UNIVERSIDAD UNIVERS IDAD CAT CATOLICA OLICA DE SANTA SA NTA MARIA
FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIAS FISICAS Y FORMALES PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA Y MECATRONICA
LABORATORIO LABORAT ORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS I
TEMA ESTRUCTURA Y MATERIALES EN LAS MAQUINAS ELECTRICAS ESTATICAS
PROFESOR ING. LUIS A. CHIRINOS
ALUMNO RENATO ALONSO ALONSO HURTADO HURTADO MEDINA MED INA
AREQUIPA – PERU 2009
OBJETIVOS •
Distinguir con habilidad y destreza la estructura y materiales con los que se construyen las máquinas eléctricas estáticas y rotativas
FUNDAMENTOS TEORICOS LAS MAQUINAS ELECTRICAS
Una máquina eléctrica es un dispositivo que puede convertir energía mecánica en energía eléctrica o energía eléctrica en energía mecánica. Cuando este dispositivo se utiliza para convertir energía eléctrica en energía mecánica se denomina motor, en cambio, cuando convierte energía mecánica en energía eléctrica se denomina generador. Aparte, un transormador es un dispositivo que convierte energía eléctrica de corriente alterna de cierto nivel de volta!e en corriente altera con otro nivel de volta!e. Un tipo de transormador consta de una pieza de acero rectangular, laminado, con los devanados enrolladlos sobre dos de los lados del rectángulo, también llamado transormador tipo acorazado. "l otro consta de un n#cleo laminado de tres columnas, cuyas bobinas están enrolladas en la columna central, también llamado transormador tipo acorazado. "l n#cleo se construye con delgadas láminas aisladas eléctricamente unas de otras para minimizar las corrientes parásitas MATERIALES DE CONSTRUCCION
$ueden ser tres tipos% • • •
&ateriales magnéticos &ateriales eléctricos &ateriales aislantes
MATERIALES MAGNETICOS: 'e utilizan para me!orar el lu!o que les permite la transerencia de energía en los circuitos. $ueden ser%
• • •
&ateriales diamagnéticos &ateriales paramagnéticos &ateriales erromagnéticos
"stos #ltimos son los usados para construir las máquinas eléctricas, usadas en aleaciones sobre todo el acero silicoso MATERIALES AISLANTES: "stos materiales deben reunir cualidades variadas, al igual que varias propiedades. Aparte, de estos materiales dependen la duraci(n y el buen uncionamiento de las máquinas
CUESTIONARIO 1. Dee!"#$%! &'( #)'( *e $+,&e' -e (e e(/$ #&#%$*' &%( e$%3%( *e(e$%3%( -e (e )!e(e$%$ e$!e %"4'(
"n la industria de las máquinas eléctricas encontramos dos tipos de n#cleos
TIPO NUCLEO O DE COLUMNAS
TIPO ACORA5ADO
"ste n#cleo no es macizo, sino que está ormado por un paquete de chapas superpuestas, y aisladas eléctricamente entre sí.
"ste tipo de n#cleo reduce la dispersi(n magnética
$ara colocarlas y poder ubicar el bobinado terminado alrededor del n#cleo, se construyen cortadas, colocando alternadamente una secci(n U con una secci(n ). *a capa siguiente superior cambia la posici(n ) con respecto a la U. "+isten distintos tipos de n#cleos tipos columna, que está caracterizado por la posici(n relativa de las columnas y de los yugos.
'u uso es más com#n en los transormadores monoásicos. *os devanados se localizan sobre la columna central, y cuando se trata de traos pequeos, las laminaciones se hacen en troqueles.
