Existen tres tipos de generadores de DC • • •
Shunt Serie Compound
Las diferencias entre ellos radican en la forma en que se realiza la excitación de los devanados de DC, del campo del estator
Existen tres tipos de generadores de DC • • •
Shunt Serie Compound
Las diferencias entre ellos radican en la forma en que se realiza la excitación de los devanados de DC, del campo del estator
La excitación se realiza conectando el devanado de excitación a plena tensión de la línea (o casi plena) producida entre las escobillas del inducido de la maquina de DC
Para mayor facilidad, todas las resistencias en serie se suma y se representan mediante una sola resistencia
El circuito equivalente se compone de una f.e.m. y una resistencia del inducido (Ra), llamada «RESISTENCIA DEL INDUCIDO»
Nótese que el circuito equivalente del generador shunt, presenta tres circuitos en paralelo cuando esta cargado, estos son: 1. Circuito del inducido
Nótese que el circuito equivalente del generador shunt, presenta tres circuitos en paralelo cuando esta cargado, estos son: 2. Circuito de excitación
Nótese que el circuito equivalente del generador shunt, presenta tres circuitos en paralelo cuando esta cargado, estos son: 3. Circuito de carga
Se tienen las siguientes relaciones: = +
La tensión: = =
Donde: = − ∙
Y como: = ∙ = ∙
Nota: En algunos casos If también se conoce como Ie
En este generador el inductor y el inducido están conectados en serie, el flujo producido por el devanado de excitación conectado en serie es función de la corriente en el inducido y la carga
La excitación seria actúa solamente cuando hay carga, para completar el circuito. Debido a que por el devanado serie debe circular toda la corriente hacia la carga, este se construye en hilos de gran sección. Los devanados de compensación Rc (situados en los polos de excitación), y el devanado Ri se incluyen en serie con el devanado del inducido Rw La corriente de excitación se controla mediante una resistencia variable, en derivación Rd , que sirve para proporcionar cierta regulación de la excitación del campo en serie. La excitación en el generador serie depende principalmente de la carga
Las relaciones de tensión y corriente para el generador serie son: = + ∙
= = +
Donde: V a= Tensión inducido Va=Eg -IaRa
en
bornes
del
Cuando la excitación se consigue mediante la combinación de los dos tipos devanado: 1. Devanado de excitación serie : El cual es recorrido por la corriente
del inducido o de la carga. 2. Devanado shunt: Al que se le aplica la tensión en bornes del inducido De acuerdo a como se conecten los devanados de excitación , se puede conseguir:
Derivación larga
Derivación corta
Derivación larga
Derivación Corta La derivación corta, presenta el circuito de excitación shunt en paralelo con el circuito del inducido y el circuito de excitación serie , en serie con la carga
Derivación larga
Para esta las relaciones de corriente son: = + = + Derivación corta
Para esta las relaciones de corriente son: = + Donde: Il=Is+Id
La diferencia sustancia entre la derivación larga y la derivación corta radica fundamentalmente en: •
EN LA DERIVACION LARGA LA CORRIENTE DEL INDUCIDO ALIMENTA LA EXCITACIÓN SERIE
•
EN LA DERIVACION CORTA LA CORRIENTE DE CARGA ALIMENTA LA EXCITACIÓN SERIE
Cuando el devanado de excitación shunt se conecta a una alimentación DC separada, que sea independiente de la tensión del inducido del generador se llama «GENERADOR INDEPENDIENTE»
Excitación independiente. Excitación en derivación
Excitación independiente. Excitación en derivación, con funcionamiento en compound
Las propiedades de los generadores se analizan con ayuda de las características que establecen la dependencia entre las magnitudes principales que determina el funcionamiento de la maquina Cada uno de los tipos de excitación impone a la maquina características de funcionamiento distinta, estas determina la clase de servicio que adapta cada maquina. Estas características quedan reflejadas mediante gráficos:
CARACTERÍSTICA DE VACIO E=f(Ie) Representa la relación entre la f.e.m. generada por la dinamo y la corriente de excitación, cuando la maquina funciona en vacío.
