LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS
GUIA DE LABORATORIO
ESTRUCTURA Y MATERIALES EN LAS MAQUINAS ELECTRICAS - CICLO DE HISTÉRESIS
1.- OBJETIVO: Distinguir con habilidad y destreza la estructura y materiales con los que se construyen las máquinas eléctricas estáticas y rotativas.
Determinación de la curva de magnetización del material ferromagnético y las pérdidas en el material ferromagnético del núcleo. Observación del lazo de histéresis de diversos reactores de diferentes características.
2.- FUNDAMENTO TEORICO: Desarrollar las normas de seguridad que deben observarse durante el desarrollo de las prácticas de laboratorio.
Consideraciones generales.
Toda máquina eléctrica estática consta de dos partes esenciales: El núcleo magnético y los devanados, el núcleo determina característica relevantes, de manera que se establece una diferencia fundamental en la construcción de transformadores, dependiendo de la forma del núcleo, pudiendo ser el llamado NUCLEO TIPO COLUMNAS y el NUCLEO TIPO ACORAZADO, existen otros aspectos que establecen diferencias entre tipos de transformadores, como es por ejemplo el sistema de enfriamiento, que establece la forma de disipación del calor producido en los mismos.
EL NÚCLEO.
El núcleo magnético está formado por material ferromagnético que tienen pequeño porcentajes de silicio (entre 2.5% al 5%), esto para disminuir la resistencia del material al paso del flujo magnético, y se encuentra laminado, se conocen también como "laminaciones magnéticas", estas laminaciones tienen el objeto de limitar las pérdidas de corrientes circulantes o corrientes parásitas.
Están formados por un conjunto de laminaciones acomodadas en la forma y dimensiones requeridas.
En el caso de transformadores de gran potencia, se usan las llamadas "laminaciones de cristal orientado" cuyo espesor es de algunos milímetros y contienen entre 3% y 4% de silicio, se obtienen de material laminado en caliente, después se hace el laminado en frío, dando un tratamiento térmico final a la superficie de las mismas. Este tipo de laminación presenta propiedades magnéticas mejores que la laminación "normal" de acero al silicio usada para otro tipo de transformadores.
NÚCLEO TIPO COLUMNA
En los núcleos magnéticos de los transformadores tipo columna se distinguen dos partes principales: "las columnas" o piernas y los "yugos". En las columnas se alojan los devanados y los yugos unen entre si la las columnas para cerrar el circuito magnético.
Los núcleos se arman con "juegos" de laminaciones para columnas y yugos que se arman por capas de arreglos "pares" e "impares".
Cuando se emplean laminaciones de cristal orientado, es necesario que las uniones entre yugos y columnas se realicen con cortes inclinados para evitar trayectorias transversales de las líneas de flujo respecto a tales direcciones.
Núcleo tipo columna monofásico.
Se tienen dos columnas unidas en las partes inferior y superior por medio de un yugo, en cada una de estas columnas se encuentran incrustados la mitad del devanado primario y la mitad del devanados secundario.
Núcleo trifásico.
Se tienen tres columnas dispuestas sobre el mismo plano unidas en sus partes inferior y superior por medio de yugos. Sobre cada columna se incrustan los devanados primarios y secundarios de una fase.
TIPO ACORAZADO
Este tipo de núcleo acorazado, tiene la ventaja con respecto al llamado tipo columna, de reducir la dispersión magnética, su uso es más común en los transformadores monofásicos de poca potencia. En el núcleo acorazado, los devanados se localizan sobre la columna central.
LOS DEVANADOS DE LAS MAQUINAS ELECTRICAS.
Conductores eléctricos.
Los materiales usados como conductores en los transformadores, al igual que los usados en otras máquinas eléctricas, deben ser de alta conductividad, ya que con ellos se fabrican las bobinas. Los requisitos fundamentales que deben cumplir los materiales conductores, son los siguientes:
La más alta conductividad posible.
El menor coeficiente posible de temperatura por resistencia eléctrica.
Una adecuada resistencia mecánica.
Deben ser dúctiles y maleables.
