Fuerza electromotriz inducida. I.E.S. Cristóbal de Monroy.Dpto. de Tecnología

Transcripción

1 MÁQUINAS ELÉCTRICAS. Generalidades. INTRODUCCIÓN Las máquinas eléctricas juegan hoy en día un papel fundamental en nuestras vidas. Desde finales de la pasada Guerra Mundial, han experimentado rápidos y espectaculares avances en lo que respecta a nuevos tipos, potencias y exigencias constructivas y funcionales. Desde las grandes máquinas que se encuentran en muchas factorías industriales hasta el molinillo de café de nuestra casa, las máquinas eléctricas se han hecho imprescindibles en los tiempos actuales. Máquina eléctrica es, en general, todo conjunto de mecanismos capaces de generar, aprovechar o transformar la energía eléctrica. Las máquinas eléctricas se clasifican en tres grandes grupos: Generadores. Transforman cualquier clase de energía no eléctrica (suele ser mecánica) en eléctrica. Motores. Transforman la energía eléctrica que reciben en energía mecánica. Transformadores. Son máquinas que modifican algunas de las características de la energía eléctrica (como pueden ser la tensión o la intensidad), para hacer más fácil su transporte o utilización, pero sin transformarla en otro tipo diferente de energía. En el esquema se puede apreciar que si la máquina funciona como generador, el sistema mecánico suministra energía al sistema eléctrico. Si, en cambio, la máquina funciona como motor, es el sistema eléctrico el que entrega energía al mecánico. Las máquinas eléctricas son, por lo tanto, reversibles: pueden funcionar como generadores o como motores. PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE MAGNETISMO Campo magnético Es la perturbación en el espacio que rodea a un imán o una corriente eléctrica y que puede hacerse visible por la presencia de fuerzas actuantes sobre agentes de prueba tales como limaduras de hierro, agujas imantadas, corrientes eléctricas, etc. El campo magnético se representa mediante líneas de fuerza líneas de inducción, cuya dirección coincide con la del vector inducción magnética en cada punto. Un campo magnético se caracteriza por las lineas de inducción y por una magnitud vectorial B, que se denomina inducción magnética, y cuya unidad internacional es el tesla. Las figuras del margen muestran las lineas de inducción del campo magnético creado por un imán recto y por un imán en herradura obtenidas espolvoreando limaduras finas de hierro sobre una hoja de papel colocada encima del imán. Las limaduras tienden a alinearse según unos arcos que van del polo norte al polo sur del imán, puesto que se supone que las lineas de inducción corresponden a las trayectorias descritas por un polo norte puntual que se moviera libremente bajo la acción del campo; de ahí que se diga que tales lineas salen del polo norte y entran por el sur, mientras que en el interior del imán se dirigen del polo sur al norte. Se trata, por lo tanto, de líneas cerradas, lo que resulta ser consecuencia del carácter inseparable de los dos polos del imán. En efecto: silos polos magnéticos se pudieran separar y aislar, las líneas de inducción comenzarían y terminarían en cada uno de dichos polos, al igual que las líneas de fuerza del campo eléctrico comienzan y terminan en cargas aisladas. Fuerza electromotriz inducida

