tema 5 maquina cc

5/25/2018 TEMA 5 Maquina Cc

1/88

Mquina de corrent continu 1

5. MQUINA DE CORRENT CONTINU

5.1 Introducci.

5.2 Principi de funcionament i constituci5.2.1 Mquina de c.c. elemental5.2.2 Constituci de la mquina de c.c. real5.2.3 Nomenclatura utilitzada5.2.4 Representaci grfica5.2.5 Anlisis de funcionament de la mquina de c.c. real

5.3 Expresside la f.e.m. interna dindut o darmadura Ea .5.4 Expressi del parell intern Ti .

5.5 De qu depn el flux ?5.6 Determinaci de la constant [ K per mquines de c.c. treballant amb flux

constant5.7 Esquema equivalent de la mquina de c.c. en rgim permanent amb excitaci

independent.5.8 Formes de connexi i caracterstiques del debanat de camp o dexcitaci. Corbes

parell-velocitat5.8.1 Excitaci independent.5.8.2 Excitaci parallel o shunt5.8.3 Excitaci srie5.8.4 Caracterstiques del debanat dexcitaci independent, del debanat parallel

i del debanat srie5.9 Potncia nominal, prdues, potncia mecnica interna, rendiment i ndex de crrega.

5.10 Operaci com a motor funcionant amb excitaci independent5.10.1 Comportament del motor de c.c. si no hi ha excitaci5.10.2 Engegada del motor de c.c.5.10.3 Canvi del sentit de gir5.10.4 Frenat elctric del motor de c.c.5.10.5 Variaci de velocitat5.10.6 Corbes lmit parell-velocitat en rgim permanent. Zona de parell mxim

constant i zona de potncia mxima constant5.10.7 Lmits de funcionament

5.11 Zones de funcionament de la mquina de c.c. amb excitaci independent. Els quatrequadrants.

5.12 Introducci al comportament en rgim transitori5.13 Introducci a la regulaci de velocitat de motors de c.c.5.14 Fenomen de la reacci magntica transversal dindut. Debanat de compensaci5.15 Fenomen de commutaci. Pols auxiliars o de commutaci5.16 Aplicacions de la mquina de c.c.

5.16.1 Aplicacions com a generador5.16.2 Aplicacions com a motor

5.17 Dades tcniques de la mquina de c.c.

Annex: Com es produeix lautoexcitaci dun generador de c.c. amb excitaci parallelo shunt


2/88


5.1 INTRODUCCI

Les expressions que defineixen el funcionament de la mquina de c.c. sn relativamentsenzilles. Si considerem que el flux dexcitaci o flux de camp s constant tenim:

- Parell proporcional a la intensitat dindut o darmadura.- Velocitat proporcional a la f.e.m. interna.

Aix fa que simplement controlant la intensitat amb qu alimentem lindut puguemcontrolar el parell. El control dintensitat saconseguir amb la variaci de la tensicontnua amb que alimentem lindut o armadura. Obtenir una tensi contnua variable srelativament senzill. Per exemple, podem obtenir-la mitjanant ponts rectificadorscontrolats (amb tiristors). Cal dir a ms que si salimenta el motor de c.c. amb lequipadequat i sutilitza una tcnica de control escaient, saconsegueix una molt bona respostadinmica (fiabilitat i rapidesa) quan es vol regular la seva velocitat.

Aquestes circumstncies han fet que la mquina de c.c. hagi sigut la ms utilitzada enaccionaments que precisaven velocitat variable. Actualment el desenvolupament delelectrnica de potncia per un costat, i dels microprocessadors per laltre, han fet possibleobtenir equips electrnics amb els que podem alimentar altres tipus de motors, com perexemple el motor dinducci, i obtenir una regulaci de velocitat amb resposta dinmicasemblant a la que obtenim amb la mquina de c.c.

Aix podem dir que actualment el motor de c.c. dna pas a altres tipus de motors enaccionaments de velocitat variable. La causa est bsicament en qu amb aquests altrestipus de motors evitem els problemes que com veurem apareixen en els motors de c.c. en elconjunt escombretes-collector de delgues. Malgrat aix trobem encara molts accionamentsindustrials amb motor de c.c. i normalment es fa imprescindible utilitzar motors de c.c. enaplicacions en que es dificults o inviable la utilitzaci de corrent altern, com per exempleen vehicles mbils autnoms.

5.2 PRINCIPI DE FUNCIONAMENT I CONSTITUCI

5.2.1 Mquina de c.c. elemental

Funcionament com a generador:En les mquines de c.c. funcionant com a generador interessa obtenir en borns una tensicontnua el ms uniforme possible. En lapartat 4.6 del tema 4 veiem que amb la mquinaelctrica elemental de la figura sobt una f.e.m. induda en lespira tal com es mostra en lagrfica:


3/88


Mquina elemental amb dos anells collectors

Forma d'ona de la tensi generada en extrems de les escombretes

La soluci perqu la tensi a la sortida tingui sempre la mateixa polaritat est amb"rectificar" per exemple les semiones negatives de tensi induda.

Aquesta idea es pot portar a la prctica utilitzant un nic anell o cilindre de materialconductor semiseccionat, sobre el que freguen les dues escombretes. Les escombretes essituen de tal forma que els contactes elctrics dels terminals A1 i A2 del circuit exterior

amb els extrems 1 i 2 de lespira sintercanvien cada vegada que la f.e.m. induda passa perzero. Amb aix saconsegueix que, encara que la tensi induda en lespira sigui alterna, enel circuit exterior sigui "rectificada" i per tant sempre amb la mateixa polaritat.

El dispositiu cilndric de material conductor utilitzat per aquesta rectificaci rep el nom decollector i cada una de les zones allades entre s amb les que sha dividit rep el nom dedelga.


4/88


Mquina elemental de c.c. amb collector de dues delguesForma dona de la tensi generada a lespira i en extrems de les escombretes

Funcionament com a motor:

Amb la mquina elctrica elemental amb dos anells collectors que hem mostrat en laprimera figura tenim com ja havem explicat (apartat 4.7 del tema 4) una limitaci en quanel seu funcionament com a motor.

Recordem:La mquina rotativa elemental amb dos anells collectors que hem analitzat t unalimitaci en quan el seu funcionament com a motor. En efecte, hem vist que si injectemintensitat a lespira de la mquina elemental apareixen dos pols sobre el rotor rr SiN i pertant apareixeran unes forces datracci o repulsi daquests pols respecte als pols delestator ss SiN . En la figura sanalitzen aquestes forces que produeixen en principi un

parell intern en sentit antihorari que far rodar el rotor. Quan lespira est a 90 del campmagntic no tenim parell de rotaci, doncs les forces datracci sanullen. Linconvenient

est en que encara que per la inrcia del sistema mecnic lespira continua rodant tindremara un parell en sentit horari (contrari a lanterior) obligant a lespira a tornar endarrera.Finalment lespira restar quieta en la posici en que est a 90 del camp magntic. Podemobservar que per aconseguir un moviment continu de rotaci far falta mitjanant unmecanisme electromecnic (conjunt escombretes-collector de delgues) invertirautomticament el sentir de la intensitat cada vegada que lespira elemental passi per lalnia neutra (a 90 del camp magntic).


5/88


El dispositiu collector de dues delgues que hem mostrat en lapartat anterior, permetsolucionar aquesta limitaci.

El principi de funcionament de qualsevol motor es basa en la interacci (atracci i/orepulsi) dels camps magntics destator i de rotor. Les segents figures mostren unamquina de corrent continu elemental amb una sola espira. Observem com grcies alcollector de delgues (en aquest cas dues delgues) i a les escombretes podem aconseguiruna inversi del corrent en el interior de lespira quan aquesta est perpendicular al camp

magntic destator. Grcies a aquesta inversi de la intensitat en el interior de lespira


6/88


aconseguim crear en cada instant un pol N i un pol S en el rotor en la situaci adequada peraconseguir un moviment rotatiu continu.

1)

2)


7/88


3)

4)

5)


8/88


En les segents figures es mostra les dues opcions per invertir el sentit de gir:

- Invertir la polaritat de la bateria amb que alimentem lindut o armadura en el rotor(lespira en el cas daquesta mquina de c.c. elemental ).

- Invertir la polaritat magntica dels pols de camp o dexcitaci a lestator. Aix no espossible en les mquines de c.c. amb inductor amb imants permanents, noms espossible en mquines amb debanat de camp o dexcitaci. En aquest cas podem invertirel sentit de gir canviant la polaritat de lalimentaci de c.c. amb que alimentem aquestdebanat.


9/88


5.2.2 Constituci de la mquina de c.c. real

Recordem quines parts de la mquina estan ubicats a lestator i rotor:

Aspecte exterior dun motor de corrent continu industrial:

Les segents figures mostren esquemticament un tall de diferents mquines de correntcontinu de dos pols indicant els seus elements. Alguns elements sn imprescindibles,altres com els pols auxiliars o de commutaci amb el seu debanat i el debanat decompensaci no els porten totes les mquines.


10/88


Els pols auxiliars o de commutaci i el debanat de compensaci estan situats en lestator itenen com a funci corregir alguns problemes que ens crea la circulaci dintensitatdindut (en el rotor).

- Els pols auxiliars o de commutaci amb el seu debanat de pols auxiliars o de

commutaci tenen com a funci aconseguir una bona commutaci (canvi del sentit de laintensitat en les bobines grcies al collector i escombretes) per reduir al mnim lesguspires en el contacte mbil escombretes - collector de delgues. Donat que el campmagntic que han de produir els pols auxiliars o de commutaci s per corregir

problemes de guspireig degut a la circulaci de la intensitat dindut en el conjuntcollector-escombretes, aquest camp magntic haur de ser ms fort (correcci msenrgica) si la intensitat dindut s ms elevada. CONCLUSI: com que la correccique han de fer els pols auxiliars depn del valor de la intensitat dindut, els debanatsdels pols auxiliars o de commutaci (a lestator) es connecten en srie amb el debanatdindut (en el rotor).

- El debanat de compensaci est bobinat dins de ranures en els pols principals delestator. Aquest tipus de debanat el trobem en poques mquines de c.c. La seva funcis compensar lefecte que t el camp magntic creat per la intensitat dindut sobre elcamp magntic principal creat pel debanat de camp o dexcitaci (situat sobre els pols

principals). CONCLUSI: de la mateixa forma que abans, donat que sha de corregirun efecte produt per la intensitat dindut, els debanats de compensaci (a lestator) esconnecten en srie amb el debanat dindut (en el rotor).

