..un circuito magnético simple, constituido por dos columnas y dos culatas, en el que han sido arrollados dos circuitos eléctricos:

- Uno, constituido por una bobina de N1 espiras, es conectado a la fuente de corriente alterna y recibe el nombre de primario.

- Otro constituido por un bobinado de N2 espiras, permite conectar a sus bornes un circuito eléctrico de utilización (la carga) y recibe el nombre de secundario.

Al alimentar el bobinado primario con una fuente de voltaje alterno, por él (el bobinado) circulará una corriente eléctrica alterna (I1), que produce una fuerza magnetomotriz que causa que se establezca un flujo de líneas de fuerza alterno (Ф1) en el circuito magnético del transformador.

El flujo Ф1 al estar canalizado en el núcleo, induce en las espiras del bobinado secundario una fuerza electromotriz (E2).

Las espiras del bobinado primario también están en la influencia del Ф1. por lo tanto en ellas se va a inducir una fuerza contraelectromotriz (E1), que se opone al voltaje de alimentación, dando como resultado una disminución de la intensidad de corriente I1

Cuando se le aplica carga (R) al bobinado secundario, circula por él la intensidad de corriente I2, la cual produce el flujo magnético Ф2, opuesto al Ф1, por lo tanto reduce el flujo resultante en el núcleo dando como resultado que la fuerza contraelectromotriz disminuya y la intensidad de corriente I1 aumente.

Se observa como un aumento de la corriente en el secundario (I2) provoca un aumento de la corriente en el primario (I1), sin que exista conexión eléctrica entre ambos bobinados.

Dado que la fuerza contraelectromotriz es directamente proporcional al flujo inductor (Ф1), al disminuir éste, por la contraposición del Ф2, se da un incremento en la corriente I1.

Funcionamiento:Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las variaciones

de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable dependiendo de la frecuencia de la corriente. Este campo magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario.

TRANSFORMADOR.

Un transformador transfiere energía de un circuito a otro conservando la frecuencia, y esto lo hace bajo el principio de inducción electromagnética.

ELEMENTOS QUE CONSTITUYEN UN TRANFORMADOR.Bobinado: El bobinado donde se conecta la corriente de entrada se denomina primario,

y el bobinado donde se conecta la carga útil, se denomina secundario.

Aislantes:La clasificación de los materiales aislantes para máquinas eléctricas con relación a su

estabilidad terminal, cubre básicamente siete clases de materiales aislantes que se usan por lo general y que son los siguientes:

Clase Y.Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales, tales como

algodón, seda y papel sin impregnar.Clase A.Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como el

algodón, sed ya papel con alguna impregnación o recubrimiento o cuando se sumergen en dialécticos líquidos tales como aceite. Otros materiales o combinación de materiales que caigan dentro de estos límites de temperatura, pueden caer dentro de esta categoría.

Clase E.Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales que por

experiencia o por pruebas, pueden operar a temperaturas hasta de 5 oC, sobre el temperatura de los aislamientos Clase A.

Clase B.Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como la

única, fibra de vidrio, asbestos, etc. con algunas substancias aglutinantes, pueden haber otros materiales inorgánicos.

Clase F.Este aislamiento consiste en materiales o combinaciones de materiales tales como mica,

fibra de vidrio, asbesto, etc., con sustancias aglutinables, así como otros materiales o combinaciones de materiales no necesariamente inorgánicos.

Clase H.Este aislamiento consiste de materiales tales como el silicón, elastómetros y

combinaciones de materiales tales como la mica, la fibra de vidrio, asbestos, etc., con sustancias aglutinables como son las resinas y silicones apropiados.

Clase C.Este aislamiento consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como la

mica, la porcelana, vidrio, cualzo con o sin aglutinantes.Núcleo De Circuito Magnético:

El núcleo constituye el circuito magnético que transfiere la energía de un circuito a otro y su función principal es la de conducir el flujo magnético. Esta construido por laminaciones de acero al silicio (4%) de un grueso del orden de 0.355 mm de espesor con un aislante de 0.0254 mm.

Boquillas:La boquilla permite el paso de la corriente a través del transformador y evita que haya

un escape indebido de corriente y con la protección contra flameo.Manómetro:

Es un aparato de medida que sirve para medir la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados. Existen, básicamente, dos tipos: los de líquidos y los de

Tanque Conservador:

Tanque con nitrógeno presurizado que se usan en los transformadores de potencia para mantener una presión positiva dentro del mismo y evitar la posible entrada de humedad con los cambios de temperatura.gases. Constitución.Núcleo.Columnas.Culatas.Transformadores acorazados y transformadores de columnas.Chapas magnéticas.Devanados.Alta y Baja.Concéntricos o alternados.Refrigeración.Seco.Baño de aceite. (Depósito de expansión). Pirelanos prohibidos. Ahora aceite desiliconas.Radiadores para potencias grandes (más de 200kVA).

Aislantes y Otros.Aisladores pasantes. (pasa-tapas o pasa-muros).Relé de gas (relé Buchholtz), para detectar el aceite vaporizado en lostransformadores de gran potencia.Designaciones.Alta: A, B, C.Baja: a, b, c.Puntos homólogos: Dos puntos () situados en uno de los extremos de cadabobina.Si la tensión en el primario es más positiva en el extremo que tiene el puntoque en el que no lo tiene, entonces, la tensión en el secundario es tambiénmás positiva en el extremo punteado.Si la corriente en el primario entra en el transformador por el extremopunteado, en el secundario la corriente saldrá del transformadorprecisamente por el extremo donde se sitúa el punto.(Es decir, se ha tomado el criterio de transporte de energía: lo que entra porun lado sale por otro.)

Placa de características:Potencia nominal.Tensiones nominales.Frecuencia e impedancia equivalente en tanto por ciento, o caída de tensiónrelativa de cortocircuito.Tensiones de las derivaciones (si las hay)Esquema de conexión interna.Tipo de transformador, clase de refrigerante, fabricante, serie, código, etc.

2.1.3. Principio de funcionamiento.

El principio de funcionamiento es muy simple. A uno de los devanados se aplicauna tensión, la cual da lugar a una corriente, que a su vez origina un flujo magnético enel núcleo. Ese flujo magnético inducirá tensiones en los devanados primario ysecundario según la ley de ind ucción de Faraday:La relación de espiras de cada devanado fijará la relación entre la tensión deentrada y salida del transformador. La tensión de entrada es la de alimentación, y la desalida:

En el núcleo se establece un circuito magnético alimentado por las corrientes deprimario y secundario, y que según la reluctancia del material magnético, dará lugar aun flujo total:Suma de F.m.m.(N1I1+ N2I2) = flujo x reluctancia.

Si la reluctancia es muy pequeña, se tendrá que la suma de fuerzasmagnetomotrices es prácticamente nula, con lo cual las corrientes resulta que están enrelación inversa a las tensiones.I INN 2 112

Estas relaciones son coherentes energéticamente, dado que aseguran que lapotencia que entra al transformador coincide con la que sale (transformador ideal o sinpérdidas).

Circuito equivalente del transformador monofásico.Para explicar el principio de funcionamiento del transformador se ha supuestouno ideal. Es decir: reluctancia nula, pérdidas eléctricas y magnéticas (parásitas y porhistéresis) nulas, corriente de magnetización nula, flujos de dispersión nulos.Intentaremos ahora considerar todos estos aspectos de un transformador real.En la figura se representa un esquema más realista de un transformador. En él semuestran los flujos de dispersión de primario y secundario, además del flujo común.También se muestran las resistencias óhmicas propias de los devanados R1 y R2. Estasresistencias, son las propias de los devanados, y se han situado como si estuvieran fuerade las bobinas

Transformadores

El transformador es un dispositivo eléctrico que consta de una bobina de cable situada junto a una o varias bobinas más, y que se utiliza para unir dos o más circuitos de corriente alterna (CA) aprovechando el efecto de inducción entre las bobinas. La bobina conectada a la fuente de energía

se llama bobina primaria. Las demás bobinas reciben el nombre de bobinas secundarias. Un transformador cuyo voltaje secundario sea superior al primario se llama transformador elevador. Si el voltaje secundario es inferior al primario este dispositivo recibe el nombre de transformador reductor. El producto de intensidad de corriente por voltaje es constante en cada juego de bobinas, de forma que en un transformador elevador el aumento de voltaje de la bobina secundaria viene acompañado por la correspondiente disminución de corriente.

