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Sistema eléctrico del avión: Generadores DC

TEMA 3.1: Generadores de corriente continua

1 J. Montanyà

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2 J. Montanyà

3.1.1 Introducción GENERALIDADES DE LA MÁQUINA DE CC •

• • •

La máquina está compuesta por dos devanados alimentados con CC: uno llamado inductor que se encuentra en el estator de la máquina y el otro llamado inducido que está en el rotor. Cuando la máquina funciona como generador se alimenta el inductor con CC y por el inducido obtendremos una FEM (CC). Cuando la máquina funciona como motor los dos devanados están alimentados con CC. Necesitan un frecuente mantenimiento.

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3 J. Montanyà

3.1.2 Estructura de la máquina de CC

Adaptado de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]

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3.1.3 Despiece de la máquina de CC

Fig.2. Despiece máquina CC.

J. Montanyà

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3.1.4 Ejemplos de máquinas de corriente continua

Máquinas del laboratorio: La Electricitat S.A. – Sabadell – 1950 – 22 kW

5 J. Montanyà

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3.1.4 Ejemplos de máquinas de corriente continua

Máquinas del laboratorio: Laboratorio de accionamientos

6 J. Montanyà

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3.1.4 Ejemplos de máquinas de corriente continua

Máquinas del laboratorio: Laboratorio de accionamientos

7 J. Montanyà

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3.1.4 Ejemplos de máquinas de corriente continua

Máquinas del laboratorio

J. Montanyà

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3.1.5 La placa de características Ejemplo de una de las máquinas del laboratorio:

9 J. Montanyà

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3.1.5 La placa de características Tipo de servicio: S1 S1

SERVICIO CONTINUIO

- Máquina trabajando a carga constante, de este modo se alcanza la temperatura de régimen permanente.

S2

SERVICIO TEMPORAL O DE CORTA DURACIÓN

-La máquina trabaja en régimen de carga constante un tiempo breve, de este modo no se llega a alcanzar una temperatura estable. - Permanecerá entonces parada hasta alcanzar de nuevo la temperatura ambiente.

S3

SERVICIO INTERMITENTE

-Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante. - Periodos de reposo sin que se alcance nunca una temperatura constante.

S4

SERVICIO INTERMITENTE

- Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante. -Se incluye el tiempo de arranque. -Periodos de reposo sin que se alcance nunca una temperatura constante.

S5

SERVICIO INTERMITENTE

- Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante. -Se incluye el tiempo de arranques y frenados. -Periodos de reposo sin que se alcance nunca una temperatura constante.

S6

SERVICIO INTERMITENTE

-Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante. - Sin periodos de reposo.

S7

SERVICIO INTERMITENTE

- Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante. -Se incluye el tiempo de arranque. - Sin periodos de reposo.

S8

SERVICIO INTERMITENTE

- Serie continua de ciclos iguales compuestos por periodos de carga constante. -Se incluye el tiempo de arranques y frenados. - Sin periodos de reposo.

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3.1.5 La placa de características Ejecución B5

[Siemens]

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3.1.5 La placa de características Protección: IP 23

[NTP 588: Grado de protección de las envolventes de los materiales eléctricos]

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3.1.5 La placa de características Código de refrigeración IC 06

[ABB, Low Voltage General Purpose Motors]

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3.1.5 La placa de características La placa de características

[ABB, Low Voltage General Purpose Motors]

Clase de aislamiento: F

Clase de Aislamiento

Temperatura máxima

Y

90 ºC

A

105 ºC

E

120 ºC

B

130 ºC

F

155 ºC

H

180 ºC

200

200 ºC

220

220 ºC

250

250 ºC

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3.1.6 Tipos de devanados del inducido • Los devanados pueden ser imbricados u ondulados, dependiendo de si se cruzan o no las partes de la bobina observadas desde el lado del colector.

Adaptado de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]

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3.1.6 Tipos de devanados del inducido • • •

Devanado ondulado (simple): siempre dispone de dos vías (a=1) Si la corriente por vía es demasiado elevada se utiliza el devanado imbricado (simple). En el devanado imbricado se tienen tantas vías como polos (p=a).

