Veremos primero que es el la Inducción magnética: La Inducción magnética es la cantidad de líneas de fuerza que atraviesa una superficie. Se mide en Teslas y se representa por B. La relacion que existe entre esas lineas de fuerza (flujo magnético ) y la superficie no dará la Inducción B B = Φ / S Hay que tener en cuenta que B es un vector y su módulo depende de la posición de la superficien respecto de las líneas de flujo.El flujo se mide en Weber y la inducción en teslas. Fuerza del campo manético sobre una carga móvil El físico holandés H.A. Lorentz ( a la zquierda ) dentro de unos experimentos realizados sobre cargas en movimiento, obtuvo lo siguientes resultados
En la figura de la izquierda tenemos representado los 3 vectores protagonistas de la fuerza de Lorenz, de valor F = q* V * B * senφ donde q es el valor de carga eléctrica, V la velocidad, B la inducción del campo ( que se mide en Testlas ) y φ es el ángulo que se forma entre el vector V y BEs facil recordar el sentido de F si aplicamos la regla nemotécnica siguiente. Desde Valencia a Barcelona, llegamos a Francia. He tomado la primera letra de la ciudad V de velocidad para valencia, etc .Al unir V con B por la regla del sacacorchos tenemos F Tambien podemos aplicar la regla de la mano derecha ... ¿ o era la mano izquierda..?. Uff que lio.. Fuerza sobre una corriinte rectilinea
F = Q* V * B * senφ = I * l * v *B * senφ / v = I * l * B * senφ En la imagen de la izquierda tenemos un cable con cargas en movimiento y un campo B que lo atraviesa. Si aplicamos la regla anterior, veremos como la fuerza F tiene ese sentido Un paso más. Veamos que ocurre en una espira En esta primera representacion veremos que las fuerzas que actuan sobre los lados b ( los mas estrechos ) se anulan dado el sentiod que tiene la corriente. ( Aplicar la regla del sacacorcho uniendo i hacia B ). Por tanto tenemos que fijarnos en como actua sobre los otros lados de longitud b Ahora tenemos una situación diferente. Las fuerzas tienen la misma dirección y sentido contrario, por tanto vamos a provocar un momento. Pasamos a su estudio. La fuerza que actua sobre un conductor, según el estudio anterior es F = a * i * B * sen 90 = a * i * B La fuerza sobre el otro lado será la misma pero con sentido contrario En la imagen de la derecha tenemos la representacion trasversal de las fuerzas que aparecen en la espira, representando el punto rojo la corriente que sale y la cruz la corriente que entra por el otro lado de la espira El momento sobre un eje se define como la fuerza por la distancia al eje, por tanto como hay dos fuerzas, tenemos que el momento total es M=2F1·(b/2)·cosΘ =i·ab·B·cosΘ =i·S·B·cosΘ Ejecicio. Calcular el momento que aparece en una esperira, si sus dimensiones son a=30 y b=20 cm , B =0.004 T , la intensidad I =3 A y el ángulo que forma la espira con B es q =60º . Resultado : 0.00036 N·m Ley de Faraday. Fuerza electromotriz inducida Que ocurre si ahora tenemos una espira que gira dentro de un campo manético?. Si aplicamos movimiento dentro de un campo, el tercer factor sale a relucir, o sea , aparece una fuerza electromotriz inducida ( tensión ) que va a provocar el tercer parámetro ( la intensidad ). Seguimos como en el caso de los tres moqueteros ( inseparables ).Veremos primero un video Tenemos tenemos en este caso, un conductor que se mueve a una velocidad V dentro de un campo magnético B que entra en el papel. La fuerza tiene sentido hacia arriba y por tanto las cargas positivas se van a acumular en el extremo superior y las negaticas en el Inferior. Si tenemos una acumulación de cargas en un conductor tenemos una diferencia de potencial que tiene a provocar una corriente electrica. Fijaros que al producirse una distribución de cargas, se origina un campo eléctrico de valor Ee. Tambien es cierto que el trabajo de llevar una carga desde el extremo del conductor al otro extremo viene dado por la fórmula clásica, W = fuerza * desplazamiento y en este caso w = F * l = q * v * B * l Como se define el potencial como el trabajo realizado por unidad de carga, tenemos ε = W / q = v * B * l Veamos una ilustración donde un conductor se desplaza sobre un bastidor por el que circula un campo BEn este caso, las líneas de campo va a reducirse en la medida que nos acerquemos al final. El flujo se define como dΦ = B (-dS ) = - B (l * v * dt) = Si