Transformadores de potencia :

Son grandes dispositivos usados en los sistemas de generación y transporte de electricidad y en pequeñas unidades electrónicas. Los transformadores de potencia industriales y domésticos, que operan a la frecuencia de la red eléctrica, pueden ser monofásicos o trifásicos y están diseñados para trabajar con voltajes y corrientes elevados. Para que el transporte de energía resulte rentable es necesario que en la planta productora de electricidad un transformador eleve los voltajes, reduciendo con ello la intensidad. Las pérdidas ocasionadas por la línea de alta tensión son proporcionales al cuadrado de la intensidad de corriente por la resistencia del conductor. Por tanto, para la transmisión de energía eléctrica a larga distancia se utilizan voltajes elevados con intensidades de corriente reducidas. En el extremo receptor los transformadores reductores reducen el voltaje, aumentando la intensidad, y adaptan la corriente a los niveles requeridos por las industrias y las viviendas, normalmente alrededor de los 240 voltios. Los transformadores de potencia deben ser muy eficientes y deben disipar la menor cantidad posible de energía en forma de calor durante el proceso de transformación. Las tasas de eficacia se encuentran normalmente por encima del 99% y se obtienen utilizando aleaciones especiales de acero para acoplar los campos magnéticos inducidos entre las bobinas primaria y secundaria. Una disipación de tan sólo un 0,5% de la potencia de un gran transformador genera enormes cantidades de calor, lo que hace necesario el uso de dispositivos de refrigeración. Los transformadores de potencia convencionales se instalan en contenedores sellados que disponen de un circuito de refrigeración que contiene aceite u otra sustancia. El aceite circula por el transformador y disipa el calor mediante radiadores exteriores.

En el campo de la electrónica se suelen utilizar con más frecuencia transformadores con capacidades de alrededor de 1 kilovatio antes de los rectificadores, que a su vez proporcionan corriente continua (CC) al equipo. Estos transformadores electrónicos de energía se fabrican normalmente con bloques de láminas de aleación de acero, llamadas laminaciones, alrededor de las cuales se instalan las bobinas de hilo de cobre. Los transformadores a niveles de entre 1 y 100 vatios se usan

principalmente como transformadores reductores, para acoplar circuitos electrónicos a los altavoces de equipos de radio, televisión y alta fidelidad. Conocidos como transformadores de audio, estos dispositivos utilizan sólo una pequeña fracción de su potencia nominal para la producción de señales en las frecuencias audibles, con un nivel de distorsión mínimo. Los transformadores se valoran según su capacidad de reproducción de frecuencias de ondas audibles (entre 20 Hz y 25 KHz) con distorsiones mínimas a lo largo de todo el espectro de sonido.A niveles de potencia por debajo de un milivatio, los transformadores se utilizan sobre todo para acoplar frecuencias extremadamente elevadas (UHF), frecuencias muy altas (VHF), frecuencias de radio (RF) y frecuencias intermedias (IF), así como para aumentar su voltaje. Estos transformadores de alta frecuencia operan por lo general en circuitos sintonizados o resonantes, en los que se utiliza la sintonización para eliminar ruidos eléctricos no deseados cuyas frecuencias se encuentran fuera del rango de transmisión deseado.

 El transformador eléctrico .

El factor de Inductancia Mutua que hemos analizado, se utiliza en la práctica para transferir energía de un circuito a otro mediante un elemento electromagnético denominado transformador.

Es muy posible que el transformador sea, en el campo de la electricidad aplicada, uno de los dispositivos más ampliamente utilizados, se le denomina comúnmente transformador estático, por cuanto carece de partes móviles. En su expresión más simple, un transformador está constituido por un devanado primario al cual se le aplica la energía eléctrica y un bobinado secundario, del cual se extrae la energía a consumir. Se denomina transformador elevador de tensión aquel que entrega sobre el secundario un potencial mayor que el del primario y transformador reductor de tensión el que posee un secundario que suministra menor tensión que la del primario. Existen también transformadores que entregan en el secundario igual tensión que la del primario, pero en estos casos son utilizados simplemente como elementos de enlace entre dos circuitos.

Fig. 2 - Transformador estático con núcleo magnético cerrado .

En la figura 2 representamos un transformador simple, el cual consta de un bobinado L1, primario, alimentado por corriente alterna y otro devanado, secundario, L2,

acoplado, magnéticamente al primero, mediante un núcleo de láminas de hierro. Este núcleo, como ya hemos estudiado, permite una mejor transferencia del flujo magnético originado. En la figura puede apreciarse que el núcleo se encuentra cerrado lo cual intensifica el campo y hace disminuir las pérdidas .

Fig. 3 - Variaciones en la intensidad del campo magnético ( en Gauss ) producidas en un transformador alimentado por una corriente alterna sinusoidal

Y bien, siendo la tensión aplicada sobre el primario alternada, naturalmente que sufrirá variaciones periódicas en sus valores. Esto hará que el campo magnético originado se expanda y se contraiga, acorde con las variaciones de la corriente aplicada al primario. En efecto, la intensidad del campo H (en Gauss) variará según la representación gráfica de la figura 3, siendo por lo tanto este campo variable en una frecuencia igual a la de la f.e.m., alterna aplicada al transformador.

Consecuentemente, sobre el secundario se hará presente una tensión inducida de las mismas características que la del primario y que hará circular por este circuito una corriente que será acusada por el instrumento intercalado, según se aprecia en la figura 2. Ambos circuitos, primario y secundario, estarán acoplados magnéticamente entre sí por la inductancia mutua del conjunto, acrecentada por la presencia del núcleo laminado. La forma que presenta este núcleo y la disposición de los bobinados no es precisamente la ideal a los fines de lograr una máxima transferencia de energía del primario al secundario.

En la práctica, y muy especialmente en los transformadores de poder y también de audiofrecuencia (utilizados en los viejos amplificadores de sonido), se construyen transformadores bobinados sobre núcleos aun más cerrados, tal como se aprecia en la figura 4, montándose el secundario sobre el devanado primario. Bajo esta disposición, el flujo magnético permite ser aprovechado al máximo, aumentando la intensidad del campo. Esto se traduce en una f.e.m. inducida mayor sobre el secundario, pues prácticamente, casi la totalidad de las líneas de fuerza pasan a través del núcleo de hierro.

Relación de Transformación.

La relación existente entre el número de espiras del primario y del secundario de un transformador, determinará el valor de la f.e.m. inducida sobre su circuito secundario. Un transformador que posea en su secundario mayor número de espiras que las del primario, inducirá sobre aquel una tensión mayor que la aplicada. A la inversa, un secundario con menor número de espiras que las del primario generará una tensión menor que la del primario.

Fig. 4 - Forma típica de un núcleo magnético cerrado , para un máximo aprovechamiento de las líneas de fuerza magética .

La relación que existente entre la tensión del primario (Ep) y la tensión del secundario (Es) es igual a la relación entre el número de espiras del primario (Np) y el número de espiras del secundario (Ns).

En consecuencia, podemos decir que:

y efectuando trasposición de términos, tenemos:

fórmula de la cual deducimos que la tensión inducida en el secundario es proporcional a la relación del número de vueltas del secundario con respecto a las del primario. Por tanto, a la relación entre vueltas o entre tensiones del primario y secundario se la denomina relación de transformación.

Transformadores especiales.Autotransformador.Un autotransformador es un transformador que utiliza solamente unarrollamiento, tanto para el primario como para el secundario. Esto, que en principiopuede parecer extraño, es perfectamente posible.Supongamos una bobina con núcleo de hierro alimentada por una fuente detensión que hace circular la conocida corriente de vacío de la bobina. Si a esta bobina seañade otra, según se muestra en la figura, está claro que en las espir as añadidasaparecerá una diferencia de potencia inducida por el flujo creado por la bobina deexcitación.

Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias que transforman la energía

eléctrica en energía mecánica. Debido a sus múltiples ventajas, entre las que cabe

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.

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.

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.

El inconveniente es que las baterías son los únicos sistemas de almacenamiento de

electricidad, y ocupan mucho espacio. Además, cuando se gastan, necesitan varias

horas para recargarse antes de poder funcionar otra vez, mientras que en el caso de

un motor de combustión interna basta sólo con llenar el depósito de combustible. Este

problema se soluciona, en el ferrocarril, tendiendo un cable por encima de la vía, que

va conectado a las plantas de generación de energía eléctrica. La locomotora obtiene

la corriente del cable por medio de una pieza metálica llamada patín. Así, los sistemas

de almacenamiento de electricidad no son necesarios.

- Cuando no es posible o no resulta rentable tender la línea eléctrica, para encontrar

una solución al problema del almacenamiento de la energía se utilizan sistemas

combinados, que consisten en el uso de un motor de combustión interna o uno de

máquina de vapor conectado a un generador eléctrico. Este generador proporciona

energía a los motores eléctricos situados en las ruedas. Estos sistemas, dada su

facilidad de control, son ampliamente utilizados no sólo en locomotoras, sino también

en barcos.

