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Ciclo de Grado Superior: Desarrollo de Productos Electrónicos Módulo: Mto. Equipos Electrónicos

Curso 2012/2013

MÁQUINAS

ELÉCTRICAS

Máquinas eléctricas

M. Equipos Electrónicos – Dpto. Electrónica FSV – Curso 2012/2013

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1. INTRODUCCIÓN

Por máquina eléctrica, en general, entendemos toda máquina o aparato capaz de transformar en energía eléctrica otra forma cualquiera de energía o a la inversa; así como también se incluye en esta definición a las máquinas que convierten la energía eléctrica de unas características determinadas en energía eléctrica de distintas características, más convenientes a su transporte o a su utilización.

De acuerdo con esta definición podemos clasificar las máquinas eléctricas en tres

categorías: 1) Generadores: Transforman cualquier otra forma de energía en energía eléctrica. 2) Receptores: Transforman la energía eléctrica en otra forma de energía.

3) Trasformadores y convertidores: Conservan la energía bajo la misma forma pero

con características distintas.

2. MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESTÁTICAS: EL TRANSFORMADOR

El transformador es una máquina eléctrica de corriente alterna atípica, ya que no

dispone de partes móviles y se mantiene en la transformación el tipo de energía, aunque no sus características.

2.1. Clasificación Una somera clasificación de los transformadores puede ser la siguiente:

- De potencia. - Autotransformadores. - De medida. Que a su vez se subdividen en: de tensión y de intensidad.

Definiéndolos brevemente:

- De potencia: El objetivo de la transformación, en un transformador de potencia, es cambiar las características de la energía eléctrica para su uso como fuente de potencia.

- Autotransformadores: Se trata de un solo circuito sin aislamiento eléctrico.

- De medida: Su misión es adaptar la tensión o intensidad a las características de un circuito de medida.



3

2.2. Principio de funcionamiento El principio básico de un transformador es el de los dos devanados concatenados

por un mismo flujo magnético. Este flujo magnético es creado por un devanado (el inductor) al ser sometido a una corriente alterna y crea una fuerza electromotriz (f.e.m.) inducida en el otro devanado (el inducido).

En el transformador hay acoplamiento magnético entre bobinados pero no eléctrico. Relación de transformación:

2

1

2

1

N

N

U

Ur ==

Donde:

• U1 es la tensión del primario del transformador. • N1 es el número de espiras del primario. • N2 es el número de espiras del secundario. • U2 es la tensión del secundario. • I1 es la corriente en el primario. • I2 es la corriente en el secundario.

Llamamos devanado primario a aquél en el cual se conecta la fuente de energía

eléctrica (por ejemplo la red).

U1

I1

U2

Φ

Núcleo (material ferromagnético)



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Llamamos devanado secundario del transformador a aquél que es tomado como salida del proceso de transformación.

En el caso de un transformador ideal, esto es, sin pérdidas, la potencia en el primario es igual a la potencia en el secundario, con lo que tenemos:

P1 = P2

U1 · I1 = U2 · I2

Pero en realidad tenemos que P1 = Pútil + Pperdida Potencia útil es la que efectivamente obtenemos en el secundario (P2). Mientras que la potencia perdida es la suma de las pérdidas en el hierro (PFe), debidas al circuito magnético (histéresis y corrientes de Foucault); más las pérdidas en el cobre (PCu), debidas al efecto Joule en los conductores. Así:

P1= Pútil + PCu + PFe

El rendimiento: 1<+

==PU

U

total

útil

PP

P

P

Pη

Si consideramos despreciable la potencia perdida tenemos la siguiente aproximación:

1

2

2

12211

I

I

U

UIUIU ≅⇒⋅≅⋅

Por lo tanto podemos considerar la relación de tensiones inversa a la relación de corrientes. 2.3. Simbología

N1 N2

U1 U2



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Los puntos sobre los bobinados indican los terminales correspondientes. Esto es, los terminales que en todo momento tienen la misma polaridad en primario y secundario. Si no son necesarios no se indican. En la serigrafía de los transformadores de potencia es habitual indicar esta correspondencia mediante el cero y el valor de tensión:

Otros símbolos son: 2.4. Transformadores trifásicos

0

220 24

0

6000 V

10KVA 50Hz

220V

220V 12V

P2

S2

P1

S1

P3

S3



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Las conexiones que se pueden aplicar son las ya conocidas de estrella y triángulo. 3. MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

3.1. Introducción Las máquinas eléctricas rotativas se pueden describir mediante el siguiente gráfico: Dado que los procesos de generador y motor son, en principio, reversibles; se habla más bien, a nivel teórico, de máquinas eléctricas rotativas o de convertidores electromecánicos de energía que de generadores y motores. En términos generales un dispositivo o aparato convertidor electromecánico de energía no es más que una conexión entre un sistema eléctrico y un sistema mecánico. Mediante un apropiado acoplamiento de los dos sistemas se hace posible la conversión de energía eléctrica en mecánica o viceversa. Todo convertidor electromecánico consta de tres partes perfectamente diferenciadas:

- Sistema eléctrico. - Medio de acoplamiento.

- Sistema mecánico.

En una máquina eléctrica rotativa funcionando como motor el sistema eléctrico cede energía al sistema mecánico. Actuando como generador es el sistema mecánico el que cede energía al sistema eléctrico. El proceso es reversible, aunque en él una parte de la energía es irreversiblemente transformada en calor, se produce por tanto una degradación de la energía.

Sistema mecánico

Medio de

acoplamiento

Sistema eléctrico

Generador

Motor



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El acoplamiento entre uno y otro sistema tiene lugar por medio de los campos eléctricos y magnéticos.

3.2. Principios de funcionamiento 3.2.1. Inducción electromagnética

[ ]( )

αSenBvBv

voltiosBvle

⋅⋅=∧

∧⋅=

rr

rrr

Para el caso del ejemplo ⇒= 1αSen

G B

e

l v

N

S

dl = v dt

vBle ⋅⋅=



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Donde:

B: Inducción del campo el Teslas o webers/m2. l: Longitud del conductor en metros. v: Velocidad de desplazamiento en m/s.

Regla de la mano derecha: Para determinar el sentido de e

r podemos también partir del producto vectorial

Bvrr

∧ . El cual implica girar vr sobre B

r y aplicar el sentido del sacacorchos.

Cuando el flujo magnético concatenado por un circuito eléctrico sea giratorio, como en el caso de una espira, habrá que recordar la segunda ecuación de Maxwell:

dt

de

ψ−= (voltios)

B (el campo incide perpendicularmente a la palma de la mano)

v: El sentido del desplazamiento lo marca el dedo pulgar.

e: El dedo índice marca el sentido de la fuerza electromotriz.



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ψ : Es el flujo concatenado en un instante t en webers.

Para N espiras:

dt

mediodNe

)(φ−= (voltios)

N: Número de espiras.

)(mediodφ : Valor medio del flujo. En el ejemplo anterior tenemos la espira formada por el galvanómetro. Los conductores de apoyo y el móvil:

ψφ ddtvlBdSBd =⋅⋅⋅=⋅= (webers)

de donde: vlBdt

de ⋅⋅−=−=

ψ

queda así demostrada la igualdad con la otra expresión.

El signo solamente nos indica el sentido de la f.e.m.

3.2.2. Fuerza y par electromagnéticos Sabemos por la ley de Biot y Sabat, designada también como ley de Laplace, que sobre todo conductor recorrido por una corriente y bajo la acción de un campo magnético, se manifiesta una fuerza mecánica cuyo valor viene dado por:

αSenIlBF ⋅⋅⋅= (Newtons)

Siendo:

B: la inducción en Teslas. l: la longitud del conductor bajo la acción del campo, en metros. I: la intensidad de la corriente en Amperios. α: el ángulo formado por el conductor y la dirección del campo magnético.

En las máquinas eléctricas rotativas IlBF ⋅⋅=⇒=2

πα

No olvidemos que la expresión general es la siguiente: [ ]BlSFrrr

∧⋅⋅= σ



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Donde S es la sección del conductor en m2 y σ es la densidad de corriente en A/m2.