pasamos el dt al otro lado => dΦ /dt = -B * l * v Comparando ámbas ecuaciones, tenemos que ε = - dΦ /dt. Si hay N espiras, entonces ε = - N * dΦ /dt. O sea que la fuerza electromotriz solo va a depender de la rapidez con la que varía el flujo. Si no varía, aunque sea muy intenso, el valor de ε es cero. Ejercicio. Calucular el potencial en una bobina de 5 espiras si un flujo aumenta de 10 a 11 Webbers en una décima de segundo. Sol: 50 voltios Ley de Lenz: Las corrientes inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjeron. Corrientes de foucault: Al existir dentro de un material magnético un campo B, se vienen a producir una corriente de sentido tal que van a provocar otro campo B2 que se opone al primero. Pensemos que este es un nuevo caso del principio de acción reacción. En el caso de la figura izquierda, se supone que la base metáliza se mueve arriba y abajo. Tambien puede ser el caso de una base de cazuela bajo la influencia de un campo B, en cuyo caso se producen las corrientes internas que a su vez provocan calor para cocer los alimentos ( principio de las modernas cocinas de inducción ) Pero, aparte del caso anterior y algún otro, estas corrientes parásitas no son deseables ya que , en general, van en contra del efecto que quiero producir. La solución está en "dificular el paso a la corriente". ¿ Cómo ?, añadiento Resistencia al circuito a base de laminarlo. Por esto mismo, los bloques magnéticos suelen estar laminados Ciclo de histéresis Los valores B y H están relacionados entre si por la permeabilidad magnética y por tanto B = μ * H En la fugura de la derecha vemos la relaión en un material magnético de estos valores y comprobamos que encierra una área de importancia para el cálculo de las pérdidas en este tipo de circuito.Vamos por partes. La línea de primera imantación va desde cero a un valor máximo. Hasta ese punto todo bien, pero que ocurre si queremos ir pa tras ( como dicen por estas tierras ). Vemos que el camino no es el mismo y al material le cuesta desimantarse. Según variamos H ( cambiando los amperios de la corriente ) tenemos que los caminos de "ida " y "vuelta" no son iguales, generandose una área en el interior. A esto se le llama ciclo de Histéresis. Interesa que el material tenga una curva lo más estrecha posible para que las pérdidas por histéresis sean lo menor posible. La Energía que se pierde viene dada por la expresión W = η * (Bm)n donde η es el coefiente de Steiment, n es un coeficiente que varia entre 1,5 y 2,5 y Bm es la Inducción máxima Circuito magnético Al igual que los circuitos hidraulicos o eléctricos, los circuitos magnéticos pueden ser simplificados por ciertas formulas aplicando los mismos criterios.Según la ley de hopkinson tenemos que el flujo es igual al cociente entre la fuerza magnetomotriz y la reluctancia Φ = fmm/ R donde R = L/(μ * S) o dicho de otra forma, el flujo en weber es igual a la cantidad corriente que circula por la bobina entre la resistencia magnética del circuito Las diferencias entre un circuito eléctrico y uno magnético vienen en la pagina 208. Constitución general de la máquina eléctrica Veremos primero las máquinas rotativas, compuesta porRotor ( parte móvil ) Estaror ( Parte inmovil ) El espacio entre ámbas partes se llama entrehierro y es lo mas pequeña posible para evitar las pérdias magnéticas en el circuito magnético. Ya desde un punto de vista energético, debe haber una parte que produzca el campo y otra que lo recibe. Se llama inductor al bobinado que produce el campo magnético e inducido al bobinado que lo recibe para crear movimiento ( motor ) o fuerza electromotriz ( generador ) Por otro lado, tenemos que la fuerza ejercida sobre un conductor depende de B y as su vez B denpende del número de lines de campo, por lo que la fuerza va a ser mayor al tener un B mayor. En la imagen de la derecha tenemos un motor con 3 pares de polos magnéticos. El motivo de ello es debido a incrementar el número de lugares geométricos donde el campo magnético es máximo. Si tenemos solo un par, el máximo se daría en la línea que une los dos polos. En la medida que nos separamos, el flujo se dispersa y la fuerza disminuye. Al incrementar el numero de pareja de polos incrementamos la intensidad de campo en todo el entrehierro, incrementando la potencia de motor. Clasificacion de las máquinas rotativas Potencia: La potencia de una máquina eléctrica es la energía desarrollada en la unidad de tiempo La potencia en un instante determinado depende de las condiciones en la s que está trabajando, por ejemplo, en un motor de la resistencia mecánica de los mecanismos que mueve. Entre los valores de Potencia mas importantes tenemos:
