Máquinas eléctricas: Máquinas eléctricas rotativas. Conceptos básicos

Transcripción

1 Máquinas eléctricas: Máquinas eléctricas rotativas. Conceptos básicos Os imagináis cómo sería nuestra vida sin motores eléctricos? no solamente a nivel industrial (cintas transportadoras, taladradoras, etc), sino también en el ámbito doméstico: cómo arrancaríamos el coche sin el motor de arranque? y la lavadora? y la batidora? Pero qué me decís de los generadores: cómo obtendríamos la energía eléctrica? Como puedes apreciar, este tema, en el que se estudian este tipo de máquinas es fundamental no sólo dentro de la electrotecnia, sino para conocer cómo funcionan la mayoría de máquinas que usamos diariamente. Imagen 1. Motores eléctricos. Fuente: Wikipedia. Creative Commons

2 1. Introducción Mirando a nuestro alrededor es difícil imaginar un mundo sin máquinas eléctricas, sin motores, transformadores, etc, por lo que su estudio se hace fundamental en esta materia. Emilio, que suele ser curioso, se pregunta qué es una máquina eléctrica, si todas son iguales y si funcionan con el mismo tipo de energía eléctrica. Pues bien, todos los dispositivos que o bien producen, o bien consumen energía eléctrica, ya sea continua o alterna, se denominan máquinas eléctricas. Un tipo particular, son las máquinas eléctricas rotativas que están constituidas por la combinación de circuitos eléctricos y magnéticos. Tienen partes fijas y partes móviles. Si le preguntamos a Emilio a qué máquinas nos referimos, qué creéis que contestará?, pues lo que casi todo el mundo, los motores eléctricos. Es una buena respuesta, pero no olvidemos que los generadores también son máquinas eléctricas rotativas. Fíjate que los motores consumen energía eléctrica y la transforman en mecánica. Sin embargo, los generadores transforman la energía mecánica en eléctrica. Son por tanto máquinas reversibles. Pero, cómo funcionan? En qué principios se basan estas máquinas? La respuesta es mucho mas sencilla de lo que parece: estos dispositivos funcionan gracias a la inducción electromagnética. En los fenómenos de inducción electromagnética se producen fuerzas que, en último extremo son las responsables de los movimientos producidos en este tipo de máquinas.

3 2. Clasificación de las máquinas rotativas De forma general y en función del tipo de energía eléctrica que utilicen, las máquinas eléctricas rotativas se pueden clasificar: Imagen 2. Clasificación de máquinas eléctricas rotativas. Elaboración propia

4 Lee las siguientes preguntas con atención y contesta si son verdaderas o falsas: 1. Las máquinas eléctricas rotativas se clasifican según la energía que consumen en máquinas de corriente continua y máquinas de corriente alterna. Verdadero Falso 2. Las máquinas eléctricas son todas reversibles. Verdadero Falso 3. Las máquinas eléctricas rotativas pueden tener diferentes tipos de excitación. Verdadero Falso

5 3. Constitución general de una máquina eléctrica rotativa Las máquinas eléctricas rotativas tienen partes que giran, combinadas con partes estáticas. Podemos distinguir las siguientes partes principales: Estátor: es la parte inmóvil, fija. Rotor: parte que gira, normalmente dentro del estátor. Entrehierro: es el espacio libre que queda entre el estátor y el rótor y que permite el giro de éste último. Debe ser muy reducido, lo máximo posible, para evitar que se pierda flujo magnético. Colectores y escobillas: las escobillas realizan la conexión de los circuitos del rótor con los del estátor. Son de grafito. Las escobillas frotan sobre unas láminas conductoras (delgas) que están acopladas a un dispositivo cilíndrico denominado colector. Imagen 3. Máquina eléctrica. Elaboración propia Estas máquinas están constituidas por dos circuitos eléctricos y uno magnético. Los circuitos eléctricos se encuentran en el rótor y en el estátor respectivamente. A estos circuitos se les denomina devanados. Uno de ellos, produce la fuerza electromotriz que crea el flujo en el circuito magnétco de la máquina, por ésto se le denomina devanado inductor. En el otro circuito eléctrico se induce una fuerza electromotriz que produce un par motor (en el caso de que esté funcionando como motor) o una fuerza contraelectromotriz (si está funcionando como generador). A este devanado se le denomina inducido.

