La figura 1 muestra una máquina simple de imanes permanentes de una vuelta. La bobina de una sola vuelta puede girar libremente entre dos polos magnéticos de polaridad opuesta. El flujo magnético va del polo norte al polo sur, por lo que habrá un flujo magnético en la región entre los polos donde gira la bobina. Por supuesto, debe haber algún tipo de soporte para mantener el carrete en su lugar mientras gira.
El conjunto giratorio se denomina rotor de la máquina y los polos fijos se denominarían estator. Para esta geometría particular, el rotor proporciona potencia y también se denomina armadura, mientras que el estator proporciona un campo magnético y, por lo tanto, se denomina campo.
FIGURA 1 Una simple máquina de corriente alterna de imanes permanentes.
Para conectar la bobina a una fuente o carga, necesitamos hacer conexiones que permitan que la bobina siga girando. Tal conexión está asegurada por un anillo colector.
Los anillos colectores son anillos conductores colocados alrededor del eje del rotor, pero aislados de él. El anillo deslizante de color oscuro está conectado a un extremo de la bobina y el anillo deslizante de color claro está conectado al otro extremo.
Los bloques conductores de carbono o carbono y cobre, llamados escobillas, se colocan contra los anillos deslizantes para proporcionar una conexión con el exterior de la máquina. Así, la bobina giratoria recibe (funcionamiento del motor) o suministra (funcionamiento del generador) energía eléctrica alterna a través de las escobillas y los anillos colectores. Esta sencilla máquina puede funcionar como motor o como generador.
Funcionamiento del motor de CA
La figura 2 muestra algunas vistas de la máquina funcionando como motor. Se aplica un voltaje alterno a la bobina de modo que la polaridad sea como se muestra en la Fig. 2 (a).
En particular, el lado derecho de la bobina (cerca del polo Sur) está conectado a la terminal positiva. Entonces la corriente fluye alrededor de la bobina como se muestra.
Dado que la corriente fluye en presencia de un campo magnético, habrá una fuerza sobre los conductores. La dirección de la fuerza se puede encontrar por agrupación de flujo o la regla de la mano izquierda. En cualquier caso, la fuerza está hacia abajo en el lado derecho de la bobina y hacia arriba en el lado izquierdo, creando un par que hace girar la bobina.
FIGURA 2 Funcionamiento de la máquina simple de corriente alterna como motor.
A medida que la bobina gira a la posición que se muestra en la Figura 2(b), se supone que el voltaje de CA pasa por cero.
Tenga en cuenta que incluso si se aplicara un voltaje en esta posición, no se crearía ningún par porque la fuerza en la parte superior de la bobina estaría hacia arriba y hacia abajo en la parte inferior de la bobina.
Suponiendo que hubiera cierta inercia en el rotor para mantenerlo en movimiento en la posición neutral, las bobinas continuarían moviéndose hasta la posición que se muestra en la Figura 2(c).
Ambos lados de la bobina tienen posiciones cambiadas en relación con 2(a), por lo que la polaridad del voltaje aplicado debe invertirse para mantener el movimiento del rotor en la misma dirección. A medida que la bobina continúa girando, alcanza la posición neutra que se muestra en la Figura 2(d), que es lo mismo que 2(b), excepto que la bobina gira 180°.
Una cosa importante a tener en cuenta el funcionamiento de este simple motor es que la velocidad de rotación debe estar sincronizada con la frecuencia del voltaje aplicado. Este tipo de motor se llama motor síncrono, aunque, como veremos, la construcción de un motor síncrono práctico es ligeramente diferente de la que se muestra aquí.
Funcionamiento del generador de CA
Considere lo que sucede cuando la bobina gira en la dirección que se muestra en la figura 3.
En la Figura 3(a), ambos lados de la bobina están cerca de los polos magnéticos, por lo que cortan el flujo, lo que induciría un voltaje en cada lado de la bobina. En particular, el lado de la bobina conectado al anillo deslizante es más oscuro cerca del Polo Norte.
Usando la regla del generador de la derecha, la polaridad se indica mediante el voltaje inducido en la bobina, por lo que el anillo deslizante más oscuro tiene polaridad negativa.