Balance de Energía. Perdidas Desde las pérdidas por calor en el hilo de cobre a las de histéresis, pasar de un tipo de energia mecánica-eléctrica o viceversa, tiene un preciosPotencia en el cobre. Cuando por un conductor circula corriente I, por efecto Joule se disipa una calor que va a depender del valor de I y del valor de la resistencia del cobre. En un debanado la resistencia es funcion de la longitud del hilo, de la sección ( de forma inversa ) y de un parámetro que depende de la naturaleza del conductor denominado , ρ ( si es bueno, ρ será bajo y si es mal conductor ρ será alto ). Por tanto tnemos que: R = ρ * L / S sinedo L la longitud del conductor y S la sección p = V * I = I2 * R = I2 * ρ * L / S Hay que tener en cuenta que la resistencia aumenta conforme lo hace la temperatura y por tanto a medida que el calor se calienta , las perdidas son mayores. Veamos un ejemplo muy llamativo con el caso del filamento de una bombilla. Ejercicio. La Resistencia de un filamento de Wolframiio es 30 Ω a temperatura ambiente. Si incrementamos esta temperatura a 1000 ºC, calcular la resistencia del filamento. Pérdidas por el campo magnético. Como indicamos anteriormente son las producidas por las corrientes de foucault y las de histéresis Pérdidas mecánicas. Son las provocadas por los rozamientos de los cojinetes, rozamientos de escobillas y rozamientos por ventilación y aire. Relativas a las de aire, todo cuerpo en movimiento se ve sometido a un empuje de dirección contraria a su movimiento como sonsecuencia de la presencia de aire. Las de ventilación son las utilizadas por el pequeño ventilador acoplado en el eje cuya finalidad es refrigerar el bobinado Par-velociadad en un motor En la imagen superior se representa dos curvas para distintas cargas A y B A relaciona el par resistente de un motor para una carga determinada y B para una carga resistente diferencte. Mia es el par motor del motor de inducción. Veamos como se comporta el motor según estas - ArranqueEn el arranque, la velocidad es cero (n=0). En este caso, el valor que nos da la curva ( A o B ) corresponde al valor mínimo que debe aplicarse a la carga para ponerla en movimiento. Es funcion del momento de inercia de toda la máquina junto a las resistencias mecánicas . Tenemos en la gráfica otro punto marcado como Mn, que representa el par nominal de la máquina. siendo el par de arranque de 1,25 a 2,5 veces el valor del par nominal (Mn). Como en el arranque el bobinado no empieza a trabajar, no se produce fee y desde el punto de vista electrico, tenemos un conductor de baja Resistencia. En esta circusntancia, la correinte de arranque ( Ia ) tomara un valor entre 5 y 8 veces la intensidad nominal In. Funcionamiento en vacío Si el motor arranqua en vacío, sin carga posicionada en el rotor, el punto de funcionamiento se representa por P, donde el par suministrado es nulo, con la excepción de tener que compensar un par propio relacionado con los roces internos y el momento de inercia del rotor. Funcionamiento estable con cargaEn el caso general de un motor con carga, el punto Q de funcionamiento (Mn, nn), la curva de la carga se corta con la curva de del motor, compensandose y estableciendo un regimen normal de funcionamiento. En el caso de que la carga se modifique, pasando de una curva de carga A a la B, se llega a otro punto de funcionamiento estable (Q1) , donde el motor baja la velocidad para aumentar su par. Por último, es importante el concepto de la estabilidad. Se dice que la máquina es estable si ante cualquier estímulo externo ( mayor carga .. ) el motor reacciona de tal manera que busca un restablecimiento de las condiciones normales ( puede buscar otra nueva velocidad estable ). Si es inestable, el motor no reacciona para compensar esa situación, dando lugar a un motor con la velocidad disparada o , por el contrario , a un motor parado |
Webquest de introducción a las Máquinas Eléctricas. Aquí podrás encontrar información, videos y enlaces sobre todo lo relacionado con las máquinas eléctricas y su funcionamiento.