2 MÁQUINAS ELÉCTRICAS. Generalidades. Se ha comprobado experimentalmente que: Siempre que varíe el flujo magnético a través de un circuito cerrado se originará en él una fuerza electromotriz inducida. Lo que permite establecer la siguiente definición: Fuerza electromotriz inducida es la producida en un circuito inerte mediante la variación del número de líneas de inducción que atraviesan la superficie limitada por él. Lo que nos permite enunciar que: El valor de la fuerza electromotriz inducida es independiente de las causas que provocan la variación de flujo y solamente depende de la mayor o menor rapidez con que varía el flujo a través de la superficie limitada por el circuito y del número de espiras que éste posee. Sentido de la corriente eléctrica inducida. El sentido de las corrientes inducidas es tal que con sus acciones electromagnéticas tienden a oponerse a las causas que las producen. Una forma práctica de determinar el sentido de la corriente inducida consiste en la aplicación de la llamada «regla de la mano derecha»: se disponen los dedos pulgar índice y medio de la mano derecha de manera que formen un triedro trirrectángulo; si el dedo pulgar indica el sentido del movimiento, y el dedo índice el del campo, el dedo medio señalará el sentido (convencional) de la corriente, en caso de tratarse de un circuito cerrado. Corrientes de Foucault Debido a que las corrientes inducidas tienden siempre a oponerse a la causa que las produce, si un conductor metálico macizo es atravesado por un flujo magnético variable, se engendrarán en su interior unas corrientes en torbellino, llamadas corrientes de Foucault, que reaccionan contra el campo que las induce y tienden a oponerse a la variación del flujo en el interior del metal. Las corrientes de Foucault son corrientes eléctricas, cerradas sobre sí mismas, originadas por inducción en los conductores macizos cuando varia el flujo magnético que los atraviesa. Inconvenientes y aplicaciones de las corrientes de Foucault a) Inconvenientes. Principalmente son estos dos: el primero consiste en la pérdida de energía que tiene lugar en la formación de tales corrientes; el segundo es el calor -perjudicial en la mayoría de los casos- producido a causa del efecto Joule por estas corrientes. b) Aplicaciones. En ocasiones se aprovecha la existencia de las corrientes de Foucault. Así sucede en los llamados hornos eléctricos de inducción, en los que el material que deseamos calentar o fundir se coloca formando núcleo con un carrete recorrido por corrientes alternas de mucha frecuencia. De este modo se consiguen corrientes de Foucault muy intensas, las cuales, por efecto Joule, calientan tanto al núcleo metálico que llegan a fundirlo. O en los sistemas de ralentización de vehículos pesados (frenos eléctricos) CONSTITUCIÓN DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA. Desde el punto de vista electromagnético, estas máquinas se pueden considerar constituidas por un conjunto magnético y dos circuitos eléctricos: uno en el rotor y otro en el estator. Uno de los devanados o arrollamientos, al ser recorrido por una corriente eléctrica, produce la fuerza magnetomotriz necesaria para crear el flujo que se establece en el conjunto magnético de la máquina, por lo que se denomina arrollamiento inductor o de

3 MÁQUINAS ELÉCTRICAS. Generalidades. excitación. En el otro enrollamiento, denominado inducido, se induce una fuerza electromotriz, que da lugar a un par motor (es el caso de la máquina eléctrica actuando como motor), o bien a una fuerza contraelectromotriz, que produce un par resistente (caso de máquina eléctrica funcionando como generador). Por lo general, y como se puede observar en la figura, estator y rotor van provistos de unas ranuras, en las cuales se disponen los enrollamientos. Desde el punto de vista constructivo, en toda máquina eléctrica rotativa se distinguen tres tipos de materiales: Materiales activos. Son aquéllos que constituyen el asiento del campo magnético (materiales magnéticos de alta permeabilidad, como hierro, acero, chapas de hierro aleadas al silicio, aleaciones especiales magnéticas...) o de fuerzas electromotrices inducidas (materiales buenos conductores de la electricidad, como el cobre o el aluminio). Materiales pasivos. Son los materiales aislantes, que, sin intervenir en los fenómenos de conversión de energía, canalizan las corrientes eléctricas y evitan fugas de corriente indeseadas. Además, permiten la existencia de diferencias de potencial elevadas entre los propios devanados, o entre los devanados y la masa de la máquina. Materiales estructurales. Desempeñan funciones de sustentación, lubricación, accionamiento mecánico, ventilación... CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS Teniendo en cuenta la naturaleza de la corriente eléctrica generada o utilizada, las máquinas eléctricas rotativas se subdividen en: - Máquinas de corriente continua. - Máquinas de corriente alterna. A su vez, las máquinas de corriente alterna, según la naturaleza de la corriente del devanado inductor, se dividen en: - Máquinas excitadas por corriente continua: síncronas. - Máquinas excitadas por corriente alterna: asíncronas (o de inducción) y de colector.

