5. MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

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1 5. MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA 5.1. INTRODUCCIÓN Entre los distintos tipos de máquins eléctrics que ctulmente se emplen en plicciones de potenci, l primer en ser desrrolld fue l máquin de corriente continu (C.C.). L rzón de ello fue que, en un principio, no se pensó que l corriente ltern tuvier ls ventjs que hoy se le conocen, especilmente en l trnsmisión de energí eléctric grndes distncis. L primer máquin de C.C., fue ided por el belg Grmme lrededor de 1860 y empleb un enrolldo de rotor especil (nillo de Grmme) pr logrr l conmutción o rectificción del voltje lterno generdo. Posteriormente, el físico W. Siemens y otros, contribuyeron l desrrollo de ests máquins relizndo mejors en su construcción, hst llegr l máquin de CC que se conoce hoy. Pese ls mejors que hn sido desrrollds en su diseño, l máquin de corriente continu es constructivmente más complej que ls máquins de corriente ltern, el empleo de escobills, colector, etc., l hce comprtivmente menos robust, requiere myor mntenimiento, y l vez, tiene un myor volumen y peso por kilo-wtt de potenci. No obstnte lo nterior, l máquin de C.C. tiene múltiple plicciones, especilmente como motor, debido principlmente : Amplio rngo de velociddes, justbles de modo continuo y controlbles con lt precisión. Crcterístic de torque-velocidd vrible, constnte, o bien, un combinción ided por trmos. Rápid celerción, descelerción y cmbio de sentido de giro. Posibilidd de frendo regenertivo. En el presente cpítulo, se estudin los principios de funcionmiento del generdor y motor de C.C., se describen vrios spectos que fectn el desempeño de ests máquins, tles como, l crcterístic de sturción del mteril ferromgnético, los problems de conmutción y ls pérdids en operción. Además, se presentn ls crcterístics más relevntes reltivs l construcción de ls máquins de C.C. y se nliz en detlle el comportmiento de generdores y motores pr distintos tipos de conexión (serie, shunt, excitción seprd, etc).

2 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA 5.2. PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR DE C.C. O DÍNAMO. Considérese un espir pln, rotndo velocidd ω r lrededor de su eje (movid por un máquin motriz extern), ubicd en un cmpo mgnético B r uniforme proporciondo por un imán permnente o un electroimán (ver figur 5.1). El voltje inducido en l espir está ddo por, e dφ ( dt) r r φ = B S = B D l cos =, donde: ( θ ) (5.1) Siendo D y l ls dimensiones de l espir, y θ el ángulo de posición medido entre l norml nˆ l plno de l espir y el eje de los polos. l n ) N i D F B l F θ l B S ω r I c Figur 5.1: Generdor elementl. Considerndo l ecución (5.1) se tiene: e B D sen( ) d θ = l θ (5.2) dt

3 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR Si en lugr de un espir, se consider un bobin pln de N b espirs (en serie): donde ω dθ r =. dt Equivlentemente: r b ( θ ) e= ω N B D l sen (5.3) ( ω δ ) e E sen t Donde: Emx = ωr Nb B D l y θ = δ pr t = 0. = mx r (5.4) De este modo, el circuito de l figur 5.1 represent un generdor de voltje lterno y demás sincrónico, y que l frecuenci eléctric coincide con l velocidd ngulr mecánic ω r. Si se dese obtener un voltje rectificdo (continuo), deberá emplerse un sistem que permit conectr l crg eléctric l voltje generdo e pr θ = 0 π, y l voltje generdo -e pr θ = π 2π. Esto se consigue trvés de un sistem de rectificción o conmutdor, donde el voltje de l crg se obtiene medinte un pr de contctos (escobills o crbones) fijos l esttor, que se deslizn sobre los terminles de ls bobins del rotor (delgs). En l figur 5.2() se muestr l situción de un colector que posee un pr de delgs (un bobin), y en l figur 5.2(b) un representción esquemátic de este mismo cso. ω r Delgs N n ) θ S E Escobills Plno de l Bobin () (b) Figur 5.2: Sistem de conmutción.

4 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Si E es el voltje en los terminles de ls escobills, se observ que l girr el rotor se obtiene: E = e pr θ = 0 π E = -e pr θ = π 2π Además, se tiene que θc = 0, π,2 π,... son los ángulos donde se produce l conmutción, es decir, el pso de escobills de un delg l siguiente. L form del voltje rectificdo obtenido en los terminles de ls escobills se muestr en l figur 5.3. E 0 π 2π θ e Figur 5.3: Voltje rectificdo. Este voltje puede mejorr (umentndo su componente continu), si se gregn más delgs. Por ejemplo, si se usn 2 bobins ortogonles, con 4 delgs, como se muestr esquemáticmente en l figur 5.4, los voltjes inducidos en mbs bobins estrán desfsdos en 90 : e e 1 2 = E = E mx mx sen sen ( θ ) ( θ 90 ) = E cos( θ ) mx (5.5) En este cso, los ángulos de conmutción serán θ, 3, 5, 7 c = π π π π,..., con ello: E = e 2 pr θ = 0 π 4 E = e 1 pr θ = π 3π 4 4 E = -e 2 pr θ = 3π 5π 4 4 E = -e 1 pr θ = 5π 7π 4 4

5 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR En l figur 5.5 se muestr l form de ond que se obtiene pr el voltje rectificdo en ls escobills. N S E Figur 5.4: Generdor con 4 delgs. E E máx π π 5 4 π 7 4 π 9 4 π θ e 1 e 2 Figur 5.5: Voltje rectificdo con 4 delgs. Si se sigue umentndo el número de delgs se logrrá un voltje prácticmente continuo en los terminles de ls escobills: E E = ω N B D l (5.6) mx r b 2 n Si se expres en función de l velocidd n[rpm] ( ω r = π ) y del flujo φ proporciondo 60 por el cmpo ( φ = B D l ), l expresión nterior puede rescribirse:

6 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA 2π n E = N 60 E = K n φ e b φ (5.7) Debe notrse que, en el ejemplo propuesto, el voltje E es proporciondo en cd instnte sólo por un bobin, que es l que en ese momento tiene voltje inducido máximo, o se, tiene un flujo enlzdo nulo. El resto de l bobins, están generndo voltjes e< E, los cules no están siendo provechdos. Este tipo de enrolldo, en que ls bobins están eléctricmente islds entre sí, se denomin enrolldo de bobins independientes y es, en generl, muy poco eficiente por l rzón recién menciond. En l práctic, ls bobins se conectn en configurción tl, que los voltjes de tods ls bobins contribuyen l vlor de E. En este specto, el denomindo enrolldo imbricdo es l configurción más usd en l ctulidd. Pese ls distints crcterístics de diseño de los enrolldos del rotor, siempre se cumple l relción (5.7), que indic que el voltje generdo en vcío es proporcionl l velocidd y l flujo. Por su prte, l constnte de proporcionlidd K e es l que cmbi dependiendo de ls crcterístics constructivs del enrolldo PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE C.C. En presenci del cmpo mgnético descrito nteriormente, si se liment l máquin de C.C. con un fuente continu trvés de ls escobills, se gener un corriente por el rotor y l máquin comienz operr motor. Según lo estudido en el cpítulo nterior, en est situción es posible evlur el torque motriz medio que se origin en el eje trvés de l ecución: 1 2 dl11 dl dl22 T () t = Ic + IcI + I 2 dθ dθ 2 dθ (5.8) Donde: I c : es l corriente que produce el cmpo mgnético uniforme B r (corriente en el esttor), denomind corriente de cmpo. I : es l corriente que se estblece l limentr el rotor, denomind corriente de rmdur. Pr el cálculo de L 11, L 12 y L 22 (1) debe considerrse: L 11 : constnte, independiente de l posición, pues el rotor es cilíndrico. (1) El subíndice 1 denot l esttor y el subíndice 2 l rotor.