Deben ser fácilmente soldables.
Tener una adecuada resistencia a la corrosión.
Los devanados de los transformadores se pueden clasificar en baja y alta tensión, por lo general, se usan conductores de cobre esmaltado, devanados en espiral y con capas sobrepuestas. Por lo general, el devanado de menor tensión se instala más cerca del núcleo interponiendo un cilindro de papel aislante y mediante separadores, se instala en forma concéntrica el devanado de tensión mayor. Los extremos de los devanados (denominados también principio y final del devanador) se protegen con aislante de forma de tubo conocido como "spaghetti".
La temperatura y los materiales aislantes.
Uno de los factores que más afectan la vida de los aislamientos, es la temperatura de operación de las máquinas eléctricas, esta temperatura está producida principalmente por las pérdidas y en el caso específico de los transformadores, durante su operación, estas pérdidas están localizadas en los siguientes elementos principales:
El núcleo o circuito magnético, aquí las pérdidas son producidas por el efecto de histéresis y las corrientes circulantes en las laminaciones, son dependientes de la inducción, es decir, que influye el voltaje de operación.
Los devanados, aquí las pérdidas se deben principalmente al efecto joule, estas pérdidas en los devanados son dependientes de la carga en el transformador.
Se presentan también pérdidas en las uniones o conexiones que se conocen también como "puntos calientes" así como en los cambiadores de derivaciones.
Todas estas pérdidas producen calentamiento en los transformadores, y se deben eliminar o disminuir este calentamiento a valores que no resultan peligrosos para los aislamientos, por medio de la aplicación de distintos medios de enfriamiento.
Las perdidas en una máquina eléctrica son importantes no tanto porque constituyan una fuente de ineficiencia, sino porque pueden representar una fuente importante de elevación de temperatura para los devanados, esta elevación de temperatura puede producir efectos en los aislamientos de los propios devanados, o bien en los aislamientos entre devanados y el núcleo, por esta razón, es siempre importante que todos los aislamientos entre devanados y el núcleo se mantengan dentro de los límites de temperatura que garanticen su correcta operación, sin perder su efectividad. De acuerdo a las Normas CEI – 85 la máxima temperatura que pueden soportar los aislantes es:
CLASE DE
AISLAMIENTO
(POR
TEMPERATURA)
CALENTAMIENTO
oC
A
105
E
120
B
130
Calidad de los Materiales ferromagnéticos.
En una máquina eléctrica, son los componentes que permiten la concentración de las líneas de campo magnético que se producen en las bobinas y facilitando la transferencia de potencia de un circuito a otro. El tipo de fundición determina la calidad del acero laminado o fundido y enriquecido con silicio para formar las distintas clases de chapas, que son exclusivamente empleados en máquinas eléctricas.
El punto de vista básico para elegir el material depende del tipo de flujo, si va a ser constante o variable. Si el valor del flujo en una determinada parte se mantiene constante en magnitud y sentido, no se originan pérdidas en el hierro en dicha parte, por lo que podrán ser utilizados núcleos masivos formados de una pieza y construidos de acero moldeado, fundición o similares. Si el flujo en una parte del circuito magnético ha de ser variable, dará lugar a pérdidas en el hierro de esa parte, por lo que en tal caso es preciso recurrir al empleo de chapas magnéticas.
Clasificación de las chapas.
Desde el punto de vista de su composición y características, se clasifican las chapas magnéticas en ordinarias, superiores y extrasuperiores.
Chapas ordinarias. Valor de pérdidas totales 3,6W/Kg. Su permeabilidad es muy buena, pero debido a sus elevadas pérdidas son poco empleadas.
Chapas superiores. Valor de pérdidas totales 2,6W/Kg. Es la más empleada en la construcción de máquinas rotativas, menor pérdidas que las ordinarias y su permeabilidad es inferior.
Chapas extrasuperiores. Valor de pérdidas totales 1,6W/Kg. Son exclusivamente empleadas en transformadores son de grano orientado y son muy frágiles, en máquinas rotativas no son usadas porque se romperían con facilidad. Su permeabilidad está muy próxima a la de las ordinarias.
