DEP.TECNOLOGÍA / PROF. MARÍA JOSÉ GONZÁLEZ


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2 REPASAMOS CONCEPTOS MAGNETISMO Imanes naturales : atraen al hierro. Características de los imanes: -La atracción magnética es más intensa en los extremos de la barra magnética. -Un imán se parte en varios trozos y cada uno se comporta como un nuevo imán. -Existen polos magnéticos de distinto signo N y S. -No es posible aislar un polo norte y un sur magnéticos -Una carga en movimiento equivale a un imán (Experiencia de Oersted) CAMPO MAGNÉTICO Es la zona del espacio que rodea a un imán. Será más fuerte o intenso cuanto más juntas estén las líneas de campo o cuando mayor densidad de líneas de campo existan. En un imán permanente no hay forma sencilla de variar su campo magnético, pero con una corriente eléctrica si podemos variar o alterar el imán creado por ella.

3 Interacción magnética entre dos conductores I 2 a I 2 a Si aumenta la intensidad aumenta la fuerza I 1 F I 1 F Se atraen Se repelen La fuerza de atracción o repulsión es inversamente proporcional a la distancia que separa los cables (a) Si aumenta la longitud del conductor aumenta la fuerza. Si entre los conductores se coloca otro material también varía la fuerza. F I1 I2 = K.. l a

4 INDUCCIÓN MAGNÉTICA Inducción magnética o Campo magnético, creado por una corriente rectilinea. - Ley de Biot y Savart B = K. Tesla (T) -En espiras de bobinas K=µ 0 /4π si el medio es el vacío µ 0 =4π.10 7 T.m/A I a La inducción magnética o campo magnético es un vector que se encuentra en un plano perpendicular al movimiento de las cargas (dirección de la intensidad de corriente o del cable) I El sentido del campo magnético se obtiene haciendo uso de la Regla de la mano derecha. B = K. I a

5 Cuando un conductor se coloca perpendicular a un campo magnético, experimenta una fuerza: F = I.l.B Siendo esta fuerza perpendicular al campo magnético y al conductor y su sentido el de avance de un tornillo de rosca a derechas. F B I Si el conductor está paralelo al campo, no aparece fuerza. Y si están perpendiculares la fuerza es máxima. Regla de la mano izquierda. Si el campo magnético y el conductor forman un ángulo: F = I. l. B. senθ

6 FUERZAS SOBRE CARGAS EN MOVIMIENTO Dado por la Ley de Lorentz F = q. v.b Siendo q : carga y v: velocidad B = F /(q. V) ; 1T = 1N/ (1C. 1m/s) Tesla es la inducción de un campo magnético que hace que una carga de un culombio que se desplaza perpendicular al campo con velocidad de 1m/s experimente una fuerza de 1N. Es una unidad muy grande. Se utiliza más el Gauss (G) = 10-4 T. Regla del sacacorchos: Determina la dirección de la fuerza magnética que actúa sobre una carga + o que se mueve a velocidad v en un campo magnético B F + q B -q θ v F θ v B

7 Diferencias entre campos eléctricos y magnéticos La fuerza eléctrica siempre se encuentra en la misma dirección que el campo eléctrico, la fuerza magnética es perpendicular al campo magnético. La fuerza originada por un campo eléctrico sobre una carga aparece independientemente de la velocidad de la partícula. La fuerza magnética solo actúa sobre cargas en movimiento. La fuerza eléctrica origina trabajo al desplazarse la partícula cargada. La fuerza magnética al ser perpendicular al desplazamiento no origina trabajo. La energía cinética de una partícula cargada no se altera al entrar en un campo magnético.