6 4. Principio general de funcionamiento Las máquinas eléctricas se basan en las ley de Biot y Savart: Indica el campo magnético creado por corrientes eléctricas estacionarias y se puede enunciar como: "si un conductor está inmerso en el seno de un campo magnético y por él circula una corriente eléctrica, se verá sometido a unas fuerzas de carácter electromagnético que tenderán a desplazarlo". Esto quiere decir que para conseguir que un conductor se desplace sólo hay que introducirlo en un campo magnético y hacer que por él circule una corriente. La fuerza a la que se verá sometido será: Donde: F es la fuerza que aparece en los conductores en Newtons. B es la intensidad del campo magnético en Teslas. L es la longitud de los conductores en metros. I es la intensidad de corriente que circula por los conductores en Amperios. Video 1. Funcionamiento de una máquina eléctrica rotativa. Fuente: Youtube

7 El campo magnético necesario será creado por bobinas que se situarán en el estátor de la máquina (funcionando como motor). Los conductores sobre los que aparecerá la fuerza, se colocarán en el rotor. Dicha fuerza aparecerá cuando los conductores sean recorridos por una corriente eléctrica. Como los conductores se encuentran alojados en ranuras en el rotor y, por tanto están fuertemente unidos a él, las fuerzas ejercidas en los conductores se transmiten al rotor originando un par motor que hace girar el eje. Imagen 4. Motor eléctrico. Fuente: Wikipedia. Creative Commons

8 Date cuenta de que para que se sumen todas las fuerzas magnéticas de los distintos conductores es preciso que todas hagan girar el rotor en el mismo sentido. Esto se consigue haciendo que las corrientes de los conductores situados debajo de los polos sur del imán sean opuestas a las situadas debajo de los polos norte. Imagen 5. Conductores en un motor eléctrico. Elaboración propia

9 4.1. Número de polos Los circuitos magnéticos tienen polos norte y sur, de tal manera, que las líneas de fuerza del campo magnético salen del polo norte y entran por el polo sur. Las máquinas rotativas necesitan para funcionar, como hemos visto anteriormente, un campo magnético, generados por bobinas enrolladas en núcleos de hierro. Estos núcleos se denominan polos. Están unidos por un extremo a la culata, quedando libre el otro extremo, que dará nombre al polo. Los polos tienen que tener diferente polaridad alternativamente para que las líneas de fuerza se distribuyan correctamente. El número total de polos de una máquina eléctrica rotativa debe ser par, para que sean la mitad norte y la mitad sur. Este número total de polos se denomina 2p. P es el número de pares de polos que tiene la máquina. Lee el siguiente texto y rellena los espacios en blanco: Los núcleos de en los que se enrollan las bobinas se denominan. Su número será siempre. Según esto, una máquina será si tiene cuatro polos, si tiene seis polos. Comprobar

10 5. Potencia y energía de una máquina eléctrica La potencia que desarrolla una máquina eléctrica es la energía por unidad de tiempo. Depende de: Si se trata de un motor, la potencia dependerá de los mecanismos acoplados al eje del motor y que serán accionados por él. Si se trata de un generador, dependerá del circuito al que alimenta. Según esto, es fácil apreciar que las máquinas eléctricas pueden funcionar con diferentes valores de potencia útil. De todos estos valores, el que caracteriza la máquina se denomina potencia nominal. Todas las condiciones que el constructor de la máquina ha diseñado para que funcione (tensión, potencia, etc.) se encuentran especificadas en la placa de características. En esta placa se indican todos los valores nominales de la máquina y se encuentra en un lugar visible: Imagen 6. Placa de características de un motor. Fuente: Wikipedia. Creative Commons Cuando una máquina está trabajando a la potencia nominal, se dice que está a plena carga. Si trabaja a potencias superiores a este valor, decimos entonces que está trabajando a sobrecarga. En el caso de que esté trabajando a potencias inferiores a la nominal, decimos que está a media carga, un cuarto de carga, etc. El principal problema que podemos tener con una máquina eléctrica rotativa es que se caliente. Es necesario refrigerar estas máquinas porque pueden quemarse.

11 5.1. Pérdidas Todas las máquinas rotativas se calientan. Esto es debido, evidentemente, a que parte de la energía se transforma en calor. Por lo tanto, existen pérdidas en forma de calor y la potencia que desarrollará la máquina (que llamaremos potencia útil) será menor que la potencia que absorba. Potencia útil < Potencia absorbida