El otro lado de la bobina, que está conectado al anillo deslizante de color claro, está debajo del Polo Sur y produce un voltaje que se suma al voltaje del otro lado, lo que hace que el anillo deslizante de color claro tenga polaridad positiva.
FIGURA 3 Operación de una máquina simple de corriente alterna como un generador.
A medida que los lados del carrete giran, trazan una trayectoria circular. La velocidad en ambos lados de la bobina en cualquier instante es tangente a la trayectoria circular o perpendicular al plano de la bobina. Por lo tanto, el voltaje generado por la bobina no es constante.
Fíjese especialmente en la Figura 3(b). Aquí la velocidad del conductor es paralela al flujo y no se genera voltaje. A medida que la bobina sigue girando, el conductor unido al anillo colector oscuro pasa por debajo del polo sur, de modo que el anillo oscuro se convierte en el terminal positivo. En otras palabras, es un generador de corriente alterna.
Las figuras 3(c) y (d) muestran el resto de un ciclo. Tenga en cuenta que una revolución genera un ciclo de voltaje, por lo que la frecuencia del voltaje sería igual al número de revoluciones por segundo. Si la máquina fuera conducida a una velocidad constante, la frecuencia también sería constante. Por lo tanto, llamamos a un generador síncrono.
El voltaje generado por esta máquina sería esencialmente sinusoidal, y de la Ley de Faraday podemos derivar la misma expresión que encontramos para el voltaje en la bobina de un transformador (Ecuación 1), excepto que usamos el flujo por polo en lugar del flujo máximo:
$begin{matriz} {{E}_{rms}}=4.44fN{{phi }_{p}} & {} & left( 1 right) end{matriz}$
Por supuesto, no todas las máquinas están diseñadas para funcionar a la misma velocidad. Es deseable utilizar diferentes tipos de motores de accionamiento, como turbinas de vapor, motores diésel o ruedas hidráulicas para accionar generadores síncronos.
Cada motor principal tiene su propio rango de velocidad de funcionamiento, por lo que debemos poder construir generadores con diferentes velocidades de funcionamiento. Afortunadamente, con un diseño de generador adecuado, esto se puede hacer dentro de ciertos límites.
La figura 4 muestra otro generador simple, pero esta vez hay cuatro polos magnéticos, dos norte y dos sur, dispuestos alternativamente. Solo se muestra una parte de la bobina del rotor, para mayor claridad.
Como hemos visto, cuando un lado de la bobina está debajo del polo norte y el otro está debajo del polo sur, los voltajes transmitidos en ambos lados se suman. Por lo tanto, la bobina que se muestra en la Figura 4 tiene un lado debajo del Polo Norte y un lado debajo del Polo Sur.
La segunda bobina estaría cerca de los otros dos polos, y las dos bobinas del rotor podrían funcionar en paralelo o en serie, según el diseño de la máquina.
La bobina se extiende físicamente 90 °; Sin embargo, consideramos que un par de polos norte-sur tienen 180° eléctricamente. Esto lleva al concepto de etapas eléctricas y mecánicas:
$begin{matriz} {{theta }_{elec}}=frac{P}{2}times {{theta }_{mech}} & {} & left( 2 right) final{matriz}$
Donde P es el número de polos de la máquina (siempre un número par).
FIGURA 4 Una máquina de corriente alterna de cuatro polos.
Cuando la bobina de la Figura 4 es impulsada por un motor primario, genera dos ciclos completos de voltaje a medida que completa una revolución. Entonces, solo tendría que ir a la mitad de la velocidad de la máquina bipolar para funcionar a la misma frecuencia. Para calcular la velocidad síncrona en RPM, usamos la siguiente fórmula:
[begin{matrix} {{n}_{s}}=frac{60times f}{frac{P}{2}}RPM & {} & left( 3 right) end{matrix}]
O
[begin{matrix} {{n}_{s}}=frac{120times f}{P}RPM & {} & left( 3 right) end{matrix}]
donde ns es la velocidad síncrona de la máquina en RPM y f es la frecuencia de la tensión alterna. La ecuación 3 es una ecuación muy importante para las máquinas de CA.
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