8 FUERZA Y MOMENTO SOBRE UN CIRCUITO COMPLETO. FUNDAMENTO DE LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS (MOTORES). En las máquinas eléctricas los hilos conductores se disponen en forma cerrada de espiras. Efectos del campo magnético sobre una espira cerrada rectangular de lados a y b por la que circula una corriente I. Siendo φ : ángulo entre el campo magnético y la normal al plano de la espira. b F 2 B F 1 Los lados AB y CD son perpendiculares al campo en ellos aparecen fuerzas iguales y de sentido opuesto. F 1 = I.a. B. sen φ β B A La suma de ellas al ser opuestas es cero. a C F 1 φ D F 2 Los lados BC y DA forman un ángulo β con el campo. Sobre ellos actúan fuerzas de igual módulo y sentidos opuestos. F 2 = I. b. B sen β

9 b F 2 B F 1 El par de fuerzas F 1 dan lugar a un momento cuyo valor es: M = F. distancia M = F 1.b/2+ F 1.b/2.=I. a.b. B. senφ β B A M=I.B.S.sen φ ; S= a.b superficie espira C F 1 φ El momento hace que la espira gire hasta situarse perpendicularmente al campo magnético. El valor máximo del momento se obtiene para φ igual a 90º. a D F 2 El único parámetro de la espira a tener en cuenta es su superficie, por tanto su forma es indiferente. φ B El momento que tiende a hacer girar la espira es un vector cuya dirección es el eje de giro y su sentido el avance de un tornillo al girar según la rotación de la espira. Si disponemos de n espiras: M=n.I.S.B.senφ Alcanzado el equilibrio M=0 y el mecanismo se detiene.

10 FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA. FLUJO MAGNÉTICO. FUNDAMENTO DE LOS GENERADORES ELÉCTRICOS Colocamos un conductor de longitud l, y de extremos A y B en un campo magnético perpendicular al conductor y hacia abajo. El conductor se desplaza a velocidad v, perpendicular al campo magnético y al conductor. Cada partícula cargada del interior del conductor sufre una fuerza F = e.b.v La fuerza F lleva una dirección perpendicular a B y v, y sentido contrario a la carga positiva. + + A F B De esta forma se acumulan cargas negativas a un lado B, más que en el otro. Estableciéndose las condiciones necesarias para funcionar como una pila. + + B

11 Si se conectan los extremos del conductor en forma de U, el exceso de carga negativa tiende a equilibrarse por lo que se genera una corriente eléctrica de intensidad I Mientras se mueva el conductor los electrones se desplazan. Se afirma que se ha inducido en el conductor una f.e.m. I I La f.e.m se representa por ε I A (+) I v B (-) ε = I. B. v Flujo magnético a través de una superficie S: φ = B.S (weber(wb)) Nº total de líneas de fuerza que atraviesa la superficie. 1 Wb=1T. 1m 2 Inducción magnetica: Teslas y Wb/m 2

12 B = φ s Nº de líneas por unidad de superficie = Campo magnético Si la superficie no es perpendicular al vector inducción magnética, el flujo será: φ = B.S. cosϕ Así: φ ε = t y para N bobinas φ ε = N. t Ley de Faraday La f.e.m. inducida es el valor de la variación del flujo magnético en el tiempo Ley de Lenz el sentido de una f.e.m. inducida es tal que se opone a la causa que la produce

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15 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE CONTINUA El funcionamiento del motor de c.c. se basa en hacer pasar una corriente eléctrica continua por una espira, debido a esto se genera un campo magnético entorno a la espira. B N Si ahora se la introduce entre los polos de un imán,se verá afectada por el campo magnético del imán, creándose fuerzas de atracción y repulsión entre ambos campos magnéticos. F Para que la espira gire continuamente se usa un anillo (llamado colector) dividido en dos mitades, sobre el que rozan dos escobillas de carbón (por donde se suministra la corriente). De forma que cada vez que la espira da media vuelta, cambia el signo de la corriente que circula por ella, con lo que cambian los polos del campo magnético generado por ella, obligándola a reorientarse dentro del campo magnético creado por el imán. U B S

