Maquinas electricas - cub.indd 1 9 788490 032961 ISBN 978-84-9003-296-1 Máquinas eléctricas Máquinas eléctricas ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA Juan Carlos Martín ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA Máquinas eléctricas 17/07/12 10:07 Máquinas eléctricas Juan Carlos Martín Castillo Maquinas electricas - por.indd 1 09/07/12 14:16 ÍNDICE 1. Magnetismo y electromagnetismo . . .4 1 Magnetismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2 Campo magnético . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 3 Electromagnetismo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4 Clasificación de máquinas eléctricas . . . . . . . . 26 Práctica Profesional: Comprobación del campo magnético generado en una bobina . . 30 Mundo Técnico: El tren de levitación magnética . 32 2. Materiales y herramientas del bobinador . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 1 Materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2 Herramientas y utillaje del bobinador . . . . . . 44 3 Instrumentos de medida y comprobación . . . 57 Práctica Profesional 1: Fabricación de una bobina con moldes preformados . . . . . . . 62 Práctica Profesional 2: Fabricación de una bobina con molde de madera . . . . . . . . . . 64 Mundo Técnico: Fabricación automatizada de máquinas eléctricas rotativas . . . . . . . . . . . . . . 66 3. Transformadores . . . . . . . . . . . . . . . .68 1 Conceptos iniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2 Clasificación de los transformadores . . . . . . . . 74 3 Materiales constructivos de los transformadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4 Características eléctricas de un transformador . 83 5 Cálculo de un transformador monofásico . . . 85 6 Cálculo de transformadores trifásicos . . . . . . . 91 7 Ensayos y comprobaciones . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Práctica Profesional 1: Construcción de un transformador monofásico . . . . . . . . . . . . 102 Práctica Profesional 2: Comprobación y ensayo de un transformador monofásico . . . . . 106 Práctica Profesional 3: Construcción de un transformador trifásico . . . . . . . . . . . . . . . 110 Mundo Técnico: Otros tipos de transformadores 112 4. Máquinas rotativas de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114 1 Principio de funcionamiento de máquinas de corriente continua . . . . . . . 116 2 Constitución de máquinas de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 3 Tipos de conexión entre devanados . . . . . . . 124 4 Devanados en máquinas de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 00 Maquinas electricas.indd 2 ˘ Práctica Profesional 1: Desmontaje de una máquina rotativa de corriente continua . . . 154 Práctica Profesional 2: Bobinado del devanado de excitación de una máquina de corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 Práctica Profesional 3: Bobinado del inducido de una máquina de corriente continua . . . . . . . . 160 Práctica Profesional 4: Comprobación de inducidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Mundo Técnico: Equilibrado de máquinas rotativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 5. Máquinas rotativas de corriente alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170 1 Principio de funcionamiento de las máquinas rotativas de corriente alterna . .172 2 Clasificación de máquinas de corriente alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 3 Máquinas síncronas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 4 Máquinas asíncronas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 5 Devanados de máquinas de corriente alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 Práctica Profesional 1: Puesta en marcha de un alternador . . . . . . . . . . 208 Práctica Profesional 2: Bobinado del devanado del estator de una máquina de corriente alterna . . . . . . . . . .210 Práctica Profesional 3: Bobinado del inductor de un alternador . . . . . . 216 Mundo Técnico: Variación de velocidad en motores de inducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 6. Otras máquinas eléctricas rotativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .220 1 Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 2 Motores monofásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 3 Motores de imanes permanentes . . . . . . . . . 229 Práctica Profesional: Bobinado de un motor monofásico . . . . . . . . . . . 236 Mundo Técnico: El motor lineal . . . . . . . . . . . . . . 238 Anexos A Prontuario de cálculo de transformadores . . 241 B Prontuario de cálculo de devanados en corriente continua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 C Prontuario de cálculo de devanados en corriente alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 D Ejemplos de devanados . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 D Operaciones básicas de mantenimiento y reparación de máquinas eléctricas rotativas . . 250 Soluciones: Evalúa tus conocimientos . 252 16/07/12 11:11 CÓMO SE USA ESTE LIBRO El libro de Máquinas eléctricas consta de seis unidades de trabajo y varios anexos finales. Cada una de las unidades comienza con un caso práctico inicial que plantea una situación relacionada con el contenido de la misma. Consta de una situación de partida y un estudio del caso. El caso inicial puede resolverse o bien quedar indicado a lo largo de la unidad. De este modo, el análisis del caso se convierte en el eje vertebrador de la unidad, ya que se incluirán continuas referencias al mismo a lo largo del desarrollo de los contenidos. 2 35 Materiales y herramientas del bobinador CASO PRÁCTICO INICIAL situación de partida Fermín y Abel, de la empresa MantenExpress, ya han comenzado a formarse para la nueva tarea que su jefe les ha encomendado, es decir, para todo lo relativo al mantenimiento y reparación de máquinas eléctricas. Lo primero que deben hacer es reservar un espacio en su actual taller para realizar este tipo de trabajos. En las últimas semanas han revisado catálogos y webs de fabricantes para definir cuáles son los materiales, herramientas e instrumentación de los que deben disponer en su taller máquinas eléctricas. Dentro de los materiales han observado que dos de ellos son esenciales, por un lado los conductores eléctricos que constituyen los devanados, y por vamos a conocer... 1. Materiales 2. Herramientas y utillaje del bobinador 3. Instrumentos de medida y comprobación PRÁCTICA PROFESIONAL 1 Fabricación de una bobina con moldes preformados PRÁCTICA PROFESIONAL 2 Fabricación de una bobina con molde de madera MUNDO TÉCNICO Fabricación automatizada de máquinas eléctricas rotativas estudio del caso Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después analiza cada punto del tema con el objetivo de contestar el resto de preguntas de este caso práctico. y al finalizar esta unidad... Identificarás los diferentes tipos de herramientas y útiles usados en el taller de reparación de máquinas eléctricas. Conocerás cuál es la instrumentación requerida en el taller de mantenimiento y reparación. Máquinas rotativas de corriente alterna La sección Mundo técnico versa sobre información técnica del sector vinculada a la unidad. Es importante conocer las novedades existentes en el mercado y disponer de ejemplos reales para aplicar los contenidos tratados en la unidad. 4. ¿Qué hay que tener en cuenta en el momento de elegir un material aislante? 10. ¿Es sencilla la extracción de los devanados de una máquina rotativa cuyas bobinas se han quemado? 5. ¿Qué se utiliza (regletas, cinta aislante, etc.) para aislar las conexiones eléctricas en el interior de una máquina eléctrica? 11. ¿Existe algún instrumento para comprobar el estado de los devanados de una máquina rotativa? Devanado imbricado: lap winding Devanado ondulado: wave winding S Bobinas: coils 5 6 7 8 3 4 5 6 7 a Progresivo: progressive Regresivo: retrogressive Cojinete 9 4 7 8 3 8 9 Figura 4.53. Distribución de los devanados en dos capas. En el esquema del devanado (izquierda), se representan dos haces activos en cada ranura. Si nos centramos en la ranura marcada como número 6, se puede ver que la bobina de color verde es entrante y la bobina de color rojo saliente. Así, las primeras siempre se montarán en la capa inferior de la ranura y las segundas en la superior, siendo habitual que el lado que llega a las ranuras se represente de forma punteada y el que sale de ellas en línea continua. Eje Escudo posterior Placa de características 4 2 c Bobinas de campo (inductoras): field coil 6 5 N 3 Serie: series Rotor en cortocircuito Tapa del ventilador En la siguiente figura se muestra cómo se ejecuta un devanado a dos capas. Devanado de inducido: armadure winding Caja de bornes J.C.M. J. C.M C. M..Ca ast stiilllo lo ejemplo Devanado: winding El funcionamiento como motor es el principal uso de las máquinas asíncronas. No obstante, en la actualidad, se están utilizando con regularidad como generadores, aunque su estudio se sale de los objetivos de este libro. Ventilador Unidad 4 vocabulario Español-Inglés Escudo anterior Según la conexión de bobina en el colector En función de cómo se conecten los finales de las bobinas y secciones inducidas en el colector, los devanados pueden ser: Devanado del estator Figura 5.33. Constitución de un motor asíncrono trifásico. • imbricados o en paralelo, De la misma forma que las máquinas síncronas, las asíncronas están formadas por un circuito magnético y dos circuitos eléctricos, además de otros elementos como son: la carcasa, escudos, tapas, base de fijación, etc. • ondulados o en serie. Devanados imbricados También denominados devanados paralelos, se caracterizan porque cada lado de la bobina queda situado debajo de un polo de signo contrario. 4.1. Circuito magnético Este tipo de devanados a su vez se clasifican en simples y múltiples. Está formado por dos partes: una fija en el estator y una móvil en el rotor. La armadura o estator saber más El estator es idéntico al utilizado en las máquinas síncronas, por tanto aquí no se volverá a enunciar cuál es su constitución, ya que no existe ninguna diferencia entre ambos. El devanado progresivo o no cruzado es el más común para el bobinado de inducidos. • Devanados imbricados simples. Los terminales se conectan siempre a delgas adyacentes, pudiendo hacerse en la anterior o en la posterior. Si la conexión se realiza en la siguiente delga, el devanado avanza en sentido horario y se denomina progresivo o no cruzado. Si por el contrarios la conexión se realiza en la delga anterior, el devanado retrocede denominándose regresivo o cruzado. El rotor En cuanto al rotor, puede ser de dos tipos: • Rotor en cortocircuito. Este tipo no dispone de ranuras abiertas que permitan insertar en ellas un bobinado ejecutado a base de hilo o pletina esmaltada. Sin embargo, está constituido por un número determinado de barras rígidas que se cierran en cortocircuito en sus extremos, formado así su propio devanado. • Rotor ranurado. Su aspecto es similar al de otros rotores ya estudiados para otros tipos de máquinas. Se encuentra ranurado en todo su contorno para permitir alojar en él un devanado construido a base de bobinas de hilo o pletina esmaltada. Armadura (estator) Barras del rotor Unidad 4 PRÁCTICA PROFESIONAL 1 HERRAMIENTAS • Martillo con cabeza de nailon • Juego de llaves fijas y/o de tubo Desmontaje de una máquina rotativa de corriente continua • Recipiente o gaveta de plástico • Extractor de cojinetes OBJETIVO • Guantes, alicates y extractor de chavetas Conocer las técnicas y herramientas utilizadas para desmontar una máquina rotativa. MATERIAL PRECAUCIONES • Una máquina de corriente continua • Utiliza guantes en la operación de desmontaje y montaje de la máquina. • Rotulador permanente y cinta aislante • Cubre de cinta aislante los huecos de las chavetas para evitar cortes con el filo de sus bordes. N N 4 3 5 4 3 6 5 6 Devanado progresivo (no cruzado) a Figura 5.34. Partes de una máquina asíncrona con rotor en cortocircuito. 154 • Llaves Allen de diferentes tamaños S 3 Ranuras de la armadura Rotor en cortocircuito a 4 3 S 5 4 6 5 6 Devanado regresivo (cruzado) Figura 4.54. Detalles de devanados imbricados simples. Unidad 2 66 MUNDO TÉCNICO EN RESUMEN Fabricación automatizada de máquinas eléctricas rotativas Lo estudiado en esta unidad se encuentra en el contexto de talleres pequeños y medianos destinados a la reparación y mantenimiento manual de máquinas eléctricas. No obstante, la producción y fabricación en serie, de igual forma que para otro tipo de productos, se encuentra altamente automatizada en este campo. En la actualidad el uso de maquinaria especializada permitente realizar el proceso de fabricación de forma limpia y en un breve periodo de tiempo. Estos son algunos procesos automatizados destinados a la fabricación de máquinas eléctricas, principalmente de las de tipo rotativo: • Máquinas para la inserción de devanados de estatores. Los modelos más complejos y completos construyen automáticamente las bobinas y posteriormente, mediante un sistema de guiado inteligente, las insertan en las ranuras del estator. DESARROLLO 1. Preparar la mesa de trabajo con el equipo de herramientas necesario para el desmontaje de la máquina. Es aconsejable disponer de una bandeja o gaveta para dejar en ella todos los elementos que se retirarán en esta operación. a Figura 2.88. Máquina para la inserción de devanados en estatores. a Figura 4.91. Algunas de las herramientas necesarias para desmontar la máquina. La unidad finaliza con el apartado en resumen, mapa conceptual con los contenidos esenciales de la unidad, y el apartado evalúa tus conocimientos: batería de preguntas que te permitirán comprobar el nivel de conocimientos adquiridos tras el estudio de la unidad. 