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Principio de funcionamiento del motor de corriente directa
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Principio de funcionamiento del motor de corriente directa

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  • 1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA El principio de funcionamiento de los motores eléctricos de corriente directa o continua se basa en la repulsión que ejercen los polos magnéticos de un imán permanente cuando, de acuerdo con la Ley de Lorentz, interactúan con los polos magnéticos de un electroimán que se encuentra montado en un eje. Este electroimán se denomina “rotor” y su eje le permite girar libremente entre los polos magnéticos norte y sur del imán permanente situado dentro de la carcasa o cuerpo del motor. Cuando la corriente eléctrica circula por la bobina de este electroimán giratorio, el campo electromagnético que se genera interactúa con el campo magnético del imán permanente. Si los polos del imán permanente y del electroimán giratorio coinciden, se produce un rechazo y un torque magnético o par de fuerza que provoca que el rotor rompa la inercia y comience a girar sobre su eje en el mismo sentido de las manecillas del reloj en unos casos, o en sentido contrario, de acuerdo con la forma que se encuentre conectada al circuito la pila o la batería. Partes Fundamentales de un Motor Eléctrico Como todas las máquinas eléctricas, un motor eléctrico está constituido por un circuito magnético y dos eléctricos, uno colocado en la parte fija (estator) y otro en la parte móvil (rotor). El circuito magnético de los motores eléctricos de corriente alterna está formado por chapas magnéticas apiladas y aisladas entre sí para eliminar el magnetismo remanente. El circuito magnético está formado por chapas apiladas en forma de cilindro en el rotor y en forma de anillo en el estátor. El cilindro se introduce en el interior del anillo y, para que pueda girar libremente, hay que dotarlo de un entrehierro constante. El anillo se dota de ranuras en su parte interior para colocar el bobinado inductor y se envuelve exteriormente por una pieza metálica con soporte llamada carcasa. El cilindro se adosa al eje del motor y puede estar ranurado en su superficie para colocar el bobinado inducido (motores de rotor bobinado) o bien se le incorporan conductores de gran sección soldados a anillos del mismo material en los extremos del cilindro (motores de rotor en cortocircuito) similar a una jaula de ardilla, de ahí que reciban el nombre de rotor de jaula de ardilla. El eje se apoya en unos rodamientos de acero para evitar rozamientos y se saca al exterior para transmitir el movimiento, y lleva acoplado un ventilador para refrigeración. Los extremos de los bobinados se sacan al exterior y se conectan a la placa de bornes.
  • 2. Estator y Rotor Estator:Constituye la parte fija del motor. El estator es el elemento que opera como base, permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor. El estator no se mueve mecánicamente, pero si magnéticamente. Existen dos tipos de estatores: a) Estator de polos salientes b) Estator ranurado El estator está constituido principalmente de un conjunto de láminas de acero al silicio (se les llama “paquete”), que tienen la habilidad de permitir que pase a través de ellas el flujo magnético con facilidad; la parte metálica del estator y los devanados proveen los polos magnéticos. Los polos de un motor siempre son pares (pueden ser 2, 4, 6, 8, 10, etc.,), por ello el mínimo de polos que puede tener un motor para funcionar es dos (un norte y un sur). Rotor: Constituye la parte móvil del motor. El rotor es el elemento de transferencia mecánica, ya que de él depende la conversión de energía eléctrica a mecánica. Los rotores, son un conjunto de láminas de acero al silicio que forman un paquete, y pueden ser básicamente de tres tipos: a) Rotor ranurado b) Rotor de polos salientes c) Rotor jaula de ardilla Tipos de bobinas Un motor monofásico tiene dos grupos de devanados en el estator: el primer grupo, se conoce como el devanado principal o devanado de trabajo; el segundo, se le conoce como devanado auxiliar o de arranque. Estos dos devanados se conectan en paralelo entre sí, el voltaje de línea se aplica a ambos al energizar el motor. Los dos devanados difieren entre sí física y eléctricamente. El devanado de trabajo está formado de conductor grueso y tiene más espiras que el devanado de arranque, éste, generalmente se aloja en la parte superior de las ranuras del estator, en tanto que el de trabajo se aloja en la parte inferior. El devanado de arranque tiene menos espiras de una sección delgada o pequeña de conductor. Carcasa La carcasa es la parte que protege y cubre al estator y al rotor, el material empleado para su fabricación depende del tipo de motor, de su diseño y su aplicación. Así pues, la carcasa puede ser:
