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3. Motores de corriente continua
1. Principios básicos
Tipos de máquinas eléctricas Generador : Transforma cualquier clase de energía, normalmente mecánica, en eléctrica. Transformador : Modifica alguna de las características de la energía eléctrica (normalmente, tensión, intensidad de corriente o potencia) Receptor : Convierte cualquier tipo de energía la energía eléctrica que reciben. Ejemplo: motores.
- Si la energía mecánica se transforma en eléctrica hablamos de generador.
- Si la energía eléctrica se transforma en energía mecánica hablamos de motor.
A. Campo magnético
Un imán o una corriente eléctrica perturba el espacio que le rodea dando origen a un campo magnético. El campo magnético se representa por líneas de fuerza. Las líneas de campo magnético permiten estimar en forma aproximada el campo magnético existente en un punto dado, tomando en cuenta las siguientes características
- Las líneas de fuerza de campos magnéticos son siempre lazos cerrados que van de norte a sur por fuera del imán y de sur a norte por dentro del imán.
- Los lazos magnéticos nunca se entrecruzan
- Las líneas del mismo sentido se atraen y las de sentido opuesto se repelen A las líneas de fuerza se les denomina líneas de inducción para el campo magnético. La intensidad del campo magnético se define como una magnitud vectorial, análoga a la
intensidad del campo eléctrico ( E ), que se denomina inducción magnética ( B ), cuya unidad internacional es el Tesla (T) Una carga en movimiento produce un campo magnético a su alrededor, luego, una corriente eléctrica (cargas en movimiento) produce también un campo magnético a su alrededor. Definición: Se define al flujo magnético como al número de líneas de inducción magnética que atraviesa una sección de superficie. Se representa por la letra Φ dΦ=B·dS
B. Fuerza electromotriz inducida
La experiencia demuestra que
- 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 E= − dΦ dt (^) Se mide en voltios esta expresión representa la variación del flujo a lo largo del tiempo. Esta afirmación también se puede decir como...
- Si se varía el flujo magnético a través de un circuito cerrado se origina una fem. Sabiendo que el flujo (Φ) es el número total de líneas de inducción que atraviesa una determinada superficie, se puede deducir (no voy a demostrarlo) una expresión que nos diga el valor de la fem inducida en un conductor de longitud (l) que se mueve a velocidad (v) dentro de un campo de inducción magnético ( B ).
E = - B·l·v
Entre los extremos de conductor de longitud (l) aparece una tensión, es la fuerza electromotriz (fem). Este es el principio de funcionamiento de los generadores.
que contiene el campo y el cable conductor. Si la dirección del campo B coincidiese con la de la corriente (I), la fuerza sería nula, pues sen0 = 0. 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 es el caso de un solenoide. Supongamos que los conductores se hallan en un cilindro (inducido) a modo de solenoide, de radio r, el momento de fuerzas (M) o par-motor de giro será... M = F· r = N·B·I·L·r·senα Si el campo es perpendicular al plano que corta al solenoide, senα = sen 90 = 1 y la fórmula será M = N·B·I·L·r A este par-motor se le denomina par electromagnético interno y en realidad se representa como Mi, con lo cual...
Mi = N·B·I·L·r
La potencia electromagnética interna de un motor está relacionada con el par electromagnético interno a través de la velocidad de giro...
Pi = Mi · ωi
siendo Pi la potencia electromagnética interna (en Vatios) Mi momento de fuerzas o par-motor electromagnético interno (en N·m) ωi velocidad angula (en rad/s)
D. Fuerza electromagnética ejercida sobre una espira
rectangular
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? Sea B un campo de inducción magnético que actúa sobre una espira que es recorrida
por una corriente eléctrica de intensidad (I). ¿Qué pasará? Teniendo en cuenta el capítulo anterior, es de esperar que surjan fuerzas sobre la espira, pero, ¿Cómo serán? Recurriremos a la expresión anterior ( F = B·I·L·senα). La figura representa a la espira rectangular (color azul) cuyos lados miden a y b y es recorrida por una corriente de intensidad I tal como indica el sentido de la flecha azul en la figura. La espira está situada en una región en la que hay un campo magnético uniforme B que está en el mismo plano que la espira (en color rojo), tal como indica la flecha de color azul en la figura. Calcularemos la fuerza que ejerce dicho campo magnético sobre cada uno de los lados de la espira rectangular, como si fuesen cuatro conductores diferentes. Lados a: Como la dirección de campo ( B ) coincide con la dirección del conductor, ambas magnitudes forman un ángulo nulo (0). La longitud del conductor es L=a. Como sen 0º = 0,...
Fa = B·I·L·senα = B·a·I·sen0 = 0
Lados b: Como la dirección del campo (B) es perpendicular a la dirección del conductor, ambas magnitudes forman un ángulo de 90º. La longitud del conductor es L=b. Como sen90º = 1,...
Fb = B·I·L·senα = B·b·I·sen90 = B·b·I
Las fuerzas de los lados b, son de igual valor y... empleando la regla de la mano derecha, se puede comprobar, son de sentido contrario (una hacia dentro del papel y otra hacia fuera del papel). Constituyen, pues, un par de fuerzas que hará que la espira gire alrededor de un eje imaginario paralelo a los lados b de la espira.