9. ¿Existe alguna herramienta específica para pelar el hilo esmaltado? 134 Deben su nombre a que funcionan a una velocidad diferente (inferior) a la de sincronismo. Núcleo de la armadura Al final de cada unidad encontrarás las prácticas profesionales, casos prácticos que representan los resultados que debes alcanzar al terminar tu módulo formativo. 183 4. Máquinas asíncronas a 8. ¿Todas las bobinas se fabrican con un solo conductor? 3. ¿Se comercializan estos conductores en función de su sección, como ocurre con otros cables eléctricos? 6. Fermín y Abel ha leído en algún lugar que una vez rebobinada una máquina eléctrica es necesario barnizarla, ¿cuál es el objetivo de dicha operación? Construirás dos bobinas utilizando dos procedimientos diferentes. También se incorporan actividades y ejemplos que ayudan a asimilar los conceptos tratados. El objetivo es, por tanto, que el alumno se acerque a la realidad laboral a medida que desarrolla los contenidos de la asignatura. A continuación, te proponemos una serie de actividades finales para que apliques los conocimientos adquiridos y, a su vez, te sirvan de repaso. También se incluye en el apartado entra en Internet una serie de cuestiones para cuya resolución es necesario consultar diversas páginas web. 7. El principal mercado de trabajo de MantenExpres será el de las máquinas eléctricas rotativas, ¿cuál es el tipo de bobinadora que mejor se adapta a su rebobinado? 1. ¿Qué característica presenta el conductor utilizado para rebobinar máquinas eléctricas? 2. ¿Es indiferente el espesor del dieléctrico en los hilos esmaltados? Conocerás cuáles son los conductores y aislantes utilizados en el bobinado de máquinas eléctricas. El desarrollo de la unidad aparece acompañado de numerosas ilustraciones seleccionadas de entre los equipos y procesos más frecuentes que encontrarás al realizar tu trabajo. otro los materiales dieléctricos que los aíslan. Dentro de la dotación de herramientas han comprobado que deben adquirir un buen número de ellas y con diferentes funciones. Entre estas herramientas se encuentran, desde las destinadas a la construcción de devanados hasta las que permiten ejecutar su acabado adecuadamente, pasando por las de limpieza y preparación del núcleo magnético. Además, como en otras técnicas eléctricas, requieren una instrumentación que permita y facilite la comprobación y localización de averías, tanto en la puesta en marcha de las máquinas reparadas como en tareas de mantenimiento en planta. 2. Utilizando un rotulador permanente, realizar marcas en los dos escudos de la máquina de tal forma que identifiques claramente en qué lado de la culata están ubicados cada uno de ellos. a Figura 2.89. Torneado automático de rotores. • Aislamiento de ranuras e inserción de cuñas. Ambos procesos también se encuentran automatizados. El aislamiento de ranura debe hacerse antes de la inserción de los bobinados, la colocación de cuñas después. EVALÚA TUS CONO • Bobinado de inducidos. Para esta tarea, que manualmente resulta compleja y laboriosa, existen máquinas que la resuelven por completo, hasta el punto de que, no solamente bobinan el inducido, sino que son capaces de soldar el devanado a las delgas de colector. • Impregnadoras y secadoras de barniz o resina. Permiten agilizar el proceso de barnizado y, posteriormente, de secado de los devanados de forma masiva. a Figura 4.92. Marcaje de culatas. 3. Por la ventana del escudo que contiene las escobillas, las retiramos para evitar que se dañen en el proceso de desmontaje. 4. Utilizando un extractor de chavetas retiramos las de ambos extremos del eje. Si no dispones del extractor, puedes usar un alicate universal o de pico de pato. También, a modo de truco, puedes emplear pequeño tornillo de banco portátil fijando y tirando de la chaveta. a Figura 2.90. Torneado automático de rotores. a Figura 2.91. Máquina automática para el aislamiento de ranuras. IMPORTANTE Todas las actividades propuestas en este libro deben realizarse en un cuaderno de trabajo, nunca en el propio libro. Y 00 Maquinas electricas.indd 3 16/07/12 11:11 1 Magnetismo y electromagnetismo vamos a conocer... 1. Magnetismo 2. Campo magnético 3. Electromagnetismo 4. Clasificación de máquinas eléctricas PRÁCTICA PROFESIONAL Comprobación del campo magnético generado en una bobina MUNDO TÉCNICO El tren de levitación magnética y al finalizar esta unidad... Conocerás cuáles son los principios que fundamentan el funcionamiento de las máquinas eléctricas. Sabrás cómo se comportan los diferentes tipos de materiales ante la presencia de un campo magnético. Experimentarás cómo el paso de una corriente eléctrica por un conductor o una bobina produce un campo magnético. Conocerás cuál es la clasificación de las máquinas eléctricas. Interpretarás cómo son las curvas de magnetización de los materiales ferromagnéticos. 01 Maquinas electricas.indd 4 16/07/12 11:52 5 CASO PRÁCTICO INICIAL situación de partida La empresa MantenExpress lleva más de 15 años en el sector del mantenimiento. Su línea de trabajo se centra principalmente en las instalaciones eléctricas de viviendas y edificios del sector terciario. De un tiempo a esta parte, el tejido industrial de su radio de acción ha crecido de forma considerable, ya que se han creado numerosas empresas de fabricación de productos para mecanizado que disponen de un alto grado de automatización. Sus cadenas de montaje disponen de un buen número de máquinas eléctricas de todo tipo. Esta situación ha generado un nuevo mercado en el ámbito del mantenimiento por lo que el gerente de la empresa ha decidido trabajar en esta nueva actividad. Ha designado a dos de sus empleados para que se formen en todo lo relacionado con las máquinas eléctricas. Estos tienen mucha experiencia en tareas de montaje y mantenimiento de instalaciones eléctricas y, aunque en numerosas ocasiones han tenido que instalar máquinas eléctricas, nunca han realizado operaciones de mantenimiento o reparación en el interior de las mismas. Los dos operarios, Fermín y Abel, se ha puesto manos a la obra y les han surgido todo tipo de dudas y cuestiones como las que se indican a continuación. estudio del caso Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después, analiza cada punto del tema, con el objetivo de contestar al resto de las preguntas de este caso práctico. 1. Fermín y Abel han observado, en las hojas de características, que algunos de los motores que han instalado disponen de imanes permanentes de neodimio, ¿a qué se refiere exactamente? 5. ¿Cualquier material metálico puede ser bueno para construir núcleos magnéticos? 6. En algún catálogo o documentación comercial Fermín y Abel han leído que los mejores resultados para la construcción de transformadores se obtienen utilizando chapas de grano orientado, ¿a qué es debido? 2. Desde el punto de vista del magnetismo, ¿qué ocurre en un conductor cuando es recorrido por una corriente eléctrica? 7. ¿Qué es la curva de magnetización de un material? 3. ¿Es posible medir un campo magnético de forma directa? ¿Con qué instrumento? 8. ¿Es importante que los núcleos de las máquinas eléctricas tengan una alta remanencia? 4. Fermín y Abel han desmontado en varias ocasiones máquinas de tipo rotativo y siempre han observado que los devanados se encuentran bobinados sobre núcleos metálicos. ¿Cuál es el motivo de que estos no se hagan al aire? 9. Las máquinas rotativas disponen de un circuito cableado en su parte giratoria (rotor), ¿cómo conseguimos alimentarlos sin que los cables se retuerzan? 01 Maquinas electricas.indd 5 16/07/12 11:52 Unidad 1 6 1. Magnetismo saber más Los fenómenos del magnetismo fueron observados por primera vez por lo griegos en una ciudad de Asía Menor denominada Magnesia del Meandro, considerándose al filósofo Tales de Mileto como la primera persona que estudió y documentó dicho fenómeno. saber más Tierras raras es un grupo de 17 elementos de la tabla periódica que, si bien a principios del siglo xx no tenían demasiada utilidad debido a que eran muy difíciles de separar químicamente, en la actualidad son elementos de alta tecnología, ya que son imprescindibles tanto para la fabricación de teléfonos móviles como para la construcción de determinadas máquinas eléctricas controladas de forma electrónica. Las máquinas eléctricas basan su funcionamiento en los fenómenos del magnetismo y del electromagnetismo, por tanto será necesario conocerlos para comprender cómo están constituidas, cómo funcionan y cómo actuar en caso de reparación o mantenimiento. Se denomina magnetismo a la propiedad que tienen determinados materiales, en estado natural o artificial (forzado mediante la aplicación de alguna técnica externa), para atraer el hierro. Así, dicha propiedad puede ser aprovechada para la transformación de energía eléctrica en mecánica, y viceversa. A los elementos que tienen esa propiedad de atracción se les denomina imanes, pudiendo clasificarse en permanentes y temporales según su capacidad de mantener el magnetismo. • Imanes permanentes. Son aquellos en los que los efectos de imanación se mantienen de forma continuada. Pueden estar magnetizados de forma natural o artificial. N S a caso práctico inicial Debido a sus potentes campos magnéticos, los imanes permanentes de neodimio han permitido crear máquinas rotativas sin devanados eléctricos, permitiendo así simplificar su interior. S N Figura 1.1. Polos en imanes permanentes. • Imanes temporales. Son aquellos que mantienen el magnetismo solamente mientras se produce un fenómeno físico de magnetización sobre ellos. Este es el caso de los electroimanes, que solamente mantienen el magnetismo si se aplica corriente a un circuito eléctrico de excitación. a Figura 1.2. Imán temporal. Otra clasificación posible los divide en naturales y artificiales en función de cómo haya sido generada la magnetización. • Imanes naturales. Son de origen mineral y poseen de forma natural esa propiedad de atracción. Pueden ser cerámicos o de tierras raras. Los de tipo cerámico están formados por bases de óxido de hierro, de estroncio o de bario. Los de tierras raras, de elementos como el neodimio y el samario, son la última generación de materiales magnéticos. Son mucho más potentes que los cerámicos, poseen una elevada remanencia y son capaces de trabajar a elevadas temperaturas. 01 Maquinas electricas.indd 6 16/07/12 11:52 Magnetismo y electromagnetismo 7 Algunos de los imanes mencionados son los siguientes: saber más La Tierra se comporta como un gran imán, lo cual ha sido aprovechado durante siglos para tareas de orientación. Para ello se utiliza la conocida brújula magnética, que se orienta con el campo magnético terrestre. N Geográfico Magnético a Figura 1.3. Diferentes tipos de imanes permanentes cerámicos y de neodimio (Cortesía de IMA S.L.). • Imantes artificiales. En ellos el campo magnético se genera mediante un estímulo externo, como puede ser el acercamiento de otro imán o el paso de una corriente eléctrica próxima al metal a magnetizar. Así, dependiendo del tipo de material, la magnetización puede hacerse de forma permanente o temporal. Esta última propiedad es aprovechada para el funcionamiento de las máquinas eléctricas que aquí se van a estudiar. Las partes de los imanes que poseen mayor fuerza magnética son los denominados polos, que se identifican como norte y sur. La línea de unión de ambos polos se denomina línea neutra, ya que es el lugar en el que es menor la magnetización. De todos son conocidas las propiedades de atracción y repulsión de los imanes, según estas, si se intenta unir dos imanes por los polos del mismo signo, estos se repelen. S Es importante saber que el norte geográfico no coincide con el norte magnético. Así, al ángulo comprendido entre ambos se le denomina declinación magnética. saber más Atracción Repulsión Hasta no hace mucho tiempo, el uso de los imanes permanentes en el campo de las maquinas eléctricas se reducía a la construcción N S S N S N de motores de S baja potencia. Sin N embargo, con la introducción en a Figura 1.4. Atracción entre imanes. los años 90 de elementos magnéticos como en neodimio, se ha perPor otro lado, si se hace lo mismo por polos de signo contrario, estos se atraen. mitido su aplicación en una amplia gama de máquinas de aplicación Por tanto, este comportamiento de los elementos magnéticos es ampliamente industrial. utilizado para hacer funcionar máquinas eléctricas, especialmente las de tipo rotativo. Atracción N S Repulsión N S a 01 Maquinas electricas.indd 7 N N S Figura 1.5. Repulsión entre imanes. a Figura 1.6. Motor eléctrico de imanes permanentes. 16/07/12 11:52 Unidad 1 8 2. Campo magnético Es la región del espacio en la que se perciben las fuerzas magnéticas de un imán o de un elemento magnetizado. En él se produce un desplazamiento de cargas cuyo sentido se ha establecido por convención, del polo norte al polo sur. Se representan de forma gráfica mediante las de nominadas líneas de fuerza o de inducción magnética. Así, si se pudieran visualizar las líneas de fuerza que se producen cuando dos imanes se acercan entre sí, se observaría algo similar a lo representado en las siguientes figuras. Cuando se unen dos polos del mismo signo, las líneas se enfrentan y por tanto se repelen. S N N S saber más El Sistema Internacional de medida (SI) es ampliamente aceptado por la mayoría de los países. Este ha sustituido casi por completo al sistema cegesimal (CGS); sin embargo, algunos autores y miembros de la comunidad científica siguen usando el formato CGS para tomar medidas en sistemas electromagnéticos. Por tanto, es conveniente saber que el maxvelio (Mx) es la unidad del flujo magnético, y el gauss (Gs) la de la inducción magnética. a Figura 1.7. Líneas de fuerza en dos imanes en repulsión. Por el contrario, si se unen dos polos del diferente signo, las líneas de fuerza se suman y los imanes se atraen. S N S N La relación entre las unidades de la misma magnitud para el Sistema Internacional es la siguiente: 1 Wb = 108 Mx a Figura 1.8. Líneas de fuerza en dos imanes en atracción. 