• •

Colector: Nº de delgas = Nº de conductores Escobillas: número de escobillas igual al número de polos.

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3.1.6 Tipos de devanados del inducido • • •

Devanado ondulado (simple): siempre dispone de dos vías (a=1) Si la corriente por vía es demasiado elevada se utiliza el devanado imbircado (simple). En el devanado imbricado se tienen tantas vías como polos (p=a).

• •

Colector: Nº de delgas = Nº de conductores Escobillas: número de escobillas igual al número de polos.

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3.1.6 Tipos de devanados del inducido

Devanado imbricado simple

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3.1.6 Tipos de devanados del inducido

En el ejemplo, la corriente entra por una escobilla (en delga 1) , se puede observar los sentidos de las corrientes cada uno de los conductores y como sale la corriente por la otra escobilla (en delga 4). Si el motor avanza (rota) un paso de escobilla la corriente entrará por la delga 2 y saldrá por la delga 5 (que no está representada).

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3.1.6 Tipos de devanados del inducido

Devanado ondulado simple

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3.1.7 Eje directo y Línea Neutra

 v



 inducido 

 inductor

Se mantiene la cuadratura entre el el campo del inductor y el campo del inducido.

  e  l v    Los conductores situados en la Línea Neutra sus fem’s son nulas.

Adaptado de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]

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3.1.8 Funcionamiento del colector de delgas

La figura muestra el proceso de conmutación en el colector (Las escobillas deben colocarse en las Líneas neutras)

Adaptado de [N. Mohan, Electric Drives: An Integrative Approach, NMPERE,2001 ]

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3.1.9 La fuerza electromotriz inducida

Fem inducida en una espira (sin rectificar)

Fem inducida en una espira (rectificada)

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3.1.9 La fuerza electromotriz inducida fem’s correspondientes a las espiras e1...e6

Máquina bipolar, 12 espiras

-

[L.S. Iribarnegaray, Fundamentos de Máquinas Eléctricas Rotativas, Ed. Marcombo, 1989 ]

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3.1.9 La fuerza electromotriz inducida

Fem inducida en una espira (en general).

e1 (t )   1

Valor medio de la tensión inducida:

E avg

1  T



d dt T

01

' 1

e (t ) dt

E avg 

1 T



T

0

 d   dt  dt 

En un semiperiodo (T/2) el flujo concatenado varía entre los límites de + a - . T es el periodo de la corriente.

Eavg  Eavg 

E avg 

1 T d T 0

 2  ˆ d T ˆ

ˆ 4 ˆ 2 4       T T T

Tomaremos:

E

ˆ 4 T

(fem producida por una espira)

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3.1.9 La fuerza electromotriz inducida La frecuencia de la tensión generada va ligada al número de polos (2p) y a la velocidad de rotación:

f  E

n·p 60

ˆ 4 ˆ n·p  4 T 60

(fem producida por una espira)

Las escobillas recogen las fem’s inducidas en las distintas bobinas durante un semiperiodo. La fem resultante será igual a la suma de fem’s medias de las distintas bobinas que componen cada rama en paralelo (2a) del devanado:

a z  2·N z 2a

número de pares de vías en paralelo. número de conductores. número de tensiones aditivas

fem producida por el conjunto de conductores (z/2) por espira

ˆ n· p z 1 E  4 60 2 2 a

ˆ pz n E  60a

2a  2 p o p / a  1 IMBRICADO SIMPLE 2a  2

o a  1 ONDULADO SIMPLE

E

pz   2 a

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3.1.10 Tipos de máquinas según su excitación Máquina (generador) de corriente continua con excitación independiente

U a E  Ra I a  U esc U a  k  Ra I a  U esc U a  k (k g I exc )  Ra I a  U esc

U esc I exc  Rexc El flujo inductor se obtiene mediante un circuito de excitación independiente. Permite la regulación de la tensión generada.