El uso de los motores eléctricos se ha generalizado a todos los campos de la actividad

humana desde que sustituyeran en la mayoría de sus aplicaciones a las máquinas de

vapor. Existen motores eléctricos de las más variadas dimensiones, desde los

pequeños motores fraccionarios empleados en pequeños instrumentos hasta potentes

sistemas que generan miles de caballos de fuerza, como los de las grandes

locomotoras eléctricas

En cuanto a los tipos de motores eléctricos genéricamente se distinguen motores

monofásicos, que Contienen un juego simple de bobinas en el estator, y pol¡fásicos,

que mantienen dos, tres o más conjuntos de bobinas dispuestas en círculo.

Según la naturaleza de la corriente eléctrica transformada, los motores eléctricos se

clasifican en motores de corriente continua, también denominada directa, motores de

corriente alterna, que, a su vez, se agrupan, según su sistema de funcionamiento, en

motores de inducción, motores sincrónicos y motores de colector. Tanto unos como

otros disponen de todos los elementos comunes a las máquinas rotativas

electromagnéticas

Motores 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 magnético5 Un motor eléctrico aprovecha

este tipo de fuerza para hacer girar un eje, transformándose así la energía eléctrica en

movimiento mecánico.

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.

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.

Para que la espira siga girando después de alcanzar la posición vertical, es necesario

invertir el sentido de circulación de ¡a 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 ¡as 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.

Cuando la corriente eléctrica pasa por el circuito, la armadura empieza a girar y ¡a

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.

El esquema descrito corresponde a un motor de corriente continua, el más simple

dentro de los motores eléctricos, pero que reúne ¡os principios fundamentales de este

tipo de motores.

Motores de corriente alterna

Los motores de corriente alterna tienen una estructura similar, con pequeñas

variaciones en la fabricación de ¡os bobinados y del conmutador del rotor. Según su

sistema de funcionamiento, se clasifican en motores de inducción, motores sincrónicos

y motores de colector.

Motores de inducción

El motor de inducción no necesita escobillas ni colector. Su armadura es de placas de

metal magnetizable. El sentido alterno de circulación, de la corriente en las espiras del

estator genera un campo magnético giratorio que arrastra las placas de metal

magnetizable, y las hace girar. El motor de inducción es el motor de corriente alterna

más utilizado, debido a su fortaleza y sencillez de construcción, buen rendimiento y

bajo coste así como a la ausencia de colector y al hecho de que sus características de

funcionamiento se adaptan bien a una marcha a velocidad constante.

Motores sincrónicos

Los motores sincrónicos funcionan a una velocidad sincrónica fija proporcional a la

frecuencia de la corriente alterna aplicada. Su construcción es semejante a la de los

alternadores Cuando un motor sincrónico funciona a potencia Constante y

sobreexcitado, la corriente absorbida por éste presenta, respecto a la tensión aplicada

un ángulo de desfase en avance que aumenta con la corriente de excitación Esta

propiedad es fa qUe ha mantenido la utilización del motor sincrónico en el campo

industrial, pese a ser el motor de inducción más simple, más económico y de cómodo

arranque, ya que con un motor sincrónic0 se puede compensar un bajo factor de

potencia en la instalación al suministrar aquél la corriente reactiva, de igual manera

que un Condensador conectado a la red.

Motores de colector

El problema de la regulación de la velocidad en los motores de corriente alterna y la

mejora del factor de potencia han sido resueltos de manera adecuada con los motores

de corriente alterna de colector. Según el número de fases de las comentes alternas

para los que están concebidos los motores de colector se clasifican en monofásicos y

Polifásicos, siendo los primeros los más Utilizados Los motores monofásicos de colector

más Utilizados son los motores serie y los motores de repulsión

Principio básico de funcionamiento de un motor cc.

Cuando un conductor por el que fluye una corriente continua es colocado bajo la influencia de un campo magnético, se induce sobre él (el conductor) una fuerza que es perpendicular tanto a las líneas de campo magnético como al sentido del flujo de la corriente. Ver la figura. Ver la Primera ley de la mano derecha

- Campo magnético en azul- Corriente continua en rojo- Dirección de la fuerza en violeta- Imanes: N (norte) y S (sur)

Para que se entienda mejor, ver como se tiene que colocar este conductor con respecto al eje de rotación del rotor para que exista movimiento. En este caso la corriente por el conductor fluye introduciéndose en el gráfico.

- Par motor en azul- Fuerza en violeta- Conductor con corriente entrante en el gráfico azul y rojo- Imanes: N (norte) y S (sur)

Pero en el rotor de un motor cc no hay solamente un conductor sino muchos.

Si se incluye otro conductor exactamente al otro lado del rotor y con la corriente fluyendo en el mismo sentido, el motor no girará pues las dos fuerzas ejercidas para el giro del motor se cancelan.

- Par motor en azul- Fuerza en violeta- Conductor con corriente entrante en el gráfico azul y rojo- Imanes: N (norte) y S (sur)

Es por esta razón que las corrientes que circulan por conductores opuestos deben tener sentidos de circulación opuestos. Si se hace lo anterior el motor girará por la suma de la fuerza ejercida en los dos conductores.

Para controlar el sentido del flujo de la corriente en los conductores se usa un conmutador que realiza la inversión del sentido de la corriente cuando el conductor pasa por la línea muerta del campo magnético.

La fuerza con la que el motor gira (el par motor) es proporcional a la corriente que hay por los conductores. A mayor tensión, mayor corriente y mayor par motor.

Partes de un Motor CC

Un motor CC está compuesto de un estator y un rotor. En muchos motores c.c., generalmente los más pequeños, el estator está compuesto de imanes para crear un campo magnético.

En motores corriente continua más grandes este campo magnético se logra con devanados de excitación de campo.

El rotor es el dispositivo que gira en el centro del motor cc y está compuesto de arrollados de cable conductores de corriente continua. Esta corriente continua es suministrada al rotor por medio de las "escobillas" generalmente fabricadas de carbón.

Nota: un devanado es un arrollado compuesto de cables conductores que tiene un propósito específico dentro de un motor

FCEM de un motor decorriente continua

Cuando un motor de corriente continua es alimentado, el voltaje de alimentación (Vm) se divide en:

- La caída de tensión (voltaje) que hay por la resistencia de los arrollados del motor (debido a la resistencia interna Ra) y...

- Una tensión denominada fuerza Contraelectromotriz (FCEM).

Ver el siguiente diagrama.

Donde:- Vm = tensión de entrada al motor (voltios)- Ra = resistencia del devanado de excitación (ohmios)- Ia = corriente de excitación (amperios / amperes)- Vb = FCEM debido al giro del motor (voltios)

Aplicando la ley de tensiones de Kirchoff:

Vm = Vb + (Ia x Ra) o Vb = Vm - (Ia x Ra)

Observar de la última ecuación, que cuando sube el valor de la corriente Ia, disminuye el Valor de Vb.

La FCEM es proporcional a la velocidad del motor y a la intensidad del campo magnético. Si el motor tiene rotor con imán permanente esta constante es: K = Vb / Nd.

Donde:- K = constante de FCEM del motor y se expresa en Voltios / rpm.- Nd = Velocidad de giro del motor en rpm

Nota: rpm = revoluciones por minuto

Efecto de la carga en un motor CC

En un motor CC, la velocidad y la corriente que necesita el motor dependen de la carga que tenga aplicada.

En este tipo de motor parte de la tensión aplicada se pierde en la resistencia interna (resistencia del devanado de excitación). El resto de la tensión se utiliza para hacer girar el motor.

Cuando la carga de un motor cc aumenta, también aumenta la corriente que consume este.

Esta corriente causa una caída de tensión mayor en la resistencia interna del motor (resistencia del devanado excitación)

Como la alimentación del motor CC permanece constante, la tensión aplicada para hacer girar el motor es menor y en consecuencia la velocidad de giro del motor es menor

Ver la siguiente fórmula: Vb = Vm – Ia x Ra

Donde:Vb: tensión real utilizada hacer girar el motor.Vm: Tensión aplicada a todo el conjunto motor.Ra: Resistencia del devanado de excitación (resistencia interna).Ia: corriente que circula por el motor.

Ia x Ra: es la tensión que se pierde en la resistencia interna del motor CC. Ver que depende directamente de Ia (corriente de alimentación del motor).

Si la corriente Ia aumenta, Vb disminuye y como la velocidad de giro del motor es proporcional a Vb. Si Vb disminuye entonces la velocidad del motor también.

tor Universal: Introducción

El motor universal se denomina así por ser el único motor que puede conectarse tanto a corriente alterna como a corriente continua.

Cuando el motor universal se conecta a la corriente continua con una carga constante, la velocidad y la potencia aumentan proporcionalmente con el voltaje aplicado.

Cuando el motor universal se conecta a la corriente alterna con carga constante, la velocidad y la potencia aumentan proporcionalmente con el voltaje aplicado a partir de los 3000 r.p.m. (revoluciones por minuto)

En el motor universal la velocidad dada para un voltaje en corriente alterna es inferior que la que se obtendría si se aplica el mismo voltaje pero en corriente continua.