1 T = 104 Gs 2.1. Flujo magnético Es el número total de líneas de fuerza que forman un campo magnético. El flujo magnético se representa mediante la letra griega Φ (fi), cuya unidad es el weber (Wb). 2.2. Inducción magnética caso práctico inicial El campo magnético puede ser medido de forma directa, y sin conexión física, mediante un instrumento denominado teslámetro. 01 Maquinas electricas.indd 8 Es la cantidad de líneas de fuerza que traspasa una unidad de superficie. La inducción magnética, también denominada como densidad de flujo magnético, se representa con la letra B, aunque durante mucho tiempo se ha estado utilizando la letra griega b (beta). La unidad es el tesla (T). La relación existente entre el flujo y la inducción magnética es la siguiente: Φ=B·S La variable S representa la superficie que atraviesan las líneas de campo. Se mide en m2. 16/07/12 11:53 Magnetismo y electromagnetismo 9 El instrumento que permite conocer el valor de inducción magnética en un campo magnético se denomina teslámetro. Dicho aparato funciona a partir de la recepción de los valores enviados por una sonda basada en un sensor de efecto Hall. saber más En la siguiente figura pueden distinguirse las partes de un teslámetro: El efecto Hall debe su nombre al físico de origen americano que lo descubrió a finales del siglo xix. Consiste en aprovechar el campo eléctrico que se produce en un conductor por el que circula una corriente eléctrica que se encuentra bajo la influencia de un campo magnético. c Figura 1.9. Teslámetro con sonda de efecto Hall (Cortesía de 3B Scientific). La calidad de la chapa magnética utilizada en las máquinas eléctricas depende de la información que da el fabricante en función de los valores de la inducción magnética. Así, con valores altos de inducción, los resultados en el circuito magnético serán mejores. De hecho, los materiales empleados en este caso serán más caros y no resultarán válidos para todas las aplicaciones. Un ejemplo podría ser el de un transformador que utiliza una chapa metálica que trabaja a 1,5 T, en este caso el rendimiento de dicho transformador sería mayor que en el caso de trabajar con una chapa para 1 T. Aun así, es importante recordar que el acabado del primero sería más caro que el del segundo. actividades 1. Utilizando un teslámetro experimenta cómo cambia el valor del campo magnético de diferentes tipos de imanes permanentes (ferrita, neodimio, etc.). Realiza la comprobación acercando y alejando la sonda a los polos y sobre la línea neutra. Imán Sonda ||| ||| ||| ||||||| ||||| ||| ||| ||| ||| 0 100 ||||||||| ||| | ||| ||| || ||||| ||||| ||||||| ||| ||| || ||| | 0 100 ||| ||| || |||| ||| || 50 ||| | ||||||| ||| ||||||| ||||||| ||||| 50 || | || |||| ||||| ||||| ||| |||| ||| ||| 50 ||||||||| ||| |||| ||| ||| 0 || N ||| S 100 Teslámetro a 01 Maquinas electricas.indd 9 Figura 1.10. Medida del campo magnético de un imán con un teslámetro. 16/07/12 11:53 Unidad 1 10 3. Electromagnetismo caso práctico inicial El simple hecho de que un conductor sea recorrido por una corriente eléctrica, genera un campo magnético a su alrededor, siendo este el principio básico para el funcionamiento de las máquinas eléctricas. saber más Otra forma de averiguar el sentido del campo magnético en un conductor rectilíneo se basa en la regla del sacacorchos, donde el avance de este representa el sentido de la corriente, y el giro que realiza al avanzar indica el sentido de las líneas de fuerza. Se denomina electromagnetismo a aquella parte de la electrotecnia que estudia en conjunto los fenómenos eléctricos y magnéticos, así como los efectos que entre ellos producen. 3.1. Campo magnético en un conductor Cuando un conductor rectilíneo es atravesado por una corriente eléctrica, a su alrededor se crea un campo magnético cuyas líneas fuerza son circulares y concéntricas al conductor. Así, si el campo es lo suficientemente intenso y se colocan a su alrededor una o más agujas imantadas (por ejemplo, una brújula), dichas agujas se orientarían en el sentido del campo magnético. Para conocer el sentido de las líneas de fuerza del campo magnético producido en este conductor, se puede aplicar la denominada regla de la mano derecha. Según dicha regla, el pulgar define el sentido de la corriente eléctrica, y el cierre de los dedos sobre el conductor muestra el sentido del campo magnético. Sentido de las líneas de fuerza del campo magnético Conductor I Sentido de la corriente Sentido del campo magnético I a Figura 1.11. Regla de la mano derecha. Así, el campo magnético creado alrededor del conductor es mayor cuanto mayor es la corriente eléctrica que lo atraviesa. No obstante, dicho campo se encuentra muy difuminado y no tiene fácil aplicación práctica. Sin embargo, si la disposición del conductor se realiza formado una espira, los campos magnéticos generados tienden a concentrarse en el interior de la misma, ampliándose los efectos de las líneas de fuerza. a Figura 1.12. Regla del sacacorchos. 3.2. Campo magnético en una espira En una espira es fácil saber el sentido del campo magnético utilizando la regla de la mano derecha. El sentido de la corriente está marcado por el dedo pulgar, y el del campo magnético por el cierre de los dedeos sobre la mano. I Así la polaridad en ambas caras de la espira es la siguiente: I S I N a Figura 1.13. Campo magnético en una espira. 01 Maquinas electricas.indd 10 a Figura 1.14. Polaridad en los lados de una espira. 16/07/12 11:53 Magnetismo y electromagnetismo 11 3.3. Campo magnético en una bobina Si se desea conseguir un campo magnético superior, se pueden unir en serie varias de estas espiras y así sumar sus campos parciales. Esto se consigue realizando con el conductor una bobina o solenoide. En este caso, para conocer cuál es el sentido del campo magnético, se utiliza también la regla de la mano derecha, pero con una interpretación diferente a la utilizada anteriormente. Ahora el sentido de cierre de los dedos sobre la bobina indica el sentido de la corriente y el del dedo pulgar representa el campo magnético. S a saber más El físico danés Oersted fue el primero en evidenciar (en 1820) la relación que había entre electricidad y magnetismo. Probó que el paso de una corriente eléctrica por un circuito provocaba un campo magnético a su alrededor. N Figura 1.15. Campo magnético en una bobina. 3.4. Intensidad de campo magnético Esta magnitud indica la fuerza de un campo magnético. Se representa con el símbolo H y tiene como unidad el amperio-vuelta/metro (Av/m). a Figura 1.16. Hans Christian Oers- ted. Así, un campo magnético es más intenso cuanto mayor es la corriente que lo recorre (I) y el número de espiras (N) que lo forma. Por otro lado, será menor cuanto mayor es la longitud de la bobina (L). H= N·I L 3.5. Fuerza magnetomotriz Es la fuerza que permite mantener el campo magnético en un circuito electromagnético, por ejemplo en el de una bobina. La fuerza magnetomotriz se representa por la letra F, aunque en ocasiones puede mostrarse como f.m.m, y se mide en amperios-vuelta (Av). Matemáticamente la fuerza magnetomotriz es directamente proporcional a la corriente (I) que recorre el circuito, siendo la constante de proporcionalidad el número de espiras (N) que lo forman. F=N·I Así, se puede afirmar que la intensidad de campo magnético (H) es directamente proporcional a la fuerza magnetomotriz (F) e inversamente proporcional a la longitud de la bobina (L). F H= L a Figura 1.17. Bobina del circuito magnético de un relé industrial. 3.6. Circuito magnético Si a una bobina se le introduce una barra de hierro en su interior, se comprueba que los efectos del campo magnético generado aumentan de forma considerable. Esto es fácilmente comprobable acercando la sonda de un teslámetro a un circuito con núcleo y a otro sin él. 01 Maquinas electricas.indd 11 16/07/12 11:53 Unidad 1 12 caso práctico inicial El núcleo al aire de un circuito magnético también genera líneas de fuerza, pero son dispersas y con poca intensidad. No obstante, cuando el núcleo es de material ferromagnético, el campo magnético se potencia y puede ser redireccionado con facilidad. Así, resulta evidente que en un circuito magnético con un núcleo de hierro, o cualquier otro material de los denominados ferromagnéticos, el campo magnético aumenta para el mismo valor de corriente y, no solo eso, sino que las líneas de fuerza pueden ser dirigidas en función de la forma física de dicho núcleo. Nucleo rectangular o cuadrado I a Figura 1.19. Parte del circuito magnético de una máquina rotativa. I L L Bobina recuerda Las máquinas que vas a estudiar en las próximas unidades disponen de circuitos magnéticos mucho más complejos que los estudiados hasta ahora. Sin embargo, su funcionamiento se basa también en estos principios básicos. Nucleo toroidal a Bobina Figura 1.18. Dos tipos de circuitos magnéticos elementales. Un circuito magnético simple es el denominado electroimán, que consiste en un núcleo de hierro y en una bobina que se alimenta con una fuente tensión. Así, al establecer sobre ella el paso de corriente, el núcleo se magnetiza atrayendo los elementos ferromagnéticos que estén a su alrededor. Sin embargo, si se desconecta la fuente de tensión interrumpiéndose la corriente, los efectos magnéticos también desaparecen. Esta propiedad es utilizada en todo tipo de dispositivos eléctricos industriales como relés, contactores, timbres, elementos de bloqueo y retención, etc. En un circuito con núcleo magnético, para el cálculo de la intensidad de campo (H), L no es la longitud del hilo que forma la bobina, sino que es el perímetro central de su núcleo. actividades 2. Utilizando un teslámetro experimenta cómo cambia el valor del campo magnético de diferentes tipos de imanes permanentes (ferrita, neodimio, etc.). Realiza la comprobación acercando y alejando la sonda a los polos y sobre la línea neutra. Con la siguiente actividad se pretende que experimentes los efectos de un circuito magnético básico. Para ello debes disponer de los siguientes materiales: una pila de 4,5 V (también es posible de 9 V), una brújula, un puñado de virutas o, en su defecto, clips pequeños de oficina, un clavo de unos 10 cm Hilo de bobinar de longitud y 4 mm de diámetro, hilo rígido aislado de 0,25 mm2 (mejor hilo de Clavo bobinar esmaltado). Realiza una bobina de unas 20 ó 25 espiras sobre el clavo, teniendo en cuenta de dejar como unos 15 cm de conductor en cada uno de sus extremos. Pela el cable 1 cm en ambas terminaciones. Ten en cuenta que si el hilo es esmaltado, debe retirase el barniz con una lija o raspándolo con el filo de una tijera de electricista. Pila Brújula Realiza las siguientes comprobaciones: Sonda 50 | | | | | || | | | | | | | | ||| ||| | | || | || | | 100 ||| ||||| | | | | | || ||| | ||| ||| ||| || || |||| | | ||||||| ||| || ||| | 0 ||| ||| 50 ||| | | || |||| | | ||||||| 50 | | || | || | | | | | | | || ||| ||| ||| | ||||| | | | | | || 01 Maquinas electricas.indd 12 0 100 ||| c. Construye una bobina con el doble de espiras y repite las comprobaciones. d. ¿Qué conclusiones sacas de todo esto? ||| ||||| b. Realiza lo mismo sacando el clavo de la bobina. ||| ||| | | || | || | | || ||| | ||| || | 0 ||| Virutas ||| a. ¿Qué ocurre cuando se alimenta la bobina con la pila y se acercan las virutas a la brújula o a la sonda del teslámetro? Realiza la comprobación por ambos extremos del clavo y por la línea neutra. 100 Teslámetro a Figura 1.20. Elementos necesarios para realizar la actividad. 16/07/12 11:53 Magnetismo y electromagnetismo 13 3.7. Materiales para circuitos magnéticos Los materiales utilizados para los núcleos de circuitos magnéticos pueden ser de diferentes tipos; sin embargo, no todos tienen un comportamiento similar ante el campo magnético que generan o ante el que están expuestos. Sin entrar en detalles matemáticos avanzados, se puede decir que los átomos de los materiales se comportan como pequeños imanes que interactúan entre sí. A estos átomos se les denomina spines y tienen una orientación magnética propia. Así, en función de la orientación y de la magnitud de estos spines, además del comportamiento ante un campo magnético externo, los materiales se clasifican en: • Diamagnéticos. En este tipo los spines no disponen de campo magnético; sin embargo, si se les aplica un campo magnético externo, estos se orientan en sentido contrario a las líneas de fuerza del campo inductor. Por tanto, se dice que los materiales de este tipo no interaccionan con otros materiales magnéticos. Algunos materiales diamagnéticos son el oro, el silicio, el hidrógeno, el helio, el cobre, el germanio, el bronce, el grafito, etc. • Paramagnéticos. En este tipo los spines sí disponen de su propio campo magnético. Así, cuando se les aplica un campo externo, algunos de ellos tienden a orientarse ligeramente en el sentido de las líneas de fuerza del campo principal. Algunos materiales paramagnéticos son el aire, el titanio, el aluminio, etc. • Ferromagnéticos. Son aquellos en los cuales los átomos se alinean por completo con las líneas de fuerza del campo externo. Es el tipo de material utilizado para la fabricación de circuitos magnéticos en máquinas eléctricas, ya que para valores de corriente no muy elevados, aumenta considerablemente la magnetización. El hierro es el material ferromagnético por excelencia, no obstante, para la obtención de los mejores resultados en la conducción del campo, suele alearse con cobalto, níquel y/o silicio. H Sin magnetización externa a No todos los materiales son adecuados para la construcción de núcleos en circuitos magnéticos. En función de la aplicación, deben utilizarse unos u otros, siendo los denominados ferromagnéticos los más adecuados para la fabricación de máquinas eléctricas. Con magnetización externa Figura 1.21. Orientación de los átomos de un material ferromagnético. En cualquier caso, para el estudio de máquinas eléctricas, el material que no es ferromagnético se considera amagnético, es decir, un material que no tiene ningún comportamiento especial cuando se encuentra sometido a líneas de fuerza magnéticas. Los materiales para la constitución de núcleos en circuitos magnéticos se consiguen con aleaciones que facilitan la orientación aquí nombrada, como la denominada chapa de grano orientado. 