  • 3. a) Totalmente cerrada b) Abierta c) A prueba de goteo d) A prueba de explosiones e) De tipo sumergible Base La base es el elemento en donde se soporta toda la fuerza mecánica de operación del motor, puede ser de dos tipos: a) Base frontal b) Base lateral Caja de Conexiones Por lo general, en la mayoría de los casos los motores eléctricos cuentan con caja de conexiones. La caja de conexiones es un elemento que protege a los conductores que alimentan al motor, resguardándolos de la operación mecánica del mismo, y contra cualquier elemento que pudiera dañarlos. Cojinetes Contribuyen a la óptima operación de las partes giratorias del motor. Se utilizan para sostener y fijar ejes mecánicos, y para reducir la fricción, lo que contribuye a lograr que se consuma menos potencia. Los cojinetes pueden dividirse en dos clases generales:
  • 4. a) Cojinetes de deslizamiento: Operan basándose en el principio de la película de aceite, esto es, que existe una delgada capa de lubricante entre el eje y la superficie de apoyo. b) Cojinetes de rodamiento: Se utilizan preferentemente en lugar de los cojinetes de deslizamiento por varias razones: • • • • • Tienen un menor coeficiente de fricción, especialmente en el arranque. Son compactos en su diseño Tienen una alta precisión de operación. No se desgastan tanto como los cojinetes de tipo deslizante. Se remplazan fácilmente debido a sus tamaños estándares Placa de características Cada motor debe contar con una placa de características, en idioma español, fácilmente visible y firmemente sujeta al motor con remaches del
  • 5. mismo material que las placas. Deben ser de acero inoxidable, la pintura del motor no debe cubrirlas, la información debe ser grabada en el metal de las placas de tal manera que pueda ser leída aunque desaparezcan la coloración e impresiones de superficie. La siguiente información o datos son los mínimos que debe llevar la placa de datos y placas auxiliares, de cualquier motor de corriente alterna monofásico o trifásico, en forma indeleble y en lugar visible. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Nombre del fabricante. Tamaño, forma de construcción. Clase de corriente. Clase de máquina; motor, generador, etc. Número de fabricación. Identificación del tipo de conexión del arrollamiento. Tensión nominal. Intensidad nominal. Potencia nominal. Indicación en kW para motores y generadores de corriente continua e inducción. Potencia aparente en kVA en generadores síncronos. 10.Unidad de potencia, por ejemplo kW. 11.Régimen de funcionamiento nominal. 12.Factor de potencia. 13.Sentido de giro. 14.Velocidad nominal en revoluciones por minuto revol/min. 15.Frecuencia nominal. 16.“Err” excitación en máquinas de corriente continua y máquinas síncronas. “Lfr” inducido para máquinas asíncronas. 17.forma de conexión del arrollamiento inducido. 18.Máquinas de cc y síncronas: tensión nominal de excitación. Motores de inducido de anillos rozantes: tensión de parada del inducido
  • 6. (régimen nominal). 19.Máquinas de cc y síncronas: corriente nominal de excitación. Motores de inducido de anillos rozantes: intensidad nominal del motor. 20.Clase de aislamiento. 21.Clase de protección. 22.Peso en Kg o T. 23.Número y año de edición de la disposición VDE tomada como base. La siguiente placa de características es de la casa comercial SIEMENS, veamos que nos indica: Leyendo los datos podemos observar: · 3 ~, representa que es trifásico de corriente alterna. · Mot. 1LA, motor y 1LA nos indica que es de jaula de ardilla este dato solamente lo sabemos a través del catálogo. · IP 55, protección mecánica, clase de protección al polvo y al agua. · IM B5, es la forma constructiva. · IEC/EN, es la norma europea (Internacional Electrotecnical Comsion/Europeam Norm) · TH.CI.F, es el tipo de aislamiento. Leyendo los datos de la izquierda de la placa podemos observar: · 50 Hz, como es lógico indica la frecuencia o ciclos por segundo. · 230/400 V, la primera cifra indica que se debe conectar en triángulo en redes de 230 v y la segunda cifra indica la
  • 7. conexión en estrella del motor en redes de 400 v. · 1.5 Kw, señala la potencia mecánica o úitl desarrollada en el eje. · 5,9/3.4 A, amperaje absorbido (es decir la intensidad de la potencia útil más la intensidad de la potencia perdida en la máquina) por el motor en triángulo la primera cifra y en estrella la segunda. · Cos φ 0,81, coseno de fi de la máquina. · 1420/min, son las revoluciones por minuto, es decir, la velocidad a la que gira el eje del motor. · 220-240/380-420 v, las primeras cifras es la conexión en triángulo y las segundas cifras la conexión en estrella. · 6.1-6.1/3.5-3.5 A, son los amperajes consumidos con respecto a las conexiones anteriores, las primeras cifras en conexión triángulo y las segundas cifras el consumo en la conexión estrella. Bobinado de un motor monofásico Los primero de todo es coger las características del motor que están apuntado en una placa: Los datos de placa de características son: Intensidad: • Cos: Voltaje: R.P.M.: Potencia: • Marca: Una vez apuntado las características del motor hemos de cogidos los datos tanto el de arranque como el de trabajo para el bobinado. Los datos del bobinado son: Numero de ranuras: 24 ranuras
