República Bolivariana de Venezuela Instituto Universitario Politécnico

“Santiago Mariño”Extensión-Barcelona Máquinas Eléctricas I

CIRCUITOS MAGNÉTICOS

Facilitadora: Alumnos: Ranielina Rondón Desireé Rodríguez C.I.: 17.971.638

Barcelona, 31 de mayo de 2014.

ÍNDICE

pp.

Índice………………………………………………………..…………………..…...…2

Introducción…………………………………………..……….……………………… 3

Desarrollo…………………………………………………….………………….... 4-22

_Circuitos Magnético ideal con excitación constante.

_Efectos del entrehierro.

_Efectos de saturación en un circuito magnético con excitación constante.

_Circuito magnético ideal con excitación senoidal.

_Reactancia de dispersión en los circuitos magnéticos.

_Imanes permanentes.

_La fuerza atractiva y la energía del campo magnético.

_Formas de reducir las pérdidas totales en núcleos magnéticos.

Conclusión……………………………………………….…….………..……………23

Bibliografía………………………………………………………….………………..24

INTRODUCCIÓN

Este informe tiene como objetivo fundamental, presentar una

breve información sobre las características fundamentales de las máquinas eléctricas. En

este se hace desde una clasificación más general, hasta una más particular, y según esta

clasificación, brindar información sobre el principio de funcionamiento de estas,

parámetros característicos que deben ser conocidos para el mejor manejo y apropiada

explotación a nivel industrial de las máquinas y algunas aplicaciones más elementales.

DESARROLLO

CIRCUITO MAGNÉTICO IDEAL CON EXCITACIÓN CONSTANTE

La excitación o alimentación no es más que la fuente de corriente con la cual se genera el flujo del circuito. Esta fuente de suministro puede ser de muchos tipos dependiendo de la utilidad del dispositivo. Por lo general se utiliza corriente alterna aunque en algunos casos también la continúa

Aun cuando la frecuencia en un sistema de potencia es sustancialmente constante, el consumo varía y por tanto variara la tensión de secundario de un transformador de un sistema de potencia aun cuando se mantenga constante la tensión del primario. Esta nociva regulación de tensión está determinada principalmente por las fugas magnéticas por otra parte las fugas magnéticas tienen un efecto beneficiosos al reducir las corrientes excesivamente intensas debidas a cortos circuitos accidentales en los sistemas de potencias. Estas corrientes de cortocircuito crean en los devanados grandes fuerzas electromagnéticas y por tanto afectan al diseño mecánico de los transformadores de sistemas de potencia.De esta manera las fugas magnéticas introducen varios problemas importantes en los circuitos de comunicaciones y de potencia. En el análisis de estos problemas suelen permitirse el despreciar la corriente de excitación y las pérdidas en el núcleo y también suelen permitirse el despreciar las resistencias de los devanados.

EFECTOS DEL ENTRE HIERRO

El entrehierro no es más que una zona donde el núcleo o camino del flujo sufre un salto o discontinuidad que se traduce en una zona con baja permeabilidad. Se representa tal y como se muestra en la Figura

La inserción de un entrehierro en el circuito magnético de una bobina con núcleo de hierro altera las características de la bobina de diversas maneras.

Salvo para las bobinas sometidas a campos magnéticos continuos y alternos superpuestos, la inserción origina una disminución de autoinducción. En cambio si la bobina funciona en campos magnéticos alternos y continuos superpuestos, la inserción de un pequeño entrehierro puede ocasionar un aumento de la permeabilidad incremental

a causa de la disminución de la componente unidireccional del flujo. El entrehierro reduce también los efectos de las características magnéticas no lineales del núcleo. Así pues la inserción del entrehierro hace que el coeficiente de autoinducción se haga constante antes de las variaciones de inducción magnética, y también origina una reducción de la distorsión por armónicos. Otro efecto de la inserción del entrehierro es una variación del factor de calidad de la bobina.

EFECTOS DE SATURACIÓN EN UN CIRCUITO MAGNÉTICO CON EXCITACIÓN CONSTANTE

La saturación magnética es un efecto que se observa en algunos materiales magnéticos, y se caracteriza como el estado alcanzado cuando cualquier incremento posterior en un campo de magnetización externo H no provoca un aumento en la magnetización del material.

