Magnitudes eléctricas y mecánicas del inducido. Conversión de la energía en el inducido

Transcripción

1 Magnitudes eléctricas y mecánicas del inducido Conversión de la energía en el inducido El inducido es la parte de la maquina de cc que transforma la energía eléctrica en mecánica y viceversa. Tanto si funciona como generador o como motor, produce Fem. Y desarrolla a la vez fuerzas mecánicas; por ello, el estudio del inducido es común a ambas máquinas. Según el principio de física sobre la energía, toda transformación de energía de un tipo a otro, se ofrece una reacción. Principio de la energía aplicada al generador Cuando la maquina funciona como generador, produce una Fem. De signo positivo y reacciona con un par negativo, llamado par resistente; se llama resistente por oponerse al par positivo dado por la maquina que mueve al generador Transformación de la energía en el generador Principio de la energía aplicada al motor Si al maquina funciona como motor, producirá un par motor positivo a la vez que ofrece una reacción, llamada fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.. Se llama f.c.e.m. por ser de signo opuesto a la tensión de la red. Resistencia en el interior del inducido. El inducido de una máquina de c.c. esta formada por un conjunto de espiras, de hilo de cobre que presentan una cierta resistencia óhmica. La conexión entre el colector y el cto exterior se hace a través de las escobillas. La resistencia global del inducido es la suma de las tres resistencias: devanado, escobillas y contacto con el colector. Resistencia del devanado del inducido. ri = Rab = R/2C = R Debido a su conexión en paralelo 2C (2C) ri = resistencia interior 2C = número de circuitos R = Resistencia total del conductor empleado en el devanado 1

2 Variación de resistencia por causa de la temperatura. La resistencia del hilo R es: R = p*l/s p = resistividad del conductor L = longitud total del conductor S = sección del conductor R = Resistencia total del conductor En los cálculos relacionados con las máquinas, la resistencia se suele referir a la temperatura que adquiere la máquina en servicio normal; en caso de no conocerse el valor exacto, se elige 75 C (convencional). Así se adquiere un nuevo valor. Resistencia de las escobillas. Las materias primas que se utilizan en la construcción de las escobillas son buenos conductores de electricidad (grafito, cobre, latón, etc). Los valores de las resistencias de estos materiales varían desde 0,2 a 5 miliohms; la resistencia de las escobillas de metal es inferior a las de carbón. Resistencia de contacto. En el cto inducido existe un contacto deslizante; en éste existe una discontinuidad debido a dos causas: 1. De tipo eléctrico, puesto a la variación de corriente. 2. De tipo mecánico, ya que la unión entre las dos piezas (colector y escobillas) nunca será perfecta. La resistencia de contacto se define como el cociente entre la tensión de los bornes del contacto y la intensidad. Dadas las dificultades que surgen en la medición de la resistencia de contacto, convencionalmente se admiten, como caídas de tensión, los valores: R*I = 2V, para escobillas de carbón. R*I = 0,6V, para escobillas metálicas. Los valores de caídas son independientes del número de escobillas. Resistencia global del inducido. El sistema más práctico para salvar las dificultades es la medición de resistencia global entre los bornes del cto exterior de la máquina, para lo cual se unirán, a través de conductores, las escobillas de la misma polaridad. El valor de la resistencia global suele tomar valores próximos a 1 ohm, por lo que se necesitarán aparatos de 2

