Funcionamiento de un MOTOR DC. Las máquinas eléctricas son convertidores electromecánicos capaces de transformar energía desde un sistema eléctrico a.

Presentación del tema: "Funcionamiento de un MOTOR DC. Las máquinas eléctricas son convertidores electromecánicos capaces de transformar energía desde un sistema eléctrico a."— Transcripción de la presentación:

1 Funcionamiento de un MOTOR DC

2 Las máquinas eléctricas son convertidores electromecánicos capaces de transformar energía desde un sistema eléctrico a un sistema mecánico o viceversa

3 Se basan en la ley de Faraday que indica que "en cualquier conductor que se mueve en el seno del campo magnético se generará una diferencia de potencial entre sus extremos, proporcional a la velocidad de desplazamiento". MÁQUINAS ELÉCTRICAS generador Principio de funcionamiento de un generador

4 En los motores eléctricos las espiras rotativas del conductor son guiadas mediante la fuerza magnética ejercida por el campo magnético y la corriente eléctrica. Se transforma la energía eléctrica en energía mecánica. Colector de delgas Colector de anillos MÁQUINAS ELÉCTRICAS

5 Funcionamiento del Motor DC Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un cable conductor inmerso en un campo magnético, la fuerza magnética produce un par el cual provoca el giro del motorcorriente eléctrica campo magnéticofuerza magnética par

6 Corriente en un Motor DC Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un cable conductor inmerso en un campo magnético, la fuerza magnética produce un par el cual provoca el giro del motorcorriente eléctrica campo magnéticofuerza magnética par

7 Campo Magnético en el Motor DC Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un cable conductor inmerso en un campo magnético, la fuerza magnética produce un par el cual provoca el giro del motorcorriente eléctrica campo magnéticofuerza magnética par

8 Fuerza Magnética en el Motor DC Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un cable conductor inmerso en un campo magnético, la fuerza magnética produce un par el cual provoca el giro del motorcorriente eléctrica campo magnéticofuerza magnética par

9 Fuerza Magnética El campo magnético es definido por la ley de Lorentz, y específicamente por la fuerza magnética de una carga en movimiento: Las implicaciones de esta expresión incluyen: 1.La fuerza es perpendicular a la velocidad v de la carga q y al campo magnético B. 2. La magnitud de la fuerza es F = q∙v ∙ B ∙ sinβ donde β es el ángulo < 180º entre la velocidad y el campo magnético. Esto implica que la fuerza magnética de una carga estacionaria o de una carga en movimiento paralelo al campo magnético es nula. 3. La dirección de la fuerza está dada por la regla de la mano derecha.

10 Principio de Funcionamiento: “si se introduce una espira, con los extremos conectados a una determinada resistencia, en el interior de un campo magnético y se le aplica una determinada tensión exterior, se producirá la circulación de una corriente por dicha espira y ésta comenzará a girar “ La ley de Faraday que indica que:"en cualquier conductor que se mueve en el seno del campo magnético de un imán se generará una diferencia de potencial entre sus extremos, proporcional a la velocidad de desplazamiento". Inductor o circuito de excitación Inducido es el que induce una fcem que da lugar a un par motor Generador Motor DINAMO

11 Par en el Motor DC en el Motor DC Cuando una corriente eléctrica pasa a través de un cable conductor inmerso en un campo magnético, la fuerza magnética produce un par el cual provoca el giro del motorcorriente eléctrica campo magnéticofuerza magnética par

12 Principio de Funcionamiento: S  F F I N Brush V  Rotor Armatur e winding s http://e-www.motorola.com/collateral/MOTORTUT.html

13 MOTORES ELÉCTRICOS

14 MOTORES DC

15 Constitución general: El motor de corriente continua está compuesto de 2 piezas fundamentales :Rotor (circuito de armadura o inducido) Eje Núcleo y Devanado Colector Tapas Constituye la parte móvil del motor, proporciona el par para mover a la carga. Está formado por MOTORES DC

16 Eje : Formado por una barra de acero fresada. Imparte la rotación al núcleo, devanado y al colector. Núcleo : Se localiza sobre el eje. Fabricado con capas laminadas de acero, su función es proporcionar un trayecto magnético entre los polos para que el flujo magnético del devanado circule. Este núcleo laminado contiene ranuras a lo largo de su superficie para albergar al devanado de la armadura (bobinado). Rotor Constitución general: MOTORES DC