Aquí es de aplicación la regla de la mano izquierda:

B (el campo incide perpendicularmente a la palma de la mano)

F: El sentido de la fuerza lo marca el dedo pulgar.

i: El dedo índice marca el sentido de la corriente eléctrica



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Máquina eléctrica rotativa elemental: Si el conductor se halla sobre una superficie cilíndrica de radio r, como sucede en las máquinas eléctricas rotativas, el par de giro determinado por esta fuerza será:

rIlBrFM ⋅⋅⋅=⋅= (N·m)

El par debido a la totalidad de los conductores de la máquina que se hallen en condiciones análogas será la suma de todos los pares individuales.

N

S

r

B

F

F

e

i

i

l



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Avanzando en nuestro conocimiento de las máquinas eléctricas rotativas, podemos ya distinguir las que serán algunas de las que serán sus partes básicas partiendo de esta máquina elemental de la figura. Estas son:

• Unos polos (Norte y Sur) que generan un campo magnético. Este puede ser creado por un circuito eléctrico. A todo este bloque se le denomina inductor y normalmente será estático (en ese caso se utiliza también la denominación de estátor).

• Una parte con conductores sobre los que actúa el campo

magnético. A este bloque se le denomina inducido (como normalmente tendrá carácter giratorio se le asigna también la denominación de rótor).

• Un espacio libre entre la parte estática y la giratoria denominada

entrehierro.

A continuación vamos a profundizar en esto.

3.3. Constitución general de la máquina eléctrica rotativa La constitución general de toda máquina eléctrica, tanto de corriente continua como de corriente alterna, es muy similar. Toda máquina eléctrica rotativa consta de los siguientes elementos básicos:

• Inductor. • Inducido. • Culata, carcasa o yugo. • Entrehierro. • Eje y rodamientos.

Rodamiento

Entrehierro

Inductor (estátor)

Chaveta

Culata

Eje

Inducido (rótor)



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Las palabras inductor e inducido describen los arrollamientos, las palabras rotor y estator su localización. Aunque se suele asociar inductor con estátor e inducido con rótor, no siempre es así. 3.4. Clasificación de las máquinas eléctricas rotativas Atendiendo a la naturaleza de la corriente eléctrica generada o utilizada, las máquinas eléctricas rotativas pueden dividirse en:

- Máquinas de corriente continua. - Máquinas de corriente alterna.

Las máquinas de corriente alterna, a su vez, por la naturaleza de la corriente de

excitación pueden clasificarse en:

- Máquinas excitadas por corriente continua: Síncronas. - Máquinas excitadas por corriente alterna: de Inducción y de Colector.

Esquemáticamente:

Máquinas eléctricas rotativas

- De corriente continua.

- De corriente alterna.

- Síncronas.

- De inducción.

- De colector.



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4. LA MÁQUINA DE CORRIENTE CONTINUA

Las máquinas de corriente continua de elevada potencia están en franco

retroceso. Esto se debe a que lo que tenían de ventajoso frente a las máquinas de corriente alterna ha desaparecido gracias al desarrollo de la electrónica en el control de las máquinas alternas. Quedando el campo de las máquinas de corriente continua, de difícil construcción1 y mantenimiento, cada vez más reducido a las pequeñas potencias y a los servomecanismos; mientras que las máquinas de corriente alterna se adueñan del resto de campos, y muy especialmente los motores de inducción.

4.1. Constitución general de una máquina de corriente continua La máquina de corriente continua se puede subdividir físicamente en las siguientes partes constitutivas:

1. Un órgano productor del campo magnético, al cual denominaremos inductor. Éste se encuentra siempre en parte fija de la máquina.

2. Una parte activa donde se generan las f.e.m. y los pares mecánicos, a la cual denominaremos inducido. Éste se sitúa en la parte móvil.

3. Un dispositivo de conversión, llamado colector. 4. Un dispositivo de captación de corriente formado por escobillas y

portaescobillas.

4.2 Principio de funcionamiento

Partiremos de una espira girando en el interior de un campo magnético.

1 En el fondo no existe la máquina de corriente continua.

A B

N

S

B

Br

Sr

ϖ = Cte.



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- Campo B constante y de distribución uniforme.

