RENDIMIENTO Y PÉRDIDAS EN LOS MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE CONTINUA

TEMA VI

RENDIMIENTO Y PÉRDIDAS EN LOS MOTORES ELÉCTRICOS DE CORRIENTE CONTINUA

OBJETIVO

El alumno conocerá y comprenderá la dirección y flujo de energía en los motores eléctricos de CD, así como las pérdidas que se producen en los motores de corriente continua, para determinar su eficiencia.

INTRODUCCIÓN

El calor producido en una máquina eléctrica en funcionamiento provoca una elevación de su temperatura. Al aumentar la temperatura de un cuerpo se incrementa la cantidad de calor expulsado al exterior a través de la superficie. Al final la temperatura aumenta hasta que en la máquina se alcanza un equilibrio térmico en el que se genera calor por las pérdidas y por el que disipa la superficie externa y entonces, la temperatura se mantendrá constante, así se considera que ha alcanzado su equilibrio térmico cuando la temperatura no cambia más de 2 grados Kelvin por hora.

En principio se podrá aumentar la potencia que suministra una máquina eléctrica y en consecuencia, las pérdidas que se producen en ella, mientras que la temperatura que se alcance no deteriore los materiales con los que está construida (normalmente los materiales aislantes son los más sensibles al incremento de temperatura). Por lo tanto, la potencia máxima está limitada por la temperatura máxima admisible que puede soportar.

Si a una máquina se le mejora el sistema de eliminación de calor a través de su superficie externa, con el mismo aumento de temperatura podrá eliminar más calor y aumentará la potencia útil máxima que podrá proporcionar. Así el simple aumento de la superficie externa llevaría a la construcción de máquinas de dimensiones grandes cuando se quiere aumentar su potencia.

En máquinas pequeñas se coloca un ventilador en el mismo eje de la máquina. Este ventilador mueve el aire dentro de la carcasa.

PÉRDIDAS EN LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

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Figura 1 Diagrama de flujo de potencia del motor de corriente continua

La dirección de la energía en los motores de corriente directa se presenta en el flujo de potencia presentado en la figura 1, la potencia de entrada y la de salida son diferentes, ya que se pierde energía en el motor, la cual se refleja en la elevación de la temperatura durante su trabajo nominal. Esta es energía no recuperable y a continuación se explican las pérdidas que producen el calentamiento en el motor.

Pérdidas mecánicas

Las pérdidas mecánicas son resultado de:

1. La fricción entre los cojinetes y la flecha: estas dependen del diámetro y la velocidad de la periferia de la flecha y el coeficiente de fricción entre el eje y los cojinetes, para reducir este coeficiente, los cojinetes deben lubricarse.
2. La fricción entre las escobillas y el conmutador: estás dependen de la velocidad de la flecha, la presión de las escobillas y el coeficiente de fricción entre escobillas y conmutador, por lo cual el carbón de las escobillas ayuda a proporcionar lubricación para disminuir este coeficiente.
3. El arrastre sobre la armadura ocasionado por el aire que la rodea (pérdidas por viento): estas dependen de la velocidad del rotor, el número de ranuras y su longitud.

Para determinar las pérdidas mecánicas se hace girar al rotor de la máquina a su velocidad nominal, sin excitación y se acopla un motor calibrado, puesto que no habrá potencia de salida, la potencia suministrada al rotor serán las pérdidas mecánicas.

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Figura 2 Pérdidas mecánicas en un motor de corriente continua

Pérdidas magnéticas

Estas pérdidas se presentan en los núcleos ferromagnéticos de las bobinas de las máquinas eléctricas y se clasifican en dos categorías:

1. Histéresis: cada vez que se recorre el ciclo de histéresis al material magnético se produce pérdidas de potencia, la cual surge de la fricción molecular a medida que los dominios magnéticos son forzados a invertir sus direcciones por la fem aplicada. Estas dependen de la frecuencia de la fem inducida, el área del ciclo de histéresis, la densidad del flujo magnético y el volumen del material magnético. Por medio de pruebas en varios materiales ferromagnéticos, las pérdidas se determinan con la ecuación:

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Donde:

Ph : pérdidas de histéresis [W]

kh : constante del material magnético

f : frecuencia [Hz]

Bm : densidad máxima de flujo [T]

n : exponente de Steinmetz, varía de 1.5 a 2.5

V : volumen del material magnético [m3]

1. Corrientes parásitas: las corrientes parásitas establecen su propio flujo magnético, el cual se opone al flujo original, por tanto las corrientes parásitas no solo dan como resultado las pérdidas por estas corrientes circulantes, sino que también ejercen un efecto desmagnetizador en el núcleo. La desmagnetización aumenta cerca del eje del núcleo magnético, esto obliga a que la parte central sea magnéticamente poco útil. Los efectos adversos de este fenómeno pueden reducirse al mínimo si el núcleo se construye de alta resistencia en dirección en la que fluyen las corrientes parásitas. Así se apilan piezas delgadas conocidas como laminación, recubierta con barniz o goma laca, con espesor que va de 0.36 a 0.70 mm. El recubrimiento hace que las laminaciones estén razonablemente bien aisladas eléctricamente entre sí. También son conocidas como corriente circulantes, de Eddy o de Foucault. Se ha demostrado que estás perdidas se determinan con la fórmula siguiente:

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Donde:

Pe : pérdidas por corrientes parásitas [W]

ke : constante de conductividad del material magnético

f : frecuencia [Hz]

δ : espesor de la lámina [m]

Bm : densidad máxima de flujo [T]

V : volumen del material magnético [m3]

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Figura 3 Pérdidas por el ciclo de histéresis

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