Characteristics of Series Wound DC Generator

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Ultima edición el 21 septiembre, 2023

Un generador de corriente continua (DC) es un dispositivo que convierte energía mecánica en energía eléctrica. Dentro de los diferentes tipos de generadores DC, el generador de corriente continua en serie es uno de los más utilizados.

Este tipo de generador es conocido por su simplicidad y por ser capaz de generar una gran cantidad de corriente en comparación con otros tipos de generadores DC. Además, es utilizado en muchas aplicaciones industriales como en motores eléctricos y en sistemas de iluminación.

En este artículo, se analizarán las características de los generadores DC en serie, explicando cómo funcionan, sus ventajas y desventajas, y cómo se aplican en diferentes industrias. También se discutirán los componentes principales de un generador DC en serie y cómo se ajustan y controlan para obtener el mejor rendimiento.

Basic Operating Principle

La serie de generadores de corriente continua (DC) tiene un principio de funcionamiento básico, que es importante comprender para entender sus características. A continuación, se detallarán los elementos clave del principio de funcionamiento:

Flujo magnético

La generación de corriente en un generador DC se basa en la producción de un flujo magnético. Este flujo es producido por el movimiento relativo entre un campo magnético y un conductor eléctrico. En el caso de un generador DC serie, el campo magnético se produce en un electroimán que está conectado en serie con el circuito del generador.

Conexión en serie

En un generador DC serie, el electroimán está conectado en serie con el circuito del generador. Esto significa que la corriente que fluye a través del electroimán es la misma que la corriente que fluye a través de los devanados del generador. Esta conexión en serie es importante porque significa que la corriente del circuito es constante y no varía con la carga del generador.

Armazón

El armazón del generador DC serie es el soporte que sostiene los devanados y el electroimán. Está hecho de materiales ferromagnéticos, como el hierro, que son buenos conductores magnéticos.

Conmutador

El conmutador es un dispositivo que se encuentra en el eje del generador y está diseñado para cambiar la dirección de la corriente que fluye a través de los devanados. Esto se hace para asegurarse de que la corriente siempre fluya en la misma dirección en el circuito del generador.

Funcionamiento básico

En resumen, el principio de funcionamiento de un generador DC serie es el siguiente:

  1. La rotación del eje del generador hace que el electroimán gire dentro del armazón.
  2. El movimiento del electroimán produce un flujo magnético que atraviesa los devanados del generador.
  3. La corriente fluye a través de los devanados y el electroimán, lo que produce un campo magnético aún más fuerte.
  4. El conmutador cambia la dirección de la corriente a medida que el electroimán gira, asegurándose de que la corriente siempre fluya en la misma dirección en el circuito del generador.
  5. La corriente generada se utiliza para alimentar una carga, como una bombilla o un motor.

La conexión en serie del electroimán y los devanados significa que la corriente es constante y no varía con la carga, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de alta corriente, como motores.

Construction of Series Wound DC Generator

Before discussing the characteristics of a series wound DC generator, it is important to understand its construction. Here are the key components:

Armature

The armature is the rotating component of the generator. It consists of a shaft, a core made of thin laminations of silicon steel, and a winding of insulated copper wire. The copper wire is wound around the core and connected to the commutator.

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Commutator

The commutator is a cylindrical structure made up of segments of copper. It is mounted on the shaft of the armature and connected to the armature winding. It serves as a switch that connects the armature winding to the external circuit.

Brushes

Brushes are made of carbon and are in contact with the commutator. They conduct electricity from the commutator to the external circuit. The brushes are usually mounted on a stationary frame, called the yoke.

Yoke

The yoke is a stationary frame that supports the poles of the generator. It is made of cast iron or steel and provides a path for the magnetic flux.

Poles

The poles are electromagnets that produce the magnetic field in the generator. They are mounted on the yoke and their polarity alternates around the circumference of the yoke. The number of poles determines the speed and power of the generator.

Field winding

The field winding is a coil of wire that is wound around each pole. It produces the magnetic field when a current flows through it. In a series wound DC generator, the field winding is connected in series with the armature winding.

Example:

A series wound DC generator has 4 poles. The armature has 20 coils and the field winding has 100 turns. The current flowing through the field winding is 2 A. The generator is driven at a speed of 2000 rpm. What is the voltage output of the generator?