El efecto de saturación se puede observar más claramente en la curva de

magnetización (también llamada curva BH o curva de histéresis) de una sustancia, en

concreto en la región superior derecha de la curva. Mientras que el campo H se

incrementa, el campo B se aproxima a un valor máximo de manera asintótica. Este valor

al cual tiende asintóticamente el campo B es el nivel de saturación de esa sustancia.

Estrictamente hablando, por sobre el nivel de saturación, el campo B continúa

aumentando pero de manera paramagnética, la cual es tres órdenes de magnitud más

pequeña que la tasa de aumento ferromagnética observada por debajo del nivel de

saturación.2

La relación entre el campo de magnetización H y el campo magnético B también puede

expresarse en términos de permeabilidad magnética:   o en términos

de permeabilidad relativa  , donde   es la permeabilidad magnética del

vacío. La permeabilidad de los materiales ferromagnéticos no es constante, sino que

depende de H. En los materiales saturables la permeabilidad relativa se incrementa

con H hasta un máximo, y luego mientras el material se aproxima a saturación, el efecto

se invierte y la curva decrece hasta uno.2 3

Diferentes materiales poseen diferentes niveles de saturación. Por ejemplo, las

aleaciones de hierro de alta permeabilidad utilizadas en la fabricación de núcleos de

transformadores alcanzan la saturación a valores de 1,6 a 2,2 Tesla (T),4 mientras que

los imanes de ferrita saturan a 0,2 - 0,5 T.5 Algunas aleaciones de metal amorfo saturan

a 1,2-1,3 T.6

El efecto de saturación limita los máximos campos magnéticos que se pueden conseguir

por medio de electroimanes de núcleo ferromagnético y transformadores hasta un tope

de alrededor de 2 T, lo que pone un límite en el tamaño mínimo de sus núcleos. Esta es

una de las razones del porqué los transformadores de alta potencia son tan grandes, para

no tener pérdidas de energía causadas por la saturación de sus núcleos.

En los circuitos electrónicos, los transformadores e inductores con núcleos

ferromagnéticos comienzan a operar de manera no lineal cuando la corriente a través de

ellos es suficientemente grande para llevar a los materiales de sus núcleos hasta la

saturación. Esto significa que su inductancia y otras propiedades varían con los cambios

en la corriente circulante. En los circuitos lineales esto es usualmente considerado como

una desviación indeseada del comportamiento ideal. Cuando se aplican señales

de corriente alterna, esta no linealidad puede causar que se

generen armónicos y distorsión por intermodulación. Para prevenir esto, lo que se hace

es diseñar los circuitos de forma que el nivel de señales aplicadas a los inductores de

núcleo de hierro se encuentren limitadas de forma tal que no se saturen. Para reducir sus

efectos, algunos tipos de núcleos ferromagnéticos de transformadores poseen a su vez

un núcleo central de aire.7

Por otro lado, la saturación es explotada en algunos dispositivos electrónicos. Por

ejemplo el efecto de saturación se emplea para limitar la corriente en

los transformadores de núcleo saturable, usados para la soldadura por arco. Cuando la

corriente primaria excede de un cierto valor, el núcleo es empujado a su región de

saturación, limitando mayores incrementos en la corriente secundaria. En una aplicación

más sofisticada, los inductores de núcleo saturable y los amplificadores

magnéticos utilizan una corriente continua aplicada a través de un bobinado

independiente montado sobre el mismo núcleo que sirve para controlar

la impedancia del inductor. Al variar la corriente en el devanado de control se puede

mover el punto de operación arriba y abajo en la curva de saturación, controlando la

corriente alterna que circula a través del inductor. Esto es usado en balastros de luz

fluorescente variable, y sistemas de control de potencia.8

CIRCUITO MAGNÉTICO IDEAL CON EXCITACIÓN SENOIDAL

Si la bobina del circuito magnético anterior lo excitamos con una fuente de tensión alterna senoidal, sucede lo siguientea) Al aplicar una tensión senoidal la fuerza electromotriz de autoinducción en la bobina también es senoidal y del mismo valor que la tensión aplicada (no se tiene en cuenta el flujo disperso ni la resistencia óhmica del conductor de la bobina).

U = E

b) Esta fuerza electromotriz está relacionada con el flujo magnético, a través de la ley de Faraday: c) Al ser la fuerza electromotriz senoidal, también lo es el flujo magnético. d) La relación entre el valor eficaz de la tensión aplicada y el flujo magnético está dada por la expresión ya vista y que es la siguiente:

U = E = 4,44. N. f. (1)

: Es el flujo magnético máximo

e) La corriente que circula por la bobina está relacionada con el flujo magnético a través del ciclo de histéresis, con lo que la misma no es senoidal.