17 Devanado : Consta de bobinas aisladas entre sí y entre el núcleo de la armadura. Estas bobinas están alojadas en las ranuras, y están conectadas eléctricamente con el colector, el cual debido a su movimiento rotatorio, proporciona un camino de conducción conmutado. Colector : Denominado también conmutador, está constituido de láminas de material conductor (delgas), separadas entre sí y del centro del eje por un material aislante, para evitar cortocircuito con dichos elementos. El colector se encuentra sobre uno de los extremos del eje del rotor, de modo que gira con éste y está en contacto con las escobillas. La función del colector es recoger la tensión producida por el devanado inducido, transmitiéndola al circuito por medio de las escobillas. Constitución general: MOTORES DC

18 Armazón Imán permanente Escobillas y portaescobillas Estator Constituye la parte fija de la máquina. Su función es suministrar el flujo magnético que será usado por el bobinado del rotor para realizar su movimiento giratorio. Está formado por Carcasa Constitución general: MOTORES DC

19 Armazón : Denominado también yugo, tiene dos funciones primordiales : servir como soporte y proporcionar una trayectoria de retorno al flujo magnético del rotor y del imán permanente, para completar el circuito magnético. Imán permanente : Compuesto de material ferromagnético altamente remanente, se encuentra fijado al armazón o carcasa del estator. Su función es proporcionar un campo magnético uniforme al devanado del rotor o armadura, de modo que interactúe con el campo formado por el bobinado, y se origine el movimiento del rotor como resultado de la interacción de estos campos. Constitución general: MOTORES DC

20 Se utilizan en casos en los que es de importancia el poder regular continuamente la velocidad del eje y en aquellos casos en los que se necesita de un par de arranque elevado. Para funcionar, precisa de dos circuitos eléctricos distintos: El circuito de campo magnéticoEl circuito de campo magnético El circuito de la armaduraEl circuito de la armadura. El campo magnético (básicamente un imán o un electroimán) permite la transformación de energía eléctrica recibida por la armadura en energía mecánica entregada a través del eje. La energía eléctrica que recibe el campo se consume totalmente en la resistencia externa con la cual se regula la corriente del campo magnético. Es decir ninguna parte de la energía eléctrica recibida por el circuito del campo, es transformada en energía mecánica. La armadura consiste en un grupo de bobinados alojados en el rotor y en un ingenioso dispositivo denominado colector mediante el cual se recibe corriente continua desde una fuente exterior y se convierte la correspondiente energía eléctrica en energía mecánica que se entrega a través del eje del motor. Motor de Corriente Directa (DC):

21 Los distintos modos de conectar los arrollamientos de excitación de los motores de corriente continua constituyen la base para poder modificar ampliamente las formas de funcionamiento de estos motores. Según sea la conexión elegida, los motores reciben nombres especiales. A continuación se exponen los sistemas de excitación más utilizados en la práctica: - Excitación por Imanes Permanentes. - Excitación Independiente. - Auto excitación. - Excitación Serie. - Excitación Paralelo. - Excitación Compuesta.

22 Motor con excitación shunt, paralelo o derivación Las bobinas inductoras están conectadas en paralelo o derivación con las bobinas inducidas. A-B es el rotor (inducido) Las bobinas inductoras C-D están conectadas en paralelo con las inducidas La conexión forma un circuito en paralelo de manera que la corriente absorbida por el motor I, una parte circula por el inductor I i, y la otra por la inductora I ex Cálculos: En // I=Ii+Iex Ub=Iex·RexyUi=Ii·Ri Para calcular E’ solo hay que tener en cuenta la caida de tensión en el inducido: n=E’/k·Φ = U b - R i ·I i – U esc / k·Φ

23 AUTOEXCITACIÓN DC-SHUNT

24 Curvas características motor paralelo Motor PARALELO: En el instante del arranque el par es menor que en el serie. Ej: con 40A → 800rpm, 28 Kg·m, 95% Rt, 21kW pot. Si la I ↓ por disminución de la carga, ↑ velocidad; ej: si pasamos de 40 a 10 A, pasamos de 800 a 850 rpm. En vacío apenas varían las rpm, no hay fenómeno de aceleración. La velocidad de giro no depende de la carga. Aplicaciones: para máquinas en las que no se requiera un elevado par a pequeñas velocidades, no se produzcan grandes cargas o puedan desaparecer (vacío): pequeñas maquinas herramientas, ventiladores, bombas, …