martes, 14 de junio de 2011
Caracteristicas Generales de las Maquinas Electricas
lunes, 13 de junio de 2011
Fabricación motor Brushless desde uno Brushed
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Motor Brushless
Los motores brushless han derivado de los motores de los CD ROM, los DISCOS RIGIDOS y los ventiladores de computación, son motores trifásicos de alto rendimiento y bajo peso.
Mi opinión es que ningún otro invento a contribuido tanto en la mejora del nivel de vuelo de los pilotos de radiocontrol en todo el mundo, en tan poco tiempo, como estos motores y las baterías de litio polímero.
Básicamente, hay dos tipos de motores brushless, los inrunner y los outrunner. Los primeros son de mas velocidad, su torque máximo lo tienen a muy altas revoluciones, por lo que se usan con reductoras o con ducted funs. Los outrunner tienen su torque máximo a baja velocidad, por lo que no necesitan reductoras, van directamente a la hélice.
Los hay de diversas marcas, precios y potencias.
Aun los mas económicos funcionan perfectamente, no tienen desgaste ya que solo constan de un bobinado de varios polos y varios imanes permanentes de alta potencia, normalmente de Neodimio, y dos rulemanes, no tienen fricción de ningún tipo al no tener escobillas (carbones), lo que los hacen casi eternos, hasta se pueden cambiar fácilmente los rulemanes, que podrían llegar a desgastarse o romperse ante un golpe muy fuerte.
Lo que gira en los outrunner es la parte exterior, donde están pegados los imanes, quedando en su interior los bobinados fijos, que suelen ser de alambre de cobre grueso, pocas vueltas por bobina, todo muy sólido.
Estos motores trabajan gracias a los variadores de velocidad (speed control), que transforman la corriente continua de las baterías en una tensión alterna trifásica.
Se puede invertir el sentido de rotación fácilmente con solo invertir entre si dos de los tres cables que unen al speed con el motor.
gentileza wikipedia |
Principio de funcionamiento En un motor de corriente continua con escobillas, se obtiene par motor gracias a la interacción del campo magnético inductor, estacionario, y la intensidad del arrollamiento inducido giratorio. Campo y corriente eléctrica se mantienen siempre en la misma posición relativa gracias al mecanismo de conmutación formado por el colector de delgas y las escobillas. En motores de pequeña potencia suele obtenerse la excitación mediante imanes permanentes. En este caso, solo se dispone de dos terminales para el control y la alimentación del motor. Las relaciones básicas electromecánicas son en este caso las siguientes: Siendo, Tm: Par motor; i: intensidad de inducido; E: tensión inducida; W: velocidad angular El hecho de tener control directo sobre el par mediante la intensidad de inducido, y sobre la velocidad a través de la tensión, convierte a este motor en el modelo de referencia para la regulación de velocidad. No obstante, la alimentación del inducido a través de las escobillas y el colector presenta muchos inconvenientes, hasta el punto que en algunos casos se hace inviable su utilización. El motor que nos ocupa es similar al de corriente continua con escobillas, con las siguientes salvedades: a) la conmutación se realiza de forma electrónica en lugar de mecánica; b) los imanes permanentes van alojados en el rotor en lugar de en el estator y c) las bobinas van alojadas en el estator, constituyendo un devanado monofásico o polifásico. Su funcionamiento se basa en la alimentación secuencial de cada una de las fases del estator de forma sincronizada con el movimiento del rotor. De esta forma, los imanes permanentes siguen el movimiento del campo magnético estatórico, cuyo desplazamiento depende a su vez del giro del rotor. Fig. 1: Esquema de funcionamiento de un motor de corriente continua sin escobillas Fig. 2: Aspecto de un motor