4 EL ALTERNADOR Introducción El alternador y la dinamo, son generadores de corriente que transforman la energía mecánica que recibe en su árbol en energía eléctrica que se recoge en sus bornes. El mayor inconveniente de las dinamos es su régimen de funcionamiento, ya que, en sus velocidades críticas no suministra corriente hasta un número determinado de revoluciones, alrededor de unas 1 500, y tampoco se puede emplear una multiplicación en la transmisión para obtener la carga a un bajo régimen del motor; cuando éste funcionase a un régimen alto en carretera, la velocidad de la dinamo sobrepasarla sus límites críticos de máxima velocidad. La posibilidad de giro en los alternadores permite su acoplamiento, de forma que inicie la carga y entrega de corriente con el motor funcionando a ralentí, consiguiéndose su potencia nominal a un reducido régimen de revoluciones; esto permite alimentar todos los servicios instalados en el vehículo, aun en condiciones adversas, quedando la batería como elemento reservado para la puesta en marcha del mismo, y encontrándose siempre con carga suficiente para una buena prestación de servicio. Características del alternador Aunque la producción de corriente en esta máquina es análoga a la de la dinamo, se diferencia esencialmente en que las bobinas inducidas permanecen estáticas, siendo el campo inductor el que se mueve con el rotor, alimentado con corriente continua procedente del mismo generador a través de dos anillos rozantes situados en el eje del rotor. Esta disposición de los elementos del alternador proporciona grandes ventajas al mismo, tales como el poder girar a grandes revoluciones sin deterioro en sus elementos móviles, cosa que no ocurría en la dinamo, cuya velocidad máxima quedaba limitada por efecto de su colector y de sus escobillas. Con el alternador se consigue una mayor potencia útil para un mismo volumen y peso que en la dinamo. Descripción y características de sus componentes Un alternador tipo está constituido por los siguientes elementos: Un conjunto inductor formado en el rotor o inductor (5) del alternador. Un conjunto inducido formado en el estator (4). Un conjunto puente rectificador (6) y (7). Carcasa y demás elementos complementarios de la máquina. En la figura pueden verse con detalle el despiece de diferentes tipos de alternadores

5 Rotor o inductor El rotor, o elemento móvil del alternador, es el encargado de crear el campo magnético inductor, el cual en su desplazamiento de giro crea la variación de flujo necesaria en las espiras del estator, para generar en ellas la fuerza electromotriz inducida y, por tanto, la corriente eléctrica. Constitución del conjunto El conjunto está formado por un eje o árbol (1) sobre el cual va montado un núcleo magnético (2) formado por dos piezas de acero forjado que llevan unos salientes o dedos entrelazados sin llegar a tocarse, que constituyen los polos del campo magnético inductor. Cada una de las dos mitades del núcleo lleva 4 ó 6 salientes, con lo que se obtiene un campo inductor formado por 8 ó 12 polos. En el interior de los polos, va montada una bobina inductora (3) de hilo de cobre aislado y de muchas espiras, bobinada sobre un carrete de material termoplástico. En uno de los lados del eje, va montada una pieza de material termoestable fija al eje del rotor, en la que se encuentran moldeados dos anillos rozantes de cobre (4), a los cuales se unen los extremos de la bobina inductora. A través de estos anillos, y por medio de dos escobillas de carbón grafitado la bobina recibe la corriente de excitación generada por el propio alternador a través del equipo rectificador (autoexcitación). Este equipo móvil perfectamente equilibrado dinámicamente, para evitar vibraciones, constituye un conjunto extraordinariamente robusto que puede girar a gran velocidad sin peligro alguno, al no tener como la dinamo elementos que pueden ser expulsados por efecto de la fuerza centrífuga, como ocurre con el colector y bobinas inducidas. Estator o inducido El estator es el elemento donde van alojados los conductores inducidos que generan la corriente eléctrica. Armazón del estator Está formado por un paquete ensamblado de chapas magnéticas (1) de acero suave laminado en forma de corona circular, troqueladas interiormente para formar en su unión las ranuras donde se alojan las bobinas inducidas (2); tienen mecanizado el diámetro exterior para su encaje y acoplamiento en la carcasa, que cierra el conjunto del alternador. Devanado del estator El devanado de los conductores que forman el inducido está constituido generalmente por tres arrollamientos separados y repartidos perfectamente aislados en las ranuras que forman el estator. Estos tres arrollamientos, o fases del alternador, pueden ir conectados según el tipo, en estrella o en triángulo, obteniendo de ambas formas una corriente alterna trifásica, a la salida de sus bornes. Equipo rectificador El alternador produce corriente alterna y si se requiere corriente continua, se precisa un equipo rectificador. Este conjunto, formado por varios diodos de silicio, puede ir montado directamente en la carcasa lado anillos rozantes o en un soporte en forma de corona circular cortada, conexionados a cada una de las fases del estator, formando un puente rectificador, obteniendo a la salida del mismo una corriente continua. Diodo El diodo está formado por un envase metálico, con un cristal de silicio en su interior, unido a un vástago