  • 8. Numero de polos : 2 p= 2 polos Bobinado de arranque Numero de bobinas compuestas: 8 Numero de bobinas simples: 8 Diámetro de hilo utilizado Diámetro de la bobina de arranque30 mm Numero de espiras por bobinas simple: 17 espiras 51 espiras 61 espiras 91 espiras Total espiras: 220 espiras Bobinado de trabajo Numero de bobinas compuestas: 8 Numero de bobinas simples: 8 Diámetro de hilo utilizado bobina de trabajo 45 mm Con una regla cogeremos las medidas del molde para bobinar cuyos resultados han sido los siguientes: 18 cm lineales 21cm lineages 23 cm lineales 25cm lineales 27cm lineales FASE DEL BOBINADO
  • 9. Para empezar a bobinar un motor es conveniente marcar debidamente las piezas par facilitar después su montaje una vez marcado las piezas se procederá a la retirada de las carcazas y al descubierto de las bobinas si es necesario extraeremos las bobinas del motor guardaremos todas las piezas extraídas marcaremos la primera espira por donde vamos a empezar a contar las espiras comenzamos a realizar el esquema de conexiones en primer lugar se contara todas las ranuras del motor que en este caso es 24 y se representara de la siguiente forma a continuación se cuentan el numero de espiras de la bobina de trabajo una en una y se a punta de tal forma que hemos obtenido lo siguiente 85 espiras 112 espiras 133 espiras 152 espiras 152 espiras Una vez hecho esto realizamos el esquema de la bobina de trabajo contando la ranura de donde están situadas y es esquema es el siguiente: o se realizara el mismo procedimiento pero con las bobinas de arranque y el resultado será el siguiente al igual que el anterior hemos realizado un esquema con los siguientes números de espiras: 17 espiras 51 espiras 61 espiras
  • 10. 91 espiras Todas estas espiras deben de colocarse con muchísimo cuidado para que no se rompan también tenemos de tener en cuenta no equivocarnos con el numero de espiras ya que esta calculado para que no falten si sobre en las ranuras o . a continuación procederemos a realizar las conexiones que se conectaran final con final y el resultado será el siguiente: COMIENZO DE BOBINADO o .comenzaremos a crear el carrete de bobinado con las medidas dadas anteriormente o una vez creado el carrete comenzaremos a bobinar o cuando tengamos terminada la primera bobina se procederá a introducirla en sus respectivos lugares sin alterar su orden o cuando hallamos introducido la primera bobina empezaremos a bobinar la segunda bobina y realizaremos el mismo procedimiento que con la primera o después continuaremos con la de arranque que se realizaran con el mismo procedimiento que con la primera. o una vez introducidas todas las espiras en su lugar coceremos las bobinas por la parte donde no tenemos las conexiones. o realizaremos las conexiones de la bobina según el esquema. Soldaremos las puntas después las aislaremos. o después de haber realizado las conexiones procederemos a cocer la bobina intentando dejar las conexiones en el mismo lado. o introduciremos las bobinas en el rotor y colocaremos los tornillos según las marcas anteriores o haremos las pruebas de derivación con el Meger y comprobaremos si esta derivado o conectaremos el motor a corriente y comprobaremos si funciona. Que es un transformador electrico Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto
  • 11. es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores. El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario. Funcionamiento Este elemento eléctrico se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, ya que si aplicamos una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, debido a la variación de la intensidad y sentido de la corriente alterna, se produce la inducción de un flujo magnético variable en el núcleo de hierro. Este flujo originará por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en el devanado secundario. La tensión en el devanado secundario dependerá directamente del número de espiras que tengan los devanados y de la tensión del devanado primario. Principio de funcionamiento El principio de funcionamiento del transformador tiene sus bases en la teoría del electromagnetismo resumida en las ecuaciones de maxwell
