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CIDEAD. 2º BACHILLERAT BACHILLERATO. O. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 13 .- Los Motores Eléctricos Eléctricos Desarrollo del tema: 1. Clasificación de las máquinas eléctricas. 2. Motores de corriente continua : descripción y funcionamiento. 3. Motores de corriente continua: La excitación y f.e.m. inducida 4. La reacción del inducido y fenómeno de conmutación. 5. El esquema eléctrico y balance de potencia . 6. Curvas características y regulación de la velocidad. 7. Arranque, inversión y frenado. 8.Motores asíncronos: Descripción funcionamiento.

física

9. Balance de potencias y curvas características. 10. Arranque y regulación de la velocidad.

1-Los Motores Eléctricos

y

principio

de

CIDEAD. 2º BACHILLERAT BACHILLERATO. O. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 13 .- Los Motores Elé Eléctricos ctricos 1. Clasificación de las máquinas eléctricas. Las máquinas eléctricas rotativas se clasifican en dos grandes grupos: 1. Máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna. 2. Máquinas eléctricas rotativas de corriente continua. Las máquinas de corriente alterna, se clasifican en: a. Máquinas asíncronas, si la excitación se realiza mediante la corriente alterna. b. Máquinas síncronas, si la excitación se realiza mediante corriente continua. Un generador eléctrico transforma la energía mecánica en energía eléctrica, trabaja como máquina síncrona. Un motor transforma la energía eléctrica en energía mecánica, trabaja como máquina asíncrona. Las máquinas de corriente continua pueden funcionar como motores o como generadores (dinamos).

2-Los Motores Eléctricos

CIDEAD. 2º BACHILLERAT BACHILLERATO. O. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 13 .- Los Motores Elé Eléctricos ctricos 2. Motores de corriente continua : descripción y funcionamiento. Un motor de corriente continua se pueden considerar los siguientes apartados:

El estátor. Está formado por el devanado inductor o de excitación es el encargado de generar y conducir el campo magnético de excitación. Se encuentra formado por un anillo de material ferromagnético denominado culata, en donde se invaginan una serie de elementos en número par, de forma simétrica, que se denominan polos. Estos soportes permiten devanar alrededor de ellos una serie de bobinas para originar polos N-S-N-S... al circular por las bobinas corriente continua. Existen dos ejes longitudinales y dos ejes transversales , formando entre sí ángulos de 90º . En los ejes transversales se insertan los polos auxiliares o de conmutación. El rotor. Está formado por una pieza cilíndrica ranurada formada por una serie de chapas de material ferromagnético, fabricado de acero con algo e Silicio para disminuir las pérdidas. En las ranuras del rotor se aloja el devanado inducido de la máquina, constituido por bobinas de hilo de cobre o bien pletina de cobre . El devanado se cierra sobre si mismo y se contacta con las delgas del colector. El colector de delgas. Está formado por un anillo colocado axiálmente sobre el rotor y que está formado por un número par de sectores de cobre, llamados delgas, entre los cuales se intercala una lámina de mica. El número de delgas es semejante al número de devanados, de tal forma que una bobina arranca en una delga y termina en la siguiente. El portaescobillas y las escobillas. Permiten la conexión estática con el rotor mediante unas escobillas de grafito y un portaescobillas metálico donde interacciona eléctricamente. Aunque se utiliza corriente alterna, cuando sale del colector, la corriente eléctrica es continua, es decir, actúa como si fuera un sistema rectificador. 3-Los Motores Eléctricos

CIDEAD. 2º BACHILLERAT BACHILLERATO. O. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 13 .- Los Motores Elé Eléctricos ctricos Los elementos mecánicos de cobertura, como es la carcasa y los sistemas de rodamientos o cojinetes.