01 Maquinas electricas.indd 13 caso práctico inicial caso práctico inicial La chapa de grano orientado es ideal para la construcción de transformadores, ya que aumenta el rendimiento y evita pérdidas por exceso de calor. En la fabricación de esta chapa se cuida la orientación de sus cristales de forma que favorezcan la dispersión de los campos magnéticos por su interior. 16/07/12 11:53 Unidad 1 14 3.8. Reluctancia magnética Tradicionalmente, a la reluctancia magnética se la compara con la resistencia eléctrica, ya que es la característica que tienen los materiales ferromagnéticos de oponer mayor o menor resistencia a la formación de líneas de fuerza de un campo magnético. Según la ley denominada de Hopkinson, se establece una expresión similar a la ley de Ohm en la que el flujo magnético (Φ) es directamente proporcional a la fuerza magnetomotriz (F) e inversamente proporcional a la reluctancia (R). F Φ= R Por tanto definimos la reluctancia como: F R= Φ Las unidades de medida se dan en Amperios-Vuelta/Weber (Av/Wb). 3.9. Curva de magnetización de un material 50 || ||| |||| ||| ||| ||| || ||| | Materiales ferromagnéticos: ferromagnetic materials Motor de pasos: stepper motor Par: torque || || | || | || ||||| || ||| || | || ||||| ||| || Máquina eléctrica: electrical machine a ||| | Magnético: maganetic | || Inducción magnética: magnetic induction 0 100 ||| | || | ||| Imán: magnet || ||| |||| |||| | Histéresis: hysteresis |||| ||| Hierro: iron || | ||| ||| ||| Generador eléctrico: electrical generator 50 || || | || || | | | | | || ||||||| 0 100 50 Desmagnetización: desmagnetization |||| |||| | |||| | || || | || | || ||||| |||| ||| ||| 0 ||| R ||| V Teslámetro ||| Corriente inducida: induced current I ||| Corriente eléctrica: electric current Sonda | Circuito magnético: magnetic circuit ||| Campo magnético: magnetic field || Español-Inglés Si a un circuito magnético, como el mostrado en la figura, se le conecta una fuente de tensión a través de una resistencia variable o reóstato, de tal forma que se pueda regular la intensidad de corriente que circula por él, la intensidad de campo H variará en función de dicha corriente. ||| vocabulario 100 Figura 1.22. Circuito para determinar la curva de magnetización de un núcleo. Si al núcleo se le acerca un teslámetro, para así poder medir la inducción magnética B generada en él, se observará que, inicialmente, con muy poca variación de H, la inducción aumenta considerablemente hasta llegar a un valor en el que por mucho que aumente el valor de la intensidad de campo H, la inducción se mantiene prácticamente estable. A esta zona se la denomina de saturación, ya que el campo B no aumenta, a pesar de H lo haga de forma considerable. El circuito propuesto se puede realizar de forma experimental, siempre que el material ferromagnético no haya sido magnetizado ninguna vez, ya que de lo contrario estarán siempre presentes los efectos del magnetismo remanente y esto provocará errores en la toma de valores. Como se verá en las páginas siguientes, para eliminar el magnetismo remanente es necesario aplicar un campo denominado coercitivo, con la misma intensidad del campo aplicado, pero de signo contrario. Se debe tener en cuenta que los teslámetros, tanto lo de tipo analógico como los de tipo digital, proporcionan valores positivos y negativos. Esto significa que el campo generado es de diferente polaridad, es decir, que pertenece al polo norte o al polo sur del circuito magnético. 01 Maquinas electricas.indd 14 16/07/12 11:53 Magnetismo y electromagnetismo 15 recuerda Una representación de lo anterior es la siguiente: La curva de magnetización es, como su nombre indica, una curva en la que se muestra cómo se comporta un material cuando es sometido a los efectos de un campo magnético. Representa la evolución de la inducción magnética en función de la intensidad de campo. Chapa de grano orientado B Chapa normal Punto de saturación magnética Aire H a Figura 1.23. Curvas de magnetización. En la figura anterior se observan las curvas de dos tipos de materiales (chapa de grano orientado y chapa de grano no orientado) y, además, se compara con la del aire, que en lugar de ser una curva es una línea recta cuya magnetización es pequeña respecto a la de los dos materiales ferromagnéticos. En las dos primeros curvas se observa cómo la chapa de grano orientado tiene mejor magnetización para el mismo paso de corriente. a Figura 1.24. Chapa magnética utilizada para la construcción de transformadores. actividades 3. Observa la curva de magnetización de diferentes tipos de materiales y aleaciones ferromagnéticas facilitada por el fabricante de imanes NAFSA S.L. en su catálogo general. B (Tesla) 2 Armco Telar 57 St60 Fundición maleable Hierro colado NAFSA S.L. 1 St37 Acero colado 20MnCr5 H = intensidad del campo magnético (AV/cm) B = inducción (Teslas) 0 0 a Figura 1.25. 50 H (AV/cm) 100 150 Curvas de magnetización para diferentes materiales (Cortesía NAFSA S.L.). Responde a las siguientes preguntas: a. ¿Cuál es el material, de los indicados, que muestras mejores características de magnetización? d. ¿Y el Armco Telar 57? b. ¿Cuál es el peor? f. ¿Y el menor? e. ¿Cuál es valor máximo conseguido para B? c. ¿A qué valor aproximado de intensidad de campo se satura el acero colado? 01 Maquinas electricas.indd 15 16/07/12 11:53 Unidad 1 16 3.10. Permeabilidad magnética saber más Se denomina permeabilidad relativa (μr) a la relación entre la permeabilidad absoluta y la permeabilidad en vacío o constante magnética (μ0). μ μr = 0 μ Es la capacidad que tienen los materiales de magnetizarse o facilitar el paso de las líneas de fuerza a través de ellos. En cierto modo, se puede decir que la permeabilidad magnética es la magnitud contraria o inversa de la reluctancia. De este modo se puede afirmar que unos materiales son más permeables que otros a los campos magnéticos. Esta magnitud se representa por la letra griega µ (Mu) y tiene como unidad el henrio/metro (H/m). Matemáticamente es la relación que existe entre la inducción B y la intensidad de campo magnético H, denominándose en este caso permeabilidad absoluta. µ= B H La permeabilidad no es una magnitud constante, ya que depende en gran medida del campo magnético aplicado. Así, si su curva se representa en la misma gráfica que la de la magnetización, ya que la permeabilidad depende también de los valores de B y H, se observa cómo es mayor en la primera zona de la magnetización y disminuye radicalmente una vez que se ha superado el punto de saturación. B Curva de magnetización Permeabilidad µ (H/m) H a Figura 1.26. Curva de permeabilidad comparada con la de imanación. 3.11. Histéresis magnética caso práctico inicial Si bien una alta remanencia es un dato adecuado para los imanes permanentes, no lo es tanto para la construcción de máquinas eléctricas, ya que requieren que los efectos de imanación desaparezcan cuanto antes una vez haya cesado la causa que los generó. 01 Maquinas electricas.indd 16 Cuando un material ferromagnético es sometido a los efectos de un campo magnético externo, como puede ser el inducido por una bobina, este presenta una magnetización que se mantiene mientras duran dichos efectos. Sin embargo, cuando el campo cesa, los materiales presentan aún, en mayor o menor medida, indicios de imanación. A este fenómeno se le denomina remanencia y es la capacidad que tienen los materiales ferromagnéticos de mantener los efectos de magnetización una vez ha finalizado la acción que los ha generado. La remanencia es favorable para la creación de imanes permanentes, sin embargo, para la fabricación de electroimanes y núcleos de máquinas eléctricas puede ser muy perjudicial produciendo pérdidas de energía por exceso de calor. Por este motivo es de gran importancia la selección adecuada del material en función de la aplicación en la que se va a utilizar. 16/07/12 11:53 Magnetismo y electromagnetismo 17 El estudio de la remanencia se realiza mediante el análisis de lo que ese denomina histéresis magnética. Este proceso consiste en conocer y representar gráficamente, mediante el denominado ciclo de histéresis, el comportamiento de un material ferromagnético que se encuentra sometido a la acción de un campo magnético en el que se van modificando progresivamente los valores de B y H. B+ M 2 BR 7 3 1 -HCc 0 H- HC H+ 6 -BR 4 5 m B- a Figura 1.27. Ciclo de histéresis. Se debe disponer de un material que no haya sido sometido anteriormente a los efectos de un campo magnético para que sea nula su magnetización inicial. A continuación se explica en qué consiste el efecto de histéresis magnética en base al gráfico de la figura anterior. 1. Partiendo desde el punto 0, los valores para B y H van aumentando progresivamente. Así, si se van adquiriendo pares de valores para estas dos magnitudes, se observa cómo la curva de imanación progresa de la forma representada en la figura como (1). 2. Una vez que se ha alcanzado el punto de saturación M, se disminuyen progresivamente los valores para B y H con la misma pauta utilizada para la curva (1). En este caso se observa que cuando H es nuevamente 0, el campo B no lo es, presentándose en este caso un valor BR debido al correspondiente magnetismo remanente. En este caso no existe excitación y, sin embargo, se mantienen los efectos de magnetización en el material sometido al ensayo. 3. Así, si se continua asignado valores negativos a la intensidad de campo H, el campo es nulo cuando se llega al punto –Hc. Este valor es el correspondiente 01 Maquinas electricas.indd 17 16/07/12 11:53 Unidad 1 18 al denominado campo coercitivo (que es de sentido contrario o negativo) y es el que se debe dar a H para conseguir que desaparezca por completo la remanencia del material. 4. Si se continua asignado valores negativos para B y H, se llega hasta el punto de saturación m que es de signo contrario al alcanzado en la primera parte del ciclo (M). 5. A partir de este punto, se disminuye la asignación de valores para B y H, observándose que cuando la intensidad de campo H vuelve a tener valor cero, el campo B mantiene el valor –BR, que es el magnetismo remanente de polaridad contraria al observado en el tramo 3 de la curva. 6. Así, si se siguen asignado valores, positivos para H y negativos para B, se alcanza el punto Hc correspondiente al campo coercitivo (en sentido contrario) que se debe asignar para que el material pierda la remanencia. Los materiales ferromagnéticos pueden clasificarse como blandos o duros en función de si pierde o no su remanencia con facilidad. Así, el material para fabricar un imán permanente debe se de tipo duro, con un campo coercitivo grande para evitar que se sea desmagnetizado con facilidad. Sin embargo, los materiales para la construcción de núcleos en máquinas rotativas o transformadores deben se de tipo blando, ya que su remanencia debe ser la menor posible. B+ M BR -HC H- m 0 HC H+ -BR Ba Figura 1.28. Ciclo de histéresis para un material magnéticamente duro. En los materiales ferromagnéticos, y por tanto también en las máquinas eléctricas, deben tenerse en cuenta las pérdidas por histéresis que se manifiestan en forma de calor, y que son mayores cuanto más grande es el área que abarca la curva del ciclo de histéresis. De esta forma, se deduce que las máquinas eléctricas que 01 Maquinas electricas.indd 18 16/07/12 11:53 Magnetismo y electromagnetismo 19 generan campos muy variables (como son las de corriente alterna), deben estar construidas con materiales blandos cuyo ciclo de histéresis sea lo más estrecho posible. B+ M BR -HC H- HC 0 H+ -BR m Ba Figura 1.29. Ciclo de histéresis para un material magnéticamente blando. 3.12. Corrientes parásitas o de Foucault En un núcleo ferromagnético que se encuentra sometido a la acción de un campo eléctrico se producen una serie de corrientes inducidas que circulan en forma de bucle o torbellino en el interior del núcleo. Estas corrientes generan campos magnéticos que se oponen al campo exterior y provocan que los electrones choquen de forma continuada contra las cargas eléctricas de material ferromagnético generando calor y, por consiguiente, las correspondientes pérdidas de energía. a Figura 1.30. Corrientes parásitas de valor elevado en un núcleo macizo. 