CALCULO DE LA FUERZA ELECTROMAGNÉTICA SOBRE UN CONDUCTOR.
CALCULO DE LA FUERZA ELECTROMAGNÉTICA SOBRE UNA ESPIRA.
Partes del motor DC.
Bobinados de motor DC.
Devanado Inductor.
Devanado Inducido.
• En algunas máquinas de c.c. el inductor es de imanes permanentes, por lo que carecen de devanado inductor.
• Además de los devanados inductor e inducido, las máquinas de corriente continua pueden poseer otros devanados: de compensación y de conmutación, que se conectan en serie con el inducido.
• El devanado de compensación
Se aloja en ranuras longitudinales practicadas en las zapatas polares (en el lado que mira al entrehierro). Su misión es anular la reacción de inducido; es decir, el campo magnético creado por la corriente que circula por el inducido.
• El devanado de conmutación
Es el devanado de los polos auxiliares o de conmutación que se colocan en el estator a mitad de camino entre dos polos inductores. La misión de este devanado es mejorar la conmutación en el colector de delgas.
• Si la máquina carece de devanado de compensación se aumenta el número de espiras del devanado de conmutación para que también sirva para compensar la reacción de inducido.
Velocidad angular.
Principio de Funcionamiento del motor DC
Como todos los motores eléctricos, su funcionamiento se basa en las fuerzas que aparecen en los conductores cuando son recorridos por corrientes eléctricas y, a su vez, están sometidos a la acción de un campo magnético.
En la figura se ha representado el aspecto de un motor de corriente continua elemental. Los polos magnéticos del imán, situados siempre en el estator, son los encargados de producir el campo magnético inductor. La espira, que se ha situado en el rotor, es recorrida por una corriente continua que se suministra a través de un anillo de cobre cortado por la mitad (colector de delgas). Las dos mitades se aíslan eléctricamente y se sitúan sobre ellas unos contactos deslizantes de carbón (escobillas), de tal forma que la corriente aplicada por la fuente de alimentación pueda llegar a los conductores del rotor.
Como las corrientes que circulan por ambos lados de la espira son contrarias, al aplicar la regla de la mano izquierda, podemos comprobar que aparecen fuerzas también contrarias en cada lado activo de la espira, lo que determina un par de giro. Para que el sentido de giro sea siempre el mismo, el par de fuerzas siempre deberá actuar en el mismo sentido. En el caso de que los conductores de la espira girasen hasta enfrentarse con el polo contrario, con el mismo sentido de corriente que en la anterior posición, la fuerza se invertiría de sentido y la espira no establecería nunca una revolución. Con el colector de delgas se resuelve este problema, haciendo que la corriente siempre circule en el mismo sentido respecto al campo magnético (obsérvese cómo el colector consigue ir conmutando los circuitos de ambos lados activos de la espira cada media vuelta)
Para conseguir que el motor gire en uno u en otro sentido hay que lograr invertir el sentido del par de fuerzas. Esto se consigue invirtiendo el sentido de la corriente del rotor y manteniendo fijo el campo magnético inductor.
La constitución de motor de C.C. es exactamente igual que la de un generador de corriente C.C. (dinamo). Esta máquina es reversible y, por lo tanto, puede funcionar indistintamente como motor o como generador.
Como hemos podido comprobar en el motor elemental, se necesitan tres partes fundamentales para su funcionamiento: un circuito que produzca el campo magnético (circuito inductor), un circuito que al ser recorrido por la corriente eléctrica desarrolle pares de fuerza que pongan en movimiento el rotor (circuito inducido) y un colector de delgas con escobillas.
Al igual que ocurría con el generador de C.C., al pasar la corriente por el inducido del motor se desarrolla un campo magnético transversal que desvía de su posición original al campo principal inductor, produciéndose el fenómeno conocido de chispas en el colector. Para reducir el efecto perjudicial de la reacción del inducido también se utilizan polos de conmutación conectados en serie con el inducido. En el caso de querer invertir el sentido de giro del motor, se invierte tanto la polaridad de la corriente por el inducido como la de los polos de conmutación.
