Maquinas Electricas
lunes, 28 de junio de 2010
Motores Electricos de Corriente Alterna (CA)
INTRODUCCIÓN.
Un motor es una máquina motriz, esto es un aparato que convierte una forma cualquiera de energía, en energía mecánica de rotación o par .
Ejemplos de motores son, los de gasolina y los diesel , que convierten la expansión del gas al calentarlo en par de rotación; la máquina de vapor, que transforma la expansión del vapor caliente en par de rotación; el motor eléctrico, que convierte la electricidad en fuerzas de giro por medio de la acción mutua de los campos magnéticos.
Un generador, por otra parte, transforma energía mecánica de rotación en energía eléctrica y se le puede llamar una máquina generatriz de fem. Las dos formas básicas son, el generador de corriente continua y el generador de corriente alterna, este último más correctamente llamado alternador.
Todos los generadores necesitan una máquina motriz (motor) de algún tipo para producir la fuerza de rotación, por medio de la cual un conductor puede cortar las líneas de fuerza magnéticas y producir una fem. La máquina más simple de los motores y generadores, es el alternador.
En algunos casos, tales como barcos , donde la fuente principal de energía es de c-c o donde se desea un gran margen de variación de velocidad, pueden emplearse motores de c-c. Sin embargo, 1a mayoría de los motores modernos trabajan con fuentes de c-a.
A pesar de que hay una gran variedad de motores de c-a, solamente se discutirán aquí tres tipos básicos: el universal, el síncrono y el de jaula de ardilla.
Motores universales.
El motor de c.c. serie , tal como se ha explicado, gira cuando se aplica c-c o c-a de baja frecuencia. Tal motor, llamado universal, se utiliza en ventiladores, sopladores, batidoras , taladradoras eléctricas transportables y otras aplicaciones donde se requiere gran velocidad con cargas débiles o pequeña velocidad con un par muy potente.
Una dificultad de los motores universales, en lo que a radio se refiere, son las chispas del colector y las interferencias de radio que ello lleva consigo o ruido. Esto se puede reducir por medio de los condensadores de paso, de 0,001 μF a 0,01 μF, conectados de las escobillas a la carcasa del motor y conectando ιsta a masa .
Se puede utilizar un alternador como motor en determinadas circunstancias. Si se excita el campo con c-c y se alimenta por los anillos colectores a la bobina del rotor con c-a, la máquina no arrancará. El campo alrededor de la bobina del rotor es alterno en polaridad magnética pero durante un semiperiodo del ciclo completo, intentará moverse en una dirección y durante el siguiente semiperiodo en la dirección opuesta.
El resultado es que la máquina permanece parada. La máquina solamente se calentará y posiblemente se quemará.
El rotor de un alternador de dos polos debe hacer una vuelta completa para producir un ciclo de c-a. Debe girar 60 veces por segundo, ó 3.600 revoluciones por minuto (rpm), para producir una c-a de 60 Hz. Si se puede girar a 3.600 rpm tal alternador por medio de algún aparato mecánico, como por ejemplo, un motor de c-c, y luego se excita el inducido con una c-a de 60 Hz, continuará girando como un motor síncrono.
Su velocidad de sincronismo es 3.600 rpm. Si funciona con una c-a de 50 Hz, su velocidad de sincronismo será de 3.000 rpm. Mientras la carga no sea demasiado pesada, un motor síncrono gira a su velocidad de sincronismo y solo a esta velocidad.
Si la carga llega a ser demasiado grande, el motor va disminuyendo velocidad, pierde su sincronismo y se para. Los motores síncronos de este tipo requieren todos una excitación de c-c para el campo (o rotor), así como una excitación de c-a para el rotor (o campo).
Se puede fabricar un motor síncrono construyendo el rotor cilíndrico normal de un motor tor tipo jaula de ardilla con dos lados planos. Un ejemplo de motor síncrono es el reloj eléctrico, que debe arrancarse a mano cuando se para. En cuanto se mantiene la c-a en su frecuencia correcta, el reloj marca el tiempo exacto. No es importante la precisión en la amplitud de la tensión.
La mayor parte de los motores, que funcionan con c-a de una sola fase , tienen el rotor de tipo jaula de ardilla. Un esquema simplificado del mismo se ve a continuación.
Los rotores de jaula de ardilla reales son mucho más compactos que el de la figura y tienen un núcleo de hierro laminado.
Los conductores longitudinales de la jaula de ardilla son de cobre y van soldados a las piezas terminales de metal. Cada conductor forma una espira con el conductor opuesto conectado por las dos piezas circulares de los extremos.
