Principios de máquinas: máquinas eléctricas

O. Introducción Principios de máquinas: máquinas eléctricas Imanes y electroimanes Un imán es un cuerpo capaz de atraer el hierro y sus derivados. Existen minerales, como la magnetita, que tienen esta propiedad llamada magnetismo. Esta propiedad de atraer objetos de hierro se debe a la particular ordenación de las moléculas de los imanes, ya que éstas están orientadas y ordenadas siguiendo un patrón. A un "polo" o parte de estas partículas se le llama polo Norte y al opuesto polo Sur. Todo cuerpo dotado de magnetismo modifica el espacio que lo rodea creando a su alrededor una zona llamada campo magnético. Este campo se representa por unas líneas imaginarias llamadas líneas de fuerza. Estas líneas son curvas cerradas que parten del Norte al Sur por el exterior del imán y se cierran de Sur a Norte por el interior del imán. Pero no sólo existen imanes naturales, también se pueden crear imanes artificiales (magnetización). Para ello, basta reordenar las partículas de determinados objetos de hierro y acero. Una barra de hierro alrededor de la cual se enrolla una bobina de cable eléctrico se comporta como un imán cuando por el cable circula una corriente eléctrica - electroimán-. 1

Historia En 1820, Hans Christian Oersted comprobó que un pequeño imán ( aguja de una brújula ) se desviaba cuando se acercaba a un cable conductor por el que circulaba una corriente eléctrica; por lo que demostró que si una corriente eléctrica circula a través de un conductor, alrededor de éste se genera un campo magnético. En este principio se basa el funcionamiento de los motores eléctricos. En 1831, Michael Faraday demostró la existencia de corrientes eléctricas inducidas como consecuencia de la variación del flujo del campo magnético. Para ello, dispuso dos bobinas independientes alrededor de un anillo de hierro. Cuando cerraba el interruptor la aguja del amperímetro marcaba temporalmente un valor distinto de cero, inmediatamente volvía a marcar cero; cuando desconectaba el amperímetro volvía a marcar el mismo valor pero con signo negativo. Este fenómeno constituye el efecto contrario al descubierto por Oersted. En este principio se basa el funcionamiento de los alternadores y dinamos. En 1864, James Clerk Maxwell estableció las fórmulas que relacionan la electricidad y el magnetismo. 2

I. Electromagnetismo I.1. Campo magnético creado por una corriente eléctrica Una carga eléctrica en movimiento crea un campo magnético en el espacio que la rodea. Las líneas de campo forman círculos concéntricos alrededor del conductor en un plano perpendicular al mismo. El sentido de las líneas coincide con el que hace girar la cabeza de un tornillo para que avance en la dirección de la corriente. Y en el caso de que el conductor fuese una espira: Cuando se trata de una bobina o solenoide las líneas de inducción toman la siguiente forma: Las líneas son cerradas, retornando siempre al origen. La bobina se comporta como un imán con su polo norte y su polo sur. 3

I.2. Inducción magnética Magnitud vectorial que representa la intensidad de un campo magnético. Se mide en Teslas (T). Un campo magnético tiene un valor de inducción de 1 tesla cuando una carga de 1 culombio, desplazándose en su interior perpendicularmente al campo con una velocidad de 1 m/s, experimenta una fuerza de 1 Newton. 1 T = 1 N / 1C 1 m/s I.3. Flujo magnético Magnitud escalar relacionada con el número de líneas de inducción que atraviesan una superficie imaginaria situada dentro del campo magnético. Se mide en Weber ( Wb ) : 1 Wb = 1 T 1 m² I.4. Fuerza de un campo magnético Sobre una carga Si una carga eléctrica se mueve en un campo magnético, ésta experimenta una fuerza que depende directamente de su carga, de su velocidad, del valor del campo y del ángulo que formen los vectores velocidad e inducción magnética. Esta fuerza se conoce como fuerza de Lorentz. F = q v B senф Por lo tanto, esta fuerza será máxima cuando ambos vectores (v y B) sean perpendiculares (Fmax = q v B) y nula cuando ambos vectores tengan la misma dirección. 4