Aix el debanat dels pols auxiliars o de commutaci i el debanat de compensaci siexisteixen es connecten segons la figura:


11/88


De fet en mquines de c.c. industrials, la connexi srie del debanat de pols auxiliars o decommutaci, del debanat de compensaci i de les escombretes ja est feta en la mquina

pel fabricant, i lusuari accedeix noms als borns externs, tenint dos parelles de borns queen la figura hem identificat com:

21 aa : borns de connexi del debanat dindut o darmadura.

21 ff : borns de connexi del debanat de camp o dexcitaci.

Al final daquest tema (apartats 5.14 i 5.15) donarem algun detall ms sobre aquestsdebanats de correcci:

- debanat dels pols auxiliars o de commutaci.- debanat de compensaci.

- Tall duna petita mquina de corrent continu dimants permanents:

Les mquines de c.c. dimants permanents sn noms per petites potncies donat queamb imants permanents no es poden crear camps magntics molts forts i es fanecessari a partir de una determinada potncia utilitzar debanats de camp o dexcitaci.

ESTATOR:

(1) : imants permanents.(4): escombretes

ROTOR:

(5): debanat dindut odarmadura

(6): collector de delgues


12/88


- Tall duna mquina de corrent continu amb debanat de camp o dexcitaci amb elsmnims elements:

ESTATOR:

(1) : pols principals.(1): debanat inductor odebanat de camp odebanat dexcitaci

(4): escombretes

ROTOR:

(5): debanat dindut o

darmadura(6): collector de delgues.

Sadjunta tamb una figura que mostra ms clarament en tres dimensions aquestes partsper una mquina de c.c. de 4 pols:


13/88


- Tall duna mquina de corrent continu amb debanat de camp o dexcitaci que inclouja pols auxiliars o de commutaci amb el seu debanat. (Aquest tipus de mquina de c.c.s la ms utilitzada industrialment per mitjanes i elevades potncies):

ESTATOR:

(1) : pols principals.(1): debanat inductor o

debanat de camp odebanat dexcitaci

(2): pols auxiliars o decommutaci

(2): debanat dels polsauxiliars o decommutaci.

(4): escombretes

ROTOR:


(6): collector de delgues

- Tall duna mquina de c.c. amb debanat de camp o dexcitaci i amb pols auxiliars ode commutaci amb el seu debanat i amb debanat de compensaci. Aquest tipus demquina tan completa no s massa habitual


14/88


ESTATOR:

(1) : pols principals.(1): debanat inductor o

debanat de camp o

debanat dexcitaci(2): pols auxiliars decommutaci (en aquestcas sn ms petits)

(2): debanat dels polsauxiliars o decommutaci.

(3): debanat de compensaci(4): escombretes

ROTOR:


(6): collector de delgues.En la segent figura es mostra amb ms detall les parts dun collector de delgues:

Finalment en la segent fotografia podeu observar com s el rotor duna mquina de c.c.industrial:


15/88


Podeu tamb observar altres fotografies amb detalls constructius de lestator de diferentsmquines de c.c. al final de lapartat 5.15.


16/88


5.2.3 Nomenclatura utilitzada

Ara que coneixem ja les parts duna mquina de c.c. fixarem la nomenclatura queutilitzarem. Seguim bsicament la nomenclatura anglesa, fent servir com a subndex leslletres minscules ai fper designar elements del circuit d'indut o d'armadura (armature)

i del circuit del debanat de camp (field) o dexcitaci respectivament.

Donat que el debanat de pols auxiliars o de commutaci i el debanat de compensacimalgrat estiguin en lestator sn per corregir problemes degut a la intensitat dindut(en el rotor), i que les escombretes sn elements per alimentar el debanat dindut odarmadura en el rotor, quan es parla de la resistncia del debanat dindut odarmaduraes fa referncia a la resistncia total daquests elements en srie.

- Rotor: indut o debanat darmadura. ( "armature"):

Va : (terminal armature voltatge), tensi en els terminals de lindut.Ia : (armature current), intensitat dindut.Ea : f.e.m. interna dindut.

Ra : resistncia dindut o armadura. Comprn la resistncia hmica del debanatdarmadura, de les escombretes i la resistncia hmica dels debanats decompensaci i dels debanats dels pols auxiliars si hi sn:

- Estator: inductor o debanat dexcitaci o debanat de camp ( "field" ):

Vf: (terminal field voltage ), tensi en els terminals de linductor.If: (field current), intensitat de linductor, intensitat dexcitaci o intensitat de camp.Rf: resistncia del bobinat de linductor.


17/88


5.2.4 Representaci grfica

Naturalment si la mquina de c.c. s dimants permanents no tindr representat el debanatde camp o dexcitaci.

5.2.5 Anlisi de funcionament duna mquina de c.c. real

Hi ha diversos tipus de debanat dindut o armadura. Per explicar el funcionament de lamquina de c.c. "real" hem agafat una mquina amb un debanat anomenat simplex perqusadapta millor als nostres propsits didctics.

Podem considerar que en el rotor daquesta mquina de c.c. tenim varies espires o bobinescom en la mquina de c.c. elemental collocades en srie. La posici diametral de cadauna daquestes bobines est desplaada uns graus respecte a les posterior i segent de lasrie:


18/88


Funcionament com a generador:

En les dues figures que segueixen mostrem aquest tipus de debanat dindut:


19/88


Si analitzem amb detall el desenvolupament del debanat, veiem que tenim en el cas demquines de dos pols dues branques en parallel en les que es disposen les diferents

bobines en srie.

Bobines en commutaci:

Sobserva que les bobines que en aquest instant estan commutant 1-1' i 7-7' no sha indicatel sentit dintensitat. Aquestes bobines estaran situades en aquest instant en la lnia neutrageomtrica.

La disposici de les escombretes en canvi dependr de la forma del interconnexionat entreels caps de bobina i les delgues corresponents. Aix justifica les diverses disposicions queens trobem en les diverses figures daquest tema. En tot cas els extrems de les bobines queestan commutant sempre queden connectats a delgues que ens aquest instant estancurtcircuitades per les escombretes.

En el cas de funcionar com a generador tindrem la disposici indicada en la segentfigura. Cal observar que per les bobines 1-1' i 7-7' tampoc sha assenyalat el sentit de laintensitat donat que sn les bobines que estan commutant en aquest instant. El fenomen decommutaci s complex i sanalitza en detall en lapartat 5.15.


20/88


Cada bobina aportar una f.e.m. i podem considerar que tenim en aquest instant el segentcircuit equivalent:

En aquest circuit equivalent no apareixen les bobines 7-7' i 1-1' donat que aquestesbobines estan commutant en aquest instant, o sigui que estan en curtcircuit. Cal dir que enun instant determinat la f.e.m. en cada bobina depn de la seva posici..

Podem representar la f.e.m. de cada bobina per bateries:


21/88


Recordem la forma dona habitual de la tensi induda:

Mostrem seguidament com ser la suma de les f.e.m. duna branca parallel:

'1212'1111'1010'99'88 eeeee :


22/88


Cada una de les bobines diametrals est desplaada uns graus respecte les altres, per aixsobserva que en el temps les tensions indudes tamb estan desplaades. Per aix la tensisuma en extrems de les escombretes t una forma dona que saproxima a una tensicontnua:


23/88


Funcionament com a motor:

Si en la mateixa mquina de c.c. analitzada, "injectem intensitat" al debanat dindut odarmadura mitjanant una bateria de c.c. exterior connectada a les escombretes, tindremun funcionament com a motor. Podrem analitzar el funcionament veient quines sn les

forces sobre cada conjunt de conductors allotjats en les ranures. De forma ms simpleanalitzarem el funcionament analitzant les polaritats magntiques que apareixen en el rotori veient quin s el sentit de gir en funci de les forces datracci estator-rotor.

Suposem que per una determinada polaritat de la bateria tenim els sentits de les intensitatsen el debanat dindut o darmadura segons la figura. Marquem els dos pols magntics delrotor i a partir daqu dedum fcilment el sentit de gir:

Comparaci de la mquina de c.c. funcionant com a generador i com a motor:

En lltim apartat veiem que per una mateix sentit de circulaci de la intensitat en eldebanat dindut o armadura (recordem que est situat en el rotor) el sentit de gir escontrari en els funcionament com motor i generador. Les segents figures aclareixen milloraquesta idea:


24/88


- Sentit dintensitat "entra", funcionament com a motor :

- Sentit dintensitat "entra", funcionament com a generador :


25/88


- Sentit dintensitat "surt", funcionament com a motor :

- Sentit dintensitat "surt", funcionament com a generador :

5.3 EXPRESSI DE LA F.E.M. INTERNA DINDUT O DARMADURA Ea

Quan en el tema "Generalitats sobre les mquines elctriques rotatives" parlvem de lamquina rotativa elemental obtenem lexpressi de la f.e.m. induda en una espira:

Recordem: - Valor de la tensi o f.e.m. induda en lespira si aquesta gira:

Tensi o f.e.m. induda en una espira nrS

2086,0


26/88


: flux magntic.S : superfcie sobre la que tenim el flux magntic.

: longitud de lespira.r : radi de lespira.n : revolucions per minut.

Donat que la mquina de corrent continu es basa en lacci simultnia de varies "espires obobines elementals", lexpressi matemtica de la tensi o f.e.m. interna induda en elconjunt de debanat del rotor ( debanat dindut o darmadura ) ser semblant:

Tensi o f.e.m. interna induda en el debanat dindut nK1047,0Ea

K: es una constant que depn de caracterstiques constructives de la mquina c.c.: flux til que travessa lindut aproximadament igual al flux principal produt a

lestator (pels imants permanents o pel debanat de camp o dexcitaci)

n: velocitat de rotaci en revolucions per minut ( r.p.m.).

Cal dir que aquesta tensi o f.e.m. interna induda est present en la mquina de c.c. tant sifunciona com a generador com si funciona com a motor, doncs en els dos casos tenimespires o bobines girant dins un camp magntic i per tant tensions indudes.