01 Maquinas electricas.indd 19 saber más Las corrientes de Foucault deben su nombre al científico francés que las descubrió en 1851. No obstante, también se las conoce como corrientes parásitas o corrientes torbellino. a Figura 1.31. Detalle de núcleo de chapas magnéticas. 16/07/12 11:53 Unidad 1 20 saber más En las máquinas eléctricas las corrientes de Foucault son un efecto no deseado que hay que intentar minimizar para evitar una excesiva pérdida de energía por calor. Sin embargo, en algunas ocasiones, como es el caso de las cocinas vitrocerámicas de inducción, este fenómeno es aprovechado precisamente para todo lo contrario, generar el suficiente calor para ser capaz de cocinar los alimentos. Si en las máquinas eléctricas se utilizaran núcleos de hierro macizo, las corrientes parásitas serían tan elevadas que el calor producido generaría pérdidas enormes. Por este motivo, las máquinas, especialmente las de corriente alterna, se construyen con finas chapas de hierro al silicio aisladas entre sí que disminuyen de forma considerable las corrientes de Foucault. a Figura 1.32. Corrientes parásitas de pequeño valor en chapas magnéticas. 3.13. Fuerza ejercida sobre un conductor por el que circula una corriente saber más A la regla de los tres dedos de la mano izquierda también se la llama regla de Fleming en homenaje al científico que ideó su utilización. F B I Si un conductor por el que circula una corriente eléctrica es sometido a un campo magnético, este conductor tiende a salir de dicho campo en el sentido dado por la regla de la mano izquierda de los tres dedos. Dicha regla se aplica de la siguiente manera: con el dedo índice se indica el sentido del campo, con el dedo pulgar el sentido de la fuerza o movimiento ejercicio en el conductor y con el dedo medio el sentido de la corriente eléctrica. ejemplo Si al conductor de la figura se le aplica una corriente eléctrica en el sentido indicado (flecha verde) y se conoce el sentido del campo magnético (flecha violeta), se observa, utilizando la regla de la mano izquierda, que el movimiento del conductor es hacia arriba (flecha azul). a Figura 1.33. Regla de la mano izquierda. F N B I F S B I a 01 Maquinas electricas.indd 20 Figura 1.34. Ejemplo de aplicación de la regla de la mano izquierda. 16/07/12 11:53 Magnetismo y electromagnetismo 21 También se puede representar de forma esquemática y simplificada marcado sobre el papel el sentido del campo. Así, una (X) se indica que el campo es entrante y un punto (·) que es saliente. Campo entrante Campo saliente saber más La fuerza F obtenida en el conductor es el producto de tres factores: la corriente que circula por el conductor, la longitud del mismo y el valor de la inducción del campo magnético. F=I·l·B Si el conductor no corta las líneas de fuerza perpendicularmente, debe ser tenido en cuenta el ángulo de inclinación (a), por tanto, la fuerza quedaría: F = I · l · sen a a Es importante no confundir F con la fuerza magnetomotriz estudiada anteriormente. Figura 1.35. Representación del sentido del campo. ejemplo Si se desea representar de forma esquemática cómo actúa un campo magnético sobre un conductor que es recorrido por una corriente eléctrica, habrá que tener en cuenta algunos datos. En este ejemplo el campo es entrante, es decir, que apunta en dirección al papel en el que está representado, ya que se indica mediante (X). El sentido de corriente del conductor es de izquierda a derecha. Por tanto, si se aplica la regla de la mano izquierda, se comprueba que el movimiento F del conductor es hacia arriba. B F I Conductor a Figura 1.36. Representación simplificada de la aplicación de la regla de la mano izquierda. 3.14. Fuerza ejercida sobre una espira por la que circula una corriente Si en lugar del conductor rectilíneo visto anteriormente, se introduce una espira (o bobina), también llamada cuadro móvil, en el interior del campo magnético, cuando por ella circula una corriente, se produce un par de fuerzas, una en cada uno de sus lados activos, que tiende a mover la espira para sacarla del campo. 01 Maquinas electricas.indd 21 16/07/12 11:53 Unidad 1 22 caso práctico inicial Para la conexión de los devanados del rotor se utiliza un sistema de colector o de anillos, sobre el que se apoyan unas escobillas para hacer la conexión eléctrica aunque la máquina gire a gran velocidad. Así, si se aplica la regla de la mano izquierda en ambos lados activos de la espira, se comprueba que las dos fuerzas tienen sentido opuesto. De tal forma, que si a la espira se le coloca un eje central, la acción de dichas fuerzas provoca que esta gire sobre él. Para que el sentido de la corriente se mantenga al producirse esta rotación, es necesario disponer de un sistema de conmutación, llamado colector, conectado a los bornes de la espira o bobina. De esta forma, aunque se produzca el giro, la polaridad de la alimentación siempre se mantiene, y con ella el sentido de la corriente en ambos lados de la espira. Espira N Elemento de conmutación F Eje B I I F a Figura 1.37. Detalle del colector de delgas para alimentar el inducido de una máquina de corriente continua. a S Figura 1.38. Par de fuerzas de una bobina sometida a un campo magnético. El efecto aquí descrito es el principio de funcionamiento de los motores eléctricos. Observando algunas de las partes de la espira se obtiene lo siguiente: F E Espira E F m a Figura 1.39. Detalle de la espira. α a Figura 1.40. Ángulo espira – campo. 1. En los dos lados de la espira que están en línea con el campo (por el que se aplica la alimentación y por el que une las dos caras activas), se produce un par de fuerzas que son de igual magnitud y de sentido contrario, por lo que el efecto es nulo sobre el funcionamiento del conjunto. 2. El valor del par de fuerzas F puede calcularse por la expresión: F=I·m·B Donde I es la corriente que circula por el conductor, m es la longitud de uno de los lados activos de la espira y B la inducción del campo. 3. El momento de fuerzas o par se puede calcular mediante la siguiente expresión: M = I · S · B · sen a Donde M es el momento de fuerzas medido en Nm, I es la corriente en amperios, S es la superficie de la espira en m2, B el campo y a el ángulo que forma el plano perpendicular del circuito de la bobina con las líneas del campo magnético. 3.15. Fuerza electromotriz inducida en un conductor Faraday comprobó que si un conductor eléctrico se mueve en el seno de un campo magnético, en ambos extremos del conductor se acumulan cargas eléctricas de diferente signo, produciendo así una fuerza electromotriz que genera a su vez una diferencia de potencial obtenida en voltios. 01 Maquinas electricas.indd 22 16/07/12 11:53 Magnetismo y electromagnetismo 23 A esta fuerza se la denomina electromotriz inducida (E o f.e.m.) y es directamente proporcional al campo B, a la longitud de conductor l y la velocidad v a la que se desplaza. V (F) B E=B·I·v Para comprobar cómo se mueven las cargas y, por tanto, cómo queda polarizado el conductor, se utiliza la regla de la mano derecha. Así, con el dedo pulgar se indica el sentido del movimiento o velocidad del conductor, con el dedo índice el sentido del campo y con el dedo corazón el sentido de la corriente, que es lo mismo que decir, el sentido de la fuerza electromotriz. a Figura 1.41. Regla de la mano derecha. v (F) S B E (I) B N E (I) v (F) E (I) a Figura 1.42. Sentido de la fuerza electromotriz en un conductor. ejemplo De igual forma, si es el campo el que se mueve y el conductor eléctrico el que se mantiene fijo, se generará fuerza electromotriz mientras exista movimiento. Así, en el ejemplo de la figura, se muestra cómo al introducir un imán en una bobina estática por ella circula una corriente eléctrica. De igual forma, si el imán sale, se genera dicha corriente, pero en este caso de sentido contrario a la anterior. Si el imán deja de moverse, incluso en el interior de la bobina, no se produce ninguna corriente. S S Introducir imán N I I a 01 Maquinas electricas.indd 23 Sacar imán N I I Figura 1.43. Generación de f.e.m. con un campo móvil. 16/07/12 11:53 Unidad 1 24 De igual forma, si se hace girar una espira en el interior de un campo magnético fijo, cada vez que una de sus caras activas corta las líneas de fuerza, se genera en ella una fuerza electromotriz. Giro de la espira α N F I B I S F Eje sobre el que gira la espira a Figura 1.44. Espira en movimiento en un campo magnético. En este caso el valor de E es directamente proporcional al valor del campo B, a la superficie de la espira S, a la velocidad angular a la que gira ω y al seno del ángulo que forma en cada momento con las líneas magnéticas. E = B · S ·ω · sen a El sentido de la fuerza electromotriz en cada uno de los haces activos de la bobina se obtiene aplicando sobre ellos la regla de la mano derecha de la misma forma que se ha explicado para el conductor rectilíneo. Si en lugar de una espira lo que se mueve en el seno del campo magnético es una bobina, la fuerza electromotriz resultante es la suma de todas las fuerzas electromotrices parciales de cada de espiras (N) que la forman. Así, la expresión es: Ebobina = B · S ·ω · N · sen a ejemplo La figura muestra cómo una espira corta las líneas de fuerza para diferentes valores del ángulo a. En el caso A, como el ángulo es de 90º, el valor del seno será 1, por lo que el valor de la fuerza electromotriz generada E es el máximo. En el caso B, el ángulo es de 45º, por lo que el seno será menor que 1, por tanto, E es de menor valor que en el caso A. Y, por último, si el ángulo es 0º, el valor de seno será nulo, lo que significa que el valor de la fuerza electromotriz también será nulo. B B α = 90º A a 01 Maquinas electricas.indd 24 B α = 45º B α = 0º C Figura 1.45. Diferentes posiciones de una espira en el seno de un campo magnético. 16/07/12 11:53 Magnetismo y electromagnetismo 25 Cuando el conductor se mueve en el campo magnético, la acción del flujo varía sobre él. Así, se puede afirmar que siempre que hay una variación de flujo, se produce una fuerza electromotriz en el conductor. Teniendo en cuenta este efecto, se observa que no es necesario mover el conductor o el campo para obtener una corriente eléctrica. Simplemente variando el flujo y manteniendo estáticos todos los elementos que intervienen, se consiguen los mismos efectos. ejemplo En el caso del circuito de la figura, la variación del campo se realiza por medios eléctricos, como puede ser la conexión de una resistencia variable de potencia o reóstato en serie con la bobina del electroimán que lo genera. N Excitación Bobina Inducida I Bobina Inducida I Menor flujo a Excitación I I Mayor flujo Figura 1.46. Sentido de la corriente inducida en función de la variación de flujo. De este modo, si se actúa sobre el reóstato, también se modifica la corriente de la bobina de excitación. Así, el flujo aumenta o disminuye en consecuencia, induciendo una fuerza electromotriz en la bobina y, por tanto, un paso de corriente eléctrica por sus espiras, cuyo sentido está en función del aumento o disminución del flujo. 3.16. Autoinducción Cuando una bobina es recorrida por una corriente eléctrica, en cada una de sus espiras aparece un campo magnético que afecta a las espiras contiguas, generando así una corriente eléctrica inducida. Si la corriente que circula por el conductor es variable, el flujo también varía y, por tanto, se produce una fuerza electromotriz denominada autoinducida que, según la ley de Lenz, se opone a la causa que la produce. Esto significa que si la corriente es de tipo continuo, no existe variación de flujo y, por tanto, no se presentan los efectos de autoinducción. A la capacidad que tiene la bobina de generar la fuerza electromotriz inducida, se le denomina coeficiente de autoinducción, que se representa con la letra L, se mide en henrios (Hr) y se puede calcular por la expresión: L=N· Φ I Donde N es el número de espiras de la bobina, Φ es el flujo e I es la corriente eléctrica. 01 Maquinas electricas.indd 25 16/07/12 11:53 Unidad 1 26 4. Clasificación de máquinas eléctricas Las máquinas eléctricas tradicionalmente se han clasificado en dos grandes grupos: estáticas y rotativas. En las próximas unidades se darán detalles constructivos y de funcionamiento de muchas de ellas, no obstante, aquí se establece esta clasificación incluyendo los diferentes tipos que existen en la actualidad. 4.1. Máquinas estáticas Basan su funcionamiento en la inducción estática de la fuerza electromotriz. En este tipo de máquina ninguno de sus elementos realiza movimiento o desplazamiento mecánico. La máquina estática por excelencia basada en electromagnetismo es el transformador, que a su vez se puede clasificar en: TRANSFORMAdORES Según sistema de corriente Monofásicos Trifásicos Elevadores Reductores De impedancia Según el tipo de aplicación De medida De aislamiento De distribución etc. De columnas Según su construcción Autotransformador Toroidal etc. Como hemos visto, existe una gran variedad de transformadores, aunque todos se basan en los mismos principios. a 01 Maquinas electricas.indd 26 Figura 1.47. Transformadores monofásico y toroidal (Cortesía de López S.R.L. y Direct Industry). 