DEP.TECNOLOGÍA / PROF. MARÍA JOSÉ GONZÁLEZ PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS

Transcripción

1 PRINCIPIOS FUNDAMENTALES DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS 1

2 CAMPO MAGNÉTICO Un imán o una corriente eléctrica dan origen a un campo magnético que les rodea. El campo magnético se expresa por la letra B. Se representa mediante líneas de fuerza llamada Líneas de Inducción. Toda carga eléctrica en movimiento genera una Inducción Magnética cuya unidad se denomina TESLA (T) Las líneas de inducción del campo magnético de un imán se trazan como líneas que salen del polo norte y entran por el sur, en el exterior del imán. Igualmente circulan del sur al norte por el interior del imán. Se trata por tanto de líneas cerradas. 2

3 Fuerza del campo magnético sobre una carga móvil Si la carga se mueve en la dirección del campo, este no ejerce acción sobre ella. Para cualquier otra dirección, sobre ella actúa la fuerza de Lorentz, cuya dirección es perpendicular al plano determinado por los vectores de inducción magnética y velocidad Regla nemotécnica: Para conocer la dirección y sentido de la fuerza actuante sobre una carga móvil en el interior de un campo magnético, se recurre a la regla de la mano izquierda : se disponen los dedos pulgar, índice y medio de la mano izquierda de manera que formen un triedro trirrectángulo; si el índice señala la dirección y sentido del campo y el dedo medio el del movimiento, el pulgar indicará la dirección y sentido de la fuerza que actúa sobre la carga móvil (positiva). F = q.v.b.senϕ 3

4 TESLA : inducción de un campo magnético tal que una carga de 1 culombio, desplazándose en su interior perpendicularmente al campo con la velocidad de 1 m/s, experimenta una fuerza de 1 newton. F B= q.v.senϕ Flujo Magnético Magnitud escalar relacionada con el número de líneas de inducción que atraviesan una superficie imaginaria situada en el interior de un campo magnético. Unidad S.I. Webers (Wb) : 1 Wb = 1 T.m2 φ = Flujo en un campo uniforme: B.dS Si el campo es uniforme (B=cte) y la superficie es plana: φ = B.S = B.S. cosα Siendo α el ángulo que forma la dirección del campo con la normal a la superficie. 4

5 Fuerza del campo magnético sobre un conductor rectilíneo depende de: La intensidad de corriente que circula La longitud de conductor situado dentro del campo. El ángulo que forma el conductor con el campo. l φ B v F=I.l.B F = Ι.l.B.senϕ φ Si el conductor es perpendicular al campo magnético (φ =π/2) la primera Ley de Laplace se reduce a: ángulo entre las direcciones del conductor y el campo magnético. Para conocer la dirección y sentido de la fuerza actuante se recurre a la regla de la mano izquierda similar a la utilizada en el caso de la fuerza de Lorentz: 5

6 Acción del Campo magnético sobre una espira. Fuerzas de Laplace Espira rectangular, lados a y b Capaz de girar entorno a OO Por ella circula una corriente de intensidad I cte, en sentido contrario al reloj. Cada lado se puede considerar un conductor sobre el que el campo magnético ejerce una fuerza, llamadas Fuerzas de Laplace. Las fuerzas sobre los conductores a al ser iguales se anulan. Pero las que actúan sobre b, son de igual módulo, sentido contrario y direcciones paralelas, por tanto forman un Par. M = I. B. S. Sen ϕ Debido al par o momento, la espira gira hasta que su plano se sitúa perpendicular a las líneas del campo magnético, entonces se anula el par y desaparece el movimiento. Este es el fundamento de los motores eléctricos. 6

7 Fuerza Electromotriz Inducida Siempre que varíe el flujo magnético a través de un circuito cerrado se originará en él una fuerza electromotriz inducida (que originará una corriente) 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 Se llama Inducido al circuito cerrado donde se origina la corriente inducida. Se llama Inductor al cuerpo que crea el campo magnético, y puede ser: un imán, un electroimán, una bobina recorrida por corriente alterna... 7