Sobre un conductor F en Newtons I en Amperios L en metros B en Teslas a es el ángulo que forma el conductor con el campo magnético Para obtener el sentido de la fuerza se aplica la regla de la mano izquierda: el dedo índice sería B, el dedo corazón la I, la dirección de la fuerza lo indicará la posición del dedo pulgar. Cuando el conductor es perpendicular al campo, el valor de la fuerza es máximo. Cuando el conductor está alineado con el campo la fuerza es cero. Sobre una espira Se crea un par de fuerzas y su momento es: Si en lugar de haber una espira hubiese N, entonces: 5

Fuerza electromotriz inducida Siempre que varíe el flujo a través de un circuito cerrado (experiencia de Faraday), se originará en él una fuerza electromotriz inducida. Ésta es independiente de las causas que provocan la aparición de flujo y solamente depende de la rapidez de la variación del flujo y del número de espiras del circuito. El sentido de las corrientes inducidas en un circuito se determinan mediante la ley de Lenz: "El sentido de las corrientes inducidas es tal que con sus acciones electromagnéticas tienden a oponerse a las causas que las producen" II. MÁQUINAS ELÉCTRICAS II.1.Clasificación Estáticas Rotativas Corriente Continua Corriente Alterna Transformadores Dinamo Alternador Excitadas por corriente continua Síncronas Motor c.c. Motor c.a. Excitadas por corriente alterna Asíncronas o inducción Jaula de ardilla Rotor bobinado 6

II.2. Constitución Una máquina eléctrica consta de los siguientes elementos: a) Dos circuitos eléctricos: el inducido y el inductor. Por el inductor circula la corriente eléctrica que crea el campo magnético que induce en el inducido la correspondiente corriente inducida. b) Un circuito magnético por el que circula el campo magnético creado por el inductor. c) Dos elementos sobre los que se colocan los dos arrollamientos o bobinas ( inductora e inducida). Normalmente, la bobina inductora se coloca en la parte fija de la máquina llamada estator; y la bobina del inducido se coloca sobre la parte móvil llamada rotor. III. MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Transforman la corriente continua en energía mecánica de rotación III.1. Constitución Un motor de corriente continua se compone de estator, rotor, escobillas, colector y delgas. En el estator suele ir la bobina inductora y el rotor la bobina del inducido. Las escobillas son unas piezas conductoras -cobre, latón, carbón o grafito - que al frotar sobre el colector permiten el paso de la corriente desde la fuente de alimentación al bobinado giratorio, o viceversa si se trata de una dinamo. El colector de delgas es un conjunto de láminas de cobre, aisladas entre sí y que giran solidariamente con el rotor. Las delgas están conectadas a las bobinas del inducido; habrá tantas delgas como bobinas haya en el inducido. Sobre las delgas se colocan las escobillas, que permanecen fijas. Escobillas N B S Colector de delgas 7

III.2. Funcionamiento Las fuerzas de Lorenz crean un par de fuerzas que imprimen un movimiento de giro a la espira. Para que se mantenga el mismo sentido de giro es necesario cambiar la polaridad de la pila; para eso se utiliza un anillo partido (colector) formado por unas láminas de cobre (delgas), las cuales conectan con la pila a través de las escobillas. Al girar el inducido dentro de un campo magnético se produce una variación del flujo (experiencia de Faraday), el cual provoca una fuerza electromotriz inducida de sentido contrario al que la creó llamada fuerza contraelectromotriz - f.c.e.m -. En un motor, el ángulo que forma la superficie de la espira con el campo varía, luego se produce una variación de flujo que produce la fuerza contraelectromotriz. Cuanto más rápido gire la espira mayor tensión se producirá. Cuanto más rápido gire la espira mayor tensión se producirá. Si se representara la evolución de esta E respecto el tiempo obtendríamos la siguiente señal: Debido al cambio de polaridad de las delgas la señal alterna correspondiente a la f.c.e.m. quedaría de la siguiente forma: 8

