Producción de corriente alterna en una espira giratoria

En una espira que gira dentro de un campo magnético, se produce corriente alterna. Cada terminal de la espira se conecta a un anillo metálico conductor, donde dos escobillas recogen la corriente inducida y la suministran al circuito exterior. Para determinar el sentido de la corriente inducida, se aplica la regla de los tres dedos.

Rectificación de la corriente mediante el colector de delgas

Para obtener corriente continua (C.C) a partir de corriente alterna (C.A) en un generador, se utiliza el colector de delgas. Este componente consta de dos semianillos conductores aislados entre sí, donde se conectan las escobillas que recogen la corriente. La corriente en la espira es alterna, pero el colector rectifica esta corriente, convirtiéndola en continua. La corriente continua resultante presenta variaciones, pero se puede obtener una corriente más lineal utilizando más delgas y espiras.

Devanado de compensación

En máquinas de gran potencia, se coloca un devanado compensador en las ranuras de los polos principales para eliminar las distorsiones del campo magnético. Este devanado se conecta en serie con el de conmutación y el inducido.

Partes de una dinamo

Las partes fundamentales de una dinamo son el inductor, el inducido y el colector.

• Inductor: Es fijo y se sitúa en el estator. Está formado por un electroimán con dos polos magnéticos en máquinas bipolares y varios pares de polos en las multipolares.
• Inducido: Es móvil y se sitúa en el rotor. Está compuesto por un núcleo magnético cilíndrico formado por chapas magnéticas apiladas.
• Colector: Está formado por láminas de cobre que permiten conectar los diferentes circuitos del inducido. La corriente se recoge en el colector mediante dos contactos deslizantes de grafito.

Circuito magnético de una dinamo

Las líneas de fuerza del campo magnético inductor se cierran a través de las piezas polares del electroimán, el inducido y la carcasa de la dinamo. Las líneas de fuerza discurren por un pequeño espacio no ferromagnético entre las piezas polares, llamado entrehierro, que debe ser reducido al máximo.

Reacción del inducido

En el inducido se crea un flujo magnético que interactúa con el flujo del inductor, causando problemas de chispas en las escobillas. Para mitigar este problema, existen dos soluciones:

• Desviación de escobillas: La desviación depende de la intensidad de la corriente.
• Polos de conmutación: Crean un campo que compensa el campo inducido, siendo el método más efectivo.

Excitación de los inductores

El inductor se alimenta mediante:

• Excitación independiente: El electroimán se alimenta de una fuente externa (batería).
• Autoexcitación: Puede ser por derivación, serie o compound.

Principio de funcionamiento de un motor

Se basa en las fuerzas que aparecen en los conductores recorridos por corrientes eléctricas y sometidos a la acción de un campo magnético. Los polos magnéticos del imán en el estator producen el campo magnético inductor. Para cambiar el sentido de giro, se invierte el sentido de la corriente en el rotor, manteniendo fijo el campo magnético inductor.

Constitución de un motor de C.C.

Un motor de corriente continua (C.C.) tiene la misma constitución que un generador de C.C. y puede funcionar como motor o generador. Consta de tres partes principales:

1. Circuito inductor.
2. Circuito inducido.
3. Colector de delgas con escobillas.

Reacción del inducido en un motor

Al pasar por el inducido del motor, se desarrolla un campo magnético transversal que desvía el campo principal inductor, produciendo chispas en el colector. Para reducir este efecto, se utilizan polos de conmutación conectados en serie con el inducido, invirtiendo la polaridad de la corriente en ambos.

Rendimiento de un motor

La potencia se pierde debido al efecto Joule en los conductores, rozamientos en los rodamientos y la ventilación, y por histéresis y corrientes parásitas. El rendimiento indica la relación porcentual entre la potencia útil del motor y la potencia total o eléctrica.

Par motor

El par de rotación se obtiene del producto de la fuerza por el radio. También se puede expresar como la relación entre la potencia útil desarrollada en el rotor y su velocidad angular. Es proporcional a la corriente del inducido y al flujo del campo magnético inductor.

Conexión de los motores de C.C.

Motor con excitación independiente

• Fácil regulación de velocidad.
• Características de funcionamiento similares al motor shunt.