16 Gracias a un juego de conexiones entre unos conductores estáticos, llamados escobillas, y las bobinas que lleva el rotor, los campos magnéticos que produce la armadura (rotor) cambian a medida que ésta gira, para que el par de fuerzas que la mueve se mantenga siempre vivo. El movimiento giratorio de los motores de C.C. se basa en el empuje derivado de la repulsión y atracción entre polos magnéticos. Creando campos constantes convenientemente orientados en estator y rotor, se origina un par de fuerzas que obliga a que la armadura (también le llamamos así al rotor) gire buscando "como loca" la posición de equilibrio

17 DESCRIPCIÓN FÍSICA Se distinguen dos partes: Rotor :parte que gira Estator: parte fija, que suele ir unida a la carcasa. Además cuenta con : El Inductor o Devanado de Excitación : constituido por un imán o varias bobinas (devanados). Encargado de generar el campo magnético. Suele ir localizado en el estator. El Inducido : constituido por varias bobinas (devanados) situadas dentro del campo magnético generado por el inductor, normalmente en el rotor. En el se genera la fuerza contraelectromotriz y el Par motor. El Entrehierro : espacio comprendido entre el estator y rotor. El Colector : que recoge la corriente que pasará por las bobinas del inducido. Se halla dividido en varias secciones llamadas Delgas. El número de delgas será el doble que el número de bobinas del inducido. Las Escobillas : suelen ser dos tacos de grafito. Transmiten la corriente al colector y se apoyan sobre él, deslizándose, evitando que el cable se enrede al girar el rotor.

18 Estator Inducido

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20 MAGNITUDES MOTORES DE CC Par interno Mi 1 p N =... φ Ii 2π a 60. p: nº pares de polos a : nº ramas en paralelo del inducido N: nº conductores Ф:flujo magnético (Wb) Ii: intensidad que recorre el inducido (A) El par interno es cte en una máquina y se convierte en : Mi = K.φ. Ii que hace que gire el rotor Fuerza contraelectromotriz * p N ε =.. φ. n ε * = K. n. φ a 60 Siendo n la velocidad de giro en r.p.m. En un motor de cc el voltaje disponible para suministrar la corriente es la diferencia entre la tensión aplicada y la f.c.e.m. Una vez que la tensión aplicada U y la f.c.e.m ε* se equilibran aparece la intensidad por el inducido Ii.

21 Ii U * ε = U = ε * + ri. Ii r i Se puede representar como: * ε ri U + - Ii

22 TIPOS DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA MOTOR DERIVACION O SHUNT + Las bobinas del inductor e inducido se conectan en paralelo (al mismo voltaje). Existe un caso particular en el que el inducido y el inductor se conectan a redes de corriente continua independientes, se denomina entonces Excitación Independiente. I Iex A B C D - Flujo cte porque I ex es cte; (Intensidad inductor) Intensidad inducido Iex = U Rd * U ε Ii = ri I Iex Ii E * ri + - Rd Intensidad absorbida de la red I = Ii + Iex

23 TIPOS DE MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA Motor excitación independiente + + I=Ii A B - I=Ii E * ri - Iex Iex Rd - C D I = Ii = U * ε ri

24 MOTOR SERIE Las bobinas del inductor e inducido se conectan en serie. + I = Iex = Ii I A B E F - I = Ii = Iex = U E r i r s * + I E * ri Rs -

25 CARACTERISTICAS DE LOS MOTORES DE CC Las características de funcionamiento de motores de cc dependen del tipo de excitación y suministran información del comportamiento del motor en determinadas condiciones de trabajo. Las más importantes son la de velocidad, la del par y la mecánica.

26 n MOTOR DERIVACIÓN M M Ii Al aumentar la intensidad disminuye la velocidad Se deduce: Ii Par proporcional a la intensidad n Al disminuir la velocidad aumenta el par obtenido En el arranque el par motor es bajo. Si la intensidad se reduce, incluso en vacío (intensidad cero) las revoluciones apenas varían. Los motores derivación se utilizan en los casos en los que no se requiera un elevado par a pequeñas velocidades, no se produzcan grandes cargas y donde estas cargas puedan desaparecer (vacío) sin que se corra el peligro de embalamiento. Por ello se emplean preferentemente en las máquinas herramientas.

