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BLOQUE 2.- MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA.
TEMA 5: “Motores de Corriente Continua.”
Esquema:
TEMA 5: “Motores de Corriente Continua.”.......................................................................................1
1.- Introducción..............................................................................................................................1
2.- Ley de Faraday.........................................................................................................................2
3.- Constitución de una Máquina Eléctrica.................................................................................2
4.- Principio de un Motor, Generador, f.e.m., f.c.e.m.................................................................2
4.1.- Excitación en serie.....................................................................................................................................4
4.2.- Excitación en derivación o paralelo.........................................................................................................4
5.- Rendimientos y Balances energéticos ....................................................................................5
1.- Introducción
Las máquinas eléctricas de corriente
continua rotativas están basadas en el efecto de
inducción electromagnética.
MÁQUINAS ELÉCTRICAS
DE CORRIENTE CONTINUA
Las máquinas eléctricas son todo el conjunto
de mecanismos capaces de generar, aprovechar
y transformar la energía eléctrica.
Generadores
de energía
Se clasifican en:
•
Generadores.- La energía mecánica se
transforma a energía eléctrica.
Energía Mecánica
•
Generador
Energía Eléctrica
Motores.- La transformación es inversa, la energía eléctrica suministrada se convierte en
energía mecánica rotativa.
Energía Eléctrica
•
Consumidores
De energía
Motores
Motor
Energía Mecánica
Transformadores.- Son máquinas de corriente alterna que modifican algunas de las
características de la energía eléctrica (como tensión, intensidad), para hacer más fácil su
transporte pero sin transformarlo en otro tipo de energía. Es una máquina de corriente
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alterna estática.
Tanto los motores como los generadores están constituidos básicamente por los mismos
elementos, variando solamente la forma en que son utilizados. En ambas máquinas no se produce
un acoplamiento físico entre la entrada y la salida, sino que el acoplamiento es magnético.
Se clasifican desde el punto de vista de la naturaleza de la corriente eléctrica generada o
utilizada en: Motores de Corriente Continua y Motores de Corriente Alterna.
2.- Ley de Faraday
Michael Faraday demostró que un hilo por el que pasa una corriente eléctrica podía girar de
manera indefinida alrededor de un imán. De esta manera se podía obtener energía mecánica rotativa
a partir de energía eléctrica. Había descubierto el principio del motor eléctrico.
Más tarde descubrió la inducción electromagnética en la que relacionaba los movimientos
mecánicos y los campos magnéticos con la producción de energía eléctrica. Este principio lleva
directamente a la construcción de un generador.
“El movimiento de un conductor en el seno de un campo magnético origina una separación de
las cargas. Si los extremos del conductor se deslizan sobre un bastidor en forma de U, mientras que
dure el desplazamiento del conductor se origina una corriente que tiende a disminuir el exceso de
carga que hay en los extremos, lo que equivale a un generador de fuerza electromotriz (f.e.m) ”
Principio del generador.
3.- Constitución de una Máquina Eléctrica
●
Estáticas.- Sin partes móviles (transformadores)
●
Rotativas.- Partes giratorias (dinámos, alternadores, motores)
➔
Motores
➢
Estátor.- Parte fija
➢
Rotor.- Parte móvil que generalmente gira dentro del estátor.
4.- Principio de un Motor, Generador, f.e.m., f.c.e.m
El generador está constituido por una bobina llamada
inducido que puede girar libremente alrededor de su eje, y que se
encuentra en el interior de un campo magnético. Su
funcionamiento se basa en aplicar energía mecánica para mover
el eje del inducido, y obtener energía eléctrica mediante la
transformación que se produce en la máquina. Está constituido
por un nucleo de hierro dulce, en el que se ha alojado una bobina.
Al conjunto de ambos se le llama rotor o inducido, y gira en el
interior de un campo magnético que se denomina estátor o
inductor.
Cuando varía el flujo magnético que atraviesa una espira conductora, se origina en ella una
fuerza electromotriz inducida (f.e.m). Cuando una espira recorrida por una corriente eléctrica gira
dentro de un campo magnético, y varía su posición relativa respecto del vector inducción, se
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produce una variación de flujo magnético que atraviesa a la espira , originandose en la misma una
fuerza electro motriz f.e.m.
Cuando el generador suministra electricidad a un circuito
exterior, la corriente que circula produce un campo magnético en la
espiras que se opone al campo inductor, ofreciendo de esta forma un
momento resistente que se opone al par motor. Denominamos
régimen permanente al funcionamiento normal de la máquina
cuando se ha alcanzado una velocidad estable de giro en la que
puede permanecer mientras esté funcionando. En el generador en
régimen permanente, si se desprecian las pérdidas producidas en la
máquina (rozamiento, corrientes de Foucault, ..) , el par producido
para el arrastre del eje (energía mecánica aplicada), es igual al
par resistente generado por las corrientes eléctricas que circulan
por las espiras (energía eléctrica obtenida).