III.3. MAGNITUDES CARACTERÍSTICAS DE LOS MOTORES CC a) Par interno o par electromagnético: par producido por las fuerzas de Lorentz responsable del giro del rotor. Mi = K Ф I i El par es directamente proporcional al flujo magnético y a la intensidad del inducido. Dentro de K se engloban parámetros internos que permanecen invariables, tales como el número de pares de polos y el número de conductores. b) Fuerza contraelectromotriz: tensión generada en el inducido como consecuencia de la variación del flujo a través de éste como consecuencia del giro del rotor. Cuando el motor está parado no existe f.c.e.m. E = K' n Ф La f.c.e.m. es directamente proporcional al flujo magnético y a la velocidad del rotor. K representa parámetros constructivos del motor. c) Velocidad de giro: la velocidad dependerá principalmente de la tensión de alimentación y del flujo magnético. También influye la carga del motor, ya que a mayor carga mayor será la corriente por el inducido. III.4. TIPOS DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA a) Excitación independiente La bobina inductora e inducida se alimentan de dos fuentes de alimentación distintas. Se puede controlar independientemente el flujo magnético y la corriente por el inducido. 9

b) Motor serie Las bobinas inductora e inducida están conectadas en serie. Los cables de las bobinas son de gran sección y tienen pocas espiras a fin de que su resistencia sea pequeña. La velocidad en un motor serie evoluciona respecto de la intensidad como una hipérbola: Partiendo de las siguientes fórmulas, E = K' n Ф Igualando, E = U- (R i + R s ) I i El numerador es prácticamente constante, por el contrario, el flujo se modifica de forma importante. En cambio, el par es elevado Mi = K Ф I i Como el flujo es proporcional a la intensidad del inducido, quedaría: Mi = K K' I i I i = K'' I i 2 Estos motores tienen un elevado par de arranque, además si la carga disminuye en exceso el par disminuye, con lo que la intensidad también; esto conlleva el aumento excesivo de la velocidad, se produce lo que se llama embalamiento y el motor se puede destruir. Se emplean en locomotoras de tren, metro y tranvías. 10

Problema Hallar la intensidad de arranque y la fuerza contraelectromotriz del siguiente motor serie, la resistencia del inducido es 1 Ω, la resistencia del inductor es 2 Ω y la alimentación es de 120 voltios. La intensidad nominal es de 10 A. Solución La intensidad de arranque es mayor que cuando está funcionando normalmente debido a la f.c.e.m. En el momento de arranque del motor la intensidad que circula por los bobinados es la intensidad de arranque: Ia = 120 /(1+2) = 120/3 = 40 A Cuando el motor está girando aparece una tensión que se opone a la de alimentación (f.c.e.m.), y la intensidad que circula será la nominal, el circuito equivalente sería: 120 = V + I n R t 120 = V + 10 3 V = 120-30 = 90 v 11

c) Motor Shunt Las bobinas inductora e inducida están conectadas en derivación o paralelo. La bobina inductora tiene elevada resistencia, por lo que estará formada por cables de poca sección y gran longitud (gran número de espiras). Partiendo de las ecuaciones de la f.c.e.m. E = K' n Ф E = U - (r i I i ) Igualando y despejando n, En esta expresión todo es constante excepto el producto de (ri Ii), lo que supone un 4% de la tensión, por lo que la velocidad estará en la misma proporción. El par será, Mi = K Ф I i Como el flujo en este tipo de motor es constante, tendremos, Mi = K' I i El par de arranque es menor que en el motor serie. No se produce embalamiento si la carga se hace cero. La velocidad es prácticamente constante a cualquier par. Se emplean en máquinas donde no se requiera un par elevado a pequeñas velocidades y donde se requiera una velocidad constante sea cual sea el par. También se emplean en máquinas herramientas 12