3 medidas de fondos de escala muy pequeños. Normalmente las mediciones se hacen con puente para medidas de resistencia. (Wheaststone) Intensidad de corriente en una rama del devanado. Este tema es dedicado a devanados del inducido lo cual se explica la subdivisión de este por las escobillas. La intensidad que recorre cada conductor coincide con lo que circula por su rama y toma el valor. I conductor = I rama = I inducido/2c 2C = ramas en paralelo Generadores de corriente continua Si una armadura gira entre dos polos magnéticos fijos, la corriente en la armadura circula en un sentido durante la mitad de cada revolución, y en el otro sentido durante la otra mitad. Para producir un flujo constante de corriente en un sentido, o corriente continua, en un aparato determinado, es necesario disponer de un medio para invertir el flujo de corriente fuera del generador una vez durante cada revolución. En las máquinas antiguas esta inversión se llevaba a cabo mediante un conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el eje de una armadura. Las dos mitades del anillo se aislaban entre sí y servían como bornes de la bobina. Las escobillas fijas de metal o de carbón se mantenían en contacto con el conmutador, que al girar conectaba eléctricamente la bobina a los cables externos. Cuando la armadura giraba, cada escobilla estaba en contacto de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la corriente invertía su sentido dentro de la bobina de la armadura. Así se producía un flujo de corriente de un sentido en el circuito exterior al que el generador estaba conectado. Los generadores de corriente continua funcionan normalmente a voltajes bastante bajos para evitar las chispas que se producen entre las escobillas y el conmutador a voltajes altos. El potencial más alto desarrollado para este tipo de generadores suele ser de voltios. En algunas máquinas más modernas esta inversión se realiza usando aparatos de potencia electrónica, como por ejemplo rectificadores de diodo. Los generadores modernos de corriente continua utilizan armaduras de tambor, que suelen estar formadas por un gran número de bobinas agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura y conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador múltiple. Si una armadura tiene un solo circuito de cable, la corriente que se produce aumentará y disminuirá dependiendo de la parte del campo magnético a través del cual se esté moviendo el circuito. Un conmutador de varios segmentos usado con una armadura de tambor conecta siempre el circuito externo a uno de cable que se mueve a través de un área de alta intensidad del campo, y como resultado la corriente que suministran las bobinas de la armadura es prácticamente constante. Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o más polos electromagnéticos que aumentan el tamaño y la resistencia del campo magnético. En algunos casos, se añaden interpolos más pequeños para compensar las distorsiones que causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico del campo. El campo inductor de un generador se puede obtener mediante un imán permanente (magneto) o por medio de un electroimán (dinamo). En este último caso, el electroimán se excita por una corriente independiente o por autoexcitación, es decir, la propia corriente producida en la dinamo sirve para crear el campo magnético en las bobinas del inductor. Existen tres tipos de dinamo según sea la forma en que estén acoplados el inductor y el inducido: en serie, en derivación y en combinación. OTROS TIPOS DE MÁQUINAS En aplicaciones especiales se emplean algunos tipos de máquinas dinamoeléctricas combinadas. Por lo general, es deseable cambiar de corriente continua a alterna o a la inversa, o cambiar de voltaje de alimentación de corriente continua, o la frecuencia o fase con alimentación de 3

4 corriente alterna. Una forma de realizar dichos cambios, es usar un motor que funcione con el tipo disponible de alimentación eléctrica para que haga funcionar un generador que proporcione a su vez la corriente y el voltaje deseados. Los generadores de motor, que están compuestos de un motor que se acopla mecánicamente a un generador adecuado, pueden realizar la mayoría de las conversiones antes indicadas. Un transformador rotatorio es una máquina que sirve para convertir corriente alterna en continua, usando bobinas separadas en una armadura rotatoria común. El voltaje de alimentación de corriente alterna se aplica a la armadura a través de los anillos colectores, y el voltaje de la corriente continua se extrae de la máquina con un conmutador independiente. Un dinamotor, que se usa por lo general para convertir corriente continua de bajo voltaje en corriente de alto voltaje, es una máquina parecida que tiene bobinas de armadura independientes. Las máquinas de corriente continua conocidas como amplidinas o rototroles, que tienen varias bobinas de campo, se usan como amplificadores de potencia. Un pequeño cambio en la potencia suministrada a una bobina de campo produce un gran cambio en la potencia de salida de la máquina. Estos amplificadores electrodinámicos se utilizan a menudo en servomecanismos y otros sistemas de control. Véase Automatización; Electricidad. La máquina de c.c. como motor. Cuando sabemos que una máquina de c.c. puede funcionar como generador y como motor, conocemos que cuando funciona como generador debe estar acoplado a un motor primario para su funcionamiento, en cambio, cuando funciona como motor de c.c. se le aplica una tensión entre escobillas, en las cuales se crearán unas fuerzas mecánicas, con lo que conseguirá un movimiento en los conductores del devanado. Este funcionamiento hace que la máquina de c.c. funcione como motor. El movimiento que produce en el inducido genera una f.e.m., que se opone a la tensión aplicada a las escobillas, ésta es llamada fuerza contraelectromotriz. El sentido de la fuerza contraelectromotriz, según la ley de Lenz, es opuesto a la tensión de la red, por ser ella la que motiva el giro del inducido. La tensión de red (Vb) aplicada al inducido debe contrarrestar la f.c.e.m. del motor y las caídas de tensión en el inducido y en las escobillas. Funcionamiento del motor de c.c. El motor puede funcionar en vacío, carga y cortocircuito. 1. Funcionamiento del motor en vacío: Un motor funciona en vacío cuando no suministra energía mecánica a un sistema exterior, a pesar de estar girando a su velocidad nominal. Su f.c.e.m. va a ser igual a la tensión aplicada, ya que el inducido no posee carga. 2. Funcionamiento del motor en carga: Tiene lugar cuando el inducido gira a su velocidad nominal y suministra energía mecánica a un sistema exterior a través de un acoplamiento. El valor de la f.c.e.m. será menor al del motor en vacío, pues esta vez el motor posee carga. 3. Funcionamiento del motor en cortocircuito: En este caso el motor de c.c. puede sufrir averías que impidan el giro del eje por bloqueo del rotor. Este tipo 4

