Fundamentos de Maquinaria Eléctrica

Fundamentos de Maquinaria Eléctrica
©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Historia La historia se da inicio a partir del estudio de los generadores de corriente los cuales funcionan de forma contraria a los motores. Unos de los primeros descubrimientos los hace el científico H. C. Oersted entre , demostrando a interacción entre el magnetismo y la electricidad, mediante la observación del movimiento de una brújula puesta cerca de un hilo recorrido por corriente eléctrica. Esto provocó en el francés Amper, aprobar su teoría electromagnética y sobre D. F. J. Arago, la construcción del primer electroimán. Sin embargo, este pequeños uso práctico para la electricidad en ese entonces, el descubrimiento no fue utilizado. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Historia M. Faraday para 1831 publicó sus descubrimientos sobre la inducción electromagnética, lo que dio inicio a la construcción del primer generador electromagnético, llamado disco de Faraday; el cual basado en la ideas de Faraday fue construido en 1832 por Hipólito Pixii. Este invento, se caracterizaba por poseer un imán que giraba por medio de una manivela. Ubicado de tal manera que sus polos norte y sur al girar junto a un núcleo de HIERRO pasaban con un cable eléctrico enrollado.. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Historia No obstante, Pixii reveló que el imán giratorio causaba un pulso de corriente en el cable cada vez que uno de los polos pasaba junto a la bobina; cada polo inducía una corriente en sentido contrario, provocando una corriente alterna. Pero, agregándole un conmutador eléctrico situado en el mismo eje de giro del imán, llego a convirtir la corriente alterna en corriente continua. Tanto los diseños de Faraday como los de Pixii inducían picos repentinos de corriente sólo cuando los polos N o S del imán pasaban cerca de la bobina, además de que la mayor parte del tiempo no generaban nada. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Historia Fueron muchos los científicos entre capaces de tratar de inventar una maquina basada en este principio de inducción electromagnética que produjera corriente continua. Sin embargo, fue Zénobe Gramme en 1870, quien ideo un dimano capaz de producir una corriente verdaderamente continua con un dinamo de dimensiones bastante practicas. Asimismo, los primeros motores de corriente continua aparecieron en 1873, y fueron producidos por Gramme sobre el mismo esquema de sus dinamos. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Algunos de los motores eléctricos son reversibles, pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa con frenos regenerativos. Son ampliamente utilizados en instalaciones industriales, comerciales y particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministros eléctricos o a baterías. Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de ambos. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Los motores de corriente alterna y los de corriente continua se basan en el mismo principio de funcionamiento, el cual establece que si un conductor por el que circula una corriente eléctrica se encuentra dentro de la acción de un campo magnético, éste tiende a desplazarse perpendicularmente a las líneas de acción del campo magnético. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Un motor eléctrico contiene un número mucho más pequeño de piezas mecánicas que un motor de combustión interna o uno de una máquina de vapor, por lo que es menos propenso a los fallos. Los motores eléctricos son los más ágiles de todos en lo que respecta a variación de potencia y pueden pasar instantáneamente desde la posición de reposo a la de funcionamiento al máximo. Su tamaño es más reducido y pueden desarrollarse sistemas para manejar las ruedas desde un único motor, como en los automóviles. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias que transforman la energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Debido a sus múltiples ventajas, entre las que acabe de citar su economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento, el motor eléctrico ha reemplazado en gran parte a otras fuentes de energía, tanto en la industria como en el transporte, las minas, el comercio, o el hogar. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Son ampliamente utilizados en instalaciones industriales, comerciales y particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministros eléctricos o a baterías. Así, en automóviles se están empezando a utilizar en vehículos híbridos para aprovechar las ventajas de ambos. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Los motores eléctricos satisfacen una amplia gama de necesidades de servicio, desde arrancar, acelerar, mover, o frenar, hasta sostener y detener una carga. Estos motores se fabrican en potencias que varían desde una pequeña fracción de caballo hasta varios miles, y con una amplia variedad de velocidades, que pueden ser fijas, ajustables o variables. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Cuales son las ventajas de utilizar un motor?
Su economía, limpieza, comodidad y seguridad de funcionamiento, El motor eléctrico ha reemplazado en gran parte a otras fuentes de energía, tanto en la industria como en el transporte, el comercio, o el hogar. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motor de corriente continua
La conversión de energía en un motor eléctrico se debe a la interacción entre una corriente eléctrica y un campo magnético. Un campo magnético, que se forma entre los dos polos opuestos de un imán, es una región donde se ejerce una fuerza sobre determinados metales o sobre otros campos magnéticos. Un motor eléctrico aprovecha este tipo de fuerza para hacer girar un eje, transformándose así la energía eléctrica en movimiento mecánico. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Los dos componentes básicos de todo motor eléctrico son el rotor y el estator. El rotor es una pieza giratoria, un electroimán móvil, con varios salientes laterales, que llevan cada uno a su alrededor un bobinado por el que pasa la corriente eléctrica. El estator, situado alrededor del rotor, es un electroimán fijo, cubierto con un aislante. Al igual que el rotor, dispone de una serie de salientes con bobinados eléctricos por los que circula la corriente. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Cuando se introduce una espira de hilo de cobre en un campo magnético y se conecta a una batería, la corriente pasa en un sentido por uno de sus lados y en sentido contrario por el lado opuesto. Así, sobre los dos lados de la espira se ejerce una fuerza, en uno de ellos hacia arriba y en el otro hacia abajo. Sí la espira de hilo va montada sobre el eje metálico, empieza a dar vueltas hasta alcanzar la posición vertical. Entonces, en esta posición, cada uno de los hilos se encuentra situado en el medio entre los dos polos, y la espira queda retenida. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Para que la espira siga girando después de alcanzar la posición vertical, es necesario invertir el sentido de circulación de la corriente. Para conseguirlo, se emplea un conmutador o colector, que en el motor eléctrico más simple, el motor de corriente continua, está formado por dos chapas de metal con forma de media luna, que se sitúan sin tocarse, como las dos mitades de un anillo, y que se denominan delgas. Los dos extremos de la espira se conectan a las dos medias lunas. Dos conexiones fijas, unidas al bastidor del motor y llamadas escobillas, hacen contacto con cada una de las delgas del colector, de forma que, al girar la armadura, las escobillas contactan primero con una delga y después con la otra. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Cuando la corriente eléctrica pasa por el circuito, la armadura empieza a girar y la rotación dura hasta que la espira alcanza la posición vertical. Al girar las delgas del colector con la espira, cada media vuelta se invierte el sentido de circulación de la corriente eléctrica. Esto quiere decir que la parte de la espira que hasta ese momento recibía la fuerza hacia arriba, ahora la recibe hacia abajo, y la otra parte al contrario. De esta manera la espira realiza otra media vuelta y el proceso se repite mientras gira la armadura. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

