Estructura y Materiales de Construccion de Las Maquinas Electricas

 

Maquinas eléctricas

UNIVERSIDAD CATOLICA DE SANTA MARIA

FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERIAS FÍSICAS Y FORMALES

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA CURSO: Maquinas Electricas Alumno: Chambi Valdivia Luis Docente: Luis Chirinos Apaza Grupo: 01

Abril 2019

- AREQUIPA

 

Maquinas eléctricas

ESTRUCTURA Y MATERIALES DE CONSTRUCCION DE LAS MAQUINAS ELECTRICAS; CICLO DE HISTERESIS 1.  Objetivos Demostrar que en un materia ferromagnético se produce el ciclo de histéresis, el ciclo de histéresis no es una función lineal, cuanto calor produce este por parte de los materiales ferromagnéticos por la potencia activa que toma de la red y que representan las perdidas constantes de las maquinas eléctricas estáticas. 2.  Marco teórico Una máquina es un aparato que transforma una energía en otra del mismo o distinto tipo. Las máquinas eléctricas son aquellas en las que interviene la energía eléctrica. Se puede hacer una primera clasificación de las mismas en:  

Máquinas rotativas, son aquellas que transforman el movimiento en electricidad (generadores) o viceversa (motores).   Máquinas estáticas, son aquellas que transforman una energía eléctrica alterna en otra de distintas características, reciben el nombre de transformadores.

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El transformador es una máquina estática (sin partes móviles) de corriente alterna que transforma una señal alterna en otra señal alterna de distinta tensión o intensidad. Se emplea de forma generalizada en los sistemas eléctricos por su reversibilidad (permite elevar y reducir la tensión) y por su alto rendimiento. Su utilización permite el uso de Alta Tensión para el transporte de energía eléctrica a grandes distancias con pérdidas de energía reducidas y su posterior conversión a Bajas Tensiones para poder ser utilizada por los l os consumidores. Está constituido por:  

Núcleo de láminas de material ferromagnético, sirve para acoplar (conectar) magnéticamente el primario y el secundario   Devanados (primario y secundario), son bobinas de cobre o aluminio cubiertas de un barniz aislante que se arrollan sobre el núcleo. En estos se genera o recibe el flujo que atraviesa el núcleo

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El núcleo determina características relevantes, de manera que se establece una diferencia fundamental en la construcción de ttransformadores, ransformadores, depe dependiendo ndiendo de la forma del núcleo, existen dos tipos de núcleo:

Fig. 1.- Tipos de núcleos

 A fin de mantener al mínimo la perdida en el núcleo, este se construye con laminaciones delgadas de material ferromagnético sumamente permeable, como la lámina de acero al perdidas silicio. Semagnéticas usa acero bajas. al silicio envejecimiento y de El por sus propiedades de no espesor de la laminación va de 0.014 a 0.024 pulgadas. En ambas caras de la laminación se aplica un recubrimiento delgado de barniz aislante para proporcionar una resistencia alta entre las laminaciones. El proceso de cortar las laminaciones al tamaño adecuado ocasiona esfuerzos por troquelado y corte, las laminaciones se sujetan durante cierto tiempo a temperaturas elevadas en un ambiente controlado. Esto se conoce como proceso de revenido. r evenido. Fig. 2 Lamina de acero al silicio

Ciclo de Histéresis El ciclo de histéresis magnética es la figura que se obtiene en la representación gráfica de la magnetización versus el campo magnético aplicado, para un dado material ferromagnético o ferromagnético, en una dada dirección dentro del material, y a una dada temperatura. Supongamos que después de alcanzar el estado de saturación, se disminuye el campo aplicado hasta cero. La imanación disminuye pero no alcanza un valor nulo cuando H=0. La muestra queda con una imanación denominada imanación remanente.

 

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Si se aumenta el valor del campo magnético en sentido negativo, la imanación sigue disminuyendo hasta que se anula. El valor de campo necesario para anular la imanación es el campo coercitivo intrínseco, Hc. Si se sigue aumentando el campo en sentido negativo, se alcanza el estado de saturación en sentido contrario al inicial. Realizando la variación de H en sentido inverso se obtiene el llamado ciclo de histéresis del material. El área encerrada por el Fig. 3 Ciclo de histéresis ciclo es la energía disipada por el material en forma de calor en el proceso cíclico de imanación al que se le ha sometido.

