REGLAMENTO GENERAL DE USO Y SERVICIO DEL LABORATGORIO DE ELECTRICIDAD, NORMAS DE SEGURIDAD, USO DE HERRAMIENTAS E INSTRUMENTOS DE MEDICION Y

LA ESTRUCTURA DE MAQUINAS ELECTRICAS ESTATICAS

1. OBJETIVOSConocer, analizar y difundir en los estudiantes el REGLAMENTO GENERAL DE USO Y SERVICIO DEL LABORATORIO DE ELECTRICIDAD. Revisar, estudiar y aplicar las normas de seguridad en la utilización de la energía eléctrica e instrucciones para la utilización de instrumentos de medición de magnitudes eléctricas Distinguir con habilidad y destreza la estructura de materiales con los que se construyen las maquinas eléctricas estáticas y rotativas.

2. FUNDAMENTO TEORICOAntes de comenzar nos haremos la pregunta: ¿Qué es una maquina eléctrica?; Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energía cinética en otra energía, o bien, en energía potencial pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético. Se clasifican en tres grandes grupos: generadores, motores y transformadores.Los generadores transforman energía mecánica en eléctrica, mientras que los motores transforman la energía eléctrica en mecánica haciendo girar un eje. El motor se puede clasificar en motor de corriente continua o motor de corriente alterna. Los transformadoresy convertidores conservan la forma de la energía pero transforman sus características.Una máquina eléctrica tiene un circuito magnético y dos circuitos eléctricos. Normalmente uno de los circuitos eléctricos se llama excitación, porque al ser recorrido por una corriente eléctrica produce los amperi-vueltas necesarios para crear el flujo establecido enel conjunto de la máquina.Desde una visión mecánica, las máquinas eléctricas se pueden clasificar en rotativas y estáticas. Las máquinas rotativas están provistas de partes giratorias, como las dinamos, alternadores, motores. Las máquinas estáticas no disponen de partes móviles, como los transformadores.En las máquinas rotativas hay una parte fija llamada estátor y una parte móvil llamada rotor. Normalmente el rotor gira en el interior del estátor. Al espacio de aire existente entre ambos se le denomina entrehierro. Los motores y generadores eléctricos son el ejemplo más simple de una máquina rotativa.Esta máquina está compuesta por el nucleo magnético y los devanadosEL NÚCLEO:Generalmente es de material ferromagnético. Los núcleos magnéticos suelen estar formados por chapas adosadas de acero al silicio o al níquel y aisladas entre sí para evitar así las corrientes de Foucault. Los núcleos magnéticos se utilizan en lugar del aire para permitir un mayor flujo magnético, aumentando

así el acoplamiento entre las bobinaso enrollamientos de un transformador.En un transformador, el núcleo tiene dos misiones fundamentales: Desde el punto de vista eléctrico –y esta es su misión principal- es la vía por

que discurre el flujo magnético. A través de las partes de la culata conduce el flujo magnético siguiendo un circuito prescrito, de una columna a otra.

Desde el punto de vista mecánico es el soporte de los arrollamientos que en él se apoyan.

El núcleo magnético de los transformadores está formado por el apilamiento de chapas deacero hasta alcanzar el grueso necesario. El apilamiento de las chapas se hace de formaentrecruzada formando grupos de tres láminas, de esta forma, los tamañosde las chapas son mas uniformes y se consigue que el conjunto seacompacto.Generalmente, las chapas magnéticas están constituidas poracero de construcción, al que se le añade entre un 3 y un 5%de silicio para aumentar su resistividad, disminuyendo las pérdidapor corrientes parásitas. Un contenido mayor en silicio haría elmaterial demasiado frágil para el mecanizado. Las pérdidaspor histéresis dependen en gran medida del procedimiento de fabricación de la chapa.Actualmente, para los núcleos de los transformadores se emplean chapa laminadas enfrío de un espesor aproximado de 0,35 milímetros, sometiéndolas a un proceso deoxidación. Este procedimiento hace que la capa de óxido formada en la superficie de laschapas aísle eléctricamente una de otra.Como la chapa magnética esta formada por cristales de mayor o menor tamañodependiendo del proceso de fabricación y tratamiento que sufre, cada cristal se magnetizafácilmente a lo largo de sus bordes. Por medio del laminado en frío y posterior tratamientotérmico todos los cristales se disponen de tal forma, que sus bordes están en la mismadirección (orientación del grano). De esta forma la chapa presenta una direcciónmagnética preferente, de forma que es muy fácil magnetizar en la dirección de lalaminación. Por lo tanto, para obtener una densidad de flujo dada, en dicha direcciónmagnética preferente, es necesaria menor corriente magnetizante que en el caso dechapa de grano no orientado.Puesto que la corriente magnetizante es alterna, los pequeños cristales que constituyen lachapa magnética cambian su orientación continuamente con el periodo de dicha corriente.Debido es estas inversiones magnéticas el núcleo se calienta y, por lo tanto, se producenpérdidas por esta inversión magnética. Dichas pérdidas esta formadas, a su vez, por laspérdidas por histéresis y las pérdidas por corrientes parásitas y hay que procurar queambas sean lo menores posible.Las pérdidas por histéresis son pequeñas si el material si el material que forma el núcleoes magnéticamente blando y las pérdidas por corrientes parásitas se reducen formando elnúcleo con chapas aisladas unas con otras.Existen 2 tipos de núcleos fundamentales 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 laschapas 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 loconstruye en trozos, unos en forma de E y otrosen forma de I, y se colocan alternados, paraevitar que las juntas coincidan. El hecho que losnúcleos sean hechos en dos trozos, hace queaparezcan juntas donde los filos del hierro nocoinciden perfectamente, quedando unapequeña luz que llamaremos entrehierro.Obsérvese que en el tipo núcleo hay dosentrehierros en el recorrido de las fuerzas, yque el acorazado también, porque los doslaterales son atravesados por la mitad de líneas cada uno.