CARACTERÍSTICA EN CARGA v=f(Ie) Representa la relación entre la tensión en terminales y la corriente de excitación para una intensidad de carga I constante. Nótese que cuando I=0, se obtiene la característica en vacío
CARACTERÍSTICA EXTERNA v=f(I) Representa la tensión en bornes en función de la carga (Icarga), para una corriente de excitación constante
CARACTERÍSTICA DE REGULACION Ie=f(I) Representa la relación entre la corriente de excitación y la corriente de carga, para una tensión en bornes constante
En este generador, la corriente inductora se obtiene de una fuente DC externa.
CARACTERÍSTICA DE VACIO E=f(Ie) Para determinar la característica de vacío, se hace girar el rotor a velocidad constante, manteniendo desconectada la carga. Se va aumentando la corriente de excitación desde cero hasta su valor máximo permitido, en cada caso se registra su valor. Simultáneamente se mide la tensión generada.
CARACTERÍSTICA DE VACIO E=f(Ie) Cuando dibuja relación E=f(I e) se obtiene una rama ascendente A del curva, cuando la Ie aumenta, si se decrementa Ie y se mide, la tensión desciende por la curva B
La diferencia entre las dos curvas se debe a la histéresis de los polos
La curva media entre ambas representa la CARACTERÍSTICA DE VACIO
CARACTERÍSTICA DE VACIO E=f(Ie) Se observa que la maquina produce tensión aún sin estar excitada, esto se debe al magnetismo remanente que aparece en los polos. La f.e.m. generada esta dada por: = ∙ ∙ ∅ ∙ = ∙ ∙ ∅ 60
Quiere decir que la f.e.m. generada es proporcional al flujo por polo, de igual forma es proporcional a la corriente de excitación. Si la maquina gira a una velocidad diferente por ejemplo n’ la f.e.m producida será: E’=KEn’φ.
CARACTERÍSTICA DE VACIO E=f(Ie) Al dividir resulta: = ′ ′
Para los mismos flujos, las f.e.m son proporcionales a las velocidades de giro respectivas Esto implica que si se conoce la curva para una velocidad n, se puede determinar la curva para la velocidad n’
CARACTERÍSTICA DE VACIO E=f(Ie) Al dividir resulta: = ′ ′
CARACTERÍSTICA EXTERNA v=f(I) Se cierra el interruptor S, y se varia la carga. Manteniendo constante la corriente de excitación así como la velocidad de giro del motor que impulsa el generador. Si no se considera la reacción del inducido, la f.e.m. generada es constante, por tanto la tensión en bornes es: = − ∙
Aquí: Ri=Ra Ii=Ia=Il
CARACTERÍSTICA EXTERNA v=f(I) Al contemplar la reacción del inducido, al desplazar las escobillas para obtener una buena conmutación, aparece una f.e.m. desmagnetizarte que actúa sobre el valor de la f.e.m. Generada y cuya magnitud resulta NO LINEAL con la corriente de la maquina, si se esta trabajando sobre la zona de saturación.
En la zona de trabajo, que llega hasta Inominal , la curva es prácticamente lineal
CARACTERÍSTICA DE VACIO E=f(Ie) En el generador en derivación, el devanado inductor esta conectado en paralelo con el inducido y se regula la excitación por medio de un reóstato en serie con el inductor La f.e.m. producida por la maquina en vacío, se determina a través de la característica en vacío, además de la característica del inductor, que se representa por la relación: Aquí: Re= Resistencia total del devanado de excitación
= ∙
Al graficar E=f(Ie) se obtiene una recta, cuya pendiente es: tan = =
CARACTERÍSTICA DE VACIO E=f(Ie) f.e.m. La final engendrada corresponde al punto P , intersección de las curvas de vacio y la recta del inductor
Si se varía la resistencia del circuito de excitación, se obtiene una nueva recta con una pendiente dada por el nuevo Re Existe una resistencia Rcritica= Rcr. Cuando Re= Rcr la dinamo no se excita
CARACTERÍSTICA DE VACIO E=f(Ie)
Se debe calcular la resistencia máxima del reóstato de excitación, para que al sumarse con la resistencia propia del devanado de excitación, esta NO SUPERE el valor de la resistencia critica
CARACTERÍSTICA DE VACIO E=f(Ie) La intersección de las curvas de vacío y la recta del inductor, sirve además para explicar el mecanismo de AUTOEXCITACION del generador shunt. En vacío la corriente del inducido pasa por el devanado inductor, por tanto: = La corriente es de un valor reducido por lo que la caída de tensión en la resistencia del inducido es despreciable, así como la reacción del inducido.