M i kI a M i  k (k g I exc ) I a

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3.1.10 Tipos de máquinas según su excitación Máquina (generador) de corriente continua con excitación derivación (shunt o paralelo)

U a E  Ra I a  U esc U a  k  Ra I a  U esc U a  k (k g I exc )  Ra I a  U esc U esc I exc  Rexc El flujo inductor se obtiene mediante un circuito de excitación independiente conectado en paralelo con la máquina. No permite regulación.

M i kI a M i  k (k g I exc ) I a

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3.1.10 Tipos de máquinas según su excitación Máquina (generador) de corriente continua con excitación mediante imanes permanentes

U a E  Ra I a  U esc U a  k  Ra I a  U esc

  cte.

M i kI a El flujo inductor se obtiene mediante imanes permanentes. El flujo es constante.

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TEMA 3.2: BALANCE DE POTENCIAS, LA REACCIÓN DE INDUCIDO Y LA CONMUTACIÓN

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3.3.1 Balance de potencias de una máquina de CC PÉRDIDAS EN EL HIERRO (SOLO INDUCIDO)

POTENCIA ABSORBIDA

PÉRDIDAS EN EL COBRE DEL ESTATOR (INDUCTOR)

POTENCIA ÚTIL

PÉRDIDAS EN EL COBRE EN EL INDUCIDO PERDIDAS EN LAS ESCOBILLAS

PÉRDIDAS MECÁNICAS (ROZAMIENTO Y VENTILACIÓN)

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3.2.1 Balance de potencias de una máquina de CC

POTENCIA ABSORBIDA

Pabs  M ·

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3.2.1 Balance de potencias de una máquina de CC ROTOR

POTENCIA ABSORBIDA

Pabs  M · PÉRDIDAS MECÁNICAS (ROZAMIENTO Y VENTILACIÓN)

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3.2.1 Balance de potencias de una máquina de CC ROTOR Pérdidas por histéresis PCu ind  Ra I a2

Pi  E I a

Ph  k h · f ·Bm

1 .5  2 .5

W / kg 

Pérdidas por corrientes parasitarias

POTENCIA ABSORBIDA

Pe  k e · f 2 ·Bm W / kg 

Pabs  M ·

2

PÉRDIDAS MECÁNICAS (ROZAMIENTO Y VENTILACIÓN)

PÉRDIDAS EN EL HIERRO Solo aparecen en el rotor debido a la magnetización cíclica que aparece por su movimiento aunque el flujo del inductor sea constante.

Pi potencia interna o electromagnética desarrollada por la máquina

Pérdidas en el hierro

PFe  k ·U 2

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3.2.1 Balance de potencias de una máquina de CC ROTOR

PCu ind  Ra I a2

Pi  E I a

POTENCIA ABSORBIDA

Pabs  M · PÉRDIDAS MECÁNICAS (ROZAMIENTO Y VENTILACIÓN)

PÉRDIDAS EN EL HIERRO

PERDIDAS EN LAS ESCOBILLAS

Solo aparecen en el rotor debido a la Pesc  Vesc I a magnetización cíclica suelen considerarse que aparece por su movimiento aunque el 2V por par de escobillas flujo del inductor sea Vesc  2 V constante.

Pi potencia interna o electromagnética desarrollada por la máquina

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3.2.1 Balance de potencias de una máquina de CC ESTATOR

ROTOR

PCu ind  Ra I a2

POTENCIA ÚTIL

Pi  E I a

Pu  Va ·I a

POTENCIA ABSORBIDA

Pabs  M · PÉRDIDAS MECÁNICAS (ROZAMIENTO Y VENTILACIÓN)

PÉRDIDAS EN EL HIERRO

PERDIDAS EN LAS ESCOBILLAS

Solo aparecen en el rotor debido a la Pesc  Vesc I a magnetización cíclica que aparece por su suelen considerarse movimiento aunque el 2V por par de escobillas flujo del inductor sea Vesc  2 V constante.

