¿Cómo se reducen las corrientes parásitas o de Foucault?

a) Corrientes parásitas en un núcleo de acero macizo

b) Corrientes parásitas en chapas de acero apiladas y aisladas entre sí

Corrientes parásitas de Foucault (o de Eddy)

El acero del núcleo, aunque mal conductor, puede conducir determinadas corrientes. Al estar sometido a un flujo magnético variable, sobre él se inducirán unas f.e.m.s., de acuerdo con la ley de Faraday.

Estas f.e.m.s, según la ley de Ohm, provocarán unas corrientes parásitas sobre la chapa conductora (aunque mal conductora) del núcleo, que circularán en forma de torbellino sobre la sección del núcleo transversal al campo.

Estas corrientes parásitas, que se conocen como corrientes de Foucault, pueden llegar a producir un importante calentamiento por efecto Joule en el núcleo.

La potencia perdida por efecto de las corrientes de Foucault es proporcional a:

                                                  

siendo R la resistencia que el material ofrece al paso de la corriente, ϕ el flujo magnético que circula y  w  = 2πf la pulsación de la corriente.

Cómo se reducen las corrientes de Foucault. Aislamiento entre las chapas magnéticas

El método más común para reducir estas pérdidas es construir los núcleos no sólidos sino a base de láminas que se van aislando unas de otras. Con esto se consigue aumentar en gran medida la resistividad, con lo que las pérdidas se reducen substancialmente.

Antiguamente, se pegaba papel antes del corte en una cara de la chapa magnética. Posteriormente se usó barniz (silicato sódico).

Actualmente, las chapas se someten a un tratamiento termoquímico llamado "carlite" que proporciona una capa aislante muy delgada (0,01 mm) en ambas caras.

Factores de relleno en núcleo con diversos aislamientos

Se llama factor de relleno o aprovechamiento al cociente de dividir la sección en hierro del núcleo (sección útil) por la sección total (hierro+aislamiento). El uso de “carlite” ha permitido aumentar mucho este factor.

Reducción de las pérdidas en el hierro en máquinas eléctricas

Fundamentalmente deben seguirse los siguientes criterios constructivos:

·         Utilizar chapas magnéticas de pequeño espesor apiladas.

·    Entre cada chapa debe disponerse un fino aislante “carlite” que reduzca el recorrido de las corrientes parásitas.

·         El material magnético debe tener alta conductividad (baja resistencia).

·         El material magnético debe tener un ciclo de histéresis pequeño.

Fórmula de cálculo de las pérdidas por corrientes de Foucault

Si consideramos una chapa de hierro o en general una lámina conductora como la de la figura de gran anchura b con respecto al espesor a de tal modo que a resulte despreciable frente al lado b. Sea también l la longitud, cualquiera, de la chapa. Perpendicularmente a la sección (ab) incide uniformemente un flujo alterno que no supondremos afectado por las propias corrientes inducidas en la lámina. La inducción temporal máxima a través de dicha sección se representa por B y por k_f el factor de forma de las f.e.m. debidas a las variaciones de flujo a través de los circuitos anulares elementales marcados en rojo en la figura.

El valor de las pérdidas por corrientes de Foucault por unidad de peso de la chapa magnética sometida a un campo alterno homogéneo viene dado por:

Y si la variación de flujo es senoidal:

Siendo:

a = espesor individual de las chapas en mm.

f = frecuencia del flujo alterno en Hz.

B = inducción máxima en T.

χ = conductividad eléctrica del material en S · m /mm²

k_F = coeficiente de proporcionalidad que expresa los vatios perdidos en cada kilogramo de chapas de espesor individual 1 mm cuando se las somete a un campo alterno de inducción máxima 1 Tesla y frecuencia 1 Herzio.

γ = peso específico de la chapa en kg/dm³

kf = factor de forma de la onda de f.e.m. local en las planchas.

Las pérdidas por corrientes de Foucault son proporcionales al cuadrado de la frecuencia y del espesor de la chapa y asimismo al cuadrado de la inducción máxima; P_F depende también de la forma de onda a través del factor de forma k_f  (para onda senoidal 

Y si se trata de una senoide:

La expresión general de las pérdidas específicas por corrientes de Foucault sería:

Diferencia entre corriente alterna monofásica y trifásica

Corriente alterna monofásica

Según la posición de la espira del generador de C.A. en la que se induce la corriente, esta corriente tiene un valor, que a lo largo del ciclo o giro de la espira irá variando describiendo una forma senoidal como la que sigue:

Es la llamada corriente alterna monofásica.

La corriente industrial es de 50Hz ó 60 Hz según el país (50 ó 60 ciclos por segundo).

Corriente alterna trifásica

Si en vez de una única espira, como en el caso anterior, hay 3 formando un sistema trifásico, en cada una de ellas se inducirá una corriente, y como en cada instante sus posiciones no pueden ser iguales, el valor de la corriente tampoco será el mismo.