CARACTERÍSTICA DE VACIO E=f(Ie) Así que la tensión en bornes de la maquina, corresponde a la f.e.m. generada. De acuerdo a la ley de kirchhoff, se tiene: = = ∙ +L ∙
Al comienzo Ie=0, por lo que la f.e.m. generada es igual a la tensión producida por el magnetismo remanente E R
CARACTERÍSTICA DE VACIO E=f(Ie) Ahora se cumple que: = L ∙
Al ser ER un valor positivo, la corriente I e se incrementa hasta alcanzar el valor B, lo que a su vez hace que la f.e.m. se incremente hasta C Posteriormente, cuando I e incrementa desde B a D, la tensión incrementa desde C a F, y así sucesivamente hasta alcanzar el punto P, en este punto:
L∙
=0
= ∙
CARACTERÍSTICA DE VACIO E=f(Ie) La dinamo puede NO CEBARSE si la corriente del devanado de campo no ayuda a reforzar el magnetismo remanente. Para esto se deben asegurar las correctas conexiones de las terminales del generador. Si la dinamo se des-excita accidentalmente se debe energizar el devanado shunt con DC.
RAZONES POR LAS CUALES EL GENERADOR SHUNT PUEDE NO GENE GENERA RAR R TENS TENSIO ION N Falta a de magn magnet etis ismo mo rema remane nent nte e ( o insu insufi fici cien ente te) ) 1. Falt
Debido a que el proceso de autoexcitación requiere magnetismo remanente para la iniciación, a pequeños valores o ausencia de magn magnet etis ismo mo pu pued ede e origi rigina narr qu que e la maqui aquina na no se cebe cebe El magn magnet etis ismo mo res resid idu ual se pu pued ede e perd perder er por por vari varias as raz razones ones:: • • • • •
Traq Traque ueteo teo mecá mecáni nico co du dura rant nte e el tran transp spor orte te Vibrac Vibración ión excesi excesiva va Calor Calor extrem extremo o Corr Corrie ient nte e alte altern rna a inst instal alad ada a erró erróne neam amen ente te en los los born bornes es Inac Inacti tivi vida dad d du dura rant nte e peri period odos os larg largos os
RAZONES POR LAS CUALES EL GENERADOR SHUNT PUEDE NO GENE GENERA RAR R TENS TENSIO ION N Falta a de magn magnet etis ismo mo rema remane nent nte e ( o insu insufi fici cien ente te) ) 1. Falt
Esto puede corregirse magnetizando los polos, es decir se conecta el devanado a una fuente DC 2. Conexiones del circuito de excitación invertidas al circuito del inducido
La corriente que circula por el circuito de excitación debe ayudar a refo reforz rzar ar el magn magnet etis ismo mo rema remane nent nte, e, en otra otrass pala palabr bras as:: El flujo producido producido por la bobina de excitación debe tener la misma polaridad magnética que la f.e.m. residual
RAZONES POR LAS CUALES EL GENERADOR SHUNT PUEDE NO GENE GENERA RAR R TENS TENSIO ION N 2. Conexiones del circuito de excitación invertidas al circuito del inducido
Un ensayo sencillo que permite determinar tal condición consiste en abrir el circuito de excitación de la maquina en marcha y medir con un voltímetro en los bornes del inducido, si la tensión aumenta cuando se abre abre el circ circui uito to,, las las cone conexi xion ones es de la exci excita taci ción ón se encu encuen entr tran an inve invert rtid idas as.. Se cor corrige rige camb cambia iand ndo o f 1 y f 2 en la figu gurra
RAZONES POR LAS CUALES EL GENERADOR SHUNT PUEDE NO GENERAR TENSION 3. Resistencia del circuito de excitación mayor que la resistencia critica Una resistencia elevada en el circuito de excitación, debida a un corte del circuito de excitación o bien un sobre ajuste de la resistencia limitadora del circuito de excitación 4. Corte o resistencia elevada en el circuito del inducido Un corte en el circuito del inducido o suciedad en el inductor, o bien una escobilla floja pueden hacer que la resistencia del inducido