- Espira girando a velocidad angular (ϖ) constante.

- La espira se comunica con el circuito exterior mediante dos anillos que giran sobre dos escobillas que garantizan un buen contacto eléctrico.

- La espira describe un plano que se caracteriza por el vector Sr frente al

campo Br.

Como tSenee o ϖ⋅= con máximoo Ve = ; tenemos que la tensión entre A y B será

senoidal.

Recordar que dt

dNe

φ−=

El flujo varía de forma cosenoidal: θφ CosSB ⋅⋅=

θ es el ángulo entre Sr y B

r.

Como ϖ es constante t⋅Ω=⇒ θ

Y finalmente tCosSB Ω⋅⋅=φ

VAB

φ



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Espira en posición horizontal ⇒ φ máximo y e=0.

Espira en posición vertical ⇒ φ mínimo y e máximo. Lo que crea la fuerza electromotriz inducida es la variación de flujo, no la cantidad de flujo que la atraviese. Si ahora queremos dar el paso a una máquina de corriente continua elemental tenemos que conseguir que la tensión entre A y B no sea alterna, como hemos visto, sino continua. Para esto conocemos, por nuestros conocimientos previos de electrónica, la idea de rectificación; sin embargo en este caso no es una rectificación con diodos, sino una rectificación mecánica mediante la utilización de un solo anillo para la conexión al exterior de la espira. Este anillo ha de estar dividido, en nuestro ejemplo elemental en dos, para lograr que cuando cambie de sentido la f.e.m. inducida en la espira, también cambien los semiciclos de la escobilla, dando como resultado una corriente unidireccional.

A B

N

S

Escobillas

Colector de delgas: semianillos aislados y giratorios.



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En el momento que refleja la figura las escobillas cortocircuitan los dos anillos, pero no debe ser problema, en teoría, porque es el instante en que e = 0. El efecto es el de la rectificación: Aumentando el número de espiras y por tanto el número de divisiones en el anillo conseguimos mejorar la calidad de la continua.

VAB

t

VAB

t



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4.3. Colector de delgas y escobillas El colector de delgas

El “colector de delgas” es el “anillo” dividido en función del número de espiras. Lo constituyen piezas trapezoidales aisladas entre sí, reciben el nombre de “delgas”. Las delgas entre sí están aisladas por Mica, un material aislante. Es el grupo completo de delgas aisladas formando un anillo lo que conocemos como “colector de delgas”. Se trata de uno de los elementos más delicados de la máquina. Las escobillas

Las escobillas son unos elementos fijos en contacto con el colector mientras éste está rotando. Ellas son las que permiten comunicar eléctricamente con el exterior la parte giratoria de la máquina. Las escobillas han de tener las siguientes cualidades:

⇒ Facilidad de deslizamiento (poco rozamiento). ⇒ Buena conductividad eléctrica.

Éstas se han de colocar sobre un porta-escobillas cuya misión es la de conseguir:

Aislamiento de Mica

Delga

Cobre (Cu)



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⇒ Mantener un buen contacto de la escobilla con el colector. Se consigue mediante un sistema de muelles que por un lado garanticen el contacto y por otro minimicen el rozamiento.

⇒ Reducir al mínimo las vibraciones. Las escobillas son un elemento que sufre desgaste y que han de ser sustituidas. El

material que se utiliza para su construcción suele ser grafito, que dispone de unas buenas características eléctricas y minimiza el rozamiento (eso sí a costa de su desgaste).

Terminar diciendo que las máquinas eléctricas rotativas de corriente continua son

las más complejas por lo que a su construcción se refiere. Pero desde el punto de vista eléctrico y funcional son las más sencillas. También son las más caras.

4.4. Conexiones de las máquinas de corriente continua Representación esquemática Existen cuatro sistemas diferentes de excitación para un motor de corriente continua:

• Independiente. • Serie. • Paralelo (shunt). • Compuesta (compaund).

