8 Máquinas rotativas. Motores y generadores
  1. Clasificación
  2. M┴QUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

  3. Constitución de las máquinas de continua
  4. Funcionamiento de la máquina de continua como generador
  5. Funcionamiento como motor
  6. M┴QUINAS DE CORRIENTE ALTERNA

  7. Clasificación de las máquinas rotativas de corriente alterna
  8. Generación del campo magnético giratorio
  9. Estructura de los motores asíncronos trifásicos
  10. Funcionamiento
  11. Maniobras en los motores asíncronos trifásicos
        Resumen
1 Clasificación de las máquinas rotativas inicio del tema



Corriente continua
  • Motores
  • Generadores:Dinamo
Corriente alterna
  • Motores
  • Inducción o asíncronos
  • Síncronos
  • Generadores
  • Alternadores

 

MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA


Las máquinas de corriente continua son aquellas que producen o se alimentan con CC. Son reversibles, es decir, la misma máquina puede funcionar como motor o como generador.

 

2 Constitución de las máquinas de continua inicio del tema

Están formadas generalmente por las siguientes partes:

  • Inductor o estator:  Es un electroimán formado por un número par de polos. Las bobinas que los arrollan son las encargadas de producir el campo inductor al circular por ellas la corriente de excitación.
  • Inducido o rotor Es una pieza giratoria formada por un núcleo magnético alrededor del cual va el devanado de inducido, sobre el que actúa el campo magnético.
  • Colector de delgas Es un anillo de láminas de cobre llamadas delgas, dispuesto sobre el eje del rotor que sirve para conectar las bobinas del inducido con el circuito exterior a través de las escobillas.
  • Escobillas Son unas piezas de grafito que se colocan sobre el colector de delgas, permitiendo la unión eléctrica de las delgas con los bornes de conexión del inducido.

Al girar el rotor, las escobillas van rozando con las delgas, conectando la bobina de inducido correspondiente a cada par de delgas con el circuito exterior.


Constitución máquina CC

3 Funcionamiento de la máquina de continua como generador inicio del tema

Cuando se mueve un conductor dentro de un campo magnético se induce en el mismo una fem. Para conseguir el movimiento que haga que el campo corte la espira se monta sobre un eje que le permita girar en el interior del campo.

Sabemos por la ley de Faraday que el valor de la fem inducida es igual al número de espiras por el incremento del flujo al que está sometido.

El sentido de la fem viene dado por la regla de la mano derecha. Si rotamos una espira en el interior del campo veremos que la fem cambia de sentido.

El flujo que atraviesa la espira será máximo cuando quede perpendicular al campo (instante inicial), disminuyendo hasta el valor mínimo en media vuelta y volviendo al valor máximo en la segunda media vuelta. O sea, el flujo formado por un campo magnético sobre una superficie, describe una señal cosenoidal de valor:

flujo=B·S·cos(wt)

Como, según Faraday, la fem es la variación del flujo:

e=E0·sen(wt)

De donde se deduce que la fem inducida en el rotor de una máquina rotativa CC es alterna, cambiando de signo en los semiperiodos.

Para que a la salida del rotor la corriente sea continua, se conectan los extremos de la espira a dos semianillos de cobre aislados entre si (llamados delgas) sobre los que deslizan 2 piezas fijas de grafito (llamadas escobillas).  Al girar las delgas cada escobilla está sometida a una tensión siempre del mismo signo.

4 Funcionamiento como motor
inicio del tema

Si aplicamos una corriente continua al rotor se produce una fuerza sobre el mismo que la hace girar ya que: cuando se hace circular una intensidad por un conductor de longitud l en el interior de un campo magnético B, es sometido a una fuerza de valor:

F=B·I·L

El sentido de la fuerza viene dado por la ley de la mano izquierda.

Para mantener el sentido de giro es necesario invertir la corriente en cada semivuelta, para ello se emplea el colector de delgas.

Al girar el rotor en el interior de un campo se induce en el conductor una fem que se opone a la que genera la corriente, dicha fem recibe el nombre de fuerza contraelectromotriz (fcem) y es proporcional al flujo magnético y a la velocidad de giro.  Cuanto más pequeña sea la fcem, mayor será la intensidad que circule por las bobinas de inducido, pudiendo llegar a quemarlas.

