Motores Y Generadores De Corriente Directa

Unidad 3 Motores y Generadores de Corriente Directa

3.1 Fuerza electromotriz inducida

Conductor en movimiento dentro de un campo magnético

Consideremos un conductor metálico que se mueve con una velocidad V perpendicular a las líneas de inducción de un campo magnético B. La barra entonces es desplazada a través del campo magnético creado por el imán permanente

En la figura se representa una vista de planta de esta misma situación, el vector B entrante en el plano y la barra CD desplazándose hacia la derecha.

Podemos concluir así que la barra se comportara como una fem. Su inducción se debe al movimiento del campo magnético.

Corriente inducida en un circuito

Supongamos que la barra CD, al desplazarse se mantiene apoyada sobre un carril metálico GEFH, de esta manera tendremos un circuito eléctrico cerrado, constituido por la barra y el carril. Debido a la diferencia de potencial existente entre los extremos de la barra, se establecerá una corriente en dicho circuito en el sentido CEFD, como esta corriente fue establecida por la fem inducida en la barra, se denomina corriente inducida.

Por ejemplo, al acercar el polo de un imán a una espira que se encuentra en reposo, se observa que surge una corriente en dicha espira. Si se interrumpe el movimiento del imán, la corriente desaparece de inmediato, y si alejamos dicho imán, la corriente vuelve a aparecer en ella, pero con sentido contrario.

Entonces el hecho de que el imán sea acercado o alejado de la espira, hace que en ella surja una fem. Faraday denomino también “fem inducida” a esta fem generada en la espira

Ley de Faraday

Qué es el flujo magnético?

Para entender la ley descubierta por Faraday acerca de la fem inducida, se necesita un concepto muy importante que analizaremos a continuación: el concepto de flujo magnético.

Consideremos una superficie plana, de área A, colocada en un campo magnético uniforme B. Trazando una perpendicular a la superficie. Designemos por Ɵ el Angulo formado por dicha normal N con el vector B. El flujo magnético que pasa a través de esta superficie se representará por la letra griega ɸ (fi) y se define por la expresión siguiente:

El flujo magnético ∅, a través de la superficie A está dado por la expresión:

∅= BA cos Ɵ

En el SI, la unidad de flujo magnético se denomina weber (símbolo: Wb) en honor al físico alemán del siglo pasado, Wilhelm Weber. Entonces, si medimos B en teslas (T), y A, en m², tendremos

1Wb= 1 T • m²

Además, Faraday observó que el valor de la fem inducida era mayor cuanto más rápidamente se produjera la variación de flujo a través del circuito. Para ser más precisos, haló que si durante un intervalo de tiempo ∆t, el flujo magnético que atraviesa un circuito cambia en ∆∅, en dicho circuito existirá una fem inducida cuya magnitud está dada por:

ε=∆φ/∆t

Ejemplo

Ejemplo 1

Supóngase que en la Figura 25-7 el imán, a cierta distancia de la espira, establece a través de ella un flujo ϕ_1=1.2x〖10〗^(-2) Wb. Al acercar rápidamente el imán a la espira, el flujo valdrá ϕ_2=4.6x〖10〗^(-2) Wb. Si esta variación se produjo en un intervalo de tiempo ∆t=0.10 s.

Determina el valor de la fem inducida en la espira. Su valor estará dado por la ley de Faraday. Entonces,

ε=∆ϕ/∆t=(ϕ_2-ϕ_1)/∆t=(4.6x〖10〗^(-2)-1.2x〖10〗^(-2))/0.10

Donde, ε=0.34 V

b) Sabiendo que la resistencia de la espira es R= 2.0 Ω, calcule la corriente inducida que indicará el amperímetro.

La intensidad de la corriente está dada por la ecuación del circuito, o sea,

i=ε/R=0.34/2.0 donde i=0.17A

3.2 Análisis del Circuito Equivalente

Generador de corriente alterna

Acabamos de aprender que una fem es inducida en un circuito siempre que varía el flujo magnético que lo atraviesa (ley de Faraday). Ahora Veremos cómo se utiliza este principio básico en la construcción de generadores eléctricos, es decir, de maquinas capaces de producir grandes cantidades de energía eléctrica por inducción electromagnética rotacional. *

Analizando la Figura 25-13, podremos entender cómo se logra esto.

Un generador funciona, básicamente, como una espira que gira dentro de un campo magnético. La Figura 25-13 muestra una espira metaliza girando alrededor del eje EE´, entre los polos de un imán. En los extremos de la espira existen dos anillos colectores, C y D, que se deslizan sobre los contactos F y G, que conectan la espira a un circuito eterno cualquiera. En el caso de la Figura 25-13, tal circuito exterior es simplemente un amperímetro, que se emplea para indicar la presencia de corriente inducida.

