LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS GUIA DE LABORATORIO ESTRUCTURA Y MATERIALES EN LAS MAQUINAS ELECTRICAS - CICLO DE HISTÉRESIS 1.- OB OBJJETI ETIVO:
Dist Distin ingu guir ir con con habi habili lida dad d y dest destrreza eza la estr estruc uctu tura ra 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 . onsideraciones generales. !oda !oda máquina eléctrica estática consta de dos partes esenciales" #l 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 %&'#O !()O O'&*%+, y el %&'#O !()O +O-++DO$ e/isten otros aspectos que establecen diferencias entre tipos de transformadores$ como es por e0emplo el sistema de enfriamiento$ que establece la forma de disipación del calor producido en los mismos.
EL NÚCLEO. #l núcleo magnético está formado por material ferromagnético que tienen peque1o porcenta0es de silicio 2entre 3.45 al 456$ esto para disminuir la resis esiste tenc ncia ia del del mate materi rial al al paso paso del del 7u0o 7u0o magn magnét étic ico$ o$ y se encu encuen entr tra a lamina laminado$ do$ se conoc conocen en tambié también n como como 8lamin 8laminaci acion ones es magné magnétic ticas as9$ 9$ estas estas lami lamina naci cio ones nes tien tienen en el ob0e ob0eto to de limi limita tarr las las pér pérdida didas s de cor corrien riente tes s circulantes o corrientes parásitas. #stán formados formados por un con0unto de laminaciones acomodadas acomodadas en la forma y dimensiones requeridas. #n el caso caso de transf transfor orma mador dores es de gran gran potenc potencia$ ia$ se usan usan las llama llamadas das 8laminaciones de cristal orientado9 cuyo espesor es de algunos milímetros y contienen entre :5 y ;5 de silicio$ se obtienen de material laminado en caliente$ después se hace el laminado en frío$ dando un tratamiento térmico
NÚCLEO TIPO COLUMNA #n los núcleos magnéticos de los transformadores tipo columna se distinguen dos partes principales" 8las columnas9 o piernas y los 8yugos9. #n las columnas se alo0an los devanados y los yugos unen entre si la las columnas para cerrar el circuito magnético. 'os núcleos se arman con 80uegos9 de laminaciones para columnas y yugos que se arman por capas de arreglos 8pares9 e 8impares9. uando 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 7u0o respecto a tales direcciones.
N!"#$ %&'$ !$"()*+ )$*$,&!$. ,e 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.
N!"#$ %/&,&!$. ,e tienen tres columnas dispuestas sobre el mismo plano unidas en sus partes inferior y superior por medio de yugos. ,obre cada columna se incrustan los devanados primarios y secundarios de una fase.
TIPO ACORA0ADO #ste tipo de núcleo acorazado$ tiene la venta0a con respecto al llamado tipo columna$ de reducir la dispersión magnética$ su uso es más común en los transformadores monofásicos de poca potencia. #n el núcleo acorazado$ los devanados se localizan sobre la columna central.
LOS DEVANADOS DE LAS MAQUINAS ELECTRICAS. C$*(!%$/# #"!%/&!$. 'os materiales usados como conductores en los transformadores$ al igual que los usados en otras máquinas eléctricas$ deben ser de alta conductividad$ ya que con ellos se fabrican las bobinas. 'os requisitos fundamentales que deben cumplir los materiales conductores$ son los siguientes"
'a más alta conductividad posible. #l menor coe
'os devanados de los transformadores se pueden clasi
aislante y mediante separadores$ se instala en forma concéntrica el devanado de tensión mayor. 'os e/tremos de los devanados 2denominados también principio y
L+ %#)'#/+%(/+ 3 "$ )+%#/&+"# +&"+*%#. &no 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 especí
4 la má/ima temperatura que pueden soportar los aislantes es"
CLASE DE AISLAMIENTO 4POR TEMPERATURA5 A E B
CALENTAMIENTO $C
?@4 ?3@ ?:@
C+"&+ # "$ M+%#/&+"# ,#//$)+6*%&!$. #n 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. #l tipo de fundición determina la calidad del acero laminado o fundido y enriquecido con silicio para formar las distintas clases de chapas$ que son e/clusivamente empleados en máquinas eléctricas. #l punto de vista básico para elegir el material depende del tipo de 7u0o$ si va a ser constante o variable. ,i el valor del 7u0o 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. ,i el 7u0o 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.