Los motores universales se construyen para potencias menores a los 0.5 CV (caballos vapor) y velocidades de hasta 3000 r.p.m. y presentan un buen rendimiento.

El principio de funcionamiento del motor universal está determinado por el efecto motor que produce un conductor recorrido por una corriente eléctrica y que está sometido a un campo magnético. Por acción magnetomotriz existirá un desplazamiento y por ende una rotación.

Constitución de un Motor Universal

Bobinas conductoras: Se las conoce con el nombre de inductor o campos inductores.Bobina inducido: Es el rotor bobinado y se le conoce con el nombre de inducido o armadura.Escobillas: Son fabricadas de carbón por ser un material suave y un coeficiente de temperatura negativo.Resortes: Sirven para mantener las escobillas en su lugar por medio de presión mecánica.Tapas o escudos: Sirven para sostener el eje del motor y dar la escructura mecánica al motor.

uncionamiento del generador AC

Si se toma un motor AC y se hace girar mecánicamente su eje, este motor se comportará como un generador AC (generador de corriente alterna)

El funcionamiento de un generador de corriente alterna se basa en:

- Cuando se coloca una bobina en un campo magnético variable se genera en la bobina una tensión que hace que por esta circule una corriente.- Cuando el campo magnético aumenta, su velocidad de variación aumenta la frecuencia y la tensión de la señal que se genera.

Frecuencia, velocidad y amplitud de salida de un generador AC

Al hacer girar mecánicamente el eje del generador, la frecuencia y la tensión de la señal de salida, aumentan proporcionalmente con la velocidad de giro del eje. La relación que existe entre la velocidad de giro del eje y la frecuencia de la señal generada está dada por la siguiente relación:

Ns = 60 x f / p

donde:f = frecuencia en Hertz (Hz)p = número de polos del generador (motor)

Basta sólo medir la frecuencia de la señal generada y se puede obtener la velocidad

La frecuencia de la señal senoidal generada, se obtiene con la siguiente fórmula:

f (hz) = Ns x p / 60

donde:Ns = velocidad del motor sincrónico en r.p.m. (revoluciones por minuto)p = número de pares de polos del motor

La amplitud de la señal generada por un generador AC se obtiene con la siguiente fórmula:

V (voltios) = K x Ns

donde:K = Constante del motor en V / rpmNs = Velocidad del motor sincrónico

Cuando, por un campo magnético, se desplaza un conductor se induce sobre él una tensión.

Si a un motor C.C. le hacemos girar el rotor (eje), se estarán moviendo los arrollados de éste dentro de un campo magnético (creado por los imanes del motor).

Si este motor no está conectado para que funcione como tal, en sus terminales de alimentación aparecerá la tensión generada internamente. De esta manera un motor de C.C. se convierte en un generador de corriente continua.

La tensión de salida de un generador es directamente proporcional a su velocidad, entonces... es posible saber a que velocidad gira el generador sólo con medir la tensión de salida.

El circuito equivalente del generador CC es casi igual al de un motor CC., solo que en este caso la corriente de excitación no entra, sino que sale.

En el siguiente gráfico se muestra el circuito equivalente de un generador de corriente continua

La tensión de salida se obtiene con ayuda de la ley de tensiones de Kirchoff. Vg = Vb - (Ia x Ra)

Donde:- Vb = Fuerza contraelectromotriz del motor (FCEM)- Ia = Corriente de excitación- Ra = Resistencia del devanado

Se puede ver que la tensión de salida es igual a la la FCEM del motor menos la caída de tensión en el devanado del mismo.

- Si un motor de corriente continua aprovecha, la fuerza que se produce sobre un conductor, para poder girar, el generador de CC por el principio recíproco, aprovecha el movimiento de giro del conductor para que sobre el (el conductor) se induzca una tensión.

- En un motor, la corriente que circula por un conductor del motor hace que este se mueva. En un generador, cuando un conductor se mueve se produce sobre el, la circulación de una corriente eléctrica.

Si el generador no está cargado (no hay nada conectado la los terminales de salida), Ia es casi cero (0). La tensión de salida Vg y la tensión Vg (fuerza electromotriz del motor) son iguales, debido a que no hay caída en la resistencia Ra. er ecuación anterior.

La velocidad del generador será: Vb/K rpm (revoluciones por minuto)

donde:- K = constante de FCEM- Vb = Fuerza contraelectromotriz del motor (FCEM)

Número de polos. Devanados del motor AC

Una de las características de un motor AC (CA) es el número de polos del rotor. Este dato automáticamente dará el número de devanados que tiene el motor. # devanados = # polos x 2.

Ejemplo: - Si un motor tiene 4 polos, entonces el motor tiene 8 devanados. - Si un motor tiene 6 polos, entonces el motor tiene 12 devanados.

Los devanados que tenga un motor CA se dividen en dos grupos. (ver el diagrama)

Un grupo A y el otro B. Todos los devanados de cada grupo están conectados en serie, formando dos grandes devanados.

Estos dos grandes devanados se diferencian entre si en que la voltaje que los alimenta están desfasados 90°. Este desfase se logra con un capacitor y es el desfase que existe en devanados adyacentes en el motor. En la figura el voltaje de alimentación es E = E sen(wt + 90°).

Los polos en el rotor se representan por N y S (imanes)

Velocidad del motor AC

Como en el rotor los polos son fijos y en estator la polaridad de los campos varía (está alimentado por corriente alterna), los polos fijos del rotor, siguen las variaciones de polaridad de los devanados del estator. Habrá efectos de atracción y repulsión de campos magnéticos que causará la rotación del rotor. Como el voltaje de alimentación del estator es periódica, entonces el movimiento del rotor (rotación) sigue esta variación periódica del voltaje de alimentación y como consecuencia la velocidad de rotación es constante.

La velocidad del motor AC está dada por la fórmula: Ns = 60 x f / p

Donde: - Ns = velocidad del motor en rpm (revoluciones por minuto) - f = frecuencia de la alimentación en Hertz (Hz) - p = número de pares de polos del motor.

Importante: - Mientras más polos tenga un motor, menor es su velocidad de rotación (ver la fórmula) - Si el rotor por tener una carga muy grande, no puede seguir las variaciones del estator, causará que el motor deje de girar. - La velocidad de giro del motor AC depende exclusivamente de la frecuencia del voltaje que alimenta el motor (ver la fórmula)

Definición de bobina o inductor

La bobina o inductor por su forma (espiras de alambre arrollados) almacena energía en forma de campo magnético

El símbolo de una bobina / inductor es:

El inductor es diferente del condensador / capacitor, que almacena energía en forma de campo eléctrico

Todo cable por el que circula una corriente tiene a su alrededor un campo magnético, siendo el sentido de flujo del campo magnético, el que establece la ley de la mano derecha (ver electromagnetismo).

Al estar el inductor hecho de espiras de cable, el campo magnético circula por el centro del inductor y cierra su camino por su parte exterior.

Una característica interesante de los inductores es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellas.

Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellos (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de alimentación de corriente continua), esta intentará mantener su condición anterior.

Este caso se da en forma continua, cuando una bobina esta conectada a una fuente de corriente alterna y causa un desfase entre el voltaje que se le aplica y la corriente que circula por ella.

En otras palabras:

La bobina o inductor es un elementoque reacciona contra los cambios

en la corriente a través de él,generando un voltaje que se opone

al voltaje aplicado y es proporcionalal cambio de la corriente.

Inductancia, unidades

La inductancia mide el valor de oposición de la bobina al paso de la corriente y se miden en Henrios (H), pudiendo encontrarse valores de MiliHenrios (mH). El valor depende de:

- El número de espiras que tenga la bobina (a más vueltas mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios).- El diámetro de las espiras (a mayor diámetro, mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios).- La longitud del cable de que está hecha la bobina.- El tipo de material de que esta hecho el núcleo, si es que lo tiene.

Aplicaciones de una bobina / inductor

- En los sistemas de iluminación con lámparas fluorescentes existe un elemento adicional que acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro

- En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna y solo obtener corriente continua en la salida

- En muchos circuitos osciladores se incluye un inductor. Por ejemplo circuitos RLC serie o paralelo

Notas: Bobina = Inductor

El Relé es un interruptor operado magnéticamente.

El relé se activa o desactiva (dependiendo de la conexión) cuando el electroimán (que forma parte del relé) es energizado (le ponemos un voltaje para que funcione).

Esta operación causa que exista conexión o no, entre dos o más terminales del dispositivo (el relé).

Esta conexión se logra con la atracción o repulsión de un pequeño brazo, llamado armadura, por el electroimán.

Este pequeño brazo conecta o desconecta los terminales antes mencionados.

Funcionamiento del Relé:

Si el electroimán está activo jala el brazo (armadura) y conecta los puntos C y D. Si el electroimán se desactiva, conecta los puntos D y E.

De esta manera se puede conectar algo, cuando el electroimán está activo, y otra cosa conectada, cuando está inactivo.