Ley de Lenz

Faraday no logro formular una ley que indicara como determinar el sentido de la corriente inducida. Pero en 1834, unos años después de la divulgación de los trabajos de Faraday, el científico ruso Heinrich Lenz enuncio una “regla” que actualmente se conoce como la ley de Lenz, la cual permite resolver este problema.

En otras palabras, la ley de Lenz expresa que:

Cuando la corriente inducida se establece en virtud de un aumento del flujo magnético, su sentido es tal que el campo magnético que origina tiene sentido contrario al campo magnético existente a través del circuito.

Cuando la corriente inducida se establece en virtud de una disminución del flujo magnético, su sentido es tal que el campo magnético que produce tiene el mismo sentido que el campo magnético existente a través del circuito.

El transformador

Qué es un transformador?

En muchas instalaciones eléctricas, e incluso en las de las casas, muchas veces hay necesidad de aumentar o disminuir el voltaje que proporciona la compañía suministradora de electricidad. El dispositivo que permite resolver este problema se denomina transformador eléctrico.

El transformador es un aparato muy sencillo, y que se representa esquemáticamente en la Figura 25-19. Está constituido por una pieza de fierro, denomina núcleo del transformador, alrededor de la cual se colocan dos bobinas.

Relación entre los voltajes primario y secundario

Hasta ahora hemos descrito el transformador y su funcionamiento, pero aun no explicamos por qué puede emplearse para aumentar o disminuir un voltaje de CA. Para ello, designemos por N1 el número de espiras en el primario, y por N2, el número de espiras en el secundario. Por la ley de Faraday podemos demostrar que la siguiente relación es valida:

V_2/V_1 =N_2/N_1

Mediante esta expresión es fácil concluir que si el numero de espiras en el secundario fuese mayor que en el primario, es decir, si N2 > N1, entonces V2 > V1.

En esta forma, el transformador se estaría empleando para elevar un voltaje. Por otra parte, si N2 < N1, tendríamos V2 < V1, o sea, que el transformador se estaría usando para reducir un voltaje.

Ejemplo

Un transformado se construyo con un primario constituido por una bobina de 400 espiras o vueltas, y un secundario con 2000 espiras. Al primario se le aplica una tensión alterna de 120 volts.

a) ¿Qué tensión se obtendrá en el secundario?

El voltaje V2 en el secundario podrá evaluarse mediante la relación V2/V1 = N2/N1.

Como… V1 = 120 V N1 = 4000 N2 = 2000

Entonces…

V_2/V_1 =N_2/N_1 o bien, V_2/120=2,000/400

Donde V_2=600V

b) Suponga que tal transformador se emplea para alimentar una lámpara fluorescente conectada a su secundario. Sabiendo que la corriente del primario es

i_1=1.5A

¿Cuál es el valor de la corriente i2 que pasa por la lámpara (suponga que no hay disipación de energía en el transformador)?

Como sabemos, la potencia desarrollada en un aparato eléctrico recorrido por una corriente i, y sometido a un voltaje V, está dada por P = Vi. Entonces la potencia P1 proporcionada al primario es P1 = V1 i1 y la potencia P2 obtenida en el secundario (en la carga) es P2 = V2 i2. Como no hay disipación de energía (se considera un transformador ideal), Debemos tener P2 = P1.

Entonces:

V_2 i_2=V_1 i_1 o bien, 600i_2=120×1.5

Donde:

i_1=0.30A

Observemos que si un transformador se emplea para elevar una tensión, la corriente en su secundario forzosamente será menor que la corriente en su primario .Obviamente, lo contrario sucede con un transformador que se reduce la tensión.

3.3 Tipos de generadores (excitación separada, derivación, serie y compuesto)

Generalidades del generador DC

La máquina de corriente continua puede ser utilizada tanto como generador o como motor, aunque en la actualidad su uso está dado como motor, ya que la generación de energía en corriente continua se logra mediante equipos rectificadores, de mejor eficiencia y menor costo.

La única diferencia entre un motor DC y un generador DC es por la dirección de flujo de potencia.

En cuanto a su uso como motor, tiene gran importancia en la industria automotriz ya que los vehículos, cuentan con un número importante de motores de pequeña potencia (limpiaparabrisas, motor de arranque, levanta vidrios, calefactor, etc).

Existen cinco tipos principales de generadores DC, clasificados de acuerdo con la manera de producir su flujo de campo:

Generador de excitación separada: el flujo de campo se obtiene de una

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