8 Valor de la F.e.m. Ley de Faraday La f.e.m inducida depende de la variación del flujo con respecto al tiempo. dφ ε = dt Ley de Faraday El valor de la f.e.m. 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 fujo a través de la superficie limitada por el circuito y del número de espiras que éste posee. Siendo la variación del flujo: dφ = B.l.v.dt Por tanto la f.e.m. inducida será : E= -B.l.v inductor) (voltios) (el signo negativo indica que es opuesta al flujo Si la máquina funciona como Generador, la f.e.m se denomina Fuerza electromotriz Inducida. Si la máquina funciona como Motor, se denomina f.c.e.m. o Fuerza contra electromotriz inducida. 8

9 Sentido de la Corriente Inducida. Ley de Lenz (aplicada a Generadores) El sentido de las corrientes inducidas es tal que con sus acciones electromagnéticas tienden a oponerse a las causas que las producen Se utiliza de forma práctica: 9

10 Corrientes de Foucault Son corrientes eléctricas, cerradas sobre sí mismas, originadas por inducción en los conductores macizos cuando varía el flujo magnético que los atraviesa Inconvenientes : producen pérdida de energía en forma de calor Aplicaciones : en hornos eléctricos de inducción. Para evitarlas en los núcleos de hierro de muchas máquinas eléctricas se procura que dichos núcleos no sean macizos, sino formados por superposición de láminas de hierro aisladas entre sí. 10

11 Comportamiento magnético de la materia. Ciclo de Histéresis Según el comportamiento magnético las sustancias pueden ser: Diamagnéticas : al ser introducidas en el interior de un campo magnético repelen a las líneas de inducción hacia el exterior. Hidrógeno, mercurio, cobre, sodio... Paramagnéticas: situadas en un campo magnético, atraen hacia sí a las líneas de inducción. Oxígeno, magnesio, aluminio, platino... Ferromagnéticas : introducidas en un campo magnético, distorsionan enormemente las líneas de inducción de dicho campo. Hierro, cobalto, níquel y sus aleaciones. Cuando se imanta un material ferromagnético mediante una corriente eléctrica se ha detectado que al ir disminuyendo la corriente y hacerse nula el material conserva sus propiedades magnéticas durante cierto tiempo, a esto se conoce como magnetismo remanente. La capacidad que posee un material de conservar su magnetismo frente a la presencia de 11 otros campos magnéticos se conoce como Campo Coercitivo.

12 Se conoce con el nombre de Ciclo de Histéresis al comportamiento de una sustancia ferromagnética. Un material destinado a la construcción de un imán permanente es deseable que posea una gran remanencia (imán sea fuerte) y posea un gran campo coercitivo (para que la imantación no sea destruida por campos magnéticos accidentales). Un electroimán debe en cambio construirse con un material magnético, que posea una remanencia y un campo coercitivo pequeños. Una sustancia ferromagnética si es sometida a un campo magnético que varía continuamente de sentido, pierde parte de la energía en forma de calor, esto se disminuye si su ciclo de histéresis es estrecho. 12 Departamento Tecnología /

13 CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS Estáticas : no disponen de partes móviles. Transformadores. Rotativas : provistas de partes giratorias. Dinamos, alternadores,... motores. ELEMENTOS CONSTITUTIVOS BÁSICOS DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS Constan de dos partes principales: Estator : parte fija Rotor : parte móvil, que casi siempre gira dentro del estator. Entre ambas existe un espacio de aire llamado Entrehierro. Desde el punto de vista electromagnético se pueden considerar constituidas por un conjunto magnético y dos circuitos eléctricos: uno en el rotor y otro en el estator. 13

14 Los circuitos eléctricos se llaman: Inductor o Devanado de Excitación : colocado en el rotor. Constituido por un imán o varios devanados alimentados por corriente eléctrica. Crea el campo magnético de la máquina. Inducido : colocado en el rotor. Constituido por varios devanados. En el caso de que la máquina sea un Generador,se induce en el una f.e.m, si se trata de un Motor se induce una f.c.e.m que genera un par motor en el eje del rotor. 14

