MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

Transcripción

1 MÁQUINAS D CORRINT CONTINUA n esta stuacón, la energía producda por el motor que funcona como generador es transformada en calor por efecto Joule en las resstencas de carga conectadas al nducdo del motor. n la fgura 13 (a) se muestra el esquema eléctrco correspondente para un motor de exctacón ndependente. Cuando el conmutador S de la Fgura 13 (a) está stuado en la poscón 1, el nducdo se almenta de la red de c.c. y la máquna funcona en régmen motor absorbendo una corrente I de la red en el sentdo señalado. Al pasar el conmutador S a la poscón 2 se carga el nducdo sobre una resstenca externa R ext, lo que provocará una nversón en el sentdo de la corrente. S se consdera que en el momento de la conmutacón la f.c.e.m. del motor es gual a, el valor de la corrente I es: K Φ. n I = = (18) s decr tene un valor negatvo y por consguente el par de R + R R + R ext ext 2 Kτ. K Φ. n frenado desarrollado por la máquna es negatvo y de valor: τ = Kτ I = (19) esto R + Rext es, el par de frenado es proporconal a la velocdad e nversamente proporconal a la resstenca total del crcuto del nducdo R + R ext. De la ecuacón anteror se obtene el valor de la velocdad n: τ ( R + Rext ) 2 n =. K Φ (20) K τ n este caso de frenado reostátco o dnámco, las característcas parvelocdad para dversas resstencas de carga externas son las mostradas en la Fgura 13 (b), que son rectas que pasan por el orgen de coordenadas y que tenen lugar en el 2º cuadrante. Suponga que la máquna está trabajando como motor en el punto de trabajo A. n el momento de conectar el nducdo sobre la resstenca externa R ext comenza el régmen de frenado dnámco o por dspacón de energía, y como debdo a la nerca del rotor, la velocdad no puede cambar nstantáneamente, no habrá varacón en la f.c.e.m. del motor y el punto de funconamento se traslada a D, en el que se tene un par de frenado τ f. A partr de este momento la velocdad de rotacón se va reducendo sguendo la recta DO, hasta llegar a pararse en el punto O. n este momento debe desconectarse el motor de la red y aplcar el freno mecánco, a fn de detenerlo totalmente (nmovlzándolo), ya que en caso contraro la máquna puede comenzar a grar en sentdo contraro sguendo el tramo OF de la recta en el cuarto cuadrante. Para consegur el frenado dnámco de un motor sere hay que tener en cuenta que s se conserva el msmo sentdo de rotacón y las msmas conexones entre el nductor y el nducdo, la máquna en régmen generador es mposble de cebar, ya que la corrente nductora tende a anular el magnetsmo remanente de los polos. Una máquna sere solo se puede cebar como generador s su sentdo de rotacón es opuesto al que tenía como motor. S se desea cebar con el msmo sentdo de rotacón que tenía funconando como motor, es necesaro nvertr las conexones entre el nductor y el nducdo, tal como se señala en la Fgura 14, para conservar de este modo el sentdo de la corrente nductora (pese a la nversón de la corrente en el nducdo) n algunos casos el frenado dnámco se realza separando los crcutos nductor e nducdo y funconando el conjunto como una máquna con exctacón ndependente, de un modo análogo al señalado anterormente. 40 de 44

2 MÁQUINAS D CORRINT CONTINUA c) Frenado a contracorrente ste procedmento de frenado se emplea cuando es necesaro parar repentnamente un motor para luego poder nvertr su marcha, como en certas aplcacones de trenes de lamnacón de acerías y grúas de puerto. Sn alterar las conexones del nductor, se aplca tensón al nducdo en sentdo nverso, lo que ocasona un frenado brusco, el motor se para e nca la marcha en sentdo nverso. n algunos casos se abre el nterruptor prncpal en el nstante en que el rotor pasa a la stuacón de reposo, o sea, justamente antes de que el motor comence a grar en sentdo contraro. n la fgura 14 (a) se muestra el esquema eléctrco de frenado a contracorrente o contramarcha de un motor con exctacón ndependente. Incalmente el conmutador S está en la poscón 1 y la máquna funcona como motor absorbendo el nducdo una corrente I en el sentdo mostrado en la Fgura 14 (a). S la resstenca lmtadora de la corrente del nducdo es R r = 0 el valor de la corrente U anteror es: I = lo R que da lugar a la curva parvelocdad expresada en (7), y que para un par resstente τ, corresponde al punto de funconamento A de la característca mecánca natural de la Fgura 14 (b). Cuando el conmutador S pasa a la poscón 2, se nverte la polardad de la tensón aplcada al motor, y como en los prmeros nstantes, el motor contnuará grando en el msmo sentdo que llevaba prevamente, la f.c.e.m. del motor permanecerá nvarable y se producrá una corrente de sentdo contraro al señalado en la Fgura 14 U + (a), cuyo valor es: I = (21) donde R + R r R r es una resstenca que se coloca en sere con el nducdo para lmtar la fuerte corrente producda en el período de frenado y que en la práctca suele emplearse doble o trple que la utlzada para lmtar la corrente de arranque en régmen motor. La característca par-velocdad en este período de frenado vene defnda por: U + τ = Kτ I = Kτ (22) R + R U R + Rr n = K. Φ K. K. Φ τ r. 2 τ (23) Que corresponde a la recta DFG que transcurre por el segundo y tercer cuadrante de las característcas mecáncas de la Fgura 14 (b), en la que se observa que para τ = 0 se tene: 41 de 44