5.4 EXPRESSI DEL PARELL INTERN iT

Quan en el tema "Generalitats sobre les mquines elctriques rotatives" parlvem de la

mquina rotativa elemental obtenem lexpressi del parell sobre lespira:Lexpressi matemtica del parell sobre lespira elemental s:

TS

I r 2

: flux magntic.S : superfcie sobre la que tenim el flux magntic. : longitud de lespira.

I : intensitat que circula per lespira.r : radi de lespira.

El parell interntotal en una mquina de corrent continu, ser degut a lacci simultnia detotes les espires o bobines elementals, aix tindrem que lexpressi del parell en unamquina de c.c. s molt semblant:

ai IKT T en Nm.


27/88


K: es una constant que depn de caracterstiques constructives de la mquina c.c.s la mateixa constant de lexpressi de la f.e.m.: E K na 01047,

: flux til que travessa lindut aproximadament igual al flux principal produt alestator (pels imants permanents o pel debanat de camp o dexcitaci)

aI : intensitat del debanat dindut o darmadura.

Cal indicar que aquest parell intern en la mquina de c.c. estar present tant si treballa coma motor (parell motriu) o com generador (parell resistiu en contra del moviment).

Finalment cal comentar que encara que nosaltres hem preferit referir-nos a la velocitat enr.p.m., molts de llibres de mquines elctriques expressen la velocitat en radians/segon. Enaquest cas les expressions de la f.e.m. i del parell intern ens queden:

KEa ; ai IKT

5.5 DE QUE DEPN EL FLUX ?

Tenim que tant la f.e.m. interna Ea com el parell depenen del flux :

E K na 01047,

ai IKT

El flux al que fan referncia aquestes dues expressions s el flux til que travessalindut, que s aproximadament igual al flux principal produt a lestator. Per fer aquestaaproximaci sha de menysprear lefecte de la reacci dindut (apartat 5.14).

Considerant doncs que tot el flux til es el produt per linductor de lestator tenim:

Mquines de c.c. de petita potncia amb imants permanents en lestator:

En aquest cas el flux s creat pels imants permanents i ser constanti no tenim possibilitatde variar el ni seu valor ni la seva polaritat.

Aix en mquines de cc amb imants permanents, donat que el flux s constant, tractaremsempre [ ] K com una constant.

Mquines de c.c. amb debanat de camp o dexcitaci en lestator:

En aquest cas el valor i la polaritat del flux dependran del valor i la polaritat de la intensitat

fI que circula pels debanat de camp o dexcitaci que envolten els pols principals delestator.

Per tant podem modificarel valor i la polaritat del flux modificant el valor i la polaritat dela tensi dalimentaci del debanat de camp o dexcitaci.


28/88


Caldr conixer com s la relaci entre el flux polar i la intensitat del debanat de camp odexcitaci f If .

Sabem que la corba tpica B-H dun material ferromagntic t la forma tpica mostrada enles segents grfiques:

Donat que:

nnn BSBK1047,0K1047,0Ea 1k

HN

HIf 2k

si per una determinada velocitat n tracem la corba fa IfE aquesta tindr la mateixaforma que la corba tpica B-H dun material ferromagntic.

Per tant a efectes prctics la influncia de la intensitat de camp o dexcitaci per produirflux sestudia indirectament a partir de les anomenades corbes de magnetitzaci de lamquina de c.c. Aquestes corbes indiquen la relaci entre If i la f.e.m. interna aE a una

determinada velocitat. De fet el que es fa es una mesura indirecta del flux doncs laa

E

s proporcional al flux. Aquestes corbes es poden obtenir fcilment.

En efecte, tenim:


29/88


Com veurem amb ms detall al parlar de lesquema equivalent de la mquina de c.c.,podem en un generador de c.c. mesurar la f.e.m. interna Ea fent treballar el generador enbuit (sense crrega elctrica). En efecte, treballant en buit no circula intensitat i no tenimcaigudes de tensi en els debanats dindut o armadura i per tant la tensi mesurada en

borns del circuit dindut o darmadura s aa VE .

Aix, fent treballar el generador en buit podem obtenir les corbes de magnetitzaci(anomenades tamb corbes de buit) a diferents velocitats.

El circuit a muntar per obtenir aquestes corbes s el segent:

Normalment no es t en compte el fenomen dhistresi magntica, i sobtenen corbesdaquesta forma:


30/88


Si considerem que la mquina de c.c. treballa en la zona de no saturaci de la corba- If:

podem aproximar la relaci f If a una recta de forma que podem escriure:

k If .

Daquesta forma podem expressar la f.e.m. interna Ea i el parell intern Ti en funci de laintensitat de camp o dexcitaci If:

aIfIfKaIfIKaIKiT

fIfK1047,0fIK1047,0K1047,0a nnnE

k

k

5.6 DETERMINACI DE LA CONSTANT [ K PER MQUINES DE C.C.TREBALLANT AMB FLUX CONSTANT

Tenim dues expressions bsiques del comportament de la mquina de c.c.:

nK1047,0Ea

T K Ii a

En mquines de c.c. dimants permanents tenim el flux constant i per tant tamb serconstant la quantitat [ K .

Tamb en mquines de c.c. amb debanat dexcitaci si la intensitat de camp o dexcitacis constant (o sigui tenim constant) la quantitat [ K s constant. Per tant sinteressant conixer el valor de [ K per un determinat valor de la intensitat dexcitaci.


31/88


Habitualment la mquina de c.c. treballar amb intensitat dexcitaci nominal, per tantnormalment interessar conixer el valor de [ K a la intensitat dexcitaci nominal:

K

Determinaci de [ K a partir de dades en unes condicions particulars:

s un procediment que sutilitzar en prcticament tots els problemes que plantejaremde la mquina de c.c. Normalment es coneixen valors de variables de la mquina enunes determinades condicions inicials de funcionament i es desitja conixer com actuarla mquina en unes noves condicions diferents per sense modificar la intensitatdexcitaci(o b es tracta duna mquina de c.c. dimants permanents).

Les dades conegudes de les condicions inicials ens permeten conixer [ K . El valorcalculat de [ K sutilitzar per calcular les dades que ens demanin en les noves

condicions.

Treballem amb una mquina de c.c. dimants permanents o amb una mquina ambdebanat dexcitaci amb nominal.fI i la fem treballar com a generador en buit o sigui

sense connectar cap crrega elctrica en els terminals de lindut o armadura. Mesuremla tensi a la sortida del debanat dindut (

baV ) i la velocitat ( n ).

Aix lexpressi de la f.e.m. quan en el debanat dexcitaci circula la intensitat nominal

ser:


32/88


E V K na a buit . ,01047

Daqu es pot deduir:

K Vn

a buit

.,01047

Partim de que la mquina de c.c. normalment treballa com a motor. Per tant les dades dela placa de caracterstiques fan referncia al seu funcionament com a motor. De totes lesdades que ens dona la placa de caracterstiques podem utilitzar les segents per calcular

la constant K :

- NP : potncia nominal (recordem que es potncia mecnica en leix)

- Nn : velocitat nominal.

- N.aI : intensitat dindut nominal

Per fer un clcul aproximat en ocasions es menyspreen les prdues en el ferro i lesprdues mecniques de tal forma que es considera el parell en leix igual al parell intern.Tamb es t en compte que naturalment les dades nominals del motor que ens dona el

fabricant corresponen a un funcionament amb la intensitat dexcitaci nominal.

Important per la resoluci de problemes: Tenim que lexpressi aIKT i fa

referncia al parell intern iT . Estrictament el parell en leix sT mai s igual al parellintern. Noms podem fer servir les expressions:

per fer clculs aproximats si en lenunciat del problema ens diuen: podem menysprearles prdues en el ferro i les prdues mecniques.


33/88


5.7 ESQUEMA EQUIVALENT DE LA MQUINA DE C.C. EN RGIMPERMANENT AMB EXCITACI INDEPENDENT

En rgim permanent, lesquema equivalent cont els segents elements:

Circuit darmadura o dindut:

- La f.e.m.. interna Ea representada per una font de tensi contnua.- La resistncia dels debanats dindut o darmadura Ra :

- La caiguda de tensi en les escombretes i delgues Vb . Quan la velocitat no s nulla,existeix una petita separaci entre les escombretes i delgues de forma que el correntcircula en forma darc elctric entre aquests dos elements. La caiguda de tensi delarc es pot considerar prcticament independent de la intensitat que circula i larepresentem per una bateria. Si es t en compte aquesta caiguda es sol considerar unvalor fix de 2 Volts, per per la major part daplicacions menysprearem aquestacaiguda de tensi i no apareixer aquesta bateria en lesquema equivalent.

Nota: en rgim permanent, com que treballem amb intensitat contnua constant lefecte

de la inductncia del debanat darmadura La no t cap influncia donat que en contnuauna bobina ideal es comporta com un curtcircuit.

Circuit inductor , de camp o dexcitaci:

- La resistncia dels debanats de camp o dexcitaci: Rf.

Nota: en rgim permanent tampoc hem de considerar lefecte de la inductncia deldebanat de camp Lf.


34/88


Circuit equivalent i equacions elctriques de la mquina de c.c. amb excitaciindependent treballant com a generador:

Circuit equivalent i equacions elctriques de la mquina de c.c. amb excitaciindependent treballant com motor:


35/88


5.8 FORMES DE CONNEXI I CARACTERSTIQUES DEL DEBANAT DE

CAMP O DEXCITACI. CORBES PARELL-VELOCITAT

El debanat de camp o dexcitaci pot alimentar-se de diferents formes:

- Excitaci independents: amb una font de c.c. independent.- Excitaci srie: connectant-lo en srie amb el debanat dindut.- Excitaci paral lel: connectant-lo en parallel amb el debanat dindut.

El comportament del motor s diferent en els tres casos. Donat que actualmentprcticament tots els motors de c.c. amb debanat dexcitaci treballen amb excitaciindependent, ens centrarem en aquest tipus de muntatge

Donarem per una breu ullada a les corbes tpiques parell-velocitat de la mquina de c.c.funcionant com a motoren aquest tres tipus de connexi.

5.8.1 Excitaci independent

Justificaci:

Partint de les expressions de la f.e.m. interna, del parell, i lequaci elctrica tenim:

Com observareu per obtenir una expressi de nfTi sha menyspreat la caiguda detensi a les escombretes bV .