Es importante saber cual es la resistencia del bobinado del electroimán (lo que está entre los terminales A y B) que activa el relé y con cuanto voltaje este se activa.

Este voltaje y esta resistencia nos informan que magnitud debe de tener la señal que activará el relé y cuanta corriente se debe suministrar a éste.

La corriente se obtiene con ayuda de la Ley de Ohm: I = V / R.

donde:- I es la corriente necesaria para activar el relé- V es el voltaje para activar el relé- R es la resistencia del bobinado del relé

Ventajas del Relé

- El Relé permite el control de un dispositivo a distancia. No se necesita estar junto al dispositivo para hacerlo funcionar.

- El Relé es activado con poca corriente, sin embargo puede activar grandes máquinas que consumen gran cantidad de corriente.

- Con una sola señal de control, puedo controlar varios relés a la vez.

Motores eléctricos

El motor es un elemento indispensable en un gran número de equipos electrónicos. El conocimiento de su forma de trabajo y sus propiedades es imprescindible para cualquier técnico o aficionado que emplee estos componentes para el montaje o mantenimiento de dichos equipos, con el objeto de poder efectuar la elección del modelo mas adecuado y así poder obtener el mejor rendimiento de los mismos. La misión fundamental del motor electrico es la de transformar la energía electrica, que se le suministra, en una energía mecanica que será la que se emplea para poner en movimiento el mecanismo del equipo en el que se instale.

El funcionamiento de un motor, en general, se basa en las propieadades eletromagnéticas de la corriente eléctrica y la posibilidad de crear,a partir de ellas, unas determinadas fuerzas de atracción y repulsión encargadas de actuar sobre un eje y generar un movimiento de rotación.

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento del motor se basa en la ley de Faraday que indica que cualquier conductor que se mueve en el seno del campo magnético de un imán se generara una D.D.P entre sus extremos proporcional a la velocidad de desplazamiento. Si en lugar de un conductor rectilineo con terminales en circuito abierto se introduce un anillo conductor con los extremos conectados a una determinada resistencia y se hace girar en el interior del campo, de forma que varíe el flujo magnético abrazado por la misma se detectará la aparición de una corriente electrica que circula por la resistencia y que cesara en el momento en que se detenga el movimiento.

Normalmente en un motor se emplea un cierto numero de espiras devanadas sobre un nucleo magnético de forma apropiada y también en algunas ocasiones se sustituye el imán permanente creador del campo por un electroimán, el cual produce el mismo efecto cuando se le aplica la corriente excitadora. A este último elemento (Imán o electroimán) se le denomina inductor, el conjunto espiras y nucleo móviles contituyen el inducido.

El sentido de la corriente eléctrica que circula por el inducido está definido mediante la Ley de Lenz que indica que toda variación que se produzca en el campo magnético tiende a crear un efecto en sentido opuesto que compense y anule la causa que la produjo. Si esta ley se aplica a nuestro caso nos indicará que la corriente inducida creará un

campo magnético para que se oponga al movimiento de la misma lo que obligará a aplicar un determinada energía para mantener el movimiento la cual depederá lógicamente de la intensidad de la corriente generada y del valor de la resistencia de carga (Rc), podiendo calcularse como el producto de la energía consumida en la carga por un número que expresará el rendimiento de la conversión.

Ahora bien, todos los fenómenos expresados coresponden al efecto opuesto al de un motor, es decir, que mediante el sistema descrito se  genera un corriente eléctrica a partir de un movimiento mecánico, lo que corresponde al principio de funcionamiento de un dinamo, sin embargo, al ser dicho efecto reversible, bastará con invertir los papeles y si en lugar de extraer corriente del inducido se le aplica un determinada tensión exterior,  se producirá la circulación de una cierta intensidad de corriente por las espiras y éstas comenzarán a girar, completándose así el motor.Es importante considerar que teniendo en cuenta la ley de Lenz mencionada anteriormente, al girar el se creará en el mismo una determinada tensión eléctrica, de sentido contrario al exterior que tenderá a oponerse al paso de la corriente par compensar así las variaciones de flujo magnético producidas, denominada  fuerza contraelectromotriz (FCEM)

Características

Normalmente los motores se caracterizan por dos parámetros que expresan directamente sus propiedades. Son los siguientes:

Velocidad de rotaciónPar motor

La primera indica el número de vueltas por unidad de tiempo que produce el motor  y depende por completo de la forma de construcción del mismo, de la tensión de alimentación, así como de  la carga mecánica que se acople a su eje, aunque esto último no es aplicable a un tipo especial de motores denominados síncronos o sincrónicos. Las unidades empleadas son las revoluciones por minuto (r.p.m.) y las revoluciones por segundo (r.p.s.) .

 El par motor expresa la fureza de actuación de éste y depende lógicamente de la potencia que sea capaz de desarrollar dicho motor, así como de la velocidad de rotación del mismo. El concepto de par motor es importante a la hora de elegir un modelo para una aplicación determinada; se define como la fuerza que es capaz de vencer el motor multiplicada por el radio de giro. Esto significa que no supone lo mismo mover, por ejemplo, una polea que transmita una fuerza de 10kg., con un radio de 5cm. que con otro radio de 10cm., ya que el par motor será

en el segundo caso el doble que el del primero. Las unidades de medida suelen ser el kg x cm  o bien, el g x cm.

Ademas de estos factores tambien se tienen en cuenta otros como son las condiciones de arranque, la potencia absorvida y el factor de potencia.

Exite una relación matemática que liga ambos parametros, ya que como se ha  exlicado no son independientes entre sí; dicha relación se expresa por la siguiente fórmula.

M= 0,95 x P/N

donde M es el par motor expresado en kg. por cm., P es la potencia absorvida en Watts y N es la velocidad en revoluciones por minuto.

Clasificación

En función de la corriente empleada para la alimentación del motor, que define por completo a las características constructivas del mismo, se pueden clasificar los motores en tres grandes grupos:

1. Motores de corriente continua 2. Motores de corriente alterna 3. Motores universales

En los motores de CC es necesario aplicar al inducido una CC para obtener movimiento, así como al inductor en el caso de que éste sea del tipo de electroimán, conociendose a esta última con la denominación de corriente de excitación. Su construcción suele estar realizada mediante un inductor cilíndrico hueco (imán o electroimán) que contiene un cierto número de pares de polos magnéticos (Norte-Sur), que se conoce con el nombre de Estátor. En su interior se encuentra el inducido o rotor también cilíndrico sobre el cual se encuentar el arrollamiento. El eje está acoplado mediante rodamineto o cojinetes para permitir el giro y dispone de una superficie de contacto montada sobre un dispositivo llamado colector sobre el que se deslizan los contactos externos o escobillas.

 Los motores de corriente alterna son los que se alimentan de este tipo de excitación y comprende dos tipos con propiedades bastantes diferenciadas:

1. Motores asíncronos 2. Motores síncronos

Los motores asíncronos también conocidos con el nombre de motores de inducción, basan su funcionamiento en el efecto que produce un campo magnético alterno aplicado a un inductor o estátor sobre un rotor con una serie de espiras sin ninguna conexión externa sobre el que se inducen unas corrientes por el mismo efecto de un transformador.

Por lo tanto, en este sistema solo se necesita una conexión a la alimentación, que corresponde al estator, eliminandose, por lo tanto, el sistema de escobillas que se precisa en otros tipos de motores.

Los motores síncronos están constituidos por un inducido que suele ser fijo, formando por lo tanto el estator sobre el que se aplica una corriente alterna y por un inductor o rotor formado por un imán o electroimán que contiene un cierto número de pares de polos magnéticos. El campo variable del estator hace girar al rotor a una velocidad fija y constante de sincronismo que depende de la frecuncia alterna aplicada. De ello deriva su denominacion de síncronos. Los motores universales son aquellos que pueden recibir alimentación tanto continua como alterna, sin que por ello se alteren sus propiedades. Basicamente responden al mismo principio de construcción que los de CC pero excitando tanto a inductor como a inducido con la misma corriente, disponiendo a ambos en serie sobre el circuito de alimentación.

Motores de CC

Segun se ha mencionado, un motor de CC esta compuesto por un imán fijo que constituye el inductor y un bobinado denominado inducido que es capaz de girar en el interior del primero, cuando recibe una CC.

Suponiendo un motor elemental segun se representa en la figura, si sobre la bobina se hace pasar una corriente se creara en la misma en un campo magnético que la hara girar al crearse una fuerza de atracción y repulsion con respecto al imán del estator. Durante este giro se produce una serie de efectos que condicionan la construcción del motor, el primero de ellos se produce cuando se enfrentan dos polos de distinto signo, momento en que la atracción sera maxima y la bobina tiende a detenerse, sin embargo, por inercia pasará de largo pero el sentido de giro se invertirá y se volverá hacia atras deteniendose al cabo de unas cuantas oscilaciones. Ahora bien, si en el momento en que los polos opuestos se enfrentan, se invierte el sentido de la circulación de la corriente de la bobina, automaticamente se producira un  cambio de signo en los polos magnéticos creados por la misma, dando origen a que aparezcan unas fuerzas de repulsión entre ellos que obligará a aquella a seguir girando otra media vuelta, debiendose invertir la corriente nuevamente y así sucesivamente.