7 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR L 22 : l inductnci de un bobin culquier del rotor depende de l posición, teniendo un vlor mínimo pr θ = 0, π, 2 π,..., y un máximo pr θ = π, 3π, 5π, 7π, En generl, puede sociársele l siguiente expresión: L22 = LA LB cos L 12 : l inductnci mutu entre un bobin culquier del rotor y el enrolldo de cmpo, tiene un máximo negtivo pr θ = 0 y positivo pr θ = π, y es nul pr θ = π y 2 θ = 3π. Puede sociársele l expresión: 2 De este modo, el torque instntáneo es: L 12 = L M ( ) 2θ cos( θ ) 2 () ( θ ) ( 2θ ) T t = I I L sen + I L sen (5.9) c M B Al empler muchs delgs l bobin del rotor que está limentd es sólo quell ubicd entre los terminles de ls escobills (2), donde el ángulo θ dquiere un vlor igul 2 π, con lo cul se tiene: T( t) = T = G Ic I (5.10) Es decir, el torque instntáneo es l vez el torque medio (constnte), y result proporcionl l producto de ls corrientes de cmpo y de rmdur. El término L M usulmente se design por G, denomind inductnci rotcionl de l máquin de C.C., que corresponde un prámetro típico de l máquin. Adicionlmente, si se consider l relción (3) : P= ω T (5.11) r Con P = E I (4), se tiene: (2) Esto corresponde l cso de enrolldo de bobins independientes; no obstnte, en bobindos imbricdos ocurre lgo similr. (3) Est relción se deriv l considerr que l potenci es l derivd del trbjo y, pr sistems rottorios, el trbjo se define como el momento de torsión por el ángulo del vector donde es plicd l fuerz. De este d W d ( T θ ) d modo: P T P r T d t d t = θ = = d t = ω. (4) Est ecución consider un sistem sin pérdids, en el cul, l potenci eléctric de entrd es igul l potenci mecánic de slid.

8 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA E I 60 K n I e φ T = = T = K T φ I 2π n 2π n (5.12) 60 Análogmente, es posible definir: T ωr GI c I ωr E = = E = G ωr Ic I I (5.13) 5.3. DESEMPEÑO DE MÁQUINAS DE C.C. REALES En l práctic, existen vrios efectos que impctn l eficienci y el funcionmiento de ls máquins de C.C., tnto cundo están configurds como motor o como generdor, dentro de ellos, se encuentrn l crcterístic de sturción del mteril ferromgnético, l rección de rmdur y ls pérdids eléctrics y mecánics debido que el proceso de conversión de l energí no es idel. A continución se nlizn cd uno de estos efectos de mner independiente, indicndo lguns soluciones que minimizn estos efectos SATURACIÓN DEL MATERIAL FERROMAGNÉTICO Puesto que ls máquins de corriente continu están constituids de mteril ferromgnético con crcterístics no ideles, es conveniente nlizr el efecto de l sturción del mteril en ls relciones de voltje y corriente de rmdur y de cmpo. Pr ello, debe obtenerse l llmd crcterístic de excitción de l máquin de C.C o curv de sturción en vcío, l cul, es l mism pr l máquin ctundo como generdor o como motor. Pr un mteril ferromgnético, l relción entre l densidd de flujo y l intensidd de cmpo no es constnte debido l linemiento de los dipolos que conformn el mteril (curv de mgnetizción). El mismo efecto se preci l observr l curv de flujo v/s corriente de cmpo debido ls relciones de proporcionlidd involucrds, es decir, φ Β e Ι Η (vése figur 5.6). En l práctic, el flujo generdo no es posible de medir en form direct, por lo cul, el procedimiento empledo consiste en configurr l máquin de C.C. como un generdor de excitción seprd (5) y hcerlo funcionr en vcío de modo de medir el voltje generdo en los bornes del rotor (vése figur 5.7). (5) En l configurción de excitción seprd, el esttor (cmpo) y el rotor (rmdur) se encuentrn eléctricmente isldos y su intercción se produce únicmente trvés del circuito mgnético de l máquin de C.C.

9 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR φ (~ B) Zon de Sturción Zon Linel I c (~ H ) Figur 5.6: Curv de excitción. I c Esttor R r V g φ E n =cte Rotor Figur 5.7: Generdor de excitción seprd operndo en vcío. En este cso (máquin de corriente continu operndo como generdor), el voltje generdo E es proporcionl l flujo φ (ecución (5.7)), de tl mner que l curv de mgnetizción del mteril ferromgnético ntes vist (figur 5.6) se evidenci en el gráfico E v/s I c, según muestr l figur 5.8. L curv E v/s I c corresponde l crcterístic de excitción o curv de sturción en vcío, menciond previmente.

10 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA E n = Cte. I c Figur 5.8: Crcterístic de excitción o curv de sturción en vcío. Est curv se puede obtener en un lbortorio conectndo l máquin de C.C. como generdor de excitción seprd (como fue explicdo nteriormente), y midiendo el voltje generdo en los bornes de l rmdur cundo se ument progresivmente l corriente de cmpo ( trvés de l vrición del reóstto R r ). Es importnte notr que l velocidd de giro del eje debe mntenerse constnte durnte tod l prueb, y que de lo contrrio, l relción de proporcionlidd entre el flujo y el voltje generdo vrí (E = K e n φ) y l curv de sturción en vcío se deform. En generl, bst con obtener l crcterístic de sturción en vcío pr un únic velocidd n 1, y que un vez obtenid, es posible determinr fácilmente est curv pr culquier otr velocidd n 2 distint l nterior (ver figur 5.9). El método que se emple pr hcerlo, consiste en construir el gráfico E v/s I c punto punto considerndo que, pr corriente de cmpo constnte, los vlores de voltje inducido tienen un relción de proporcionlidd idéntic l que existe entre ls velociddes: E E 1 2 n 1 = n (5.14) 2 * I c = cte. Desde un punto de vist práctico, ls máquins de C.C se diseñn de modo de logrr un máxim potenci por unidd de peso. Esto se consigue l situr el punto de operción nominl de l máquin cercno l codo de l curv de sturción del mteril ferromgnético, con lo cul, culquier umento del voltje generdo en torno este punto v requerir de un umento importnte de l corriente de cmpo que se está proporcionndo l máquin.