36/88


Aquesta expressi matemtica ens dona les corbes representades.

Propietats:

- La caracterstica parell-velocitat mantenint el flux constant igual al nominal (o siguiamb intensitat dexcitaci nominal), adopta una forma de "caracterstica dura" perqualsevol tensi aplicada en els terminals. Si varia la demanda de parell de lacrrega mecnica la velocitat varia poc, aix fa que sigui una mquina amb facilitat

de regulaci de velocitat.

Aplicacions:

- Es un dels muntatges ms utilitzat. Sutilitza bsicament en sistemes de regulacide velocitat per mitj de convertidors controlats ac/cc o cc/cc.

- T un parell darrencada elevat.

5.8.2 Excitaci parallel o shunt

Propietats:

Comportament molt semblant a lexcitaci independent, a baixa tensi tenim perdebilitament de flux i la grfica t menys pendent.

Aplicacions:

Idntiques a les del motor de c.c. amb excitaci independent.


37/88


5.8.3 Excitaci srie

Propietats:

- El motor amb excitaci srie es caracteritza per lelevat parell darrencada- Perill dembalament del motor si el parell resistiu es baix. Cal installar lesproteccions adequades.

- La potncia til desenvolupada s aproximadament constant. En efecte, la potncias el producte nT1047,0P . Podem representar la potncia per les superfciesmarcades en la figura. Veiem que per dues situacions diferents la potncia saproximadament igual:

Aplicacions:

- Per accionaments que precisin un elevat parell darrencada. La aplicaci tpica latenim en tracci (vehicles elctrics, trens, tramvies ...). En efecte, en tracci esnecessari un parell elevat darrencada, a les pujades s necessria baixa velocitat ielevat parell i quan es roda en planer, fa falta un baix parell i una potnciaaproximadament constant.

5.8.4 Caracterstiques del debanat dexcitaci independent, del debanat parallel idel debanat srie

Per crear el flux principal s necessari que el debanat de camp o dexcitaci bobinat sobreels pols principals de lestator proporcioni un determinat nombre de ampers-voltes. Aquestnombre necessari de ampers-voltes el podem aconseguir amb moltes voltes i baixa

intensitat o amb poques voltes i elevada intensitat.


38/88


- Debanat dexcitaci independent o debanat dexcitaci parallel o shunt: Es dissenyaper treballar amb valors relativament baixos dintensitat moltes voltes de filconductor de petita secci elevada resistncia hmica.

- Debanat srie: Es dissenya per suportar la intensitat del debanat dindut o darmadura

que s relativament elevada i que provoqui poca caiguda de tensi poques espires defil conductor delevada secci baixa resistncia hmica.

En la figura es representen de forma esquemtica com sn aquests debanats:

5.9 POTNCIA NOMINAL, PRDUES, POTENCIA MECNICA INTERNA,RENDIMENT I NDEX DE CRREGA

Donat que actualment prcticament totes les mquines de c.c. amb debanat dexcitacitreballen amb excitaci independent, ens centrarem en aquest tipus de muntatge.

Potncia nominal en una mquina de c.c. com agenerador:

Correspon a la potncia elctrica que lliura la mquina en el borns de sortida en

condicions nominals de servei. Cal tenir en compte que treballem en contnua, serdoncs potncia activa i noms caldr multiplicar la tensi nominal en borns de sortida

NaV pel corrent nominal

NaI .

NN aaIVsortidadebornsenelectricapotenciaPN

( Watts, kWatts o MWatts ).


39/88


Potncia nominal en una mquina de c.c. com amotor:

Correspon a la potncia mecnica en el eix que la mquina de c.c. lliura en condicionsnominals de servei (tensi i intensitats nominals):

PN potncia mecnica en eix ( Watts, kWatts o MWatts ).

Prdues:

En la segent figura es mostren quines prdues cal considerar en la mquina de c.c. Calindicar que al contrari que en el transformador i en la mquina dinducci, les prduesen el ferro no estan representades per cap element de lesquema equivalent. En el

plantejament de problemes ens donaran si cal, el valor de les prdues en el ferro enWatts.

Potncia mecnica interna:

nK1047,0Ea

Per tant, quan el rotor est parat n = 0 i tenim que aE = 0 . El generador de c.c.representat en lesquema equivalent desapareix. O sigui que quan el rotor est parat ino tenim potncia mecnica interna la font no hi s. Aix podem deduir que la potnciaque absorbeix aquest generador fictici (cas de motor) o lliura (cas de generador) s la

potncia mecnica interna:

aai..mecIEP

Rendiment en una mquina de c.c. funcionant com agenerador:


40/88


- Tenint en compte els Watts de lexcitaci:

Coneixem: Expressi del rendiment:- Watts dentrada

- Watts de sortida )2()1(

)3(

dentradaWatts

sortidadeWatts

- Watts dentrada- Prdues )2()1(

)5()4()2()1(

dentradaWatts

sortidadeWatts

- Watts de sortida- Prdues )5()4()3(

)3(

dentradaWatts

sortidadeWatts

- Menyspreant els Watts de lexcitaci:

En mquines de c.c. industrials, es dissipen pocs Watts en lexcitaci en comparaci amb

la potncia que lliura la mquina a la sortida. Per aix moltes vegades es menysprea lainfluncia de la potncia dissipada en lexcitaci per calcular el rendiment.

Coneixem: Expressi del rendiment:- Watts dentrada- Watts de sortida )1(

)3(

dentradaWatts

sortidadeWatts

- Watts dentrada- Prdues )1(

)4()1(

dentradaWatts

sortidadeWatts

- Watts de sortida- Prdues )4()3(

)3(

dentradaWatts

sortidadeWatts


41/88


Rendiment en una mquina de c.c. funcionant com amotor:

- Tenint en compte els Watts de lexcitaci:

Coneixem: Expressi del rendiment:- Watts dentrada- Watts de sortida )2()1(

)3(

dentradaWatts

sortidadeWatts

- Watts dentrada- Prdues )2()1(

)5()4()2()1(

dentradaWatts

sortidadeWatts

- Watts de sortida- Prdues )5()4()3(

)3(

dentradaWatts

sortidadeWatts

- Menyspreant els Watts de lexcitaci:

Coneixem: Expressi del rendiment:- Watts dentrada- Watts de sortida )1(

)3(

dentradaWatts

sortidadeWatts

- Watts dentrada- Prdues )1(

)4()1(

dentradaWatts

sortidadeWatts

- Watts de sortida- Prdues )4()3(

)3(

dentradaWatts

sortidadeWatts

ndex de crrega en mquines de c.c.:


42/88


Donat que tant en funcionament com a generador com en funcionament com a motor lamquina de c.c. est lliurant potncia activa (Watts), per calcular lndex de crregacaldr dividir la potncia de sortida que est lliurant en aquest moment (en generadors

potncia elctrica, en motors potncia mecnica) per la potncia nominal

CP

PN

5.10 OPERACI COM A MOTOR FUNCIONANT AMB EXCITACIINDEPENDENT

5.10.1 Comportament del motor de c.c. si no hi ha excitaci

En el funcionament com a motor, la f.e.m. interna Ea soposa a la tensi dalimentaci iper tant limita la circulaci dintensitat. Si a conseqncia duna avaria no tenim tensidexcitaci no tindrem flux i la f.e.m. interna Ea ser:

E K n K na 0 1047 0 1047 0 0, , Volts.

En aquestes circumstncies la intensitat dindut est limitada noms per la resistncia deldebanat dindut o armadura Ra , i per tant tindrem valors molt elevats dintensitat.

Caldr establir un sistema de detecci de falta dintensitat en el debanat de camp odexcitaci i un dispositiu de desconnexi instantnia de la tensi dalimentaci dindut sies detecta falta dexcitaci.


43/88


5.10.2 Engegada del motor de c.c.

La inrcia mecnica del conjunt motor-crrega mecnica fa que a lengegar un motor no espugui assolir la velocitat de rgim de forma instantnia. En els primers instants tenim unavelocitat molt baixa, aproximadament igual a zero. Qu passa amb la f.e.m. interna en

aquestes circumstncies?

Digual forma que en el cas anterior de falta dexcitaci, si n 0 la f.e.m. s:

E K n K a 0 1047 0 1047 0 0, , Volts.

Aquests valors baixos de f.e.m. interna fa que per grans motors industrials sigui necessarilimitar el valor de la tensi dalimentaci del debanat dindut o armadura durant el perodedengegada per tal de no tenir valors molt elevats dintensitat dindut.

Antigament es limitava la intensitat durant el perode dengegada intercalant resistnciesen srie amb el debanat dindut o darmadura que eren curtcircuitades posteriorment unavegada passat el perode dengegada.

Actualment la forma ms habitual daconseguir aquesta limitaci de la tensi es descriuseguidament:

Utilitzaci de convertidors esttics AC/DC o DC/DC:

Donat que normalment el motor de corrent continu sutilitzar per aplicacions en lesque calgui variar la velocitat, aquests motors estaran alimentats per dispositius

electrnics de potncia que proporcionant tensi contnua variable. Aquestconvertidors sigui AC/DC (convertidor de tensi alterna a tensi contnua variable) oDC/DC (convertidors de tensi contnua a tensi continua variable) estan dissenyats

per tal de que puguin proporcionar en el moment dengegada una tensi dalimentacique vari de forma progressiva tal com es mostra en la figura:


44/88


5.10.4 Inversi del sentit de gir

Tal com sha indicat en lapartat 5.2.1 tenim:

- Motors de c.c. dimants permanents

Noms tenim una possibilitat:

- Invertir la polaritat de la font de c.c. amb que alimentem el debanat dindut odarmadura (en el rotor)

- Motors de c.c. amb debanat de camp o dexcitaci

Tenim dues possibilitats:

- Invertir la polaritat de la font de c.c. amb que alimentem el debanat dindut o

darmadura (en el rotor)

- Invertir la polaritat de la font de c.c. amb que alimentem el debanat de camp odexcitaci (en lestator)

5.10.5 Frenat elctric del motor de c.c.

La massa del conjunt motor-crrega mecnica acumula una certa energia mecnica enforma denergia cintica.

Si volem parar el motor, podem desconnectar la tensi dalimentaci. En aquest caslenergia cintica emmagatzemada pel conjunt mecnic es dissipar en el treball per vncerel parell resistent de la crrega i els fregaments mecnics del sistema. Els temps dedisminuci de la velocitat fins la parada total no ser controlable.