Al tener un entrehierro, la reluctancia total del circuito magnético se ve aumentada, pero como el flujo magnético no varia ya que depende de la tensión aplicada (1), la corriente por la bobina se verá incrementada para poder mantener dicho valor de flujo magnético.

REACTANCIA DE DISPERSIÓN EN LOS CIRCUITOS MAGNÉTICOS

Las distorsiones de devanados, las cuales conllevan a fallas de transformadores, pueden tener como causa inicial varios eventos de sobre corriente. La probabilidad de estos eventos de sobre corriente no es muy alta y por con-siguiente un transformador puede permanecer en servicio con devanados parcialmente deformados; sin embargo la confiabilidad del transformador se ve reducida. Muchas fallas de transformadores comienzan por distorsiones mecánicas y eventualmente ocurren por razones eléctricas. Consecuentemente, las condiciones mecánicas deben ser consideradas con mucha seriedad. Aún cambios pequeños de los parámetros medidos deben ser tratados con mucho respeto. La medición de la reactancia de dispersión es una prueba muy fácil de hacer la cual sirve como un indicador muy confiable de la distorsión de los devanados del transformador. 

Palabras Claves: Distorsión de devanados, Transformador, Devanados deformados, Distorsión mecánica, Reactancia de dispersión, Reactancia de fuga.

Para la detección de deformaciones de devanados se han utilizado varios métodos. Estos han sido:

1) Análisis de la respuesta de frecuencia2) Prueba de impulso de voltaje bajo3) Medición de la Capacitancia4) Medición de la Reactancia de DispersiónLos métodos 1 y 2 tienen inherentemente muy buenas posibilidades de búsqueda. Sin embargo, la relativa sofisticación de los instrumentos de prueba necesarios y la experiencia exigida por estas mediciones, todavía no permiten que se conviertan en “herramientas familiares” en muchas compañías de electricidad.

La medición de la capacitancia se lleva a cabo como parte de las pruebas rutinarias del aislamiento en corriente alterna y normalmente incluye las tres fases. La capacitancia entre arrollamientos, y entre cada arrollamiento y el núcleo/tanque, es una función de su relación geométrica dependiendo de como las constantes dieléctricas participan en el aislamiento.

De ésta manera la capacitancia proporciona información sobre las menores variaciones debidas a cambios de temperatura o contaminaciones serias. Las mediciones de la Reactancia de Dispersión son realizadas durante la prueba de Cortocircuito. Durante ésta prueba la reluctancia encontrada por el flujo magnético es determinada predominantemente por el canal de dispersión o también llamado de fuga (Fig. 1).

Canal de dispersión de un devanado de un Transformador 

El canal de fuga o de dispersión es el espacio confinado entre la superficie interior del devanado interior, la superficie exterior del devanado exterior, y los yugos inferior y superior. Cuando ocurre una distorsión de los devanados se cambia la reluctancia de la trayectoria del flujo magnético, dando como resultado un cambio en la reactancia de dispersión, medida.

La medición de la reactancia de dispersión es la más sencilla de las cuatro pruebas. Durante las pruebas de rutina de investigación del transformador, es muy útil realizar tanto la prueba de reactancia de dispersión como la de capacitancia. Los cambios en ambos parámetros sirven como un indicador confiable de la distorsión de los devanados. En [1] se presentan casos de estudios que comparan los resultados de ambas mediciones.

Debe notarse que la prueba de reactancia de dispersión no reemplaza a la medición de la corriente de excitación; ambas pruebas son complementarias. La reactancia de dispersión esta influenciada por la reluctancia en el canal de dispersión; la corriente de excitación esta influenciada por la reluctancia en el núcleo del transformador y puede detectar espiras cortocircuitadas en los devanados, laminaciones del núcleo cortocircuitadas, múltiples aterrizamientos del núcleo y problemas con el LTC (Cambiador bajo carga) y el NLTC (Cambiador sin carga).

MODOS DE FALLA

Cuando un sistema de potencia sufre una condición de corto circuito se genera una corriente muy grande que fluye a través de los transformadores de alta potencia. Los devanados y terminales internas del transformador son sometidos a fuerzas mecánicas extremadamente altas. La fuerza radial total en un devanado puede ser un múltiplo de millones de libras y la fuerza axial total puede estar entre uno o dos millones de libras.