El esquema descrito corresponde a un motor de corriente continua, el más simple dentro de los motores eléctricos, pero que reúne los principios fundamentales de este tipo de motores. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Circuitos Ley de Ohm Ley de Watt Ley Ohm/Watt
Voltaje(V ó E) = Resistencia(Ω) x Corriente(I) Ley de Watt Potencia ó Watt(P ó W) = Voltaje(V) x Corriente(I) Ley Ohm/Watt Potencia ó Watt = Resistencia(Ω) x Corrientes al cuadrado(I2) ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Circuitos Ley de Ohm Voltaje(V ó E) = Resistencia(Ω) x Corriente(I)

Circuitos Ley Ohm/Watt
Potencia ó Watt = Resistencia(Ω) x Corrientes al cuadrado(I2) ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

El esquema descrito corresponde a un motor de corriente continua, el más simple dentro de los motores eléctricos, pero que reúne los principios fundamentales de este tipo de motores. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores DC Los principios de funcionamiento de un motor de corriente directa (DC) basado en los conceptos fundamentales de electricidad y magnetismo se encuentran en cualquier curso de física básica. El motor DC se utiliza como un ejemplo concreto para revisar los conceptos de campos magnéticos, magnéticos fuerza, Ley de Faraday y la fuerzas electromotriz (emf) inducida que se utilizarán a lo largo del resto de las máquinas eléctricas. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores DC -Fuerza Magnética
Motores funcionan sobre el principio básico que obliga a producir campos magnéticos en cables llevando una corriente. De hecho, este fenómeno experimental es lo que se utiliza para definir el campo magnético. Si uno coloca un alambre con corriente entre los polos de un imán, se ejerce una fuerza sobre el cable. Experimentalmente, resulta para ser proporcional a la magnitud de esta fuerza la cantidad de corriente en el cable y la longitud del cable que es entre los polos del imán. Es decir, la Fuerza magnética es proporcional al largo y corriente. La dirección del campo magnético B en cualquier momento se define como la dirección de una pequeña aguja de brújula, apuntando a esa dirección. Esta dirección está indicada por las flechas entre los polos norte y sur. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Con la dirección de B perpendicular al alambre, la fuerza (magnitud) del campo de inducción magnética B se define como Donde fmagnética es la fuerza magnética, es el actual y l es la longitud de alambre perpendicular al campo magnético que lleva la corriente. Es decir B es la constante de proporcionalidad para que ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