12 Estas pérdidas se dan en diferentes partes de la máquina, como veremos a continuación: a. Pérdidas mecánicas: Son debidas al rozamiento (no olvides que las máquinas rotativas "giran"). Se dan en las partes móviles: cojinetes, escobillas (debido a su rozamiento con el colector), etc. b. Pérdidas en el cobre: Se denominan así a las pérdidas en los conductores de los circuitos eléctricos de la máquina, ya que éstos son de cobre. Son debidas al efecto Joule, es decir, parte de la energía eléctrica que circula por los conductores se transforma en calor por los choques de los electrones con los iones metálicos de dicho conductor. c. Pérdidas en el hierro: Se denominan de esta manera a las pérdidas en el circuito magnético, que está formado por un núcleo de hierro. Pueden ser de dos tipos: pérdidas por histéresis, que son debidas a la magnetización cíclica del hierro, y pérdidas por corrientes de Foucault, que se producen por las corrientes inducidas en el hierro. Podemos resumir todo lo anterior: Imagen 7. Balance de potencia. Elaboración propia

13 5.2. Rendimiento La relación entre la potencia que desarrolla una máquina eléctrica (potencia útil) y la potencia que absorbe se denomina rendimiento. Será siempre menor que 1 porque la potencia útil es menor que la potencia absorbida, debido a las pérdidas que ya hemos visto. Evidentemente, si damos el rendimiento como un porcentaje, habrá que multiplicar η por 100. Un motor es capaz de subir un peso de N a una altura de 60 m, usando para ello 5 minutos. Calcula su rendimiento si está conectado a una red de 230 V y 50 A. No olvides que la potencia es el trabajo realizado en un tiempo. Ten cuidado con las unidades!

14 6. Característica par-velocidad de un motor Denominamos característica par-velocidad de un motor a la representación gráfica de la velocidad del motor frente al par que desarrolla dicho motor. Pero, qué es el par de un motor? Trataremos de explicarlo lo más fácilmente posible: En los conductores del inducido de una máquina de este tipo, aparecen fuerzas que hacen girar el rotor de la máquina. Como todas las fuerzas asociadas a giros, cada una de ellas tendrá asociado su correspondiente momento. Pues bien, la suma de todos estos momentos individuales (sin olvidar que las fuerzas tienen que ejercer su acción en el mismo sentido) dará el momento de rotación de la máquina. Si la máquina es un generador este momento se denomina Par Resistente porque se opone al movimiento que lo produce. Pero si se trata de un motor, se denomina Par Motor porque es el que produce el giro de dicho motor. En un motor, la velocidad de funcionamiento se fija en el punto en el que el par que el motor puede producir es igual al que necesita la carga para funcionar. Por este motivo son muy útiles las características par-velocidad tanto del motor como de la carga, ya que se usan para definir si un motor es útil para una determinada utilización.

15 Algunos ejemplos de características par-velocidad tanto de una carga como de un motor son: Imagen 8. Característica par-velocidad de un motor. Elaboración propia Imagen 9. Característica par-velocidad de una carga. Elaboración propia Imagen 10.Característica par-velocidad de un motor con una carga. Elaboración propia Si observas la gráfica del par-velocidad del motor y la carga, verás que hay un punto (señalado con una flecha) en el que el par motor y el par necesario para la carga coinciden, a ese par se le denomina par motor nominal y la velocidad a la que corresponde ese punto será la velocidad nominal de la máquina.

16 6.1. Clases de servicio de los motores Ya hemos dicho que el principal inconveniente de una máquina rotativa es el calentamiento, entonces antes de elegir una máquina cuando funciona como motor, debemos considerar el calentamiento que va a sufrir para determinar sus características nominales. Por ejemplo, no elegiremos el mismo motor para trabajar de forma intermitente que de forma continua. La forma en la que un motor está preparado para funcionar se denomina servicio. Las clases de servicio están normalizadas y se representan según la letra S y un número (S1, S2,etc). A continuación mostramos algunos ejemplos de motores que funcionan con diferentes clases de servicio: S1: Son motores que funcionan de forma continua y siempre con carga. Por ejemplo, un motor de una cinta transportadora. S2: Motores que funcionan intermitentemente con tiempo suficiente como para enfriarse. Ejemplo, un motor de una puerta de un garaje. S3: Funcionan de manera intermitente pero no tienen tiempo suficiente para alcanzar la temperatura ambiente.

17 7. Clasificación según la protección de los motores Podemos clasificar las máquinas rotativas en función de la protección que tengan sus componentes. A su vez, esta protección va a depender de las condiciones de trabajo de la máquina. La protección está definida por tres dígitos, según la norma UNE, que se denomina IP (índice de protección). El primer dígito, indica la protección contra cuerpos extraños y contactos, el segundo, la protección frente al agua y el tercer dígito, la protección frente a golpes. Según ésto, podemos tener: Imagen 11. Clasificación de las máquinas según su protección. Elaboración propia