15 Número de Polos En el circuito magnético (constituido por el inductor) se distinguen polos norte, de donde salen líneas de inducción, y polos sur donde entran. Por tanto el flujo que sale de un polo norte, debe de entrar en un polo sur, por ello es necesario que los polos sean de polaridad opuesta alternativamente. Se deduce que: El número total de polos de una máquina ha de ser un número par, siendo la mitad de ellos de polaridad norte y la otra mitad de polaridad sur Número total de polos = 2 p (siendo p el nº de pares de polos) POTENCIA La potencia es la energía que desarrolla por unidad de tiempo Una máquina eléctrica puede trabajar con valores variables de potencia útil. Pero aquella que ha determinado el fabricante, y que aparece en la placa de características, se denomina Potencia Nominal. Si la máquina esta funcionando a la potencia nominal, se dice que trabaja a plena carga. Pero también podría funcionar por debajo y por encima. En las máquinas eléctricas el principal factor que limita su potencia es el calentamiento, debido a él la temperatura no debe sobrepasar ciertos límites por que se quemaría. 15

16 BALANCE DE ENERGÍA. PÉRDIDAS No toda la energía absorbida se puede aprovechar, existen pérdidas. Clasificación de Pérdidas: Pérdidas en el cobre : se producen en los devanados, y se deben al efecto Joule. P=V.I ; P = I2. R ; P = V2 / R (watios) Pérdidas en el Hierro : pueden ser de dos tipos diferentes - por histéresis : en forma de calor - por corrientes parásitas o de Focault : se crea un par resistente que debe ser vencido por el motor. Pérdidas mecánicas : por rozamiento de las partes móviles de la máquina. RENDIMIENTO DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA Relación que existe entre la potencia útil suministrada por la máquina y la potencia que absorbe para su funcionamiento 16

17 CARACTERÍSTICA PAR-VELOCIDAD DE UN MOTOR Sabemos: Sobre los conductores del inducido se desarrollan fuerzas magnéticas que hacen girar al rotor de la máquina. Cada par de fuerzas provoca un momento, por tanto el movimiento de la máquina vendrá dado por la suma de todos esos momentos. Si se trata de un Generador, el momento de rotación se opone al movimiento de arrastre del motor que lo acciona, se conoce como Momento resistente o par resistente del generador. Si se trata de un Motor, el momento de rotación determina el giro del motor, por lo que se conoce como Par Motor. Velocidad de giro de un motor : es muy importante. Viene determinada por el punto en el cual el Par Motor es igual al Par que la Carga necesita para su funcionamiento. 17

18 Fases del Funcionamiento de un Motor con su Carga Arranque o Puesta en Marcha : momento de conexión del motor a la red eléctrica. Para que arranque es necesario vencer la resistencia que ofrecen los rozamientos y la inercia de las partes móviles. El momento de rotación desarrollado por el motor en ese instante se llama Par de Arranque. Corresponde a la ordenada en el origen de la característica Par-Velocidad. Aceleración. Período que sigue a la puesta en marcha, hasta que el rotor alcanza la velocidad nominal. Se le exige al motor el máximo par que puede dar. Régimen Nominal. El motor alcanza su marcha de régimen permanente cuando su velocidad bajo la carga nominal se mantiene constante. En estas condiciones de marcha : el Par Motor (Mi) = Par resistente de la carga (Mr) 18

19 ESTABILIDAD Una máquina eléctrica es estable cuando frente a una variación de los valores característicos de su régimen nominal, responde automáticamente con una acción correctora encaminada a restablecer esa marcha nominal Una máquina eléctrica es inestable cuando frente a una variación de los valores característicos de su régimen nominal, responde automáticamente con una acción que refuerza esa alteración alejándola aun más del régimen nominal Caso motor eléctrico se le exige que mantenga la velocidad dentro de los límites próximos al valor nominal. 19

20 Alteraciones posibles en el sistema motor-carga: Aumento de velocidad: el motor estable reaccionaria reduciendo el par motor, para que sea menor que el resistente y así conseguir el equilibrio. El motor inestable responde con elevación del par motor, con lo que la velocidad crece más y el motor se embala. Disminución de velocidad: el motor estable reaccionaria aumentando el par motor, para que sea mayor que el resistente y así conseguir el equilibrio. El motor inestable responde con disminución del par motor, con lo que la velocidad disminuye más y el motor se para. 20