1 MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS: MOTORES DE CC 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
mecánica
reciben en energía
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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
eléctricos.
electromotriz
inducida. Fundamento de los generadores
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?
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El momento de fuerzas es:
M= B·I·S· senθ
M = momento de fuerzas o par-motor (N·m)
I = Intensidad de corriente (A)
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S = Superficie de la espira (m ) (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
3.1.- 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:
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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.
3.2.- 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.
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•
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:
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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
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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
http://www.tecno12-18.com/mud/me/me.swf
http://www.youtube.com/watch?v=hiAyOrfNZeE
http://www.youtube.com/watch?v=_qNAJGqRBFE
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4.1.- Esquema de funcionamiento de un motor de c.c.
Inducido
Inductor
5.- Magnitudes fundamentales de los motores de c.c.
http://www.slideshare.net/jesuspsa/motores-cc
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:
Eg= 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
Eg= kφ N
voltios
Par interno Mi
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:
Mi = K1 . Φ. Ii
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Por otro lado Φ= K2. Iex
Caso particular para un motor con excitación en serie
Ii = Iex
Mi = K3 .( Ii )2
Φ= K2. Iex = Φ= K2. Ii
También la potencia útil de un motor está relacionada con el par
electromagnético interno a través de la velocidad de giro.
Pu= Mi · ω
Pu = la potencia útil (en W)
Mi = par interno (en N·m)
ω = velocidad angular (en rad/s)
Pabs = Potencia absorbida por el motor = U. I
U = Tensión de alimentación del motor
I = Intensidad total absorbida por el motor
Pcu = Pérdidas por calor en las resistencias. Se divide en (Pcu = Pcu1 + Pcu2)
Pcu1 = Pérdidas por calor en el circuito inductor = Rex . Iex2
Pcu2 = Pérdidas por calor en el circuito inducido = Ri . Ii2
Rex = Resistencia en el circuito inductor
Ri = Resistencia en el circuito inducido
Iex = Intensidad en el circuito inductor
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Ii = Intensidad en el circuito inducido
Pe = Potencia eléctrica
Fíjate que Pe = Pabs – Pcu o también Pe = ε´ . Ii
Pu = Potencia útil del motor = Pe – (PFe + Pm)
PFe = Pérdidas en el circuito magnético
Pm = Pérdidas mecánicas por rozamiento
Fíjate que si no existen no existen pérdidas en el circuito magnético ni pérdidas
mecánicas ( PFe = Pm = 0 ) entonces la potencia útil es igual a la potencia
eléctrica ( Pu = Pe )
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
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E= V-II*RI
se considera despreciable la caída de
tensión en las escobillas
Para calcular la velocidad :
E= KΦN
N = (V-II*RI)/ KΦ
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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:
Ii arranque = U / Ri
Debido a que Ri 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 (Ra). 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.
Ii arranque = U / (Ri + Ra )
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:
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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.
13.- 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.
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