La corriente extremadamente alta durante la condición de falla, es la mayor fuente de desplazamientos mecánicos y subsecuentemente de fallas de transformadores. 

La corriente que fluye en los conductores de los devanados del transformador crea un campo electromagnético dentro y alrededor de los devanados, como se muestra en los esquemáticos simplificados de las Figs. 2 y 3. Cualquier conductor transportador de corriente (I) que esté enlazado por este campo (B) experimenta una fuerza mecánica (F) la cual es perpendicular a la dirección de la corriente y al campo. 

En un transformador tipo núcleo, Fig. 2, las fuerzas actúan radialmente hacia afuera en los devanado externos y radialmente hacia adentro en los devanados internos, pero debido a los bordes radiales en las terminaciones de los devanados, también existen componentes de fuerzas axiales las cuales tienden a comprimir a los devanados (Fig. 2).

IMANES PERMANENTES

Los imanes permanentes son materiales que poseen una gran capacidad de almacenamiento de energía magnética, que perdura en el tiempo y que su degradación no es significativa. Un aspecto importante es la curva característica de magnetización o curva de histéresis, curva que es particular para cada tipo de material magnético.Los imanes permanentes no son algo nuevo. Es en el presente siglo que su estudio y conocimiento fue avanzando hasta llegar hoy en día a la conformación de tierras raras, las que en conjunto con el Samario, Neodimio y otros materiales han constituido imanes de alto rendimiento.

Clases de Motores de Imanes Permanentes

Motor eléctrico sin escobillas

Un motor eléctrico sin escobillas o motor Brushless es un motor eléctrico que no emplea escobillas para realizar el cambio de polaridad en el rotor.

Los motores eléctricos solían tener un colector de delgas o un par de anillos rozantes. Estos sistemas, que producen rozamiento, disminuyen el rendimiento, desprenden calor y ruido, requieren mucho mantenimiento y pueden producir partículas de carbón que manchan el motor de un polvo que, además, puede ser conductor.

Los primeros motores sin escobillas fueron los motores de corriente alterna asíncronos. Hoy en día, gracias a la electrónica, se muestran muy ventajosos, ya que son más baratos de fabricar, pesan menos y requieren menos mantenimiento, pero su control era mucho más complejo. Esta complejidad prácticamente se ha eliminado con los controles electrónicos.El inversor debe convertir la corriente alterna en corriente continua, y otra vez en alterna de otra frecuencia. Otras veces se puede alimentar directamente con corriente continua, eliminado el primer paso. Por este motivo, estos motores de corriente alterna se pueden usar en aplicaciones de corriente continua, con un rendimiento mucho mayor que un motor de corriente continua con escobillas.

Funcionamiento:

Su mecanismo se basa en sustituir la conmutación (cambio de polaridad) mecánica por otra electrónica sin contacto. En este caso, la espira sólo es impulsada cuando el polo es el correcto, y cuando no lo es, el sistema electrónico corta el suministro de corriente. Para detectar la posición de la espira del rotor se utiliza la detección de un campo magnético. Este sistema electrónico, además, puede informar de la velocidad de giro, o si está parado, e incluso cortar la corriente si se detiene para que no se queme. Tienen la desventaja de que no giran al revés al cambiarles la polaridad (+ y -). Para hacer el cambio se deberían cruzar dos conductores del sistema electrónico.

Un sistema algo parecido, para evitar este rozamiento en los anillos, se usa en los alternadores. En este caso no se evita el uso de anillos rozantes, sino que se evita usar uno más robusto y que frenaría mucho el motor. Actualmente, los alternadores tienen el campo magnético inductor en el rotor, que induce el campo magnético al estator, que a la vez es inducido. Como el campo magnético del inductor necesita mucha menos corriente que la que se va generar en el inducido, se necesitan unos anillos con un rozamiento menor. Esta configuración la usan desde pequeños Aplicaciones:

Coches y aviones con radiocontrol. Ventiladores de ordenador, casetes, etc. Alternadores de Autos. Generadores de centrales con potencias del orden del megavatio, etc.

Motores Paso a Paso

Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos.

La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños

movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.

Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas está energizada, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.

Principio de funcionamiento:

Básicamente estos motores están constituidos normalmente por un rotor sobre el que van aplicados distintos imanes permanentes y por un cierto número de bobinas excitadoras bobinadas en su estator.

Las bobinas son parte del estator y el rotor es un imán permanente. Toda la conmutación (o excitación de las bobinas) deber ser externamente manejada por un controlador.