*os elementos de su!eci(n de las laminaciones y estructuras se conocen como -herra!es o armadura y se complementan con *a aislaci(n entre chapas se componentes como ibra de vidrio o madera consigue con barnices para protecci(n de la su!eci(n de los yugos. especiales, con papel de seda, o simplemente o+idando las *as líneas de uerza de la parte central, chapas con un chorro de vapor. alrededor de la cual se colocan las bobinas se biurcan aba!o y arriba hacia los / costados, de manera que todo el contorno e+terior del n#cleo puede tener la mitad de la parte TIPOS central. MONOFASICO TRIFASICO 'e tienen dos columnas 'e tienen tres columnas $ara armar el n#cleo acorazado también se lo unidas en las partes dispuestas sabor el mismo construye en trozos, unos en orma de " y inerior y superior por plano unidas en sus partes otros en orma de ), y se colocan alternados, medio de un yugo. inerior y superior por medio de yugos. "n cada una de estas columnas se encuentran 'obre cada columna se incrustados la mitad del incrustan los devanados devanado primario y la primarios y secundarios de una mitad del devanados ase. secundario. para evitar que las !untas coincidan.
2. 6Q7 ,%!%,e!8(#,%( *e4e$ e$e! &'( *e%$%*'( *e &%( "/-#$%( e&7,!#,%(
*os devanados se pueden clasiicar en ba!a y alta tensi(n, esta distinci(n es de tipo global. $ara los ines constructivos, no tiene ninguna importancia la unci(n de un devanado, es decir, que sea primario o el secundario, importa solo la tensi(n para la cual debe ser previsto *os e+tremos de los devanados denominados también principio y inal del devanador se protegen con aislante de orma de tubo conocido como -spaguetti. DEVANADOS DE BAJA TENSION : "stán constituidos por lo general, de una sola espiral y algunas veces en dos o tres capas sobrepuestas, con alambres rectangular aislado. "l conductor se usa generalmente para potencia pequeas y tiene diámetros no superiores a 0 o 0.1 mm. DEVANADOS DE ALTA TENSION: tiene en comparaci(n con los de ba!a tensi(n, muchos espiras, y la corriente que circula por ellos, es relativamente ba!a, por lo que son de conductor de cobre de secci(n circular con diámetro de /.1 a 0.2 mm.
3ay dos tipos, el llamado TIPO BOBINA: 4ormado de varias capas de conductores, estas bobinas tienen orma discoidal DE CAPAS: Constituido por una sola bobina con varias capas. CONSTRUCCION DE LOS DEVANADOS
3ay dos ormas típicas los cilíndricos y planos. BOBINADO CILINDRICO: "ste tipo se usa cuando el n#cleo del transormador es del tipo n#cleo. BOBINADO PLANO: "ste tipo se usa cuando el n#cleo del transormador es del tipo acorazado.
Dicha conormaci(n sirve para los siguientes prop(sitos. • • •
'impliica el problema de aislar el embobinado de alto volta!e del n#cleo. Causa mucho menos iltraci(n de lu!o &e!ora la rerigeraci(n.
Cuando se termina de devanar una bobina, antes su monta!e se le debe dar un tratamiento como secarla en vacío para quitar posibles restos de humedad, y también un proceso de impregnaci(n de barniz aislante y horneado a una temperatura que depende del tipo de barniz y cuyo ob!etivo es dar consistencia mecánica. AISLAMIENTO ETERNO DE LOS DEVANADOS
*os devanados primario y secundario, deben estar aislados entere sí, generalmente este aislamientos de por medio de separadores de madera, baquelita o materiales aislantes similares que además cumplan con unciones rerigerantes. *os materiales aislantes para el bobinado, o para colocar entre capas, son% papel barnizado, ibra, cinta impregnada, algod(n impregnado. ;. 6P'! -7 (#e")!e (e e$,e$!% &%"#$%*' e& "%e!#%&
*as pérdidas en el cobre son debidas a la resistencia (hmica presentada por el alambre, pérdidas estas que se incrementan cuanto mayor es la corriente que los atraviesa.