En el caso de optar por la desviación de las escobillas, habrá que hacerlo en sentido contrario al giro del motor.
Características de los motores de C.C.
Cuando la corriente recorre los conductores del inducido de un motor de corriente continua, se produce un par de giro en el rotor, lo que da lugar a que el motor, en un proceso de arranque, empiece a acelerarse hasta alcanzar sus revoluciones nominales. La corriente que aparece en el inducido dependerá, sobre todo, de la fuerza contra electromotriz que se desarrolle en el inducido del motor.
Fuerza contraelectromotriz
Cuando el motor gira, impulsado gracias al par de giro desarrollado por los conductores del inducido cuando son recorridos por una corriente, dichos conductores cortan en su movimiento a las líneas de campo magnético del inductor, lo que hace que se induzca en ellos una fuerza electromotriz (es corno si el motor se comportase como un generador de C.C. cuando gira). El sentido de dicha fuerza electromotriz es tal que, según la ley de Lenz, tiende a oponerse a la causa que la produjo. Es decir, a la corriente del inducido y a la tensión aplicada al motor.
Esta f.e.m., llamada fuerza contraelectromotriz (f.c.e.m.), produce un efecto de limitación de la corriente del inducido.
El valor de la fuerza contraelectromotriz se calcula exactamente igual que la f.e.m. de una dinamo:
E = K, N
La fuerza contraelectromotriz es proporcional al flujo inductor y al número de revoluciones del motor.
Corriente del inducido
Cuando el motor trabaja en vacío, el par motor originado por los conductores del inducido provoca un aumento de la velocidad del rotor debido a la poca resistencia que encuentra. Este aumento de velocidad produce, a su vez, una mayor f.c.e.m. que limita la corriente del rotor a valores de corriente de vacío. Cuando el motor arrastra una carga mecánica, la velocidad tiende a decrecer, con lo cual disminuye la fc.e.m. y la corriente aumenta, elevándose con ella el par de fuerzas.
La corriente que el motor absorbe depende del trabajo mecánico que tenga que realizar.
Para determinar el valor de esta corriente aplicamos la ley de Ohm y la segunda ley de Kirchhoff:
Ii= Corriente del inducido (A).
UL = Tensión de línea aplicada al inducido (V).
E = f.c.e.m. (V).
2Ue = Caída de tensión de las escobillas (V).
ri= Resistencia del inducido (Ohmios).
Corriente absorbida en el arranque
En el primer momento de arranque de un motor, el rotor está parado y, por tanto, la f.c.e.m. es nula. La corriente solo queda limitada por la pequeña caída de tensión de las escobillas, que suele ser del orden de 2 V, y por la pequeña resistencia del inducido (menor que 1 Ohmio).
La corriente absorbida por el motor en el arranque es muy elevada.
Cuando se conecta el motor directamente a la red, este absorbe una intensidad muy fuerte de la línea en el momento del arranque, lo que puede afectar no solo a la duración de los aparatos de conexión, sino a las líneas que suministran energía eléctrica. Estas fuertes corrientes sobrecargan las líneas de distribución, por lo que pueden producir caídas de tensión y calentamiento en los conductores de dichas líneas. Por esta razón, los motores de potencia superior a 0.75 kW deben estar provistos de reóstatos de arranque.
En un motor de corriente continua es muy simple limitar la corriente hasta valores aceptables, intercalando resistencias adicionales en serie con el inducido, tal como se muestra en la figura:
Par electromagnético.
En los conductores del rotor de un motor aparecen una serie de fuerzas de origen electromagnético que producen un par de fuerzas M. Este par interno de encarga de hacer girar el rotor con la carga mecánica a mover.
El Par de rotación se obtiene del producto de la fuerza por el radio.
M = F.r
M = Par en newtons.metro (Nm)
F = Fuerza en newtons (N).
r = Radio en metros (m).
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