3.  Resultados según el procedimiento propuesto i. 

Resistencia de continuidad

Fig. 4 Sistema para resistencia en continuidad.

Como se puede ver en el siguiente esquema, los resultados que queremos verificar es si hay fuga de tensión dándole tensión a la bobina mediante un aparato que proporciona tensión a la bobina, la bobina como se sabe tiene en su placa los datos de la bobina para que sepamos donde conectar los cables.

 

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Fig. 5 Placa de Transformador

Para los cálculos de circuitos o líneas con transformadores, se utiliza un circuito equivalente que represente el comportamiento del transformador real. Para la mayoría de los casos, es suficiente con que dicho circuito equivalente represente el transformador en régimen permanente. Para el análisis de transitorios el circuito equivalente en régimen permanente no es suficiente y, por lo tanto, es necesario realizar ensayos adicionales que lleven a un circuito equivalente más complejo.

Los resultados son:   Tierra-Bobina primaria 5000Ω    Tierra-Bobina secundaria 5000Ω    Bobina primaria-Bobina secundaria 5000Ω 

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Los dan una a conocer el paso de la corriente quefuga emita hacer practica girar la perilla paradatos que pase corriente que nos dice que no hay enal nuestra en que si, que no tenemos ningún contacto. Como se puede hallar una lectura l ectura más exacta, seria usando el puente Weston Con el multímetro revisamos cuanta resistencia hay entre   x1 y x3 nos da un valor de 0.6 Ω   h1 y h2 nos da un valor de 1.2Ω 

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El puente de Wheatstone es el circuito más sensitivo que existe medir con precisión el valor de una resistencia. Es un circuito muy interesant interesantee y se utiliza para medir el valor de componentes pasivos como las resistencias. Con el multímetro revisamos cuanta resistencia hay entre   x1 y x3 nos da un valor de 0.383 Ω   h1 y h2 nos da un valor de 0.893 Ω 

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Fig. 6 Puentes de Wheatstone

Con tanta precisión hallamos la resistencia viendo que el error que tiene el multímetro es mas del 100%.

 

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ii. 

C iclo iclo de histéresis

En el ensayo después de realizar las conexiones de la figura mostrada, Revisando las conexiones del circuito energizar incrementando la tensión de alimentación desde 0 V de 10 en 10 V hasta el 120% de la tensión nominal, tomando los siguientes datos del circuito V, I, W, determinamos el valor de S y el valor de Q en la tabla.

Fig. 7 Circuito para simular la práctica del ciclo de histéresis

Fig. 8 Circuito armado.

El vatímetro es un instrumento electrodinámico para medir la potencia eléctrica o la tasa de suministro de energía eléctrica de un circuito eléctrico dado. El dispositivo consiste en un par de bobinas de bobinas fijas, llamadas «bobinas de corriente» o anemométrica , y una bobina móvil llamada «bobina de potencial» o voltimétrica. Fig. 9 Placa del Vatímetro

 

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Se denomina transformador a una máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente de corriente alterna, alterna, manteniendo  manteniendo la la potencia.  potencia.   La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores. Fig. 10 Placa del Transformador

Potencia activa, reactiva y aparente  Además de la potencia instantánea, en un circuito de corriente alterna podemos hablar de:   Potencia activa (P), que es la que se aprovecha como potencia útil. También se llama potencia media, real o verdadera y es debida a los dispositivos resistivos.

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Su unidad de medida en el vatio (W).   Potencia reactiva (Q), que es la potencia que necesitan las bobinas y los condensadores para generar campos magnéticos o eléctricos, pero que no se transforma en trabajo trabajo efectivo, sino que fluctúa por la red entre el generador y los receptores.