Un sistema trifásico se compone de tres devanados monofásicos independientes entre sí, dispuestos respecto a los polos inductores de tal manera, que las fuerzas electromotrices producidas estén defasadas 120 grados.

Valores que definen a las magnitudes alternas

Las siguientes definiciones son válidas para cualquier magnitud alterna ya sea la tensión o la intensidad (llamada aquí corriente).

Valores instantáneos

Los valores que se tengan en cada instante que se considere.

Estos valores son variables con el tiempo.

Valores máximos

Son los valores máximos de los valores instantáneos. Para la tensión se representan por V_max y para la intensidad I_max.

Estos dos valores máximos definen las dimensiones de los dieléctricos.

Valores medios

Los valores medios son la media aritmética de todos los valores instantáneos de medio período.

Producen en máquinas eléctricas el mismo par que la corriente continua.

Estos valores medios designados por V_med e I_med son, para funciones senoidales:

Valores eficaces

Son la media geométrica de todos los valores instantáneos de medio periodo. Producen en iguales tiempos los mismos efectos caloríficos a los producidos por la corriente continua.

Para funciones senoidales valen:

Si no se especifica a que valor de estos cuatro nos referimos, se entenderá que se trata del valor eficaz.

¿Cómo se genera la corriente alterna?

Esquema

Este es el esquema típico de generador de corriente alterna.

Si hacemos girar la bobina móvil en el interior del campo magnético del imán, la tensión generada será alterna y la frecuencia dependerá de las revoluciones por minuto (r.p.m.) a que gire la bobina.

La frecuencia o ciclos por segundo se mide en Hertz (Hz).

Un generador eléctrico de dos polos, para producir una tensión de 50 Hz, debe girar a 3.000 r.p.m., es decir debe dar 3.000 vueltas por minuto.

Siendo:

N = revoluciones por minuto

P = número de pares de polos

f = frecuencia

Generadores Trifásicos de C.A. - Conexión Estrella

Un generador trifásico se compone esencialmente de tres generadores simples. La rueda magnética al girar induce en cada una de las bobinas sucesivamente una tensión. Si conectamos las bobinas de la forma indicada en la figura (conexión estrella), podremos obtener cuatro líneas para repartir energía: 3 fases y un neutro.

Si un generador produce en cada bobina 127 V, entre dos fases la tensión valdrá:

Generadores Trifásicos de C.A. - Conexión Triángulo

La tensión entre fases es V_1, V_2, V₃. En este tipo de conexión no hay neutro.

La corriente en la línea es   bobina, es decir, puede circular una corriente mayor.

Fundamentos

Al pasar por las bobinas del estátor una corriente alterna, ésta origina un campo magnético que gira.

Así se origina un segundo campo magnético en el rotor, campo de sentido opuesto al anterior.

Es como tener dos imanes de orientación opuesta encarados. Como los polos opuestos se atraen, el imán del estátor, atrae al del rotor.

Puesto que el rotor es móvil, toda la pieza gira atraída por el campo magnético giratorio del estátor.

El caso del motor eléctrico

Aplicación

Esto es lo que ocurre cuando conectamos un ventilador.

Al enchufar el aparato (o al pulsar el botón del encendido) dejamos que la corriente alterna de la red entre en el motor del ventilador.

La corriente origina el campo magnético giratorio del estátor y el posterior giro del rotor, que a su vez, hace girar las palas del ventilador.

¿Cómo se genera la corriente continua?

El generador de corriente continua

Es el generador que produce una tensión, y en consecuencia una corriente, de valor y sentido constantes en el tiempo.

Esto se logra sustituyendo los dos anillos que constituyen el colector del generador de alterna por dos medios anillos separados por un material aislante, cuya acción es la de conmutar la corriente..

Con una única espira, la tensión o fuerza electromotriz producida varía su valor de 0 a un máximo, pero siempre con igual sentido. Lo mismo ocurre con la corriente.

Funcionamiento

Cada vez que en la espira se invierte la corriente, su conmutación con el circuito exterior se inviertetamién.

Las escobillas contactan de forma que tocan un medio anillo diferente en cada media vuelta, y como resultado la corriente que sale al circuito exterior tiene siempre el mismo sentido.

Cuando la escobilla toca el material aislante el valor de la tensión y de la corriente es cero.

Evolución de la f.e.m.

Posición a 0º

Posición a 90º

Posición a 180º

Posición a 270º

Posición a 360º

Obtención de una corriente de valor constante

Si en vez de una única espira tenemos varias, y tantos medios anillos como extremos de espiras (2 medios anillos por espira) puede obtenerse una fuerza electromotriz, y por tanto una corriente, prácticamente de valor constante.