Problema Hallar la intensidad de arranque y la fuerza contraelectromotriz del siguiente motor shunt, la resistencia del inducido es 2 Ω, la resistencia del inductor es 100 Ω y la alimentación es de 200 voltios. La intensidad nominal es de 10 A. Solución La intensidad de arranque es mayor que cuando está funcionando normalmente debido a la f.c.e.m. En el momento de arranque del motor la intensidad que circula por los bobinados es la intensidad de arranque: Rt= 2 100 / (2+100) = 200/102 W Ia = 200/Rt = 102 A Cuando el motor está girando aparece una tensión que se opone a la de alimentación (f.c.e.m.), y la intensidad que circula será la nominal, el circuito equivalente sería: In = Ii + Iex 200 = V + Ii 2 200 = Iex 100; Iex = 2 A 10 = Ii + 2; Ii = 8 A 200 = V + 8 2;200 = V + 16 V= 184 v 13

d) Motor Compound Es una combinación de motor serie y motor shunt. El par es mayor que en el motor shunt pero inferior al del motor serie. Al disminuir la intensidad la velocidad apenas varía por lo que no existe riesgo de embalamiento. Se emplean en máquinas de tracción y en máquinasherramientas. III.4. Inversión de giro de un motor de corriente continua En determinadas ocasiones es necesario invertir el sentido de giro de un motor; en el caso de un motor de corriente continua bastará con invertir el sentido de la corriente en el inducido o en el inductor, nunca en los dos a la vez ya que si es así el sentido no cambiará. Para cambiar el sentido de giro es necesario un conmutador doble para cambiar entre sí dos conexiones. 14

III.5.Cambio de la velocidad de giro En virtud de la siguiente fórmula de la velocidad, se puede modificar ésta variando los parámetros de los cuales depende. Luego podemos, Cambiar la tensión de alimentación: a mayor tensión mayor velocidad. Intercalar resistencias eléctricas en serie con el inducido: aunque se empeora el rendimiento pues se pierde potencia eléctrica en las resistencias. Regular el flujo intercalando resistencias eléctricas en serie con el inductor (motor shunt) o en paralelo (motor serie). III.6. Frenado de motores de corriente continua. El frenado de motores de c.c. se basa en el principio de reversibilidad de éstos: en el momento de frenar un motor pasa a generar corriente por lo que se invierte el par motor. Este tipo de frenado, llamado frenado eléctrico puede ser de dos tipos: a) Frenado reostático: la energía que se genera se disipa sobre una resistencia variable. b) Frenado regenerativo: la energía generada se devuelve a la línea de alimentación. IV. MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA IV.1. Introducción Corrientes alternas industriales Estas corrientes alternas tienen forma sinusoidal y su frecuencia es inferior a 100 Hz. En España tienen una frecuencia de 50 Hz, en EEUU de 60 Hz. Estas corrientes se generan en centrales eléctricas, se eleva su tensión para evitar pérdidas y son distribuidas hasta las ciudades donde se reduce su tensión hasta los 220/380 voltios. 15

Se distribuyen tres corrientes desfasadas entre sí 120 º, a través de 3 conductores más un cuarto que hace de neutro. A estas corrientes se les llama R, S y T. Si representásemos estas tres corrientes según un diagrama vectorial tendríamos, Campos magnéticos giratorios En ellos se basa el funcionamiento de los motores de corriente alterna. Si en diagrama anterior de las tres fases tomamos un instante de tiempo t 1,vemos que las tres corrientes tienen valores distintos: 16