El metodo empleado para producir estos cambios es el de dividir el anillo colector por el que recibe la bobina la corriente de alimentación, en dos mitades iguales separadas por un material aislante, que giran deslizandose sobre dos contactos electricos fijos o escobillas uno conectado al polo positivo y el otro al negativo.

De esta forma dichos contactos cruzaran dos veces por cada rotación la división entre los semianillos, inviertendose asi el sentido de circulación de la corriente de la bobina.

Motores de CA

Motores de induccion (Asíncronos)

Una vez conocidos los motores de CC, se van a describir seguidamente los principios básicos y formas de operación de uno de los modelos que cuenta con un elevado número de aplicaciones, se trata del tipo asíncrono excitado por una corriente alterna, tambien conocido como motor de inducción.

El principio de funcionamiento de estos motores esta basado en los experimentos de Ferraris en el año 1885, el cual coloco un imán de herradura, con un eje vertical, que le permitia girar libremente en la proximidades de un disco metalico que tambien puede girar alrededor del mismo eje. Al hacer girar el imán, observo que, aunque no habia contacto,  el disco metálico tambien giraba  en el mismo sentido.

Este fenomeno se debe  a que la girar el imán  se crea un campo magnético giratorio y aparecen sobre el discounas corriente electricas inducidas las cuales recordando la ley de Lenz, tenderan a crear a su vez otro campo magnético que se oponga la iniial; el efecto resultanto es el giro del disco, ya que de esta forma, los extremos del imán estaran simpre frente a las mismas zonas de aquel y la situacion volvera a ser similar a la incial,ya que al girar ambos con la misma velocidad el efecto es el mismo que si estuvieran parados.

Sin embargo, en el instante en el que disco alcanza una velocidad exactamente igual que la del imán deasapareceran las corrientes inducidas sobre el mismo, con lo que se retrasará, lo que obligará a que aparezcan de nuevo dichas corrientes.De todo ello se obtiene el resultado de que el disco va siempre algo retrasado con respecto al imán; esto es, su velocidad es algo menor que la de aquel. Debido a ello a este sistema de le denomina asíncrono, que significa que no existe igualdad de velocidad o sincronismo.

El experimento descrito no se puede convertir directamente en un motor ya que no transforma una energía eléctrica y mecánica sino que unicamente efectúa un acoplamiento electromagnético por ser necesario tener que mover el imán para hacer girar el disco.

El método empleado para obtener un campo giratorio sin necesidad de tener que mover un imán consiste en emplear dos electrimanes formando un angulo recto a los que se aplica dos corrintes alternas de la misma frecuencia pero con una frecuencia de fase entre ellas de 90°. Al emplear una CA sinusoidal, se obtendra un campo que varía de la msma forma, que al combinarse con el otro similar a el pero con una magnitud diferente, debida a la diferencia de fase y con otra dferenciación creada por la misma situación, se produce el efecto deseado. Este conjunto de dos bobinados constituye el inductor o estator y provoca sobre el rotor, una velocidad de giro N = F, siendo F la frecuencia de la CA.

Rotor

El rotor de un motor suele contruirse en base a dos sistemas, aunque el principio de operación sea el mismo, que consiste en disponer de un sistema de espiras en cortocircuito devanadas o no sobre un nucleo de material ferromagnético. El objetivo de las espiras es hacer circular a traves de ellas las corrientes inducidas, para crear el campo de sentido contrario al producido por el estator.

El primer tipo de rotor que se va a considerar consiste en un cilindro formado por discos paralelos contiguos y aislados, provisto de ranuras situadas a lo largo de su superficie exterior sobre los que se encuentran las espiras. El segundo tipo de rotor está contituido por dos coronas conductoras unidas por barras también conductoras formando un cilindro hueco muy parecido a una jaula de animales, de donde toma su denominación, Jaula de ardilla, y es uno de los modelos más utilizados en la práctica, sobre todo en las aplicaciones de baja potencia.

El principio descrito antes para la generación de un campo giratorio por el estator, unicamente es aplicable en los casos en los que se disponga de las dos corrientes desfasadas 90° mencionadas. esto no sucede en las aplicaciones habituales en las que los motores se han de conectar a la red normal, que es monofásica, con lo que no existe campo magnético giratorio. El efecto sería entonces que el motor no arrancaría, aunque por un sistema mecánico externo se le obliga al rotor a iniciar el giro, se observará como, despues de eliminar la fuerza exterior, se mantendra la rotación, aumentando la velocidad hasta que alcanze la correspondiente a su régimen normal de funcionamiento. Esto se debe al que el campo monofásico aplicado se descompone en dos campos giratorios de la misma intensidad pero de sentido contrario cuyo efecto  resultante se

anula; sin embargo, basta con producir un desequilibrio entre ellos para que se acentúe uno y se atenue el otro, dando lugar a un campo giratorio dominante que será capaz de hacer girar al inducido.

Arranque

Con objeto de evitar el sistema mecánico de arranque se suele incluir sobre el estator un segundo devanado llamado devanado de arranque, situado en una posición de angulo recto con el devanado principal. Al hacer pasar por este arrollamiento auxiliar una corriente  con una diferencia de fase proxima a 90° respecto a la que circula por el principal, se comportara el motor como difasico, produciendose un campo magnéticogiratorio poniendose en marcha el rotor, en cuyo momernto se puede suprimir dicha corriente auxiliar.

La forma de obtener la corriente de arranque con la diferencia de base mencionada es utilizando una reactancia (bobina o condensador) en serie con el arrollamiento auxiliar,  produciendose una corriente que aunque no esta desfasada exactamente a los 90° necesarios, resulta suficiente para el objetivo deseado.

Otro sistema empleado para el arranque de los motores asíncronos es el de situar dos grupos de espiras en cortocircuito arrolladas sobre el estator en una zona próxima al rotor. De esta forma, se obiene un desquilibrio de fase del campo magnético que actúa sobre el inducido, que es suficiente para que el motor arranque y se mantenga en rotación.

Par y velocidad

Las características de par y velocidad en un motor asíncrono están bastante relacionadas y normalmente se representan mediante una curva en la que se puede elegir el punto de funcionamiento más adecuado. Esto es lógico ya que cuando arranca el motor en ausencia de carga la velocidad del rotor tiende a ser igual a la del campo giratorio del estator, ya que basta con una pequeña diferencia entre ambas para que se creen en el inducido las corrientes necesarias para mantenerlo en rotación y por lo tanto el par desarrollado será muy debil debido a que unicamente será necesario vencer la resistencia de rozamiento del eje. Sin embargo, en el momento en que se acople una determinada carga mecánica al rotor, será necesario que el par aumente y se iguale al que se precisa para mover dicha carga.

Como consecuencia la velocidad disminuirá porque sobre el rotor aumentan las corrientes inducidas y estas son proporcionales a la

diferencia de velocidad entre los campos del inductor y del inducido. A esta diferencia se la denomina dezlizamiento.

Debido a las características que presenta el motor en el momento del arranque, el par obtenido no es elevado y es siempre bastante inferior al par máximo que puede desarrollar el motor, por esto en los dispositivos empleados para la puesta en rotación se tiene en cuenta esta circunstancia con objeto de que el motor supere siempre esta fase inicial.

 Otro de los parametros que también debe ser tenido en cuenta, sobre todo en los motores de potencia medias o elevadas es el denominado "factor de potencia" que expresa la cifra de "potencia reactiva" que el motor emplea durante su funcionamiento. Se expresa como la relación entre la potencia real absorbida por el motor en watts y la potencia aparente que se define mediante el producto de la tensión aplicada por la corriente absorbida. Es decir, que el  factor de potencia es igual a W real / potencia aparente. A este factor tambien se le denomina cos 

Motores síncronos

Los motores síncronos constituyen otro de los modelos más destacados del grupo de los de CA. Como su nombre indica, su característica más destacada es la del sincronismo, es decir, que su velocidad de rotación será constante y uniforme y estará regulada por la frecuencia de la corriente de alimentación.

Normalmente este tipo de motores está formado por un inductor movil o rotor y un inducido fijo o estator, intercambiandose sus funciones cn respecto al resto de modelos en los que la parte movil corresponde casi siempre al inducido.

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento es bastante simple y consiste en los efectos combinados del campo magnético constante del inductor, creado por el electroimán alimentado por CC o bien por un imán permanente y del inducido que contiene una serie de bobinados a los que se les aplica una CA.

