UNIVERSIDAD CATLICA DE SANTA MARA FACULTAD DE CIENCIAS FSICAS Y FORMALES PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERA MECNICA, MECNICA ELCTRICA Y MECATRNICA LABORATORIO DE MQUINAS ELCTRICAS ESTRUCTURA Y MATERIALES EN LAS MAQUINAS ELECTRICAS

1. OBJETIVO: Distinguir con habilidad y destreza la estructura y materiales con los que se construyen las mquinas elctricas estticas y rotativas.

2. MARCO TERICO:

Consideraciones generales. Toda mquina elctrica esttica consta de dos partes esenciales: El ncleo magntico y los devanados, el ncleo determina caracterstica relevantes, de manera que se establece una diferencia fundamental en la construccin de transformadores, dependiendo de la forma del ncleo, 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 disipacin del calor producido en los mismos.

El ncleo. El ncleo magntico est formado por material ferromagntico que tienen pequeo porcentajes de silicio (entre 2.5% al 5%), esto para disminuir la resistencia del material al paso del flujo magntico, y se encuentra laminado, se conocen tambin como laminaciones magnticas, estas laminaciones tienen la objeto de limitar las prdidas de corrientes circulantes o corrientes parsitas. Estn 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 milmetros y contienen entre 3% y 4% de silicio, se obtienen de material laminado en caliente, despus se hace el laminado en fro, dando un tratamiento trmico final a la superficie de las mismas. Este tipo de laminacin presenta propiedades magnticas mejores que la laminacin normal de acero al silicio usada para otro tipo de transformadores.

NCLEO TIPO COLUMNA En los ncleos magnticos 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 magntico.

Los ncleos 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 lneas de flujo respecto a tales direcciones. Ncleo tipo columna monofsico. 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. Ncleo trifsico. 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 ncleo acorazado, tiene la ventaja con respecto al llamado tipo columna, de reducir la dispersin magntica, su uso es ms comn en los transformadores monofsicos. En el ncleo acorazado, los devanados se localizan sobre la columna central.

LOS DEVANADOS DE LAS MAQUINAS ELECTRICAS.

Conductores elctricos. Los materiales usados como conductores en los transformadores, al igual que los usados en otras mquinas elctricas, 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 ms alta conductividad posible. El menor coeficiente posible de temperatura por resistencia elctrica. Una adecuada resistencia mecnica. Deben ser dctiles y maleables. Deben ser fcilmente soldables. Tener una adecuada resistencia a la corrosin.

Los devanados de los transformadores se pueden clasificar en baja y alta tensin, por lo general, se usan conductores de cobre esmaltado, devanados en espiral y con capas sobrepuestas. Por lo general, el devanado de menor tensin se instala ms cerca del ncleo interponiendo un cilindro de papel aislante y mediante separadores, se instala en forma concntrica el devanado de tensin mayor. Los extremos de los devanados (denominados tambin 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 ms afectan la vida de los aislamientos, es la temperatura de operacin de las mquinas elctricas, esta temperatura est producida principalmente por las prdidas y en el caso especfico de los transformadores, durante su operacin, estas prdidas estn localizadas en los siguientes elementos principales: El ncleo o circuito magntico, aqu las prdidas son producidas por el efecto de histresis y las corrientes circulantes en las laminaciones, son dependientes de la induccin, es decir, que influye el voltaje de operacin. Los devanados, aqu las prdidas se deben principalmente al efecto joule, estas prdidas en los devanados son dependientes de la carga en el transformador. Se presentan tambin prdidas en las uniones o conexiones que se conocen tambin como puntos calientes as como en los cambiadores de derivaciones.