C"+&7!+!&8* # "+ !9+'+. Desde el punto de vista de su composición y características$ se clasi
hapas ordinarias. Aalor de pérdidas totales :$BCEg. ,u permeabilidad es muy buena$ pero debido a sus elevadas pérdidas son poco empleadas. hapas superiores. Aalor de pérdidas totales 3$BCEg. #s la más empleada en la construcción de máquinas rotativas$ menor pérdidas que las ordinarias y su permeabilidad es inferior. hapas e/trasuperiores. Aalor de pérdidas totales ?$BCEg. ,on e/clusivamente empleadas en transformadores son de grano orientado y son muy frágiles$ en máquinas rotativas no son usadas porque se romperían con facilidad. ,u permeabilidad está muy pró/ima a la de las ordinarias.
P/&+ #* #" 9&#//$. 'a variación del 7u0o en una determinada parte del circuito magnético puede resultar por cualquiera de los motivos siguientes"
)orque el 7u0o es alterno. )orque aun conservando el 7u0o un valor constante$ presenta un movimiento relativo respecto a la parte considerada del circuito magnético. #se movimiento relativo puede resultar de un desplazamiento del 7u0o$ permaneciendo <0a la parte que se considera del circuito magnético o por un desplazamiento de dicha parte$ conservándose <0a la dirección del 7u0o.
)ara reducir la potencia que se pierde por efecto de la histéresis se emplean chapas magnéticas sometidas a un adecuado proceso de recocido. )ara reducir la pérdida de potencia por corrientes parásitas o de Foucault es conveniente que las partes del circuito magnético$ recorridas por un 7u0o
variable$ estén constituidas por un cierto número de chapas de hierro de poco espesor 2@$4mm en las máquinas rotativas y @$:4mm en los transformadores6 convenientemente aisladas entre sí por medio del propio ó/ido de las chapas$ papel o barniz aislante. +l efectuar el monta0e del núcleo magnético$ es imprescindible disponer de las chapas de manera que queden en planos paralelos a la dirección del 7u0o ó en planos perpendiculares al e0e del rotor cuando se trate de máquinas rotativas.
.- ELEMENTOS A UTILI0AR:
@? !ransformadores de @.4 y @.:4 EA+$ B@ Gz$ 33@??@ A @? +utotransformador variable de @ = 33@ A @? +mperímetro de .+.$ @? Aoltímetro de .+. @? Aatímetro de @ = 4 +$ 3;@ A @? *iliamperímetro @? )uente de Cheatstone
;.- ACTIVIDADES: a6 #nsayo de las características de #/citación. !omar el bobinado de H.!. 2??@A6 y armar el circuito de la
Figura ?
T#*&8* 4V5 = 1= 2= = ;= @= >=
C$//&#*%# 4A5 = =.=> =.11 =.1@ =.1 =.2; =.2?
P$%#*!&+ 4<5 = ? 1= 1 1> 1 2
= ?= = 1== 11=
=. =.? =.; =.; =.@>
2? 2 ? ; @1
Ilustración 1: Armado del circuito eléctrico
Ilustración 2: Transformador 220/110 v
Figura 3
@.-
CUESTIONARIO: Ilustración 3: Medida de potencia activa
@.1. D#!/&+ "+ !"+&7!+!&8* # "$ )+%#/&+"# ,#//$)+6*%&!$ #6* "+ !$*!#*%/+!&8* # "&!# #!/&+ ( +'"&!+!&$*#. #s la aleación más importante el hierroJsilicio$ también llamado aceroJ silicio$ contiene un porcenta0e variable de KJ45 de silicio. #sta aleación recibe además un tratamiento térmico y con ello se obtiene un material que tiene me0or permeabilidad y al mismo tiempo mayor resistencia eléctrica y esto implica una disminución de las pérdidas por corrientes parásitas. #l acero silicio se fabrica en láminas de >.4mm a L.:4mm de espesor y de acuerdo con el porcenta0e de silicio se obtienen diferentes tipos de aleaciones"
Field Mrade" K5 de silicio con una resistencia especí
?L NΩJcm. ,e emplea en peque1os motores generadores y en general en los dispositivos donde se desea tener altas densidades de 7u0o sin que interesen mayormente las pérdidas en el núcleo. #lectrical Mrade" ?5 de silicio con una resistencia especí