Pi potencia interna o electromagnética desarrollada por la máquina

PÉRDIDAS EN EL COBRE EN EL INDUCIDO

PCu ind  Ra I a2

PÉRDIDAS EN EL COBRE DEL ESTATOR (INDUCTOR) 2 PCuexc  Rexc I exc

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3.2.1 Balance de potencias de una máquina de CC

Resumen En general:

Pabs  PCuexc  Pesc  Pfe ind  PCuind  Pm  Pu GENERADOR

MOTOR

Pabs  Va ·I a

Pu  M · Rendimiento:



Pu Pabs

  90 %

Pabs  M ·

Pu  Va ·I a

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3.2.3 La reacción de Inducido •

La reacción de inducido es el efecto que ejerce la fmm. del devanado del inducido sobre la fmm del inductor y que hace variar la forma y magnitud del flujo del entrehierro respecto a los valores que presentaba la máquina en vacío.

Fi: Fmm inducido.

de

reacción

del

Fe: Fmm creada de los polos.

Figura de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]

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3.2.3 La reacción de Inducido • •

La amplitud de la inducción magnética trabajando en vacío (asumimos muy poca corriente en el inducido) idealmente debería ser constante. No obstante debido a los flujos de dispersión que aparecen entre las expansiones polares, hacen que esta curva coja forma trapezoidal.

Adaptado de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]

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3.2.3 La reacción de Inducido •

En esta imagen se representa la distribución de la f.m.m. del inducido sobre la periferia del entrehierro. Se muestran los polos a trazos para constatar que su acción no se tiene en cuenta.

Figura de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]

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3.2.3 La reacción de Inducido

Deformación del campo magnético en el entrehierro debido a la reacción del inducido.

Desplazamiento de las escobillas hasta la línea neutra real.

Figuras de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]

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3.2.3 La reacción de Inducido •

Consecuencias de la inducción resultante en el inducido:

-

La reacción del inducido deforma la curva de inducción debajo de cada polo. Si la máquina no está saturada no se modifica su fem. ya que tenemos flujo constante. En el caso de saturación la B resultante tiene un valor inferior a la salida de los polos, hace que el flujo disminuya y que aparezca un efecto desmagnetizante reduciendo así el valor de la fem. Posible elevación de la tensión entre delgas consecutivas motivada por el paso de las espiras por la zona de refuerzo del flujo entre polos (chisporreo en el colector). Desplazamiento de la línea neutra debido a la reacción del inducido, ésta se adelanta (generador) o se retrasa (motor) respecto al sentido de giro del rotor. Para evitar esto hay que modificar la posición de las escobillas adelantándolas o retrasándolas.

-

-

-

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3.2.3 La reacción de Inducido •

En la mayoría de máquinas de CC para eliminar el desplazamiento de la línea neutra geométrica con las variaciones de carga y asegurar una mejor conmutación, se emplean los polos auxiliares, estos van provistos de un devanado que se conecta en serie con el inducido, produciendo un campo magnético opuesto al de la reacción transversal.

Figura de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]

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3.2.3 La reacción de Inducido Escobillas: •

Cuando las escobillas están situadas en la línea neutra geométrica, la reacción de inducido es totalmente transversal, lo que conduce a un desplazamiento de la línea neutra magnética que provoca un chispeo en el colector.

•

Si se desplazan las escobillas a la línea neutra magnética verdadera, se evita el chisporroteo del colector pero aparece una reacción antagonista que se opone a la acción del inductor y que debe ser compensada por un aumento idéntico en la fmm de los polos. En la práctica se impide este desplazamiento. La solución más eficaz consiste en neutralizar la reacción de inducido mediante la incorporación de un arrollamiento de compensación.

Devanado de compensación. Figura de [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]

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3.2.4 Conmutación OK

NO OK

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TEMA 3.3: CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA

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3.3.1 Máquina de corriente continua con excitación derivación/independiente •

U  E  Ra I a

Ecuaciones de la máquina:

I

Ia

ˆn E  k1'  U  k1' n  Ra I a

La , R a

I excd

E E

Lexcd , Rexcd

U

ˆ E  k1  U  k1   Ra I a

M i  k1I a   f I exc



Si no hay saturación:

  gI exc

k ' k1' g

k  k1 g

U  k ' I exc n  Ra I a U  kI exc   Ra I a M i  k I exc I a Figura izq. [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]

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3.3.1 Máquina de corriente continua con excitación derivación/independiente U  E  Ra I a

ˆn E  k1' 

U   K    n   Ra I a U

Ia

Característica de vacio (Ua=E)

Característica de salida o de carga

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3.3.1 Máquina de corriente continua con excitación derivación/independiente ˆ ·I a M  k1  Generador: Par contrario al de arrastre debido al consumo de corriente. Motor: Par entregado a la carga que se arrastra.