EFECTO DE LA CARGA EN IMPEDIR LA AUTOEXCITACION DEL GENERADOR Cuando se exceden los limites de carga del generador, este no entrega tensión en bornes, ya que la corriente del inducido fluye hacia la carga, desviándose muy poca corriente hacia la excitación Para el generador shunt, será importante que no se conecte carga hasta que el generador alcance su tensión nominal
Un generador shunt puede llegar a des excitarse debido a un aumento de la carga, mas aún cundo se trate por debajo del codo de la curva
CARACTERÍSTICA EXTERNA v=f(I) Cuando se conecta la carga en bornes del generador, se presenta una caída de tensión, esto se debe a: 1. Caída de tensión interna en el inducido : producida por la resistencia del circuito del inducido Ra 2. Efecto de la reacción del inducido 3. Reducción de la corriente de excitación : provocada por los factores anteriores
CARACTERÍSTICA EXTERNA v=f(I) 1. Caída de tensión interna en el inducido Las diversas componentes resistivas del devanado del inducido son:
CARACTERÍSTICA EXTERNA v=f(I) 1. Caída de tensión interna en el inducido Las ecuación de la tensión es: = −
Para un generador sin carga Ia=0, por tanto V a=Eg Para un generador shunt cargado, cuando aumenta la corriente de carga, la corriente del inducido también lo hace, recordemos que: = +
Aumentando también la caída de tensión en el inducido
CARACTERÍSTICA EXTERNA v=f(I) 2. Reacción del inducido Los conductores del inducido, suministran una corriente de carga en el mismo sentido que la tensión inducida. Debido a que los conductores se disponen en el hierro, se produce una f.m.m. de inducido proporcional a la corriente de carga. Este efecto distorsiona el flujo del entrehierro producido por la excitación, la reducción del flujo de excitación mutuo φm reduce las tensiones generadas y en bornes del inducido
CARACTERÍSTICA EXTERNA v=f(I) 3. Reducción de la corriente de excitación La tensión en bornes (V a) disminuye a medida que aumenta la corriente de carga, debido a los efectos anteriores. Esta disminución origina una disminución en la corriente de excitación y en consecuencia del flujo por polo. Si la corriente de excitación del generador y la velocidad son tales que los polo no están saturados, la maquina se desexcita rápidamente
EFECTO DE LA VELOCIDAD SOBRE LAS CARACTERISTICAS DE CARGA Las discusiones anteriores se hicieron con la base que la velocidad de la maquina motriz permanece constante, sin embargo el par electromagnético que aumenta con la carga, disminuye la velocidad de la maquina motriz La tensión generada depende del flujo así como de la velocidad, para un flujo mutuo en el entrehierro constante se genera una determinada tensión En la figura se puede observar el efecto de una corriente de excitación constante sobre la saturación del núcleo para distintos valores del velocidad para una misma intensidad de excitación
En este generador el inductor y el inducido están conectados en serie
Cuando la maquina esta en vacío al ser: = =
La máquina presenta una pequeña tensión debida al magnetismo remanente Cuando se conecta la carga, a través de la excitación serie circulará la misma corriente por el inducido y la carga, cuando la fmm adicional (que se añade al flujo residual) para producir una tensión generada mayor La tensión generada se ve disminuida por dos caídas de tensión = -( ∙ - ∙ )
Esto se puede observar en la figura:
Otra razón por la que cae la tensión se debe a la reacción del inducido
La tensión en bornes V T es la resultante de factores como: 1. Los factores que tienden a disminuir la tensión V l 2. La corriente Is que tiende a aumentar la tensión generada Eg El resultado es que para una determinada velocidad de la maquina se produce una tensión máxima Em ,