Cuando este rotor está entre dos polos de campo electromagnéticos que han sido magnetizados por una corriente alterna, se induce una fem en las espiras de la jaula de ardilla, una corriente muy grande las recorre y se produce un fuerte campo que contrarresta al que ha producido la corriente (ley de Lenz). Aunque el rotor pueda contrarrestar el campo de los polos estacionarios, no hay razón para que se mueva en una dirección u otra y así permanece parado. Es similar al motor síncrono el cual tampoco se arranca solo. Lo que se necesita es un campo rotatorio en lugar de un campo alterno.
Cuando el campo se produce para que tenga un efecto rotatorio, el motor se llama de tipo de jaula de ardilla. Un motor de fase partida utiliza polos de campo adicionales que están alimentados por corrientes en distinta fase, lo que permite a los dos juegos de polos tener máximos de corriente y de campos magnéticos con muy poca diferencia de tiempo . Los arrollamientos de los polos de campo de fases distintas, se deberían alimentar por c-a bifásicas y producir un campo magnético rotatorio, pero cuando se trabaja con una sola fase, la segunda se consigue normalmente conectando un condensador (o resistencia) en serie con los arrollamientos de fases distintas.
Con ello se puede desplazar la fase en más de 20° y producir un campo magnético máximo en el devanado desfasado que se adelanta sobre el campo magnético del devanado principal.
Desplazamiento real del máximo de intensidad del campo magnético desde un polo al siguiente, atrae al rotor de jaula de ardilla con sus corrientes y campos inducidos, haciéndole girar. Esto hace que el motor se arranque por sí mismo.
El devanado de fase partida puede quedar en el circuito o puede ser desconectado por medio de un conmutador centrífugo que le desconecta cuando el motor alcanza una velocidad predeterminada. Una vez que el motor arranca, funciona mejor sin el devanado de fase partida. De hecho, el rotor de un motor de inducción de fase partida siempre se desliza produciendo un pequeño porcentaje de reducción de la que sería la velocidad de sincronismo.
Si la velocidad de sincronismo fuera 1.800 rpm, el rotor de jaula de ardilla, con una cierta carga, podría girar a 1.750 rpm. Cuanto más grande sea la carga en el motor, más se desliza el rotor.
En condiciones óptimas de funcionamiento un motor de fase partida con los polos en fase desconectados, puede funcionar con un rendimiento aproximado del 75 por 100.
Otro modo de producir un campo rotatorio en un motor, consiste en sombrear el campo magnético de los polos de campo. Esto se consigue haciendo una ranura en los polos de campo y colocando un anillo de cobre alrededor de una de las partes del polo.
Mientras la corriente en la bobina de campo está en la parte creciente de la alternancia, el campo magnético aumenta e induce una fem y una corriente en el anillo de cobre. Esto produce un campo magnético alrededor del anillo que contrarresta el magnetismo en la parte del polo donde se halla él.
En este momento se tiene un campo magnético máximo en la parte de polo no sombreada y un mínimo en la parte sombreada. En cuanto la corriente de campo alcanza un máximo, el campo magnético ya no varía y no se induce corriente en el anillo de cobre. Entonces se desarrolla un campo magnético máximo en todo el polo.
Mientras la corriente está decreciendo en amplitud el campo disminuye y produce un campo máximo en la parte sombreada del polo.
De esta forma el campo magnético máximo se desplaza de la parte no sombreada a la sombreada de los polos de campo mientras avanza el ciclo de corriente. Este movimiento del máximo de campo produce en el motor el campo rotatorio necesario para que el rotor de jaula de ardilla se arranque solo. El rendimiento de los motores de polos de inducción sombreados no es alto, varía del 30 al 50 por 100.
Una de las principales ventajas de todos los motores de jaula de ardilla, particularmente en aplicaciones de radio, es la falta de colector o de anillos colectores y escobillas. Esto asegura el funcionamiento libre de interferencias cuando se utilizan tales motores.
Motores Electricos de Corriente Continua (CC)
Motor eléctrico CC
El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotatorio. En la actualidad existen nuevas aplicaciones con motores eléctricos que no producen movimiento rotatorio, sino que con algunas modificaciones, ejercen tracción sobre un riel. Estos motores se conocen como motores lineales.
Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, paro y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos. Pero con la llegada de la electrónica su uso ha disminuido en gran medida, pues los motores de corriente alterna, del tipo asíncrono, pueden ser controlados de igual forma a precios más accesibles para el consumidor medio de la industria. A pesar de esto los motores de corriente continua se siguen utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, micro motores, etc.)