La dirección de la fuerza puede determinarse mediante la regla de la mano derecha . Concretamente, utiliza la mano derecha, apuntan los dedos en la dirección del campo magnético y el pulgar el punto en la dirección de la corriente. La dirección de la fuerza sale de la palma mano. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motor simple Como un primer paso para un motor de corriente continua, en un motor simple se considera como se produce el Torque y como se puede revertir la corriente que fluye a través de el, tan solo que en cada media vuelta revertimos su conmutador y así mantenemos un Torque constante. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

A fin de aumentar la fuerza del campo magnético en el espacio entre el hierro, el imán permanente puede sustituirse con un material de hierro suave con alambre alrededor de la periferia del material magnético. Esto se conoce como el devanado de campo y la corriente que pasa se llama la corriente del campo. En operación normal, la corriente del campo se mantiene constante. La fuerza del campo magnético en el (gap) espacio entre hierro es entonces proporcional a la corriente del campo (if ) a menor nivel de corriente al (es decir, B= Kfif) y entonces se satura como los actuales aumentos. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Conmutación del Motor simple o única vuelta La derivación para el Torque τm = KTi asumiendo que la corriente esta en el lado del rotor bajo la cara del Polo Sur en la página y la corriente en el lado de la cara del Polo Norte hacia fuera de la página como en la figura. Para hacer esta suposición válida, la dirección de la corriente en la vuelta debe cambiarse cada vez que el rotor voltee o pase por la vertical. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos El motor eléctrico es un compuesto de piezas electromecánicas bien organizadas y bien delineadas, con la capacidad de convertir, energía eléctrica en energía mecánica. Apoyándose en el principio descubierto por Orstedt, Faraday construyó en 1821 el primer prototipo de un motor eléctrico. Aunque este motor no era un modelo de utilidad funcional, dejaba ver los principios de rotación que son necesarios para su construcción. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Para entender la teoría de los motores de corriente directa, necesitamos cubrir los principios fundamentales del movimiento del flujo magnético, los campos electro-magnéticos y el comportamiento de la corriente eléctrica en estos circuitos. Entre los campos de un electro magneto, existen dos polos, uno llamado polo norte y otro llamado polo sur. El movimiento de líneas magnéticas entre los dos polos es llamado, flujo magnético. El flujo magnético se mueve desde el polo norte hasta el polo sur. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Comportamiento de la corriente en los Motores Eléctricos
Ahora consideremos un conductor eléctrico con una corriente fluyendo a través de su estructura atómica. Un campo magnético se creará alrededor del conductor, como se muestra en este esquema. El campo magnético será proporcional, a la cantidad de corriente que este fluyendo a través del conductor y cambiará de dirección si la corriente cambia su dirección. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Comportamiento de la corriente en los Motores Eléctricos