de corriente continua sin escobillas trifásico La figura 3 muestra la configuración más empleada de la etapa de potencia. Se compone de seis transistores de potencia MOSFETs o IGBTs, dependiendo de la tensión de alimentación. Para la regulación de velocidad se emplea la técnica PWM con portadora de alta frecuencia. Fig. 3:Inversor trifásico en puente con IGBTs Una primera clasificación de estos motores se realiza en base a la forma de la onda de tensión inducida y los divide en dos grupos. En el primero se encuentran aquellos cuya onda de tensión inducida es senoidal, también llamados "Motores Síncronos de Imanes Permanentes". Son motores de altas prestaciones y se emplean sobre todo en servosistemas. En un segundo grupo se incluyen los de onda trapezoidal, conocidos como “Motores de Corriente Continua sin Escobillas, o "BRUSHLESS DC”. Suelen ser motores de pequeña potencia y de prestaciones dinámicas no muy exigentes. Control del motor de f.e.m. senoidal Los motores de f.e.m. senoidal han de ser alimentados con un sistema de tensiones e intensidades también senoidales, y sincronizadas en todo momento con la f.e.m. inducida. El control de estos motores es complejo y se recurre a técnicas similares a las empleadas en los motores asíncronos, incluidas las técnicas de control vectorial. Control del motor de f.e.m. trapezoidal La figura 4 muestra las ondas de tensión y de intensidad correspondiente a una fase para un motor de este tipo. En la figura 5 se han dibujado las tres tensiones para un motor trifásico y los transistores que intervienen en cada intervalo de funcionamiento. Hay que destacar que la conducción se realiza siempre a través de dos transistores; uno de los del grupo superior (T1, T2 o T3) y otro de los del inferior (T4, T5 o T6), de forma que siempre hay una bobina desactivada. Fig. 4:Formas básicas de tensión e intensidad de un motor de CC sin escobillas Fig. 5: Ondas de ff.ee.mm. e intervalos de conducción La eliminación de las escobillas conlleva la necesidad de un circuito electrónico encargado de alimentar las distintas fases en función de la posición del eje y la de un sistema de sensores, tres por lo general, para detectar la posición del mismo. Estos sensores suelen ser del tipo Hall, sensibles al campo magnético, colocados en el devanado del estator y cerca de los imanes del rotor. La existencia de estos elementos presenta algunos inconvenientes, como son la menor fiabilidad y la complejidad de montaje de los sensores y de su cableado, lo que encarece la fabricación del motor. Por todo ello, en los últimos años se han desarrollados sistemas de detección “sin sensores” para aquellas aplicaciones donde no se requiere par motor a muy baja velocidad. Las técnicas se basan en determinar la posición rotórica a partir de las tensiones inducidas en los devanados del motor. Como quiera que en la fase de arranque no se dispone de tensiones generadas por el movimiento, se recurre a distintas técnicas de puesta en marcha dependiendo de la aplicación; todas ellas basadas en microcontroladores o en circuitos integrados específicos. Fig. 6: Sistema de tensiones utilizadas para determinar la posición rotórica en un Motor de CC sin escobillas sin sensores de posición. Tendencias El auge de estos motores en los últimos años no se debe tanto al desarrollo de nuevas técnicas como al abaratamiento de los componentes electrónicos, tanto de control como de potencia. También, se han beneficiado de la reducción de precios de los imanes permanentes de altas prestaciones a base de tierras raras como el Neodimio o el Samario (Nd-Fe-B, y Sm-Co). Las características magnéticas de estos imanes permiten reducir de forma significativa el peso de los motores en comparación con los que incorporan los imanes convencionales de ferrita |
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