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Autor:
Ing. Víctor Cires
Gavidia
Octubre, 2003
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A
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sí como los ejércitos de la antigüedad se basaban en
la caballería, los motores eléctricos constituyen la
"caballería" de la industria moderna.
Hay motores eléctricos de todos tamaños, formas y
colores.
Desde los motores más chiquitos que sirven para mover
los relojes, las
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rasuradoras... hasta los más grandes de muchos miles de caballos
que mueven trenes de laminación en las grandes acerías, o
molinos en las minas o en las fábricas de cemento; que operan
una máquina de escribir o que bombean agua para abastecer una
ciudad, que mueven la cinta de una impresora o un malacate en
una mina, etc.
Hay motores de corriente directa: el motor de arranque de
nuestros automóviles, los que arrastran los trenes del metro; de
corriente alterna: que mueven bombas, telares; monofásicos,
trifásicos, síncronos, de inducción, serie, de repulsión etc.
La lista se hace interminable.
Pero:
¿Cómo operan?, ¿Por qué se mueven?
El cómo, trataremos de explicarlo sencillamente, el por qué,
quizás nunca lo lleguemos a saber.
Esto me recuerda un chiste en inglés, de la india jovencita que
abandonó la reservación india y regresó bastantes meses después
en estado avanzado de embarazo.
Para poder ser aceptada por la tribu, debía presentarse al jefe
para tener su aprobación.
Al presentarse ante él y saludarlo, le dijo a la manera india "How".
El gran jefe le contestó "I know how, ¨who?" (Yo sé cómo "how",
¿quien? ¨"who"?).
¿Qué sucederá si conectamos a la batería las bobinas de los
polos y las escobillas de la armadura de nuestro generador?
Efectuemos la operación en distintas etapas para analizar lo que
sucede.
En esto, como en muchas otras cosas, la paciencia nos reditúa
grandes beneficios.
Imaginemos el tiempo en cámara lenta, para poder analizar lo que
sucede en cada microsegundo.
Quiero decir que los fenómenos no suceden instantáneamente,
sino que se efectúan a través del tiempo.
Veamos qué sucede al conectar las bobinas de los polos a nuestra
batería:
La tensión eléctrica existente en los bornes de la batería
empieza a producir una corriente eléctrica en el conductor de
las bobinas, los electrones libres del metal se desplazan.
Estos electrones libres al moverse, producen un campo
magnético.
Pero, este campo magnético empezó en cero, es decir no había
nada de campo magnético, o casi nada, debido al magnetismo
remanente del fierro y con la corriente empieza a aumentar.
Las líneas de fuerza de esta campo magnético al aumentar, cortan
los propios conductores que las forman e inducen en ellos un
voltaje que se opone al voltaje de la batería.
Con los conocimientos adquiridos ya deben saber explicar por qué
sucede esto, ¿está claro?
El resultado es que nuestro circuito magnético, se comporta como
si fuera una inercia, que se opone a la causa que lo produce.
La corriente no aumenta instantáneamente del valor cero al valor
final que adquiere, limitada sólo por la resistencia de los
conductores de las bobinas.
El tiempo que tarda la corriente en adquirir su valor final
depende de...
Desde luego que dependerá del número de espiras de las bobinas,
pues mientras mayor sea el número de conductores que cortan las
líneas de fuerza del campo que se está formando, mayor será la
"fuerza contraelectromotriz", es decir el voltaje que se induce
y que se opone al voltaje que produce la corriente que forma el
campo.
También dependerá inversamente de la "reluctancia" (¿recuerdan
la palabrita?), es decir de la resistencia (magnética) a que se
forme el campo magnético.
A esta propiedad en general los electricistas le llamamos
"inductancia".
Para los que les gustan las matemáticas, les diré que a esta
inductancia le llamamos L y como esa inercia magnética
representa una energía, la que gastamos en formar el campo
magnético, que la almacena, igual que un volante almacena la
energía de movimiento que gastamos en hacerlo girar, la energía
almacenada en el campo magnético vale 1/2 L i2 .
¿No se les hace familiar esa ecuación?
1/2 M v2 es la energía de movimiento de una masa.
¿Ven la similitud con los fenómenos mecánicos?
Al hacer girar un volante para ponerlo en movimiento, gastamos
energía que queda almacenada en este volante en movimiento, la
velocidad final del volante está limitada por la fricción.
