la velocidad. Característica terminal de un generador de corriente continua en derivación Si observamos el circuito de la figura anterior se tendrá que: Si la carga aumenta → IL↑ → IA↑ = IL↑ + IF Si IA↑ → RAIA↑ → VT↓ = EA – RAIA↑ Si VT↓→ IF↓ → Ф↓ → EA↓ lo que indica que VT↓= EA↓ – RAIA↑ Esto lo veremos mejor en la siguiente gráfica: VT IARA Efecto de debilitamiento del flujo IL Figura 4. Características de los terminales de un generador dc en derivación.
- 7. En conclusión la caída de voltaje es menor en éste generador que en el de excitación en serie. Aparentemente podíamos decir que la tensión de salida tendería a disminuir en forma progresiva hasta un valor mínimo. Control de voltaje del generador de corriente contínua en derivación Existen dos formas para controlar el voltaje de un generador en derivación: 1. Cambio de la velocidad ωm del eje del generador. 2. Cambio de resistencia de campo RF del generador para así modificar la corriente de campo IF. El más aceptable es el cambio de la resistencia de campo. Análisis gráfico de los generadores de corriente contínua en derivación El análisis gráfico para este tipo de generador es más complicado que el de excitación en serie. Ello motivado a que la corriente de campo depende directamente de su propio voltaje de salida. El análisis se hace sin la reacción de inducido y posteriormente se incluye este efecto. En la gráfica siguiente se hace un análisis de su comportamiento, en base a la recta de carga (IF = VT / RF) sin reacción de inducido.
- 8. Figura 5. Análisis grafico de un Generador dc en derivación, con devanados de compensación IFNL VT VTN L VT carga IF IARA caída Reducción de EA EA contra IF VT contra IF
- 9. En vacío VT ≅ EA, cuando IARA= 0 de VT = EA – IARA; VT = EA= IARA Análisis gráfico con reacción de inducido Sin reacción de inducido IARA IARA EA y VT EA contra IF VT contra IF Fuerza magnomotriz desmagnetizante (convertida en corriente equivalente de campo) caída IARA EA = VT en vacío EA con carga VT con carga RF = Vt IF IF En vacío VT ≅ EA, con carga y reacción de inducido se tendrá EA = VT + IARA, se originará una fuerza magnetomotriz, ver la grafica: Con reacción de inducido
- 10. Análisis Gráfico de los Generadores de C.C. en Derivación. GENERADOR DE CORRIENTE CONTÍNUA COMPUESTO ACUMULATIVO Es un generador con ambos campos, tanto en serie como en derivación. Conectados de tal forma que la fuerza magnetomotriz de los dos campos se suman. Esto lo podemos observar en el siguiente circuito: Circuito con derivación larga Vt RF LF IF IA IL EA – + RA RS Figura 5. Circuito equivalente de un Generador de Compuesto Acumulativo con Conexión en Derivación Larga. + –
- 11. IA IF+IL= Vt = EA+ IA (RA + RS) IF = Vt RF Fnet= NFIF + NSEIA - FAR Donde es la fuerza magnetomotriz del campo en derivación Es la fuerza magnetomotriz del campo en serie Es la fuerza magnetomotriz de reacción del inducido Fnet = FF + FSE – FAR FF' FSE ' FAR Vt RF LF IF IA IL EA – + RA RS LS + –
- 12. Las fuerzas magnetomotrices generadas son positivas. La corriente equivalente del campo se puede expresar por la siguiente formula: NFIF = NFIF + NSEIA – FAR IF*= IF + NSE NF IA – FAR NF Circuito con derivación corta Figura 6. Circuito equivalente de un generador dc Compuesto Acumulativo Conectado en Derivación Corta. Vt IA EA – + RA RS RF LF IF IL + – LS
- 13. Características terminales de un generador de corriente contínua compuesto acumulativo Para entender su comportamiento lo analizaremos, con carga VT efectiva. Si IL↑→IA↑ = IF + IL↑, en este momento ocurre lo siguiente en el generador: 1.- Si IA ↑→ IA RA + RS↑ → VT↓ = EA – IARA + RS↑ 2.- Si IA ↑ → la fuerza magnetomotriz del campo en serie ↑ FSE = NSEIA ↑, entonces: ↑FTOTAL = NFIF + NSEIA ↑ y EA ↑→ VT ↑ = EA ↑ – IARA + RS se eleva. En conclusión estos dos fenómenos se oponen entre sí, mientras en uno VT ↑, el otro lo disminuye VT ↓ La duda se despeja en el siguiente análisis: 1. Pocas espiras en serie (NSE pequeño). Si hay pocas espiras en serie, el efecto de la caída de voltaje se dificulta. El voltaje disminuye, tal como el generador en derivación. Este tipo de comportamiento se denomina “parcialmente compuesto”. 2. Más espiras en serie (NSE mayor), sucede que al comienzo el efecto de fortalecimiento predomina y la tensión en los bornes sube con la carga. En este generador, la tensión de los bornes se eleva primero y luego disminuye, en tanto que la carga aumenta. Si VT en vacio es igual a plana carga, el generador se denomina “normalmente compuesto”. 3. Más espiras en serie (NSE grande). Si todavía se agregan más espiras en serie al generador, el efecto es mayor antes que el efecto resistivo se imponga. El resultado es una característica con la tensión en los bornes a plena carga realmente más alta que la misma tensión en vacío, y el generador se denomina “hipercompuesto”.