25 Motor con excitación compound Estos motores son una combinación entre el serie y el shunt. Las bobinas inductoras quedan divididas en dos partes una está conectada en serie con el inducido y otra en paralelo. Una parte E-F se conecta en serie con las bobinas inducidas A-B, y el resto C-D en paralelo. Una parte de la intensidad I absorbida por el motor se divide en dos: una I i (que circula por la rama de el inducido y por la bobina de excitación serie E-F) y otra I ex por la bobina de excitación paralelo C-D. Par motor entre el shunt y el serie, en ↓ la I abs (la carga), las rpm ↑ pero sin peligro de aceleración. Cálculos: En // I=Ii+Iex Ub=Iex·RpUi=Ii·(Ri+Rs) Φ= Φ s + Φ p Para calcular E’ solo hay que tener en cuenta la caida de tensión en el inducido: n=E’/k·Φ = U b - I i ·(R i +R s )– U esc / k·(Φ s + Φ p )

26 3.5 Intensidad y par de arranque La intensidad de arranque Ia de un motor no ha de sobrepasar un determinado valor respecto de la intensidad nominal In o intensidad que absorbe en condiciones normales a plena carga una vez ha arrancado. Si su valor es superior → trabaja en sobrecarga Si Ia=0 → trabaja en vacío Lo mismo ocurre con el par motor en el arranque Ma, que ha de ser mas grande que el par resistente Mr, que ofrece la carga y las resistencias internas del motor. Una vez arrancado el motor y se pone a girar, se produce una aceleración (par máximo) hasta llegar al régimen nominal permanente donde el motor estabiliza su velocidad en su funcionamiento, momento en el cual M=Mr, la velocidad y la carga son ctes → el motor alcanza su punto de equilibrio. 1.5 In>5 2 In1.5-5 2.5 In0.75-1.5 Intensidad de arranque (Ia) Potencia del motor (kW)

27 3.6 Placa de características y placa de bornes La placa de características es una placa anclada sobre la carcasa donde se indican los valores nominales del motor: Pu, rpm, Ia, etc. La placa de bornes es una placa de material aislante donde hay diversos espárragos roscados (regleta o conector) denominados bornes, donde se conectan el principio y el final de las bobinas. La designación de estas está normalizada con letras según el cuadro de abajo.

28 3.7 Control de la velocidad de giro La velocidad de giro de un motor se efectúa mediante reóstatos (R variable o potenciómetro) para ajustar el M=Mr, de tres maneras: Reóstato en serie con el inducido Reóstato en el devanado inductor (serie o paralelo) para modificar el flujo magnético de excitación. Modificando la tensión de red que alimenta al motor con un reóstato de arranque conectado en serie con el inducido y utilizando un convertidor electrónico de potencia. Esta última opción es la idónea pues en las otras en el momento del arranque la Ia es elevada y puede producir un calentamiento y/o avería. Esta opción es la que menos perdidas produce, mejor ajusta la velocidad y aceleración, y garantiza la viabilidad y seguridad. Hoy en día el control de velocidad también se puede efectuar mediante conmutadores de tres salidas, dispositivos electrónicos como relés conmutador, y circuitos con microprocesadores.

29 3.8 Cambio del sentido de giro En muchas máquinas es necesario el cambio de sentido de giro, si este está en marcha se acostumbra a invertir el sentido de la corriente en las bobinas inducidas, pero no en las inductoras, si se efectúa a la vez no se modifica en sentido de giro por falta de excitación, tal cual se muestra en el gráfico de abajo. Esto se efectúa cambiando las conexiones en los distintos bornes según el tipo de motor: serie, shunt o compound. En la izquierda SI hay cambio de sentido de giro al cambiar el sentido de la corriente en las bobinas inducidas (cambia el sentido del vector I). En la derecha NO hay cambio, al cambiar el sentido a la vez en el inducido (corriente de vector I) y en el inductor (sentido del campo magnético B).