3 u n = = n K. Φ 0 MÁQUINAS D CORRINT CONTINUA S se supone que la máquna está trabajando ncalmente como motor en el punto A de la característca mecánca natural, al producrse la conmutacón, además de cambar la polardad de la tensón aplcada a la máquna se ntroduce la resstenca lmtadora R r en el crcuto del nducdo, y la máquna pasará a trabajare en el punto D del segundo cuadrante, ejercendo un par de frenado τ f. ste par de frenado provoca una deceleracón del rotor y la velocdad de la máquna se va reducendo sguendo la recta DF. Al pasar el motor por el punto F (velocdad cero) se desconecta el motor de la red. n caso de que no se realce esta operacón, la máquna se rá acelerando en sentdo contraro. Un proceso análogo al anteror se emplea para frenar el motor sere. De cualquer manera, el frenado a contracorrente es un método de muy bajo rendmento debdo a la gran cantdad de energía dspada en las resstencas colocadas en sere con el nducdo.- Funconamento de una máquna de c.c. en cuatro cuadrantes Como se ha comprobado en los párrafos anterores, el motor de corrente contnua es una máquna eléctrca muy versátl que permte una excelente regulacón de velocdad y que puede funconar con ambos sentdos de gro, producendo pares electromagnétcos a favor o en contra del sentdo de rotacón, y es por ello que ha sdo la máquna motrz por excelenca en aplcacones de velocdad varable, conocdas modernamente como acconamentos eléctrcos: traccón eléctrca, trenes de lamnacón, maqunara de elevacón y transporte y otros. Para descrbr los modos de funconamentote de una máquna de c.c. se utlza la representacón en cuatro cuadrantes mostrada en la fgura 15. n el eje de abscsas se representa el par electromagnétco que genera la máquna y que tambén srve para representar la corrente que atravesa el nducdo, al ser proporconal el par a la corrente. n el eje de ordenadas se representa la velocdad de gro, en rad/s o en rpm; s se supone el flujo nductor constante, la f.c.e.m. del motor es proporconal a la velocdad, por lo que tambén el eje de ordenadas puede servr para representar la f.c.e.m. del motor, y s se tene en cuenta que, debdo a la pequeña caída de tensón en el nducdo, U, el eje de ordenadas representa tambén el eje de tensones. s decr, hay proporconaldad de las característcas mecáncas n = f 1 (τ ) con U = f 2 (I ) De acuerdo con lo anteror, en la Fgura 15 se ha señalado el eje de abscsas con las magntudes τ e I y el eje de ordenadas con n y U. stas magntudes se toman como postva en el prmer cuadrante, que corresponde al funconamento como motor grando en sentdo drecto o postvo (anthoraro). La potenca mecánca desarrollada por el motor es el producto del par por la velocdad angular de gro, de tal modo que, s estas dos magntudes son postvas, su producto será postvo, ndcando con ello que la potenca mecánca es postva cuando sale energía mecánca por el eje. De un modo análogo, s U e I, son postvos, será tambén postvo su producto, lo que ndca que la potenca eléctrca es postva cuando la máquna absorbe energía eléctrca de la red. Para facltar el estudo se ha ncludo en cada cuadrante de la Fgura 15 el crcuto del nducdo con los sentdos de la corrente y las polardades tanto de la f.c.e.m. del motor como de la tensón aplcada a la máquna. n el cuadrante 1, la velocdad y el par son postvos, y por consguente, son postvas tanto la tensón como la corrente del nducdo. De este modo es postva la potenca eléctrca que absorbe la máquna y tambén la potenca mecánca que sale del eje del motor. Se produce una transformacón de energía eléctrca en energía mecánca. Cuando la máquna trabaja en el cuadrante 2, la velocdad es postva (gro drecto) y por ello son tambén postvas tanto la tensón aplcada como f.c.e.m. del motor; el par electromagnétco y la corrente de nducdo son negatvos. n consecuenca, la máquna absorbe potenca mecánca en el eje (valor negatvo) y se devuelve energía eléctrca a la red (valor negatvo). Se ha producdo un cambo en el sentdo del flujo de energía en la máquna, que ahora funcona como generador en régmen de frenado regeneratvo o 42 de 44

