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BLOQUE II:PRINCIPIOS DE MÁQUINAS

UNIDAD DIDÁCTICA: II.2CURSO: 2º BACH TECNOLOGIA INDUSTRIAL

MOTORES ELÉCTRICOS

OBJETIVOS

1. Comprender los principios del fenómeno electromagnético, las interrelaciones básicas entre corriente y campo magnético.

2. Describir las magnitudes magnéticas básicas.

3. Comprender el principio de funcionamiento y características de los generadores y motores de CA y CC.

4. Calcular las magnitudes fundamentales que afectan al funcionamiento de las máquinas eléctricas.

0.- INTRODUCCION A LA ELECTRICIDAD

Corriente continua

Corriente alterna

Electrodomésticos

Valores de la c.a.

Valor máximo (Vmax): es el valor de cresta o pico, puede alcanzar hasta ± 325 V

Valor instantáneo (Vi): Es el valor que toma la corriente en un momento determinado.

Vi = Vmax * sen (ωt).Valor eficaz (Vef): Es el valor de corriente continua que produce el mismo efecto.

Vef = Vmax / √2

Periodo (T): Es el tiempo que tarda en producirse un ciclo completo.

La frecuencia (F): Es el número de ciclos que se producen en 1 segundo.

F = 1/T

Magnitudes Eléctricas

La carga eléctrica (q) de un cuerpo expresa el exceso o defecto de electrones que hay en sus átomos. Su unidad es el Culombio (C). 1 Culombio equivale a 6,25 x1018 electrones.

La intensidad (I), es la cantidad de carga eléctrica que circula por un conductor en una unidad de tiempo. I = q /t Amperios = Culombios /segundo

Para que los electrones se desplacen por un conductor es necesaria una diferencia de potencial o fuerza electromotriz (V) entre sus extremos. Su unidad es el Voltio.

La resistencia (R), es la dificultad que opone un cuerpo al paso de los electrones. Su unidad es el Ohmio (Ω),

SLR ρ=

Donde:R es el valor de la resistencia en ohmios (Ω)

es la resistividad del material ( )L la longitud del elemento.S la sección del elemento.

ρm

mm2Ω

Resistividad de materiales

1.010.000.000Vidrio

De 108 x 106 a 1.014 x 106

Madera

0,942Mercurio

0,139Estaño

0,1Hierro

0,0283Aluminio

0,024Oro

0,0172Cobre

0,01Plata

Unidadesresistividad ( )Material ρm

mm2Ω

mmm2

Ω

mmm2

Ω

mmm2

Ω

mmm2

Ω

mmm2

Ω

mmm2

Ω

mmm2

Ω

mmm2

Ω

Ley de Ohm

La Intensidad que circula por un circuito es proporcional a la tensión que aplicamos en él e inversamente proporcional a la resistencia que opone a dicha corriente. Esto se expresa con la fórmula: R

VI =Ejemplo:

ARVI 06,0

1509

=== Ejemplo de c.a.:

AR

VI ef

ef 533,1150230

===

Potencia eléctrica

La potencia eléctrica que puede desarrollar un receptor eléctrico se puede calcular con la fórmula: IVP ⋅=

Donde:P es la potencia en vatios (W).V es el voltaje (V).I es la intensidad (A).

efefef IVP ⋅=La potencia en corriente alterna es:

IVP ⋅=

RVI = R

VP2

=

Donde la potencia depende del voltaje al cuadrado y de la inversa de la resistencia del receptor.

Otra forma de expresarlo: Más formas de expresarlo:

IVP ⋅=IRV ⋅=

RIP ⋅= 2

Donde la potencia depende de la corriente al cuadrado que circula por el receptor y de la resistencia.

Energía eléctrica

Cuando tenemos el receptor conectado durante un tiempo lo que necesitamos conocer es la energía que consume.

tPE ⋅=Donde:E es la energía en Julios (J).P es la potencia en vatios (W).t es el tiempo en segundos (s).

La energía se suele expresar en KW·h

hKWhKWtPE ⋅=⋅=⋅= 111

Circuito serie

21 RRRT +=

21 IIIT ==

21 VVV +=

La resistencia total del circuito es la suma de las resistencias que lo componen.

Se caracteriza por:

La corriente que circula es la misma por todos los elementos.

La fuerza electromotriz generada por el generador se reparte entre los distintos elementos.

Circuito paralelo

Se caracteriza por:

La inversa de la resistencia total del circuito es la suma de las inversas de las resistencias que lo componen.