Tipos:

Bipolar: Estos tiene generalmente cuatro cables de salida. Necesitan ciertos trucos para ser controlados, debido a que requieren del cambio de dirección del flujo de corriente a través de las bobinas en la secuencia apropiada para realizar un movimiento. En figura podemos apreciar un ejemplo de control de estos motores mediante el uso de un puente en H (H-Bridge). Como se aprecia, será necesario un H-Bridge por cada bobina del motor, es decir que para controlar un motor Paso a Paso de 4 cables, necesitaremos usar dos H-Bridges iguales al de la figura .En general es recomendable el uso de H-Bridge integrados como son los casos del L293

Unipolar: Estos motores suelen tener 6 o 5 cables de salida, dependiendo de su conexionado interno. Este tipo se caracteriza por ser más simple de controlar. En la figura podemos apreciar un ejemplo de conexionado para controlar un motor paso a paso unipolar mediante el uso de un ULN2803, el cual es una array de 8 transistores tipo Darlington capaces de manejar cargas de hasta 500mA. Las entradas de activación (Activa A, B , C y D) pueden ser directamente activadas por un microcontrolador.

Aplicaciones: Impresoras, Fotocopiadoras y Ploteadoras. Máquinas de control numérico. Lectoras de CD. Robótica y servomecanismos. Motores de Imanes Permanentes Síncronos AC

Los motores de AC que utilizan imanes más utilizados son: Síncronos (PMSM):

Poseen un campo magnético giratorio y uniforme

Motores de Imán Permanente Conmutados o trapezoidales (BLDC_Motors):El campo del estator es aplicado en pasos discretos

El rotor tiene dos imanes que cubren cada uno aprox.180º del perímetro del rotor y producen una densidad de flujo quasi-rectangular en el hierro.El estator tiene un bobinado trifásico, donde los conductores de cada fase están distribuidos uniformemente en porciones de arcos de 60º.

El sistema de potencia conectara una fuente controlada de corriente a los bobinados del estator, de manera que en cada momento conectemos 2 fases del bobinado. Cada imán del rotor interactúa con 2 arcos de 60º por los que circule corriente.

Cuando los bordes del imán del rotor alcanzan el límite entre las fases del estator, un detector, tal como un sensor de efecto Hall montado en el estator, detectará la inversión del campo magnético del entrehierro y causa una apropiada secuencia de conmutación de los transistores.

LA FUERZA ATRACTIVA Y LA ENERGÍA DEL CAMPO MAGNÉTICO

Esta energía queda almacenada en el campo magnético y se devuelve al circuito de excitación al anular la inducción magnética.

Fuerza Atractiva Magnética: en muchos problemas prácticos, la aproximación representada por la expresión es buena, según puede apreciarse al considerar la hipótesis en la que se basa la expresión. Si el entrehierro es corto frente a sus dimensiones transversales, el flujo de dispersión es pequeño; y si el entrehierro presenta caras paralelas, la mayor parte del flujo atraviesa el entrehierro en línea recta y la inducción magnética será sustancialmente uniforme. La parte del camino del flujo que transcurre por el hierro, se supone de sección recta uniforme. Se puede calcular la Fuerza f requerida para desplazar la armadura contra la fuerza de atracción magnética aplicando el principio de la conservación de la energía al sistema encerrado por la línea de trazos.

Si en este sistema se produjeran cambios en la energía total, deberían estar de acuerdo con la ecuación de la conservación de la energía que es:

Energía Energía Aumento de Energía convertida Eléctrica + Mecánica + la energía + irreversiblementeSuministrada suministrada almacenada en otras formas

FORMAS DE REDUCIR LAS PERDIDAS TOTALES EN NÚCLEOS MAGNÉTICOS

Entre los factores que producen estas pérdidas podemos mencionar los siguientes:

Pérdidas en el Cobre: Las pérdidas en el cobre son debidas a la resistencia óhmica presentada por el alambre, estas pérdidas se incrementan cuando la aumentamos la corriente que pasa por el alambre.