Si hacemos la composición vectorial de esos tres vectores, nos dará un vector resultante. Este vector será distinto según el instante de tiempo que tomemos, eso sí éste girará en el sentido de las flechas del reloj y completará una vuelta por cada ciclo de corriente. Las bobinas de un motor de c.a. se disponen en el estator desfasadas 120º geométricos de forma que cada corriente genere un vector campo desfasado 120º con el siguiente. De esta forma se consigue generar un vector magnético giratorio. A la velocidad del campo magnético se le llama velocidad de sincronismo y depende de la frecuencia de las corrientes y del número de polos del motor. Los primeros motores alimentados por corriente alterna fueron construidos por Galileo Ferraris (1886), aunque la patente la obtuvo el croata nacionalizado estadounidense Nikola Tesla. Los motores de corriente alterna son los de mayor campo de aplicación, tanto en el campo doméstico como en el industrial. Estos pueden ser asíncronos o síncronos; estos últimos no se utilizan como motores sino como reguladores del factor de potencia, ya que aunque su velocidad de giro sea la de alimentación corren el peligro de calarse o perder la velocidad de sincronismo. Los motores asíncronos se pueden alimentar con tres fases de corriente - trifásicos- o una fase -monofásicos-. IV.1. Motor síncrono El motor síncrono tiene la característica de que su velocidad de giro es directamente proporcional a la frecuencia de la red de corriente alterna que lo alimenta. El motor síncrono es utilizado en aquellos casos en que los que se desea velocidad constante. La máquina síncrona que sí tiene aplicación es el alternador síncrono. Este el más utilizado en la generación de energía eléctrica. Funcionamiento La aguja de la brújula (con el polo norte pintado de rojo) seguirá exactamente el campo magnético, y completará una revolución por ciclo. En una red de 50 Hz, la aguja completará 50 revoluciones por segundo, lo que equivale a 50 veces 60 = 3000 r.p.m. (revoluciones por minuto). A la izquierda se tiene un motor síncrono bipolar de imán permanente. La razón por la que se llama motor síncrono es que el imán del centro girará a una velocidad constante síncrona (girando exactamente como el ciclo) con la rotación del campo magnético. La razón por la que se le llama bipolar es que tiene un polo norte y un polo sur. Puede parecerle tripolar, pero de hecho la aguja de la brújula siente la tracción de la suma de los campos magnéticos que están alrededor de su propio campo magnético. 17

Por tanto, si el imán de la parte superior es un polo sur fuerte, los dos imanes de la parte inferior equivaldrán a un polo norte fuerte. Se llama motor de imán permanente debido a que la aguja de la brújula del centro es un imán permanente, y no un electroimán (se podría fabricar un motor real sustituyendo la aguja de la brújula por un potente imán permanente, o un electroimán que mantenga su magnetismo gracias a una bobina, arrollada alrededor de un núcleo de hierro, alimentada con corriente continua). Al montaje con los tres electroimanes se le denomina estator del motor, porque es la parte del motor que permanece estática (en el mismo lugar). La aguja de la brújula del centro es el llamado rotor, obviamente porque es la parte que gira. Las centrales hidroeléctricas y termoeléctricas utilizan generadores síncronos trifásicos. IV.2. Motores asíncronos de inducción trifásicos Son los más utilizados en la industria, gracias a su robustez, potencia y facilidad de control y mantenimiento. IV.2.1.Constitución Se componen principalmente de dos partes: estator y rotor. El estator es la parte fija formado por la carcasa la cual tiene unas ranuras donde van insertadas tres bobinas desfasadas 120º. Estas bobinas van a una placa de bornes, desde la cual se conectará a la red eléctrica trifásica. 18

El rotor es la parte móvil y puede ser de dos tipos: de jaula de ardilla o rotor bobinado. a)rotor de jaula de ardilla Está formado por barras de aluminio o cobre ensambladas sobre dos coronas metálicas. En estas barras se inducen corrientes que originan un campo magnético que interacciona con el campo magnético giratorio creado por la corriente de alimentación. b)rotor bobinado. Está formado por bobinas alojadas en las ranuras del rotor las cuales están conectadas a tres anillos rozantes, conectados a su vez a través de escobillas, con la alimentación. Se pueden intercalar resistencias que limitan la intensidad en el arranque manteniendo el par. Su inconveniente es su mayor precio y coste de mantenimiento, llegando casi a desaparecer en la actualidad debido a la aparición de sistemas electrónicos de arranque para el motor de rotor de jaula. IV.2.2.Funcionamiento La corriente trifásica se conecta exclusivamente a las bobinas inductoras (jaula de ardilla), en las cuales se genera un campo magnético giratorio. Debido a este campo en el rotor se inducen unas corrientes inducidas consecuencia de la variación del flujo magnético. Los conductores por los que circulan estas corrientes se verán sometidos a fuerzas que obligarán al rotor a moverse en el sentido de giro del campo magnético. La velocidad de giro del rotor será inferior a la velocidad del campo magnético giratorio, ya que si fuesen iguales no se inducirían fuerzas electromotrices en el devanado rotórico, puesto que no estaría sometido a ninguna variación del flujo magnético. 19