Pérdidas en el hierro.
La variación del flujo en una determinada parte del circuito magnético puede resultar por cualquiera de los motivos siguientes:
Porque el flujo es alterno.
Porque aun conservando el flujo un valor constante, presenta un movimiento relativo respecto a la parte considerada del circuito magnético. Ese movimiento relativo puede resultar de un desplazamiento del flujo, permaneciendo fija la parte que se considera del circuito magnético o por un desplazamiento de dicha parte, conservándose fija la dirección del flujo.
Para reducir la potencia que se pierde por efecto de la histéresis se emplean chapas magnéticas sometidas a un adecuado proceso de recocido.
Para reducir la pérdida de potencia por corrientes parásitas o de Foucault es conveniente que las partes del circuito magnético, recorridas por un flujo variable, estén constituidas por un cierto número de chapas de hierro de poco espesor (0,5mm en las máquinas rotativas y 0,35mm en los transformadores) convenientemente aisladas entre sí por medio del propio óxido de las chapas, papel o barniz aislante.
Al efectuar el montaje del núcleo magnético, es imprescindible disponer de las chapas de manera que queden en planos paralelos a la dirección del flujo ó en planos perpendiculares al eje del rotor cuando se trate de máquinas rotativas.
3.- ELEMENTOS A UTILIZAR:
01 Transformadores de 0.5 y 0.35 KVA, 60 Hz, 220/110 V
01 Autotransformador variable de 0 – 220 V
01 Amperímetro de C.A., 01 Voltímetro de C.A.
01 Vatímetro de 0 – 5 A, 240 V
01 Miliamperímetro
01 Puente de Wheatstone
4.- ACTIVIDADES:
Ensayo de las características de Excitación. Tomar el bobinado de B.T. (110V) y armar el circuito de la figura 1 después de verificar las conexiones del circuito energizar incrementando la tensión de alimentación desde 0 V de 10 en 10 V hasta el 120% de la Un (tensión nominal), tomando los siguientes dato del circuito: V, I, W, determinar el valor de S y el valor de Q en una tabla.
Después de desenergizado el circuito medir la resistencia del bobinado con el puente de Wheatstone.
Figura 1
Tensión (V)
Corriente (A)
Potencia (W)
0
0
0
10
0.06
8
20
0.11
10
30
0.15
13
40
0.19
16
50
0.24
19
60
0.28
23
70
0.33
28
80
0.38
32
90
0.43
38
100
0.49
43
110
0.56
51
Observación del Lazo de Histéresis. Armar el circuito de la figura 2, hacer variar la tensión de salida del autotransformador de 20, 40, 60, 80, 100 y 120% de Un (tensión nominal). Observar como varia la forma de la figura en el osciloscopio.
Tamaño y forma del Lazo de histéresis de diversos reactores. Con el circuito de la figura 2 y solo la tensión nominal conectar diferentes reactores (tamaños y materiales del núcleo). Observar, dibujar y comparar los diferentes lazos obtenidos para cada reactor, tomando los valores de la corriente de excitación.
Figura 2
5.- CUESTIONARIO:
Describa la clasificación de los materiales ferromagnéticos según la concentración de sílice, describa sus aplicaciones.
Es la aleación más importante el hierro-silicio, también llamado acero-silicio, contiene un porcentaje variable de ¼-5% de silicio. Esta aleación recibe además un tratamiento térmico y con ello se obtiene un material que tiene mejor permeabilidad y al mismo tiempo mayor resistencia eléctrica y esto implica una disminución de las pérdidas por corrientes parásitas. El acero silicio se fabrica en láminas de 8.5mm a 9.35mm de espesor y de acuerdo con el porcentaje de silicio se obtienen diferentes tipos de aleaciones:
Field Grade: ¼% de silicio con una resistencia específica de 10µ -cm. Se emplea en la construcción de pequeños motores.
Armadura Grade: ½% de silicio con una resistencia específica de 19 µ -cm. Se emplea en pequeños motores generadores y en general en los dispositivos donde se desea tener altas densidades de flujo sin que interesen mayormente las pérdidas en el núcleo.