En determinats processos industrials el temps de parada segons aquest sistema pot sermassa llarg. Caldr utilitzar algun sistema de frenat. A part dels sistemes de frenatmecnics, podem frenar el motor de c.c. fent actuar la mquina de corrent continu com agenerador (recordem que tot generador elctric ofereix un parell resistent en contra delmoviment).


45/88


Possibles sistemes de frenat elctric:

Funcionament de la mquina de c.c. com generador amb dissipaci denergia sobreresistncies de frenat:

Com que hem invertit el sentit de la intensitat, tamb sinverteix el sentit del parell,

apareixent en el cas de la segona figura un parell en contra del moviment o sigui unparell de frenat.

Funcionament de la mquina de c.c. com generador amb retorn denergia a la xarxadalimentaci.

Com exemple mostrarem com fer el mateix frenat que hem fet anteriorment per araamb retorn denergia a la xarxa:


46/88


5.10.5 Variaci de velocitat

Per estudiar com podem variar la velocitat de la mquina de c.c. treballant com a motoramb excitaci independent, cal prviament revisar les corbes parell-velocitat. En lessegents figures veiem els diferents punts de funcionament considerant que la crrega

mecnica exigeix un parell constant (podria tractar-se per exemple dun aparellmuntacrregues ).


47/88


Observem que podem modificar la velocitat del motor de c.c. dues formes:

1) Treball a flux constant, normalment a flux nominal (amb intensitat dexcitaci nominal)

Mantenint constant el flux (mquines de c.c. dimants permanents o mquines de c.c.amb intensitat dexcitaci constant), i variant la tensi dalimentaci del debanatdindut o armadura. (en el rotor):

Treballant a flux nominal (o sigui amb N_fI ), el parell mxim que pot subministrar el

motor de c.c. en rgim permanent be limitat pel valor de la intensitat nominal deldebanat dindut o armadura.


48/88


2) Treball amb debilitament de flux.

Si hem assolit el valor mxim de la tensi dindut, Vamax , podem si es necessari

augmentar ms la velocitat disminuint el valor del flux, baixant la tensi del debanat decamp o dexcitaci.

Treballant amb debilitament de flux, amb valors de flux per sota del flux nominal, elparell mxim que podrem subministrar s inferior al parell nominal. En efecte, lefectede disminuir el flux s que amb la intensitat nominal dindut aconseguim menys parell:

Un altre inconvenient del treball per debilitament de flux s que la caracterstica parell-

velocitat perd les seves propietats de caracterstica "dura" i va disminuint la sevapendent cada vegada ms a mesura que disminum la intensitat dexcitaci.

Aquestes limitacions del control de velocitat per debilitament de flux justifiquen queaquest sistema per variar la velocitat sigui utilitzat en poques aplicacions. Per exemplesutilitza en ocasions quan es desitja regular la velocitat daccionaments de potnciaconstant (ex.: bobinadores) donat que aquest tipus de crregues a mesura que augmentala velocitat la crrega demana menys parell i per tant sadapten b a aquest sistema devariaci de velocitat.


49/88


5.10.6 Corbes lmit parell-velocitat en rgim permanent. Zona de parell mximconstant i zona de potncia mxima

Encara que les corbes que hem anomenat parell-velocitat nfT siguin importants perconixer el comportament duna mquina elctrica, especialment si aquesta treballa com a

motor, tamb s interessant conixer el lmits de funcionament de la mquina en rgimpermanent. En el cas dun motor elctric aquestes corbes lmit ens indiquen quin s elparell mxim que pot subministrar el motor en rgim permanent en funci de la velocitat.Naturalment el parell mxim en rgim permanent correspon al parell disponible quancircula la intensitat dindut nominal

NaI .

En lanterior apartat ja sha marcat el que hem anomenat zona prohibida en rgimpermanent. Aix la corba lmit tpica del motor de c.c. tindr la segent forma:

La segents figures complementen lexplicaci sobre el significat daquesta corba lmit:


50/88


Aquesta corba lmit ens marca clarament dues zones de treball:

- Zona de treball a parell mxim constant- Zona de treball a potncia mxima constant o zona de debilitament de flux.

Queda clar que estem parlem de lmits. No vol dir que en la zona de parell mxim constantel motor treballi sempre amb el mateix parell, el motor de c.c. per cada tensidalimentaci de lindut lliurar el parell que lhi demani la crrega mecnica en funci dela corba parell-velocitat del motor per aquesta tensi dalimentaci.


51/88


Quan debilitem el flux i treballem amb intensitats dexcitaci per sota de la nominal, elparell mxim disponible en rgim permanent ja no s el parell nominal, sin que el parellmxim disponible baixa. Aix en aquesta zona podem augmentar la velocitat per a costade que el parell disponible a la intensitat nominal disminueixi, tenint en el lmit que la

potncia mxima disponible s constant.

5.10.7 Lmits de funcionament

Hem parlat en lanterior apartat de lmits de parell mxim disponible en rgim permanent,entenent que en rgim permanent el parell mxim disponible correspon al valor del parellquan circula la intensitat nominal dindut o darmadura

NaI .

Ara ampliarem aquests aspectes parlant tamb de lmits de parell mxim disponible enrgim transitori i de lmits de velocitat.

El lmits que indiquem sn orientatius i corresponen a valors lmits per la majoria demotors de c.c. En tot cas ser el fabricant el que podr subministrar dades ms concretes

per cada tipus concret de motor.

Com que estem parlant en general, representarem els valors en les grfiques en tant per 1respecte al respectiu valor nominal. Donat que una vegada fixat el flux el parell s

proporcional a la intensitat dindut s indistint parlar de valor lmit de parell en tant per 1

NT

Tque de valor lmit dintensitat dindut o darmadura en tant per 1

Na

a

I

I

Estudiarem tots aquests aspectes a partir del motor de c.c. amb excitaci independent,donat que aquest tipus de connexi s la ms utilitzada.


52/88


En rgim permanent el lmit de parell el fixa la intensitat nominal dindutNa

I de tal

manera que el parell mxim disponible s el parell que obtenim quan circula la intensitatnominal dindut. Si circula de forma permanent una intensitat superior a la nominal sdeteriora lallant del debanat i aquest sacaba destruint. Naturalment aquest efecte trmicno s instantani, per tant sha de protegir la mquina de c.c. mitjanant una protecciretardada basada en el concepte de imatge trmica com per exemple un rel trmic.

En rgim transitori el lmit de parell depn del mxim valor dintensitat dindut que scapa de suportat transitriament el conjunt collector de delgues - escombretes.

Normalment aquest lmit transitori es fixa a dues vegades la intensitat nominal dindut:

NaI2 . Donat que habitualment el motor de c.c. sutilitza en aplicacions en les que fa

falta regular la velocitat, ser el propi sistema de regulaci de velocitat el que limitar laintensitat dindut o darmadura perqu no sigui superior a dues vegades el seu valornominal.

Normalment els perodes transitoris corresponen a quan es vol accelerar o desaccelerar elmotor. El lmit transitori de la mquina de c.c. de

NaI2 s relativament baix en

comparaci a altres tipus de motors com per exemple el motor dinducci. Al quedarlimitada en rgim transitori la intensitat a dues vegades el valor nominal, vol dir que el

parell mxim disponible quan volen accelerar s de NT2 aix fa que laccionamentacceleri ms lentament. Aquesta limitaci s important quan es tracta de servomotors dec.c. (Un servomotor es un motor elctric preparat per tenir un ptim comportamentdinmic).

El concepte transitori s relatiu, en tot cas ser el fabricant del motor de c.c. qui ens potindicar ms concretament quin temps pot suportar el conjunt collector de delgues -escombretes un valor dintensitat

NaI2 . De totes maneres el segent grfic intenta

representar aquests conceptes:


53/88


La velocitat de gir ser un lmit absolut. Les forces centrfugues que suporten debanats icollector augmenten quadrticament amb la velocitat, per velocitats superiors al doble dela velocitat nominal, aquestes forces sn el suficientment importants com per comprometrela integritat mecnica de la mquina. Veiem tamb que alguns fabricants indiquen un lmitde velocitat mxima ms petit que dues vegades la velocitat nominal (veieu el catleg de

motors de cc de la pgina 83)

5.11 ZONES DE FUNCIONAMENT DE LA MQUINA DE C.C. AMBEXCITACI INDEPENDENT. ELS 4 QUADRANTS

El concepte dels 4 quadrants de funcionament duna mquina elctrica rotativa saplica adiferents tipus de mquines elctriques rotatives. La mquina de c.c. s la que ens permetintroduir aquest important concepte.

Desenvolupem en la figura el concepte dels "4 quadrants" a partir dun exemple

daccionament en el que podrem fer treballar la mquina de c.c. en els 4 quadrants. Estracta de latracci de fires anomenada "nube".

En el segent grfic suposem que el sentit de la intensitat dexcitaci no canvia, o siguique en els 4 quadrants el flux tindr sempre la mateixa polaritat, per exemple + . s enaquest cas que s indistint assenyalar :

+ n + aE

- n - aE

+ T + aI- T - aI

en efecte, tenint en compte els signes de les variables en les expressions de la f.e.m. internai del parell tenim:

nn K1047,0E;K1047,0E aa

aa IKT-;IKT


54/88


s important observar que quan es representen les zones de funcionament amb els quatrequadrants els eixos sn contraris a les tpiques representacions de les corbes parell-velocitat nfT

En aquesta altra figura mostrem les corbes velocitat-parell [ Tfn representades en elsquatre quadrants. Observar que en rgim permanent el parell est limitat en funci de laintensitat nominal dindut o darmadura:


55/88


Els motors de c.c. sutilitzen habitualment en aplicacions en les que es precisa velocitatvariable. Per tal de poder subministrar al motor de c.c. una tensi variable dindut odarmadura aV cal utilitzar sistemes electrnics de potncia.