11 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR E n 2 = Cte. E 2 E 1 n 1 = Cte. n > n 2 1 * I c I c Figur 5.9: Curvs de excitción distints velociddes REACCIÓN DE ARMADURA De cuerdo con lo estudido, un corriente circulndo por el esttor o cmpo de un máquin de C.C. produce un flujo mgnético φ c que permite l generción de un tensión en el inducido, E, cuy mgnitud depende del vlor de l corriente de cmpo y de l velocidd de giro del eje (relción (5.13)). Si los bornes del rotor (rmdur) son conectdos un crg eléctric, un corriente circulrá por l rmdur de l máquin (I ) generndo un flujo mgnético φ. Este flujo de rmdur se sum l flujo mgnético producido por el cmpo, produciendo un efecto denomindo rección de rmdur o rección de inducido. L rección de rmdur fect el desempeño de l máquin de C.C. tnto en el voltje inducido como en el proceso de conmutción que ocurre en el colector. Por un prte, l rección de rmdur cmbi l distribución del flujo mgnético en el entrehierro, existiendo zons en que l resultnte totl de flujo (φ Totl = φ c +φ ) es de myor mgnitud que l componente de flujo de cmpo y otrs en que l mgnitud es notorimente menor. L figur 5.10() muestr l distribución del flujo mgnético en el entrehierro cundo l corriente por l rmdur es nul. En este cso, l form de l distribución se explic por l geometrí de ls cbezs o crs polres. L figur 5.10(b) muestr cómo vrí l distribución del flujo mgnético por efecto de l rección de rmdur. Es importnte notr que, en quells zons donde ls mgnitudes de los flujo de rmdur y cmpo se sumn (φ Totl > φ c ), l resultnte totl de flujo hce que el núcleo se sture, umentndo ls pérdids en el fierro por concepto de clentmiento, corrientes prásits, etc. Asimismo, existen zons donde ls mgnitudes de los flujos de cmpo y rmdur se restn, por lo cul, el flujo mgnético totl es menor que el flujo de cmpo (φ Totl < φ c ) y

12 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA consecuentemente, el vlor del voltje inducido disminuye, empeorndo l eficienci de l máquin. φ φ c φ c I c () 0 π 2π θ Líne neutr originl I φ φ Totl φ c Nuev líne neutr φ φ Totl 0 π 2π θ I c (b) Desplzmiento de l líne neutr Figur 5.10: Cmbio en l distribución del flujo mgnético en el entrehierro. Por otro ldo, pr que el proceso de conmutción se óptimo, el pso de ls escobills de un delg otr debe relizrse en el momento en que l diferenci de tensión entre ls delgs vecins se nul. Esto debido que existe un instnte en que cd escobill está en contcto con mbs delgs vecins y si existiese un diferenci de potencil entre ells hbrí un cortocircuito y se producirín rcos eléctricos en el colector. El momento óptimo de conmutción ocurre cundo ls escobills se sitún en l llmd líne de neutro mgnético o líne neutr. Como se preci en el esquem de l figur 5.11(), cundo no existe corriente en l rmdur, l líne de neutro mgnético se sitú en el plno perpendiculr l flujo origindo por el cmpo, coincidiendo con l posición físic de ls escobills, por lo cul, l conmutción se llev cbo sin problems. Sin embrgo, l existir rección de rmdur (figur 5.11(b)), l líne de neutro mgnético se desplz hst siturse en el plno perpendiculr l resultnte del flujo mgnético φ Totl,

13 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR resultndo sí, un conmutción poco óptim, lo que se trduce en un ml funcionmiento y desgste premturo del colector. Líne neutr Líne neutr φ φ Totl φ c φ c () (b) Figur 5.11: Cmbio de líne neutr. Pr poder resolver los inconvenientes producidos por l rección de rmdur, se hn desrrolldos diferentes estrtegis: Antigumente se trtb de justr físicmente l posición de ls escobills de modo de hcerls coincidir con l líne neutr, sin embrgo, l líne neutr se desplz con l vrición de crg, lo cul oblig estr justndo constntemente l posición de ls escobills. Actulmente, este sistem sólo se utiliz en motores muy pequeños donde se sbe que l crg no vrí y donde otrs soluciones son económicmente invibles. Pr máquins de más de 1[kW], se prefiere utilizr los llmdos polos de conmutción o interpolos. Los interpolos son bobins conectds en serie con l rmdur de modo de ser recorrids por I y situdos 90º grdos eléctricos de ls crs polres, de modo de coincidir con el eje del flujo de rmdur. De este modo, el flujo producido por los interpolos nul el efecto de l rección de rmdur. L ventj de usr interpolos rdic principlmente en que no es necesrio ningún juste con l vrición de crg, puesto que l corriente de rmdur crece o decrece consecuentemente y lo mismo ocurre con los flujos generdos en los polos de compensción, demás, tmbién existe un juste utomático l usr l máquin como generdor o motor, y que el sentido de l corriente de rmdur cmbi de cuerdo l configurción de l máquin y por ende, lo hce el flujo de los interpolos. En l figur 5.12() se muestr l disposición físic de los interpolos en un máquin de C.C.; l figur 5.12(b) muestr un esquem de l conexión de los interpolos donde se preci que son recorridos por l corriente de rmdur. Finlmente, l figur 5.12(c) muestr esquemáticmente cómo se cncel l rección de rmdur l ser sumd con los flujos de los interpolos.

14 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA Interpolos I φ φ c = φ Totl φ interpolos () (b) (c) Figur 5.12: Interpolos. En l práctic, el efecto del flujo de los interpolos es suficiente pr evitr los problems en l conmutción de ls escobills; sin embrgo, pr máquins de lts potencis y ciclos de trbjo pesdos, es necesrio mejorr el efecto del debilitmiento del flujo y menor voltje inducido. En este último cso, l estrtegi consiste en colocr los llmdos enrolldos de compensción, los cules son enrolldos que se encuentrn colocdos en rnurs tllds en ls cbezs polres (en form prlel ls bobins del rotor) y conectds en serie con l rmdur. Al estr en ls cbezs polres, los enrolldos de compensción producen un flujo de mgnitud myor l de los interpolos, que permite nulr los efectos de debilitmiento de cmpo producido por l rección de rmdur. Este método, l igul que los interpolos, se dpt utomáticmente l tipo de operción (motor o generdor) y ls diferentes condiciones de crg, sin embrgo, su uso se encuentr limitdo grndes máquins de C.C., principlmente debido l lto costo que suponen los enrolldos de compensción PÉRDIDAS EN MÁQUINAS DE C.C. Ls máquins de C.C. son conversores de energí eléctric mecánic y vicevers muy eficientes, sin embrgo su rendimiento no lcnz el 100% debido l no-idelidd de los elementos que l constituyen. Esto implic que, en l práctic, es necesrio definir un prámetro de eficienci prtir de l siguiente relción:

15 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR Pslid η = 100 P (5.15) entrd O equivlentemente: Pentrd Pperdids η = 100 P (5.16) entrd Los objetivos de diseño se encuentrn orientdos mximizr l eficienci de cd máquin pr ls crcterístics nominles ls cules h sido diseñd, sin embrgo, existen pérdids que no son fctibles de eliminr: pérdids eléctrics, pérdids mecánics y pérdids mgnétics. i) Pérdids eléctrics. Ls pérdids eléctrics son quells producto de ls resistencis de los enrolldos (pérdids en el cobre) y pérdids en los contctos eléctricos (pérdids en ls escobills). Ls pérdids en el cobre se producen tnto en el cmpo como en el inducido y se pueden clculr como: P = I R 2 cmpo c c P = I R 2 inducido (5.17) Donde: P cmpo, P inducido : son ls pérdids en el cmpo e inducido respectivmente. I c, I : son ls corrientes de cmpo e inducido respectivmente. R c, R : son ls resistencis de cmpo e inducido respectivmente (6). Por su prte, ls pérdids en ls escobills se clcul como: Pescobills = I Vescobills (5.18) Donde: P escobills : es l potenci perdid en ls escobills. I : es l corriente de rmdur. V escobills : es el voltje que ce en ls escobills, el cul es, en generl, constnte pr un mplio rngo de operción (se sume en un vlor de 2[V]). Prticulrmente, en modelos más simplificdos, no se considern ls pérdids en ls escobills, sino solmente ls pérdids de Joule por concepto de R I 2. (6) El vlor de resistenci empledo corresponde l vlor tempertur mbiente.

16 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA ii) Pérdids mecánics. Ls pérdids mecánics están socids ls pérdids por concepto de roce entre ls prtes móviles de l máquin (rodmientos, etc.) y entre l máquin y el ire. Ls pérdids mecánics son un función cúbic de l velocidd de rotción de l máquin. iii) Pérdids mgnétics. Ls pérdids en el núcleo (estudids en cpítulos nteriores) se mnifiestn principlmente en ls pérdids por el ciclo de histéresis del mteril ferromgnético y por corrientes prásits de Focult. Adicionlmente ls pérdids nteriores, existen otros tipos de pérdids cuyos orígenes no se explicn necesrimente por los efectos y menciondos. En generl ests pérdids se grupn como pérdids dicionles y se les sign un vlor cercno l 1% de l potenci nominl de l máquin ASPECTOS CONSTRUCTIVOS DE MÁQUINAS DE C.C ESTATOR El esttor (figur 5.13) puede estr formdo por un núcleo mcizo o lmindo. No obstnte, no necesit ser lmindo debido que el flujo mgnético es constnte en él, y por lo tnto, ls pérdids por efecto Focult son nuls. Por otr prte, el flujo necesrio en el entrehierro se logr distribuir en form proximdmente uniforme medinte ls denominds piezs polres, cbezs polres, crs polres o, simplemente polos, en los cules se ubic el enrolldo de cmpo o excitción de l máquin. En motores pequeños, ls piezs polres pueden ser un imán permnente (sin enrolldo de cmpo). Muchs de ls máquins de C.C. permiten conectr el cmpo o excitción y se en prlelo o en serie con l rmdur, en este cso, dentro del esttor pueden reconocerse los enrolldos serie y prlelo de l excitción. En generl, el enrolldo prlelo (shunt) o de excitción independiente corresponde un enrolldo de sección trnsversl reducid y lt resistividd, que soport corrientes más bien pequeñs y que por ende, debe presentr un lto número de vuelts. En el cso del enrolldo serie, trvés de él circul l mism corriente que por l rmdur, por tnto, es un conductor grueso, de pocs vuelts y bj resistividd (pr disminuir ls pérdids).

17 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR Piezs Polres Entrehierro Enrolldos de Excitción o de Cmpo N Br S Crcz Núcleo de F i e rro Mcizo Figur 5.13: Esttor de máquin de C.C. de 2 polos. L estructur soportnte se denomin crcz y es donde se ubic l plc con los terminles de conexión. Estos terminles de conexión se encuentrn identificdos de cuerdo con distints norms, tl como muestr l tbl 5.1. Elemento Tbl 5.1: Designción de terminles de conexión de cuerdo l norm. Terminles de conexión según Norm VDE ASA BS IEC Armdur A-B A 1 -A 2 AA-A A 1 -A 2 Cmpo shunt C-D F 1 -F 2 Z-ZZ E 1 -E 2 Cmpo serie E-F S 1 -S 2 Y-YY D 1 -D 2 Interpolos G-H - HH-H B 1 -B 2 Interpolo simétricmente distribuido GA-HA en el ldo A - - 1B 1-1B 2 Interpolo simétricmente distribuido en el ldo B GB-HB - - 2B 1-2B 2 Cmpo de excitción seprd (7) I-K F 1 -F 2 X-XX F 1 -F 2 (7) Cundo es diferente del enrolldo Shunt.

18 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA ROTOR El rotor (figur 5.14) está formdo por un núcleo de fierro lmindo (pues cd punto del rotor es trvesdo por un flujo lterno, por l frecuenci de l rotción, produciéndose pérdids de histéresis y de Foucult). El enrolldo rotórico o enrolldo de rmdur está formdo por bobins que se ubicn en ductos o rnurs prcticds en l lminción. Los terminles de ls bobins se conectn ls delgs, ubicds en un tmbor, que formn el colector, donde hcen contcto roznte ls escobills o crbones fijs l esttor, permitiendo sí l entrd o slid de corriente l enrolldo de rmdur. Adicionlmente, en motores de más de 1[kW] se encuentrn presentes los interpolos y los enrolldos de compensción pr máquins de myor potenci y ciclo de trbjo pesdo. El eje, medinte descnsos (usulmente rodmientos) se firm l crcz. Tmbién suele llevr un ventildor pr fcilitr l disipción de clor medinte convección forzd. Eje Escobills o Crbones (Fijos l esttor) Núcleo Lmindo Colector o Tmbor de Delgs Un de ls bobins del enrolldo de rotor o de rmdur Figur 5.14: Rotor de máquin de C.C. L configurción del enrolldo del rotor puede doptr diverss forms, cd bobin puede ser independiente (enrolldos de bobins independientes) o bien, pueden interconectrse de modo de provechr de mejor mner los voltjes inducidos en ells. Tl como fue menciondo l comienzo del cpítulo, l configurción más utilizd ctulmente es el enrolldo imbricdo que se preci en ls figurs 5.15 y 5.16.