Electrical Grade: 1% de silicio con una resistencia específica de 26 µ -cm. Se emplea en motores y generadores de potencias medias, en transformadores, relays y otros aparatos diseñados para operación intermitente.
Motor Grade: 2.5% de silicio con una resistencia específica de 42 µ -cm. Se emplea en motores y generadores medianos de buena eficiencia en aparatos de control y en transformadores para radios.
Dínamo Grade: 3.5% de silicio con una resistencia específica de 50 µ -cm. Se emplea en motores y generadores de alta eficiencia, pequeños transformadores de potencia y transformadores de radio.
Transformador Grade: 5% de silicio con una resistencia específica de 56 µ -cm. Se emplea en los grandes transformadores de potencia, en grandes alternadores de alta eficiencia y en generadores síncronos.
Determinar los tipos de núcleo que se están utilizando en la construcción de transformadores y las ventajas y desventajas que presentan.
Existen 2 tipos de núcleos fundamentales de estructura del transformador ellos son el tipo columnas y el tipo acorazado, los cuales se detallan a continuación.
Tipo columnas: este tipo de núcleo se representa en el siguiente grafico, Este núcleo no es macizo, sino que está formado por un paquete de chapas superpuestas, y aisladas eléctricamente entre sí.
La aislación entre chapas se consigue con barnices especiales, con papel de seda, o simplemente oxidando las chapas con un chorro de vapor.
Núcleo tipo acorazado: este tipo de núcleo es más perfecto, pues se reduce la dispersión. Obsérvese que las líneas de fuerza de la parte central, alrededor de la cual se colocan las bobinas se bifurcan abajo y arriba hacia los 2 costados, de manera que todo el contorno exterior del núcleo puede tener la mitad de la parte central. Esto vale para las 2 ramas laterales como también para las 2 cabezas. Para armar el núcleo acorazado también se lo construye en trozos, unos en forma de E y otros en forma de I, y se colocan alternados, para evitar que las juntas coincidan.
El hecho que los núcleos sean hechos en dos trozos, hace que aparezcan juntas donde los filos del hierro no coinciden perfectamente, quedando una pequeña luz que llamaremos entrehierro. Obsérvese que en el tipo núcleo hay dos entrehierros en el recorrido de las fuerzas, y que el acorazado también, porque los dos laterales son atravesados por la mitad de líneas cada uno.
¿Qué características deben tener los devanados de las máquinas eléctricas?
Las características que deben tener los devanados son:
La más alta conductividad posible.
El menor coeficiente posible de temperatura por resistencia eléctrica.
Una adecuada resistencia mecánica.
Deben ser dúctiles y maleables.
Deben ser fácilmente soldables.
Tener una adecuada resistencia a la corrosión.
¿Por qué siempre se encuentra laminado el material ferromagnético de las máquinas eléctricas?
El núcleo magnético está formado por laminaciones de acero que tienen pequeños porcentajes de silicio (alrededor del 4%) y que se denominan "laminaciones magnéticos", estas laminaciones tienen la propiedad de tener pérdidas relativamente bajas por efecto de histéresis y de corrientes circulantes.
Están formados por un conjunto de laminaciones acomodadas en la forma y dimensiones requeridas. La razón de usar laminaciones de acero al silicio en los núcleos de las máquinas eléctricas, es que el silicio aumenta la resistividad del material y entonces hace disminuir la magnitud de las corrientes parásitas o circulantes y en consecuencia las pérdidas por este concepto.
Se encuentra laminado ya que así podemos reducir la perdida de energía que se convierte en calor o de por si la pérdida de potencia, para esto es necesario que los núcleos que están bajo un flujo variable no sean macizos así q deberán estar construidos por chapas magnéticas de espesores mínimos (laminados) apiadas y aisladas entre si.
Elaborar una tabla indicando la clase de aislante y su temperatura según la CEI.