21

111RRRT

+=

21

21 *RRRR

RT +=

21 IIIT +=

21 VVVT ==

Otra forma de expresar la resistencia total cuando son dos los elementos es: La corriente total que sale del generador se reparte por todos los elementos.

La fuerza electromotriz generada por el generador llega por igual a todos los elementos.

Circuito mixto

32

32 *RRRR

RP +=

32 IIIP +=

21 VVVP ==

PT RRR += 1

PT III == 1

PT VVV += 1

Aparatos de medida

Óhmetro

conexionado

conexionado

conexionado

Voltímetro Amperímetro

Polímetro, multímetro, tester

Conexionado del polímetro

1º.- Encender el polímetro.

2º.- Seleccionar la parte en la que queremos realizar la medición (Voltímetro, Amperímetro, Óhmetro).

3º.- Comprobar que las puntas están en los terminales correctos, en caso contrario colocarlas.

4º.- Seleccionar el valor más alto de la escala que queremos medir, con el selector.

5º.- Conectar las puntas en el lugar adecuado del circuito o resistencia.

6º.- Mover el selector bajando de escala hasta que la lectura sea posible en el display.

1.- PRINCIPIOS BÁSICOS DE ELECTROMAGNETISMOElectricidad y magnetismo están relacionadas de forma reversible.

La corriente genera campo magnético

El campo magnético genera corriente eléctrica

1.1.- MAGNETISMOUn imán es un cuerpo que tiene la propiedad de atraer objetos de hierro y sus derivados.

CARACTERÍSTICAS:

•Tienen dos polos en los que es máximo su poder de atracción.•El campo magnético es invisible y se representa mediante líneas cerradas de campo que salen del norte (N) y entran por el sur (S).•Polos opuestos se atraen, iguales se repelen.•Las líneas de campo magnético atraviesan los objetos que no puede atraer.

1.2.- ELECTROMAGNETISMOUna corriente eléctrica es capaz de generar un campo magnético, igual que si fuera un imán.

Esto se comprueba cuando enrollamos un cable alrededor de un cilindro de hierro (bobina). Cuando los dos extremos del cable lo conectamos a la pila el hierro se comporta como un imán (electroimán)

EXPERIMENTACOMO HACER UN ELECTROIMAN

MATERIAL: un tornillo, hilo fino y una pila

PROCEDIMIENTO:Enrolla el hilo alrededor del tornillo, dando el mayor número de vueltas que este te permita. Para comprobar que el experimento a funcionado conecta los dos extremos del hilo a la pila y acércalo a un montón de clavos ¿quéocurre?

Aplicaciones, electroimán

Aplicaciones, relé

Símbolos de relés

Aplicaciones, transformador

P1 = P2 V1 * I1 = V2 *I2

V1 / V2 = I2 / I1 = m (relación de transformación).

N1 / N2 = V1 / V2 = m (relación de transformación).

Aplicaciones, alternador

símbolo

Aplicaciones, dinamo y motor de corriente continua

símbolos

1.3.- MAGNITUDES MAGNÉTICAS BÁSICAS

Para cuantificar el campo magnético se utiliza un concepto abstracto como es el de líneas de campo.

T =Wb/m2

TeslaNúmero de líneas por unidad de superficie (S)

BInducción magnética

Webers

unidad

WbNúmero total de líneas de campo magnético

ΦFlujo magnético

definiciónmagnitud

1.4.- FACTORES QUE MODIFICAN B

1. El valor de la corriente I que circula por el conductor.

2. Propiedades magnéticas de los materiales que traspasan las líneas de campo.

(permeabilidad del vacío μ0=4*π*10-7H/m)

3. Punto en el espacio ( distancia ⇒ B)

4. Forma que tiene el conductor eléctrico que produce las líneas de fuerza.

x1

1.5.- CIRCUITO MAGNÉTICO

Está formado por un material ferromagnético capaz de concentrar las líneas de campo y de disminuir las pérdidas.

Circuito magnético elemental

1.6.- MAGNITUDES MAGNÉTICAS IISe puede relacionar el circuito eléctrico con un circuito magnético, simplemente hay que relacionar magnitudes.

AAmperiosEs la que mantiene el flujo

creado por una bobina.fmmFuerza magnetomotriz

Amperios/metro

unidad

A/m

Fuerza magnetomotriz necesaria para magnetizar una unidad de longitud de material.

HIntensidad de campo magnético

definiciónmagnitud

x2

x3

1.7.- FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA

Faraday en 1831 estableció que en un conductor bajo un campo magnético se induce una tensión a la que se llama fuerza electromotriz.