19 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR Cbezs polres N 2 b c d e 6 S h g f Rnurs 1 Bobins 8 7 Escobill Delgs Figur 5.15: Enrolldo imbricdo. L figur 5.15 muestr l disposición físic de un máquin de C.C. de dos polos y un rotor con 8 rnurs en ls que se ubicn ls bobins. Es posible observr que cd bobin tiene sus terminles conectdos un delg, si se consider, por ejemplo, l bobin de color gris de l figur, est nce de l delg denotd como y se ubic en l rnur número 1, rode el núcleo del rotor, luego prece por l rnur número 4 y se conect l delg b. Puesto que los terminles de conexión son -b, el enrolldo se denomin enrolldo imbricdo progresivo; en cso que l bobin en cuestión hubiese tenido sus terminles en -h, el enrolldo se hubiese denomindo enrolldo imbricdo regresivo. L figur 5.16 muestr el digrm extendido del enrolldo imbricdo del rotor de l figur 5.15, indicndo el cmino que recorre un corriente plicd los bornes de l rmdur. En primer lugr, l corriente entr por l escobill que está en contcto con l delg c y recorre l bobin con terminles c-d; l delg d es, su vez, terminl de entrd de l bobin de terminles d-e, l cul es tmbién recorrid por l corriente plicd; el proceso continú con l bobin e-f y termin con l corriente recorriendo l bobin f-g, sliendo por este terminl hci l escobill correspondiente de modo de cerrr el circuito eléctrico.

20 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA b c d e f g... Figur 5.16: Digrm extendido del enrolldo imbricdo Es posible observr que el enrolldo imbricdo permite sumr los efectos producidos en ls bobins, tnto desde el punto de vist de motor en l conversión energétic electromecánic como desde el punto de vist del generdor en l conversión mecánic-eléctric (sum de voltjes inducidos) CONEXIONES DE MÁQUINAS DE C.C. Ls máquins de corriente continu, operndo tnto como motor o como generdor, pueden ser conectds en diferentes configurciones dependiendo de ls fuentes de limentción y de los enrolldos de cmpo y rmdur. L form de conectr l máquin determinrá su desempeño y crcterístics de operción, sí como sus curvs de torque-velocidd, regulción y l form de control y prtid en el cso de los motores. De este modo, si se conect el cmpo de l máquin un fuente de limentción y l rmdur un fuente de limentción diferente, se está conectndo l máquin (motor en este cso) en un configurción llmd de excitción independiente. Si por el contrrio, se dispone de un sol fuente de limentción y se conectn cmpo y rmdur en prlelo con l fuente, entonces l configurción será denomind shunt y en cso de empler un conexión serie entre cmpo y rmdur, l configurción de denominrá, en consecuenci, serie. Ls máquins de C.C. pueden poseer enrolldo prlelo (que se utiliz en ls conexiones shunt y excitción independiente), enrolldo serie o mbos, en cuyo cso demás, pueden relizrse conexiones serie-prlelo entre l rmdur y el cmpo, obteniendo configurciones mixts que se denominn compound.

21 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR GENERADORES DE C.C Generdor de excitción seprd Circuito equivlente y funcionmiento El circuito equivlente es un representción esquemátic de l máquin de C.C. que permite nlizr su configurción y desempeño trvés de ecuciones simples que se derivn del mismo circuito. En el cso del generdor de excitción independiente, el circuito equivlente es el de l figur Es posible precir que el circuito de cmpo es eléctricmente independiente del circuito de rmdur y l dependenci de mbos circuitos es únicmente mgnétic, trvés del flujo φ, lo cul constituye l crcterístic distintiv de este tipo de configurción. I = I L I c R R r V = V L V g φ E R L R c n Figur 5.17: Circuito equivlente de un generdor de excitción seprd. En l figur: R L : Resistenci de crg limentd por el generdor. V L : Voltje en los terminles de l crg. I L : Corriente en l crg. E : Voltje generdo en l rmdur. R : Resistenci del enrolldo de rmdur. I : Corriente de rmdur. V : Voltje en los terminles de rmdur. R c : Resistenci del enrolldo de cmpo. I c : Corriente por el enrolldo de cmpo. V g : Fuente de limentción del enrolldo de cmpo. n : Velocidd del rotor, proporciond por un máquin motriz extern. R r : Resistenci vrible (reóstto) que normlmente se conect los terminles del generdor pr controlr l mgnitud de I c

22 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA En generl R << R c, R r, pues el enrolldo de rmdur debe conducir l corriente elevd de l crg eléctric (I >> I c ). De l figur es posible deducir: V I = V = I L L (5.19) L ecución del circuito de cmpo: ( ) V = R + R I (5.20) g c r c L ecución del circuito de rmdur: E V = V = R L + R I L I (5.21) L ecución que relcion ls vribles eléctrics y mgnétics: E = K n φ (5.22) e Además, de cuerdo (5.13) se tiene: E = G ω I (5.23) r c Crcterístic de voltje-corriente de crg El generdor de C.C., considerdo como un fuente de tensión continu, debier, en el cso idel, entregr en bornes de l rmdur un voltje continuo V de mgnitud independiente de l crg que está limentndo. Sin embrgo, en l práctic existen cíds interns de voltje que hcen disminuir V medid que l corriente I solicitd por l crg, ument. De este modo, l curv voltje-corriente en l crg V L v/s I L (pr n e I c constntes) es un de ls curvs que determinn el desempeño de los generdores de C.C. Con el modelo considerdo hst hor pr el generdor de excitción independiente, est crcterístic se clcul de l ecución del circuito de rmdur del generdor V = V = E R I (5.21), siendo E, n e I c constntes. L De l ecución (5.21) se deduce que l crcterístic de crg es un rect de pendiente 2 negtiv pequeñ, puesto que, en generl, R es de vlor bjo ( 10 [ Ω ] en motores de potencis medis). En l práctic, existen otrs cíds interns de voltje prte de R I, que pueden ser importntes, tles como l cíd de voltje en escobills y l cíd de voltje por rección de rmdur.

23 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR En l figur 5.18 se muestr l crcterístic V L v/s I L del generdor de excitción seprd, donde u represent l cíd de voltje por concepto de pérdids en el cobre (R I ) y v son ls pérdids debido otros efectos como los menciondos nteriormente. V L E 0 Tensión generd en vcío v u V = V L E u I L Figur 5.18: Crcterístic V L v/s I L en el generdor de excitción seprd Generdor Shunt Circuito equivlente y funcionmiento L figur 5.19 muestr el circuito equivlente del generdor shunt. I c R r R c φ R I E I L V = V L R L n Figur 5.19: Circuito equivlente de un generdor shunt. En l figur: R L : Resistenci de crg limentd por el generdor. V L : Voltje en los terminles de l crg. I L : Corriente en l crg. E : Voltje generdo en l rmdur.