Las escobillas pueden estar fabricados de los siguientes elementos:

Una vez descrita las partes fundamentales de un motor eléctrico, se estudia su funcionamiento. Para explicar el funcionamiento de un motor eléctrico, se debe de usar las fuerzas que aparecen entre las corrientes eléctricas y los campos magnéticos: F = I . ( L x B) Si una espira, que se encuentra en el interior de un campo magnético, originado por un magneto o por un electroimán, se le hace llegar una corriente eléctrica, de intensidad I, se originará un momento, que provocará un giro alrededor del eje: M = I ( S x B ) , originando un motor , cuyo eje girará a una velocidad constante, en el caso de que el par de rozamiento se equilibre con el elctromagnético. En todo caso el momento M no es constante, ya que su módulo será igual a M = I S B sen φ , siendo φ, el ángulo que forma el campo con la superficie; una semionda será positivo, y la otra semionda será negativo. 4-Los Motores Eléctricos

CIDEAD. 2º BACHILLERAT BACHILLERATO. O. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 13 .- Los Motores Elé Eléctricos ctricos Cuando el eje de la espira, se le acopla el eje de un motor, al girar, se originará en ella una fuerza electromotriz inducida: ξ =-

d  magnético dt

=-

B S d cos  = B S ω sen φ = L (v x B ) dt

Debido a la disposición del colector y de las escobillas, la corriente de salida será rectificada

Sin desfase

En el siguiente esquema se puede apreciar la reversibilidad del proceso Motor

generador

M

Delgas

3. Motores de corriente continua: La excitación y f.e.m. inducida En las máquinas de corriente eléctrica existen dos devanados: 5-Los Motores Eléctricos

CIDEAD. 2º BACHILLERAT BACHILLERATO. O. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 13 .- Los Motores Elé Eléctricos ctricos a. El devanado inductor o excitador , que se encarga de producir el campo magnético B b. El devanado inducido, en donde se genera la fuerza electromotriz inducida(cuando la máquina actúa como generador) o el par motor , cuando la máquina actúa como motor. Para que trabaje como motor, los dos devanados o carretes han de conectarse a una fuente de alimentación de corriente continua (DC). La conexión se puede realizar de varias formas: a. Conexión en derivación.- Los dos devanados se conectan en paralelo a una fuente de DC. En ocasiones, en lugar de conectarse los dos devanados a la misma fuente de alimentación, se pueden conectar a una fuente de alimentación diferente . Recibe el nombre de excitación independiente.

b. En serie.- Cuando los dos devanados se conectan uno a continuación del otro a una red de corriente continua.

6-Los Motores Eléctricos

CIDEAD. 2º BACHILLERAT BACHILLERATO. O. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 13 .- Los Motores Elé Eléctricos ctricos c. Compuesta.- Cunando el devanado inductor se divide en dos, uno en serie con el inducido y el otro en paralelo. En este caso existe la excitación compuesta corta, cuando el número de espiras del devanado inducido que se conecta en serie con el inductor, es pequeño con sección ancha, en tanto que el que se conecta en paralelo, estará formado por un devanado de sección pequeña con un gran número de espiras. En la excitación compuesta larga, la parte del devanado del inductor colocado en serie con el inducido, circulará la misma corriente que por el devanado inductor; En la excitación compuesta corta, por la parte del devanado de excitación en serie con el inducido, circula la corriente total demandada por el motor en la línea de DC.

Una máquina eléctrica, si actúa como generador, originará una fuerza electromotriz, que será igual a: ξ = L ( vxB) =LvB

B=

 = S

 2 L R p

ξ = L.2.π.R.

;; v = 2 π R

n . 60

 2 L R = p

n 60

;;

p n . Φ ; n es la velocidad de 60

rotación del inducido en r.p.m. p , es el número de pares de polos. ξ = C1 . n . Φ La fuerza electromotriz en el devanado inducido de una máquina de corriente continua es proporcional a la velocidad de giro y el flujo magnético por polo. La constante de proporcionalidad C1, depende de las características propias del motor. 7-Los Motores Eléctricos

CIDEAD. 2º BACHILLERAT BACHILLERATO. O. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 13 .- Los Motores Elé Eléctricos ctricos Si la máquina eléctrica se comporta como un motor:

F = I ( L x B) = I . L . B = L . I .

