UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARÍA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍAS FÍSICAS Y FORMALES PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECANICA, MECÁNICA-ELÉCTRICA Y MECATRÓNICA
2017
ESTRUCTURA Y MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN DE LAS MAQUINAS ELÉCTRICAS - CICLO DE HISTERESIS 1. OBJETIVO: - Distinguir con habilidad y destreza la estructura y materiales con los que se construyen las maquinas 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 TEÓRICO: Campos magneticos Los campos magnéticos son el mecanismo fundamental para convertir la energía de una forma a otra en motores, generadores y transformadores. Existen cuatro principios básicos que describen cómo se utilizan los campos magnéticos en estos aparatos: 1. Un conductor que porta corriente produce un campo magnético a su alrededor. 2. Un campo magnético variable en el tiempo induce un voltaje en una bobina de alambre si pasa a través de ella (este principio es la base del funcionamiento del transformador ). 3. Un conductor que porta corriente en presencia de un campo magnético experimenta una fuerza inducida sobre él (ésta es la base del funcionamiento del motor ). 4. Un conductor eléctrico que se mueva en presencia de un campo magnético tendrá un voltaje inducido en él (ésta es la base del funcionamiento del generador ). Producción de un campo magnético La ley básica que gobierna la producción de un campo magnético por medio de una corriente es la ley de Ampere:
∮ ∗ = donde H es la intensidad del campo magnético producida por la corriente I neta, y dl es el elemento diferencial a lo largo de la trayectoria de integración. En unidades del SI, I se mide en amperes y H en amperes-vuelta por metro. Para entender mejor el signifi cado de esta ecuación, es de gran ayuda aplicarla al sencillo ejemplo de la figura 1 que muestra un núcleo rectangular con un devanado de N vueltas de alambre enrollado sobre una de las piernas o columnas del núcleo. Si el núcleo es de hierro o de ciertos metales similares
(llamados materiales ferromagnéticos), casi todo el campo magnético producido por la corriente permanecerá dentro del núcleo, de modo que el camino de integración especificado en la ley de Ampere es la longitud media del núcleo ln. La corriente que pasa por el camino de integración I neta es entonces Ni , puesto que la bobina de alambre corta dicho camino N veces mientras pasa la corriente i . La ley de Ampere se expresa entonces como
∗ =
donde H es la magnitud del vector de intensidad del campo magnético H.
Figura 1: Núcleo Magnético Pérdidas de energía en un núcleo ferromagnético En vez de aplicar una corriente continua a los devanados dispuestos sobre el núcleo, se aplica una corriente alterna para observar qué ocurre. Suponga que el flujo inicial en el núcleo es cero. Cuando se incrementa la corriente por primera vez, el flujo en el núcleo sigue la trayectoria ab. Ésta es básicamente la curva de saturación que se muestra en la figura 2. Sin embargo, cuando la corriente decrece, el flujo representado en la curva sigue una trayectoria diferente de la seguida cuando la corriente iba en aumento. Cuando la corriente decrece, el flujo en el núcleo sigue la trayectoria bcd y, más tarde,
cuando la corriente se incrementa de nuevo, el flujo sigue la trayectoria deb. Nótese que la cantidad de flujo presente en el núcleo depende no sólo de la cantidad de corriente aplicada a los devanados del núcleo, sino también de la historia previa del flujo presente en el núcleo. Esta dependencia de la historia previa del flujo y el seguir una trayectoria diferente en la curva se denomina histéresis. La trayectoria bcdeb descrita en la figura 2 que representa la variación de la corriente aplicada, se denomina curva o lazo de histéresis.