24 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA R : Resistenci del enrolldo de rmdur. I : Corriente de rmdur. V : Voltje en los terminles de rmdur. R c : Resistenci del enrolldo de cmpo. I c : Corriente por el enrolldo de cmpo. n : Velocidd del rotor, proporciond por un máquin motriz extern. R r : Resistenci vrible (reóstto) que normlmente se conect los terminles del generdor pr controlr l mgnitud de I c De l figur es posible deducir: L ecución del circuito de cmpo: L ecución del circuito de rmdur: V = VL = Vc (5.24) ( ) V = R + R I (5.25) c c r c E V = V = R L + R I L I (5.26) Ecución que relcion ls vribles eléctrics y mgnétics: E = K n φ (5.22) e Además: E = G ω I (5.23) r c El generdor shunt es denomindo generdor uto-excitdo, debido que existe un proceso de relimentción positiv como el que se muestr en l figur 5.20.

25 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR E E * E r tg -1 (R) I c1 I cj I c * I c Figur 5.20: Fenómeno de uto-excitción de un generdor shunt. En l práctic, si l máquin h generdo tensión l menos un vez, existe un flujo remnente que permite que prezc un pequeñ tensión inducid en los bornes de l rmdur. Al conectr un crg, este voltje produce un corriente de excitción I c1, l cul provoc un elevción de l tensión que hrá que l corriente de cmpo umente y sí sucesivmente. El proceso se uto-limit grcis l crcterístic de sturción del mteril ferromgnético estbilizándose los vlores de tensión y corriente generds de cuerdo l velocidd de giro del eje y l vlor de l resistenci de cmpo R = R c + R r. Esto se observ gráficmente en el punto de intersección de l curv de sturción en vcío y l rect que ps por el origen con pendiente igul tg -1 (R). El fenómeno de uto-excitción descrito requiere de cierts condiciones pr poder llevrse cbo: Debe existir un flujo remnente. El flujo generdo en primer instnci debe sumrse l flujo remnente existente (de lo contrrio, el cmpo se debilit y no se produce l generción). El vlor de l resistenci de cmpo (R = R c + R r ) debe ser menor un cierto vlor crítico R crit. Si l resistenci de cmpo es muy elevd, l corriente que se estblece l conectr l crg result insuficiente pr elevr l tensión y el fenómeno de uto-excitción no se produce. En l práctic, l momento de comenzr generr, l resistenci de cmpo no debe superr un vlor de resistenci crítico que está ddo por l pendiente de l rect tngente l curv de sturción del mteril ferromgnético. En l figur 5.21, si R = R1 > Rcrit no se produce l generción y sí se produce pr R = R 2 <. R crit

26 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA E R 1 >R Crit R Crit R 2 <R Crit E r I c Figur 5.21: Resistenci de cmpo pr l generción. Además, tl como fue menciondo nteriormente, el fenómeno de uto-excitción termin cundo l curv de sturción del mteril ferromgnético intercept l rect de pendiente dd por l resistenci de cmpo (tg -1 (R)). En el cso de resistencis myores R crit, el punto de estbilizción no tiene solución y que ls curvs mencionds sólo coinciden en el origen. Crcterístic voltje-corriente de crg. El generdor de C.C. en configurción shunt present l crcterístic V L v/s I L mostrd en l figur V L E 0 Crcterístic Generdor Shunt Tensión generd en vcío Crcterístic Generdor Excitción Seprd I cc I Nom I Crit I L Figur 5.22: Crcterístic V L v/s I L en generdor shunt. En el primer trmo l curv crcterístic es similr l del generdor con excitción seprd, sin embrgo ls pérdids por concepto de rección de rmdur (entre otros) son myores debido que ls vriciones en el voltje en l rmdur tmbién fectn l excitción del generdor.

27 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR Además, se preci que existe un vlor crítico de corriente, prtir del cul, el voltje en l crg ce bruscmente. En efecto, si se consider que l crg eléctric comienz demndr un corriente myor que un cierto un vlor crítico (ddo por l máxim potenci fctible de suministrr), el voltje en bornes de l rmdur comienz decrecer, debilitndo el cmpo que excit l máquin, lo cul hce decrecer ún más el voltje. En el cso más extremo, si se cortocircuit l crg, el voltje en los terminles de l rmdur es cero, consecuentemente l corriente de excitción es cero y l únic corriente circulnte es l que produce l tensión debid l flujo remnente (que tiene un vlor mínimo). Por este motivo, se dice que el generdor shunt se uto-protege de los cortocircuitos Generdor serie Circuito equivlente y funcionmiento. L figur 5.23 muestr el circuito equivlente del generdor serie. I L R I c =I R r E V L R L n φ R c Figur 5.23: Circuito equivlente de un generdor serie. Donde: R L : Resistenci de crg limentd por el generdor. V L : Voltje en los terminles de l crg. I L : Corriente en l crg. E : Voltje generdo en l rmdur. R : Resistenci del enrolldo de rmdur. I : Corriente de rmdur. V : Voltje en los terminles de rmdur. R c : Resistenci del enrolldo de cmpo. I c : Corriente por el enrolldo de cmpo. n : Velocidd del rotor, proporciond por un máquin motriz extern.

28 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA R r : Resistenci vrible (reóstto) que normlmente se conect los terminles del generdor pr controlr l mgnitud de I c Conforme l figur es posible deducir: E V L = V = R L L + I ( R + R + R ) L c r I (5.27) L ecución que relcion ls vribles eléctrics y mgnétics (l mism que pr los csos nteriores): E = K n φ (5.22) e Además: E = G ω I (5.23) r c Crcterístic voltje-corriente de crg. El generdor de C.C. en configurción serie present un crcterístic V L v/s I L creciente (ver figur 5.24). El funcionmiento de este generdor es muy similr l cso nterior, el flujo remnente posibilit l existenci de un corriente inicil que excit el cmpo, umentndo l tensión generd, consecuentemente l corriente y sí sucesivmente hst sturr el núcleo. De est mner, en un primer trmo (zon linel del mteril ferromgnético) el voltje generdo crece en form prácticmente linel l igul que l tensión generd en vcío, en este cso l diferenci entre ls curvs se explic debido principlmente ls pérdids en el cobre, ls cules crecen linelmente con el umento de corriente. Psdo el nivel de corriente nominl, el núcleo se stur, rzón por l cul el voltje en bornes qued limitdo y por ende, el vlor de l corriente del circuito (corriente de crg). En est situción, se dice que el generdor está en zon l de corriente constnte. Es importnte notr que en l zon de corriente constnte l cíd de tensión se explic por un efecto predominnte de l rección de rmdur que se sum ls pérdids de Joule del generdor. Est prticulridd es provechd sobre todo en plicciones de solddur de rco, donde l momento de tocrse los electrodos (ntes de soldr), el voltje es bjo y l corriente que fluye es lt y l momento de seprr los electrodos, el voltje ument bruscmente y l corriente se mntiene en un vlor lto, lo que propici l prición del rco eléctrico y permite el proceso de solddur.