Microscopio

Aprender más:
SOBRE ARRANQUE DE MOTORES

 

MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA
5 Clasificación de las máquinas rotativas de corriente alterna inicio del tema


Las máquinas rotativas de corriente alterna se clasifican en:

Síncronasson aquellas en las que la velocidad de giro del rotor es la misma que la velocidad de giro del campo magnético. Son poco utilizadas, empleándose solo en aplicaciones muy especificas.

Asíncronas o de inducción:  en las que la velocidad de giro del rotor es inferior a la de rotación de campo magnético. La amplia mayoría de los motores empleados son asíncronos trifásicos debido a su sencillez, rendimiento y robustez, además pueden ser empleados en instalaciones monofásicas mediante la conexión de un condensador. Por ello nos vamos a centrar en este tipo de motores.

 

6 Generación del campo magnético giratorio
inicio del tema

El campo creado por una corriente senoidal al circular por una bobina es también senoidal, es decir, que cambia de sentido en el tiempo pasando en cada inversión por cero.

Para conseguir el giro del rotor en los motores CA es necesario crear un campo giratorio que mediante acoplamientos magnéticos provoque el giro.

El giro del campo se consigue como resultante de dos o más campos senoidales desfasados entre si.

La suma de los campos generados por cada fase de un sistema polifásico produce en cada instante un campo resultante cuyo sentido es giratorio.

La velocidad de giro del campo o velocidad de sincronismo (ns) es igual a:

ns=60·f/p[rpm]

donde, f es la frecuencia de la red (Hz) y p es el número de pares de polos del motor.

7 Estructura de los motores asíncronos trifásicos
inicio del tema

El estator o inductor está formado por un cilindro de planchas de hierro ranurado en su cara interior de forma que en el interior de las ranuras se coloquen las bobinas inductoras.

Las bobinas inductoras se conectan a los bornes de salida que suelen ser seis: dos por bobina. Los bornes se designan como U,V,W a las entradas de las bobinas y X,Y,Z a las salidas.

Según como se conecten esos bornes exteriormente, se puede lograr una conexión en estrella o en triángulo de las bobinas inductoras de los motores asíncronos.

Conexión estrella: IF=IL                 VF=VL/raíz(3)

Conexión triángulo: VF=VL              IF=IL/raíz(3)

Microscopio

Aprender más:
SOBRE MOTORES TRIFÁSICOS

El rotor o inducido está formado por una bobina cortocircuitada montada sobre las ranuras de un cilindro formado por placas de hierro fijas a un eje.  El rotor puede presentar las siguientes formas:

  • Rotor en jaula de ardilla,  formado por una serie de barras de cobre o aluminio dispuestas en cilindro y unidas en los extremos a dos anillos que las cortocircuitan. Su disposición recuerda a una jaula giratoria para roedores, de ahí su nombre.
  • Rotor bobinado,  formado por una bobina cuyos extremos se conectan a dos anillos dispuestos en el eje y aislados entre si, sobre los que se deslizan unas escobillas que permiten conectar la bobina a un circuito exterior.

8 Funcionamiento
inicio del tema

Si dentro del campo giratorio colocamos una bobina cortocircuitada con su eje perpendicular al campo, según la ley de Faraday, se inducirá en la misma una fem de valor:

e=-N·d(fi)/dt

Esa fem produce en la bobina una corriente que provoca el giro de la misma ya que al circular en el interior de un campo magnético se genera un par de fuerzas. La variación del flujo que “ve” la bobina es proporcional a la velocidad relativa del campo rotatorio respecto a la velocidad de giro del rotor,  es decir a:

nrel=ns-n

donde, nrel es la velocidad relativa, ns es la velocidad de giro del campo y n es la velocidad de rotación del motor.

Las velocidades del campo y del rotor no pueden llegar nunca a alcanzarse, ya que la bobina dejaría de “ver” el campo como variable, desapareciendo la fem inducida, la corriente y el par de fuerzas.

La diferencia relativa expresada en % entre las velocidades de giro del campo magnético y la del rotor recibe el nombre de deslizamiento del motor asíncrono.

s=(ns-n)·100/n

 

9 Maniobras en los motores asíncronos trifásicos inicio del tema

Arranque

Al aplicar tensión a las bobinas inductoras del estator el campo induce una fem muy elevada en la bobina del rotor, provocando una gran intensidad y un alto par de arranque en el rotor.