Pérdidas en el Núcleo(Hierro): Este se subdivide en Pérdidas por histéresis magnética Pérdidas por corrientes parásitas Histéresis Magnética

Se produce histéresis al someter al núcleo a un campo creciente, los imanes elementales giran para orientarse según el sentido del campo. Al decrecer el campo, la mayoría de los imanes elementales recobran su posición inicial, sin embargo, otros no llegan a alcanzarla debido a los rozamientos moleculares conservando en mayor o menor grado parte de su orientación forzada, haciendo que persista un magnetismo remanente que obligue a cierto retraso de la inducción respecto de la intensidad de campo.Las pérdidas por histéresis representan una pérdida de energía que se manifiesta en forma de calor en los núcleos magnéticos. Con el fin de reducir al máximo estas pérdidas, los núcleos se construyen de materiales magnéticos de características especiales.La pérdida de potencia es directamente proporcional al área de la curva de histéresis.

La histéresis magnética es el fenómeno que se origina cuando la imantación de algunos materiales ferromagnéticos no depende solo del flujo sino además dependen de los estados magnéticos anteriores.Cuando se trata de los transformadores, al someter el material magnético a un flujo que varía con el tiempo se produce una imantación que se mantiene al cortar el flujo variable, esto provoca una pérdida de energía que como habíamos manifestado se expresa en forma de calor.

La potencia que se pierde debido a la histéresis depende tanto del tipo de material aunque también se le puede considerar a la frecuencia.Para el cálculo de las pérdidas debido a la histéresis utilizamos la ecuación de Steinmetz que se muestra a continuación

Las corrientes de Foucault o corrientes parásitasEn los núcleos de bobinas y transformadores se generan tensiones inducidas debido a las variaciones de flujo magnético a que se someten aquellos núcleos. Estas tensiones inducidas son causa de que se produzcan corrientes parásitas en el núcleo, que no son óptimas para la buena eficiencia eléctrica de éste.Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule. En otras palabras dichas corrientes transforman formas útiles de energía, como la cinética, en calor no deseado, por lo que generalmente es un efecto inútil. A su vez disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnéticos variables, como los transformadores de núcleo de hierro y los motores eléctricos. Estas pérdidas son minimizadas utilizando núcleos con materiales magnéticos que tengan baja conductividad eléctrica como un ejemplo tenemos a la ferrita o utilizando delgadas hojas de material magnético, conocidas como laminados. Los electrones no pueden

atravesar la capa aisladora entre los laminados y, por lo tanto, no pueden circular en arcos abiertos. Se acumulan cargas en los extremos del laminado, en un proceso análogo al efecto Hall, produciendo campos eléctricos que se oponen a una mayor acumulación de cargas y a su vez eliminando las corrientes de Foucault. Mientras más corta sea la distancia entre laminados adyacentes, mayor será la eliminación de las corrientes de Foucault y, por lo tanto, menor el calentamiento del núcleo.

Para calcular las pérdidas debido a las corrientes de Foucault utilizamos la siguiente ecuación:

Como observamos en la gráfica anterior dependiendo del núcleo se pueden disminuir las perdidas.La aleación ferromagnética más utilizada para el diseño de núcleos de transformadores es la aleación hierro-silicio, esta aleación es la producida en mayor cantidad y está compuesta por hierro esencialmente puro con 1-6% de silicio, dependiendo este porcentaje del fin a que se destine el material. Dando a esta aleación un tratamiento térmico adecuado, se obtiene un material que comparado con el hierro, tiene mejores propiedades magnéticas para campos magnéticos débiles, una resistividad mayor y sufren pérdidas totales menores en el núcleo. Esta aleación se lamina en chapas y flejes,

principalmente de espesores comprendidos entre 0,35 y 0,635 mm recocidos; en el lenguaje corriente se le conoce con el nombre de acero al silicio o Chapa magnética. Las chapas de mejor calidad presentan mayor contenido en silicio, entre el 4 y el 5. El silicio eleva la dureza del material, por lo que su porcentaje se determina según el empleo al que se designa la chapa. También se prefieren chapas de menor contenido de silicio cuando las densidades de funcionamiento son elevadas o cuando se desea una elevada conductividad calorífica. Las pérdidas en el núcleo y el coeficiente de envejecimiento aumentan al disminuir el contenido de silicio. La fabricación de la chapa magnética ha llegado a estar normalizada en considerable extensión por lo que los datos magnéticos publicados por diversos fabricantes no se diferencian, calidad por calidad, excesivamente.La siguiente tabla da los valores de las pérdidas específicas en W/kg, para diversas calidades de planchas magnéticas que existen en el mercado.

La siguiente tabla muestra las características de construcción, los valores magnéticos y la composición química para la determinación de las pérdidas de potencia en el hierro en función del espesor, la aleación y la inducción.