27 MOTOR SERIE n M M Ii Al disminuir la intensidad (con cargas reducidas) aumenta mucho la velocidad (pudiendo destruir el inducido) Ii Proporciona un par mayor al que proporcionaría el motor derivación. Mantiene la potencia casi cte, se llama Autorregulado en potencia n 2. π. n Pu =. Mu 60

28 MOTOR SERIE Se deduce: El motor serie puede desarrollar un elevado para motor en el instante de arrancar. Si disminuye la intensidad absorbida por disminución de la carga en el motor, este corre el peligro de aumentar excesivamente de velocidad y en vacío (intensidad casi cero) el incremento de la velocidad puede llegar a ser peligroso (embalamiento). Por tanto los motores serie son apropiados en los casos en que se requiera un elevado par a pequeñas velocidades, además de no existir la posibilidad de que el motor quede sin carga (en vacío). Por eso se utiliza en vehículos de tracción eléctrica, como tranvías, locomotoras,.

29 MOTOR COMPOUND Es una combinación del serie y el derivación. Este motor se comporta con un par motor algo mayor que el derivación pero menor que el serie. Al disminuir la intensidad absorbida el régimen de giro apenas varía y no hay peligro de embalamiento al trabajar en vacío. Su uso está especialmente indicado en maquinas herramientas y en tracción eléctrica. Excitación compuesta: en este tipo el devanado excitador se divide en dos. En la compuesta larga la corriente por el devanado excitador conectado en serie es la misma que la que circula por el inducido. En cambio en la compuesta corta la corriente que circula por el devanado excitador en serie es la corriente total de alimentación del motor. Res Res I L Ri E * Red Compuesta corta Ri E * Ii Ie Red Compuesta larga

30 BALANCE DE POTENCIA DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA Cuando una máquina eléctrica de c.c. se encuentra en régimen de funcionamiento estable, los devanados de excitación (inductor) e inducido se pueden considerar equivalentes a dos resistencias de valores Re y Ri. En el devanado inducido se genera una f.c.e.m., en los motores, de valor E * = k.n. φ, la cual genera una corriente de sentido opuesto a la que circula por el inducido (si actuara de generador tendría el mismo sentido). Sea Eb una línea de c.c. exterior con la que alimentaremos el inducido. Se cumplirá: - en un motor Eb = ε * + Ri.Ii (1) Si además el devanado de excitación (inductor) se conecta también a la misma fuente de alimentación Eb, se cumple: Eb = Re. Ie (2) Al multiplicar (1) y (2) por Ii, Ie y sumando se obtiene: Eb. Ii + Eb. Ie = ε*. Ii + Ri. Ii 2 + Re. Ie 2

31 Eb. Ii + Eb. Ie = ε*. Ii + Ri. Ii 2 + Re. Ie 2 El primer término de la ecuación representa : La Potencia eléctrica absorbida por el motor de la red de c.c. Siendo los miembros del 2º término: Re. Ie 2 Ri. Ii 2 ε*. Ii pérdidas por efecto Joule en el devanado de excitación pérdidas por efecto Joule en el devanado inducido potencia eléctrica transformada en potencia mecánica en el motor De la Potencia Eléctrica que se transforma en mecánica deberán restarse las Pérdidas en el hierro (originadas en el material magnético debido a las corrientes de Focault) y las Pérdidas Mecánicas (por rozamientos de las partes móviles), para así obtener finalmente la Potencia Mecánica Útil en el eje del motor y que se utiliza para mover la carga mecánica conectada a él.