NΩJcm. ,e emplea en motores y generadores de potencias medias$ en transformadores$ relays y otros aparatos dise1ados para operación intermitente. *otor Mrade" 3.45 de silicio con una resistencia especí
NΩJcm. ,e emplea en motores y generadores medianos de buena e
4@ NΩJcm. ,e emplea en motores y generadores de alta e
de 4B NΩJcm. ,e emplea en los grandes transformadores de potencia$ en grandes alternadores de alta e
@.2. D#%#/)&*+/ "$ %&'$ # *!"#$ (# # #%* (%&"&+*$ #* "+ !$*%/(!!&8* # %/+*,$/)+$/# 3 "+ #*%++ 3 ##*%++ (# '/##*%+*. #/isten 3 tipos de núcleos fundamentales de estructura del transformador ellos son el tipo columnas y el tipo acorazado$ los cuales se detallan a continuación. •
Tipo columnas"
este tipo de núcleo se representa en el siguiente gra
'a aislación entre chapas se consigue con barnices especiales$ con papel de seda$ o simplemente o/idando 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 aba0o y arriba hacia los 3 costados$ de manera que todo el contorno e/terior del núcleo puede tener la mitad de
la parte central. #sto vale para las 3 ramas laterales como también para las 3 cabezas. )ara armar el núcleo acorazado también se lo construye en trozos$ unos en forma de # y otros en forma de ($ y se colocan alternados$ para evitar que las 0untas coincidan. #l hecho que los núcleos sean hechos en dos trozos$ hace que aparezcan 0untas donde los
@.. E* (* '+'#" )&"&)#%/+$ 6/+7!+/ "$ +"$/# %+("+$ V-I 3 <-V.
@.;. P$/ ( &#)'/# # #*!(#*%/+ "+)&*+$ #" )+%#/&+" ,#//$)+6*%&!$ # "+ )(&*+ #"!%/&!+K #l núcleo magnético está formado por laminaciones de acero que tienen peque1os porcenta0es de silicio 2alrededor del ;56 y que se denominan Plaminaciones magnéticosP$ estas laminaciones tienen la propiedad de tener pérdidas relativamente ba0as por efecto de histéresis y de corrientes circulantes. #stán formados por un con0unto de laminaciones acomodadas en la forma y dimensiones requeridas. 'a 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. ,e 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 ba0o un 7u0o variable no sean macizos así q deberán estar construidos por chapas magnéticas de espesores mínimos 2laminados6 apiadas y aisladas entre si.
@.@. E"+$/+/ (*+ %+"+ &*&!+*$ "+ !"+# # +&"+*%# 3 ( %#)'#/+%(/+. CLASE DE AISLAMIENTO Y4O5
TEMPERATU RA
DESCRIPCION DEL MATERIAL
L@Q
+lgodón$ ceda papel$ celulosa o combinación de ellos no impregnados ni sumergidos en aceite$ teniendo por consiguiente una humedad del R al > 5
A
?@4Q
E
?3@Q
B F H
?:@Q ?44Q ?>@Q
'os materiales del grupo anteriro sumergidos en aceite o impregnados de barnices$ lacas o resinas +islamiento compuesto de materiales q por e/periencia o por ensayos reconocidos$ muestran poseer una estabilidad térmica que les permite soportar temperaturas de ?4Q superiores a las de los materiales de clase + 2nylon$ poliéster$ esmaltes de )A y resinas fenólicas 6 2S 34Q6 2S 4@Q6 2S R4Q6
@.>. Q( %&'$ # #*,/&+)&#*%$ #&%#* #* %/+*,$/)+$/#K E'"&(# !$* #%+""# #l calor producido por las pérdidas se transmite a través de un medio al e/terior$ este medio puede ser aire o bien líquido. 'a transmisión de calor se hace por un medio en forma más o menos e
'a masa volumétrica. #l coe
'os transformadores están por lo general enfriados por aire o aceite capaz de mantener una temperatura de operación su
+ctúa como aislante eléctrico. +ctúa como refrigerante. )rotege a los aisladores sólidos contra la humedad y el aire.
#l enfriamiento de los transformadores se clasi
!()O O+ ,umergido en aceite$ con enfriamiento natural. #ste es el enfriamiento más comúnmente usado y el que frecuentemente resulta el más económico y adaptable a la generalidad de las aplicaciones. #n 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.
b.
