PRINCIPIOS DE MÁQUINAS

Presentación del tema: "PRINCIPIOS DE MÁQUINAS"— Transcripción de la presentación:

1 PRINCIPIOS DE MÁQUINAS
TECNOLOGÍA INDUSTRIAL II – 2º BACHILLERATO VÍCTOR TOLEDO FONTES Dpto. de Tecnología IES GRAN CANARIA PRINCIPIOS DE MÁQUINAS MOTORES ELÉCTRICOS

2 Contenido MÁQUINAS ELÉCTRICAS: TIPOS.
INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA: CONCEPTOS PREVIOS. Campo magnético creado por un conductor. Sentido del campo magnético. Campo magnético creado por una espira. Campo magnético creado por un solenoide. GENERADORES ELÉCTRICOS. Generación de corriente eléctrica. Inducción electromagnética. Ley de Faraday y Fuerza electromotriz. MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA. Elementos. Funcionamiento. Tipos. FÓRMULAS Y CONSIDERACIONES EN EJERCICIOS. CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

3 Máquina eléctrica MÁQUINA ELÉCTRICA es cualquier dispositivo capaz de generar, transformar o aprovechar la energía eléctrica GENERADORES Generan energía eléctrica a partir de energía mecánica TRANSFORMADORES Transforman la corriente eléctrica variando alguna de sus características (I, V) MOTORES Aprovechan la energía eléctrica para transformarla en energía mecánica CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

4 Máquina eléctrica: tipos
MÁQUINAS ELÉCTRICAS Generadores Motores Transformadores DINAMOS: generan corriente continua ALTERNADORES: generan corriente alterna DE CORRIENTE CONTINUA DE CORRIENTE ALTERNA: monofásicos o trifásicos. UNIVERSALES MONOFÁSICOS TRIFÁSICOS CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

5 Inducción electromagnética
Conceptos previos Inducción electromagnética

6 Campo magnético creado por un elemento conductor
H. C. OERSTED demostró en 1820 a partir de las experiencias de Biot y Savart que al hacer circular corriente eléctrica por un conductor rectilíneo, se genera un campo magnético perpendicular al conductor . Experiencia de Oersted: Colocamos una aguja magnética paralela a un conductor sin corriente. b) Hacemos pasar corriente en un sentido, tomando la aguja una dirección perpendicular al hilo. c)Si cambiamos el sentido de la corriente, la aguja cambia su orientación, pero sigue estando perpendicular al hilo. CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

7 Sentido del campo magnético
El sentido del campo magnético en un conductor recto puede determinarse fácilmente mediante la llamada REGLA DE LA MANO IZQUIERDA. Su enunciado dice lo siguiente: Si un conductor se coge con la mano izquierda y hacemos que nuestro dedo pulgar apunte en el sentido en que circula la corriente, los dedos que rodean el conductor indicarán la dirección del flujo magnético

8 Campo magnético creado por una espira
El campo magnético producido por una espira por la que circula corriente eléctrica es perpendicular a la espira y con sentido dado por la regla de Maxwell, de la mano derecha o del sacacorchos. CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

9 Campo magnético creado por un solenoide (I)
El campo magnético en el interior de un solenoide por la que circula corriente eléctrica es perpendicular a éste y con sentido dado por la regla de Maxwell, de la mano derecha o del sacacorchos. Este proceso es reversible. Donde μ es la permeabilidad del medio (Tm/A) N es el número de espiras I es la intensidad de la corriente (A) l es la longitud del solenoide (m) CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

10 Campo magnético creado por un solenoide (II)
El campo magnético en el interior de un solenoide CAMPO MAGNÉTICO EN UN SOLENOIDE CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

11 Generadores eléctricos
Principios de funcionamiento.

12 Generación de corriente eléctrica Inducción electromagnética
Michael FARADAY y Joseph HENRY demostraron independientemente y casi al mismo tiempo en 1831 la existencia de corrientes eléctricas inducidas como consecuencia de la variación de un campo magnético. Al mover el imán se produce una variación del campo magnético en el interior del solenoide que genera una corriente en éste. Si el imán está parado no habrá corriente, y la dirección de ésta dependerá de la polaridad del imán. CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES 12

13 Generación de corriente eléctrica Ley de Faraday y Fuerza Electromotriz (I)
La corriente que aparece se denomina corriente inducida y es producida por una fuerza electromotriz inducida. La fuerza electromotriz inducida es igual y de signo opuesto a la rapidez con la que varía el flujo magnético que atraviesa el circuito. CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

14 Generación de corriente eléctrica Ley de Faraday y Fuerza Electromotriz (II)
Por tanto, la FEM inducida que genera las corrientes inducidas se produce al variar el flujo magnético que recorre el circuito; y eso se puede hacer de dos maneras: Variando el campo magnético Variando la disposición del circuito (que el circuito corte más o menos líneas) Se obtiene energía eléctrica como consecuencia del movimiento del imán con respecto a la bobina o de la bobina con respecto al imán 14 CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