29 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR V L Tensión generd en vcío Zon linel I Nom Crcterístic Generdor Serie Zon de corriente constnte I L Figur 5.24: Crcterístic V L v/s I L en generdor serie Generdor compound ditivo Tl como fue menciondo, quells máquins de C.C. que poseen enrolldo prlelo y serie son posibles de configurr como máquins compound. Este tipo de configurción tiene l crcterístic de empler el cmpo en disposición serie-prlelo de modo de combinr ls crcterístics de operción shunt y serie. Prticulrmente, si los flujos generdos por el cmpo serie y prlelo se sumn, se dice que l configurción es compound ditiv. Si por el contrrio, los flujos se restn, entonces l conexión es de tipo compound diferencil. Circuito equivlente y funcionmiento. L figur 5.25 muestr el circuito equivlente de un generdor compound ditivo. R I I L R r I c φ p φ s R L R cp E V R cs V L n Figur 5.25: Circuito equivlente de un generdor compound ditivo.

30 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA En l figur: R L : Resistenci de crg limentd por el generdor. V L : Voltje en los terminles de l crg. I L : Corriente en l crg. E : Voltje generdo en l rmdur. R : Resistenci del enrolldo de rmdur. I : Corriente de rmdur. R cs : Resistenci del enrolldo de cmpo serie. R cp : Resistenci del enrolldo de cmpo prlelo. I c : Corriente por el enrolldo de cmpo prlelo. n : Velocidd del rotor, proporciond por un máquin motriz extern. R r : Resistenci vrible (reóstto) que normlmente se conect los terminles del generdor pr controlr l mgnitud de I c φ s : Flujo de cmpo serie. φ p : Flujo de cmpo prlelo. L figur permite estblecer ls siguientes relciones: V I E V V L = R = V L = R = = I L I I + R L + V cs I ( R + R ) L cp + I c r L I c (5.28) (5.29) En este cso, l ecución que relcion ls vribles eléctrics y mgnétics es: E = K n φ s e φ = φ + φ p (5.30) Además: E = G ω I + G ω I (5.31) p r c s r L En este cso, l ecución (5.31) se modific respecto de l relción (5.23) debido que l inductnci mutu del rotor respecto del cmpo prlelo (G p ) es diferente de l inductnci mutu que desrroll l rmdur con el cmpo serie (G s ). Además, ls corrientes de cmpo que excitn los cmpos del generdor son diferentes en este cso. Es importnte notr que el esquem de conexión mostrdo en l figur 5.25 corresponde un generdor compound ditivo con derivción cort, lo cul signific que el cmpo prlelo se conect inmeditmente en los bornes de l rmdur.

31 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR En el cso del generdor compound ditivo con derivción lrg, el cmpo prlelo se conect posterior l cmpo serie (en prlelo con l crg) por lo cul, ls ecuciones que rigen su comportmiento son: V I E V V L L = = R = V L = R = I L I I + R L + V cs ( R + R ) L cp + I c r I I c (5.32) (5.33) L ecución 5.30 es todví válid, sin embrgo, l relción 5.31 se modific levemente en función de l corriente que recorre en cmpo serie: E = G ω I + G ω I (5.34) p r c s r El generdor compound ditivo requiere de ls misms condiciones que el generdor shunt pr poder generr, y que tmbién se cumple el principio de uto-excitción, sólo que en este cso se refuerz el cmpo producto de l crcterístic serie. De este modo, debe cumplirse ls condiciones de existenci de flujo remnente, que el flujo generdo por el cmpo shunt en primer instnci se sume l flujo remnente y que el vlor de l resistenci de cmpo prlelo se inferior l vlor de R crit. Crcterístic voltje-corriente de crg El generdor de C.C. en configurción compound ditiv present un crcterístic V L v/s I L que combin ls propieddes del generdor shunt y serie (ver figur 5.26). Dependiendo de cuál se el efecto predominnte (shunt o serie), l curv se elev por sobre el vlor de tensión generd en vcío o bjo él. En efecto, si l crcterístic serie es pequeñ, predominn ls cíds por efecto Joule y l tensión generd es menor que el vlor E 0 generdo en vcío; en este cso, l curv crcterístic V L v/s I L es similr l del generdor shunt y se dice que el generdor compound es prcilmente compuesto o hipocompuesto. Si el enrolldo serie es grnde, entonces el efecto de fortlecimiento del cmpo predomin sobre ls pérdids de Joule y l tensión inducid se elev por sobre E 0 (tl como muestr l figur 5.26). En este cso se dice que el generdor compound ditivo es hipercompuesto.

32 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA V L E 0 Crcterístic Generdor Compound Aditivo Crcterístic Generdor Shunt I Nom Crcterístic Generdor Compound Plno Crcterístic Generdor Serie I L Figur 5.26: Crcterístic V L v/s I L en generdor compound ditivo (8). Un cso prticulr los nteriores, es el denomindo generdor compound plno, el cul se diseñ de modo que, en el punto de operción nominl, se teng un vlor de tensión inducid igul l vlor de generción en vcío Generdor Compound diferencil Circuito equivlente y funcionmiento El generdor compound diferencil posee un configurción idéntic l cso nterior (ver figur 5.27), con l slvedd que l polridd de un de ls bobins de cmpo (en generl serie) se cmbi de modo de tener un flujo de cmpo totl equivlente l rest de los flujos de cmpo serie y prlelo. R I I L R r I c φ p φ s R L R cp E V R cs V L n Figur 5.27: Circuito equivlente de un generdor compound diferencil. (8) Crcterístic no deducible por superposición

33 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR En l figur se observn los mismos prámetros que en el cso nterior: R L : Resistenci de crg limentd por el generdor. V L : Voltje en los terminles de l crg. I L : Corriente en l crg. E : Voltje generdo en l rmdur. R : Resistenci del enrolldo de rmdur. I : Corriente de rmdur. R cs : Resistenci del enrolldo de cmpo serie. R cp : Resistenci del enrolldo de cmpo prlelo. V : Voltje en los terminles de rmdur. I c : Corriente por el enrolldo de cmpo prlelo. n : Velocidd del rotor, proporciond por un máquin motriz extern. R r : Resistenci vrible (reóstto) que normlmente se conect los terminles del generdor pr controlr l mgnitud de I c φ s : Flujo de cmpo serie. φ p : Flujo de cmpo prlelo. L figur permite estblecer ls misms relciones eléctrics que pr el cso nterior (ecuciones (5.28) y (5.29)).Sin embrgo, l relción entre vribles eléctrics y mgnétics cmbi: E = K n φ p e φ = φ φ s (5.35) L relción (5.31) se mntiene, sin embrgo, debe considerrse que l inductnci mutu vrí pr dptrse l cmbio de polridd en el cso del cmpo serie. Al igul que en el generdor compound ditivo, el esquem de conexión mostrdo en l figur 5.27 corresponde un generdor compound diferencil con derivción cort. En el cso del generdor compound diferencil con derivción lrg (el cmpo shunt se conect en prlelo con l crg), ls ecuciones (5.32), (5.33), (5.34) (9) y (5.35) son ls que rigen en comportmiento del generdor. Crcterístic voltje-corriente de crg El generdor de C.C. compound diferencil present l crcterístic V L v/s I L mostrd en l figur En ell, es posible observr que los efectos de cíd de l tensión inducid producto de l crcterístic serie y prlelo se sumn, l contrrio que en el cso nterior (generdor (9) Al igul que en el cso de l ecución (5.31), l ecución (5.34) sigue siendo válid pero considerndo un cmbio en el vlor de l inductnci mutu.