!()O O+F+ ,umergido en aceite con enfriamiento propio y con enfriamiento de aire forzado. #ste tipo de transformadores es básicamente una unidad O+ a la cual se le han agregado ventiladores para aumentar la disipación del calor en las super
c.
!()O O+FO+FO+ ,umergido en aceite con enfriamiento propio$ con enfriamiento de aceite forzadoJaire forzado$ con enfriamiento aceite forzadoJaire forzado. #l régimen del transformador tipo O+$ sumergido en aceite puede ser aumentado por el empleo combinado de bombas y ventiladores. #n 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. #l 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 ?.::: veces sobre dise1o O+T en el segundo se hace traba0ar a la totalidad de los radiadores y bombas con lo que se consigue un aumento de ?.BBR veces el régimen O+.
d.
!()O FO+ ,umergidos en aceite$ con enfriamiento por aceite forzado con enfriadores de aire forzado. #l aceite de estos transformadores es enfriado al hacerlo pasar por cambiadores de calor o radiadores de aire y aceite colocados fuera del tanque. ,u dise1o está destinado a
usarse únicamente con los ventiladores y las bombas de aceite traba0ando continuamente. e.
!()O OC ,umergidos en aceite$ con enfriamiento por agua. #ste 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. #l aceite 7uye$ estando en contacto con la super
f.
!()O FOC ,umergido en aceite$ con enfriamiento de aceite forzado con enfriadores de agua forzada. #l transformador es prácticamente igual que el FO+$ e/cepto que el cambiador de calor es del modelo aguaJ aceite y por lo tanto el enfriamiento del aceite se hace por medio de agua sin tener ventiladores.
g.
!()O ++ !ipo seco$ con enfriamiento propio. 'a 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 ?4EA y hasta 3 @@@ EA+.
h.
!()O +F+ !ipo seco$ con enfriamiento por aire forzado. )ara aumentar la potencia del transformador ++$ se usa el enfriamiento con aire forzado. #l dise1o comprende un ventilador que empu0a el aire en un ducto colocado en la parte inferior del transformador.
i.
!()O +++F+ !ipo sedo$ con enfriamiento natural con enfriamiento por aire forzado. 'a 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
@.. Q( # #" !&/!(&%$ #(&+"#*%# # (*+ )(&*+ #"!%/&!+K Y #* ( # #(&+"#*%#K )ara 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 simpli
comple0os que el estudio de la máquina real conllevaría. )ero para poder ser denominado un circuito equivalente de una máquina eléctrica como e/acto$ el circuito debe de representar a la máquina de forma e/acta$ ya que actualmente con la potencia de cálculo informática e/istente$ si el circuito equivalente no representara perfectamente a la máquina eléctrica$ estos circuitos carecerían de interés.
@.?. H+""+/ #" !&/!(&%$ #(&+"#*%# #" /#+!%$/ '+/+ ( %#*&8* *$)&*+".
@.. P$/ ( #" /#+ 3 "+ ,$/)+ #" "+$ # 9&%/#& # "$ /#+!%$/# $* &,#/#*%# '+/+ (*+ )&)+ %#*&8* +'"&!++K D#!/&&/ "+ +/&+!&8* #" "+$ # 9&%/#& !$* "+ %#*&8* +'"&!++. Aariación en las curvas de histéresis"
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>.- OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES:
uando se utilizó el vatímetro se obtuvo una potencia de ?>@ C a @ A este problema puede signi
'as e5 o más. 'os materiales ferromagnéticos nos permiten disminuir el ciclo de histéresis$ los cuales son compuestos por aleaciones FeJ,i con un porcenta0e de silicio de @.345 a 45. 'os 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 me0or la e
.- BIBLIOGRAFA:
http"UUU.monogra'v,l)\A3YY-JqdJq\A;#gZhlXesJ ;?LZsaXYZeiX!VIn&LYM%*nEV+eAt[M;D+ZvedX@DcIB+#U+U]v XonepageZqXvariacion53@de53@lazoZfXfalse http"hyperphysics.phyJastr.gsu.eduhbaseessolidshyst.html !eoría y +nálisis de *áquinas #léctricas = (ng. +gustín Mutierrez )áucar &%( F(##