Aislamiento galvánicoEn un transformador existen multitud de espiras enrolladas alrededor de un núcleo ferromagnético. Estas espiras están recubiertas de un esmalte aislante muy fino. En algún momento puede suceder que la proximidad entre primario y secundario con un aislante en medio forme un condensador parásito (metalaislante- metal), y que se induzcan corrientes por el campo eléctrico, no por el magnético.Este efecto no es deseable, tiene un valor bajo pero no siempre es admisible. Para transformadores de señal, donde se requiere que la señal sea lo más pura posible, puede ser estrictamente necesario.En la figura se puede ver el esquema de un transformador de micrófono con aislamiento galvánico.

Junto al núcleo existe una pantalla que conduzca la electricidad pero no ferromagnética para que no impida la inducción de tensión en el secundario.

Esto nos lleva a usar cobre o aluminio. Esta pantalla se conecta a tierra y así las corrientes inducidas por el campo eléctrico van a tierra y no de un bobinado a otro.

Pérdidas por flujos diversosLas pérdidas por dispersión se presentan debido al flujo disperso que origina pérdidas en el núcleo, soportes, depósitos y otras partes de hierro. Estas pérdidas por dispersión elevan la temperatura de las partes estructurales del transformador.Para los transformadores de tipo seco, los aumentos de temperatura de esas regiones no contribuyen a aumentar la temperatura de la zona caliente de los arrollamientos. Para los transformadores sumergidos en líquido, las pérdidas por dispersión aumentan la temperatura del aceite y por lo tanto la temperatura de la zona caliente de los arrollamientos.Las pérdidas por dispersión son difíciles de evaluar por lo que se supone que las pérdidas varían con el cuadrado de la corriente multiplicado por la frecuencia (orden del armónico).

Pérdidas en el cobreOtra causa de pérdidas en el transformador son las causadas por los bobinados, primario y secundario siempre y cuando exista carga, generalmente están construidas de cobre ya que si bien no es el mejor conductor posee un buen equilibrio entre costos y rendimiento.Las perdidas dependerán del material del cual se haya construido los bobinados para esto es importante considerar los parámetros de costos y rendimiento.

Resistencia de los conductores eléctricos:Todo conductor eléctrico afecta el paso de una corriente eléctrica en mayor o menor grado determinado por su resistencia, el cual está afectado por los factores siguientes:- El metal del que está formado- Grosor- Longitud.

Resistencia de los metales:La plata es el metal que conduce con más facilidad la electricidad, pero dado su costo tan elevado, no es común usarla como conductor en los circuitos eléctricos.El cobre es el conductor más usado por su bajo costo, aparte de ser un buen conductor de la electricidad.Es también usado el aluminio. Pero este presenta el inconveniente que no se puede soldar por los medios comunes, por lo mismo es muy limitado su uso en casas, solamente en líneas de transmisión de alto voltaje.A continuación les presento la tabla en la cual se especifica la resistencia de los diferentes conductores eléctricos.

Dónde? es la resistencia que presenta un conductor de 1 m de longitud y 1 mm2 de sección.

La representa el aumento de resistencia del material en cuestión por cada grado que aumentamos la temperatura.

Métodos para observar las pérdidas Ensayo en Vació

El ensayo en vacío nos proporciona a través de la medida de la tensión, intensidad y potencia en el bobinado primario, los valores directos de la potencia perdida en el hierro y deja abierto el bobinado secundario por lo que este no será recorrido por ninguna corriente y no se tendrá en cuenta los valores de las perdidas en el cobre.

Entre los datos más importantes a tomarse en vacío debemos tomar en cuenta: Perdidas en el Hierro: Esto observamos a través de la lectura del watímetro en el

bobinado primario. La intensidad al vacío que observamos a través del amperímetro. Relación de transformación Impedancia Potencia aparente El ángulo de desfase

Tenemos además que tomar en cuenta algunas consideraciones cuando se producen pérdidas, estas pérdidas tienen bastante importancia cuando se produce su explotación, ya que por ella mismo se produce un consumo de energía incluso cuando el transformador no tiene consumo.

También se ha comprobado que las que las pérdidas en el hierro son aproximadamente proporcionales al cuadrado de la inducción, debido a esto a los usuarios nos interesarían inducciones muy bajas para disminuir las pérdidas pero por curioso que parezca los fabricantes de los transformadores intentan obtener el valor más elevado como puedan.

Efecto Joule

Se conoce como Efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo.