4 por recuperacón, aunque tambén esta energía eléctrca puede dsparse en una resstenca externa como sucede en el frenado reostátco o dnámco. n el cuadrante 3, tanto el par como la velocdad son negatvos, por lo que son negatvas la tensón aplcada y la corrente absorbda. De este modo tanto la potenca mecánca como la potenca eléctrca son magntudes postvas. La máquna trabaja como motor grando en sentdo nverso. s evdente que para que se nverta el sentdo de la corrente se debe cumplr que U f, y de MÁQUINAS D CORRINT CONTINUA este modo el flujo energétco se drge de la red al motor. Cuando la máquna trabaja en el cuadrante 4, el par es postvo y la velocdad negatva, por lo que la potenca mecánca es negatva y proc3ede del mecansmo acconado por el motor. La f.c.e.m. es negatva y la corrente del nducdo es postva, lo que se verfca s f U, y se devuelve energía eléctrca a la red. La máquna funcona en régmen generador como freno regeneratvo en sentdo nverso, aunque tambén se puede frenar la maquna dspando la energía eléctrca sobre resstencas externas. n la tabla sguente Fgura 16 se resumen los conceptos anterores, señalando los sgnos correspondentes de las dversas magntudes mplcadas, tanto eléctrcas como mecáncas.- Funconamento Cuadrante Velocdad n, w Par τ Tensón U Corrente I Potenca mecánca P mec = τ.w Potenca léctrca P elec = U.I Motor drecto Frenado drecto Motor nverso Frenado nverso Fgura 16 - Sgnos de las dversas magntudes en los cuatro cuadrantes 43 de 44

5 MÁQUINAS D CORRINT CONTINUA Debe destacarse que el uso de reóstatos de arranque y regulacón por medo de resstencas eléctrcas señalados en este capítulo, aunque son métodos muy ddáctcos para comprender su aplcacón en el control de las máqunas de c.c., en la actualdad han caído en desuso, debdo a que en las resstencas se dspan grandes cantdades de energía en calor por efecto Joule, y de ahí los bajos rendmentos de estos acconamentos. n la actualdad, con el gran avance de la electrónca de potenca, el control de los motores de c.c. se realza con convertdores electróncos: rectfcadores fjos, rectfcadores controlados y choppers. Podemos adelantar aquí, a modo nformatvo, que los rectfcadores converten la c.a. en c.c. y solamente permten el trabajo de la máquna de c.c. en el prmer cuadrante. Los rectfcadores controlados transforman la c.a. de la red en c.c. regulable, que ncluso puede modfcar el sgno de la tensón de salda varando una señal de control de encenddo, y es por ello que pueden trabajar en los cuadrantes 1 y 4; ncluso añadendo un grupo dual en oposcón, una máquna de c.c. puede trabajar en los cuatro cuadrantes. l chopper es otro tpo de convertdor electrónco que transforma una c.c. en otra c.c. de valor medo regulable, permtendo el trabajo de una máquna de c.c. en dos o en cuatro cuadrantes. stos convertdores electróncos se utlzan con profusón en traccón eléctrca. Debe destacarse que desde la década de 1980, y debdo a la ncorporacón del mcroprocesador en los equpos de control ndustral, se utlzan tambén en los acconamentos eléctrcos de velocdad varable los motores de c.a. asíncronos y síncronos, de tal modo que se puede consegur el funconamento en cuatro cuadrantes de un modo smlar a los motores de c.c. Los métodos de regulacón son específcos del Control lectrónco de Motores llamado tambén lectrónca de Potenca. Otras curvas característcas: I = f (τ ) Dado la expresón del par, este es proporconal a la corrente tanto en el motor de c.c. exctacón ndependente como en el dervacón. n cambo en el motor sere, dado que la I es la que crea la Induccón B y el flujo Φ, resulta el par proporconal al cuadrado de la corrente, por lo tanto la curva característca corrente de nducdo-par resultan ser las sguentes: I = f (τ ); La I crece proporconalmente al par no es rectlínea por reaccón de nducdo... ooooo de 44