En un generador, la corriente que circula produce un campo
magnético en las espiras. Si le quitamos el arrastre externo necesario
para usarlo como generador y aplicamos una corriente desde una
fuente de alimentación externa, el par hace girar la máquina =>
Motor eléctrico de c.c.
En la práctica se sustituye el imán del estátor por una bobina que
genera el campo magnético necesarioque se denomina devanado del
inductor. La bobina del rotor se denomina devanado del inducido. Si
se le aplica una corriente en el inducido, aparecerá un voltaje debido
al giro dentro del campo magnético denominada fuerza
contraelectromotriz (f.c.e.m). Si invertimos el sentido dela corriente,
entonces se invierte el sentido del motor.
La conexión entre ambos devanados del motor para alimentarse
de la fuente externa puede hacerse de varias formas:
•
Excitación
en
serie
(devanado del inducido e
inductor en serie)
•
Excitación independiente
•
Excitación en derivación o
paralelo
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4.1.- Excitación en serie
Los devanados del inducido y del inductor se conectan en serie.
En el esquema eléctrico el inducido se representa por el símbolo de un motor, que es el círculo
en el que se diferencian dos bornas de conexión identificadas con los signos “+” y “-” que
corresponden al signo de la fcem del inducido E, en serie con una resistencia, que es la resistencia
interna del devanado inducido representado por ir. La resistencia interna del devanado inductor (o
de excitación del motor) se representa por Rexc. El voltaje aplicado al motor es V y la corriente que
circula por los devanados es I.
I =I i =I exc
V =V excV Ri E =>
E=V −V RexcV Ri =V − I  Rexc Ri 
4.2.- Excitación en derivación o paralelo
El inducido y el inductor se conectan en paralelo.
I =I i I exc
V =V exc= Rexc . I exc
V =V RiE= Ri I iE =>
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E=V −Ri I i (f.c.e.m)
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5.- Rendimientos y Balances energéticos
El rendimiento se calcula como el cociente entre aquello que obtenemos Potencia útil, según el
objetivo para el que se utiliza la máquina, y lo que nos cuesta conseguirlo Potencia Pabsorbida.
La potencia útil en un motor eléctrico es la Potencia mecánica, es decir, el par (T [N.m]) por la
velocidad angular (w [radianes/seg]), para que la potencia mecánica sea en vatios.
P u= P mec =T. w Siendo 1 caballo de vapor 735,5 w.
La potencia absorbida por el motor es la potencia eléctrica, es decir, la tensión del motor V por la
intensidad que circula por los devanados I . Pabs= P elec =V.I
Según la expresión, el motor electrico tendrá un rendimiento =
P útil
P absorbida
⇒ motor =
P mecánica
.
P eléctrica
En cuanto al balance de potencias de un motor, se sabe que de
toda la energía eléctrica aportada a un motor hay una parte que no
llega a transformarse en trabajo útil, sino que se pierde debido a
varias causas:
•
Pérdidas en el hierro .- Es debida a las pérdidas que se
producen al hacer oscilar entre valores opuestos al campo
magnético en un material ferromagnético. Son difíciles de
calcular.
•
Pérdidas en los conductores o pérdidas en el cobre.- el
paso de la corriente por los conductores que constituyen la
máquina produce un calentamiento por la Ley de Joule:
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P Cu =I R En el inducido será; P Cui= I i Ri y en el
inductor; P Cuexc= I 2exc Rexc . Por tanto las pérdidas totales en
el cobre serán: P Cu =P CuiP Cuexc =I 2i Ri I 2exc Rexc
•
Pérdidas mecánicas.- Debidas a los rozamientos, son
difíciles de evaluar.
Luego las pérdidas totales serán las del cobre, hierro y
rozamiento. P=P Cu P FeP m
Además sabemos que las Pérdidas totales del motor se calculan
restando la Potencia absorbida menos la útil. P Total =Pabs−P u
Los tipos, esquemas y ecuaciones correspondientes a los motores de CC son iguales que los
generadores. La diferencia esencial es que los generadores crean fuerza electromotriz, que será
consumida posteriormente por el circuito, mientras que en los motores la fuerza contraelectromotriz
es la consumida. Así pues, en los generadores la tensión en bornes Vb es la tensión externa de
salida; en cambio, en los motores la tensión de alimentación Vo es la tensión de entrada del sistema,
que es consumida.
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