M = R x F ;; M =

 2 L R = p

p .Φ.I 2 . . R

p . Φ . I = C2 . Φ . I 2 .

La expresión anterior, establece que el par electromagnético en una máquina de corriente continua, es proporcional al flujo magnético por polo y a la corriente que circula por el devanado inducido.

4. La reacción del inducido y fenómeno de conmutación. La formación del campo magnético en el interior de una máquina de DC, se debe al devanado inductor. El eje longitudinal atraviesa los polos magnéticos, y el transversal que es perpendicular a la longitudinal . En el eje transversal, los vectores inducción y la velocidad se encuentran en direcciones paralelas. En esos conductores no se inducen f.e.m. Este eje transversal se denomina línea neutra y es la zona donde se sitúan las escobillas. Haciendo contacto con el colector de delgas . El contacto se realiza en las escobillas por las delgas donde no se producen f.e.m., por lo tanto no circulará corriente. Este fenómeno se produce cuando la máquina se encuentra sin carga ( el inductor no se mueve). Cuando funciona a carga el inducido, por éste devanado, pasará una corriente eléctrica que originará un flujo magnético inducido:

Cuando circula una corriente continua, tanto por el devanado inductor como por el inducido, y ambos devanados intervienen en la generación de un campo magnético existente en el entrehierro de la máquina . El campo magnético creado por el inducido provoca debilitamiento en unas de las zonas de los polos magnéticos y un reforzamiento en la zona opuesta ; por lo tanto, el flujo magnético útil por polo disminuye y explica por qué la f.e.m. inducida en el generador en carga, sea menor que cuando funciona a vacío . La superposición de los dos campos magnéticos provoca que la línea neutra magnética se 8-Los Motores Eléctricos

CIDEAD. 2º BACHILLERAT BACHILLERATO. O. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 13 .- Los Motores Elé Eléctricos ctricos desplace de su posición teórica ( línea neutra geométrica) . Para que la conmutación de una delga a otra se realice de forma óptima es preciso decalar ( desplazar) las escobillas un cierto ángulo en el sentido del movimiento del inducido, cuando la máquina actúe como generador y en sentido contrario, cuando la máquina funcione como motor.

5. El esquema eléctrico y balance de potencia . Cuando una máquina eléctrica se conecta a una fuente de alimentación externa y se encuentra estabilizada, es decir que sus magnitudes permanecen constantes. Los devanados excitador e inducido se pueden considerar equivalentes a dos resistencias Re y R i ξ = C1 . n . Φ En el caso que la máquina funcione como motor , la tensión generada por el devanado inducido ( se comporta como elemento pasivo) tiene sentido opuesto a la corriente que circula por el inducido. Si la máquina funciona como generador, el sentido de la tensión es el mismo que el de la corriente que circula por dicho devanado ( en este caso es un elemento activo generador de corriente eléctrica). El devanado inducido se conecta a una línea de corriente continua de valor ξb , cuando la máquina funciona como generador, cumple : ξ = ξb + R i . Ii Si trabaja como motor : ξb = ξ + R i Ii Si el devanado inductor se conecta a la misma red, de corriente continua ( excitación derivación), se verifica : 9-Los Motores Eléctricos

CIDEAD. 2º BACHILLERAT BACHILLERATO. O. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 13 .- Los Motores Elé Eléctricos ctricos ξb = Re Ie ; multiplicando por Ie , se obtiene : ξb . Ie= Re Ie2 Multiplicando por Ii y sumando la ecuación anterior, se obtiene. I i ξb = ξ . Ii+ R i Ii2 ;;;;