Motor con excitación shunt

• Incluye un reóstato para limitar la corriente de arranque y otro para regular el campo magnético del inductor.
• La velocidad es prácticamente constante en cualquier régimen de carga.
• Las máquinas de alta potencia llevan devanado de compensación.
• Fácil regulación de velocidad.
• El par es directamente proporcional a la corriente del inducido.
• Aplicación: máquinas herramientas.

Motor con excitación serie

• Suele llevar reóstato de arranque.
• Par muy elevado en el arranque.
• Peligroso su funcionamiento en vacío, se embalan.
• Utilizados para tracción de trenes y tranvías.
• Regulación de velocidad mediante reóstato en paralelo con el devanado de excitación.

Motor con excitación compound

• Devanado de excitación en dos partes, una serie y otra en paralelo.
• No se embalan.
• Velocidad estable con la carga, aunque varía ligeramente.
• Mejor par de arranque que los motores shunt.
• Aplicación: dispositivos de elevación.

Regulación y control de motores C.C.

Los reóstatos ya no se utilizan comúnmente para la regulación de motores C.C. Los reguladores modernos controlan el punto de funcionamiento del motor, ajustando las variables con máxima efectividad. En el arranque, el equipo proporciona automáticamente los valores de tensión y corriente requeridos. La evolución de la electrónica permite la fabricación de variadores de velocidad para motores de C.A. a precios competitivos.

Principio de funcionamiento del alternador

Su funcionamiento se basa en la inducción electromagnética. Al girar conductores en un campo magnético, se produce una fuerza electromotriz (f.e.m.) inducida de carácter senoidal, que se conecta a un circuito exterior mediante anillos colectores y escobillas. En la práctica, es más eficiente hacer girar las piezas polares del campo magnético (inductor) y dejar fijos los conductores (inducido).

Constitución de un alternador de inducido fijo

El alternador consta de un circuito inductor y un circuito inducido.

Circuito inductor

Está formado por electroimanes con polos de polaridad norte en número par. La alimentación de los devanados del inductor se realiza con C.C. mediante anillos colectores y escobillas. Para generar el campo magnético, se puede utilizar:

• Una dinamo excitatriz acoplada al eje del alternador, con autoexcitación shunt y un reóstato de regulación.
• Un alternador auxiliar acoplado al eje del alternador, con un puente rectificador trifásico que elimina la necesidad de colectores y escobillas.

Circuito inducido

Está formado por tres bobinas situadas a 120º entre sí, alojadas en un núcleo cilíndrico hueco de chapas magnéticas. La conexión suele ser en estrella, con el neutro conectado a tierra. Cada fase del inducido se compone de varias bobinas para sumar las f.e.m.

Frecuencia del alternador

Para producir una C.A. de frecuencia fija, el alternador debe girar a una velocidad constante, conocida como velocidad síncrona. La frecuencia es directamente proporcional a la velocidad del alternador y al número de pares de polos del circuito inductor.