Todas estas prdidas producen calentamiento en los transformadores, y se debe eliminar o disminuir este calentamiento a valores que no resultan peligrosos para los aislamientos, por medio de la aplicacin de distintos medios de enfriamiento. Las prdidas en una mquina elctrica son importantes no tanto porque constituyan una fuente de ineficiencia, sino porque pueden representar una fuente importante de elevacin de temperatura para los devanado, esta elevacin de temperatura puede producir efectos en los aislamientos de los propios devanados, o bien en los aislamientos entre devanados y el ncleo, por esta razn, es siempre importante que todos los aislamientos entre devanados y el ncleo se mantengan dentro de los lmites de temperatura que garanticen su correcta operacin, sin perder su efectividad. De acuerdo a las Normas CEI 85 la mxima temperatura que pueden soportar los aislantes es:

CLASE DE AISLAMIENTO (POR TEMPERATURA)

CALENTAMIENTO oC

AEB105120130

3. ELEMENTOS A UTILIZAR:

01 ncleo ferromagntico 01 estator Bobinas de mquinas elctricas 01 Transformador monofsico de 1 KVA, 220/110 V 01 Multmetro digital 01 megometro 01 Voltmetro de 0-300 V Conductores elctricos varios

4. ACTIVIDADES:

a.- Reconocer e identificar el ncleo ferromagntico, sus principales partes y tipos que existen. b.- Reconocer e identificar los devanados de las mquinas elctricas estticas. c.- Desarmar un transformador e identificar sus principales partes. d.- Verificar que tipo de aislamiento tiene el transformador, los materiales de aislamiento y estimar la temperatura soportan. e.- Verificar el tipo de enfriamiento que tiene el transformador (AFA, OFA, etc.)

5.- CUESTIONARIO:

1.- Determinar los tipos de ncleo que se estn utilizando, las ventajas y desventajas que se presentan.

Ncleo de columna: Buenos para instalar en transformadores trifsicos y monofsicos.Mayores prdidas de flujo de corriente y flujo magntico.Consta de uniones de lminas entre s, lo cual hace que tenga mayor elaboracin y mayor costo.

Ncleo acorazado:Buenos para instalar en transformadores monofsicos.Reducen la dispersin magntica, es decir conjuntan mayor capacidad de flujo magntico, y a la vez es menos costoso.

2.- Qu caractersticas deben tener los devanados de las mquinas elctricas?

Devanados de baja tensinEstn constituidos por lo general, de una sola espiral (algunas veces en 2 o 3 capas sobrepuestas), con alambres rectangulares aislados. El conductor se usa generalmente para potencias pequeas y tiene dimetros no superiores a 3 o 3.5mm. El aislamiento de los conductores, cuando son cilndricos, pueden ser dealgodny de papel, y ms raramente conductor esmaltado en caso de que los transformadores no sean enfriados con aceite.

Para transformadores de mediana y gran potencia, se recurre al uso de placa o solera decobreasilada, el aislamiento es por lo general de papel. En el caso de que las corrientes quetransportedel devanado sean elevadas ya sea por facilidad de manipulacin en la construccin o bien para reducir las corrientes parsitas, se puede construir el devanado con ms de una solera o placa en paralelo.

Devanados de alta tensin.Los devanados de alta tensin, tiene en comparacin con los de baja tensin, muchos espiras, y la corriente que circula por ellos, es relativamente baja, por lo que son de conductor de cobre de seccin circular con dimetro de 2.5 a 3.0 mm.

3.- Por qu siempre se encuentra laminado el material ferromagntico de las mquinas elctricas?

El ncleo magntico est formado por laminaciones deaceroque tienen pequeos porcentajes de silicio (alrededor del 4%) y que se denominan "laminaciones magnticos", estas laminaciones tienen lapropiedadde tener prdidas relativamente bajas por efecto de histresis y de corrientes circulantes.Estn formados por un conjunto de laminaciones acomodadas en la forma y dimensiones requeridas.

La razn de usar laminaciones de acero al silicio en los ncleos de lasmquinas elctricas, es que el silicio aumenta la resistividad del material y entonces hace disminuir la magnitud de las corrientes parsitas o circulantes y en consecuencia las prdidas por esteconcepto.Existen 2 tipos de ncleos fundamentales deestructuradel transformador ellos son el tipo columnas y el tipo acorazado, los cuales se detallan a continuacin.

4.- Elaborar una tabla indicando la clase de aislante y su temperatura segn la CEI.