  • 12. Las ecuaciones de Maxwell son un conjunto de cuatro ecuaciones (originalmente 20 ecuaciones) que describen por completo los fenómenos electromagnéticos. La gran contribución de James Clerk Maxwell fue reunir en estas ecuaciones largos años de resultados experimentales, debidos a Coulomb, Gauss, Ampere, Faraday y otros, introduciendo los conceptos de campo y corriente de desplazamiento, y unificando los campos eléctricos y magnéticos en un solo concepto: el campo electromagnético. Partes El núcleo El núcleo está formado por varias chapas u hojas de metal (generalmente material ferromagnético) que están apiladas una junto a la otra, sin soldar, similar a las hojas de un libro. La función del núcleo es mantener el flujo magnético confinado dentro de él y evitar que este fluya por el aire favoreciendo las perdidas en el núcleo y reduciendo la eficiencia. La configuración por laminas del núcleo laminado se realiza para evitar las corrientes de Foucault, que son corrientes que circulan entre laminas, indeseadas pues favorecen las perdidas. Bobinas Las bobinas son simplemente alambre generalmente de cobre enrollado en las piernas del núcleo. Según el número de espiras (vueltas) alrededor de una pierna inducirá un voltaje mayor. Se juega entonces con el número de vueltas en el primario versus las del secundario. En un transformador trifásico el número de vueltas del primario y secundario debería ser igual para todas las fases. Cambiador de taps El cambiador de taps o derivaciones es un dispositivo generalmente mecánico que puede ser girado manualmente para cambiar la razón de transformación en un transformador, típicamente, son 5 pasos uno de ellos es neutral, los otros alteran la razón en más o menos el 5%. Por ejemplo esto ayuda a subir el voltaje en el secundario para mejorar un voltaje muy bajo en alguna barra del sistema Relé de sobrepresión Es un dispositivo mecánico nivela aumento de presión del transformador que pueden hacerlo explotar. Sin embargo existen varios equipos que explotan a pesar de tener este dispositivo. Existen el relé de presión súbita para presiones transitorias y el relé de sobrepresión para presiones más permanentes. Tablero de control Contiene las conexiones eléctricas para el control, relés de protección eléctrica, señales de control de válvulas de sobrepresión hacia dispositivos de protección.
  • 13. Configuraciones Las bobinas pueden ser conectadas de forma diferente en delta, estrella, o T. Se pueden hacer transformadores trifásicos de tres formas distintas: 1. Conectando tres transformadores monofásicos 2. Núcleo tipo acorazado 3. Transformador tipo núcleo. Clases de ventilación Hay diferentes tipos de ventilación en un transformador. La ventilación puede ser por: Convección natural (N). Ventilación forzada (F). El refrigerante al interior del estante del transformador es de varios tipos: Aceite (O del inglés Oil). Agua (W, del inglés Water). Gas (G). La nomenclatura que designa la ventilación es del tipo XXYY, donde XX indica el tipo de ventilación, y el YY el refrigerante usado. Según esto existen: ONAN ONAF ONWF OFAF Transformador trifásico Existen muchos tipos de transformadores, entre los cuales el transformador trifásico tiene una importancia indudable. Este tipo de transformador se ocupa tanto en generación cerca de los generadores para elevar la insuficiente tensión de estos, así como también en transmisión por líneas de transmisión y en distribución en donde se transporta la energía eléctrica a voltaje menores hacia casas, comercio e industria. Todos los transformadores desde la generadora hasta la entrada de nuestros hogares o industrias son transformadores trifásicos. Un transformador trifásico consta de tres fases desplazadas en 120 grados, en sistemas equilibrados tienen igual magnitud. Una fase consiste en un polo positivo y negativo por el que circula una corriente alterna. No es necesario decir que un transformador no funciona con corriente continua, puesto que para que exista un voltaje V debe haber una variación del flujo. V = N dΦ/dt donde N es el número de espiras del lado de alta o baja tensión del transformador. El término dΦ/dt es una derivada del flujo, o en términos simples la variación del flujo magnético. Faraday demostró en el siglo XVIII que si se acerca un imán a una bobina moviendo el imán o la bobina se induce una corriente y produce un voltaje los cuales pueden hacer trabajo como encender una bombilla. A modo de curiosidad, en Internet existen varios dispositivos, denominados free energy,