+ -

Corriente de excitación

Bobina excitadora Inducido

Corriente de inducido



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Excitación independiente Excitación serie

Excitación paralelo

+ -

I e

V

C

D B

A

Ii

Ub

+ -

F E

B

A

Ii=Ie

Ub

+ -

I e

C

D B

A

Ii

Ub



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Excitación compuesta

+ -

C

D B

A

Ub

F E



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5. MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA 5.1. Campos magnéticos giratorios Sin llegar a profundizar, nos vamos a limitar a comentar la idea principal. Sean tres bobinas distribuidas en el estátor de modo que están separadas 120º y cada una alimentada a través de la red trifásica.

ia ib ic i

t

t1 t2 t3

120º

120º

a

a´

c´ b´

b c

b a 120º de a c a 120º de b



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Vamos a estudiar en cada uno de esos t la situación del campo magnético: t1: t2:

a

a´

c´ b´

b c

N S

En el instante t1, la ia tiene sentido contrario a ib e ic, luego suponiendo que es entrante en a, en b y c es saliente, y por tanto en a´ saliente y en b´ y c´ entrante. Luego , por el campo generado en el interior es como si apareciera un N a la derecha y un sur a la izquierda.

El campo ha girado 120º, que es el desfase entre t1 y t2. Entre ambos el giro del campo se ha ido produciendo progresivamente.

N

S

a

a´

c´ b´

b c



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t2: Observando para todo t nos encontramos con un campo giratorio

Ha girado de nuevo 120º.

a

a´

c´ b´

b c

N

S

B

L1 L2 L3



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La velocidad de sincronismo, esto es, la velocidad a la que gira el campo magnético nos la proporciona la siguiente fórmula:

p

fnS 60=

nS = revoluciones por minuto (r.p.m.) f = frecuencia (Hz) p = pares de polos

5.2. Motores de inducción o asíncronos Constitutivamente los dos grandes bloque son el estátor (inductor) y el rótor (inducido). El estátor responde al principio de generación del campo giratorio. El rótor introduce novedades a lo visto hasta ahora, ya que para él existen dos posibilidades, las cuales tiene en común que sus bobinas, las bobinas rotóricas, se cierran sobre sí mismas, bien en cortocircuito o bien mediante un circuito exterior. Esto da lugar a dos tipos de motores de inducción o asíncronos: rótor en cortocircuito y rótor bobinado. a) Rótor en cortocircuito

El bobinado rotórico se cierra internamente en cortocircuito, no hay acceso exterior a él. La forma física de ejecutarlo es mediante aluminio fundido sobre las ranuras preparadas del rótor, cerradas en los dos extremos por sendos anillos de aluminio.

Las barras laterales que siguen el eje del rotor se encuentran desplazadas de forma que el conjunto se semeja a un típica jaula de ardilla (como si los dos anillos los retorciéramos ligeramente en sentidos contrarios). Esta forma helicoidal busca evitar que el conductor entre de golpe en el campo y evitar así tirones del par. De ahí que este tipo de motor reciba el nombre de jaula de ardilla.



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b) Rótor bobinado El debanado rotórico se forma mediante bobinado de hilo. Las tres bobinas resultantes quedan unidas internamente por un extremo, el otro se conecta a a un colector al que irán conectadas las correspondientes escobillas. De este modo desde el exterior se pueden controlar las corrientes rotóricas. Para evitar los tirones del par cuando un conductor entra en el polo de golpe, se colocan los conductores del rótor de forma helicoidal. La denominación de motores de inducción se debe al hecho de que el giro de rótor es producido por las corrientes inducidas por el estátor en las bobinas del rótor. Y se denomina asíncrono porque su velocidad es siempre inferior a la de sincronismo (funcionando como motor). Si exteriormente se le fuerza a una velocidad n superior a la de sincronismo nS pasa a comportarse como un generador que devuelve energía a la red. Hay que tener en cuenta que esta máquina no puede actuar por sí misma como generador, ya que no es capaz de generar la energía reactiva necesaria. Este problema no existe cuando actúa conectado a la red.



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5.2.1. Placa de bornes En el devanado estatórico de una máquina eléctrica trifásica nos encontramos con tres bobinas correspondientes a las tres fases: Podemos ver las tres bobinas (U, V, y W), y la denominación normalizada de sus terminales. Antiguamente la denominación era la siguiente: En los motores se coloca una “placa de bornes” con seis terminales, conectados a las bobinas del motor, sobre los que se pueden efectuar las conexiones necesarias de las bobinas a la red y entre ellas.