Supongamos una estructura elemental, constituida por dos pares de devanados sobre nucleos magnéticos, representados por 1 y 2 y un imán permanente situado sobre un eje giratorio que se encuentra en el centro geométrico de los elementos citados anteriormente en una dirección perpendicular al plano formado por éstos. Al aplicar una CA a la pareja de bobinas 1 se creará en ellas un campo magnético que

variara de intensidad y de sentido según las alternancias de la corriente. En un determinado intante el ampo será máximo entre ambas, creandose un polo norte en la zona superior de la bobina superior un sur en la zona inferior, otro norte en la cara superior de la bobina inferior y otro sur en la cara inferior; en este momento el imán será fuetemente atraido por ellas orientandose en sentido vertical. Si al mismo tiempo se aplica una segunda CA a la pareja de bobinas 2 cuya fase esté retrasada 90° con respecto a la anterior, el campo será nulo en el instante considerado debido a que la corriente pasa por el valor 0 y no ejercerá ninguna influencia. Sin embargo, comenzará a crecer seguidamente y a decrecer el producido por la bobina 1, haciendo que el imán gire hasta situarse  en posición horizontal, alineado con los bobinados 2; el proceso continúa al disminuir este segundo campo y comenzar a crecer el primero pero en sentido contrario al inicial, ya que la alternancia de la corriente ahora es negativa, con lo que se invertiran entre si los polos magnético señalados al comienzo. Ello hace que el imán continúe girando hasta ponerse otra vez vertical, pero con el norte hacia abajo y el sur hacia arriba. El paso siguiente corresponde a las bobinas 2 que tambien han invertido su campo, atrayendo otra vez al imán y manteniendo el giro. Esta secuencia se repetirá sucesivamente y el resultado obtenido será, como puede deducirse la transformación de una energía eléctrica en otra mecánica de rotación, propiedad fundamental de un motor

Velocidad

En nuestro caso el imán permanente o rotor dará una revolución por cada ciclo de la corriente, por lo tanto la velocidad de giro coincidirá con la frecuencia, ya que si esta es de, por ejemplo 50 Hz, producirá 50 giros completos en un segundo y como consecuencia el rotor dara 50 vueltas en el mismo tiempo, o lo que es equivalente a 50 rps.

Si en lugar de emplear un imán para el rotor se emplearan dos en angulo recto y unidos solidariamente al mismo eje y en vez de dos pares de bobinas desfadas empleáramos cuatro, el efecto resultante también sería una rotación, pero la velocidad de giro resultante sería la mitad de a anterior. Por lo tanto, puede definirse la velocidad de rotación de un motor síncrono por la fórmula siguiente:

N = f / P

donde N representa dicha velocidad en rps, f es la frecuencia de la CA y P el número de pares de polos que posee el inductor; así en el caso anterior, como el imán tiene dos pares de polos, la velocidad resultante será de 25 rps

Inductor e inducido

Algunos modelos de motores síncronos contienen el inducido en el interior del inductor, con lo que la parte movil será la exterior, siendo el principio de funcionamiento es similar al descrito anteriormente.

En ocasiones se sustituyen los imanes permanentes del estator por unos electroimanes, en este caso, es necesario aplicar una CC de excitación, con objeto de poder crear todos los pares de polos magnéticos que se precisan. Ademas y dado que estos electroimanes constituyen el rotor, siendo por lo tanto móviles, se requiere contar con un dispositivo capaz de producir los contactos eléctricos para el paso de dicha corriente durante la rotación como en el caso de los motores de CC. Para ello se emplean dos anillos conectores que resbalan sobre sendas escobillas de forma que el polo positivo permanezca simpre aplicado a uno de ellos y el negativo al otro.

Para las dos fases que se necesitan para el arranque y funcionamiento del motor se suele utilizar un condensador situado en serie con uno de los dos grupos de devanados. De esta forma la corriente se retrasara 90° aproximadamente al circular por este y alcanzara a las bobinas en las condiciones requeridas. si en lugar de situar el condensador en los bobinados mencionados y se cambiara a los otros, el efecto sería el de invertirse el sentido de rotación, manteniendose el resto de las carcterísticas sin ninguna variación

os motores eléctricos convierten la energía eléctrica en energía mecánica y se encuentran en todas partes: en las locomotoras del ferrocarril, el compresor del frigorífico o el mecanismo de arrastre del reproductor de vídeo. Se pueden construir en todos los tamaños imaginables, y son mucho más adaptables, silenciosos y menos contaminantes que los motores de vapor o de explosión, gasolina o diesel.

Comenzamos mirando el diseño global de un motor eléctrico DC simple de 2 polos. Un motor simple tiene 6 partes:

• Una armadura o rotor. • Un conmutador. • Cepillos. • Un eje. • Un imán de campo. • Una fuente de poder DC de algún tipo.

Un motor eléctrico está compuesto de imanes: estos los usan para crear movimiento. Si conoces un imán, conoce acerca de la ley fundamental de todos los imanes: Cargas opuestas se atraen e iguales se repelen. Así que si tiene dos imanes con sus extremos como norte y sur, entonces el extremo norte se atraerá con el sur. De otro lado, el extremo norte del imán repelerá el extremo norte del otro (y similarmente el sur repelerá el sur). Dentro de un motor eléctrico esas fuerzas atractoras y repulsoras crean movimiento rotacional.

En el diagrama se puede observar 2 imanes en el motor: la armadura (o rotor) es un electroimán, mientras el imán de campo es un imán permanente (el imán de campo puede ser un electroimán también, pero en los motores más pequeños no ahorra energía).

IMANES Y MOTORES.-

Para entender cómo funciona un motor eléctrico, la clave es entender cómo funciona un electroimán.

Un electroimán es la base de un motor eléctrico. Puede entender cómo funciona un motor si se imagina el siguiente escenario. Digamos que usted creó un electroimán simple envolviendo 100 veces un alambre alrededor de un tornillo y conectándolo a una batería. En tornillo se convertirá en un imán accionado por correinte eléctrica y tendrá un polo norte y un polo sur mientras la batería esté conectada. Ahora digamos que usted toma el tornillo electroimán, coloca un eje en la mitad, y lo suspende en la mitad de la herradura del electroimán como se muestra en la figura siguiente. Si usted fuera a atar una batería al imán de tal forma que el extremo norte del tornillo que se muestra, la ley básica del magnetismo le dirá que pasará; el polo norte del electroimán será repelido del extremo norte de la herradura del electroimán y atraída al extremo sur de la herradura del electroimán. El extremo sur del electroimán será repelido de forma similar. El tornillo se movería una media vuelta y se colocaría en la posición mostrada.

Puede ver que este movimiento de media-vuelta es simple y obvio porque naturalmente los imanes se atraen y repelen uno al otro. La clave para un motor eléctrico es entonces ir al paso uno, así que, al momento en que ese movimiento de media vuelta se complete, el campo del electroimán cambie. El cambio hace que el electroimán haga otra media vuelta. Usted cambia el campo magnético simplemente

cambiando la dirección del flujo de electrones en el alambre (se logra esto moviendo la batería). Si el campo del electroimán cambia justo en el momento de cada media vuelta, el motor eléctrico girará libremente.

La armadura toma el lugar del tornillo en un motor eléctrico. La armadura es un electroimán que se hace enrollando alambre delgado alrededor de 2 o más polos de un centro de metal. La armadura tiene un eje, y el conmutador está atado al eje. En el diagrama inmediato superior se pueden ver tres diferentes vistas de la misma armadura: frente, lado y extremo. En la vista de extremo el enrollado de alambre es eliminado para hacer el conmutador más obvio. Puede ver que el conmutador es un simple par de platos atados al eje. Esos platos dan las dos conexiones para el rollo del electroimán.

La parte del "cambio del campo eléctrico" de un motor es complementada por dos cosas: el conmutador y los cepillos. El diagrama inmediato superior muestra cómo el conmutador y los cepillos trabajan juntos para dejar que el actual flujo de electrones vaya al electroimán, y también cambien la dirección de los electrones que corren en ese momento. Los contactos del conmutador están atados al eje del electroimán, así que cambian con el imán. Los cepillos son sólo dos pedazos de metal elástico o carbón que hace contacto con el conmutador.

Cuando se juntan todas esas partes, lo que se obtiene es un motor eléctrico completo:

En esta figura, el bobinado de la armadura no se ha tenido en cuenta así que es fácil ver al conmutador en acción. De lo que hay que darse cuenta es que la armadura pasa a través de la posición horizontal, los polos del cambio del electroimán. Debido al cambio, el polo norte del electroimán está siempre sobre el eje para que pueda repeler el polo norte del imán del campo y atraer el imán del campo del polo sur.