16/07/12 11:53 Magnetismo y electromagnetismo 27 4.2. Máquinas rotativas Son aquellas que convierten la energía eléctrica en mecánica, o viceversa. A las primeras se les denomina motores y a las segundas generadores. Si bien la clasificación de este tipo de máquinas puede hacerse en base a diferentes criterios (tipo de corriente, aplicaciones, etc.), aquí se ha optado por la basada en estos dos grupos: motores y generadores. MÁqUINAS ROTATIvAS Serie Generadores CC Shunt (Dinamos) Compund Generadores a Excitación Independiente Trifásicos Alternadores (AC) Figura 1.48. Circuito magnético del estator de una máquina rotativa de corriente alterna. Monofásicos Síncronos Corriente alterna Monofásicos Asíncronos Trifásicos Serie Motores Shunt Corriente continua Compund Excitación Independiente a Figura 1.49. Circuito magnético del rotor de una máquina rotativa de corriente alterna. Universal Paso a paso (PaP) Brushless Si bien la clasificación de las máquinas eléctricas rotativas a menudo se hace en función del tipo de corriente con el que trabajan (continua y alterna), en la actualidad existen algunas de ellas que son difíciles de clasificar en este sentido, como con los denominados motores Paso a Paso (PaP) o los motores Brushless. Ambos tipos de máquinas son alimentados y controlados mediante accionamientos de tipo electrónico, los cuales se encargan de generar los pulsos y señales necesarios para excitar el circuito magnético del motor. a Figura 1.50. Motor de gran potencia. 01 Maquinas electricas.indd 27 a Figura 1.51. Motor en máquina industrial. 16/07/12 11:54 Unidad 1 28 ACTIvIdAdES FINALES 1. Realiza la actividad propuesta en la práctica profesional. 2. Di cuál es la polaridad del campo magnético generado por las siguientes bobinas teniendo en cuenta el sentido de la corriente indicado en cada una de ellas. B A a D C Figura 1.52. 3. ¿Qué fuerza magnetomotriz se generará en cualquiera de las bobinas del ejercicio anterior sabiendo que por ellas circula una corriente de 3 A y que cada espira tiene una longitud de 10 cm? Lista de materiales • Pila de 4.5 V • • • • • Listón de madera tillo .Cas J.C.M N N Imán SS 4. Utilizando los materiales de la lista que se indica a continuación, realiza lo siguiente: monta un balancín de hilo de cobre de 1,5 mm2 sobre dos cáncamos atornillados en un listón de madera como se muestra en la figura. Sitúalo bajo la influencia de un imán en forma de herradura. Alimenta el circuito utilizando dos latiguillos con pinzas de cocodrilo desde la pila y observa qué ocurre cuando se cambia la polaridad tanto de la alimentación como del campo generado por el imán. Cáncamo Balancín de hilo de 1,5 mm2 Latiguillo de conexión 20 cm de hilo rígido de 1,5 mm2 Imán de herradura Listón de madera 2 latiguillos con pinzas de cocodrilo 2 cáncamos abiertos Pila a Figura 1.53. 5. Las siguientes figuras representan un conductor rectilíneo por el que circula una corriente eléctrica que se encuentra bajo los efectos de un campo magnético. Representa sobre ellas cuál es en cada caso el sentido de la fuerza ejercida sobre el conductor. B B B I I a B I I Figura 1.54. 6. Por un conductor de 36 cm de longitud circula una corriente eléctrica de 5 A, ¿qué fuerza desarrollará el conductor si se le somete a un campo magnético de 1,12 T? 7. ¿Qué intensidad de campo magnético H presentará un núcleo toroidal de 20 cm de diámetro interior y 30 cm de diámetro exterior? 01 Maquinas electricas.indd 28 16/07/12 11:54 Magnetismo y electromagnetismo 29 8. En un ensayo con tres materiales ferromagnéticos se han obtenidos los resultados indicados en la siguiente tabla. Dibujar sobre una hoja de papel milimetrado las curvas de magnetización de los tres materiales y averiguar cuál de ellos es el que mejores condiciones de magnetización presenta. ¿Cuál es el punto de saturación para cada uno de los materiales? B (T) H (Av/m) Material 1 Material 2 Material 3 0 0 0 0 25 0,2 0,3 0,3 40 0,4 0,43 0,4 60 0,6 0,65 0,6 70 0,8 0,88 0,7 100 1 0,98 0,82 200 1,25 1,15 0,96 300 1,35 1,22 0,97 400 1,4 1,28 0,98 500 1,42 1,3 0,99 600 1,44 1,32 1 700 1,46 1,33 1,01 800 1,48 1,34 1,022 900 1,5 1,35 1,03 1000 1,52 1,36 1,044 1100 1,55 1,37 1,055 9. ¿Qué valores de permeabilidad magnética presentan los tres materiales de la actividad anterior cuando la intensidad de campo magnético H es de 25, 100, 400 y 1000 Av/m? entra en internet 10. Entra en la siguiente dirección de Internet y observa detenidamente el vídeo en el que se explican, de forma práctica, los principios fundamentales del magnetismo y electromagnetismo. Fuente: YouTube Título del vídeo: Campo magnético e inducción electromagnética-Ciencia en Acción 2007 Dirección: http://youtu.be/V9v2KBjXyc0 11. Haz lo mismo para la siguiente dirección en la que se explican los principios básicos de los transformadores. Fuente: YouTube Título del vídeo: TRANSFORMADORES DE CORRIENTE ELÉCTRICA, Fundamentos, tipos, aplicaciones Dirección: http://youtu.be/nLxfWdGCiuY 01 Maquinas electricas.indd 29 16/07/12 11:54 Unidad 1 30 PRÁCTICA PROFESIONAL HERRAMIENTAS • Tijera de electricista • Alicate de puntas planas MATERIAL • Un panel o listón de madera • 30 cm de hilo rígido de 1,5 mm2 • 1 m de hilo de bobinar de 0,5 mm • Un imán (por ejemplo, el de un pequeño altavoz) • Un par de tirafondos • Canutillo de unos 20 mm de diámetro • Pila de 4,5 V • Dos cables de prueba con pinzas de cocodrilo en ambos extremos comprobación del campo magnético generado en una bobina OBJETIVO Montar un sencillo motor eléctrico basado en una bobina sin núcleo. El montaje permitirá comprobar el principio de generación de campo magnético estudiado en la unidad. PRECAUCIONES • Utiliza las herramientas de corte siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor. • Retirar el aislante de hilo esmaltado para realizar una correcta conexión eléctrica. DESARROLLO 1. Sobre el canutillo de 20 mm de diámetro o un manguito de medidas similares de los utilizados para unir tubos rígidos de PVC en instalaciones eléctricas, crea una bobina de 15 espiras con el hilo esmaltado. 2. Saca la bobina del molde intentado que las espiras no se separen. 3. Deja unos 3 cm de hilo en cada uno de los extremos de la bobina. 4. Rodea todas las espiras con un par de tiras de cinta aislante para evitar que se desmonte el conjunto una vez que la sueltes de la mano. 5. Utilizando una tijera retira unos 2 cm del esmalte en los dos extremos de la bobina. a Figura 1.55. Creación de una bobina. 6. Pela por completo el hilo rígido de 1, 5 mm2 y corta un par de tramos de unos 6 cm. 7. Utilizando el alicate de puntas moldea el soporte sobre el que se apoyará la bobina según la forma indicada en la figura. Procura que ambos soportes tengan la misma altura. 01 Maquinas electricas.indd 30 16/07/12 11:54 Magnetismo y electromagnetismo 31 8. Utilizando los tirafondos fija sobre el tablero o listón de madera ambos soportes con una distancia que permita apoyar sobre ellos los dos extremos de la bobina. a Figura 1.56. Creación de los soportes en la base de madera. 9. Apoya la bobina sobre los soportes asegurándote de que la parte que se ha retirado del esmalte hace contacto con el hilo rígido. 10. Conecta los latiguillos con pinzas de cocodrilo a cada uno de los soportes. a Figura 1.57. Montaje del conjunto. 11.Coloca el imán próximo a la bobina y conecta los extremos de los latiguillos a la pila. Mueve ligeramente la bobina con un dedo para que comience a girar. a Figura 1.58. Colocación del imán. a Figura 1.59. Bobina girando por el efecto de repulsión del campo generado. 12.Con esta actividad podrás comprobar de forma experimental cuál es el principio básico de funcionamiento de un motor eléctrico. 01 Maquinas electricas.indd 31 16/07/12 11:54 Unidad 1 32 MUNDO TÉCNICO el tren de levitación magnética El uso de imanes y electroimanes está presente en numerosas aplicaciones domésticas e industriales. Desde un simple timbre o zumbador de llamada, hasta los precisos robots que se utilizan en los sistemas automatizados de producción. Sin embargo, existen aplicaciones que tienen cierto grado de espectacularidad por lo que representan técnica y socialmente, un ejemplo es el denominado Maglev o tren de levitación magnética. El tren de levitación magnética es un medio de transporte experimental, aunque existen modelos dando servicio al público. Su funcionamiento se basa en el uso de potentes campos magnéticos para desplazar un habitáculo a gran velocidad y sin rozamiento sobre un sistema de raíles. Utiliza, por tanto, los fenómenos magnéticos de atracción y repulsión, tanto para hacer que el tren levite o flote como para su propulsión. El sistema utiliza dos circuitos de electroimanes, basados en superconductores, controlados por un complejo sistema informático. Uno para hacer levitar el tren y que no exista rozamiento con las guías o raíles, y otro para propulsar el tren en uno u otro sentido. c Figura 1.60. Tren de levitación magnética (Cortesía de Wikipedia). Si bien el sistema dispone de numerosas ventajas, como su alta velocidad de desplazamiento (500 Km/h), no está exento de inconvenientes que impiden un desarrollo comercial más rápido: • La generación de los potentes campos magnéticos consume elevadas cantidades de energía. • Elevado coste de la infraestructura de guiado. • De momento solamente se puede utilizar en trenes de pasajeros pequeños, ya que está muy limitada la carga que puede desplazar. c Figura 01 Maquinas electricas.indd 32 1.61. Maglev. 16/07/12 11:54 Magnetismo y electromagnetismo 33 EN RESUMEN MAGNETISMO Campo magnético Electromagnetismo Inducción magnética Flujo magnético Campo magnético en un conductor Intensidad de campo magnético Campo en una espira Reluctancia Campo en una bobina Permeabilidad Fuerza electromotriz inducida Circuito magnético Curva de magnetización Curva de histéresis Máquinas eléctricas EvALÚA TUS CONOCIMIENTOS 1. El neodimio es un imán de los denominados: 2. La inducción magnética se mide en: a. Teslas. b. Henrios. c. Maxvelios. 3. Para medir la inducción magnética se utiliza el: Resuelve en tu cuaderno o bloc de notas 6. Comparándola con un circuito eléctrico, la reluctancia en un circuito magnético equivale a: a. la tensión eléctrica. b. la resistencia eléctrica. c. la corriente eléctrica. 7. El campo coercitivo es: 4. La fuerza magnetomotriz se mide en voltios. a. Sí. b. No. 5. Las corrientes de Foucault también se denominan: 01 Maquinas electricas.indd 33 a. la remanencia del material. b. el ciclo de histéresis. c. el campo necesario para quitar la imanación de un material. 16/07/12 11:54 2 Materiales y herramientas del bobinador vamos a conocer... 1. Materiales 2. Herramientas y utillaje del bobinador 3. Instrumentos de medida y comprobación PRÁCTICA PROFESIONAL 1 Fabricación de una bobina con moldes preformados PRÁCTICA PROFESIONAL 2 Fabricación de una bobina con molde de madera MUNDO TÉCNICO Fabricación automatizada de máquinas eléctricas rotativas y al finalizar esta unidad... Conocerás cuáles son los conductores y aislantes utilizados en el bobinado de máquinas eléctricas. Identificarás los diferentes tipos de herramientas y útiles usados en el taller de reparación de máquinas eléctricas. Conocerás cuál es la instrumentación requerida en el taller de mantenimiento y reparación. Construirás dos bobinas utilizando dos procedimientos diferentes. 02 Maquinas electricas.indd 34 16/07/12 14:18 35 CASO PRÁCTICO INICIAL situación de partida Fermín y Abel, de la empresa MantenExpress, ya han comenzado a formarse para la nueva tarea que su jefe les ha encomendado, es decir, para todo lo relativo al mantenimiento y reparación de máquinas eléctricas. Lo primero que deben hacer es reservar un espacio en su actual taller para realizar este tipo de trabajos. En las últimas semanas han revisado catálogos y webs de fabricantes para definir cuáles son los materiales, herramientas e instrumentación de los que deben disponer en su taller máquinas eléctricas. Dentro de los materiales han observado que dos de ellos son esenciales, por un lado los conductores eléctricos que constituyen los devanados, y por otro los materiales dieléctricos que los aíslan. Dentro de la dotación de herramientas han comprobado que deben adquirir un buen número de ellas y con diferentes funciones. Entre estas herramientas se encuentran, desde las destinadas a la construcción de devanados hasta las que permiten ejecutar su acabado adecuadamente, pasando por las de limpieza y preparación del núcleo magnético. Además, como en otras técnicas eléctricas, requieren una instrumentación que permita y facilite la comprobación y localización de averías, tanto en la puesta en marcha de las máquinas reparadas como en tareas de mantenimiento en planta. estudio del caso Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después analiza cada punto del tema con el objetivo de contestar el resto de preguntas de este caso práctico. 1. ¿Qué característica presenta el conductor utilizado para rebobinar máquinas eléctricas? 2. ¿Es indiferente el espesor del dieléctrico en los hilos esmaltados? 7. El principal mercado de trabajo de MantenExpres será el de las máquinas eléctricas rotativas, ¿cuál es el tipo de bobinadora que mejor se adapta a su rebobinado? 8. ¿Todas las bobinas se fabrican con un solo conductor? 3. ¿Se comercializan estos conductores en función de su sección, como ocurre con otros cables eléctricos? 9. ¿Existe alguna herramienta específica para pelar el hilo esmaltado? 4. ¿Qué hay que tener en cuenta en el momento de elegir un material aislante? 10. ¿Es sencilla la extracción de los devanados de una máquina rotativa cuyas bobinas se han quemado? 5. ¿Qué se utiliza (regletas, cinta aislante, etc.) para aislar las conexiones eléctricas en el interior de una máquina eléctrica? 11. ¿Existe algún instrumento para comprobar el estado de los devanados de una máquina rotativa? 6. Fermín y Abel ha leído en algún lugar que una vez rebobinada una máquina eléctrica es necesario barnizarla, ¿cuál es el objetivo de dicha operación? 