MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS: MOTORES DE CC

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1 MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS: MOTORES DE CC 1.- Concepto y principal clasificación de las máquinas eléctricas Una máquina eléctrica es un dispositivo capaz de generar, aprovechar o transformar la energía eléctrica en otra energía. Tipos de máquinas eléctricas Generador: Transforma cualquier clase de energía, normalmente mecánica, en eléctrica. Como por ejemplo las dinamos (c.c) y los alternadores (c.a.) Transformador: Modifica alguna de las características de la energía eléctrica (normalmente, tensión, intensidad de corriente o potencia) Motores: Convierte la energía eléctrica que reciben en energía mecánica 1

2 2.- Conceptos y principios generales de las máquinas eléctricas A. Campo, inducción y flujo magnético El físico Oersted demostró que si hacemos pasar una corriente eléctrica por un conductor y ponemos el conductor cerca de un imán (realmente fue una brújula), éste último resulta ser desviado. Esto demuestra que el paso de corriente a través de un conductor crea un campo magnético. B. Fuerza electromotriz inducida. Fundamento de los generadores eléctricos. Si un conductor se mueve en un campo magnético, cortando las líneas de fuerza del campo, se crea una fuerza electromotriz inducida (fem), es decir, una tensión. Este es el principio de funcionamiento de los generadores. Conforme a la ley de Faraday: Si se varía el flujo magnético a través de un circuito cerrado se origina una fem. ε = - dφ/ dt, se mide en voltios Hay otra ley, la ley de Lenz, que completa la ley de Faraday que dice que el sentido de una fem inducida es tal que se opone a la causa que la produce ε = - ( B l v ) E = fem inducida (en voltios) B = inducción magnética (en tesla) l = longitud del conductor (en m) v = velocidad de desplazamiento (en m/s) Nota: en el caso de los motores la fem inducida se denomina fuerza contraelectromotriz C. Fuerza electromagnética ejercida sobre un cable conductor Si un cable conductor recorrido por una corriente eléctrica de intensidad (I) está en presencia de un campo magnético (B), aparece una fuerza sobre el conductor cuyo valor es: En el caso que que hubieran N cables en presencia de un campo magnético, las fuerza magnética inducida será la fuerza en un cable multiplicado por N, la fórmula será entonces: F = N B I L senα D. Fuerza electromagnética ejercida sobre una espira rectangular. Fundamento de los motores eléctricos En las máquinas eléctricas, aparecen bobinas formadas por un determinado número de espiras. Ya hemos visto cómo es la fuerza que aparece sobre un hilo conductor recorrido por una corriente I, que está presente en un campo B, pero... Cómo será en una espira? 2

3 El momento de fuerzas es: M= B I S senθ M = momento de fuerzas o par-motor (N m) I = Intensidad de corriente (A) S = Superficie de la espira (m 2 ) (longitud a x longitud b) B = Inducción del campo magnético (T) θ = ángulo formado por el vector S, perpendicular a la superficie de la espira y las líneas de fuerzas del campo. Si en lugar de una espira tenemos una bobina formada por N espiras, el parmotor M= N B I S senθ 3.- Constitución de los motores de corriente continua Elementos principales. Rotor y Estator Desde el punto de vista mecánico, un motor está constituido por: Rotor: Parte móvil o giratoria. El rotor es una pieza giratoria cilíndrica, un electroimán móvil, con bobinados de hilo de cobre por el que pasa la corriente eléctrica. Estator: parte fija. El estator, situado alrededor del rotor, es un electroimán fijo, cubierto con un aislante. Al igual que el rotor, dispone de bobinados eléctricos por los que circula la corriente. Existen por tanto dos circuitos eléctricos: uno en el rotor y otro en el estator. Dichos circuitos están constituidos por devanados o bobinados. Los devanados pueden ser: 3