Figura 2: Lazo de histéresis trazado por el flujo en un núcl eo cuando se aplica corriente
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: a) Ensayo de las características de Excitación. Tomando el bobinado de B.T. (110) y armando el circuito de la figura 1. después de verificar las conexiones del circuito se energizó incrementado la tensión de alimentación desde 0 V de 10 en 10 V hasta el 120% de la Un (tensión nominal) Después de desenergizado el circuito medir la resistencia del bobinado con el puente de Wheatstone
Datos del circuito: V, I, W, S y Q Tensión (V)
I (A)
Potencia W
S
ϴ
Q
0
0
0
0
0
0
10
0.079
1
0.79
20
0.118
2
2.36
32.06371074 1.252836781
30
0.156
4
4.68
31.27322467 2.429485542
40
0.192
5
7.68
49.37969934 5.829442512
50
0.237
8
11.85
47.53754656
8.74199634
60
0.278
10
16.68
53.1643203
13.34999625
70
0.328
13
22.96
55.51406186 18.92515786
80
0.376
16
30.08
57.86493668 25.47167839
90
0.441
20
39.69
59.7411519
100
0.511
24
51.1
61.98715139 45.11330181
110
0.591
18
65.01
73.92571724 62.46839281
120
0.677
33
81.24
66.03325758 74.23568953
130
0.804
40
104.52
67.49869839 96.56309026
140
0.952
47
133.28
69.35089856 124.7179153
34.28259179
b) Curva de magnetización del material del núcleo ensayado, utilizando los datos de tensión inducida y corriente de vacío Curva de magnetización 1
) e ( 0.9 o c 0.8 i t e n 0.7 g a m0.6 o 0.5 p m0.4 a c e 0.3 d d 0.2 a d i 0.1 s n e 0 D
0
20
40
60
80
100
120
140
160
H (intensidad de campo)
5. CUESTIONARIO: 5.1. Describa la clasificación de los materiales ferromagnéticos según la concentración de sílice, indicar sus aplicaciones Se clasifican según el porcentaje de silicio que tenga el material para la construcción de máquinas eléctricas esta aleación tiene mejores propiedades magnéticas para
campos magnéticos débiles, resistividad mayor y pérdidas totales menores en el núcleo. El silicio eleva la dureza del material y su porcentaje determina el empleo que se designa a la chapa No conviene superar el 4.5% de Si, porque se torna quebradizo. % de Si
Densidad(µ.Ω.cm)
Perdida W/kg a 10KGs. Y 50Hz
1.25
28
1.5 a 2
2.75
43
1.25 a 1.35
3.25
50
1.0 a 1.25
4
60
0.7 a0.8
5.2. Determinar los tipos de núcleo que se están utilizando en la construcción de transformadores y las ventajas y desventajas que presentan. Núcleo tipo columna: Presenta mayor facilidad para sustitución de bobinados, ensamble y desmontaje Tiene mayor facilidad de reparación en sitio Desventajas: Su forma constructiva debe ser necesariamente en posición vertical Presenta menor potencia a comparación del núcleo tipo acorazado Núcleo tipo Acorazado: Tiene mayor potencia Reduce la dispersión del flujo magnético Puede posicionarse verticalmente u horizontalmente Desventajas: La formación de entrehierro que surgen al no coincidir perfectamente los filos de hierro 5.3. En un papel milimetrado, graficar los datos tablados: V-I y W-V. 5.4. ¿Por qué siempre se encuentra laminado el material ferromagnético de las maquinas eléctricas?, indicar los espesores en las láminas más utilizados. Debido a la resistividad del material se define con la formula
ρ =
La resistencia del material depende del área transversal del material ferromagnético esta mientras tenga más área la resistencia será menor por lo que esta calentara mucho y su vida de funcionamiento disminuirá. Debido a ello se corta en láminas y se separa ellos con una película aislante para evitar el sobrecalentamiento. Los espesores de láminas más utilizados 0.5mm en máquinas rotativas y 0.35mm en los transformadores. 5.5. Elaborar una tabla indicando la clase de aislante y la temperatura de operación normal. Densidad a 20⁰C
temperatura maxima
Baquielita
1.3
70
Vidrio pyrex
2.5
500
Porcelana
2.4
1000
Esteatita
2.7
1000
Mylar
1.4
150
Policloruro de vinilo(PVC)
1.4
70
Polietileno reticulado
1.1
90
Neopreno
1.3
150
Goma butilica
0.95
65
Aceite de transformador
0.88
70
Pyraleno 1467
1.56
70
5.6. ¿Qué tipos de enfriamiento existen en transformadores? Explique con detalle a) Tipo AA Transformadores tipo seco con enfriamiento propio, estos transformadores no contienen aceite ni otros líquidos para enfriamiento, el aire es también el medio aislante que rodea el núcleo y las bobinas, por lo general se fabrican con capacidades inferiores a 2,000 kVA y voltajes menores de 15 kV. b) Tipo AFA Transformadores tipo seco con enfriamiento por aire forzado, se emplea para aumentar la potencia disponible de los tipo AA y su capacidad se basa en la posibilidad de disipación de calor por medio de ventiladores o sopladores. c) Tipo AA/FA Transformadores tipo seco con enfriamiento natural y
con enfriamiento por aire forzado, es básicamente un transformador tipo AA al que se le adicionan ventiladores para aumentar su capacidad de disipación de calor.