02 Maquinas electricas.indd 35 16/07/12 14:18 Unidad 2 36 1. Materiales Antes de comenzar a estudiar el funcionamiento de los diferentes tipos de máquinas eléctricas que se han nombrado en la unidad anterior, debes conocer los materiales que necesita y utiliza un técnico bobinador. Si bien en las próximas unidades se estudiará con detalle cómo realizar operaciones de reparación y bobinado en el contexto de cada máquina, aquí conocerás de forma genérica cuáles son los materiales que forman sus circuitos magnéticos y eléctricos, y cómo se trabaja con ellos. 1.1. Hilo esmaltado caso práctico inicial La principal característica de un conductor destinado a formar parte de un núcleo magnético en una máquina eléctrica, es que su dieléctrico es un esmalte que se encuentra aplicado en toda su longitud. El hilo esmaltado es el conductor eléctrico por excelencia utilizado para la fabricación de los circuitos electromagnéticos en todo tipo de máquinas eléctricas. A pesar de que, aparentemente, parece estar desnudo, el hilo esmaltado se encuentra aislado en toda su longitud por una fina capa de barniz. Por tanto, como cualquier otro tipo de conductor aislado, para poder realizar su conexión será necesario retirar dicho aislamiento. a Figura 2.1. Hilo con parte del esmalte retirado. Pueden ser de cobre o de aluminio. Si bien el cobre es el más utilizado, en aquellos circuitos cuya ligereza es importante se fabrican con aluminio. No obstante, este material presenta algunas desventajas con respecto al cobre: es difícil de soldar sin herramientas especiales y es mucho menos resistente a las torsiones, lo que puede facilitar su rotura o deformación al manipularse. Al igual que otros materiales y dispositivos utilizados en electrotecnia, los conductores esmaltados están estandarizados, siendo estas las principales normas que describen su fabricación: • IIEC 60317. Norma de la Comisión Electrotécnica Internacional. De uso en Europa y Asia (excepto Japón). a Figura 2.2. Detalle de un bobina- do con hilos esmaltados en el rotor de una máquina rotativa. • NEMA MW 1000. Norma de la asociación estadounidense National Electrical Manufacturers Association. De aplicación en Norteamérica y en algunos países sudamericanos. • JIS C 3202. Norma de la Japanese Standards Association. De aplicación exclusiva en Japón. El hilo esmaltado utilizado en máquinas eléctricas no siempre es de tipo circular, son numerosas las firmas comerciales que los fabrican con otras formas, por ejemplo, con secciones cuadradas o rectangulares. Estas geometrías permiten aprovechar mejor los espacios en los carretes (en el caso de los transformadores) o los espacios en las ranuras (en el caso de las máquinas rotativas). En el argot internacional al hilo de cobre esmaltado se le denomina como magnet wire (alambre de magneto), aunque comúnmente se le conoce como hilo de bobinar. 02 Maquinas electricas.indd 36 16/07/12 14:18 Materiales y herramientas del bobinador 37 Las principales características que se deben conocer sobre este tipo de conductor son las siguientes: • Diámetro. Los hilos esmaltados se distribuyen por su diámetro y no por su sección en mm2 como ocurre con los conductores de línea utilizados en instalaciones convencionales (industriales y domésticas). • Tipo y espesor del esmalte. Suelen fabricarse con barnices de poliéster, poliuretano o poliésterimida. Su espesor está definido en función de la tensión de ruptura, estableciéndose así una clasificación en tres grados (grado 1, grado 2 y grado 3). Cuanto mayor es el grado, mayor es su grosor y, por tanto, también la tensión de aislamiento. Grado 1 Grado 2 Grado 3 caso práctico inicial El hilo esmaltado se comercializa por su diámetro y no por su sección como ocurre con otros conductores eléctricos. Por otro lado, para el rebobinado de máquinas eléctricas es necesario conocer también el espesor del aislante, ya que de otra forma podría haber problemas para alojarlo en un determinado carrete o ranura de un núcleo magnético. Diámetro global Diámetro del cobre a Figura 2.3. Grados del hilo de bobinar. Un fabricante suele dar el diámetro del conductor desnudo y un valor máximo y mínimo para cada uno de los grados del aislante. saber más DIÁMETRO (mm) Diámetro cobre desnudo 0,15 Diámetro global Grado 1 0,162 0,171 Grado 2 0,172 0,182 Grado 3 0,183 0,193 Los devanados de las máquinas rotativas de gran potencia y tamaño que trabajan en circuitos de MT (Media Tensión), están construidos con bobinas de pletinas de cobre en lugar de utilizar hilo esmaltado. • Valor térmico. Es el índice máximo de temperatura para que el aislante trabaje 20.000 horas. Por tanto, si se trabaja con un valor menor al indicado por el fabricante, la vida del conductor aumenta en relación directa a este dato. Algunos valores térmicos son: 90, 105, 130, 155, 180, 220 y 250 °C. • Soldabilidad. Es la capacidad que tiene el conductor de unirse a otros conductores o materiales mediante soldadura. Se suele expresar con el tiempo (en segundos) y los grados debe alcanzar el instrumento de soldadura en dicho tiempo. Algunos ejemplos de este dato son: 2.0 s / 390 °C, 0.3 s / 370 °C, 0.2 s / 390 °C, etc. • Peso. A diferencia de los conductores de línea, que se suelen adquirir por metros, el hilo esmaltado se compra al peso. Por este motivo los fabricantes suelen dar como dato la longitud aproximada para un 1 kg. • Resistencia eléctrica nominal. Es la oposición que el conductor presenta ante el paso de la corriente eléctrica. Este se da para una temperatura determinada (por ejemplo: 20 °C) en Ω/m. saber más El peso de los carretes también se encuentra normalizado, facilitando así su comercialización al peso. • Tensión de perforación del aislamiento. Es el valor en voltios por el cual se deteriora, por perforación, el esmalte del conductor. 02 Maquinas electricas.indd 37 16/07/12 14:18 Unidad 2 38 1.2. Carretes para el hilo esmaltado vocabulario Español-Inglés Resinas y barnices: resins & varnishes Los carretes no solo sirven para empaquetar los hilos esmaltados y facilitar así su distribución, sino que al estar normalizados en tamaños y formas, permiten un mejor almacenaje y montaje en bobinadoras y devanadoras de cualquier marca. Aislante: insulating Hilos esmaltados: winding wires Bobina: coil Bobinado: wind Diámetro global: overall diameter Cobre: copper a Figura 2.4. Carretes de hilo esmaltado. Se fabrican en diferentes tamaños y formas según se muestra en la figura: Cilíndrico d2 Bicónico Angular L1 L2 d1 a Figura 2.5. Diferentes tipos de carretes. El hilo de pequeño diámetro se distribuye en carretes pequeños, reservándose los de mayor tamaño para diámetros superiores. 1.3. Materiales aislantes caso práctico inicial Al elegir un material aislante hay que tener en cuenta, principalmente, el tipo de material del que está compuesto, su espesor, su rigidez dieléctrica y su comportamiento ante las variaciones térmicas. Los materiales aislantes utilizados en el mantenimiento y reparación de máquinas eléctricas tienen como objetivo aislar los bobinados entre sí y estos con cualquier parte del chasis de la máquina. Pueden se de dos tipos: sólidos y líquidos. Dentro del primer grupo a su vez pueden ser rígidos o flexibles. Al igual que otros materiales, los aislantes poseen una serie de características técnicas que debe facilitar el fabricante. Las de mayor interés son: • Espesor. Viene dado en milímetros (mm). Los materiales de tipo lámina flexible suelen ser desde 0,1 hasta 3,0 mm. Los de tipo rígido pueden llegar a tener varios centímetros de grosor. • Rigidez dieléctrica. Expresada en Kv/mm (Kilovoltios/milímetro), permite conocer el límite de tensión donde el material pierde sus propiedades aislantes. 02 Maquinas electricas.indd 38 16/07/12 14:18 Materiales y herramientas del bobinador 39 • Clase térmica. Es la temperatura máxima a la que puede ser sometido el material sin que pierda sus propiedades aislantes. Está normalizada y se identifica con el número máximo de grados. Hasta no hace mucho tiempo se denominaba utilizando una letra, por lo que en la siguiente tabla se muestra su equivalente en la nomenclatura actual, ya que muchos fabricantes siguen utilizando la antigua. Letra identificadora (antigua) Clase térmica (°C) (actual) Y 90 A 105 Algodón y papel impregnados en líquidos aislantes, poliuretano, acetato polivinílico E 120 Esmaltes de resinas de poliuretano B 130 Epoxy, poliuretano, materiales a base de poliéster F 155 Materiales a base de mica, amianto y fibra de vidrio H 180 Mica, vidrio, cerámica y cuarzo sin aglutinante N 200 Poliéster-imida R 220 Amida-imida — 240 Materiales Algodón y papel no impregnados en líquidos aislantes La clase térmica es aplicable a cualquier tipo de material utilizado como aislante en instalaciones eléctricas domésticas e industriales, no obstante los pertenecientes a las clases B, F y H son los más utilizados en máquinas eléctricas. Aislantes flexibles Se presentan en forma de láminas de papel o cartón flexible, y se utilizan para aislar los diferentes devanados de una máquina eléctrica entre sí, con el núcleo magnético o con cualquier parte metálica que se encuentre próxima a ellos. Pueden ser diferentes de tipos y grosores. Las principales características de los laminados flexibles deben ser: • alta resistencia a la abrasión y a la rotura, • buena resistencia térmica, • alto poder dieléctrico, • bajo índice de absorción de agua y humedad. Uno de los aislantes flexibles más conocidos y utilizados desde hace muchos años es el denominado papel o cartón Presspan (presspahn), que suele presentarse combinado con otros materiales como, por ejemplo, con una película de poliéster. a 02 Maquinas electricas.indd 39 a Figura 2.6. Diferentes tipos de laminados flexibles (Cortesía de Importaciones JL). Figura 2.7. Cartón Presspan con film de poliéster. 16/07/12 14:18 Unidad 2 40 vocabulario Español-Inglés Aislamiento: insulation Aislante de ranura: insulation slot Aislamiento flexible: flexible Insulation saber más Las cuñas se comercializan en diferentes anchos, y vienen presentadas en tiras de varios metros para que el operario las corte según sus necesidades. No obstante, existen otros materiales que tienen mejores prestaciones mecánicas y eléctricas que pueden complementar o sustituir al Presspan en muchas de las aplicaciones en las que se ha estado utilizando tradicionalmente. Estos son algunos de ellos: Papel Crepe, Fibra vulcanizada, voltaflex, Kapton y Nomex. Cuñas y aislantes de ranura Las cuñas y aislantes de ranura, también llamados cajetines, son materiales flexibles preformados para que puedan ser utilizados de forma rápida en operaciones de rebobinado de máquinas rotativas. Disponen de unas propiedades específicas para que no puedan deformarse con facilidad. Las cuñas se utilizan para tapar la ranura y así evitar que la bobina se salga. Los aislantes de ranura se utilizan para aislar el núcleo metálico del devanado de la máquina. a Figura 2.9. Cuñas aislantes para ranuras de máquinas rotativas. a Figura 2.10. Aislantes de ranuras. Aislantes rígidos a Figura 2.8. Tipos de cuña. Son materiales que se utilizan en la fabricación de determinados elementos de las máquinas (cajas de bornes, construcción de carretes para devanados, separadores de bobinas, etc.). Sin embargo, desde el punto de vista del mantenimiento y de la reparación no tienen tanto interés como los de tipo flexible, ya que su uso es mucho más ocasional. Se distribuyen en placas de diferentes grosores y pueden ser de baquelita, fibra de vidrio, mica, etc. Tubos flexibles de fibra de vidrio caso práctico inicial Para aislar conexiones (empalmes) entre los diferentes devanados de una máquina eléctrica se utilizan tubos flexibles de fibra de vidrio. En ningún caso se debe utilizar cinta aislante para este cometido. Conocidos también como macarrones, son fundas aislantes muy flexibles que se utilizan para guiar los hilos en el interior de las máquinas eléctricas y cubrir y aislar las conexiones entre ellos. Están formados por trenzas de fibra de vidrio barnizadas con resina de silicona. Se distribuyen en diferentes diámetros, grosores, colores, propiedades dieléctricas y clase térmica. En ningún caso las conexiones eléctricas de una máquina se deben cubrir utilizando técnicas caseras, por ejemplo, usando cintas aislantes o regletas. Su uso puede ser contraproducente, debido a que se pueden fundir con facilidad debido a los efectos del calor generado por los devanados. 02 Maquinas electricas.indd 40 16/07/12 14:18 Materiales y herramientas del bobinador 41 Algunas variantes se muestran a continuación: a Figura 2.11. Tubos flexibles. a Figura 2.12. Tubo con varios hilos esmaltados en su interior. Resinas y barnices La aplicación de resinas y barnices a los devanados de las máquinas eléctricas tiene los siguientes objetivos: 1. Penetrar por todas las capas del devanado aportado un aislamiento extra a todo el conjunto, aislando conductores entre sí, y estos a su vez con el núcleo magnético y con cualquier parte metálica del chasis de la máquina. 