Aparte, e+isten pérdidas de potencia por causa de las corrientes de 4oucault producidas en un n#cleo magnético de una sola pieza $ara limitar las pérdidas por corrientes de 4oucault en los transormadores, se suele construir el n#cleo con chapas aisladas eléctricamente entre sí, con lo que se limita la posibilidad de circulaci(n de corrientes inducidas al aumentar la resistencia eléctrica que orece el n#cleo a este tipo de corrientes 5sin alterar las propiedades magnéticas6. 'i consideramos al mismo recorrido por un determinado lu!o, como éste es variable, se originarán en dicho n#cleo corrientes circulares que se opondrán en todo instante a la causa que las origina. 'iendo el n#cleo de una sola pieza, la resistencia que orecerá a dichas corrientes circulares será ba!a, lo cual provocará el incremento de tales corrientes. $ara contrarrestar el eecto de estas corrientes parasitarias, es posible llegar a una soluci(n muy interesante, basada en orecer má+ima resistencia transversal a las mismas. "sto se consigue integrando el n#cleo magnético mediante un con!unto de láminas delgadas de hierro, superpuestas una sobre la otra y aisladas entre sí mediante un bao de goma laca o barniz. 7aturalmente, que estas producen lo mismo, pero debido a que el hierro tiene ya menor secci(n, el valor alcanzado por las corrientes de 4oucault es sensiblemente más reducido, disminuyendo en consecuencia las pérdidas.
"n la práctica, los transormadores se construyen con gran n#mero de láminas muy delgadas de hierro silicio, aisladas entre sí y uertemente comprimidas.
>. E&%4'!%! $% %4&% #$*#,%$*' &% ,&%(e *e %#(&%$e ( e")e!%!%
*a clasiicaci(n de los materiales aislantes para máquinas eléctricas con relaci(n a su estabilidad terminal, cubre básicamente siete clases de materiales aislantes que se usan por lo general y que son los siguientes%
CLASE
TEMPRATURA DE TRABAJO ?@C
DESCRIPCION
82
Consiste de materiales o combinaciones de materiales, tales como algod(n, seda y papel sin impregnar Consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como el algod(n, sed y papel con alguna impregnaci(n o recubrimiento o cuando se sumergen en dialécticos líquidos tales como aceite. Diseado para operar pr(+imo al punto de ebullici(n del agua, previene de accidentes con materiales combustibles en el área con el transormador Consiste de materiales o combinaciones de materiales que por e+periencia o por pruebas, pueden operar a temperaturas hasta de 1 :C sobre el temperatura de los aislamientos Clase A Consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como la ibra de vidrio, asbestos con algunas substancias aglutinantes. 'on para transormadores pequeos Consiste en materiales o combinaciones de materiales tales como mica, ibra de vidrio, asbesto con sustancias aglutínales, así como otros materiales o combinaciones de materiales no necesariamente inorgánicos. $ara transormadores pequeos con tipo de distribuci(n de hasta /1:C Consiste en materiales o combinaciones de materiales como la mica, ibra de vidrio, asbesto, elast(meros y silicones o resinas a base de estos Consiste de materiales o combinaciones de materiales tales como la mica, la porcelana, vidrio con o sin aglutinantes.
Y
A
921
E
9/2
B
902
F
911
H
9;2
C
&ás de 9;2
. 6Q7 #)' *e e$
Con relaci(n a la transerencia del calor especíicamente, las ormas en que se puede transerir por un transormador, de acuerdo a las normas americanas 5A'A C1<=98>;6 se han normalizado deinido algunos métodos básicos de enriamiento que son los siguientes% TIPO AA
?ransormadores tipo seco con enriamiento propio, estos transormadores no contienen aceite ni otros líquidos para enriamiento, el aire es también el medio aislante que rodea el n#cleo y las bobinas.
TIPO AFA
?ransormadores tipo seco con enriamiento por aire orzado, se emplea para aumentar la potencia disponible de los tipo AA y su capacidad se basa en la posibilidad de disipaci(n de calor por medio de ventiladores o sopladores TIPO AAFA
?ransormadores tipo seco con enriamiento natural y con enriamiento por aire orzado, es básicamente un transormador tipo AA al que se le adicionan ventiladores para aumentar su capacidad de disipaci(n de calor TIPO OA
?ransormador sumergido en aceite con enriamiento natural, en estos transormadores el aceite aislante circula por convecci(n natural dentro de una tanque que tiene paredes lisas o corrugadas o bien provistos con tubos radiadores.