Motores Eléctricos Regla de la mano izquierda para conductores
Michael Faraday, estableció la regla de la mano izquierda para determinar la dirección del campo magnético en un conductor eléctrico. Si tomamos el conductor con la mano izquierda, de modo que el dedo pulgar apunte hacia la trayectoria de la corriente en el circuito, los dedos restantes de la mano al cerrar, indicaran la dirección del flujo magnético alrededor del conductor. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Fíjese bien: La corriente fluye en una dirección cuando sale del lado negativo, y regresa en dirección contraria por el lado positivo. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Si aplicamos la regla de la mano izquierda aquí, se vera claramente que el campo magnético en ambos lados del conductor también es opuesto. Cuando este conductor de corriente es colocado entre los polos de un sistema, ambos campos magnéticos se distorsionan y el conductor va a tener la tendencia de moverse hacia arriba en un lado y hacia abajo en el otro, causando un efecto de rotación. La fuerza ejercida hacia arriba, depende de la fuerza del campo electromagnético entre los polos y de la cantidad de corriente moviéndose en el circuito. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos La fuerza ejercida hacia arriba, depende de la fuerza del campo electromagnético entre los polos y de la cantidad de corriente moviéndose en el circuito. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Regla de 1a mano derecha para motores eléctricos
Un método simple para determinar la dirección de este movimiento, se le conoce como la regla, de la mano derecha, para motores eléctricos ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Si el dedo índice apunta hacia la dirección del flujo magnético. 2. El dedo medio al doblar apunta hacia la dirección del movimiento de la corriente a través del conductor. 3. El dedo pulgar estará apuntando hacia la dirección de la rotación del conductor. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Para construir los polos electromagnéticos en los motores, se seleccionan materiales Ferromagnéticos que tengan una excelente permeabilidad. La imantación del hierro fue explicada por Ampere en la siguiente forma: En este tipo de material, el campo magnético exterior podría orientar las corrientes elementales paralelamente, de modo que al desaparecer este efecto magnético, quedarían ordenadas como en un imán. Cada electrón efectúa una especie de rotación en torno a sí mismo e induce al próximo electrón a alinearse con el, ambos contribuyen al magnetismo del átomo y todos los átomos juntos al magnetismo del material. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos El conmutador.
Observe que la corriente del conductor está en ángulo recto con el campo magnético. Esto es requerido para iniciar el movimiento de rotación en un motor DC. Ninguna fuerza será percibida por el conductor si la corriente y la dirección del campo magnético están paralelas. Como mencionamos anteriormente, cuando la armadura esta localizada de tal modo que se encuentre en ángulo recto con respecto al campo magnético y el flujo de los electrones, se ejerce una fuerza de rotación. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Arreglo de las bobinas, escobillas y conmutador
Un dispositivo llamado conmutador o devanado, con dos escobillas estacionarias, una alimentada con corriente positiva, y otra alimentada con corriente negativa proveen corriente a los segmentos de la armadura. Las escobillas siempre están alimentando un grupo de bobinas. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Partes que componen un motor DC

Motores Eléctricos Partes que componen un motor DC El estator
Es la parte del motor que permanece estacionaria y contiene en su interior los campos o polos. El rotor o armadura Forma una sola pieza conjuntamente con el devanado o conmutador. Las escobillas Son el medio para interconectar el embobinado de la armadura con la fuente de voltaje DC. Los casquillos o cajas de bolas Es el soporte donde gira y se centraliza el eje del rotor. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Partes que componen un motor DC El abanico
Esta montado en el eje del rotor, usualmente atrás. Se usa para bajar la temperatura operacional en el interior del motor. Los campos Estos son los que comúnmente llamamos polos, una vez reciben corriente, se transforman en unos potentes electroimanes y cambian constantemente su polaridad de norte a sur. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Diferentes combinaciones en los motores DC
Hay tres tipos de combinaciones conocidas para motores DC: 1. El arreglo serie. 2. El arreglo “shunt” 3. El arreglo compuesto. Externamente son prácticamente iguales. La diferencia entre ellos es la manera como el embobinado de campo y el embobinado de la armadura están colocados en el sistema. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos El arreglo serie, tiene los embobinados de campo formados por unas pocas vueltas de alambre grueso, combinados en serie con la armadura. Es también llamado motor universal debido a que puede ser utilizado en aplicaciones de voltaje DC como en aplicaciones de voltaje AC. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos Tiene un torque de arranque alto y características de velocidad variable. El motor puede arrancar cargas pesadas, pero la velocidad va a incrementarse en la medida que la carga disminuya. Este motor es muy utilizado para herramientas y utensilios de cocina eléctricos. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos El arreglo “shunt” (Derivación)
Las bobinas del motor derivación están compuestas por muchas vueltas de conductor delgado, conectadas en paralelo con la armadura. Este motor posee un torque de arranque mediano y la velocidad no se afecta directamente por la variación en la carga. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

Motores Eléctricos El arreglo compuesto.
El motor compuesto combina características de ambos, motores serie y motores derivación. Un motor compuesto tiene un torque de arranque alto y buenas características de velocidad. Este arreglo esta formado por dos bobinas independientes, una esta conectada en serie con la armadura y otra en paralelo con la armadura y la bobina serie. Se les cambia la rotación, invirtiendo la posición de A1 y A2 o intercambiando la posición de los terminales positivo y negativo. ©2011 by Ing. Egberto Hernández All right reserved

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