15 FEM inducida en una bobina por rotación
FEM inducida en una bobina por rotación. Principio de funcionamiento del Generador Eléctrico GENERADOR ELÉCTRICO Cuando hacemos girar una bobina de N espiras con una velocidad angular w en presencia de un campo magnético B, tenemos una FEM inducida: CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

16 Motores de corriente continua
Constitución y principios de funcionamiento.

17 Fuerzas electromagnéticas (I)
Un conductor por el que circula corriente eléctrica genera un campo magnético. Si introducimos este conductor en otro campo magnético se producirá una influencia entre los campos y aparecerá una fuerza sobre el conductor que lo desplazará. Si el campo magnético es horizontal el conductor sube o baja (depende del sentido de la corriente por el conductor). Si en lugar de un conductor tenemos una espira por la que circula corriente, un lado de la espira sube y el otro baja, ya que por un lado la corriente entra y por el otro lado de la espira la corriente sale, produciéndose un giro de la espira CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

18 Fuerzas electromagnéticas (II)
FUERZA SOBRE UN CONDUCTOR Pierre S LAPLACE en su primera ley dice que cuando se introduce un conductor de longitud L por el que circula una corriente eléctrica I en el interior de un campo magnético de inducción magnética B, éste ejerce una fuerza F sobre el conductor CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

19 Motores de corriente continua: Elementos
El estator es la parte fija y genera el campo magnético. Para ello dispone de una serie de bobinas inductoras situadas alrededor de los polos del electroimán, sujetos a la carcasa. El rotor es la parte móvil. Consta de un conjunto de bobinas inducidas enrolladas sobre las ranuras de un núcleo de hierro llamado inducido el extremo de las cuales se sueldan mediante láminas de cobre llamadas delgas. El conjunto de delgas forma el colector. El rotor se monta sobre un eje para poder girar. Las escobillas van montadas sobre los porta escobillas y están en contacto con el colector para proporcionar la corriente a las bobinas inducidas. CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

20 Motores de corriente continua: Elementos
EN RESUMEN: Inductor: Tiene como misión crear el campo magnético y se encuentra alojado en la parte fija del motor o estator. Inducido: Tiene como misión crear campos magnéticos que se opongan a los del motor.

21 Motores de corriente continua: Funcionamiento
Caso concreto del motor en serie Al conectar un motor a una fuente de alimentación, la corriente circula por las bobinas inductoras generando un electroimán. La misma corriente circula por las bobinas inducidas a través de las escobillas y del colector. En este momento aparece un par de fuerzas sobre las bobinas inducidas obligándolas a girar sobre su eje. Darán media vuelta. En sentido horizontal, por la espira no habrá corriente pero ésta seguirá girando por inercia. A continuación, el colector invertirá el sentido de la corriente y por tanto volverán a quedar polos magnéticos opuestos en rotor y estator, con lo que el par de fuerzas tendrá el mismo sentido y se acabará de realizar el giro. FUNCIONAMIENTO CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

22 Motores de corriente continua: Tipos (I)
MOTOR SERIE: En él el inducido y el devanado inductor van conectados en serie. Si se desconecta de los bornes de salida del motor, quedará interrumpido el circuito de excitación y por lo tanto no se producirá en el inducido tensión alguna. Al representar las curvas de régimen de giro (rpm), potencia eléctrica absorbida (KW), par motor (Kgm) y rendimiento (%) en función de la intensidad adsorbida (A), deducimos que cuando ésta se reduce mucho el motor se acelera peligrosamente: en vacío I=0 la velocidad será demasiado elevada => inestabilidad; por tanto estos motores no pueden funcionar en vacío. Además, pueden desarrollar un par motor alto a bajas velocidades al revés para velocidades altas. Por lo que tienen un par de arranque elevado. Por este motivo estos motores se usan para vehículos de tracción eléctrica como tranvías, locomotoras, etc CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

23 Motores de corriente continua: Tipos (II)
MOTOR SHUNT (paralelo): Su bobinado inductor principal está conectado en paralelo con el bobinado inducido. De esta forma, de toda la corriente absorbida por el motor solo una parte circula por cada bobinado. Del análisis de las curvas de respuesta podemos deducir que en el arranque (bajas velocidades) el par motor es menor que en el caso anterior. Además para pequeñas intensidades la velocidad se mantiene pudiendo trabajar en vacío. Por este motivo estos motores se usan cuando necesitamos velocidades constantes independientemente de la carga aun no ofreciendo par motor elevado, por ejemplo para máquinas herramienta. CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