5.- Qu tipos de enfriamiento existen en transformadores? Explique con detalle

TIPO AA:Transformadorestipo seco con enfriamiento propio, estostransformadoresno contienen aceite ni otros lquidos para enfriamiento, el aire es tambin el medio aislante que rodea el ncleo y las bobinas, por lo general se fabrican con capacidades inferiores a 2,000 kVA y voltajes menores de 15 kV.

TIPO AFA:Transformadorestipo seco conenfriamiento por aire forzado, se emplea para aumentar la potencia disponible de los tipo AA y su capacidad se basa en la posibilidad de disipacin de calor por medio de ventiladores o sopladores.

Tipo AA/FA:Transformadorestipo seco con enfriamiento natural y conenfriamiento por aire forzado, es bsicamente un transformador tipo AA al que se le adicionan ventiladores para aumentar su capacidad de disipacin de calor.

Tipo OA:Transformador sumergido en aceite con enfriamiento natural, estostransformadoresel aceite aislante circula por conveccin natural dentro de una tanque que tiene paredes lisas o corrugadas o bien provistos con tubos radiadores. Esta solucin se adopta paratransformadoresde ms de 50 kVA con voltajes superiores a 15 kV.

Tipo OA/FA:Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento propio y conenfriamiento por aire forzado, es bsicamente un transformador OA con la adicin de ventiladores para aumentar la capacidad de disipacin de calor en las superficies de enfriamiento.

OA/FOA/FOA:Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento propio/con aceite forzado aire forzado/con aceite forzado/aire forzado. Con este tipo de enfriamiento se trata de incrementar el rgimen de carga de transformador tipo OA por medio del empleo combinado de bombas y ventiladores. El aumento de la capacidad se hace en dos pasos:

1. Se usan la mitad de los radiadores y la mitad de las bombas con lo que se logra aumentar en 1.33 veces la capacidad del tipo OA,2. Se hace trabajar la totalidad de los radiadores y bombas con lo que se logra un aumento de 1.667 veces la capacidad del OA. Se fabrican en capacidades de 10,000 kVA monofsicos y 15,000 kVA trifsicos.

Tipo FOA:Sumergido en lquido aislante conenfriamiento por aceite forzadoy de aire forzado. Estos transformadorespueden absorber cualquier carga de pico a plena capacidad ya que se usa con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando al mismo tiempo.Tipo OW:Sumergido en lquido aislante con enfriamiento por agua, en estostransformadoresel agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los cuales estn en contacto con el aceite aislante del transformador y se drena por gravedad o por medio de una bomba independiente, el aceite circula alrededor de los serpentines por conveccin natural.

Tipo FOW:Transformador sumergido en lquido aislante con enfriamiento de aceite forzado y con enfriadores de agua forzada. Este tipo detransformadoreses prcticamente igual que el FO, slo que el cambiador de calor es del tipo agua aceite y se hace el enfriamiento por agua sin tener ventiladores.6. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES:

Mediante esta prctica pudimos observar los diferentes componentes de un trasformador, ya sea monofsico o trifsico.Despus de realizar la inspeccin necesaria para el caso, hemos concluido que podemos realizar una buena medida de los elementos si seguimos los pasos y normas.Cada transformador tiene su diferente uso y potencia, as que debemos ser cuidadosos al momento de emplear cualquiera para cualquier aplicacin.Pudimos experimentar que cada transformador tiene diferentes capacidades, y especificaciones, hallamos sus resistencias de aislamiento y pudimos comprobar cuanto consumiran en la vida cotidiana.Ejemplificando: la Resistencia nos dio un valor aproximado de 3000Las siguientes imgenes, son de la aplicacin que tuvimos para realizar las mediciones de estas.

Transformador trifsico, con conductor para alta potencia.

Medicin de resistencia de aislamiento

7. BIBLIOGRAFA:

CHAPMAN Stephen J.,MquinasElctricas Editorial MaGraw Hill, Terceraedicin,Colombia, 2000 KOSOW, Irving L., Mquinas elctricas y transformadores. Editorial Prentice Hall Hispanoamericana S.A.Mxico1991 http://www.monografias.com/trabajos92/diseno-transformadores/diseno-transformadores.shtml#ixzz3XIBMZzjh