Motores eléctricos

1.1. Motores eléctricos:

El motor eléctrico es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en energía mecánica por medio de la acción de los campos magnéticos generados en sus bobinas. Son máquinas eléctricas rotatorias compuestas por un estator y un rotor.

Algunos de los motores eléctricos son reversibles, ya que pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica funcionando como generadores o dinamo. Los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras o en automóviles híbridos realizan a menudo ambas tareas, si se los equipa adecuadamente o con frenos regenerativos.

Son utilizados en infinidad de sectores; instalaciones industriales, comerciales, particulares; como ventiladores, teléfonos, bombas, máquinas herramientas, aparatos electrodomésticos, herramientas eléctricas y unidades de disco. Los motores eléctricos pueden ser impulsados por fuentes de corriente continua (CC), tal como baterías de automóviles y por fuentes de corriente alterna (AC) bien sea directamente de la red eléctrica bifásica o trifásica.

Figura N°01: Motor eléctrico

1.2 Motores de corriente directa o continua:

El motor de corriente continua (denominado también motor de corriente directa, motor CC o motor CD) es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio, gracias a la acción del campo magnético.

Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone principalmente de dos partes. El estator da soporte mecánico al aparato y contiene los devanados principales de la máquina, conocidos también con el nombre de polos, que pueden ser de imanes permanentes o devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, alimentado con corriente directa mediante escobillas fijas (conocidas también como carbones).

Un motor funciona con carga cuando está arrastrando cualquier objeto o soportando cualquier resistencia externa (la carga) que le obliga a absorber energía mecánica. Así pues, en este caso, el par resistentes se debe a factores internos y externos. Por ejemplo: una batidora encuentra resistencia cuando bate la mayonesa; el motor de una grúa soporta a las cargas que eleva; etc.

Un motor funciona al vacío, cuando el motor no está arrastrando ningún objeto, ni soportando ninguna resistencia externa. El eje está girando libremente y no está conectado a nada.

1.3. Motores de corriente alterna:

1.3.1 Motor síncrono:

El motor síncrono es en esencia un alternador trifásico que funciona a la inversa. Los imanes del campo se montan sobre un rotor y se excitan mediante corriente continua, y las bobinas de la armadura están divididas en tres partes y alimentadas con corriente alterna trifásica. La variación de las tres ondas de corriente en la armadura provoca una reacción magnética variable con los polos de los imanes del campo, y hace que el campo gire a una velocidad constante, que se determina por la frecuencia de la corriente en la línea de potencia de corriente alterna.

1.3.2 Motor universal:

Los motores de baterías en serie con conmutadores, que funcionan tanto con corriente continua como con corriente alterna, se denominan motores universales. Éstos se fabrican en tamaños pequeños y se utilizan en aparatos domésticos.

1.3.3 Motor asíncronos o de inducción:

El motor asíncrono fue creado es su forma más simple por Galileo Ferraris y Nikola Tesla en 1885-86. Dos años más tarde se construyó una máquina con el rotor en forma de jaula de ardilla. El rotor de bobinado se desarrolló a principio del S.XX.

La diferencia del motor asíncrono con el resto de los motores eléctricos radica en el hecho de que no existe corriente conducida a uno de sus devanados (normalmente al rotor).

La corriente que circula por el devanado del rotor se debe a la fuerza electromotriz inducida en él por el campo giratorio; por esta razón, a este tipo de motores se les designa también como motores de inducción.

La denominación de motores asíncronos obedece a que la velocidad de giro del motor no es la de sincronismo, impuesta por la frecuencia de la red.

Hoy en día se puede decir que más del 80% de los motores eléctricos utilizados en la industria son de este tipo, trabajando en general a velocidad prácticamente constante. No obstante, y gracias al desarrollo de la electrónica de potencia (inversores y ciclo convertidores), en los últimos años está aumentando considerablemente la utilización de este tipo de motores a velocidad variable. La gran utilización de los motores asíncronos se debe a las siguientes causas: construcción simple, bajo peso, mínimo volumen, bajo coste y mantenimiento inferior al de cualquier otro tipo de motor eléctrico.