En les segents figures mostrem el tipus de convertidors ac-cc [ rectificadors o cc-cc trossejadors ( choppers ) que fa falta installar en funci dels quadrants que volem

treballar:

- Convertidors ac-cc amb rectificaci monofsica:


56/88


- Convertidors ac-cc amb rectificaci trifsica:

- Convertidors cc-cc amb trossejadors o choppers:

Hi ha diferents muntatges i topologies de convertidors cc-cc, per per alimentar a tensi

variable motors de c.c. sutilitzen habitualment els anomenats muntatges en H en lesseves diferents variants. Aquest tipus de muntatges permeten que la mquina de c.c.treballi en els 4 quadrants:


57/88


- Diferents possibilitats per treballar en els 4 quadrants amb rectificaci controlada:

Inversi de la intensitat dexcitaci mitjanant 2 ponts totalment controlats:


58/88


Inversi de la intensitat dexcitaci mitjanant rels o contactors de corrent continu: Elfuncionament s idntic al de la possibilitat.

Inversi de la intensitat dindut mitjanant contactors de corrent continu:

Inversi de la intensitat dindut mitjanant dos ponts totalment controlats sense correntde circulaci:


59/88


5.12 INTRODUCCI AL COMPORTAMENT EN RGIM TRANSITORI

Encara que lobjectiu daquest curs s tractar les mquines elctriques rotatives en rgimpermanent o estable, es interessant donar una pinzellada al comportament de la mquina dec.c. en rgim transitori.

A efectes prctics fins ara ens hem referit a la velocitat expressant-la en r.p.m.Excepcionalment en aquest apartat i en el segent 5.13 expressarem la velocitat enradians/segon() per que s com sexpressa habitualment en els textos que parlen delcomportament de mquines elctriques en rgim transitori. Recordem que lexpressi de laf.e.m. interna aE si la velocitat est expressada en radians/segon s: KEa

Efectes transitoris de tipus elctric:

En contnua, sabem que una bobina ideal s equivalent a un curtcircuit donat que la tensi

en una bobina ideal depn de les variacions dintensitat, i en contnua en rgim permanento estable no tenim variacions dintensitat. Per hi ha perodes en els que:- Variem la tensi dalimentaci de lindut i aix pot provocar variacions de la intensitat

dindut.- Varia el parell sollicitat per la crrega mecnica i per tant haur de variar la intensitat

dindut.

En aquests dos casos, lefecte inductiu del debanat dindut o armadura far que laintensitat no vari de forma brusca, i tindrem un perode transitori.

Aix en lesquema equivalent en rgim transitori de la mquina de c.c. hem de representar

en el debanat dindut o armadura i en el debanat de camp o excitaci dues bobines ambuns coeficients dautoinducci La i Lf respectivament. En la figura segent mostremlesquema equivalent del motor de c.c. en rgim transitori:


60/88


Per avaluar la influncia de la inductncia del debanat dindut i del debanat dexcitaci,els fabricants ens donen o b el valor dels coeficients dautoinducci La i Lf o b la

constant de temps

R

Ldel debanats dindut i del debanat dexcitaci (la constant de

temps ens dona una idea del temps de resposta). Perqu un motor de c.c. respongui deforma rpida ha de tenir els coeficients La i Lf baixos o les constants de temps baixes.

Cal indicar que el debanat de camp o dexcitaci t un efecte molt inductiu amb unaconstant de temps elevada.

Les equacions elctriques que defineixen el comportament del circuit de debanat dindut odarmadura i del circuit de debanat dexcitaci en rgim transitori del motor de c.c. sn:

V E i R Ld i

a a a a a a

d t

V i R Ld i

f f f f f

d t

Efectes transitoris de tipus mecnic:

La inrcia mecnica del conjunt motor-crrega influir en la resposta del motor. Des depunt de vista del motor, respondr de forma ms rpida el motor que tingui un momentdinrcia J ms baix.

En lapartat 4.2 del tema 4 sindicava que lequaci mecnica que defineix el comportamentdel conjunt motor elctric - crrega mecnica en rgim transitori s:

LTTJ1

dt

d

a

a : Acceleraci del sistema.- Si a < 0 (acceleraci negativa) el sistema mecnic perd velocitat, o sigui tenim

desacceleraci.- Si a = 0 el sistema mecnic t velocitat constant.- Si a > 0 (acceleraci positiva) el sistema guanya velocitat, o sigui que

accelera.

J : Moment dinrcia del conjunt motor-crrega mecnica. La inrcia depn de lesdimensions, forma i pes de les parts mbils.

T : Parell motor: s el parell subministrat pel motor en aquest instant.

TL : Parell de la crrega o parell resistiu: s el parell sollicitat per la crrega en aquestinstant.


61/88


Com exemple observem quina ser levoluci de la intensitat si modifiquem la tensidalimentaci dun motor de c.c. amb excitaci independents que acciona una bombacentrfuga:

Al variar la tensi dalimentaci de lindut de Va1 a Va2 el motor passar duna velocitat

1a 2 . La demanda de parell passa de T1a T2 que correspon a intensitats dindut de10 Ampers a 18 Ampers (recordem que el parell s proporcional a la intensitat dindut).

La figura segent mostra la resposta del motor:

Per aconseguir una resposta dinmica ms rpida, si volem anar duna velocitat 1a 2 ,el que fa el regulador de velocitat es alimentar amb una tensi superior durant uns breusinstants per aconseguir una pujada ms rpida de la intensitat i tamb transitriament un

valor superior dintensitat (sobreparell) i per tant major acceleraci:


62/88


5.13 INTRODUCCI A LA REGULACI DE VELOCITAT DE MOTORS DEC.C.

Quan tenim un sistema en el que s modifica el valor una variable, hem de distingir entrevariaci i regulaci. Introdum aquest concepte a partir dun exemple en el que canvia elvalor de la temperatura:

La majoria dautombils tenen calefacci i aire acondicionat i per tant s possible variar latemperatura actuant manualment sobre els comandaments que permeten augmentar odisminuir lacci de la calefacci o de laire acondicionat. En aquest cas no es fa capmesura de temperatura i s el propi conductor el que ha danar corregint la posici delscomandament fins a trobar la temperatura de confort desitjada. En aquest cas tenim unsistema de variaci de temperatura (tamb es diu que tenim un lla obert)

Altres autombils tenen climatitzador. El sistema climatitzador disposa dun o varis

sensors de temperatura. En aquest cas el conductor fixa la temperatura desitjada(temperatura de consigna) i s el sistema climatitzador que regula la temperatura fent unacomparaci de la temperatura de consigna amb la temperatura desitjada i fent lescorreccions necessries actuant sobre el control de la calefacci o de laire acondicionatsegons convingui. En aquest cas tenim un sistema de regulaci de temperatura. (tenim unlla de regulaci de temperatura tancat).

En el cas dels accionaments (conjunt de mquina motriu + mquina accionada) tenimmolts casos en els que es necessari modificar la velocitat. Hem de distingir per entre:- Variaci de velocitat- Regulaci de velocitat.

Tenim variaci de velocitat quan de forma manual sactua sobre la mquina motriu.


63/88


Tenim regulaci de velocitat si de forma automtica el propi sistema de regulaci a partirdun valor de velocitat desitjat (consigna de velocitat) i duna mesura de la velocitat real fales actuacions convenients sobre la mquina motriu perqu aproximadament la velocitatsigui en cada moment igual a la velocitat de consigna.

Sabem que habitualment per variar la velocitat dun motor de c.c. amb excitaciindependent o amb imants permanents s modifica el valor de la tensi dalimentaci deldebanat dindut o darmadura aV .

Naturalment quan es regula la velocitat dun motor de c.c. sactua tamb sobre aV . En

aquest cas per encara que finalment acabem modificant el valor de aV , per aconseguir

una bona resposta dinmica (precisi i rapidesa) cal regular el parell.

Per justificar la necessitat de regular el parell quan fem regulaci de velocitat hem de partirde lequaci mecnica que defineix el comportament del conjunt motor elctric - crrega

mecnica en rgim transitori:

LTTJ1

dt

d

a

Vrem veure en lapartat 4.2 del tema 4 que ens podem trobar en tres casos:

Perode transitori dacceleraci:

Si a > 0 (acceleraci positiva) o sigui el sistema guanya velocitat, o accelera. Aix es

compleix si el parell motor T s superior al parell de la crrega:

LT T

Perode transitori de desacceleraci:

Si a < 0 (acceleraci negativa) o sigui el sistema mecnic perd velocitat, o desaccelera.Aix es compleix si el parell motor T s inferior al parell de la crrega:

LT T

Perode de rgim permanent o estable:

Si a = 0 o sigui el sistema mecnic t velocitat constant. Aix es compleix si el parellmotor s igual al parell de la crrega:

LT T


64/88


Acci que cal fer sobre el parell si la velocitat mesurada ( ) s inferior a la velocitat de

consigna ( * ):

* LTTnecessitem0anecessitem necessitemT Acci que cal fer sobre el parell si la velocitat mesurada ( ) s superior a la velocitat de

consigna ( * ):

* LTTnecessitem0anecessitem necessitemT Aix per qualsevol accionament amb motor elctric, es far una bona de regulaci de

velocitat si el sistema de regulaci regula el parell.

En el cas del motor de c.c. amb excitaci independent o amb imants permanents regular elparell implica regular la intensitat del debanat dindut o darmadura donat que el parell sproporcional a aI .

Aix regulant el parell o la intensitat dindut es podr fer una bona regulaci de velocitat.Per a ms aix es podr limitar fcilment el valor mxim transitori dintensitat dindut odarmadura (habitualment aI2 ).

Aquest sistema de regulaci de velocitat es denomina regulaci de velocitat en cascadadonat que t dos llaos de regulaci:- Un lla intern de regulaci dintensitat (o parell)- Un lla extern de regulaci de velocitat

Lestructura s la mostrada en la figura:


65/88


Cal dir que encara que hem introdut aquests conceptes pel cas del motor de c.c., aquestaestructura de regulaci en cascada amb un lla intern de regulaci de parell i un lla internde regulaci de velocitat s daplicaci general en la regulaci de velocitat de motorselctrics rotatius.