La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga.
Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes, un estator que da soporte mecánico al aparato y tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estator además se encuentran los polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, al que llega la corriente mediante dos escobillas.
Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, paro y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos. Pero con la llegada de la electrónica su uso ha disminuido en gran medida, pues los motores de corriente alterna, del tipo asíncrono, pueden ser controlados de igual forma a precios más accesibles para el consumidor medio de la industria. A pesar de esto los motores de corriente continua se siguen utilizando en muchas aplicaciones de potencia (trenes y tranvías) o de precisión (máquinas, micro motores, etc.)
La principal característica del motor de corriente continua es la posibilidad de regular la velocidad desde vacío a plena carga.
Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes, un estator que da soporte mecánico al aparato y tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estator además se encuentran los polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, al que llega la corriente mediante dos escobillas.
EL INVENTOR
Faraday, Michael (1791-1867),fue el que descubrió el principio de el motor eléctrico el descubrió la inducción. Inducción es la generación de una corriente eléctrica en un conductor en movimiento en el interior de un campo magnético físico. Apartir de ese descubrimiento se potencio el estudio sobre la electrónica. Para calcular la inducción magnetica se tiene que aplicar esta formula.
BASES DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS MOTORES DE CORRIENTE DIRECTA
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PARTES QUE INTEGRAN UN MOTOR COMÚN DE CORRIENTE CONTINUA
• Colector o conmutador. Situado en uno de los extremos del eje del rotor, se compone de un anillo deslizante seccionado en dos o más segmentos. Generalmente el colector de los pequeños motores comunes de C.C. se divide en tres segmentos. • Escobillas. Representan dos contactos que pueden ser metálicos en unos casos, o compuesto por dos piezas de carbón en otros. Las escobillas constituyen contactos eléctricos que se deslizan por encima de los segmentos del colector mientras estos giran. Su misión es suministrar a la bobina o bobinas del rotor a través del colector, la corriente eléctrica directa necesaria para energizar el electroimán. En los pequeños motores las escobillas normalmente se componen de dos piezas o flejes metálicos que se encuentran fijos en la tapa que cierra la carcasa o cuerpo del motor.
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MOTORES DE C.C. "SIN ESCOBILLAS" Y "PASO A PASO"
En algunos equipos de oficina podemos encontrar pequeños motores de C.C. en función de ventiladores para refrescar, por ejemplo, el interior de los ordenadores y otros equipos periféricos. Sin embargo, esos motores poseen características diferentes a los comunes de C.C. ya explicados, pues funcionan “sin escobillas”. Igualmente se fabrican infinidad de juguetes que se mueven empleando motores de ese tipo.A la izquierda se muestra un motor de C.C. sin escobillas con una hélice acoplada para que funcione como ventilador para refrescar el interior de los ordenadores y otros equipos informáticos. A la derecha vemos un minihelicóptero de juguete controlado por. radio, que también emplea ese mismo tipo de motor. Las puntas de flecha de color rojo señalan la ubicación de los motores que emplea este minihelicóptero para elevarse y permitir dirigir el vuelo por control remoto. |
Izquierda: escáneres que emplean motores de C.C. del tipo “paso a paso” para mover la lámpara interna que barre e ilumina las imágenes durante el proceso de digitalización. Derecha: reproductor de discos CDs-DVDs, que emplea también este tipo de motor. |
Rectificadores Electricos.
Rectificadores eléctricos.
Los rectificadores eléctricos son los circuitos encargados de convertir la corriente alterna en corriente continua. Los más habituales son los construidos con diodos o con tiristores, aunque existen otros, pero que ya no se utilizan. Antes de avanzar en la explicación de los rectificadores, creo que sería necesario saber qué es exactamente lo que rectifican estos circuitos.La señal que se recoge de la red tiene esta forma senoidal:
Dicha señal la denominados onda completa de corriente alterna. Es la onda que observaremos si la miramos a través de un osciloscopio.Aquí se puede observar tres semiciclos, dos positivos y uno negativo, un solo ciclo sería la suma de uno positivo y otro negativo.