32 ARRANQUE DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA La intensidad de arranque de un motor Iarr no debe sobrepasar un cierto valor respecto de la intensidad nominal In o intensidad que absorbe una vez arrancado y funciona en condiciones normales. La intensidad de arranque depende de la potencia del motor: -De 0,75kW a 1,5kW.. 2,5.In -De 1,5kW a 5kW. 2. In -Mas de 5kW.. 1,5. In En el momento del arranque de un motor de c.c., al ser la velocidad de giro nula, no se genera f.c.e.m.. Por tanto la corriente demandada por el motor en ese instante será muy elevada, ya que únicamente está limitada por la resistencia del devanado del inducido. Para limitar esa corriente se intercala en serie con el devanado inducido del motor un reóstato de arranque, cuyo valor disminuye a medida que aumenta la velocidad del motor. También se puede utilizar un conjunto de resistencias en serie que se irán cortocircuitando conforme la velocidad del motor aumenta.

33 PLACA DE BORNAS Y PLACA DE CARACTERÍSTICAS La placa de bornas es una placa de material aislante en la que existen varios espárragos roscados, llamados bornas donde se conectan los extremos del principio y del final de las bobinas del motor. La designación de las bornas esta normalizada: Motor Serie: A-B bobinado inducido E-F bobinado inductor Motor Derivación: A-B bobinado inducido C-D bobinado inductor A F B E A D B C Motor Compound: A-B bobinado inducido E-F bobinado inductor en serie con el inducido C-D bobinado inductor en paralelo con el inducido A F B E La placa de características es una placa metálica en la carcasa del motor en un lugar visible. En esta placa, van marcados los principales valores nominales del motor, como potencia útil, régimen de giro, intensidad absorbida D C

34 MOTOR CC SERIE- SHUNT-COMPOUND

35 MOTOR CC CON EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

36 INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA El motor de c.c. puede funcionar en los dos sentidos de giro: basta intercambiar las conexiones del devanado inducido respecto al de excitación. Para que cambie el sentido de giro del motor, deben de cambiar de sentido las fuerzas aplicadas a los conductores del rotor. Esto se consigue haciendo que el vector inducción magnética o la corriente que circula por los conductores del rotor cambie de sentido. Si el cambio de sentido de giro tiene lugar cuando la máquina se encuentra totalmente parada, no es importante cual sea el devanado en el que se intercambian las conexiones. Si el cambio se produce en marcha, es preciso que sean las conexiones del devanado inducido las que se cambien y no las del inductor, pues si el cambio se realiza en el inductor el motor quedaría sin excitación, con el peligro de embalamiento. Para ello es preciso intercalar la resistencia de arranque en serie con el devanado inducido, para de esta manera limitar el pico de corriente. Si no se hace así en el momento de la conmutación la tensión de la red eléctrica y la f.c.e.m. generada en el motor se suman, y la corriente queda únicamente limitada por la resistencia del devanado inducido.

37 INVERSIÓN DEL SENTIDO DE GIRO DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA + - Motor serie A F B E A F B E Así está girando en un sentido Cambiando la conexión de las bornas gira hacia el contrario + - Motor derivación A D B C A D B C Así está girando en un sentido Cambiando la conexión de las bornas gira hacia el contrario

38 Motor Compound + - A F B E A F B E D C D C Así está girando en un sentido Cambiando la conexión de las bornas gira hacia el contrario

39 REGULACIÓN DE LA VELOCIDAD DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA El objetivo es mantener la velocidad en un valor prefijado. Para regular la velocidad se actúa sobre la tensión aplicada o sobre el flujo. Podemos actuar sobre la tensión de las siguientes formas: -Intercalando una resistencia en serie con el inducido -Variando la tensión de alimentación Para actuar sobre el flujo se debe regular la corriente de excitación mediante la conexión de un reóstato.

40 FRENADO DE UN MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA A veces es necesario reducir la velocidad de un motor o pararle. El frenado en motores de CC se basa en el principio de reversibilidad. En el momento de frenar el motor pasa a ser generador. Se conoce como frenado eléctrico y puede ser de dos formas: -Frenado reostático: disipa la energía generada al actuar como generador sobre unas resistencias de frenado, que suelen ser las que se utilizan para arrancar. -Frenado regenerativo: consiste en devolver la energía generada a la línea de alimentación.

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