6 de conexión y relleno de silicona. Tiene la misión de rectificar la corriente alterna obtenida en el estator, por su propiedad de dejar circular la corriente eléctrica en un sólo sentido. Portaescobillas y equipo rectificador La parte de carcasa lado anillos rozantes (7) lleva sujeto en su interior el portaescobillas (8), sobre el que se deslizan las mismas perfectamente aisladas y que reciben corriente directamente del equipo regulador. Sobre esta parte de carcasa se monta, sujeto a ella, el equipo rectificador y las tomas de corriente del alternador, así como el equipo de regulación electrónica en los alternadores que llevan este tipo de regulación incorporado. Carcasa y elementos complementarios La carcasa, o cuerpo del alternador está formada por dos semicuerpos o mitades de aluminio fundido (3) y (7), sirviendo de cierre al conjunto donde se alojan los componentes del mismo y soporta los rodamientos a bolas sobre los que se mueve el eje o árbol del rotor (5). Ventilador y polea Por el exterior del conjunto y sobre el árbol del rotor en el lado opuesto al de los anillos rozantes, va montado el ventilador (2), diseñado para mover el caudal de aire necesario para la ventilación del alternador y la polea de mando (1), fabricada en chapa de acero o en aluminio, con una garganta trapezoidal para alojar la correa de mando de la transmisión. Funcionamiento eléctrico. El funcionamiento y generación de la corriente en los alternadores está basado en los mismos principios de inducción electromagnética que la dinamo, de forma que un conductor situado bajo la influencia de las líneas de fuerza de un campo inductor genera en él una fuerza electromotriz inducida cuando existe una variación de flujo. En los alternadores, el campo magnético inductor lo crea la bobina del rotor, al ser alimentada por corriente continua a través de sus anillos rozantes; y la disposición de sus masas polares crea un campo magnético, cuyas líneas de fuerza atraviesan en toda su periferia los conductores situados en el estator. Al girar el rotor, los conductores situados en el estator van cortando el flujo emitido por las masas polares, cuyo corte de líneas de fuerza estará en función del giro producido por el rotor; así crean la variación de flujo necesaria para inducir en los conductores del estator una fuerza electromotriz, que será proporcional al campo magnético inductor y a la velocidad de giro de la máquina: El rotor en su giro va enfrentando sucesivamente sus polos de signo contrario con los conductores del estator, creando en ellos corrientes, cuyo sentido o dirección va cambiando, según el polo que tenga enfrente; la corriente generada y obtenida a la salida de los arrollamientos del estator será una corriente alterna sinusoidal, cuya frecuencia (f) o número de alternancias por segundo estará en función del número de polos (p) y de la velocidad de régimen en r. p. m. (n)de la máquina: - Rectificación de la corriente. La obtenida a la salida de los arrollamientos inducidos es rectificada por medio de un puente rectificador, a base de diodos de silicio; se obtiene de esta forma una corriente continua en los bornes del alternador. Tipos de alternadores y características eléctricas de los mismos. Muchos son los modelos de alternador existentes en el mercado construidos por diversos fabricantes; se diferencian unos de otros esencialmente por la tensión e intensidad que son capaces de proporcionar. Clasificación de los alternadores. Según la disposición y conexionado de los arrollamientos situados en el estator, los alternadores utilizados en automoción pueden ser: monofásicos o trifásicos; conexionados éstos últimos en estrella o en triángulo, se obtienen distintas características eléctricas en los mismos.

7 Alternadores monofásicos Alternador monofásico. El alternador monofásico puede estar formado por un solo arrollamiento con todas sus bobinas en serie o formando dos circuitos en paralelo; sus extremos libres. Alternadores trifásicos Los alternadores trifásicos están formados por tres arrollamientos separados en su estator, constituyendo un sistema de tres corrientes alternas monofásicas de igual valor eficaz, y desfasadas 120º eléctricos. Estos tres arrollamientos pueden conexionarse en estrella o en triángulo, teniendo cada uno de ellos características diferentes en cuanto a la tensión e intensidad. Alternador trifásico conexionado en estrella La conexión en estrella consiste en unir en un punto común los finales de cada fase del estator, conexionando los principios a un puente rectificador hexadiodo. Alternador trifásico conexionado en triángulo Consiste esta conexión en siguiente y los tres puntos de hexadiodo. unir el principio de cada fase con el final de la conexión con el puente rectificador