La velocidad del campo giratorio se llama velocidad de sincronismo y depende de la frecuencia de alimentación y del número de pares de polos que tenga el motor. La velocidad del rotor será inferior a n s ; a la diferencia se llama deslizamiento o resbalamiento que puede ser absoluto o relativo, Problema Calcular la velocidad de giro del campo magnético de un motor asíncrono de 6 polos conectado a una red alterna de 50 Hz. Calcula también la velocidad de giro del rotor si el motor trabaja con un deslizamiento relativo del 4 %. Solución n s = 60 f / p = 60 50 / 3 = 1000 rpm 4 = (1000 - n r ) 100 / 1000 => 40 = 1000 - n r => n r = 1000-40 = 960 rpm IV.2.3.Características Son sencillos, robustos, de fácil mantenimiento y baratos. Pueden arrancar a plena carga. Poseen un par mayor que en el arranque. La intensidad de arranque elevada, para disminuirla se arrancan de forma indirecta. Tienen buen rendimiento. IV.2.4.Placa de bornes y características En la placa de bornes vienen las conexiones de las 3 bobinas inductoras. La conexión puede ser en estrella o en triángulo. En la placa de características vienen reflejados datos como el número de pares de polos, la intensidad nominal, la velocidad nominal, el régimen de giro, la tensión nominal o la potencia. 20

IV.2.5.Arranque de un motor asíncrono En el instante de arrancar, la velocidad de giro del rotor es casi cero; en este momento la intensidad absorbida es seis veces la intensidad nominal y el par motor es 1,5 veces el par nominal. Al acelerar la intensidad se reduce progresivamente, en cambio el par disminuye un poco al principio pero luego aumenta. Cuando el motor alcanza su valor nominal, la intensidad y el par se aproximan a cero. El arranque puede ser directo o indirecto: en el directo las bobinas inductoras se conectan directamente a la red, de esta forma el par se mantiene elevado pero la intensidad es demasiado elevada. Arranque indirecto: se evita que en el momento de arranque la corriente que absorbe sea tan grande. o Se intercalan resistencias en serie o autotransformadores que luego se desconectan o O se arranca mediante una conexión estrella-triángulo: inicialmente el motor arranca con las bobinas inductoras conectadas en estrella hasta que alcanza el 75 % de su velocidad nominal, para pasar después a conectarse en forma de triángulo. En la conexión estrella la intensidad que circula por los bobinados es menor que en la conexión en triángulo. 21

IV.2.6.Cambio del sentido de giro de un motor asíncrono Se consigue cambiando entre sí dos fases en la placa de bornes o conexiones. De esta forma, se invierte la rotación del campo magnético y en consecuencia la rotación del rotor. IV.2.7.Regulación de la velocidad Los motores asíncronos giran a una velocidad cercana a la de sincronismo, esto es, a la velocidad con que gira el campo del estator: La variación respecto a esta velocidad viene dada por el deslizamiento. Combinando ambas fórmulas obtenemos la expresión de la velocidad en función de la frecuencia, el número de pares de polos y el deslizamiento en tanto por unidad: La variación de la velocidad de giro del motor se puede realizar por los siguientes métodos: Por variación del nº de pares de polos ( p ) Por variación del deslizamiento (S), para ello debemos variar la tensión de alimentación. Por variación de frecuencia (f). CONTROL POR VARIACIÓN DEL NÚMERO DE PARES DE POLOS Se construyen con los bobinados del estator especiales para poder variar el número de pares de polos. Los más conocidos son la conexión Dahlander y el motor de dos velocidades con devanados separados. No permiten la regulación continua, sino que poseen dos o más velocidades diferentes. 22