Si a esta señal la hacemos pasar por un circuito de rectificación, esta señal nos saldrá rectificada de estas dos formas posibles (en líneas generales):
Si observamos bien esta señal, veremos que le falta un trozo con respecto a la de más arriba, a esta nueva señal se le denomina de media onda. Es decir, nos falta el semiciclo negativo de la corriente alterna. Pero esto es un desperdicio, porque perdemos energía, perdemos todos los semiciclos negativos. Por esta razón tenemos esta otra señal:
En esta señal hemos convertido los semiciclos negativos de la corriente alterna en semiciclos positivos, a ésto se le llama onda completa continua. Esta señal estaría muy bien, si nuestros aparatos de consumo domésticos no fuesen tan exigentes. Si nos fijamos bien, en esta última señal, nos daremos cuenta que entre cada semiciclo positivo existe un hueco, y precisamente esto, es lo que no les gusta nada a nuestros aparatos de consumo. Para solucionar este problema están los circuitos de filtro, que lo que hacen es eliminar los huecos existentes entre los ciclos.
Esto es básicamente la transformación que realizan los rectificadores, pero solo básicamente, porque cada circuito rectificador tiene sus propias características, algo que veremos en cada apartado.
Rectificadores eléctricos con diodos.
No vamos a entrar a explicar en detalle como funciona un diodo, pues es un componente electrónico. Baste decir que un diodo es la unión de dos placas de material semiconductor, uno denominado N, y otro, denominado P. El diodo esta constituido por dos partes, una llamada ánodo, y otra, llamada cátodo. Precisamente ésto es lo que hace tan útiles a los diodos, pues tienen dos estados, uno de conducción, y otro de bloqueo. El estado de conducción siempre es conectando el ánodo al polo positivo y el cátodo al polo negativo. Si invertimos la conexión de los polos el diodo está en estado de bloqueo, es decir, no deja pasar la corriente. Estamos hablando de polos, no de ciclos. Si fuesen ciclos de una señal alterna esta explicación no valdría. Un polo es algo continuo, lo contrario de algo cíclico. Con una señal alterna lo que sucedería sería que solo dejaría pasar un semiciclo, el positivo o el negativo, dependería de la posición del diodo.
Existen varios tipos de materiales para construir los diodos, pero como ya hemos dicho, no vamos a explicar aquí las diferencias entre materiales constructivos, baste añadir que en la actualidad solo se utiliza el diodo de silicio por sus muy buenas características técnicas.
Los rectificadores de diodos se dividen en dos categorías, los rectificadores monofásicos y los rectificadores trifásicos.
Existen varios tipos de materiales para construir los diodos, pero como ya hemos dicho, no vamos a explicar aquí las diferencias entre materiales constructivos, baste añadir que en la actualidad solo se utiliza el diodo de silicio por sus muy buenas características técnicas.
Los rectificadores de diodos se dividen en dos categorías, los rectificadores monofásicos y los rectificadores trifásicos.
Transformadores Electricos.
GENERALIDADES DE LOS TRANSFORMADORES ELÉCTRICOS
Voltaje o tensión es la medida de la fuerza con la que fluyen los electrones a través de un material conductor apropiado, preferiblemente metálico, como son el alambre de cobre o el de aluminio y su unidad de medida es el volt (V). Cuando la tensión de la corriente es alterna (C.A.), el valor del voltaje procedente de cualquier fuente de fuerza electromotriz (F.E.M.), se puede aumentar o disminuir utilizando transformadores eléctricos de fuerza o potencia, conocidos también popularmente por su acrónimo “TRAFO”.Los transformadores, independientemente que pueden aumentar o disminuir el voltaje, según sea el caso, tienen la propiedad de conservar siempre la misma frecuencia que posee la corriente alterna (C.A.) de la fuente de entrada original a la que se encuentra conectado. En el caso de los transformadores destinados al uso industrial, comercial o doméstico, la frecuencia de la corriente alterna será siempre de 50 ó de 60 Hz (hertz o ciclos por segundo), cuestión ésta que dependerá exclusivamente de cuál sea la adoptada por cada país en particular.
Generalidades de las Maquinas Electricas.
Principalmente veremos una clasificacion de las diferentes Maquinas Electricas.
Sabemos que una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energia cinetica en otra energía, o bien, en energía potencial pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético, en conclusion, es todo conjunto de mecanismos capaces de generar, aprovechar o
transformar la energía eléctrica.
Las máquinas eléctricas se clasifican en tres grandes grupos:
· Generadores. Transforman cualquier clase de energía no eléctrica (suele ser mecánica) en eléctrica.
· Motores. Transforman la energía eléctrica que reciben en energía mecánica.
· Transformadores. Son máquinas que modifican algunas de las características de la energía eléctrica
(como pueden ser la tensión o la intensidad), para hacer más fácil su transporte o utilización, pero sin transformarla
en otro tipo diferente de energía.