CLASE DE AISLAMIENTO
TEMPERATURA
DESCRIPCION DEL MATERIAL
Y(O)
90°C
Algodón, ceda papel, celulosa o combinación de ellos no impregnados ni sumergidos en aceite, teniendo por consiguiente una humedad del 7 al 8 %
A
105°C
Los materiales del grupo anteriro sumergidos en aceite o impregnados de barnices, lacas o resinas
E
120°C
Aislamiento compuesto de materiales q por experiencia o por ensayos reconocidos, muestran poseer una estabilidad térmica que les permite soportar temperaturas de 15°C superiores a las de los materiales de clase A (nylon, poliéster, esmaltes de CPV y resinas fenólicas )
B
130°C
(+ 25°C)
F
155°C
(+ 50°C)
H
180°C
(+ 75°C)
¿Qué tipos de enfriamiento existen en transformadores? Explique con detalle
El calor producido por las pérdidas se transmite a través de un medio al exterior, este medio puede ser aire o bien líquido. La transmisión de calor se hace por un medio en forma más o menos eficiente, dependiendo de los siguientes valores:
La masa volumétrica.
El coeficiente de dilatación térmica.
La viscosidad.
El calor especificó.
La conductividad térmica.
Los transformadores están por lo general enfriados por aire o aceite capaz de mantener una temperatura de operación suficiente baja y prevenir "puntos calientes" en cualquier parte del transformador. El aceite se considera uno de los mejores medios de refrigeración que tiene además buenas propiedades dieléctricas y que cumple con las siguientes funciones:
Actúa como aislante eléctrico.
Actúa como refrigerante.
Protege a los aisladores sólidos contra la humedad y el aire.
El enfriamiento de los transformadores se clasifica en los siguientes grupos:
TIPO OA
Sumergido en aceite, con enfriamiento natural. Este es el enfriamiento más comúnmente usado y el que frecuentemente resulta el más económico y adaptable a la generalidad de las aplicaciones. En estos transformadores, el aceite aislante circula por convección natural dentro de un tanque con paredes lisas, corrugadas o bien previstas de enfriadores tubulares o radiadores separables.
TIPO OA/FA
Sumergido en aceite con enfriamiento propio y con enfriamiento de aire forzado. Este tipo de transformadores es básicamente una unidad OA a la cual se le han agregado ventiladores para aumentar la disipación del calor en las superficies de enfriamiento y por lo tanto, aumentar los KVA de salida.
TIPO OA/FOA/FOA
Sumergido en aceite con enfriamiento propio, con enfriamiento de aceite forzado-aire forzado, con enfriamiento aceite forzado-aire forzado. El régimen del transformador tipo OA, sumergido en aceite puede ser aumentado por el empleo combinado de bombas y ventiladores. En la construcción se usan los radiadores desprendibles normales con la adición de ventiladores montados sobre dichos radiadores y bombas de aceite conectados a los cabezales de los radiadores. El aumento de capacidad se hace en dos pasos: en el primero se usan la mitad de los radiadores y la mitad de las bombas para lograr un aumento de 1.333 veces sobre diseño OA; en el segundo se hace trabajar a la totalidad de los radiadores y bombas con lo que se consigue un aumento de 1.667 veces el régimen OA.
TIPO FOA
Sumergidos en aceite, con enfriamiento por aceite forzado con enfriadores de aire forzado. El aceite de estos transformadores es enfriado al hacerlo pasar por cambiadores de calor o radiadores de aire y aceite colocados fuera del tanque. Su diseño está destinado a usarse únicamente con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando continuamente.
TIPO OW
Sumergidos en aceite, con enfriamiento por agua. Este tipo de transformador esta equipado con un cambiador de calor tubular colocado fuera del tanque, el agua de enfriamiento circula en el interior de los tubos y se drena por gravedad o por medio de una bomba independiente. El aceite fluye, estando en contacto con la superficie exterior de los tubos.
TIPO FOW
Sumergido en aceite, con enfriamiento de aceite forzado con enfriadores de agua forzada. El transformador es prácticamente igual que el FOA, excepto que el cambiador de calor es del modelo agua-aceite y por lo tanto el enfriamiento del aceite se hace por medio de agua sin tener ventiladores.