d) Tipo OA Transformador sumergido en aceite con enfriamiento natural, en estos transformadores el aceite aislante circula por convección natural dentro de un tanque que tiene paredes lisas o corrugadas o bien provistas con tubos radiadores. Esta solución se adopta para transformadores de más de 50 kVA con voltajes superiores a 15 kV. e) Tipo OA/FA Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento propio y con enfriamiento por aire forzado, es básicamente un transformador OA con la adición de ventiladores para aumentar la capacidad de disipación de calor en las superficies de enfriamiento. f) Tipo OA/FOA/FOA Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento propio/con aceite forzado – aire forzado/con aceite forzado/aire forzado. Con este tipo de enfriamiento se trata de incrementar el régimen de carga de transformador tipo OA por medio del empleo combinado de bombas y ventiladores. g) Tipo FOA Sumergido en líquido aislante con enfriamiento por aceite forzado y de aire forzado. Estos transformadores pueden absorber cualquier carga de pico a plena capacidad ya que se usa con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando al mismo tiempo. h) Tipo OW Sumergido en líquido aislante con enfriamiento por agua, en estos transformadores el agua de enfriamiento es conducida por serpentines, los cuales están 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 convección natural. i) Tipo FOW Transformador sumergido en líquido aislante con enfriamiento de aceite forzado y con enfriadores de agua forzada. Este tipo de transformadores es prácticamente
igual que el FO, sólo que el cambiador de calor es del tipo agua – aceite y se hace el enfriamiento por agua sin tener ventiladores.
5.7. ¿Qué es el circuito equivalente de una maquina eléctrica? Es el circuito reducido de una maquina eléctrica en el que destacan perdidas que ocurren en la maquina eléctrica pueden ser por corrientes parasitas, por histéresis o flujo disperso. 5.8. ¿Por qué el área y la forma del lazo de histéresis de los reactores son diferentes? Porque en los reactores se reduce notablemente la dispersión del campo magnético y este produce efectos como el aumento de la inductancia distorsión de la corriente y aparición de pérdidas de hierro 6. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES: - Las cantidades de potencia que se miden son muy pequeñas debido a ello se utilizó un vatímetro monofásico digital que media cantidades pequeñas de potencia. - La potencia inicial cuando se varió la tensión a 10 V fue muy pequeña debido ello no se puede calcular la potencia aparente y la potencia reactiva en el ensayo. - El material ferromagnético viene a ser el componente mas importante de las maquinas eléctricas porque ella junta todas las líneas de campo magnético y mejoran la transferencia de energía de una bobina a la otra. - Los transformadores son máquinas de potencia constante porque toda a energía que ingresa llega a la segunda bobina. - La utilización del núcleo acorazado viene a ser más potente que la de dos columnas y se usan mayormente para transformadores monofásicos. - Las pérdidas de la transferencia de energía se calculan mediante el Área que comprende las curvas de histéresis. 7. BIBLIOGRAFIA: - http://www1.frm.utn.edu.ar/tecnologiae/apuntes/materiales _magneticos.pdf - Maquinas eléctricas, 5ta edición Stephen J. Chapman - Maquinas eléctricas y transformadores, 3ra edición Bhag Huseyin