34 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA compound ditivo) donde estos mismos efectos se contrrrestbn pudiendo elevr el voltje sobre l generción en vcío. Así, cundo l corriente de rmdur ument, existe un primer cíd de tensión producto de ls pérdids R I, demás, el flujo de cmpo serie se fortlece debilitndo el flujo totl del generdor ( φ = φp φs), lo que se trduce en un menor voltje inducido. Este fenómeno explic por qué en el generdor compound diferencil l cíd de tensión es tn brusc respecto del cmbio de corriente. V L E 0 Tensión generd en vcío Crcterístic Generdor Compound Diferencil I cc I L Figur 5.28: Crcterístic V L v/s I L en generdor compound diferencil. El generdor compound diferencil posee l crcterístic de inmunidd frente los cortocircuitos, puesto que, en el cso extremo en que l crg se cortocircuit, l corriente de rmdur ument un nivel tl, que los flujos de excitción serie y prlelo se cnceln y el voltje inducido ce cero, por lo que l corriente de cortocircuito qued limitd un vlor mínimo, tl como ocurre en el generdor shunt MOTORES DE C.C Motor de excitción seprd y motor shunt Circuito equivlente y funcionmiento Debido l grn similitud que existe en el comportmiento de los motores shunt y prlelo, estos serán nlizdos en conjunto. En l práctic, los motores shunt son comprtivmente más utilizdos, debido que sólo requieren de un fuente pr poder operr, lo cul represent un ventj respecto de l configurción de excitción seprd.

35 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR Ls figurs 5.29 y 5.30 muestrn los circuitos equivlentes de los motores de excitción seprd y shunt respectivmente. I I c R R r V g1 φ E V g2 R c n Figur 5.29: Circuito equivlente de un motor de excitción seprd. I g I R R r I c V g φ E R c n Figur 5.30: Circuito equivlente de un motor shunt. En ls figurs se puede identificr: V g : Fuente de limentción (motor shunt). I g : Corriente de limentción (motor shunt). V g1 : Fuente de limentción de cmpo (motor excitción seprd). V g2 Fuente de limentción de rmdur (motor excitción seprd). E : Voltje generdo en l rmdur. R : Resistenci del enrolldo de rmdur. I : Corriente de rmdur. R c : Resistenci del enrolldo de cmpo. I c : Corriente por el enrolldo de cmpo. n : Velocidd del rotor.

36 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA R r : Resistenci vrible (reóstto) que normlmente se conect los terminles del generdor pr controlr l mgnitud de I c Adicionlmente, se puede incluir un resistenci vrible en el circuito de rmdur ( R r ) de modo de vrir l corriente I. En ese cso se tendrí un resistenci de rmdur equivlente ( R = R + R ). r En el cso del motor de excitción seprd, se tiene ls ecuciones: Ecución del circuito de cmpo: Ecución del circuito de rmdur: ( ) V = R + R I (5.36) g1 c r c E = V R I (5.37) g2 L ecución que relcion ls vribles eléctrics y mgnétics es: E = K n φ (5.22) e Adicionlmente se tiene: E = G ω I (5.23) r c T = G I I = K φ I (5.38) c T En el cso del motor shunt ls ecuciones son nálogs ls nteriores con l slvedd que en este cso V g1 = V g2 = V g y demás I g = I c + I. Curv torque-velocidd Al igul que en cso de l máquin de C.C. conectd como generdor, existen curvs que permiten explicr el comportmiento de los motores y estimr su desempeño de cuerdo ls distints configurciones de conexión (shunt, serie, etc.). En este sentido, un de ls curvs crcterístics de los motores de C.C. más representtiv es l curv de torquevelocidd que se muestr, pr el cso de generdor excitción seprd y shunt, en ls figurs 5.31 y 5.32.

37 CAPÍTULO 13 ENERGÍA SOLAR T T p GV V = R R I >0 c c T resistente I =0 ω r ω r T ω r T ω 0m V R GV c c I <0 ω r T Freno Motor Generdor Figur 5.31: Curv torque-velocidd de un motor de excitción seprd. T T p GV = R R 2 g c ω r R c G Figur 5.32: Curv torque-velocidd de un motor shunt. Es posible observr de ls figurs que ls crcterístics torque-velocidd pr mbs máquins son idéntics considerndo que pr el cso del motor shunt: V g1 = V g2 = V g. L crcterístic en l form de un rect de pendiente negtiv se explic l considerr (cso excitción seprd):

38 EL42C CONVERSIÓN ELECTROMECÁNICA DE LA ENERGÍA T = G I I c Vg1 Ic = con R= Rc + Rr R V E V G ω I I = = R R g 2 g2 r c (5.39) GV V G V T = ωr RR 2 2 g1 g2 g1 2 R R Conforme l expresión (5.39) se obtienen los vlores de torque en l prtid y l velocidd en l que el torque se nul según se muestr en los gráficos correspondientes. Aprte de lo nterior, tmbién es importnte destcr ls regiones de operción definids pr el motor (ver figur 5.31): Cundo el motor tiene un sentido de torque en contrposición con el sentido de giro, entonces l máquin de C.C. se encuentr ctundo como freno (en l práctic esto se consigue cmbindo l polridd del voltje de rmdur). Por el contrrio si los sentidos de torque y velocidd son los mismos, l máquin está operndo como motor. Si l máquin está operndo como motor y se ument l velocidd de giro, el torque generdo comienz disminuir hst el punto en que se torn cero, si en este cso se sigue umentndo l velocidd entonces l corriente de rmdur se invierte y l máquin comienz operr como generdor Motor serie Circuito equivlente y funcionmiento L figur 5.33 muestrn el circuito equivlente del motor serie, donde se tiene: V g : Fuente de limentción. E : Voltje generdo en l rmdur. R : Resistenci del enrolldo de rmdur. I : Corriente de rmdur. V : Voltje de rmdur. R c : Resistenci del enrolldo de cmpo. I c : Corriente por el enrolldo de cmpo. n : Velocidd del rotor.