Acoplamiento de alternadores

.Cuando se desea aumentar la potencia, se acoplan en paralelo varios alternadores. También a la red eléctrica con el fin de aportar energía eléctrica al sistema de producción. Para realizar el acoplamiento es necesario estas condiciones:a) Las tensiones de los alternadores a acoplar debe ser igual.b) La frecuenciade los alternadores también debe ser la misma.c) El orden de sucesión de fases de los alternadores debe ser igual.d) En el momento de la conexión las tensiones de los alternadores deben estar en fase. Para conseguirlo se actúa sobre la velocidad y corriente de excitación de los alternadores. ..Deben funcionar a una velocidad constante para mantener la frecuencia a un valor constante. Cuando se exige más potencia al alternador, este reacciona dando una mayor resistencia al movimiento y tiende a perder velocidad. Si la velocidad desciende se pierde el sincronismo, y habría que desconectarlo. Para evitarlo se usa un sistema automático de regulación de velocidad. El alternador también tiene que proporcionar mucha potencia reactiva, por eso se tiene que incorporar un sistema que controla la corriente de excitación del inductor, aumentándola y eso produce una mayor potencia reactiva. EL MOTOR ASINCRONO TRIFASICO Son los mas utilizados en la industria por su sencilles, robustez y fácil mantenimiento. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR ASINCRONO TRIFASICO Cuando el iman se pone en movimiento, las líneas de campo que atraviesan el disco, también se ponen en movimiento, en el disco de produce un fem. Según la ley de laplace se originan en el disco un par de fuerzas que ponen el disco en movimiento. El disco nunca puede alcanzar la misma velocidad de giro que el iman, ya que si esto ocurriese, el movimiento relativo de ambos se anularía y el campo magnetico dejaría de ser variable respecto al disco, por lo que desaparecería la fem inducida, la corriente y con ellas los par de fuerzas. CAMPO MAGNETICO GIRATORIO Tres bobinas desfasadas entre si 120 º, cada una de estas bobinas se conecta a cada una de las fases de un sistema trifásico. MOTOR ASINCRONO TRIFASICO DE ROTOR EN CORTOCIRCUITO En el estator de estos motores se colocan las bobinas encargadas de producir el campo magnetico giratorio. Las tres bobinas quedan desfasadas entre si 120 º eléctricos, y los 6 terminales se conectan a la placa de conexiones, pudiéndose conectar posteriormente en etrella o triangulo..El rotor es cilíndrico y en el se situan conductores de aluminio alojados en las ranuras del nucleo y cortocircuitados por sus extremos mediante anillos conductores, se le da el nombre de jaula de ardilla. Los conductores del rotor, que en un principio esta parado, son barridos por el campo magnetico giratorio, por lo que se induce en ellos un fem. La velocidad del rotor nunca puede alcanzar a la del campo giratorio, ya que de ser estas iguales no se induciría tensión alguna en el rotor. El deslizamiento de un motor varia con la carga mecánica que tenga que arrastrar. La Corriente inducida produce un aumento del par, con el la carga en el motor y aumenta tamben el deslizamiento. El arranque produce un fuerte corriente y un fuerte par de arranque. La aceleración y la carga tan pronto como empieza a circular corriente por el rotor parado, esta empieza a girar con un movimiento acelerado y en el mismo sentido que el campo giratorio. CARACTERISTICA MECANICA DE UN MOTOR ASINCRONO TRIFASICO La característica del motor nos indica la relaccion entre el par del motor y su velocidad, el par esta relaccionado con la velocidad del rotor. MOTOR ASINCRONO DE ROTOR BOBINADO O DE ANILLOS ROZANTES El estator posee las mismas características que el rotor en cortocircuito , pero el rotor se construye insertando un devanado trifsico en las ranuras de un nucleo cilíndrico de chapas magneticas. Unas escobillas frotan estos anillos y permiten conectar unas resistencias externas en serie con el fin de poder limitar la corriente retorica. Tiene la ventaja de que no es necesario disminuir la tensión la tensión en el estator para disminuir el flujo y, con el, la corriente retorica, siempre trae consigo una reducción del par motor. El arranque se hace en sucesivos escalones, obteniendo un arranque con corriente suave en el estator con un buen par de arranque. Inconveniente que son mas caros y necesitan un mayor mantenimiento. MOTORES MONOFASICOS La C.A trifásica no siempre esta disponible En todas las instalaciones eléctricas. Dada la sencillez, robustez, bajo precio, y aausencia de chispas, son de gran aplicación para pequeños electrodomésticos, la tendencia es utilizar un motor universal. En cualquier caso, la utilización de motores monofásicos será factible para aplicaciones de pequeña potencia. MOTOR MONOFASICO DE INDUCCION DE ROTOR EN CORTOCIRCUITO Es igual que los trifásicos tienen un rotor de ardilla y un estator donde están los devanados, su principio de funcionamiento es similar a los asíncronos trifásicos .Si en el estator situamos un bobinado monofásico y lo sometemos a una tensión alterna senoidal, el campo magnetico que se obtiene no es giratorio. Los conductores del rotor desarrollan primero un par de fuerzas en un sentido y cuando cambia el flujo magnetico desarrollan el par de fuerzas en sentido contrario, no consiguiendo asi poner en marcha el motor. Si en estas condiciones empujamos el rotor manualmente en uno de los sentidos, coseguiremos desplazar el eje del campo magnetico del rotor y el motor comenzara a girar hasta alcanzar su velocidad nominal.