5.14 FENOMEN DE LA REACCI MAGNTICA TRANSVERSAL DINDUT.DEBANAT DE COMPENSACI

Quan una mquina de c.c. funciona amb crrega, o sigui circulen intensitats pels debanatsdindut o darmadura, el flux til que travessa lindut que s la magnitud que apareixen les expressions: nK1047,0Ea i ai IKT s degut a lacci simultniade:

- El flux creat pel sistema inductor (debanat de camp o dexcitaci o imants permanents)

- El flux creat pel propi sistema indut (debanat indut o darmadura),


66/88


Aix el flux til ser la superposici dels dos flux. De fet el flux principal produt alestator pels imants permanents o pel debanat de camp o dexcitaci s el que domina,

per aquest flux principal queda quelcom deformat per lacci del flux creat pel debanatdindut o darmadura en el rotor. En la segent figura que mostra el flux til resultant es

pot observar aquesta deformaci:

Aquest fenomen anomenat reacci transversal dindut o simplement reacci dindut tdiverses efectes perjudicials entre els que destaquem:

Desplaament de la lnia neutra magntica:Tal com sobserva en la figura hi ha un desplaament de la lnia neutre magntica(recordem: lnia diametral que uneix zones de lentreferro en les que la inducci odensitat de flux s zero). Amb la reacci dindut la lnia neutra geomtrica i la lnianeutra magntica no coincideixen. En la zona dentreferro de la lnia neutra geomtricaapareix flux. Veurem en el segent apartat 5.15 que aquest flux de la zona de lnia

neutra geomtrica perjudica la commutaci. Efecte desmagnetitzant de la reacci dindut:

Observant la ltima figura que representa la distribuci terica de la inducci alentreferro tenint present lefecte de reacci dindut o reacci darmadura, semblariaque no hi ha disminuci del flux efectiu donat que la disminuci del flux en unes zonesquedaria contrarestada per laugment en altres zones:

En la realitat no s aix, donat que el circuit magntic de les zones amb mxima densitatde flux queda saturat (augmenta la reluctncia) i la intensitat del camp magntic en

aquesta zona no aporta el flux necessari per contrarestar el flux que ha disminut enaltres zones:


67/88


Aquesta desmagnetitzaci o disminuci del flux efectiu significa que amb la mateixaintensitat dexcitaci tindrem quelcom menys de flux efectiu si la mquina de c.c.treballa amb crrega (sigui com generador o com motor) respecta a si treballa en buit.

Encara que a lhora de fer clculs aproximats i a lhora de resoldre problemes esmenysprea aquest fenmens, a efectes prctics t les segents conseqncies:

- Es perd la proporcionalitat entre el parell i la intensitat dindut. de forma que

lexpressi ai IKT ja no es compleix exactament i sha de considerar com unaexpressi aproximada.

- Disminueix el rendiment i prestacions de la mquina de c.c.

La soluci a aquest problema est en compensar el flux transversal degut a la circulacide la intensitat dindut aI amb un debanat que produeix un flux contrari (tamb es

podria expressar que compensem els ampers-voltes transversals de reacci dindut peruna fora magnetomotriu igual i oposada)

Sutilitza per aquest fi un debanat denominat debanat de compensaci, allotjat enranures practicades en les expansions polars dels pols principals (a lestator) tal com esmostra en la figura. En la figura sha dibuixat la distribuci de linducci o densitat deflux a lentreferro. Sobserva que la tpica deformaci del flux principal deguda a lareacci dindut ha desaparegut i la lnia neutra magntica coincideix amb la lnia neutrageomtrica.


68/88


En la segent figura sha dibuixat el pol principal Nord amb el seu debanat decompensaci mostrant com aquest compensa el flux transversal creat per lindut. En tra fies mostra el flux transversal creat pel debanat dindut, en tra gruixut el flux creat peldebanat de compensaci:

Tenim que el fenomen perjudicial de la reacci dindut s degut a la circulaci de laintensitat dindut aI pel debanat dindut (en el rotor). Com ms alt sigui el valor aI

ms reacci dindut tenim i ms hem de compensar. Per aconseguir aix el debanat decompensaci (a lestator) es connecta en srie amb el debanat dindut o darmadura (enel rotor):


69/88


Els debanats de compensaci sn cars. Habitualment no sutilitzen. Els podem trobar en elssegents casos:

- Grans mquines de c.c. subjectes a sobrecrregues o retrocessos sobtats.

- En petits motors subjectes a retrocessos sobtats i alta acceleraci.

En ambds casos tindrem elevats valors instantanis dintensitat dindut i per tant un acusatfenomen de reacci dindut.

5.15 FENOMEN DE COMMUTACI. POLS AUXILIARS O DE COMMUTACI

Revisem les segents figures de lapartat 5.2.1 que expliquen el funcionament de lamquina de c.c. elemental com a motor:


70/88


(1)

(2)

(3)


71/88


Sobserva que quan lespira de la mquina de c.c. elemental est perpendicular al campmagntic principal (2) queda curtcircuitada per les escombretes i es produeix el fenomende commutaci, de forma que la intensitat sinverteix. En efecte, sobserva que el sentit delcorrent a lespira en la figura (1) [abans de la commutaci i el sentit en la figura (3)[desprs de la inversisn contraris.

Analitzant el procs de commutaci en la mquina de c.c. real tenim que durant el procsde commutaci una (o varies) bobines queden en curtcircuit. Durant el perode de temps en

que les bobines estan en curtcircuit sha dinvertir el sentit del corrent que hi circula [ 2Ia :

la meitat del corrent dindut o darmadura.

Les variacions de flux en la bobina que commuta degudes al flux principal creat pels polsprincipals de lestator i el moviment de rotaci s zero ( principal = 0):

- Situaci al comenament de la commutaci:


72/88


- Situaci instants abans de finalitzar la commutaci:

Tenim doncs que durant linteval de temps que dura la commutaci, la intensitat de la

bobina que commuta bi passa de 2Ia a 2

Ia . Sabem que degut al fenomen de

lautoinducci la intensitat en una bobina no pot variar bruscament i que apareixen

tensions o f.e.m.s que soposen a les variacions dintensitat. La variaci del corrent en labobina que commuta, )t(fib , es sol representar mitjanant un diagrama de commutacique pot ser com el de la figura:


73/88


O sigui que degut a la tensi o f.e.m. dautoinducci de la bobina que commuta la inversidintensitat s`alenteix. Aix fa que en els instant finals de la commutaci en el cantell desortida de lescombreta hagi de circular molta intensitat en una petita superfcie i esmalmeti rpidament el conjunt collector de delgues-escombretes. Una commutaciincorrecta provoca doncs un guspireig excessiu en el conjunt collector de delgues i

escombretes fent que es deteriori rpidament.

La soluci est en contrarestar lefecte autoinductiu de la bobina quan commuta mitjanantla creaci en la bobina duna nova tensi o f.e.m. induda deguda al moviment de rotaci.

Per tal de crear aquesta nova f.e.m. per variaci de flux deguda al moviment de rotaci,far falta crear un flux addicional mitjanant uns pols anomenats pols de commutaci.

- Pols auxiliars o de commutaci

Els pols auxiliars o de commutaci amb el seu debanat es situen en les lnies neutres

geomtriques tal com mostra la figura per una mquina de c.c. de dos pols:

ESTATOR:

(1) : pols principals.(1): debanat de camp o

dexcitaci.(2): pols auxiliars o de

commutaci.(2): debanat dels pols

auxiliars o decommutaci.

(4): escombretes

ROTOR:

(5): debanat dindut(6): collector de delgues

La polaritat magntica dels pols auxiliars o de commutaci ha de ser la correcta per crear lacorrecci adequada. Aix per exemple en el cas duna mquina de c.c. funcionant com amotor, la polaritat dels pols auxiliars o de commutaci ha de ser tal que, en el sentit derotaci, desprs de cada pol principal tinguem un pol auxiliar de la mateixa polaritat:


74/88


Polaritat magntica dels pols principal idels pols auxiliars o de commutaci dunamquina de c.c. funcionant com a motor:

En aquesta figura es mostra de formaesquemtica lacci del camp magnticcreat pels pols auxiliars o de commutacisobre les bobines que commuten:

En la figura de la dreta sha representat de forma esquemtica lacci del camp magnticcreat pels pols auxiliars o de commutaci sobre les bobines que commuten:

Quan les bobines commuten:

- No existeixen variacions de flux degudes al flux que prov dels pols principals i elmoviment de rotaci ( principal = 0)

- Existeixen variacions de flux degudes al flux creat pels pols auxiliars o de commutaci iel moviment de rotaci ( 0auxiliar ). Aquestes variacions de flux creen una nova

tensi o f.e.m. induda que contraresta el fenomen dautoinducci en la bobina quecommuta.

Una correcci ptima aconseguida amb els pols auxiliars o de commutaci seria aquella en

la que la corba de variaci del corrent de la bobina curtcircuitada (diagrama decommutaci) seria lineal. O sigui sha daconseguir "avanar" levoluci de la intensitat enla bobina que commuta per no de forma exagerada per aconseguir que evolucioni segonsles mostra en la figura:


75/88


Tenim que el fenomen perjudicial de la commutaci que es tradueix amb un guspireigexcessiu en el conjunt collector de delgues i escombretes s degut a la circulaci de laintensitat dindut aI pel debanat dindut (en el rotor). Com ms alt sigui el valor aI ms

problemes de commutaci tindrem donat que lefecte dautoinducci en la bobina quecommuta ser ms gran. Per tant a ms intensitat ms elevat haur de ser el camp magnticcorrector creat pels pols auxiliars o de commutaci. Per aconseguir que la correcci dels

pols auxiliars o de commutaci sigui la justa, el debanat dels pols auxiliars (a lestator) esconnecta en srie amb el debanat dindut o darmadura (en el rotor):


76/88


Cal afegir que perqu el debanat dels pols auxiliars o de commutaci i el debanat decompensaci facin la seva acci correctora han de crear el flux amb el sentit correcte, o elque s igual, la intensitat aI ha de circular en aquests debanats en el sentit correcte. Per

aix s molt important respectar el sentit del connexionat quan sha de manipular unadaquestes mquines de c.c. i igualment sha de tenir en compte efectuar la connexi

daquests debanats en el sentit correcte quan es facin prctiques en el laboratori amb lamquina de c.c.

Finalment direm que la reacci transversal dindut perjudica la commutaci. En efecte, elspols auxiliars o de commutaci es posen en la lnia neutre geomtrica per crear un fluxauxiliar corrector. La reacci dindut desplaa la lnia neutre magntica de forma que faaparixer flux en la zona dentreferro de la lnia neutre geomtrica. Malauradament elsentit daquest flux sobre la lnia neutra geomtrica s contrari al que creen els polsauxiliars o de commutaci per optimitzar la commutaci, per tant si hi ha reacci dindutels pols auxiliars o de commutaci shan de sobredimensionar ms.