DEVANADOS: Devanado imbricado

Cada lado de bobina está debajo de un polo de nombre contrario, y la o las espiras envuelven el flujo de un polo. Las conexiones de cada bobina terminan entre delgas contiguas, correspondiendo cada par de delgas a una bobina. Como los devanados son cerrados, cada delga es principio de una bobina y fin de la otra. En la figura observaremosun arrollamiento imbricado tetrapolar, y una bobina, la primera se ha reforzado para apreciar su posición.El sistema es a doble capa ya que en cada canaleta del inducido hay dos lados de bobina.Con la delga 1 comenzaremos el bobinado hacia el lado de la bobina 1 que está en la canaleta 1. Por la parte posterior y a través de la cabeza de bobina llegamos al lado 4, ubicado en la capa inferior de la canaleta 4, lado que completa la bobina y termina la delga en 2, desde la cual arranca otro sistema similar, siguiendo así se retorna a delga 1 yel arrollamiento es cerrado.

Devanados OnduladosEstos sistemas también tienen un lado de bobina debajo de cada polo de nombre contrario, pero la conexión no llega a la delga continua. En la figura vemos un devanado ondulado tetrapolar. Se indicó con un trazo grueso una bobina para poder apreciar la marcha del arrollamiento.Es de hacer notar que no se puede usar 12 bobinas sino 13, por que de hacerlo así, no selograría realizar el arrollamiento, por que partiríamos de la delga 1 y después de una vuelta volveríamos a la delga 1.Es posible en los ondulados hacer bobinas de varias espiras y a su vez colocar varios lados de bobina en una sola canaleta.

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 y en menos medida por corrientes de Foucault, 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 debe elimina este calentamiento a valores que no resultan peligrosos par also aislamientos, por medio de la aplicación de distintos medios de enfriamiento.

Con el propósito de mantener en forma confiable y satisfactoria la operación de las maquinas eléctricas, el calentamiento de cada una de sus partes, se debe controlar dentro de ciertos límites previamente definidos. 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 devanado, 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, por esta razón, es siempre importante que todos los aislamientos ese mantengan dentro de los límites de temperatura que garanticen su correcta operación, sin perder su efectividad.

Como la elevación en la temperatura depende también de la carga en las máquinas dentro de sus límites de carga o “cargabilidad” establecidos, para así respetar los límites de temperatura de su aislamientos.

En su régimen nominal de operación, un transformador tiene estrechamente, ligado su voltaje y potencia a los límites impuestos por los aislamientos usados y en menor grado por las pérdidas por efecto joule.

3. ELEMENTOS A UTILIZAR

Vatímetro Amperímetro Multímetro Megometro Voltímetro Puente wheastone Núcleo ferromagnético Bobinas de máquinas eléctricas Transformador monofásico de 1KVA, 220/110 V

4. PROCEDIMIENTO DE EJECUCION

Reconocer las herramientas a utilizarse en el laboratorio de electricidad. Identificar instrumentos de medición analógicos Identificar instrumentos de medición digital. Reconocer los elementos estructurales del transformador de potencia,

identificar: Los materiales del nucleo Las bobinas y los materiales aislantes aplicados en la

construcción del trafo Medir las resistencias eléctricas de las bobinas del

transformador ensayado

5. CUESTIONARIO1) Determinar los tipos de nucleos que se están utilizando y las ventajas y

desventajas que se presentan entre ambosExisten 2 tipos de núcleos fundamentales 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 laschapas 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 loconstruye en trozos, unos en forma de E y otrosen forma de I, y se colocan alternados, paraevitar que las juntas

coincidan. El hecho que losnúcleos sean hechos en dos trozos, hace queaparezcan juntas donde los filos del hierro nocoinciden perfectamente, quedando unapequeña luz que llamaremos entrehierro.Obsérvese que en el tipo núcleo hay dosentrehierros en el recorrido de las fuerzas, yque el acorazado también, porque los doslaterales son atravesados por la mitad de líneas cada uno.

2) ¿Qué características deben tener los devanados de las maquinas 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.

3) ¿Por qué siempre se encuentra laminado el material ferromagnético de las maquinas eléctricas?Se encuentra laminado ya que así podemos reducir la perdida de energía que se convierte en calor o de por si la perdida 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.La corriente eléctrica al no poder circular de una chapa a otra, tiene que hacerlo independientemente en cada una de ellas con lo que se induce menos corriente y disminuye la potencia perdida por corrientes de Faulcoult (se producen en cualquier material conductor).

4) ¿Qué tipos de enfriamiento existen en transformadores? Explique con detalle todos los sistemas de enfriamiento de transformadores que se utilizan

6. OBSERVACIONES Y CONCLUCIONES7. BIBLIOGRAFIA