- 14. Figura 7. Características en terminales de generadores de compuestos acumulativos. Control de voltaje de los generadores de corriente contínua compuesto acumulativo Son los mismos que el generador en derivación: 1. Cambio de velocidad de rotación. Si ω↑ → EA↑ = KФω↑→VT↑ = EA↑ – IARA+RS 2. Variación de la corriente de campo (IF). Si RF↓→ IF ↑, con IF↑ = VT RF ↓→ ↑FTOTAL = NFIF + NSEIA → Ф↑ → EA↑ = KФ↑ω → VT↑
- 15. Análisis gráficos del generador de corriente contínua compuesto acumulativo Para entender esto analizaremos las siguientes ecuaciones y posteriormente las gráficas. Corriente de campo en derivación equivalente Corriente de campo efectiva IF * = IF + Ieq La corriente equivalente representa un lado horizontal a la izquierda y/o a la derecha de la línea de la resistencia de campo RF = VT / RF. La caída resistiva IA (RA + RS), corresponde a un lado paralelo al eje de los terminales (EA,LF). Para encontrar el voltaje de salida en una carga dada, hay que determinar el tamaño del triangulo y el punto donde encaja exactamente, entre las líneas de corriente de campo y la curva de magnetización. Ieq = NSE NF IA – FAR NF
- 16. RF = Vt IF Ieq IR caída Curva de Magnetización (EA contra IF ) IF EA , cargado EA y Vt EA y Vt , en vacío Vt , cargado Figura 8. Análisis gráfico de un generador de compuesto acumulativo
- 17. GENERADOR DE CORRIENTE CONTÍNUA COMPUESTO DIFERENCIAL En un generador con ambos campos, en derivación y en serie. Pero en la cual las fuerzas magnetomotrices se restan. Observemos el siguiente circuito: IA IF+IL= Vt = EA – IA (RA + RS) IF = Vt RF Fnet = NFIF + NSEIA – FAR Vt RF LF IF IA IL EA – + RA RS LS + – Figura 9. Circuito equivalente de un generado dc Compuesto Diferencial con conexión en derivación larga.
- 18. La circulación de la corriente IA, fluye hacia afuera, mientras que IF fluye hacia adentro. Características terminales de un generador de corriente contínua compuesto diferencial El efecto es el mismo que el generador compuesto acumulativo: 1. Cuando IA↑ → IARA + RS↑ → VT↓ → VT↓ = EA – IARA + RS↑ 2. Cuando IA↑, la fuerza magnetomotriz del campo en serie se aumenta (NSEIA)↑ ello produce una disminución en el flujo total del generador, lo que implica que EA↓ = KФ↓ω → VT↓ Los dos efectos hacen que VT↓ → RL↑ → IL↑ Fnet = NFIF – NSEIA – FAR I*F = IF + Ieq Fnet = FF – FSE – FAR I*F = IF – IA – FAR NF NSE NF Ieq = NSE NF IA – FAR NF En derivación Compuesto diferencial VT IL Figura 10. Características de los terminales de un generador dc compuesto diferencial.
- 19. Análisis gráfico de un generador de corriente contínua compuesto diferencial Las características de este generador se pueden determinar de la misma forma que se hizo para el compuesto acumulativo Ieq Caída IR EA cargado EA y VT EA NL y VTSL VT cargado IF Figura 11. Análisis grafico de un generador dc compuesto diferencial
- 20. Los generadores de c.c. toman potencia mecánica y entregan potencia eléctrica. Los motores de c.c. toman potencia eléctrica y entregan potencia mecánica . En cualquiera de los casos no toda la potencia que entra a la maquina se convierte en potencia útil a la salida, siempre hay pérdidas asociadas en el proceso. PSal. η = x 100% PEnt. PEnt. – PPerd. η = x 100% PEnt. Perdidas En Las Maquinas De C.C. 1.- Pérdidas eléctricas ó en el cobre ( I2 . R ) Son todas las que se presentan en la armadura y en los devanados de campo de la máquina. - Pérdidas en la armadura : PA = IA 2. RA - Pérdidas en el campo : PF = IF 2. RF 2.- Pérdidas en las escobillas Son las que se pierden en los contactos entre las escobillas y el colector Flujo de potencia y pérdidas en una máquina de corriente contínua
- 21. PBD = VBD . IA Donde: PBD : Pérdida por contacto de las escobillas VBD : Caída de voltaje en las escobillas = ~2 V. IA: Corriente de armadura (El valor está considerado entre (2volts)) 3.- Pérdidas en el núcleo.- Debido a la histéresis y corrientes parasitasque ocurren en el metal del motor. 4.- Pérdidas mecánicas.- • Fricción.- Se debe al rozamiento de los rodamientos del eje. • Ventilación .- Se debe a la fricción de las partes en movimiento de la maquina con el aire que se encuentra dentro de la carcasa. 5.- Pérdidas adicionales.- Son pérdidas que no se pueden incluir dentro de ninguna de las anteriores = ~ 1 % potencia a plena carga. 6.- Pérdidas diversas. Son las asociadas a los efectos mecánicos. Hay dos tipos de éstas pérdidas, por fricción y por fricción con el aire. 7.- Pérdidas diversas o Pérdidas misceláneas. Son aquellas que no corresponden a ninguna de las anteriores. Se toman con 1% de plena carga.
- 22. DIAGRAMA DE FLUJO DE POTENCIA DE UN MOTOR Pérdidas en el cobre Pérdidas en el Núcleo Pérdidas Mecánicas Pérdidas Adicionales Pent=VT . IL Psal=Tcarga.ωm EA.IA = Tind.ωm P convertida En motor con reversión de inducido la velocidad es mayor, que sin reversión de inducido ello se debe al debilitamiento del flujo.
- 23. DIAGRAMA DE FLUJO DE POTENCIA DE UN GENERADOR Pérdidas en el cobre Pérdidas en el Núcleo Pérdidas Mecánicas Pérdidas Adicionales Pm=Tent . ωm Psal=VTIL P convertida Tind.ωm = EA.IA