TIPO AA
Tipo seco, con enfriamiento propio. La característica primordial es que no contienen aceite u otro líquido para efectuar las funciones de aislamiento y enfriamiento, y es el aire el único medio aislante que rodea el núcleo y las bobinas menos de 15KV y hasta 2 000 KVA.
TIPO AFA
Tipo seco, con enfriamiento por aire forzado. Para aumentar la potencia del transformador AA, se usa el enfriamiento con aire forzado. El diseño comprende un ventilador que empuja el aire en un ducto colocado en la parte inferior del transformador.
TIPO AA/AFA
Tipo sedo, con enfriamiento natural con enfriamiento por aire forzado. La denominación de estos transformadores indica que tienen dos régimen, uno por enfriamiento natural y el otro contando con la circulación forzada por medio de ventiladores, cuyo control es automático y opera mediante un relevador térmico
¿Qué es el circuito equivalente de una máquina eléctrica? Y ¿en qué es equivalente?
Para el cálculo de la mayor parte de las máquinas eléctricas, entre ellas el transformador, suele recurrirse a la sustitución de las mismas por su circuito equivalente, que incluso puede llegarse a simplificar. Este esquema incluye todos los fenómenos físicos que se producen en la máquina real, pero simplificando enormemente su cálculo. La ventaja de desarrollar circuitos equivalentes de las máquinas eléctricas permite aplicar todo el potencial de la teoría de circuitos para conocer con antelación la respuesta de una máquina en unas determinadas condiciones de funcionamiento, sin los cálculos extremadamente complejos que el estudio de la máquina real conllevaría. Pero para poder ser denominado un circuito equivalente de una máquina eléctrica como exacto, el circuito debe de representar a la máquina de forma exacta, ya que actualmente con la potencia de cálculo informática existente, si el circuito equivalente no representara perfectamente a la máquina eléctrica, estos circuitos carecerían de interés.
Hallar el circuito equivalente del reactor para su tensión nominal.
¿Por qué el área y la forma del lazo de histéresis de los reactores son diferentes para una misma tensión aplicada? Describir la variación del lazo de histéresis con la tensión aplicada.
Variación en las curvas de histéresis:
En un papel milimetrado, graficar los datos tabulados: V-I y W-V.
6.- OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES:
Cuando se utilizó el vatímetro se obtuvo una potencia de 180 W a 0 V este problema puede significar una mala calibración del mismo.
Las eficiencias de las máquinas eléctricas son las mayores en la actualidad las cuales pueden llegar a ser de 98% o más.
Los materiales ferromagnéticos nos permiten disminuir el ciclo de histéresis, los cuales son compuestos por aleaciones Fe-Si con un porcentaje de silicio de 0.25% a 5%.
Los núcleos de los transformadores deben ser laminados para que de esta manera se aumente la resistencia de los mismos, esto evita la generación de calor y mejor la eficiencia.
Los devanados deben tener la más alta conductividad posible en las maquinas eléctricas.
Los diferentes tipos de enfriamientos, deberán ser seleccionados de acuerdo al tipo de material que se utilice o de las potencias grandes o bajas que se ejecuten.
7.- BIBLIOGRAFÍA:
http://www.monografias.com/trabajos92/diseno-transformadores/diseno-transformadores.shtml
http://html.rincondelvago.com/transformadores.html
http://subestacoiones.blogspot.com/2011/01/tipos-de-enfriamiento-en.html
http://books.google.com.pe/books?id=tDzDoH5XLeIC&pg=PA245&lpg=PA245&dq=circuito+equivalente+de+una+maquina+electrica&source=bl&ots=cMYngCZ2ov&sig=RYux18LvSlPJV2XXR-qd-qJV4Eg&hl=es-419&sa=X&ei=TkQnU9XGNMnKkAeVtYG4DA&ved=0CDcQ6AEwAw#v=onepage&q=variacion%20de%20lazo&f=false
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/solids/hyst.html
Teoría y Análisis de Máquinas Eléctricas – Ing. Agustín Gutierrez Páucar UNI FIEE
Voltaje
Corriente
Voltaje
Potencia