Cuando empieza el movimiento del rotor girando en el sentido del campo giratorio van disminuyendo la velocidad relativa de giro del rotor respecto al campo, es decir, el deslizamiento y con ella la fem inducida y la corriente del rotor. Si se aplica una carga al eje, el motor tiende a pararse, aumentando el deslizamiento y las corrientes inductora y rotórica, pudiendo llegar a quemarse el motor si la carga lo frena durante un periodo largo.

Debido a las grandes corrientes que se producen durante el arranque, cuando la potencia del motor es mayor de 5,5kW es obligatorio emplear algún método que limite el valor de la intensidad que entrega la red al motor durante el arranque. El sistema más empleado es el arranque estrella-triángulo que consiste en conectar las bobinas inductoras en estrella durante el arranque y en triángulo una vez que el motor ha alcanzado su velocidad nominal.

Con la conexión estrella se consigue que cada bobina quede sometida a 1/raíz(3)veces la tensión de red durante el arranque, limitándose la intensidad a un valor menor del que tendría si se conectaran a la tensión de red. Una vez alcanzada la velocidad nominal, y por tanto estabilizadas las intensidades, se conectan en triángulo.

Inversión de giro

 

Para invertir el giro del motor basta con cambiar el sentido de giro del campo, esto se logra cambiando el orden de dos de las fases que se conectan a las bobinas inductoras.

Al cambiar dos fases entre sí la resultante del campo giratorio es de sentido contrario al inicial, si se cambiaran las tres fases la resultante daría un campo giratorio del mismo sentido.

Circuito inversor de giro

 

Resumen
  • Las máquinas de corriente continua son aquellas que producen o se alimentan con CC. Son reversibles, es decir, la misma máquina puede funcionar como motor o como generador
  • Están formadas por las siguientes partes:
    • Inductor o estator
    • Inducido o rotor
    • Colector de delgas
    • Escobillas
  • La fem inducida en el rotor de una máquina rotativa CC es alterna, cambiando de signo en los semiperiodos. Para que a la salida del rotor la corriente sea continua, se conectan los extremos de la espira a dos semianillos de cobre aislados entre si (delgas) sobre los que deslizan 2 piezas fijas de grafito (escobillas)
  • Al girar el rotor en el interior de un campo se induce en el conductor una fem que se opone a la que genera la corriente, dicha fem recibe el nombre de fuerza contraelectromotriz (fcem) y es proporcional al flujo magnético y a la velocidad de giro
  • Las máquinas rotativas de corriente alterna se clasifican en:
    • Síncronas: son aquellas en las que la velocidad de giro del rotor es la misma que la velocidad de giro del campo magnético
    • Asíncronas o de inducción:en las que la velocidad de giro del rotor es inferior a la de rotación de campo magnético
  • El campo creado por una corriente senoidal al circular por una bobina es también senoidal, es decir, que cambia de sentido en el tiempo pasando en cada inversión por cero. Para conseguir el giro del rotor en los motores CA es necesario crear un campo giratorio que mediante acoplamientos magnéticos provoque el giro
  • El rotor o inducido está formado por una bobina cortocircuitada montada sobre las ranuras de un cilindro formado por placas de hierro fijas a un eje.  El rotor puede presentar las siguientes formas:
    • Rotor en jaula de ardilla,  formado por una serie de barras de cobre o aluminio dispuestas en cilindro y unidas en los extremos a dos anillos que las cortocircuitan
    • Rotor bobinado,  formado por una bobina cuyos extremos se conectan a dos anillos dispuestos en el eje y aislados entre si, sobre los que se deslizan unas escobillas que permiten conectar la bobina a un circuito exterior
  • En los motores asíncronos la fem produce en la bobina una corriente que provoca el giro de la misma ya que al circular en el interior de un campo magnético se genera un par de fuerzas. La variación del flujo que “ve” la bobina es proporcional a la velocidad relativa del campo rotatorio respecto a la velocidad de giro del rotor
  • La diferencia relativa expresada en % entre las velocidades de giro del campo magnético y la del rotor recibe el nombre de deslizamiento del motor asíncrono.
  • El sistema más empleado para reducir el valor de las corrientes de arranque en los motores asíncronos trifásicos es el arranque estrella-triángulo que consiste en conectar las bobinas inductoras en estrella durante el arranque y en triángulo una vez que el motor ha alcanzado su velocidad nominal.
  • Para invertir el giro del motor basta con cambiar el sentido de giro del campo, esto se logra cambiando el orden de dos de las fases que se conectan a las bobinas inductoras.