5 de avería es el del funcionamiento del motor en cortocircuito. La f.c.e.m. es nula, puesto que el inducido no gira y la tensión de la red sólo contrarrestará únicamente la caída de tensión en las escobillas. La corriente que circula por el inducido en tales condiciones es bastante elevada, resultando muy peligrosa para la máquina. Esta corriente daría lugar a la destrucción de la máquina y para evitarlo se deben adoptar las medidas de protección necesarias. Par interno del inducido de una máquina de CC Tanto en el generador como en el motor, al girar el inducido dentro de un campo magnetico y ser recorrido sus conductores por una corriente eléctrica, actuarán unas fuerzas electromagnéticas sobre estos que producirán un par interno en la periferia del inducido. De aquí se deduce la siguiente fórmula: La fuerza que actúa en cada conductor, según la ley de Laplace, es: Fc = m Ic L m = Inducción magnética media (T) Ic = Intensidad de corriente que circula por el conductor (A) L = Longitud activa del conductor (m) Fc = Fuerza ejercida sobre el conductor (N) La fuerza ejercida sobre el conductor origina un par, que será el producto de dicha fuerza por la distancia al punto de aplicación o centro del inducido: Mc = Fc D 2 Mc = Par ejercido por un conductor (mn) D = Diámetro del inducido (m) Par útil en el eje del motor Cuando la máquina funciona como motor, el par interno (Mi) de carácter positivo se emplea para contrarrestar el par útil (par en el eje) y el par debido a las perdidas por razonamiento en el hierro. Así, pues: Mi = Mu + Mp Por tanto, el par útil será algo inferior al par interno: 5

6 Mu = Mi Mp Mu = Par útil (mkg) Mp = Par que cubre las perdidas (mkg) Par resistente del generador Al funcionar la máquina como generador, sigue existiendo el par interno, pero con un carácter negativo, por oponerse al par que proporciona la máquina que lo acciona. El par efectivo en el eje que proporciona la máquina motriz debe contrarrestar el par resistente del de las perdidas para que pueda ponerse el inducido en movimiento: Mu = Mi + Mp Mu = Par motor de la máquina motriz (mkg) Mi = Par resistente (mkg) Rendimiento Eléctrico del Inducido Además del rendimiento industrial, o simplemente rendimiento, de una máquina (definido por el cociente entre la potencia útil suministrada y la potencia absorbida), existe el rendimiento eléctrico del inducido, que solamente tiene en cuenta las potencias eléctricas que intervienen e el inducido, sin contar el resto de perdidas. Las expresiones que determinan este rendimiento son diferentes según se trate de generador o de motor. Rendimiento Eléctrico del inducido de un motor Al funcionar como motor, el rendimiento de inducido es el cociente entre la potencia útil conseguida E' Ii y la potencia suministrada a dicho inducido Vb Ii: M = E' Ii = E' Vb Ii Vb Rendimiento Eléctrico del inducido de un motor El rendimiento del inducido del motor en función de la f.c.e.m. está representado en la figura, se observa que el valor máximo se da para un valor de la f.c.e.m. próximo a la tensión de red. El rendimiento eléctrico del inducido es siempre mayor que el rendimiento industrial de la maquina, por no tenerse en cuenta todas las perdidas. 6

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