U1

V1

W1

U2 V2 W2

U

V

W

X Y Z

U1 V1 W1

W2 U2 V2



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El motivo de esa distribución es que facilita la conexión en estralla y en triángulo. Lo habitual es que el motor disponga de tres chapas metálicas que pueden unir tanto vertical como horizontalmente los terminales. Son necesarias cuando la conexión del motro en estrella o triángulo es fija, en caso contrario la controlará el circuito exterior. Conexión en estrella:

U1 V1 W1

L1 L2 L3

W2 U2 V2

La tercera chapa también se coloca, como forma de evitar perderla, en previsión de un cambio futuro.



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Conexión en triángulo:

5.2.2. Cambio del sentido de giro Intercambiando dos fases se invierte el sentido de giro del motor:

U1 V1 W1

L1 L2 L3

W2 U2 V2

L1 L2 L3 L1 L2 L3



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5.3. La máquina síncrona La máquina síncrona es un convertidor electromecánico rotativo de corriente alterna, excitado por corriente continua, o bien por imanes permanentes en máquinas de pequeña potencia. El nombre de síncrona se debe a que su velocidad es la de sincronismo:

p

fnS 60=

Como el resto de las máquinas rotativas, las máquinas síncronas son reversibles, pudiendo funcionar como motor o generador. Como motor tiene la ventaja de una velocidad fija en función de la frecuencia, por el contrario requiere excitación en continua y carece de par de arranque. Como generador (alternador es su gran aplicación) constituye el modelo más importante para la producción de energía eléctrica (más del 90% se produce mediante estas máquinas). La frecuencia de la corriente alterna generada por un alternador depende de la velocidad a la que gire:

p

nf S60=

5.4 Motores de corriente alterna con colector Desde el año 1880, aproximadamente, se sabe que el motor serie de corriente continua puede, en principio, funcionar con corriente alterna. El motivo es que al invertirse simultáneamente la polaridad del campo inductor y el sentido de la corriente de inducido, permanece invariable el sentido de la fuerza electromagnética sobre los conductores del inducido y, en consecuencia, el sentido del par motor. Pero su realización práctica exige una ejecución especial para evitar los problemas propios del uso de la corriente alterna, tales como las pérdidas por histéresis y las corrientes de Foucault, por lo que en vez de bloques macizos se emplean (como en todos los motores de C.A.) chapas apiladas. Sin embargo, el motor pensado exclusivamente para corriente continua no se va a prestar a este doble uso, además de por los problemas ya indicados, por la elevada inductancia del devanado inductor. El motor universal Se llama motor universal a un motor serie monofásico de colector de reducida potencia, inferior por lo general 1 C.V. (736 w), que puede funcionar, bajo la misma tensión nominal, indistintamente en corriente alterna o continua, manteniendo la misma velocidad.



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5.5. Motores monofásicos Frente al de colector el de inducción es el más simple y de mayor difusión en todas aquellas aplicaciones en las que no se dispone del ideal de una red trifásica (en el hogar: lavadoras, neveras,...). Constructivamente es similar al motor trifásico, pero al ser monofásico no se produce un campo magnético giratorio y el motor carece de par de arranque, por lo que necesita un devanado auxiliar para arrancar. También se utiliza un condensador que convierte al motor en bifásico y posibilita ese arranque. Existe así mismo en la mayoría un interruptor centrífugo que desconecta el devanado auxiliar al 75% de la velocidad nominal. Motor monofásico de espira de sombra A causa de su simplicidad, bajo costo y mantenimiento poco frecuente, los motores monofásico con polos amortiguadores (o espira de sombra) se emplean mucho en pequeñas potencias (para décimas de CV) cuando se requiere un pequeño par de arranque (por ejemplo ventiladores). También se conoce como motor “Ferrari”.

El paquete de chapas estatóricas forma polos salientes. El rótor es del tipo jaula de ardilla. Las dos espiras en cortocircuito colocadas en los polos crean un campo giratorio que permite un par de arranque en el sentido de la parte no abrazada por la espira.



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