El momento de fuerzas es: M= I·S·B·senθ
M = momento de fuerzas o par-motor (N·m) I = Intensidad de corriente (A) S = Superficie de la espira (m 2 ) B = Inducción del campo magnético (T) θ= ángulo formado por el vector S, perpendicular a la superficie de la espira y las lineas de fuerzas del campo. Si en lugar de una espira tenemos una bobina formada por N espiras, el par-motor
− 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 número par en unos salientes llamados polos. − Devanado (o bobinado inducido)Inducido : Es el devanado sobre el que se inducen las fuerzas electromotrices. Se sitúa en unas ranuras del rotor. Los devanados inductores forman los polos del motor, es decir, se sitúan en el estator... En todo circuito magnético, como sabes se distinguen los polos norte, de donde salen las líneas de fuerza del campo de inducción magnética ( B ), y los polos sur, por donde entran dichas líneas. Siguiendo el circuito magnético de los motores de corriente continua se observan núcleos de hierro rodeados por bobinas (devanados) que se conocen como polos, que van incrustados por uno de sus extremos en una pieza de hierro llamada culata , de manera que queda libre sólo el extremos de cada uno de ellos, que es precisamente el que da nombre al polo. En definitiva, los polos generan un campo magnético cuando circula corriente por ellos, un cmapo magnético inductor. Antes de pasar a ver cómo es un motor de corriente continua por dentro, debo aclarar una NOTACION Las intensidades que recorren los conductores son perpendiculares al plano de papel en el que se dibuja el conductor. Se representan del siguiente modo. Representación de un motor sentido del campo de inducción magnético ( B ) Fuerza ( F )
B
En la imagen superior se aprecia el polo sur que forma parte del estator. A la izquierda del polo sur, entre el rotor y el estator, se aprecia el entrehierro. Tanto los conductor del rotor, como los estator están recorridos por corrientes eléctricas cuyo sentido es entrante en el plano del papel. Si se aplica la regla de la mano derecha , se comprueba que el campo magnético ejerce fuerzas del mismo sentido (hacia abajo). Esto hace girar el motor en sentido de las agujas del reloj. Para que se sumen todas las fuerzas individuales de todos los conductores, es preciso que todos hagan girar el motor en el mismo sentido. Para ello, los conductores situados junto al polo sur han de ser opuestos al que recorren los conductores colocados junto al polo norte. Rotor visto desde diferentes ángulos Otro elemento importante y fundamental del motor eléctrico de corriente continua es el colector de delgas , que 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. Cada delga está unida eléctricamente al punto de conexión de dos bobinas del devanado inducido, de tal forma que habrá tantas delgas como bobinas simples posea el devanado. 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. Las escobillas y el colector de delgas permiten la conmutación de corriente cada media vuelta del rotor. Ver imagen inferior.
F. Funcionamiento del motor
El rotor recibe la corriente a través del contacto establecido entre las escobillas y el conmutador. Las escobillas permanecen fijas, mientras que el conmutador (colector de delgas) puede girar libremente entre ellas siguiendo el movimiento del rotor. Esquema de un motor de corriente continua La corriente llega al devanado del rotor a través del contacto
G. Principio de reversibilidad
Los generadores de corriente continua son reversibles porque pueden transformar la energía en los dos sentidos, es decir, si le aportamos energía mecánica, obtenemos energía eléctrica por los bornes ( generador ) y si absorben energía eléctrica de la red, nos aportan energía mecánica por su eje ( receptor ). Al generador de corriente continua se le llama dinamo y al receptor rotativo se le llama motor. Para invertir el sentido de giro de los motores, es necesario invertir el sentido de la corriente en las bobinas inducidas, aunque no en las inductoras, ya que si se variase también el sentido de la corriente en éstas, el sentido de giro no cambia. En la dinamo, la escobilla o borne positivo corresponde a la salida de corriente del inducido, mientras que en el motor es por donde entra la corriente.
H. Característica par-velocidad de un motor
Un motor en marcha se define de forma que su velocidad y su par-motor (es decir, su momento de fuerzas, M) está determinado por la llamada característica de carga o característica par- velocidad, un gráfica donde en ordenadas se representa el par-motor (M) y en abscisas la velocidad (n)
momento que sean iguales (punto P). Se alcanza una situación estable en la que la se alcanza el régimen nominal y la velocidad se mantiene.
I. Estabilidad de funcionamiento
El funcionamiento de un motor puede ser estable o inestable. Un motor tiene un régimen estable cuando al variar su velocidad, el desequilibrio provocado por una perturbación desaparece porque el motor tiende a volver a su valor inicial. Si la velocidad tiende a aumentar, el par motor debe ser inferior al par resistente, pero si la velocidad disminuye, el par motor debe ser superior al par resistente. 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 aún más del régimen nominal. La alteración puede ser:
- Disminuye la velocidad (Δn<0): En un motor estable debe aumentar el par motor interno para que sea superior al resistente. (ΔMi > Δmr).
- Aumenta la velocidad (Δn>0): En un motor estable debe disminuir el par motor interno para que sea inferior al resistente. (ΔMi < Δmr).
J. Pérdidas en las máquinas eléctricas.
Una fracción de la energía eléctrica suministrada se pierde en forma de calor: son las pérdidas. Las hay de tres tipos:
- Pérdidas mecánicas : Aquellas originadas por el rozamiento del aire, los cojinetes y diversos elementos mecánicos.
- Pérdida en los conductores : Aquellas que ocurren solamente en los devanados que son recorridos por la corriente. Las pérdidas se dan en forma de calor por el efecto Joule.
- Pérdidas en el hierro : Son de tipo magnético y se deben a la variación del flujo. Destacan: ➔ Corrientes de Foucault : corrientes inducidas en materiales metálicos que reaccionan contra el campo que las induce y tiende a oponerse a la variación de flujo ➔ Histéresis : Se debe a la imanación que permanece provocada previamente por otro campo magnético. Ejemplo: una aguja de acero bajo un campo magnético se comporta como un imán aunque desaparezca el campo magnético que lo imanó. Son estos procesos de imanación y desimanación los que se dan en un motor eléctrico y provocan pérdidas.