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Su unidad de medida es el voltamperio reactivo (VAr).   Potencia aparente(S), es la potencia total consumida por la carga y es el producto de los valores eficaces de tensión e intensidad. Se obtiene como la suma vectorial de las potencias activa y reactiva y representa la ocupación total de las instalaciones debidas a la conexión del receptor.

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Su unidad de medida medida es el voltam voltamperio perio (VA) .

Tabla para el cálculo de potencia

 

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Tabla 1

Tensión

Corriente

Potencia S

Potencia P

Potencia Q

10.08 20.04 30.06 40 50

0.076 0.108 0.138 0.168 0.199

0.76608 2.16432 4.14828 6.72 9.95

0 0 5 5 5

0.684873 1.9348949 3.7085485 5.955942 1.425289

90 90 90 41.93 59.834

60.05 70 80.1 90 100 110 120 130 140

0.233 0.270 0.312 0.360 0.415 0.482 0.563 0.671 0.819

13.99165 18.9 24.9912 32.4 41.5 53.02 67.56 87.23 114.66

10 10 15 20 20 25 30 35 40

5. 5.1599276 1599276 18.868804 6.8361801 32.334244 41.39528 43.48981 48.846437 32.07607 51.412225

44.36 58.062 53.13 51.9 61.19 61.87 63.64 66.35 69.58

4.  Desarrollo del cuestionario 1)   Describa la clasificación de los materiales ferromagnéticos según la concentración de sílice, indicar sus aplicaciones. La aleación más importante el hierro si licio, también llamado acero si sili lici cioo 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 menor 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 di ferentes tipos de aleaciones.  

Field Grade: Un 4% de silicio con una resistencia específica de 10 µΩ-cm se

emplea en construcción de pequeños motores    Armadura Grade: ½% porcentaje de silicio con una resistencia específica de 19 µΩ-cm 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. Motor Grade: 2.5% de silicio con una resistencia espe cífica de 42 µΩ-cm se emplea en motores y generadores medianos de buena eficiencia en aparatos de control llenas trasformadores para radios.   Electrical Grade: 1% porciento de silicio con una resistencia específica de 26 µΩ-cm se emplea en motores generadores de potencia medias, en transformadores, relays y otros aparatos diseñados para operación intermitente.   Dinamo Grade: 3.5% de silicio con una resistencia específica de 50 µΩ-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 µΩcm se emplea en grandes transformadores de potencia en grandes  

alternadores de alta eficiencia y generadores síncronos. 2)  En papel milimetrado, graficar los datos tabulados V-I y W-V

 

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3)   ¿Porque siempre se encuentra laminado el material ferromagnético de las maquinas eléctricas? Indicar los espesores en las láminas l áminas más utilizados.

E está formado por laminaciones de acero que tiene pequeños porcentajes de silicio alrededor del 4% y que se denominan “laminaciones magnéticas” estas laminaciones tiene la propiedad de tener pérdidas relativamente bajas por efecto de histéresis y corrientes circulantes. Están formados por un conjunto de laminaciones acomodadas en la forma y dimensiones requeridas. La razón de usar laminaciones de acero de silicio los núcleos de máquinas eléctricas, es que el silicio aumentan la resistividad del material entonces hace disminuir la magnitud de las corrientes parasitas o circulantes y en consecuencia de este concepto. Se encuentra laminado ya que así podemos reducir la pérdida 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 que deberán estar construidos por chapas magnéticas de espesores mínimos apiladas y aisladas entre sí 4)   ¿Qué tipo de enfriamiento existen en transformadores? Explique con detalle Este es conocido 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 específico La conductividad térmica

Lo transformadores están por lo general enfriados por aire o aceite capaz de mantener la temperatura de operación suficientemente 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 cumplen las siguientes funciones:  

 Actúa como aislante eléctrico. eléctrico.    Actúa como refrigerante. refrigerante.   Protege a los aisladores sólidos contra la humedad y el aire.

El enfriamiento transforme de se clasifica en los l os siguientes grupos:  

TIPO OA

Sumergido en aceite con enfriamiento natural. Este es el enfriamiento más comúnmente usado y que frecuentemente resulta la más económica 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 imprevistas de enfriadores tubulares o radiadores separables.