1.

Sin reacción de inducido.

2.

Con reacción de inducido.

Ia Características electromecánicas de par.

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3.3.1 Máquina de corriente continua con excitación derivación/independiente

 

 

U  k1'  ·n  Ra ·I a

U  Ra I a  k1'  ·n U U

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3.3.1 Máquina de corriente continua con excitación derivación/independiente •

Curva característica velocidad:

I

Motor: caída de velocidad aumentar la carga mecánica (absorbe más corriente)

 o

Ia

La , R a

I excd

Lexcd , Rexcd

U

1. Sin reacción de inducido. 2. Con reacción de inducido.

E E



R U  a ·I a ˆ k1 · ˆ k1 ·

  o  b Ia

Características electromecánicas de velocidad.

Figura de [M.C. Cherta, J.Corrales, A.E.B., Teoría general de máquinas eléctricas, UNED,1991 ] Figura izq. [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]

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3.3.1 Máquina de corriente continua con excitación derivación/independiente •

Curva característica mecánica:



R U  a ·I a ˆ k1  ˆ k1  M  Ia ˆ k1

  0 

Motor: caída de velocidad aumentar la carga mecánica (mayor par resistente)



o

1. Máquina no saturada. 3. Máquina con saturación.

Ra M 2 2 k1 ·

  0  b M

M

Figura izq. [J. Fraile Mora, Máquinas Eléctricas, Ed. Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puentes, 2002 ]

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TEMA 3.4: REGULACIÓN DE LA MÁQUINA

DE CORRIENTE CONTINUA

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3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua

Ia

M

M

Ia

CONSUMO Si la carga aumenta (más demanda de corriente)

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3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua

M

Ia

CONSUMO Si la carga aumenta Las caídas de tensión aumentan. La tensión se reduce

ˆn E  k1' 

Podemos aumentar el flujo (corriente de excitación)

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3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua La velocidad del motor (p.e. turbina) varía. Si queremos mantener la tensión constante podemos regular de forma dinámica la excitación

Ia

M

CONSUMO

n

ˆn E  k1' 

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3.4.2 Ejemplo de modelado mediante Matlab/Simulink Simularemos en Simulink un generador de corriente continua

Constantes: k=0.5; La=0.005; Ra=2; Valores nominales: Ia = 22 A Iexc = 1 A Ua = 314 V N= 6000 rpm

57 J. Montanyà

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3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua Paso 1: introducir en Matlab las constantes de la máquina (no se tiene en cuenta la inercia….) >> k=0.5; >> La=0.005; >> Ra=2;

58 J. Montanyà

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3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua Paso 2: Ejecutar Simulink y abrir el fichero ‘Generador.mdl’

59 J. Montanyà

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Sistema eléctrico del avión: Generadores DC

3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua Paso 3: Configuration  Simulation Parameters

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Sistema eléctrico del avión: Generadores DC

3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua Paso 4: Simulación

Comprobar el efecto de subir carga (Ia) y variar la excitación (Iexc).

Para simular: Simulation  Start (o botón play). Para ver las formas temporales hacer click sobre los Scopes

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Sistema eléctrico del avión: Generadores DC

3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua Ejemplo 2: Regulación automática de un generador de corriente continua

•Se

desea una consigna de 270 V.

•Se

introduce un regulador tipo PI (kp: constante proporcional, ki: constante integración).

•A

la velocidad de la turbina se le introduce una perturbación sinusoidal.

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Sistema eléctrico del avión: Generadores DC

3.4.1 Conceptos de la regulación del generador de corriente continua Fichero ‘generadorcontrolexc.mdl’

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