Principio de funcionamiento del Generador Eléctrico

Fundamentos

El generador es capaz de generar electricidad, es decir, capaz de originar una corriente eléctrica.

Los generadores se basan en los principios del electromagnetismo, y concretamente en la ley de Faraday, ver post: “Electricidad: Magnetismo y Electromagnetismo (y Parte 2ª)” en el siguiente link:

http://imseingenieria.blogspot.com.es/2018/03/electricidad-magnetismo-y_29.html

Son máquinas capaces de transformar en energía eléctrica cualquier otra forma de energía o a la inversa, existiendo siempre un magnetismo que permite esta conversión.

Por ello suelen llamarse convertidores electromecánicos de energía.

Componentes esenciales del generador

La ley de Faraday nos dice que toda variación del campo magnético sobre un conductor, hace que en los extremos de éste aparezca una cierta tensión o fuerza electromotriz (f.e.m.).

Al moverse el conductor accionado por una fuerza externa (máquina motriz) "corta" líneas de fuerza de campo magnético fijo (variación de campo magnético).

Leyenda de la figura:

(1) El inducido

Espira o espiras que han de generar las corrientes inducidas que por medio del colector son dirigidas al circuito exterior o de utilización, constituyendo un circuito enteramente cerrado.

(2) El inductor

Tiene como finalidad crear el campo magnético necesario para la inducción.

Puede estar constituido por imanes o por electroimanes.

(3) Regla de la mano derecha

 Regla de la palma derecha para determinar la dirección de la fuerza electromotriz debida al movimiento de una carga positiva en un campo magnético.

(4) Las escobillas

Elementos fijos, indispensables para recoger las corrientes producidas en el inducido y enviarlas al circuito exterior para su utilización.

Evolución de la f.e.m.

Consideremos un imán permanente y entre sus piezas polares una espira rectangular.

Los extremos de la espira están conectados a unos anillos metálicos aislados (anillos rozantes) que giran con la espira y están en contacto con dos escobillas de carbón encargadas de recoger la corriente y transportarla al circuito exterior, en este caso constituido por un galvanómetro.

La intensidad de la corriente varía constantemente y sus valores se repiten, pero en sentido opuesto, a cada media vuelta. Así se obtiene la denominada corriente alterna con su forma senoidal.

Expresión de la fuerza electromotriz

Sí, como ocurre en la realidad, en lugar de una sola espira, el inducido se compone de muchas espiras conectadas en serie, el resultado será que la fuerza electromotriz o tensión generada será mucho mayor que la originada en una única espira.

También aumenta la fuerza electromotriz cuanto más intenso sea el campo magnético y cuanto más elevada la velocidad con que se cortan las líneas de fuerza.

Tipos de generadores según la colocación de los polos

Hay dos tipos básicos de generadores, diferenciados por la colocación de los polos:

La parte estática se denomina estátor; la parte giratoria, rotor.

Leyenda de la figura:

(1) Generador con polos en el estátor

·         Campo magnético fijo.

·         Bobinas giratorias.

·         La f.e.m., se origina en el rotor y se recoge mediante anillos rozantes o colector con delgas.

·         Se utiliza en corriente continua y algunas veces en corriente alterna.

(1.1) El campo magnético, para pequeños generadores puede conseguirse con imanes permanentes (generador de una bicicleta).

Mayores inducciones requieren electroimanes, llamados polos. Constan de una bobina arrollada sobre un núcleo, generalmente de chapas. En las máquinas de polos exteriores, éstos se encuentran montados en la carcasa.)

Deben generar un campo uniforme y constante, por lo que siempre son alimentados con corriente continua.

(1.2) Devanado de inducido

El conjunto de las bobinas en que se induce la tensión se llama devanado de inducido. Se alojan en un ranurado efectuado en el rotor.

En las máquinas de polos exteriores el devanado se encuentra en el rotor.

(2) Generador con polos en el rotor

·         Bobinas fijas.

·         Campo magnético giratorio.

·         La f.e.m. se origina en el estátor y puede formarse directamente del devanado inducido.

·         Se emplean para corriente alterna tanto monofásica como trifásica.

(2.1) Devanado de inducido

El conjunto de las bobinas en que se induce la tensión se llama devanado de inducido. Se alojan en un ranurado efectuado en el estátor.

En las máquinas de polos interiores el devanado se encuentra en el estátor.

(2.2) El campo magnético, para pequeños generadores puede conseguirse con imanes permanentes (generador de una bicicleta).

Mayores inducciones requieren electroimanes, llamados polos. Constan de una bobina arrollada sobre un núcleo, generalmente de chapas; en las máquinas de polos interiores, éstos van montados sobre la rueda de polos (rotor).

Deben generar un campo uniforme y constante, por lo que siempre son alimentados con corriente continua.