 

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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/F0A

Esto está sumergido en aceite con enfriamiento propio con enfriamiento de aceite 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 montado sobre dichos radiadores y bombas de aceite conectados a las cabezas de los radiadores el aumento de la capacidad se hace en dos pasos en el primero se usa la mitad de los radiadores y la mitad de las bombas para agrandamiento de 1.3 veces sobre el diseño OA; en el segundo se ha hace ce trabajar la totalidad totalidad de los radiadores y bombas con lo que se sigue un aumento de 1.667 veces el régimen OA.  

TIPO OW

Sumergidos en aceite con enfriamiento por agua este tipo de transformador se está 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

Sumergir en aceite con enfriamiento de aceite forzada con enfriadores de agua forzada el transformador es prácticamente igual a f o excepto que el cambiador de calor es del modelo agua aceite y por lo tanto el enfriamiento de aceite se hace por medio de agua sin tener ventiladores  

TIPO AA

Tipo seco con enfriamiento propio la característica primordial es que no contiene 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 15 KV y hasta 2000 KVA.

 

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5)   Elaborar una tabla indicando la clase de aislante y la temperatura de operación normal

Clase de Temperatura aislamiento

Operación normal

 Y(O)

Algodón, ceda papel, celulosa o combinación de ellos no inpregnados ni sumergidos en

90

 A

105

E

120

B F H

130 155 180

aceite por consiguiente un humedad del 7 alteniendo 8% Los materiales materiales del grupo anterios sumergidos en aceite o impregnados de barrices, lacas o resinas. Aislamiento compuesto de materiales que por ensayos reconocidos, muestran poseer una estabilidad térmica que les permite soportar temperaturas de 15 Celsius superiores a las de los materiales de clase A (+25) (+50) (+75)

5.  Observaciones Cuando analizamos la resistencia de la bobina al momento de dar vuelta al aparato que manda corriente al transformador para ver si hay alguna fuga por decirlo así. Donde se note que hay conexión en la bobina y que masque 0 ohm entonces este aparato marcara como si hubiera continuidad, se puede inferir que esto no puede haber un transformador porque al contacto con otros aparatos este puede crear un corto. No solo podemos deducir que para eso sirve solamente, con esto se puede identificar fallas en una industria y se podría visualizar rápidamente el problema y solucionarlo. El puente de Wheatstone nos sirvió de mucho al identificar la l a falla que puede generar el voltímetro al no ser un aparato con tantos decimales como lo es el puente de wheatstone entonces se puede hallar el error .

6.  Conclusiones Cuando se inició la práctica de histéresis se trabajó con 110V esto porque si trabajamos con 220 no podríamos hallar los puntos que hallamos ya que el desfase sería muy grande y no se apreciaría la gráfica. Las eficiencias de las maquinas eléctricas pueden llegar a ser de 98% a mas. Los núcleos de los transformadores deben ser laminados para que este mismo aumente su resistencia y evitar generación de calor y mejorar la eficiencia. Si se selecciona algún tipo de enfriamiento debe ser calculado por el materia a utilizar y cuánto será el máximo de calor que puede generarse en este.

 

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Los materiales ferromagnéticos nos permiten disminuir el ciclo de histéresis los cuales están compuestos de Fe-Si con un porcentaje entre 2.5% y 5%.

7.  Recomendación Los aparatos eléctricos están diseñados para superar un 20% más al establecido por en su placa, por esto la bobina se usó a 110V y llevamos la tensión hasta 130V. En la práctica de histéresis, nosotros simulamos un sistema para adecuarnos a la curva de histéresis, debido a que la gráfica de histéresis se puede sacar por otro método mejor y más preciso que sería por un osciloscopio. El área que se genera el ciclo de histéresis es la potencia activa, potencia en la tierra.

8.  Bibliografía  

Maquinas eléctricas y transformadores Bhag S. Gurú “Transformadores “    http://www.ifent.org/lecciones/cap07/cap07-06.asp   Devanado de Máquinas Eléctricas Raúl Guzmán Rodríguez   http://www.proyecto987.es/corriente_alterna_11.html