Solution: The voltage output of a DC generator is given by the formula:

V = kΦnZ/60A

where:

  • V is the voltage output
  • k is a constant
  • Φ is the flux per pole
  • n is the speed of the generator in rpm
  • Z is the total number of armature conductors
  • A is the number of parallel paths in the armature winding

First, we need to calculate the flux per pole:

Φ = BAN/2

where:

  • B is the magnetic flux density
  • A is the area of the pole face
  • N is the number of turns in the field winding

Assuming a magnetic flux density of 1.2 T and a pole face area of 100 cm², we get:

Φ = 1.2 x 100 x 100 x 100/2 x 100 = 6000 Wb

Next, we need to calculate the total number of armature conductors:

Z = number of coils x number of conductors per coil = 20 x 10 = 200

Finally, we can calculate the voltage output:

V = kΦnZ/60A = 0.5 x 6000 x 2000 x 200/60 x 1 = 4,000 V

Therefore, the voltage output of the generator is 4,000 V.

Advantages and Disadvantages

When it comes to the characteristics of a Series Wound DC Generator, there are both advantages and disadvantages. Let’s take a closer look:

Advantages:

  • High Torque: Series Wound DC Generators are known for their high starting torque, making them ideal for heavy-duty applications such as cranes and elevators.
  • Efficient: These generators have a high efficiency rate, which means they can convert a large amount of mechanical energy into electrical energy.
  • Simple Design: The design of a Series Wound DC Generator is relatively simple, making it easier to manufacture and maintain than other types of generators.
  • Versatile: These generators can be used in a variety of applications, such as in electric cars, trains, and even airplanes.
  • Low Cost: Because of their simple design, Series Wound DC Generators are often less expensive than other types of generators.

Disadvantages:

  • Poor Voltage Regulation: One of the main disadvantages of Series Wound DC Generators is their poor voltage regulation. This means that the voltage output is highly dependent on the load, making them less suitable for applications that require a stable voltage output.
  • High Maintenance: While the simple design of these generators makes them easier to maintain, they still require regular maintenance to ensure they are operating at peak efficiency.
  • Overheating: Series Wound DC Generators can be prone to overheating, especially if they are operated at high speeds for extended periods of time. This can cause damage to the generator and even pose a safety risk.
  • Limited Speed Range: These generators have a limited speed range, which means they may not be suitable for applications that require high speeds.
  • Noisy: Series Wound DC Generators can be quite noisy, which can be a problem in applications where noise levels need to be kept to a minimum.
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Overall, while Series Wound DC Generators have their advantages, they may not be the best choice for every application. It’s important to carefully consider the specific requirements of your project before choosing a generator.

Applications

Series wound DC generators have several applications in various industries due to their unique characteristics.

Industrial Applications

  • Electric power generation: Series wound generators are used to generate electricity in power plants. They are used to produce electricity in remote locations where there is no access to the power grid.
  • Welding: Series wound generators are used in welding machines to provide a constant current for welding.
  • Mining: Series wound generators are used in mining operations to power heavy machinery and equipment.
  • Oil and gas: Series wound generators are used in oil and gas industries to power drilling rigs and other equipment.

Transportation Applications

  • Electric vehicles: Series wound generators are used in electric vehicles to power the motor and recharge the battery.
  • Marine: Series wound generators are used in marine applications to power boats and ships.
  • Aerospace: Series wound generators are used in aircraft to power the avionics and other electrical systems.

Other Applications

  • Emergency power: Series wound generators are used in emergency power systems to provide backup power in case of a power outage.
  • Renewable energy: Series wound generators are used in renewable energy systems such as wind turbines and hydroelectric power plants.

In conclusion, series wound DC generators have a wide range of applications in various industries due to their unique characteristics. They are used in power generation, welding, mining, oil and gas, transportation, emergency power, and renewable energy systems, among others.

Maintenance Considerations

When it comes to maintaining a Series Wound DC Generator, there are a few key considerations to keep in mind.

Regular Inspections

It is important to regularly inspect the generator for any signs of wear and tear or damage. This includes checking the brushes, commutator, and bearings. Any issues should be addressed immediately to prevent further damage.

Cleaning

Cleaning the generator is another important aspect of maintenance. Dust and debris can accumulate on the generator, which can impact its performance. Cleaning should be done regularly, and any buildup should be removed using a soft brush or compressed air.

Lubrication

The generator’s bearings should be lubricated periodically to ensure smooth operation. It is important to use the correct type of lubricant and to not over-lubricate, as this can cause problems with the generator’s performance.