En este efecto se basa el funcionamiento de diferentes electrodomésticos como los hornos, las tostadoras y las calefacciones eléctricas, y algunos aparatos empleados industrialmente como soldadoras, etc., en los que el efecto útil buscado es, precisamente, el calor que desprende el conductor por el paso de la corriente.

Sin embargo, en la mayoría de las aplicaciones es un efecto indeseado y la razón por la que los aparatos eléctricos y electrónicos necesitan un ventilador que disminuya el calor generado y evite el calentamiento excesivo de los diferentes dispositivos como podían ser los circuitos integrados. E inclusive las lámparas incandescentes que producen más energía calorífica que lumínica.

Causas del fenómenoLos sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de la celda o de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética, que es cedida en forma de calor.Este efecto fue definido de la siguiente manera: "La cantidad de energía calorífica producida por una corriente eléctrica, depende directamente del cuadrado de la intensidad de la corriente, del tiempo que ésta circula por el conductor y de la resistencia que opone el mismo al paso de la corriente".Mediante la ley de Joule podemos determinar la cantidad de calor que es capaz de entregar una resistencia, esta cantidad de calor dependerá de la intensidad de corriente que por ella circule, del valor de la resistencia eléctrica y de la cantidad de tiempo que esté conectada, luego podemos enunciar la ley de Joule diciendo que la cantidad de calor desprendido por una resistencia es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de corriente al valor la resistencia y al tiempo.

Tablas

Tabla de chapas de hierro

Tabla de Conductores

Rendimiento de un transformadorEl rendimiento de un transformador se define como la relación entre la potencia de salida y la potencia absorbida de la red por el transformadorPara determinar el rendimiento de un transformador de una madera rápida y directa podemos medir con un vatímetro la potencia del bobinado primario y de igual forma con otro vatímetro la potencia del bobinado secundario, de tal forma que el rendimiento del transformador vendrá determinado por el coeficiente que resulte entre estos dos valoresOtra manera de calcular la eficiencia en un transformador es determinado el cociente de la potencia de salida y la potencia de entrada, sumándole las perdidas en el cobre y en el hierro

Pérdidas adicionales en presencia de armónicos de corrienteSi se conoce el espectro de armónicos, o puede medirse, o predecirse, se pueden calcular con facilidad las pérdidas adicionales.En principio el proceso de cálculo es el siguiente:

Se determinan todas las componentes adicionales de pérdidas debidas a la presencia de armónicos.

Se determina el espectro de armónicos, bien sea por medio de mediciones o por estimación, teniendo en cuenta todos los equipos generadores de armónicos esencialmente los convertidores electrónicos.

Se calcula la contribución de cada armónico y se determina la pérdida adicional total.

Diseños para evitar pérdidasAnteriormente se menciona que para evitar las corrientes parasitas y reducir en cierta forma las pérdidas de potencia se utiliza chapas muy delgadas en el núcleo, pero como debe ser estas chapas?El tipo de chapas más utilizado es el que adopta la forma de E, tal como se puede apreciar en la figura

De igual forma en la figura podemos observar la manera de armar o construir el núcleo. Al construir de esta manera en núcleo aprovechamos casi es su totalidad el flujo magnético, evitándose las pérdidas por dispersión, este núcleo recibe el nombre de "núcleo acorazado". La forma correcta de armar un transformador consiste en montar las chapas, en forma invertida, una con respecto a la siguiente, según se observe en la figura. De esta forma se evita el entrehierro o espacio de aire que como hemos podido comprobar en nuestro estudio son un grave problema ya que disminuyen la permeabilidad magnética del circuito, lo cual se traduce en una pérdida en la intensidad o densidad del campo magnético, que. Lo cual desemboca en pérdidas de potenciaA continuación se muestra una tabla con las medidas de chapas disponibles en el mercado con su respectiva explicación grafica

CONCLUSIÓN

Las máquinas eléctricas son de suma importancia en la actualidad, debido a las diferentes aplicaciones industriales a los que son sometidas, por ello es de necesidad primordial, el conocimiento detallado de su principio de funcionamiento y se deben tomar en cuenta todas las fallas que se presentan para el correcto funcionamiento de los mismos.

El objetivo de este informe es, el de presentar de una manera un poco resumida, Circuito magnéticos, de las máquinas eléctricas, el comportamiento de cada una según la clasificación dada y de dar a conocer algunas aplicaciones de estas.

BIBLIOGRAFÍA

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