Este punto es «critico» debido a que allí cesa la autoexcitación y desde allí ya no se produce corriente adicional Para este valor de corriente de carga Ilm, las caídas de tensión en el inducido y de excitación serie, así como la caída de tensión debida a la reacción del inducido, equilibran exactamente al aumento de la fmm que se produce en la excitación serie. Debido a esto la tensión en bornes permanece constante La parte útil de la característica se presenta en la figura. Una carga adicional, mas allá de la tensión critica produce una «caída brusca» de la tensión en la carga. Esta condición se aprovecha en soldadores eléctricos, en los cuales la corriente debe permanecer casi constante
La regulación de tensión de un generador serie es muy deficiente, sin embargo la capacidad de la excitación serie para producir magnetización adicional útil como respuesta al aumento de la carga, puede aprovecharse al igual que las características del generador shunt, para construir un generador llamado compound. Se presentan dos combinaciones: 1. Generador compound con derivación corta. = +
= + ;
2. Generador compound con derivación larga. = +
= + ; +
+
1. Generador compound con derivación corta.
2. Generador compound con derivación larga.
Un examen de las dos variantes muestra que sea cual sea la configuración, la tensión en la carga esta dada por: = − ( ∙ + ∙ )
La tensión generada Eg en un generador compound es el resultado de las fmm producida por los amperios vuelta en serie ( ∙ ) y en shunt ( ∙ ) debidos a la corriente que circula por los devanados de excitación
Un examen de las dos variantes muestra que sea cual sea la configuración, la tensión en la carga esta dada por: = − ( ∙ + ∙ )
La tensión generada Eg en un generador compound es el resultado de las fmm producida por los amperios vuelta en serie ( ∙ ) y en shunt ( ∙ ) debidos a la corriente que circula por los devanados de excitación
Cuando la fmm de la excitación serie se SUMA a la fmm de la excitación shunt, se dice que el generador es « ADITIVAMENTE COMPOUNDADO »
Cuando la fmm de la excitación serie se OPONE a la fmm de la excitación shunt, se dice que el generador es «COMPOUND DIFERENCIAL O ANTICOMPOUND »
CARACTERISTICAS DEL GENERADOR COMPOUND ADITIVO Existen tres tipos de características de carga posibles para un generador compound, ya sea en derivación larga o corta. Se clasifican según la fmm relativa adicional producida por la excitación serie. Estos tres tipos se denominan: 1. Hipercompound o supercompound 2. Compound normal 3. Hipocompound
CARACTERISTICAS DEL GENERADOR COMPOUND ADITIVO 1. Hipercompound o supercompound Es aquel en que la tensión en bornes de la carga aumenta y es mayor que la tensión de vacío Produce una regulación de tensión negativa
2. Compound normal Es aquel en que la regulación de tensión en bornes de la carga es «cero%»
CARACTERISTICAS DEL GENERADOR COMPOUND ADITIVO 3. Hipocompound Es aquel cuya característica tensión-carga presenta una tensión inferior a la de vacío (regulación positiva) Los amperios vuelta de la excitación hacen que la característica tenga una regulación mejor que la del shunt pero inferior a la del compound normal
CARACTERISTICAS DEL GENERADOR COMPOUND ADITIVO
Relaciones de tensión en maquinas compound y shunt
CARACTERISTICAS DEL GENERADOR COMPOUND ADITIVO
Corrientes y tensiones en generadores compound
REGULACION DEL GRADO DE COMPOUNDAJE DE LOS GENERADORES COMPOUND La resistencia en derivación (Rd) indicada en la figura anterior representada por una resistencia variable, en algunas maquinas se trata de una resistencia de gran resistividad que permanece constante y que no depende de la temperatura . Puede estar fabricada de manganina o constantan Se denomina grado de compoundaje al aumento de la tensión para una carga nominal Para la figura, va desde E2 hasta E4
CARACTERISTICAS DEL GENERADOR COMPOUND ADITIVO