30 Motor serie (cambio de sentido): Motor shunt (cambio de sentido):

31 Motor compound (cambio de sentido): Lo normal es recurrir a la inversión del par motor, de manera que pase a funcionar en modo generador, es lo que se llama frenada eléctrica, que se puede dar de dos maneras: Frenada reostática, el motor cambia a producir EE que se deriva a un conjuntos de resistencias en paralelo con las bobinas del inducido. Frenada regenerativa, el motor cambia a producir EE que se deriva a la red de alimentación del mismo motor (ej: baterías de un coche híbrido). Esta operación se da porque la f.c.e.m. de las bobinas del inducido supera el valor de la tensión de base (red, baterías…): el motor pasa a generador y la máquina se para. Todo esto se realiza por control electrónico mediante el uso de relés y transistores. 3.9 Sistemas de paro y frenada

32 VERSIONES DEL MOTOR COMPOUND 1.- Motor Compound Acumulado:El motor compound acumulado es uno de los motores de corriente continua más común, ya que proporciona un alto par de arranque y una aceptable regulación de velocidad a altas r.p.m., además puede partir incluso con una carga pesada y da un buen funcionamiento cuando la carga varía ligeramente.

33 2.- Motor Compound Diferencial: En un motor compuesto diferencial, las fuerzas magnetomotrices del campo Shunt (en derivación) y del campo serie se restan una de otra. Esto significa que cuando la carga aumenta en el motor la corriente de armadura se incrementa y el flujo en el motor disminuye y por consiguiente la velocidad del motor aumenta. Este aumento de velocidad causa otro incremento en la carga, el cual eleva más la corriente de armadura y disminuye mas el flujo incrementando nuevamente la velocidad. Como resultado de esto, el motor compuesto diferencial es inestable y tiende a embalarse.

34 3.- Motor Compound Interpolo: El motor compound interpolo se construye de forma ligeramente diferente a los motores de compound acumulado y diferencial. La particularidad de este motor es que hay un tercer devanado conectado en serie con la armadura y devanado serie. Está físicamente situado al lado de la bobina de serie en el estator. Está hecho de alambre del mismo calibre que el devanado serie y se conecta de modo que su polaridad siga la secuencia del devanado serie y de la armadura.

35 GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA Los generadores de corriente continua son máquinas que transforman la energía mecánica en energía eléctrica. Su funcionamiento se reduce siempre al principio de la bobina giratorio dentro de un campo magnético. Si una armadura gira entre dos polos magnéticos fijos, la corriente en la armadura circula en un sentido durante la mitad de cada revolución, y en el otro sentido durante la otra mitad.

36 El campo inductor de un generador se puede obtener mediante un imán permanente (magneto) o por medio de un electroimán (dinamo). En este último caso, el electroimán se excita por una corriente independiente o por autoexcitación, es decir, la propia corriente producida en la dinamo sirve para crear el campo magnético en las bobinas del inductor. Existen tres tipos de dinamo según sea la forma en que estén acoplados el inductor y el inducido: en serie, en derivación y en combinación.

37 TIPOS DE GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA. El devanado inductor se conecta en serie con el inducido, de tal forma que toda la corriente que el generador suministra a la carga fluye por igual por ambos devanados. Dado que la corriente que atraviesa al devanado inductor es elevada, se construye con pocas espiras de gran sección. GENERADOR DE EXCITACIÓN EN SERIE

38 GENERADOR DE EXCITACIÓN COMPUESTA (COMPOUND). En el generador con excitación mixta o compuesta el circuito inductor se divide en dos partes independientes, conectando una en serie con el inducido y otra en derivación. Existen dos modalidades, la compuesta corta que pone el devanado derivación directamente en paralelo con el inducido (EAC)

39 la compuesta larga que lo pone en paralelo con el grupo formado por el inducido en serie con el otro devanado (FC).

40 GENERADOR EN DERIVACIÓN O DE EXCITACIÓN EN PARALELO ( SHUNT ) Generador shunt una máquina autoexcitada, empezará a desarrollar su voltaje partiendo del magnetismo residual tan pronto como el inducido empiece a girar. Después a medida que el inducido va desarrollando voltaje este envía corriente a través del inductor aumentando él número de líneas de fuerza y desarrollando voltaje hasta su valor normal.