Conclusi:

Les mquines de c.c. que disposen de debanats de compensaci ja teneneliminada la reacci transversal dindut i per tant tindran uns pols auxiliars o

pols de commutaci menys dimensionats (menys ampers-voltes).

Les segents figures poden servir per recordar aquesta curiositat:

Mquina de c.c. amb pols auxiliars o decommutaci (2) sense debanat decompensaci:

Mquina de c.c. amb pols auxiliars o decommutaci (2) amb debanat decompensaci (3):

Per complementar els apartats 5.14 i 5.15 adjuntem vries fotografies de mquines de c.c.industrials:


77/88


- Fotografia dun estator mostrant els pols principals i els pols auxiliars o de commutaci.Aquesta mquina de c.c. no t debanats de compensaci:

- Fotografia dun estator mostrant els pols principals, els pols auxiliars i de commutaci iel debanat de compensaci (en aquest cas el debanat de compensaci no est collocaten ranures obertes sin dins a forats practicats en les expansions polars dels pols

principals)


78/88


- Fotografia de lestator duna mquina de corrent c.c. delevada potncia mostrant elspols principals, els pols auxiliars i de commutaci i el debanat de compensaci

5.16 APLICACIONS DE LA MQUINA DE C.C.

5.16.1 Aplicacions com a generador

En primer lloc cal indicar que s habitual anomenar dinamo a la mquina de c.c.funcionant com a generador , per exemple la enciclopdia catalana defineix la dinamo comuna mquina elctrica que genera corrent continu.

Encara que de forma puntual un motor de c.c. passar a funcionar com a generador quan esfaci frenat elctric en el segon o quart quadrant, actualment s difcil trobar novesinstallacions en les que es tingui una mquina de c.c. funcionant de forma contnua com agenerador.

Una aplicaci de la mquina de c.c. com generador que encara s vlida actualment s fer-la servir com a sistema de fre en bancs dassaig de mquines rotatives (motors elctrics,motors dexplosi, etc.) de forma semblant al sistema de fre que sutilitza en el laboratoridelectrotcnia.


79/88


Antigament el generador de c.c. tenia molta aplicaci, tenint en compte que fins el 1896 enque va entrar en servei els grups generadors dalterna de les cascades del Nigara,

prcticament tot el transport denergia elctrica es feia amb c.c. implicant que la generacidenergia elctrica tamb es fes amb generadors de c.c.

Una altra aplicaci tpica dels generadors de c.c. era com generadors excitatrius de gransgeneradors sncrons de corrent altern (alternadors). Aquests alternadors tenen un debanatde camp o dexcitaci que cal alimentar amb tensi contnua i per grans mquines ambvalors dintensitat relativament elevats. Aquesta tensi continua era subministrada per ungenerador de c.c. que girava acoblat al mateix eix que lalternador al que alimentava:

Aquests generadors de c.c. excitatrius eren amb excitaci parallel. Aquest tipusdexcitaci parallel permetia lautoexcitaci de lexcitatriu grcies el seu magnetismeromanent. Podeu trobar ms detalls en lapartat 5.9.3 del tema 5. En el laboratorirealitzareu una experincia excitant la mquina de c.c. amb connexi parallel(autoexcitaci) funcionant com generador. Aquesta experincia de laboratori us permetrentendre millor com es produeix aquesta autoexcitaci que permet que la mquina de c.c.

pugi generar sense disposar de cap tipus denergia elctrica auxiliar per alimentarlexcitaci, doncs aquesta salimenta de la prpia mquina:

Poden trobar encara centrals elctriques amb alternadors que porten acoblades una o duesexcitatrius de c.c. per poder alimentar el seu debanat de camp o dexcitaci.

Una altre aplicaci curiosa del generador de c.c. era la seva utilitzaci per subministrartensi contnua variable per poder alimentar motors de c.c. que tenien que girar a velocitatvariable. Aix en el 1891 en els Estats Units, lenginyer Ward Leonard va patentar elsanomenats grups Ward Leonard que aportaven una soluci casi ideal per variar la velocitat

de grans motors de c.c. La proposta consistia en alimentar un sol motor de c.c. mitjanantun convertidor electromecnic amb un motor trifsic de c.a. amb velocitat aproximadament


80/88


fixa que feia rodar un generador de c.c. (dinamo). La tensi contnua proporcionada per ladinamo se variava al variar la seva excitaci de forma que el motor de c.c. alimentat pelgrup es podia fer funcionar a velocitat variable. A partir del 1957 amb laparici delstiristors es varen substituir aquests grups Ward-Leonard per convertidors esttics ambrectificaci controlada mitjanant tiristors.

5.16.2 Aplicacions com a motor

En lactualitat normalment la mquina de c.c. saplica funcionant com a motor senseperdre de vista que moltes vegades passa puntualment a funcionat com a generador o fre enel segon o quart quadrant quan es fa frenat elctric en els perodes de desacceleraci.

Normalment els motors de corrent continu sutilitzen en accionament que precisenvelocitat variable, encara que podem trobar aplicacions a velocitat fixa, com per exempleen petits electrodomstics o joguines que funcionin amb piles.

Per analitzar el grau daplicaci actual hem de distingir diferents casos:

- Aplicacions amb alimentaci elctrica amb tensi contnua:

Per exemple vehicles autnoms alimentats amb bateries. Encara que pot haver altressolucions tecnolgiques, el motor de c.c. s a soluci ms prctica en aquests casos i s laque normalment saplica. En aquests casos per aconseguir tensi variable per variar lavelocitat sutilitzen convertidors c.c./c.c. amb trossejadors o choppers.

Aix doncs el motor de c.c. t un gran camp daplicaci en aquests casos. Com exempleproper tenim varis exemples daplicacions a lEscola Politcnica Superior: robotsfutbolistes, robots submarins etc.

- Aplicacions industrials amb alimentaci elctrica amb tensi alterna:

En aquest cas quan no es desitja velocitat variable sutilitzaven i sutilitzen motors trifsicsde corrent altern i trobarem poqussimes aplicacions industrials amb motors de c.c..

En canvi quan era necessari variar la velocitat sinstallaven normalment motors de c.c.amb convertidors esttics de potncia que subministraven una tensi contnua variable.

Actualment el desenvolupament de lelectrnica de potncia per un costat, i delsmicroprocessadors per laltre, han fet possible obtenir equips electrnics amb els quepodem alimentar altres tipus de motors, com per exemple el motor dinducci, i obteniruna regulaci de velocitat amb resposta dinmica semblant a la que obtenim amb lamquina de c.c.

Aix doncs actualment el motor de c.c. dna pas a altres tipus de motors en accionamentsde velocitat variable. La causa est bsicament en qu amb aquests altres tipus de motorsevitem els problemes que hem vist que apareixen en els motors de c.c. en el conjuntescombretes-col.lector de delgues. Malgrat aix trobem encara molts accionamentsindustrials amb motor de c.c. Hem de tenir en compte que per grans potncies el cost de

substituci del motor i del convertidor que lalimenta per nous equips es elevat, fent queencara que actualment en nova installaci normalment sapliquen motors trifsics de


81/88


corrent altern, ens troben encara moltes installacions industrials que funcionenperfectament amb motors de c.c.

Cal afegir que per determinades aplicacions que precisen unes prestacions molt concretes,com per exemple en el cas de bobinadores en les que cal regular de forma precisa la tensi

mecnica amb que es bobina el producte, molts fabricants i dissenyadors prefereixenencara el motor de c.c.

En quan els sistemes utilitzats per variar i regular la velocitat de motors de c.c. sharealitzat un anlisis consistent en classificar de forma aproximada els diversos sistemesutilitzats en tres grups:

- Sistemes obsolets: es tracta de sistemes amb molt poques possibilitats de trobar-losaplicats actualment en la indstria.

- Sistemes en recessi: els podem trobar en funcionament per la tendncia es que es

vagin substituint per sistemes amb tecnologia ms actual.

- Sistemes actuals: sistemes que actualment es comercialitzen i apliquen en novesinstallacions.

Sistemes obsolets:

- Restat (resistncia variable) en el circuit dindut o darmadura.- Restat en el circuit dexcitaci.- Variadors amb rectificaci controlada mitjanant tiratrons- Variadors basats amb amplificadors magntics- Variadors basats en ponts rectificadors de dodes alimentats amb transformadors o

autotransformadors de sortida variable (el que anomenen en el laboratori : varivolts)- Grups Ward Leonard

Sistemes en recessi:

- Variadors amb tecnologia analgica amb rectificaci controlada amb tiristors(actualment es solen comercialitzar noms per a petites potncies)

Sistemes actuals:

- Variadors amb tecnologia digital amb rectificaci controlada amb tiristors- Variadors que utilitzen trossejadors o choppers en letapa de potncia (sapliquen quan

no es disposa dalterna, en petits motors de c.c. i en servomotors de c.c.)


82/88


5.17 DADES TCNIQUES DE LA MQUINA DE C.C.

Hem vist que actualment la mquina de c.c. sutilitza habitualment com a motor, per aixel fabricant subministra la mquina pensant que funcionar com a motor i per tant lesdades de la placa de caracterstiques i dels catlegs tcnics sn dades de funcionament com

motor.

- Dades de la placa de caracterstiques per a motors industrials

- Marca- Tipus o model- Potncia nominal- Tensi nominal del debanat dindut o darmadura- Intensitat nominal del debanat dindut o darmadura- Tensi nominal del debanat de camp o dexcitaci (inductor)- Intensitat nominal del debanat de camp o dexcitaci (inductor)

- Velocitat nominal- Grau de protecci IP

Cal dir que noms les dades subratllades (les intensitats nominals) sn dades lmit i noes poden superar en rgim permanent.

Aix les segents dades:

- Potncia nominal- Tensi nominal dindut- Velocitat nominal

no sn dades lmit. En efecte, suposem que la placa de caracterstiques indica:

NP : 3 kW

NaV : 220 V

NaI : 16,5 A

Nn : 1500 r.p.m.

Daquestes dades nominals lnica dada

tema 5 maquina cc

Documents