Al formar un campo magnético, gastamos energía en formarlo,
energía que queda almacenada en este campo magnético, la
corriente eléctrica que lo forma finalmente está limitada por
la resistencia eléctrica de los conductores.
¿Qué sucede si quitamos la fuerza que está haciendo girar al
volante?
Este tratará de pararse, girando cada vez más despacio,
perdiendo su energía almacenada en fricción con el aire y con
las chumaceras o cojinetes en que se apoya su flecha.
¿Qué sucede si quitamos la corriente que forma nuestro circuito
magnético?
Este tratará de desaparecer, disminuyendo de intensidad,
perdiendo su energía almacenada en el calor que produce la
chispa que se forma en los contactos al tratar de abrir el
circuito eléctrico.
Esta chispa o arco se debe al voltaje inducido en el circuito al
ser cortado por las líneas de fuerza del campo magnético que
trata de desaparecer.
Para evitar que se quemen los contactos que abren el circuito
del campo en generadores o motores grandes, esta energía del
campo magnético se disipa en una resistencia (de descarga), que
se conecta a las bobinas del campo al ser desconectadas de su
fuente.
Estas similitudes, estas coincidencias, nos hacen pensar...
Bueno, ya nos fuimos por otros caminos, volvamos con nuestro
motor.
Ya hemos conectado las bobinas de los polos y tenemos el campo
magnético.
Conectemos ahora las escobillas de la armadura a la batería,
¿qué sucede?
Circula una corriente (muy grande al principio) por los
conductores del rotor que están bajo los polos magnéticos.
La corriente en estos conductores forma su propio campo
magnético que reacciona con el campo magnético de los polos,
debilita el campo magnético en un lado del conductor de la
armadura y lo refuerza en el otro.
Como las líneas de fuerza del campo resultante tratan de tener
una longitud mínima, se produce una fuerza sobre los conductores
que tratan de desplazarlos hacia el campo debilitado.
Estas fuerzas son de sentido contrario en los conductores
situados bajo el polo norte y los colocados bajo el polo sur.
Este "par" de fuerzas hacen girar al rotor, que mueve la flecha,
de la que podemos sacar energía mecánica.
La magnitud de este par de fuerzas depende exclusivamente de la
magnitud del campo resultante, es decir de la magnitud del campo
producido por los polos y de la magnitud del campo producido por
la corriente de la armadura.
Es decir depende de la magnitud del campo (de los polos) y de la
corriente de la armadura.
En el momento de conectar las escobillas de la armadura, circula
una corriente grande, limitada solo por la resistencia de los
conductores de la armadura, que es pequeña y por la inductancia
de la armadura, que es pequeña.
Se produce un "par" grande que hace girar la armadura y lo que
se tenga conectado a la flecha del motor (par de arranque).
Al girar los conductores de la armadura bajo los polos
magnéticos, se produce en ellos una tensión eléctrica (fuerza
contra electromotriz), que se opone a la tensión de la batería,
lo que hace que disminuya la corriente en los conductores de la
armadura, disminuyendo el "par", hasta llegar a un equilibrio al
producirse el par necesario para mover (lo que el motor tenga
que mover) y vencer las fuerzas de fricción.
Este motor así conectado, en derivación de excitación separada,
es un motor de velocidad casi constante.
El "casi", se debe a "la reacción de armadura".
Esta reacción de armadura (sucede tanto en los motores como en
los generadores), se debe a la deformación que sufre el campo
por la corriente que circula por los conductores de la armadura.
Se puede disminuir o eliminar colocando unos polos auxiliares
entre los polos principales y conectándolos en serie con el
circuito de la armadura, de forma que por ellos circule la
corriente de la armadura.
El flujo magnético de este "campo serie" refuerza el campo
magnético principal, compensando la reacción de armadura.
En esta forma podemos tener un motor de velocidad constante.
En los motores de tracción, como en la "marcha" de los
automóviles, o en los motores del metro, en los que necesitamos
un fuerte par de arranque, se prescinde de los polos conectados
en derivación y los polos del campo quedan conectados en serie
con la armadura, circulando por ellos la corriente de la
armadura; mientras mayor es la corriente de armadura, mayor es
el campo y tanto mayor es el par producido.
Como verán, podemos jugar con estos parámetros, en la forma que
nos pegue la gana.
¿Y el alternador, ¿como trabaja el alternador?
Bueno, pues les diré... |
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