CONTROL POR VARIACIÓN DE LA TENSIÓN DE ALIMENTACIÓN Al trabajar en carga, la velocidad de un motor se estabiliza para un valor en el que el par motor y el par resistente alcanzan el equilibrio. Dado que el par motor varía con el cuadrado de la tensión, se puede modificar la curva de par reduciendo la tensión de alimentación. El nuevo punto de equilibrio entre el par motor y el resistente tiene lugar a una velocidad menor al ir reduciendo la tensión (a costa de ir aumentando el deslizamiento). El par motor no debe reducirse por debajo del par resistente. En vacío el deslizamiento es muy pequeño y casi no permite la regulación de velocidad. El rendimiento del motor disminuye mucho. La velocidad de sincronismo no varía. CONTROL POR VARIACIÓN DE FRECUENCIA Mediante un equipo electrónico especial, se puede regular la frecuencia de alimentación. Se consigue así modificar la velocidad de sincronismo y con ella la velocidad de giro del motor. Los modernos variadores de velocidad permiten el arranque y la inversión de giro de forma suave, según unos parámetros preestablecidos, así como la regulación de velocidad entre amplios límites, desde cero hasta más de 10 veces la velocidad nominal (0-500 Hz). Si se disminuye la frecuencia manteniendo la tensión de alimentación constante, aparecen consumos muy altos con pésimas condiciones de rendimiento. Para evitar este fenómeno se suele reducir simultáneamente la tensión con la frecuencia realizando la operación a flujo constante: Manteniendo la relación V/f se consigue mantener el par máximo constante. 23

IV.3. Balance de potencias La potencia que absorbe un motor de la red es : donde: Pab = m U f I f cosф m es el número de fases U f es el voltaje de fase I f es la corriente de fase cosф es el factor de potencia ( Ф es el desfase entre voltaje y corriente) Las pérdidas en el cobre del inductor son: P Cu1 = m I 2 R Las pérdidas en el hierro son P Fe (pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault). La potencia absorbida menos la perdida en el inductor y la perdida en el hierro es la potencia utilizada para crear el campo magnético giratorio. Existen más pérdidas: la potencia perdida en el cobre del inducido P Cu2 = m I 2 R i y las pérdidas mecánicas producidas por el rozamiento. Luego el rendimiento será: IV.4. Motores asíncronos de inducción monofásicos Debido a la sencillez, robustez, bajo precio y ausencia de chispas, los motores de campo giratorio se construyen también para corriente alterna monofásica. Al igual que los trifásicos, están constituidos por un rotor de jaula de ardilla y un estator donde se alojarán los devanados inductores. Si en el estator situamos un bobinado monofásico y le sometemos a una tensión alterna sinusenoidal, se obtiene un campo magnético alternativo y fijo (no rotatorio) que no es capaz de provocar un par de arranque efectivo en el rotor. Si en estas condiciones empujamos el rotor manualmente en uno de los dos sentidos, el motor comenzará a girar hasta alcanzar su velocidad nominal. Luego, estos motores necesitan un elemento auxiliar para que comience a girar, éste puede ser un bobinado auxiliar o una espira en cortocircuito. Bobinado auxiliar Para conseguir que el motor arranque automáticamente se inserta en las ranuras del estator un segundo bobinado auxiliar decalado 90º del principal. 24