4 o Devanado (o bobinado) inductor: Es el devanado (circuito eléctrico) que genera el campo magnético de excitación en una máquina eléctrica. Se sitúa en el interior del estator en unos salientes llamados polos. Los polos generan un campo magnético (inductor) cuando circula corriente por ellos. o Devanado (o bobinado inducido) Inducido: Es el devanado sobre el que se inducen las fuerzas electromotrices. Se sitúa en unas ranuras del rotor Otros elementos Además del rotor y estator existen otros elementos que forman parte de un motor eléctrico: Entrehierro. Para permitir el movimiento del rotor, entre rotor y estator, existe un espacio de aire llamado entrehierro, que debe ser lo más reducido posible para evitar pérdidas del flujo magnético. Colector de delgas. Es un conjunto de láminas de cobre, aisladas entre sí y que giran solidariamente con el rotor. Las delgas están conectadas eléctricamente a las bobinas del devanado inducido y por medio de ellas dicho devanado se puede conectar a la fuente de energía eléctrica del exterior, a través de las escobillas. Al colector de delgas también se le conoce como conmutador. Escobillas: Las escobillas permanecen fijas al estator, sin realizar movimiento alguno, y están en contacto permanente sobre la superficie del colector de delgas. Esto permite el paso de corriente eléctrica desde el exterior hasta el devanado inducido del rotor. 4

5 Cojinetes, piezas de acero que sirven de sujeción a la máquina Nota: En los motores de c.c. las escobillas y el colector de delgas permiten la conmutación de corriente cada media vuelta del rotor. 4.- Funcionamiento del motor de corriente continua Conectamos el motor a una fuente de alimentación. La corriente llega al devanado del rotor a través del contacto entre las escobillas con el conmutador (colector de delgas). Las escobillas permanecen fijas, mientras que el conmutador puede girar libremente entre ellas siguiendo el movimiento del rotor. Cuando la corriente pasa a lo largo del devanado del rotor, se crea un campo magnético cuyos polos son atraídos y repelidos por los polos del devanado del estator, de modo que el rotor se moverá hasta que el polo norte del devanado del rotor quede mirando al polo sur del estator. Pero tan pronto como los polos del rotor quedan "mirando" a los polos del estator, se produce un cambio en el sentido de la corriente que pasa por el rotor. Este cambio es debido a que el conmutador, al girar, modifica los contactos con las escobillas e intercambia el modo en que el devanado del rotor recibe la corriente de la pila. Es decir, se invierte la polaridad. Al modificarse el signo de los polos del devanado del rotor, los polos del rotor resultarán repelidos por los polos del estator fijo, pues en esta nueva situación estarán enfrentados polos de igual signo, con lo cual el rotor se ve obligado a seguir girando. Nuevamente, cuando los polos del devanado del rotor estén alineados con los polos opuestos del estator fijo, el contacto entre escobillas y conmutador modificará el sentido de la corriente, con lo cual el rotor será forzado a seguir girando. Para comprenderlo mejor fíjate en los siguientes esquemas: 5

6 La parte de color azul del colector está conectada al polo positivo de la pila, creando un polo N La parte de color azul del colector sigue conectado al polo positivo de la pila, creando un polo N 6

7 Las escobillas no tocan al colector no se crea ningún campo magnético en el rotor La parte de color azul del colector está conectada al polo negativo de la pila, creando un polo S

8 4.1.- Esquema de funcionamiento de un motor de c.c. Inducido Inductor 5.- Magnitudes fundamentales de los motores de c.c. Fuerza contraelectromotriz Cuando tenemos un conductor en el interior de un campo magnético y lo sometemos a un flujo de líneas de fuerzas al girar en las distintas posiciones se induce una fuerza electromotriz de valor: E g = p φ (n/ 60) N/ a voltios p nº de pares de polos n rpm (N/60 rps) N nº espiras o vueltas a nº conductores: dependiendo del tipo de bobinado tenemos: p=a si el bobinado es imbricado o paralelo 2a= 2; a=1 si el bobinado es ondulado o serie E g = kφ N voltios Par interno M i Par electromagnético de una máquina de corriente continua. Los conductores del inducido de una máquina de c.c. se encuentran sometidos a fuerzas que hacen que éste gire en sentido contrario a las agujas del reloj debido a que por ellos circula una corriente eléctrica.si el número total de conductores de que dispone el inducido es N, el par electromagnético Me vendrá dado por: Como la mayoría de las magnitudes son constantes, el par interno de puede expresar como: M i = K 1. Φ. I i 8