Hay dos tipos básicos de motores asíncronos:

-Motores de jaula de ardilla: el devanado del rotor está formado por barras de cobre o aluminio, cuyos extremos están puestos en cortocircuito por dos anillos a los cuales se unen por medio de soldadura o fundición.

-Motor de rotor bobinado: el devanado del rotor de estos motores está formado por un bobinado trifásico similar al del estátor, con igual número de polos.

1.3.3.1 Leyes de inducción:

1.3.3.1.1 Ley de Faraday o de inducción:

La ley de la inducción de Faraday dice que la fuerza electromotriz inducida, ε, en un circuito es igual al valor negativo de la rapidez con la cual está cambiando el flujo que atraviesa el circuito.

La ecuación que define la ley de inducción de Faraday la podemos expresar como:

El signo menos es una indicación del sentido de la fem (fuerza electromotriz) inducida. Si la bobina tiene N vueltas, aparece una fem en cada vuelta que se pueden sumar, es el caso del tiroides y solenoides, en estos casos la fem inducida será:

Podemos resumir diciendo “La fuerza electromotriz inducida en un circuito es proporcional a la rapidez con la que varía el flujo magnético que lo atraviesa, y directamente proporcional al número de espiras del inducido.”

Producción de una corriente alterna

La corriente alterna se caracteriza porque su sentido cambia alternativamente con el tiempo. Ello es debido a que el generador que la produce invierte periódicamente sus dos polos eléctricos, convirtiendo el positivo en negativo y viceversa, muchas veces por segundo.

La ley de Faraday establece que se induce una fuerza electromotriz en un circuito eléctrico siempre que varié el flujo magnético que lo atraviesa. Recordando con de definición de flujo magnético

O sea este puede variar por que varíe el área S limitada por el conductor, por que varíe la intensidad del campo magnético B o porque varíe la orientación entre ambos dada por el ángulo θ.

En las primeras experiencias de Faraday las corrientes inducidas se conseguían variando el campo magnético B: también es posible provocar el fenómeno de la inducción sin desplazar el imán ni modificar la corriente que pasa por la bobina, haciendo girar ésta en torno a un eje dentro del campo magnético debido a un imán. En tal caso el flujo magnético ΦB varía por que el ángulo θ.

Como la espira esta girando, el ángulo θ varia continuamente, lo cual hace que el flujo este cambiando, y por lo tanto aparece una fuerza electromotriz inducida.

Si se hace rotar la espira uniformemente, ese movimiento de rotación periódica da lugar a una variación también periódica del flujo magnético, supongamos que la espira gira con una velocidad angular ω constante, el ángulo en un instante t es θ=ω.t y el flujo ΦB que atraviesa la espira seria:

Según la ley de Faraday la fuerza electromotriz inducida es

que en este caso será:

Para una bobina de N espiras o vueltas, se induce una fuerza electromotriz en cada vuelta y como están conectadas en serie la fuerza electromotriz total es N veces la de una vuelta.

La fuerza electromotriz oscila sinusoidalmente con una frecuencia angular ωo sea con una frecuencia . El valor máximo o valor pico de la fuerza electromagnética es que ocurre cuando senωt=1 como la función seno varia entre valores de +1 y -1 la fuerza electromagnética oscilara entre valores de +εmáx y -εmín . La corriente asociada a una fuerza electromagnética de este tipo también oscilara.

Se ve la forma de señal generada por un generador de corriente alterna (CA). Para que una bobina en rotación actué como un generador para un circuito externo debe estar conectada al circuito por medio de alambres de conexión, en el esquema del circuito vemos que los alambres están unidos a anillos conductores que giran con la espiras, sujetos a un eje, el contacto con el exterior se realiza por medio de escobillas conductoras que se deslizan sobre la superficie de los anillos rotantes.

1.3.3.2 Clasificación de los motores asíncronos o de inducción:

Los motores Asíncronos se pueden clasificar atendiendo a varios criterios, así tenemos:

1.3.3.2.1 Según el número de devanados

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