Relaciones de tensión en maquinas compound y shunt
REGULACION DEL GRADO DE COMPOUNDAJE DE LOS GENERADORES COMPOUND Para determinar el grado de compoundaje se hace funcionar el generador como shunt (excitación serie desconectada). Cuando se alcance la velocidad y carga nominales se anotan: 1. La corriente de excitación 2. La corriente de carga 3. Las tensión en bornes E1 A la carga nominal, si se desea un generador compound normal se debería elevar la tensión desde E1 hasta E3. A fin de elevar la tensión a plena carga, se debe elevar la tensión de excitación
CARACTERISTICAS DEL GENERADOR COMPOUND ADITIVO
Relaciones de tensión en maquinas compound y shunt
REGULACION DEL GRADO DE COMPOUNDAJE DE LOS GENERADORES COMPOUND Un aumento en los amperios vuelta de la excitación, también es un aumento de los amperios vuelta serie (así como del valor de la resistencia de derivación), necesarios para reducir un grado de compoundaje
∙ = ∙
Y como la resistencia de derivación y la excitación serie están en paralelo entre si
REGULACION DEL GRADO DE COMPOUNDAJE DE LOS GENERADORES COMPOUND ∙ =
Donde δIf es la mayor corriente de excitación shunt a plena carga necesaria para producir la deseada tensión en bornes de generador compound Nf - Numero de espiras por polo de la excitación shunt Ns - Numero total de espiras de la excitación serie Is - Corriente de excitación serie requerida para producir la elevación de tensión Id - Corriente necesaria en la resistencia de derivación para producir Is Rd - Valor en ohms de la resistencia en derivación requerida para la regulación
CARACTERISTICAS DEL GENERADORES COMPOUND DIFERENCIAL Un generador compound diferencial es aquel compoundaje producido cuando la fmm de la excitación serie se opone a la fmm de la excitación shunt Sin carga el generador compound diferencial se autoexcita en su devanado shunt de la misma forma que el generador en derivación Al aplicar la carga, la tensión generada Eg disminuye debido a la reducción del flujo de excitación principal, creado por la fem opuesta de la excitación serie.
CARACTERISTICAS DEL GENERADORES COMPOUND DIFERENCIAL La reducción de Eg, produce además la caída de tensión en el inducido, la reacción del inducido y la reducción en la corriente de excitación producida por la reducción de la corriente en el inducido V a . El resultado es una fuerte caída de tensión en bornes, cuando la excitación esta fuera de la saturación se produce una rápida des-excitación.
Cuando se ensaya un generador en el laboratorio a fin de determinar sus características, es común regular el generador para la tensión nominal, la velocidad nominal y la carga nominal.
y se toman lecturas de la tensión en carga y de la corriente en cada escalón, es posible comparar las características para diversas conexiones a diversa carga.
El efecto de la reducción de la velocidad es el de aumentar la saturación del circuito magnético. Un aumento de la saturación a velocidades inferiores tiende a mejorar la regulación de tensión en los generadores shunt y en los compound
El generador compound aditivo, el circuito de excitación esta saturado a velocidad inferior, viéndose un efecto de resultando de la fmm menos pronunciado. Un aumento de la velocidad, acarrea menor saturación. Para un circuito magnético menos saturado, el efecto de oposición de la excitación serie seria incluso mas pronunciado y el flujo de excitación neto seria cero aproximadamente.
Se puede deducir: Es mejor accionar los generadores a velocidades reducidas con elevadas excitaciones para producir mas saturación y mejor regulación Si bien se mejora la regulación, el rendimiento se ve disminuido Se puede deducir: Es mejor hacer funcionar los generadores a la velocidad nominal