Testing

Periodic testing of the generator is also important to ensure that it is functioning properly. This can include testing the voltage and current output, as well as checking for any abnormal vibrations or noises.

Replacement Parts

Over time, certain parts of the generator may need to be replaced. It is important to use high-quality replacement parts that are designed specifically for the generator, as using inferior parts can lead to further issues and damage.

Overall, proper maintenance of a Series Wound DC Generator is crucial for ensuring its longevity and efficient operation.

Control of Speed

El control de velocidad es una de las características más importantes en un generador de corriente continua con devanado en serie. La velocidad del generador determina la frecuencia de la corriente producida y, por lo tanto, es fundamental para la operación de cualquier sistema eléctrico.

¿Cómo se controla la velocidad en un generador de corriente continua con devanado en serie?

Existen varios métodos para controlar la velocidad de un generador de corriente continua con devanado en serie, entre ellos:

  • Control de voltaje de campo: al variar el voltaje de campo del generador, se puede controlar la velocidad del mismo. Si se aumenta el voltaje de campo, se aumenta la velocidad del generador y, si se disminuye el voltaje de campo, se disminuye la velocidad del generador.
  • Control de corriente de campo: al variar la corriente de campo del generador, también se puede controlar la velocidad del mismo. Si se aumenta la corriente de campo, se aumenta la velocidad del generador y, si se disminuye la corriente de campo, se disminuye la velocidad del generador.
  • Control de carga: al variar la carga que se le aplica al generador, se puede controlar la velocidad del mismo. Si se aumenta la carga, se disminuye la velocidad del generador y, si se disminuye la carga, se aumenta la velocidad del generador.
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Ejemplo de control de velocidad

Por ejemplo, si se desea controlar la velocidad de un generador de corriente continua con devanado en serie, se puede variar la corriente de campo. Si se aumenta la corriente de campo, se aumenta la velocidad del generador y, si se disminuye la corriente de campo, se disminuye la velocidad del generador.

Un ejemplo práctico de control de velocidad en un generador de corriente continua con devanado en serie es en la operación de un motor eléctrico. Si se desea que el motor gire a una velocidad determinada, se debe controlar la velocidad del generador que lo alimenta.

Conclusiones

La velocidad del generador determina la frecuencia de la corriente producida y, por lo tanto, es fundamental para la operación de cualquier sistema eléctrico. Existen varios métodos para controlar la velocidad, entre ellos el control de voltaje de campo, el control de corriente de campo y el control de carga.

En conclusión, las características de un generador de corriente continua de excitación en serie son únicas y ofrecen una variedad de aplicaciones en diferentes industrias. Con su alto rendimiento y capacidad de carga, son una opción popular en la industria del transporte, así como en la generación de energía eléctrica. Aunque estos generadores son más complicados que otros tipos de generadores de CC, sus características y habilidades de carga los hacen una opción valiosa para muchas aplicaciones. Con una comprensión completa de las características de estos generadores, se puede tomar una decisión informada sobre si es la opción correcta para su aplicación específica.

En conclusión, las características de un generador de corriente continua de excitación en serie son únicas y ofrecen una variedad de aplicaciones en diferentes industrias. Con su alto rendimiento y capacidad de carga, son una opción popular en la industria del transporte, así como en la generación de energía eléctrica. Aunque estos generadores son más complicados que otros tipos de generadores de CC, sus características y habilidades de carga los hacen una opción valiosa para muchas aplicaciones. Con una comprensión completa de las características de estos generadores, se puede tomar una decisión informada sobre si es la opción correcta para su aplicación específica.

En resumen, el generador de corriente continua en serie tiene características únicas que lo diferencian de otros tipos de generadores. Se caracteriza por una alta corriente de arranque, una velocidad de giro variable, una baja tensión de salida y una capacidad de carga limitada. Además, debido a su diseño simple, es fácil de construir y mantener. Si bien tiene algunas limitaciones, el generador en serie es ideal para aplicaciones que requieren una alta corriente de arranque, como en motores eléctricos, soldadura y aplicaciones de tracción eléctrica. En general, el generador en serie es una tecnología importante en la industria de la energía eléctrica y sigue siendo relevante en la actualidad.

JORGE CABRERA BERRÍOS Administrator
Ingeniero Electrónico por la UNI, con maestría y doctorado por la University of Electro-Communications (Japón).

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