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1.8.- FUERZA MECÁNICA

1.9.- PERDIDAS MAGNÉTICASTodos los materiales magnéticos tienen perdidas:

Pérdidas por histéresis: cuando los circuitos magnéticos se alimentan con alterna se produce una oposición al cambio de magnetización del material ferromagnético.

Pérdidas por Foucault: son corrientes eléctricas que se producen dentro del material ferromagnético. Provocan calentamiento y por lo tanto pérdidas.

Comportamiento

como imán

2.- Clasificación de las máquinas eléctricas

2.1.- EL TRANSFORMADOR

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2.2.- MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVASLas máquinas eléctricas rotativas convierten la energía eléctrica en mecánica (motor) o viceversa (generador).

2.2.1.- EL GENERADOR ELEMENTAL

2.1.2.- EL MOTOR ELEMENTAL

2.1.3.- MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA

2.1.3.1.- CONSTITUCIÓNEstán formadas por:

1 Soporte8 Eje

CIRCUITO MAGNÉTICO

2 Estator parte fija3 Rotor parte móvil4 Piezas polares5 Entrehierro

CIRCUITO ELÉCTRICO

6 Inductor7 Inducido9 Colector10 Escobillas

2.1.3.1.1- Estructura

Rotor: Formado por una columna de material ferromagnético, a base de chapas de hierro, aisladas unas de las otras por una capa de barniz o de óxido.

Colector: Constituido por piezas planas de cobre duro, llamadas delgas, separadas y aisladas. El colector tiene tantas delgas como bobinas posee el devanado inducido de la máquina.

Escobillas: de bronce o latón, establecen el enlace eléctrico entre las delgas y el colector y el circuito de corriente continua exterior.

ejeD

escobillaC

colectorB

rotorA

Estator: corona de material ferromagnético (culata). Rodeando los polos, se hallan unas bobinas que al ser alimentadas por corriente continua, crean el campo magnético inductor.

2.1.3.2.- ECUACIONES PARA EL CÁLCULO

GENERADORfem generada en bornes

MOTOR Par motor

p número de pares de polosa número de ramas en paralelo del inducido (imbricado o ondulado)Z número de conductores del inducido

Φ flujo magnético (Wb)n velocidad de giro (rpm)I corriente del inducido (A)

2.1.3.3.- TIPOS DE MOTORES

2.1.3.3.1.- EXCITACIÓN INDEPENDIENTE

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2.1.3.3.2.- EXCITACIÓN EN DERIVACIÓN (SHUNT)

x9

2.1.3.3.3.- EXCITACIÓN SERIE

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2.1.3.3.4.- EXCITACIÓN COMPUESTA

2.1.3.3.5.- Curvas característicasLas curvas características informan de cual es el comportamiento del motor según su configuración.

El funcionamiento de una máquina de CC depende de:• velocidad n• corriente de excitación Iex• tensión en bornes U• corriente del inducido I• par electromagnético M

Si se toma una de las magnitudes como constante, otra como parámetro, otra como variable y otra como función, se obtiene una familia de curvas.

MMn

Función

nII

Variable

InM

Parámetro (cte)

Mecánica M(n)de Par M(I)de Velocidad n(I)

Característica

U, Iex

Constante

Las características usuales de un motor son:

2.1.3.3.5.- Curvas característicasMOTOR SERIE MOTOR DERIVACIÓN

de Velocidad n(I)

de Par M(I)

Mecánica M(n)

CONCLUSIONES:

MOTOR SERIE: Elevado par de arranque, siendo interesante para tranvías locomotoras, gruas, etc. Su velocidad varía mucho con la carga, existiendo en vacío peligro de exceso de velocidad (embalamiento).

MOTOR DERIVACIÓN: Su velocidad varía muy poco con la carga (autorregulación), esto la hace útil en el uso de máquinas herramientas.

2.1.3.3.6.- Distribución de potencias

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2.1.4.- MÁQUINA DE CORRIENTE ALTERNA

2.1.4.1.- CLASIFICACIÓN

2.1.4.2.- Diferencia entre máquina asíncrona y síncrona

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El campo magnético giratorio del estator, creado por el sistema de corrientes trifásicas R, S, T gira a la velocidad NS corta los conductores del rotor, que gira a una velocidad NR < NS (NS flecha rosa, NR punto verde)

Despiece máquina asíncrona

Despiece máquina asíncrona

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http://www.megavideo.com/?v=FV2IA3I4

Documental: ¿Quién mato al coche eléctrico?