ξb . Ie + I i ξb = ξ . Ii+ R i Ii2 + Re Ie2

El primer miembro representa la potencia eléctrica absorbida por por el motor de la red de corriente continua. Los otros miembros representan: Re Ie2 . Son las pérdidas del devanado de excitación por el efecto Joule. R i Ii2 . Son las pérdidas del devanado inducido por el efecto Joule. ξ . Ii . Es la potencia eléctrica que se transforma en energía mecánica. A esta potencia transformada en energía mecánica, se debe de restar las pérdidas de energía por las corrientes de Foucault, originadas en el material ferromagnético del hierro y las pérdidas mecánicas debidas al rozamiento. Por lo que la potencia mecánica útil es inferior. En el siguiente gráfico se representa el balance porcentual de las potencias implicadas en el funcionamiento de un motor de DC:

6. Curvas características y regulación de la velocidad. Las curvas características son las siguientes: Curva característica de la velocidad.- n = f (Ii) ; relaciona la velocidad de giro frente a la corriente del inducido (rotor). Representación 1 10-Los Motores Eléctricos

CIDEAD. 2º BACHILLERAT BACHILLERATO. O. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 13 .- Los Motores Elé Eléctricos ctricos Curva característica del par .- M = f (Ii ) . Repr3esenta el par en función de la intensidad del rotor. Representación 2 Característica mecánica del motor .- M = f (n) o la función inversa n = f(M) . Representa el par en función de la velocidad o viceversa. Se deducen a partir de las dos anteriores. Las características de una máquina de DC, dependen del tipo de excitación. Representación 3 El motor de excitación en derivación. La tensión de los bornes del devanado de excitación (inductor) es constante y por lo tanto será constante también la corriente de excitación: b . Si la reacción del inducido es nula, gracias al devanado Rb de conmutación, el flujo magnético del entrehierro también lo será . La f.c.e.m. Del inducido será: Ie =

ε = C1 . n . Φ ;; εb = ε + Ri Ii ;; la curva de la velocidad será: 1 ( εb - Ri Ii ) C 1.  La representación es una línea recta con pendiente negativa, su representación será la curva 1; el valor de velocidad de giro en vacío (el valor de la ordenada en el origen)será : b n0 = C 1.  n=

A plena carga, la velocidad de giro es del 2 al 8 % inferior a la del vacío. Prácticamente la velocidad no varía nada con relación a la Ii . Este tipo de motor se le conoce como autorregulador de la velocidad . Se aplican en las máquinas herramientas en donde es necesario que la velocidad sea constante. Cuando la reacción del inducido posee un valor apreciable, el flujo útil disminuye cuando la 11-Los Motores Eléctricos

CIDEAD. 2º BACHILLERAT BACHILLERATO. O. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 13 .- Los Motores Elé Eléctricos ctricos carga y la corriente que pasa por el inducido, aumenta. Cuando no existen polos de conmutación, la velocidad se incrementa ligeramente cuando la corriente de inducido aumenta(curva 2). El par electromagnético será : M = C2 . Φ . Ii ;; al despejar Ii y sustituirlo en la ecuación general anterior, se obtiene: M 1 n= ( εb - Ri ) C 2.  C 1.  Según estas ecuaciones : si el flujo se mantiene constante al aumentar la corriente del inducido , la curva característica del par es una línea recta que pasa por el origen de pendiente positiva. (representa la curva 1, de la segunda representación). La debilitación del flujo magnético, como consecuencia de la reacción de inducido que se produce a partir de un cierto valor de la corriente de inducido, da lugar a que el par deje de crecer de forma lineal (curva 2) Cuando se considera el par útil en el eje, eliminando las pérdidas mecánicas y las pérdidas del hierro , la curva del par se desplazaría hacia abajo(es la curva 3) Si la reacción del inducido es despreciable o compensado, el flujo magnético permanece constante, la representación será una línea recta decreciente. Representación 1

Representación 2

Representación 3

Motor de excitación independiente.La única diferencia, en la forma de conexión, respecto al caso anterior, es que el devanado inductor se conecta a una red eléctrica de DC distinta de la utilizada por el devanado inducido. Las ecuaciones características son similares al del motor de excitación en derivación.

