TEMA 5: Motores de Corriente Continua.

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1 Esquema: TEMA 5: Motores de Corriente Continua. TEMA 5: Motores de Corriente Continua Introducción Ley de Faraday Constitución de una Máquina Eléctrica Principio de un Motor, Generador, f.e.m., f.c.e.m Excitación en serie Excitación en derivación o paralelo Rendimientos y Balances energéticos Introducción Las máquinas eléctricas de corriente continua rotativas están basadas en el efecto de inducción electromagnética. Las máquinas eléctricas son todo el conjunto de mecanismos capaces de generar, aprovechar y transformar la energía eléctrica. MÁQUINAS ELÉCTRICAS DE CORRIENTE CONTINUA Se clasifican en: Generadores.- La energía mecánica se transforma a energía eléctrica. Generadores de energía Consumidores De energía Motores Energía Mecánica Generador Energía Eléctrica Motores.- La transformación es inversa, la energía eléctrica suministrada se convierte en energía mecánica rotativa. Energía Eléctrica Motor Energía Mecánica Transformadores.- Son máquinas de corriente alterna que modifican algunas de las características de la energía eléctrica (como tensión, intensidad), para hacer más fácil su transporte pero sin transformarlo en otro tipo de energía. Es una máquina de corriente [email protected] Página 1

2 alterna estática. Tanto los motores como los generadores están constituidos básicamente por los mismos elementos, variando solamente la forma en que son utilizados. En ambas máquinas no se produce un acoplamiento físico entre la entrada y la salida, sino que el acoplamiento es magnético. Se clasifican desde el punto de vista de la naturaleza de la corriente eléctrica generada o utilizada en: Motores de Corriente Continua y Motores de Corriente Alterna. 2.- Ley de Faraday Michael Faraday demostró que un hilo por el que pasa una corriente eléctrica podía girar de manera indefinida alrededor de un imán. De esta manera se podía obtener energía mecánica rotativa a partir de energía eléctrica. Había descubierto el principio del motor eléctrico. Más tarde descubrió la inducción electromagnética en la que relacionaba los movimientos mecánicos y los campos magnéticos con la producción de energía eléctrica. Este principio lleva directamente a la construcción de un generador. El movimiento de un conductor en el seno de un campo magnético origina una separación de las cargas. Si los extremos del conductor se deslizan sobre un bastidor en forma de U, mientras que dure el desplazamiento del conductor se origina una corriente que tiende a disminuir el exceso de carga que hay en los extremos, lo que equivale a un generador de fuerza electromotriz (f.e.m) Principio del generador. 3.- Constitución de una Máquina Eléctrica Estáticas.- Sin partes móviles (transformadores) Rotativas.- Partes giratorias (dinámos, alternadores, motores) Motores Estátor.- Parte fija Rotor.- Parte móvil que generalmente gira dentro del estátor. 4.- Principio de un Motor, Generador, f.e.m., f.c.e.m El generador está constituido por una bobina llamada inducido que puede girar libremente alrededor de su eje, y que se encuentra en el interior de un campo magnético. Su funcionamiento se basa en aplicar energía mecánica para mover el eje del inducido, y obtener energía eléctrica mediante la transformación que se produce en la máquina. Está constituido por un nucleo de hierro dulce, en el que se ha alojado una bobina. Al conjunto de ambos se le llama rotor o inducido, y gira en el interior de un campo magnético que se denomina estátor o inductor. Cuando varía el flujo magnético que atraviesa una espira conductora, se origina en ella una fuerza electromotriz inducida (f.e.m). Cuando una espira recorrida por una corriente eléctrica gira dentro de un campo magnético, y varía su posición relativa respecto del vector inducción, se [email protected] Página 2