En el esquema se puede apreciar que si la
máquina funciona como generador, el sistema
mecánico suministra energía al sistema eléctrico.
Si, en cambio, la máquina funciona como motor, es
el sistema eléctrico el que entrega energía al
mecánico. Las máquinas eléctricas son, por lo
tanto, reversibles: pueden funcionar como
generadores o como motores.
máquina funciona como generador, el sistema
mecánico suministra energía al sistema eléctrico.
Si, en cambio, la máquina funciona como motor, es
el sistema eléctrico el que entrega energía al
mecánico. Las máquinas eléctricas son, por lo
tanto, reversibles: pueden funcionar como
generadores o como motores.
CONSTITUCIÓN DE UNA MÁQUINA ELÉCTRICA.
Desde el punto de vista electromagnético, estas máquinas se pueden considerar constituidas por un
conjunto magnético y dos circuitos eléctricos: uno en el rotor y otro en el estator. Uno de los devanados o arrollamientos,
al ser recorrido por una corriente eléctrica, produce la fuerza magnetomotriz necesaria para crear el flujo
que se establece en el conjunto magnético de la máquina, por lo que se denomina arrollamiento inductor o de excitación. En el otro enrollamiento, denominado
inducido, se induce una fuerza electromotriz, que da
lugar a un par motor (es el caso de la máquina
eléctrica actuando como motor), o bien a una fuerza
contraelectromotriz, que produce un par resistente
(caso de máquina eléctrica funcionando como
generador).
conjunto magnético y dos circuitos eléctricos: uno en el rotor y otro en el estator. Uno de los devanados o arrollamientos,
al ser recorrido por una corriente eléctrica, produce la fuerza magnetomotriz necesaria para crear el flujo
que se establece en el conjunto magnético de la máquina, por lo que se denomina arrollamiento inductor o de excitación. En el otro enrollamiento, denominado
inducido, se induce una fuerza electromotriz, que da
lugar a un par motor (es el caso de la máquina
eléctrica actuando como motor), o bien a una fuerza
contraelectromotriz, que produce un par resistente
(caso de máquina eléctrica funcionando como
generador).
Desde el punto de vista constructivo, en toda
máquina eléctrica rotativa se distinguen tres tipos de
materiales:
· Materiales activos. Son aquéllos que
constituyen el asiento del campo magnético (materiales magnéticos de alta permeabilidad, como hierro, acero,
chapas de hierro aleadas al silicio, aleaciones especiales magnéticas...) o de fuerzas electromotrices inducidas
(materiales buenos conductores de la electricidad, como el cobre o el aluminio).
constituyen el asiento del campo magnético (materiales magnéticos de alta permeabilidad, como hierro, acero,
chapas de hierro aleadas al silicio, aleaciones especiales magnéticas...) o de fuerzas electromotrices inducidas
(materiales buenos conductores de la electricidad, como el cobre o el aluminio).
· Materiales pasivos. Son los materiales aislantes, que, sin intervenir en los fenómenos de conversión de
energía, canalizan las corrientes eléctricas y evitan fugas de corriente indeseadas. Además, permiten la existencia
de diferencias de potencial elevadas entre los propios devanados, o entre los devanados y la masa de la máquina.
energía, canalizan las corrientes eléctricas y evitan fugas de corriente indeseadas. Además, permiten la existencia
de diferencias de potencial elevadas entre los propios devanados, o entre los devanados y la masa de la máquina.
· Materiales estructurales. Desempeñan funciones de sustentación, lubricación, accionamiento mecánico,
ventilación...
ventilación...
Potencia de las máquinas eléctricas.
La potemca de una máquina eléctrica es la energía desarrollada en la unidad de tiempo. La potencia de un motor es la que se suministra por su eje. Una dinamo absorbe energía mecánica y suministra energía eléctrica, y un motor absorbe energía eléctrica y suministra energía mecánica.
La potencia que da una máquina en un instante determinado depende de las condiciones externas a ella; en una dinamo del circuito exterior de utilización y en un motor de la resistencia mecánica de los mecanismos que mueve.
Entre todos los valores de potencia posibles hay uno que da las características de la máquina, es la potencia nominal, que se define como la que puede suministrar sin que la temperatura llegue a los limites admitidos por los materiales aislantes empleados. Cuando la máquina trabaja en esta potencia se dice que está a plena carga. Cuando una máquina trabaja durante breves instantes a una potencia superior a la nominal se dice que está trabajando en sobrecarga.
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