24 Motores de corriente continua: Tipos (III)
MOTOR COMPOUND (conexión compuesta): Es una combinación de motor serie y paralelo. Las bobinas inductoras quedan divididas en dos partes: una en serie con las inducidas (EF) y una (CD) en paralelo con éstas. De esta manera, tenemos mucha I en el inductor para tener muy buen par y poca I en el inducido para tener estabilidad en el régimen de giro. Esta configuración confiere al motor las características de los motores serie y paralelo: un par motor mayor que el shunt pero menor que el serie y un régimen de giro mayor que el del motor shunt y que también se mantiene invariante, pudiendo trabajar en vacío. Por este motivo estos motores se usan cuando se requiere un par de arranque alto y velocidades constantes, por ejemplo para máquinas herramienta como compresores y laminadoras y tracción eléctrica. CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

25 Motores de corriente continua: Intensidad
INTENSIDAD NOMINAL (In) de un motor es la que absorbe el motor una vez arrancado y funcionando en condiciones normales. INTENSIDAD DE ARRANQUE (Ie) de un motor es la que consume el motor en el momento del arranque. No debe sobrepasar un cierto valor respecto de la intensidad nominal que dependerá de la potencia del motor. CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

26 Motores de corriente continua: Par Motor
PAR NOMINAL (Γn) de un motor es el que tiene el motor una vez arrancado y funcionando en condiciones normales. PAR DE ARRANQUE (Γ e) tiene que ser mayor que el nominal para vencer la resistencia del motor al arranque y para llegar a la velocidad nominal de éste; es decir, para vencer el momento de inercia del motor. CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

27 Motores de corriente continua: velocidad y sentido de giro (I)
VELOCIDAD DE GIRO de un motor es la que tiene el motor una vez arrancado y funcionando en condiciones normales. Se puede variar al variar la tensión aplicada al motor, con lo que su regulación es relativamente sencilla. La estabilidad de funcionamiento de un motor se consigue si: Al aumentar la velocidad el motor responde con una reducción del par motor que establece el equilibrio. De lo contrario, el motor se acelerará. Al disminuir la velocidad el motor responde con un aumento del par motor que establece el equilibrio. De lo contrario, el motor perderá fuerza y se parará. SENTIDO DE GIRO lo de la regla de la mano izquierda y se puede cambiar variando el sentido de la corriente en el inducido o en el inductor (nunca las dos a la vez!!) CONTENIDO PRINCIPIOS GENERALES C. CONTINUA C. ALTERNA MOTORES UNIVERSALES

28 FORMULAS Y CONSIDERACIONES IMPORTANTES
EJERCICIOS FORMULAS Y CONSIDERACIONES IMPORTANTES

29 Motores de corriente continua en serie
En los motores de cc en serie tenemos: I = Ii = Iexc. = (V – E’) / (Ri + Rexc) EJERCICIO 1: Un motor serie conectado a una red de 200 V de tensión tiene las siguientes características: ri = 2 Ω; rs = 4 Ω. En condiciones nominales la E’ tiene un valor de 170 V. Halla las intensidades de excitación, inducido y carga. SOLUCIÓN: 5 A

30 Motores de corriente continua en derivación
I = Iexc. + Ii Iexc. = V/Rexc Ii =(V – E’) / Ri EJERCICIO 1: Un motor derivación está conectado a una red de tensión U = 200 V; la resistencia de excitación tiene un valor Rd = 200 Ω y la resistencia interna ri = 4 Ω. La E’ en condiciones nominales de trabajo tiene un valor de 160 V. Determina las intensidades en los diferentes circuitos. SOLUCIÓN: Iexc= 1A ; Iind. = 10A In= 11A

31 Balances de Potencias Al conectar un motor de corriente continua a la red absorbe una potencia, denominada potencia absorbida, cuyo valor es: Pab = U I. De esta potencia, una parte se pierde en forma de calor en los conductores del devanado inductor. Se conoce como potencia perdida en el cobre en el devanado inductor. En general, toma la expresión: PCu1 = Rex (Iex)2 Otra parte de la potencia absorbida se pierde en los conductores del devanado inducido, llamada potencia perdida en el cobre de los conductores del inducido: PCu2 = ri (Ii)2. Si a la potencia absorbida le restamos la que se pierde en el inductor y en el inducido, obtenemos Pab – (PCu1 + PCu2) = Pei, denominada potencia eléctrica interna, cuya expresión se puede escribir de la forma: Pei = E’ Ii. Si a esta potencia le quitamos las pérdidas en el hierro (PFe, se producen en las masas metálicas) y las pérdidas mecánicas (Pm, se producen debido al rozamiento del eje con los cojinetes, así como por los sistemas de ventilación), obtenemos la potencia útil que el motor suministra en el eje: Pu = Pei – (PFe + Pm)

32 RENDIMIENTO η(%) = (Pu/Pab )· 100 η = (E’/U) 100
La relación entre la potencia útil y la potencia absorbida, expresada en porcentaje, se denomina rendimiento: η(%) = (Pu/Pab )· 100 A veces, y como consecuencia de despreciar las Pm y las PFe, el rendimiento adquiere la siguiente expresión: η = (E’/U) 100