  • 14. algunos de los cuales son falsos. Uno de ellos usa un imán permanente de neodimio fijo o estático sujeto a una bobina también fija, supuestamente al conectar una pequeña ampolleta esta daría luz. Esto es claramente un engaño pues no es posible generar corriente con un flujo magnético constante, de hecho el voltaje es 0 en esta situación. El autor sin embargo ocupa otra bobina debajo de la mesa oculta a la cámara, creando un transformador sencillo monofásico (formado por dos bobinas, una oculta y otra visible) en el cual en la primera bobina oculta induce una corriente sinusoidal la cual genera un flujo variable que induce una corriente y enciende la bombilla. Transformador trifásico Tienen tres bobinados en su primario y tres en su secundario. Pueden adoptar forma de estrella (Y) (con hilo de neutro o no) o delta -triángulo- (Δ) y las combinaciones entre ellas: Δ-Δ, Δ-Y, Y-Δ y Y-Y. Hay que tener en cuenta que aún con relaciones 1:1, al pasar de Δ a Y o viceversa, las tensiones de fase varían. 1. Delta estrella: Se usa especialmente en distribución (baja tensión) con delta en alta y estrella en baja con neutro accesible. Esto permite que la onda sinusoidal de tercera armónica se mantenga circulando por la delta, pero no se transmita a las estrella. Autotransformador Un autotransformador es una máquina eléctrica, de construcción y características similares a las de un transformador, pero que a diferencia de éste, sólo posee un único devanado alrededor de un núcleo ferromagnético. Dicho devanado debe tener al menos tres puntos de conexión eléctrica; la fuente de tensión y la carga se conectan a dos de las tomas, mientras que una toma (la del extremo del devanado) es una conexión común a ambos circuitos
  • 15. eléctricos (fuente y carga). Cada toma corresponde a una tensión diferente de la fuente (o de la carga, dependiendo del caso). En un autotransformador, la porción común (llamada por ello "devanado común") del devanado único actúa como parte tanto del devanado "primario" como del "secundario". La porción restante del devanado recibe el nombre de "devanado serie" y es la que proporciona la diferencia de tensión entre ambos circuitos, mediante la adición en serie (de allí su nombre) con la tensión del devanado común. La transferencia de potencia entre dos circuitos conectados a un autotransformador ocurre a través de dos fenómenos: el acoplamiento magnético (como en un transformador común) y la conexión galvánica (a través de la toma común) entre los dos circuitos. Por esta razón, un autotransformador resulta en un aparato más compacto (y a menudo más económico) que un transformador de la misma potencia y tensiones nominales. De igual manera, un transformador incrementa su capacidad de transferir potencia al ser conectado como autotransformador. Relación de Transformación La relación de transformación indica el aumento o decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, la relación entre la tensión de salida y la de entrada. La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) , según la ecuación: La relación de transformación (m) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión. Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario o tensión de entrada, (Vs) es la tensión en el devanado secundario o tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario o corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario o corriente de salida.
  • 16. Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores. Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario, al aplicar una tensión alterna de 230 voltios en el primario, se obtienen 23.000 voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o relación de transformación. Ahora bien, como la potencia eléctrica aplicada en el primario, en caso de un transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario: El producto de la diferencia de potencial por la intensidad (potencia) debe ser constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 amperios, la del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte). ¿Que es un transformador de voltaje Es un dispositivo formado por dos bobinas acopladas en un núcleo de hierro. Su función es transformar ya sea el voltaje o la corriente, subiendo o bajando su valor. Usualmente se utiliza para subir o bajar voltajes, frente a las pérdidas que se producen en las líneas de transmisión. El transformador mantiene constante (suponiendo pocas o ninguna pérdida) la potencia suministrada y permite ajustar los valores de voltaje y/o corriente. En cualquier caso, la energía suministrada debe ser de Corriente Alterna. Transformador de corriente
  • 17. Un transformador de corriente utiliza el campo magnético de una corriente alterna a través de un circuito para inducir una corriente proporcional en un segundo circuito. Las funciones principales de un transformador de corriente son: medir la corriente, aumentarla o disminuirla (a menudo, esto último) y transmitir corriente a los controladores del sistema protector.

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