9 Por otro lado Φ= K 2. I ex Caso particular para un motor con excitación en serie I i = I ex M i = K 3.( I i ) 2 Φ= K 2. I ex = Φ= K 2. I i También la potencia útil de un motor está relacionada con el par electromagnético interno a través de la velocidad de giro. P u = M i ω P u = la potencia útil (en W) M i = par interno (en N m) ω = velocidad angular (en rad/s) P abs = Potencia absorbida por el motor = U. I U = Tensión de alimentación del motor I = Intensidad total absorbida por el motor P cu = Pérdidas por calor en las resistencias. Se divide en (P cu = P cu1 + P cu2 ) P cu1 = Pérdidas por calor en el circuito inductor = R ex. I ex 2 P cu2 = Pérdidas por calor en el circuito inducido = R i. I i 2 R ex = Resistencia en el circuito inductor R i = Resistencia en el circuito inducido I ex = Intensidad en el circuito inductor 9

10 I i = Intensidad en el circuito inducido P e = Potencia eléctrica Fíjate que P e = P abs P cu o también P e = ε. I i P u = Potencia útil del motor = P e (P Fe + P m ) P Fe = Pérdidas en el circuito magnético P m = Pérdidas mecánicas por rozamiento Fíjate que si no existen no existen pérdidas en el circuito magnético ni pérdidas mecánicas ( P Fe = P m = 0 ) entonces la potencia útil es igual a la potencia eléctrica ( P u = P e ) CLASIFICACION DE LAS MAQUINAS DE CC SEGÚN EL TIPO DE EXCITACIÓN Debemos de distinguir entre le bobinado inductor, encargado de generar el campo magnético necesario y el inducido que genera la fem o fcem de la máquina MAQUINAS DE EXCITACIÓN INDEPENDIENTE : el inductor y el inducido se conectan independientemente 10

11 E= V-I I *R I se considera despreciable la caída de tensión en las escobillas Para calcular la velocidad : E= KΦN N = (V-I I *R I )/ KΦ 11

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13 10.- Arranque del motor de corriente continua En el momento del arranque, al ser la velocidad cero, la fuerza contraelectromotriz ε es cero con lo que la intensidad en el inducido será: I i arranque = U / R i Debido a que R i suele ser muy baja, la intensidad de inducido en el arranque es muy alta. Para evitar esta situación existen varias soluciones Actuar sobre la tensión de alimentación, aumentándola según el motor adquiera velocidad Intercalar una resistencia entre la tensión de alimentación y el inducido denominada reóstato de arranque (R a ). Dicha resistencia limita la intensidad en el arranque al encontrarse en serie con el inducido. Dicha resistencia se va eliminando según el motor adquiera velocidad. I i arranque = U / (R i + R a ) 11.- Regulación de la velocidad La regulación de la velocidad tiene por objeto mantener la velocidad en un valor determinado. De la expresión de la fuerza contraelectromotriz ε se obtiene la siguiente expresión: 13

14 12.- Inversión del sentido de giro Para invertir el sentido de giro de un motor de C. C., basta con invertir la polaridad de la tensión de alimentación en sus bornes (con lo cual varía el sentido de la corriente que circula por su bobinado), y hacer así que el par de fuerzas que originan el giro del motor sea de sentido contrario Frenado del motor El frenado de los motores de corriente continua se basa en el principio de reversibilidad que este tipo de máquinas posee. Es decir, en el momento de frenar el motor, éste pasa a funcionar como generador, por lo que invierte el sentido del par motor. A este tipo de frenado se le conoce con el nombre de frenado eléctrico y puede efectuarse de dos modos distintos: Frenado reostático: consiste en disipar la energía que se genera al actuar como generador sobre unas resistencias de frenado, que suelen ser las mismas que se utilizan para el arranque. Frenado regenerativo: consiste en devolver la energía generada a la línea de alimentación. Además de estos frenados eléctricos también se puede realizar un frenado mecánico mediante frenos de discos o de tambor. 14

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