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CIDEAD. 2º BACHILLERAT BACHILLERATO. O. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 13 .- Los Motores Elé Eléctricos ctricos Motor de excitación en serie. En este tipo de conexión, los devanados inductor o excitador y el inducido, se conectan en serie y por lo tanto se encuentran recorridos por la misma intensidad ( Ii = Ie )

La f.c.e.m. Genrada en el inducido será : ε = C1 . n . Φ Teniendo en cuenta que el sistema se encuentra en serie : εb = ε + (Ri + Re ) Ii Por lo tanto la curva característica de la velocidad : 1 n = f (Ii) = (εb - (Ri + Re ) Ii ) C 1.  En este caso el flujo magnético no es constante puesto que ambas corrientes son la misma . Cuando ocurre que no se tiene en cuenta la reacción del inducido no se tiene en cuenta y que la máquina no se satura, el flujo es proporcional a la corriente de excitación: Φ = k . Ie = k . Ii Por lo que la curva característica de la velocidad es una hipérbola (curva 2). A medida que la carga aumenta, deje de ser proporcional , apareciendo en la máquina los efectos de reacción del inducido, apartándose la curva real de la hipérbola (curva 1). En un motor en serie, con las cargas reducidas o en vacío, la velocidad puede alcanzar valores elevados . Esta es la razón por la que los motores en serie no deben de funcionar nunca en vacío, excepto los de baja potencia, ya que en estos casos, el propio par motor reduce la velocidad. La curva del par electromagnético será : M = C2 Ii Φ = C2 k Ii2

13-Los Motores Eléctricos

CIDEAD. 2º BACHILLERAT BACHILLERATO. O. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 13 .- Los Motores Elé Eléctricos ctricos Esta ecuación representa una parábola como se puede apreciar en la representación 2, en la curva 1. Cuando aumenta la carga, el flujo magnético deja de ser proporcional a la corriente de la excitación y la curva del par cae hasta la curva 2 . En el caso de que se tengan en cuenta las pérdidas mecánicas y las del hierro, el par útil de la máquina será la equivalente a la curva 3. En la excitación en serie se consiguen incrementos iguales del par motor con aumentos de carga inferiores que en el caso del motor en derivación. . Se utiliza para accionamientos que exijan aceleración y para los pares de arranque de devanados , en el caso de servicios de tracción, aparatos de elevación ,etc. La característica mecánica viene referida a través de la siguiente ecuación: n=

1 (ε - (Ri + Re ) C 1.  b

M ) C 2. 

La representación será una hipérbola mientras no se logre la saturación y el flujo permanezca proporcional a la corriente de excitación La forma decreciente concede a este tipo de motor una gran estabilidad en la marcha y su potencia útil permanece prácticamente constante. Este fenómeno se conoce con el nombre de autorregulador de potencia. Representación 1

Representación 2

Representación 3

Motor de excitación compuesta. La conexión compuesta puede ser larga o corta. En la figura se representan estos dos tipos de conexión.

14-Los Motores Eléctricos

CIDEAD. 2º BACHILLERAT BACHILLERATO. O. TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II Tema 13 .- Los Motores Elé Eléctricos ctricos En este tipo de conexión, el devanado excitador, se divide en dos, una parte se conecta en serie con el inducido y la otra en paralelo. En la compuesta larga, la corriente que pasa por el devanado excitador, conectado en serie, es la misma que la que circula por el devanado inducido . Cuando la conexión es compuesta corta , la corriente que circula por el devanado excitador en serie , es la corriente total de alimentación del motor. Los flujos magnéticos creados por los devanados excitadores , pueden tener el mismos sentido, sumándose los efectos ( compuesta sumativa); cuando los sentidos...