Si alguna vez tiene la oportunidad de desmontar un pequeño motor eléctrico encontrará que contiene las mismas partes descritas arriba: dos pequeños imanes permanentes, un conmutador, dos cepillos y un electroimán hecho por un enrolle de cable alrededor del metal. Casi siempre, el rotor tendrá tres polos en lugar de dos tal como se muestra en este artículo. Hay dos buenas razones para que un motor tenga tres polos:

1. Esto hace que el motor sea más dinámico. En un motor de dos polos, si el electroimán está balanceado, perfectamente horizontal entre los dos polos del imán del campo cuando el motor arranca, usted puede pensar que la armadura se quede "pegada" ahí. Esto nunca ocurre en un motor de tres polos.2. Cada vez que el conmutador toque el punto donde cambia el campo a un motor de dos polos, el conmutador enchufa la batería (conecta directamente las terminales positivas y negativas) por un momento. Este enchufe hace que se gaste la energía de la batería innecesariamente. Un motor de tres polos arregla el problema.

Es posible tener cualquier número de polos, dependiendo del tamaño del motor y la aplicación específica en que se esté utilizando.

ARRANQUE DE MOTORES.-

Se denomina arranque de un motor al régimen transitorio en el que se eleva la velocidad del mismo desde el estado de motor detenido hasta el de motor girando a la velocidad de régimen permanente.

El conjunto que se pone en marcha es inercial y disipativo, incluyendo en este último concepto a las cargas útiles, pues consumen energía.

El estudio del arranque de los motores tiene una gran importancia práctica, ya que la elección correcta de las características de los motores eléctricos y arrancadores a instalar están basados en el conocimiento de las particularidades de éste régimen transitorio.

Recordemos que el comportamiento dinámico del conjunto motor-maquina accionada está regido por la siguiente ecuación diferencial:

Donde Tm es el par motor, Tr el par resistente, J es el momento de inercia del conjunto motor-maquina accionada y  ω es la velocidad angular de dicho conjunto.

Por lo tanto, para que el conjunto comience a girar se necesita que el par motor supere al par resistente, de manera de generar una aceleración angular de arranque. El proceso de arranque finaliza cuando se equilibra el par motor con el par resistente, estabilizándose la velocidad de giro del motor.

Como la cupla motora es el producto de la corriente absorbida por el flujo del campo magnético, además de un factor que caracteriza al tipo de máquina, este mayor par de arranque generalmente está asociado a una mayor corriente de arranque, la que no debe superar determinado límite por el calentamiento de los conductores involucrados.

Aunque se suele enfocar el diseño de estos sistemas de arranque en atención a las corrientes y cuplas involucradas, no deben dejarse de lado otros aspectos que también resultan importantes, como por ejemplo el consumo de energía disipada en forma de calor y las perturbaciones sobre la red de baja tensión.

Estas perturbaciones incluyen principalmente las caídas de tensión (muy notables en los elementos de iluminación), que pueden afectar el funcionamiento de otros elementos conectados a la misma, lo que resulta crítico en las instalaciones con muchos motores que realizan frecuentes arranques.

Por otro lado, los dispositivos de arranque pueden ser de operación manual o por contactores. Estos últimos permiten efectuar el mando a distancia del motor con cables de secciones pequeñas (sólo se requiere la corriente necesaria para la bobina del contactor), lo que facilita el accionamiento y diseño del dispositivo de control por trabajar con intensidades reducidas.

De forma general los motores eléctricos se clasifican en :

Motores de Corriente Contínua

1. Motor Serie2. Motore Paralelo3. Motor Compuesto o Mixto

Motores de Corriente Alternada

1. Motor Sìncrono 2. Motor Asíncrono

Motores Especiales

1. Servomotores2. Motores por Paso3. Motores Universales

Fig. Partes internas y representación de un motor de Corriente Continua con dos polos.

Fig. Motor de Corriente Continua de 2 polos y 4 bobinas en el rotor.

Fig. Principio de funcionamiento del motor de corriente continua.

Fig. Conexiones eléctricas del motor de corriente continua.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

 

   Aun basado en el mismo fenómeno que los motores de corriente continua, el principio de funcionamiento de los motores paso a paso es más sencillo que cualquier otro tipo de motor eléctrico.

   Los motores eléctricos, en general, basan su funcionamiento en las fuerzas ejercidas por un campo electromagnético y creadas al hacer circular una corriente eléctrica a través de una o varias bobinas. Si dicha bobina, generalmente circular y denominada estator, se mantiene en una posición mecánica fija y en su interior, bajo la influencia del campo electromagnético, se coloca otra bobina, llamada rotor, recorrida por una corriente y capaz de girar sobre su eje.

   Al excitar el estator, se crearan los polos N-S, provocando la variación del campo magnético formado.

La respuesta del rotor será seguir el movimiento de dicho campo (tenderá a buscas la posición de equilibrio magnético), es decir, orientará sus polos NORTE-SUR hacia los polos SUR-NORTE del estator, respectivamente. Cuando el rotor alcanza esta posición de equilibrio, el estator cambia la orientación de sus polos y se tratará de buscar la nueva posición de equilibrio. Manteniendo dicha situación de manera continuada, se conseguirá un movimiento giratorio y continuo del rotor, produciéndose de este modo el giro del eje del motor, y a la vez la transformación de una energía eléctrica en otra mecánica en forma de movimiento circular.

   Al número de grados que gira el rotor, cuando se efectúa un cambio de polaridad en las bobinas del estator, se le denomina "ángulo de paso".

   Existe la posibilidad de conseguir una rotación de medio paso con el control electrónico apropiado, aunque el giro se hará con menor precisión.

Los motores son fabricados para trabajar en un rango de frecuencias determinado por el fabricante, y rebasado dicho rango, provocaremos la pérdida de sincronización.

   Los motores paso a paso, se controlan por el cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas que lo forman:

·        controlar el desplazamiento del rotor en función de las tensiones que se aplican a las bobinas, con lo que podemos conseguir desplazamientos alante y atrás.

·        controlar el número de pasos por vuelta.·        controlar la velocidad del motor.

 

   Además estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición (si una o más de sus bobinas está energizada) o bien totalmente libres (si no circula corriente por ninguna de sus bobinas).

 

   Según la construcción de las bobinas del estator, dos tipos de MPAP:

·        Unipolares: se llaman así porque la corriente que circula por los diferentes bobinados siempre circula en el mismo sentido. Tienen las bobinas con un arrollamiento único·        Bipolares: la corriente que circula por los bobinados cambia de sentido en función de la tensión que se aplica. por lo que un mismo bobinado puede tener en uno de sus extremos distinta polaridad (bipolar). Tienen las bobinas compuestas por dos arrollamientos cada una.

   Algunos motores tienen los bobinados de tal manera que en función de puentes pueden convertirse en unipolares o bipolares.

   Lo más importante de un motor es saber el tipo de motor que es, la potencia, el número de pasos, el par de fuerza, la tensión de alimentación y poco más si son motores sencillos.

 

¿Cómo saber cómo conectar uno de estos motores?

   Estos motores exteriormente poseen 6 o 5 cables (cuatro corresponden a cada uno de los extremos de las dos bobinas existentes, mientras que los otros dos corresponden al punto medio de cada una. En el caso de que el cable restante sea uno, entonces corresponde a estos dos últimos unidos internamente).

   Una vez localizados dichos cables mediremos la resistencia con un óhmetro o un multímetro en ellos. De esta forma localizamos las dos bobinas (los tres cables cuya resistencia entre sí sea distinta de infinito corresponden a una bobina).

Podemos decir que tenemos dos grupos de tres cables (A, B y C). Mediremos ahora la resistencia entre A y B, B y C y entre A y C. El par anterior cuya lectura sea más

alta corresponde a los extremos de la bobina, mientras que el restante es el punto medio de la misma.

 ¿Cuál es su secuencia?

   Para saber la secuencia del motor necesitaremos una fuente de tensión contínua del valor característico del motor (5 Voltios generalmente). Conectamos un polo de la misma a los dos cables correspondientes al punto medio de cada bobina. Al polo restante lo conectamos a uno de los cuatro cables y observamos hacia que lado se produce el paso. Procedemos igual con los otros, probando en distinto orden, hasta que los cuatro pasos se hayan producido en la misma dirección. De esta forma ya habremos hallado la secuencia del motor.

 

¿Pero y para hacerlo funcionar?    Para hacer funcionar un motor paso a paso requerimos de un circuito especial. De acuerdo al uso que deseemos para el motor podemos utilizar un simple secuenciador, un microcontrolador, algún puerto del PC, o bien ciertos circuitos integrados diseñados para tal fin.

 

Paso 1 (a) Paso 2 (b)

Paso 3 (c) Paso 4 (d)

 

La Figura intenta ilustrar el modo de funcionamiento de un motor paso a paso. Suponemos que las bobinas L1 y L2 poseen un núcleo de hierro capaz de imantarse cuando dichas bobinas sean recorridas por una corriente eléctrica. Por otra parte el imán M puede girar libremente sobre el eje de sujeción central.