3 produce una variación de flujo magnético que atraviesa a la espira, originandose en la misma una fuerza electro motriz f.e.m. Cuando el generador suministra electricidad a un circuito exterior, la corriente que circula produce un campo magnético en la espiras que se opone al campo inductor, ofreciendo de esta forma un momento resistente que se opone al par motor. Denominamos régimen permanente al funcionamiento normal de la máquina cuando se ha alcanzado una velocidad estable de giro en la que puede permanecer mientras esté funcionando. En el generador en régimen permanente, si se desprecian las pérdidas producidas en la máquina (rozamiento, corrientes de Foucault,..), el par producido para el arrastre del eje (energía mecánica aplicada), es igual al par resistente generado por las corrientes eléctricas que circulan por las espiras (energía eléctrica obtenida). En un generador, la corriente que circula produce un campo magnético en las espiras. Si le quitamos el arrastre externo necesario para usarlo como generador y aplicamos una corriente desde una fuente de alimentación externa, el par hace girar la máquina => Motor eléctrico de c.c. En la práctica se sustituye el imán del estátor por una bobina que genera el campo magnético necesarioque se denomina devanado del inductor. La bobina del rotor se denomina devanado del inducido. Si se le aplica una corriente en el inducido, aparecerá un voltaje debido al giro dentro del campo magnético denominada fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m). Si invertimos el sentido dela corriente, entonces se invierte el sentido del motor. La conexión entre ambos devanados del motor para alimentarse de la fuente externa puede hacerse de varias formas: Excitación en serie (devanado del inducido e inductor en serie) Excitación independiente Excitación en derivación o paralelo [email protected] Página 3

4 4.1.- Excitación en serie Los devanados del inducido y del inductor se conectan en serie. En el esquema eléctrico el inducido se representa por el símbolo de un motor, que es el círculo en el que se diferencian dos bornas de conexión identificadas con los signos + y - que corresponden al signo de la fcem del inducido E, en serie con una resistencia, que es la resistencia interna del devanado inducido representado por ir. La resistencia interna del devanado inductor (o de excitación del motor) se representa por Rexc. El voltaje aplicado al motor es V y la corriente que circula por los devanados es I. V =V exc V Ri E => I =I i =I exc E=V V Rexc V Ri =V I R exc R i Excitación en derivación o paralelo El inducido y el inductor se conectan en paralelo. I =I i I exc V =V exc = R exc.i exc V =V Ri E= R i I i E => E=V R i I i (f.c.e.m) [email protected] Página 4

5 5.- Rendimientos y Balances energéticos El rendimiento se calcula como el cociente entre aquello que obtenemos Potencia útil, según el objetivo para el que se utiliza la máquina, y lo que nos cuesta conseguirlo Potencia Pabsorbida. La potencia útil en un motor eléctrico es la Potencia mecánica, es decir, el par (T [N.m]) por la velocidad angular (w [radianes/seg]), para que la potencia mecánica sea en vatios. P u = P mec =T. w Siendo 1 caballo de vapor 735,5 w. La potencia absorbida por el motor es la potencia eléctrica, es decir, la tensión del motor V por la intensidad que circula por los devanados I. Pabs= P elec =V.I Según la expresión, el motor electrico tendrá un rendimiento = En cuanto al balance de potencias de un motor, se sabe que de toda la energía eléctrica aportada a un motor hay una parte que no llega a transformarse en trabajo útil, sino que se pierde debido a varias causas: Pérdidas en el hierro.- Es debida a las pérdidas que se producen al hacer oscilar entre valores opuestos al campo magnético en un material ferromagnético. Son difíciles de calcular. Pérdidas en los conductores o pérdidas en el cobre.- el paso de la corriente por los conductores que constituyen la máquina produce un calentamiento por la Ley de Joule: P Cu =I 2 R En el inducido será; P Cui = I 2 i R i y en el 2 inductor; P Cuexc = I exc R exc. Por tanto las pérdidas totales en el cobre serán: P Cu =P Cui P Cuexc =I 2 2 i R i I exc R exc Pérdidas mecánicas.- Debidas a los rozamientos, son difíciles de evaluar. Luego las pérdidas totales serán las del cobre, hierro y rozamiento. P=P Cu P Fe P m Además sabemos que las Pérdidas totales del motor se calculan restando la Potencia absorbida menos la útil. P Total =Pabs P u P útil P absorbida motor = P mecánica P eléctrica. Los tipos, esquemas y ecuaciones correspondientes a los motores de CC son iguales que los generadores. La diferencia esencial es que los generadores crean fuerza electromotriz, que será consumida posteriormente por el circuito, mientras que en los motores la fuerza contraelectromotriz es la consumida. Así pues, en los generadores la tensión en bornes V b es la tensión externa de salida; en cambio, en los motores la tensión de alimentación V o es la tensión de entrada del sistema, que es consumida. [email protected] Página 5