TIPO OAFA
?ransormador sumergido en líquido aislante con enriamiento propio y con enriamiento por aire orzado, es básicamente un transormador @A con la adici(n de ventiladores para aumentar la capacidad de disipaci(n de calor en las supericies de enriamiento
TIPO OAFOAFOA
?ransormador sumergido en líquido aislante con enriamiento propiocon aceite orzado = aire orzadocon aceite orzadoaire orzado. Con este tipo de enriamiento se trata de incrementar el régimen de operaci(n 5carga6 de transormador tipo @A por medio del empleo combinado de bombas y ventiladores. "l aumento de la capacidad se hace en dos pasos% en el primero se usan la mitad de los radiadores y la mitad de las bombas, con el segundo paso se hace traba!ar la totalidad de los radiadores y bombas
TIPO FOA
'umergido en líquido aislante con enriamiento por aceite orzado y de aire orzado. "stos transormadores pueden absorber cualquier carga de pico a plena capacidad ya que se usa con los ventiladores y las bombas de aceite traba!ando al mismo tiempo. TIPO O
'umergido en líquido aislante con enriamiento por agua, en estos transormadores el agua de enriamiento es conducida por serpentines, los cuales están en contacto con el aceite aislante del transormador y se drena por gravedad o por medio de una bomba independiente, el aceite circula alrededor de los serpentines por convecci(n natural.
TIPO FO
?ransormador sumergido en líquido aislante con enriamiento de aceite orzado y con enriadores de agua orzada. "ste tipo de transormadores es prácticamente igual que el 4@, s(lo que el cambiador de calor es del tipo agua = aceite y se hace el enriamiento por agua sin tener ventiladores.
OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES
"n la construcci(n de máquinas eléctricas es necesario tomar en consideraci(n los materiales de abricaci(n ya que dependiendo de sus cualidades y de sus características dependerá el desempeo al igual que el precio de la máquina o transormador "ntre los materiales descritos en el marco te(rico, los de mayor importancia son los materiales aislantes ya que como se describi( de ellos dependerá el buen uncionamiento de la máquina y al mismo tiempo nos da el rango de aislamiento que deben ser todas las piezas de la misma *as partes más importantes de los transormadores son los n#cleos y los devanados ya que de ellos depende el tipo de potencia y de volta!e que puede ser alto o de ba!o volta!e y esto #ltimo se relaciona directamente a la ba!a, media o alta potencia que se pueda generar "n la práctica los transormadores más usados son los de gran potencia y con un n#cleo triásico ya que la producci(n de electricidad a nivel global es la alterna y en su mayor parte es triásica sobre todo en la industria Dentro de los métodos de enriamiento más usados en la industria es el @B y el 4@B ya que estos son los más eectivos cuando los volta!es son demasiado altos y se tienen grandes cantidades de calor, pero en consecuencia a esto se debe tener mayor cuidado en el monitoreo del enriamiento del trao al igual que la cantidad de humedad en él *as partes secundarias de las máquinas eléctricas ya sean los pernos, etc. también deben de cumplir con los requerimientos que los otros materiales usados, teniendo en cuenta que estos deben cumplir cualidades mecánicas buenas al mismo tiempo que no deben ser magnéticos
BIBLIOGRAFIA Te'( *e ,'$(&%
o
&áquinas eléctricas, 'tephen . Chapman Cuarta edici(n ?ransormadores de potencia de medida y de protecci(n, "nrique Eas @liva "l libro práctico de los generadores, transormadores y motores eléctricos,
o
"nriquez 3arper Apuntes en clase
o
o
P/=#$%( *e I$e!$e
o o o
o o o o o
http%FFF.monograias.comtraba!os1;transormadorestransormadores/.shtml http%gara!e.ya.commigoteraatrao/.htm ghttp%FFF.delorenzogroup.comdldemoD*elmaGir*abAHteorH'?H?ra?raH &9.htm &embers.ortunecity.eschristian;/transormador.doc http%html.rincondelvago.comtransormador.html http%html.rincondelvago.commagnetismo.html http%FFF.sapiensman.comelectrotecniatransormadorHelectrico1.htm http%FFF.mitecnologico.comiem&ain?iposDe"nriamiento"n?ransormador es
