Descripción de la relación entre par y fuerza Fuerza de Torsión El torque o par es el nombre que se da a las fuerzas de torsión. Para que la torsión exista se requieren 2 fuerzas (par), que se ejercen en sentido opuesto. Ver la figura.
Par de fuerzas. El valor del par depende del radio de acción de la fuerza (brazo). La mayor o menor torsión que genera una fuerza, depende de la distancia al punto de pivote. A mayor brazo mayor par.
Par de Torsión El par o torque es un número que expresa el valor de la fuerza de torsión. Se expresa en kilos x metros. Es decir, si ejercemos una fuerza de 1 kilo con un un brazo de 1 metro el torque o par será de 1 kilo x metro (1 kilográmetro). En un motor de pistones la capacidad de ejercer fuerza de torsión es limitada. Depende de la fuerza de expansión máxima que logran los gases en el cilindro. El torque máximo se consigue cuando el rendimiento volumétrico es máximo y por lo tanto, se dispone de mayor temperatura para expandir los gases. Los motores de mayor tamaño están equipados con cigüeñal de brazo más largo. Esto les da la posibilidad de ejercer igual par de torsión con menos fuerza de expansión de los gases.
Análisis de la fuerza contraelectromotriz en el motor.
Un receptor muy importante que se suele conectar en un circuito eléctrico es un motor, que es un dispositivo que transforma energía eléctrica en energía mecánica.
La energía eléctrica transformada en energía mecánica por cada unidad de carga que circula por él se denomina fuerza contraelectromotriz (fcem, ε') y se mide en voltios. La fuerza contraelectromotriz es la característica que define a un motor.
Y la potencia del motor vendrá dada por :
Imagen 11. CJ Cowie, Creative commons
Los motores se construyen con hilos conductores que presentan una resistencia al paso de la corriente, la resistencia interna del motor , . Por este motivo, cuando conectamos un motor y circula una corriente por él, se calienta. La potencia consumida en el motor será la transformada en potencia mecánica más la disipada en esta resistencia interna:
Si divides la expresión anterior por consumida por el motor es,
, te queda:
, ya que la potencia
Al trabajar con motores interesa conocer su rendimiento cuando están instalados en un circuito. Se define el rendimiento del motor como:
Los motores eléctricos han transformado nuestra civilización, actualmente existen de todos los tamaños y se aplican en todas las ramas de la actividad humana. El símbolo que representa un motor en un circuito es:
Cuando un motor de corriente continua es alimentado, el voltaje de alimentación (Vm) se divide en:
– Caída de voltaje por la resistencia de los arrollados del motor CC (debido a la resistencia interna Ra) y… – Una tensión denominada fuerza Contraelectromotriz (FCEM). Ver el diagrama, donde:
Vm = tensión de entrada al motor (voltios) Ra = resistencia del devanado de excitación (ohmios) Ia = corriente de excitación (amperios / amperes) Vb = Fuerza Contraelecromotriz (FCEM) debido al giro del motor (voltios)
Aplicando la ley de tensiones de Kirchhoff : Vm = Vb + (Ia x Ra) ó Vb = Vm – (Ia x Ra) Observar de la última ecuación, que cuando sube el valor de la corriente Ia, disminuye el Valor de Vb. La Fuerza Contraelecromotriz (FCEM) es proporcional a la velocidad del motor y a la intensidad del campo magnético. Si el motor cc tiene rotor con imán permanente esta constante es: K = Vb / Nd., donde:
K = constante de Fuerza Contraelecromotriz (FCEM) del motor y se expresa en Voltios / rpm. Nd = Velocidad de giro del motor en rpm
Nota: rpm = revoluciones por minuto.
Efecto de la carga en un motor CC En un motor CC, la velocidad y la corriente que necesita el motor dependen de la carga que tenga aplicada. En este tipo de motor parte de la tensión aplicada se pierde en la resistencia interna (resistencia del devanado de excitación). El resto de la tensión se utiliza hacer girar el motor. Cuando la carga de un motor cc aumenta, también aumenta la corriente que consume este. Esta corriente causa una caída de tensión mayor en la resistencia interna del motor (resistencia del devanado excitación). Como la alimentación del motor CC permanece constante, la tensión aplicada para hacer girar el motor es menor y en consecuencia la
velocidad de giro del motor es menor. Ver la siguiente fórmula: Vb = Vm – Ia x Ra, donde:
Vb: tensión real utilizada hacer girar el motor. Vm: Tensión aplicada a todo el conjunto motor. Ra: Resistencia del devanado de excitación (resistencia interna). Ia: corriente que circula por el motor.
Ia x Ra: es la tensión que se pierde en la resistencia interna del motor CC. Ver que depende directamente de Ia (corriente de alimentación del motor). Si la corriente Ia aumenta, Vb disminuye y como la velocidad de giro del motor es proporcional a Vb. Si Vb disminuye entonces la velocidad del motor también.
Estudio de la relación entre par y velocidad. Denominamos característica par-velocidad de un motor a la representación gráfica de la velocidad del motor frente al par que desarrolla dicho motor.
Pero, ¿qué es el par de un motor? Trataremos de explicarlo lo más fácilmente posible:
En los conductores del inducido de una máquina de este tipo, aparecen fuerzas que hacen girar el rotor de la máquina. Como todas las fuerzas asociadas a giros, cada una de ellas tendrá asociado su correspondiente momento. Pues bien, la suma de todos estos momentos individuales (sin olvidar que las fuerzas tienen que ejercer su acción en el mismo sentido) dará el momento de rotación de la máquina.
Si la máquina es un generador este momento se denomina Par Resistente porque se o pone al movimiento que lo produce.
Pero si se trata de un motor, se denomina Par Motor porque es el que produce el giro de dicho motor. IMPORTANTE: En un motor, la velocidad de funcionamiento se fija en el punto en el que el par que el motor puede producir es igual al que necesita la carga para funcionar. Por este motivo son muy útiles las características par-velocidad tanto del motor como de la carga, ya que se usan para definir si un motor es útil para una determinada utilización.
Algunos ejemplos de características par-velocidad tanto de una carga como de un motor son:
Imagen 8. Característica par-velocidad de un motor. Elaboración propia
Imagen 9. Característica par-velocidad de una carga. Elaboración propia
Imagen 10.Característica par-velocidad de un motor con una carga. Elaboración propia
Si observas la gráfica del par-velocidad del motor y la carga, verás que hay un punto (señalado con una flecha) en el que el par motor y el par necesario para la carga coinciden, a ese par se le denomina par motor nominal y la velocidad a la que corresponde ese punto será la velocidad nominal de la máquina.