Al tener una impedancia diferente, produce un pequeño ángulo de desfase en la corriente absorbida respecto a la principal. El flujo que produce dicho bobinado queda también adelantado al principal, lo que hace que se forme un campo giratorio suficiente para impulsar a moverse al rotor. Cuando el motor alcanza alrededor del 80% de su velocidad, la fase auxiliar puede desconectarse. Esta función suele encomendarse a un acoplador centrífugo. Para aumentar el par de arranque de estos motores se añade un condensador en serie con el bobinado auxiliar, de tal forma que el ángulo de desfase entre los flujos producidos por ambas bobinas se acerque a 90º. Debido a la baja impedancia del devanado auxiliar, la corriente en el mismo puede tomar valores muy altos que pueden llegar a destruirlo, por lo que una vez arrancado el motor se desconecta este devanado mediante un interruptor centrífugo. Una vez efectuado el arranque, es interesante mantener el desfase entre las dos corrientes, pero conviene reducir la capacidad, eliminando, por medio del acoplador, una parte de la capacidad, mientras la otra parte puede dejarse conectada permanentemente. Estos motores se emplean en aparatos industriales como compresores o bombas. Espira en cortocircuito Estos motores tienen rotor de jaula de ardilla y estator con polos salientes; cada uno de estos polos llevan una bobina inductora más una espira en cortocircuito. Las corrientes que se inducen en esta espira son suficientes para poner en marcha el motor. Son motores de pequeña potencia y bajo par de arranque; se utilizan en electrodomésticos que trabajen con carga reducida como ventiladores o secadores de pelo. 25

IV.5. Motores universales Son motores que pueden ser conectados indistintamente a una red de corriente continua o de corriente alterna monofásica. Y su constitución es igual a la de un motor de corriente continua. Tienen un elevado par de arranque, pero no corren peligro de embalamiento. Su velocidad de giro se adapta a la carga: a mayor carga, menor velocidad. Pueden construirse para cualquier velocidad y ésta se puede regular mediante un potenciómetro en serie con el inducido (corriente continua) o un dimmer (regulador c.a.) cuando se alimenta con corriente alterna. Se utilizan en pequeñas máquinas-herramientas como taladros o sierras, y electrodomésticos (aspiradoras, batidoras,.. ). Su potencia no suele sobrepasar los 700 vatios. V. TRANSFORMADORES Un transformador se compone de dos arrollamientos aislados eléctricamente entre sí y devanados sobre un mismo núcleo de hierro. Una corriente alterna que circule por uno de los arrollamientos crea en el núcleo un campo magnético alterno. La mayor parte de este flujo atraviesa el otro arrollamiento e induce en él una fuerza electromotriz (f.e.m.) alterna. La potencia es transmitida de un arrollamiento a otro por medio del flujo magnético del núcleo. El arrollamiento al que se suministra potencia se denomina primario y el que cede potencia secundario. 26

En un transformador real, las líneas del flujo magnético no están confinadas enteramente en el hierro, sino que algunas de ellas se cierran a través del aire. La parte del flujo que atraviesa los dos arrollamientos se llama flujo común o útil. La parte del flujo que se cierra a través del aire se denomina flujo de dispersión. La potencia obtenida de un transformador es inferior a la potencia suministrada al mismo: Pérdidas en el cobre: pérdidas en forma de calor que se producen por efecto Joule en la resistencia de los arrollamientos primario y secundario. Pérdidas en el hierro: pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault en el núcleo. La histéresis se reduce al mínimo utilizando hierro que tenga un ciclo de histéresis estrecho, y las corrientes de Foucault se reducen construyendo el núcleo con láminas muy finas apiladas y aisladas entre sí. Un transformador se utiliza para reducir o elevar la tensión eléctrica alterna. El número de veces que se puede reducir o elevar la tensión viene dado por la relación de transformación n. n será el cociente entre el número de espiras del bobinado primario y el número de espiras del bobinado secundario. Luego, Analizando la fórmula anterior, se deduce que para reducir la tensión a la salida, el número de espiras en el secundario ha de ser menor que en el primario. Si se consideran despreciables las pérdidas de energía en la transformación y en el cobre ( transformador ideal), se puede decir que la potencia suministrada al primario se recupera en el secundario. 27

La principal aplicación de los transformadores se encuentra en la necesidad de transportar la electricidad desde donde se produce - centrales hidroeléctricas, térmicas,.. - hasta los hogares e industria con las mínimas pérdidas posibles. Para evitar las pérdidas por efecto Joule, se eleva la tensión a miles de voltios, se distribuye a las ciudades, y aquí, antes de llegar a los hogares se vuelve a transformar reduciendo la tensión a 220/380 voltios. 28