2. Aumentar la rigidez mecánica del conjunto, evitando así que cualquier elemento del circuito eléctrico (espira, cable, unión, etc.) pueda moverse o desplazarse por las vibraciones generadas en el funcionamiento normal de la máquina. caso práctico inicial El barnizado tiene como principal objetivo aumentar la rigidez mecánica del conjunto, para así evitar que cualquier elemento pueda moverse o desconectarse, perjudicando el funcionamiento normal de la máquina. saber más La resina es un polímero orgánico, mientras que el barniz es resina que se puede disolver. a Figura 2.13. Detalle de la aplicación de barnices y resinas al inducido de una máquina rotativa. Algunas de las características que debe dar el fabricante sobre barnices y resinas son: color (incoloro, dorado, amarillo, naranja, etc.), densidad, viscosidad, clasificación térmica, tipo y tiempo de secado, perforación dieléctrica, tipo de diluyente con el que se debe emplear, etc. La impregnación de los devanados puede hacerse de diferentes formas: • Por inmersión en cuba de impregnación. Consiste en sumergir por completo el circuito magnético de la máquina en una cuba en la que se encuentra el aislante líquido. 02 Maquinas electricas.indd 41 a Figura 2.14. Impregnación de estatores por inmersión (Cortesía de Royal Diamond). 16/07/12 14:18 Unidad 2 42 • Por goteo. Consiste en verter el barniz directamente sobre los devanados. Esto puede hacerse de forma manual o estar automatizado en grandes producciones. a Figura 2.15. Impregnación de inducidos por goteo. • Por autoclave. Se utiliza un recipiente de paredes muy gruesas, como una olla a presión de grandes dimensiones con cierre hermético en el que se realizan reacciones industriales por vapor de agua. • Por impregnación al vacío y presión (VPI). Es un proceso de impregnación que está orientado a la fabricación en serie de máquinas eléctricas. No es habitual su uso en pequeños talleres. • Por pulverizado a presión. A través de una pistola de aire a presión que pulveriza el barniz sobre la zona aplicar. Para pequeñas reparaciones también existen tarros, en formato de aerosol, de reducido tamaño. • Por aplicación manual. Mediante brochas o pinceles. a Figura 2.16. Barniz de impregnación de rápido secado al aire (Cortesía de Royal Diamond). Una vez que los devanados de la máquina han sido impregnados, se debe esperar a que se seque el barniz o resina. Así, el secado puede realizarse por dos métodos: secado natural o secado al horno (o estufa). En cualquier caso, con los dos métodos se obtienen resultados similares, por tanto, dependiendo del barniz o resina a utilizar para la impregnación se deberá utilizar un método u otro. Cintas Otra forma de aislar una bobina o una parte de un devanado consiste en enrollar sobre él cinta de algodón de uno o varios centímetros de ancho. De esta forma, además de aportar mayor aislamiento al devanado (que aumentará de forma considerable una vez que haya sido impregnada de barniz), permite mantenerlo como un bloque compacto, evitando que cualquier hilo se separe del conjunto. A la operación de aplicar la cinta sobre el devanado se la conoce como zunchado. Por este motivo, la cita destinada a este fin se denomina cinta de zunchar. a 02 Maquinas electricas.indd 42 Figura 2.17. Cinta de algodón para zunchar. 16/07/12 14:19 Materiales y herramientas del bobinador 43 El principal problema que tienen las cintas textiles es su elevado deterioro térmico con el tiempo. Por este motivo, en los últimos años han ido apareciendo nuevos materiales, que si bien no sustituyen por completo a los tradicionales, aportan nuevas características térmicas, mecánicas y dieléctricas que deben ser tenidas muy en cuenta. Una muestra de ello es la cinta de poliéster/vidrio, también conocido como vidrio hilado textil. Cuerdas El encordado de los devanados de una máquina eléctrica es una operación que se realiza una vez introducidas todas las bobinas y efectuadas todas las conexiones eléctricas. Consiste en coser las partes del devanado que quedan al aire para lograr bloques compactos y que no se muevan por la acción de las vibraciones en el funcionamiento normal de la máquina. Para el cosido de los devanados de las máquinas eléctricas se utilizan: bramantes, cordeles, cuerdas pequeñas, cintas de algodón estrechas o cordajes de fibras vegetales impregnados o no con silicona o poliéster. a Figura 2.18. Ejemplo de encintado de las bobinas polares de una máquina de CC. saber más En las próximas unidades se tendrá la oportunidad de realizar el encordado del devanado de un estator. saber más a Para atar el devanado de una máquina rotativa se deben utilizar agujas específicas para este cometido. No obstante, el operario también pude diseñarse su propio sistema de cosido mediante alambres o retales de hilo de bobinar. Figura 2.19. Cordajes. El encordado no tiene en ningún caso una función de aislamiento entre partes de una máquina. Sin embargo, se realiza con materiales aislantes para evitar que su aplicación interfiera sobre los campos magnéticos generados en ella. c Figura 2.20. Detalle del cosido del devanado del estator de una máquina CA. Aunque el uso de este tipo de materiales es la forma habitual de proceder para realizar en el atado de los devanados de las máquinas rotativas, también es posible recurrir a materiales modernos, como las bridas corredizas, y utilizarlas junto a ellos. 02 Maquinas electricas.indd 43 a Figura 2.21. Agujas para atar un devanado. 16/07/12 14:19 Unidad 2 44 2. Herramientas y utillaje del bobinador importante En esta unidad se nombrarán partes de máquinas eléctricas que aún no conoces. No te preocupes por ello, lo importante es que conozcas cuáles son los materiales, herramientas e instrumentos que necesita un técnico para realizar labores para su reparación y rebobinado. El técnico bobinador utiliza herramientas y útiles pertenecientes a diferentes ámbitos técnicos, tanto mecánicos como eléctricos. Algunos de ellos son tan comunes y familiares que no es necesario nombrarlos aquí. Sin embargo, sí se describirán aquellos que son imprescindibles para ejecutar tareas propias de esta especialización. Las herramientas que se enumeran a continuación son las utilizadas en los talleres de reparación y mantenimiento, no entrando en detalle en el ámbito de la maquinaria automatizada para la fabricación en serie, ya que se sale de los objetivos de este libro. 2.1. Bobinadoras vocabulario Español-Inglés Bobinadora: winding machine Contador: counter Contrapunto: tailstock Son las herramientas destinadas a fabricar las bobinas de los devanados en los diferentes tipos de máquinas eléctricas. Si no se dispusiera de una bobinadora, habría que fabricarla, ya que aunque la construcción manual de devanados es posible, sería una tarea altamente tediosa y poco rentable. Velocidad de desplazamiento: traverse speed Según su sistema motriz las bobinadoras pueden ser manuales o eléctricas. Plato de embridar: bridling dish Bobinadoras manuales Tendido de cables: wire run off Aislante de ranura: slot insulation Son bobinadoras multifunción en las que el operario debe mover manualmente, mediante una manivela, un sistema motriz basado en un juego de engranajes. Este tipo de bobinadoras es muy utilizado en pequeños talleres de reparación, y se puede utilizar tanto en la construcción de transformadores como en la de devanados de máquinas rotativas. a Figura 2.22. Bobinadora manual. Independientemente del modelo, todas disponen de un contador de vueltas con un botón de puesta a cero que permite, de una forma muy sencilla, controlar el número de espiras que se han formado en la bobina en la que se está trabajando. Existen diferentes tipos, pero las más comunes son las de contrapunto y las de bobinado de eje al aire. a Figura 2.23. Bobina manual (Cortesía de DUDEK). 02 Maquinas electricas.indd 44 Todas las bobinadoras disponen de un trinquete, que se acciona manualmente para detener temporalmente la operación del bobinado. 16/07/12 14:19 Materiales y herramientas del bobinador 45 • Bobinadora de contrapunto. En este tipo la zona de trabajo se cierra con un elemento móvil denominado contrapunto, que, mediante una punta cónica, bloquea el eje principal una vez se ha ubicado el carrete o molde sobre el que se va a bobinar. Se utilizan para trabajos de precisión, como el devanado de pequeños transformadores que no requieran bobinas excesivamente grandes. saber más El trinquete de las bobinadoras permite bloquear su uso, de modo que se puede detener temporalmente la operación de bobinado sin que se suelte ninguna de las espiras del devanado. En la siguiente imagen se muestran las partes de una bobinadora de este tipo. Ajuste del contrapunto Eje roscado Contrapunto Contador de vueltas con botón de puesta a cero 00000 Manivela Cuerpo de la bobinadora Soporte del contrapunto Fijaciones Base móvil del contrapunto Base para unir bobinadora y contrapunto Mesa a Figura 2.24. Partes de una bobinadora manual de contrapunto. • Bobinadora de eje al aire. Este tipo no requiere que el eje se apoye sobre ningún elemento de contrapunto. Se utiliza para la construcción de bobinas de gran tamaño que no necesiten demasiada precisión. Este tipo de bobinadora ha de instalarse en la esquina de la mesa de trabajo para impedir que los accesorios y moldes que se monten sobre el eje colisionen con ella. caso práctico inicial Las bobinadoras manuales de eje al aire son más adecuadas para el bobinado de máquinas rotativas, ya que aceptan moldes para realizar bobinas de gran tamaño. Contador de vueltas con botón de puesta a cero Eje roscado 00000 Trinquete Manivela saber más Fijaciones Algunos fabricantes diseñan sus bobinadoras de tal forma que el sistema principal se pueda utilizar tanto como bobinadora de eje al aire como de contrapunto. Mesa a Figura 2.25. Partes de una bobinadora de eje al aire. Bobinadoras eléctricas Son utilizadas para realizar los devanados con mayor rapidez y precisión. En ellas el sistema motriz está constituido por un motor eléctrico, que puede ser regulado en velocidad para adaptarlo a diferentes tipos de hilos y moldes sobre los que bobinar. 02 Maquinas electricas.indd 45 16/07/12 14:19 Unidad 2 46 Las bobinadoras eléctricas disponen de un contador de vueltas electrónico, además de numerosas posibilidades de ajuste como, por ejemplo, el paso del hilo para la construcción precisa de devanados en carrete. Las más avanzadas están informatizadas, siendo capaces de memorizar programas y ajustes para la ejecución rápida de tareas predefinidas. a Figura 2.26. Bobinadora eléctrica. Dependiendo del tamaño del devanado a construir, las bobinadoras eléctricas pueden ser de suelo o de sobremesa. Accesorios para ejes de bobinadora Son elementos que se fijan en el eje de la bobinadora para el ajuste y adaptación de los diferentes moldes y/o carretes sobre los que se va a trabajar. Estos pueden ser principalmente de dos tipos: • Conos. Son elementos de relleno que facilitan la adaptación del elemento a devanar en el eje de la bobinadora. Su punta cónica permite utilizar pequeños moldes, como pueden ser los de los trasformadores, sin necesidad de realizar un núcleo de fijación al eje. • Discos o platos de embridar. Disponen de un orificio roscado y permiten fijar el molde o carrete al eje, evitando así que este se mueva en las tareas de bobinado. Su uso evita errores en el cómputo de las vueltas. a 02 Maquinas electricas.indd 46 Figura 2.27. Conos. a Figura 2.28. Discos de embridar. 16/07/12 14:19 Materiales y herramientas del bobinador 47 2.2. Devanadores Son útiles que permiten suministrar el hilo (o hilos) al puesto de bobinado, manteniendo en todo momento la tensión adecuada. Los devanadores pueden ser de sobremesa o de pie. A su vez, pueden ser de carrete fijo o rotativo. En cualquier caso, todos disponen de un sistema tensor basado en un mecanismo de poleas y retenedores que guía el hilo y lo mantiene con la tensión requerida. Ajuste del tensor Tensor Ojal para el guiado del hilo Regulación cuba protectora Sistema de fijación del eje del carrete Base para el carrete Base J.C.M.Castillo a Regulador de altura del carrete Carrete rotativo Cuba protectora J.C.M.Castillo Figura 2.29. Devanadores de carrete fijo y de carrete rotativo. El uso de los devanadores evita que el esmalte de los hilos se dañe en el momento de la construcción de la bobina. Además, como los hilos se mantienen con la tensión adecuada, es posible echar el trinquete de la bobinadora, deteniendo el trabajo temporalmente. De esta forma, no será necesario realizar operaciones adicionales, tales como el atado del hilo al carrete o la anotación de las vueltas completadas. Los devanados de las máquinas de gran potencia (y tamaño), en lugar de colocar hilos de gran diámetro, se construyen a menudo mediante varios hilos bobinados en paralelo. En estas ocasiones el sistema de devanado debe ser múltiple, como puede ser el de tipo estantería. En este caso se instalan tantos carretes como hilos necesita el devanado, suministrándose todos a la vez mediante un sistema de salida de hilos. caso práctico inicial Es habitual que en las máquinas de gran tamaño y potencia se utilicen varios hilos esmaltados en paralelo en lugar de uno de diámetro superior. Salida múltiple de hilos a Figura 2.30. Sistema de devanado múltiple. 02 Maquinas electricas.indd 47 16/07/12 14:19 Unidad 2 48 ejemplo En la siguiente imagen se muestra cómo debe pasarse el hilo por el sistema de poleas y retenedores del tensor de un devanador para suministrar de forma correcta el hilo en una operación de bobinado. Ajuste rueda de freno Hilo al devanado en construcción Hilo del carrete a a Figura 2.31. Devanador con tensor (Cortesía de DUDEK). Figura 2.32. Guiado del hilo en el sistema de poleas del tensor. La rueda de freno está formada por dos discos forrados internamente de fieltro. La separación entre ellos es ajustable mediante un mando manual. Así, en función de cómo se regule este elemento, el hilo sale con más o menos suavidad del sistema devanador. 2.3. Moldes de bobinas Los moldes de bobinas son elementos preformados que permiten crear las bobinas, o grupos de bobinas, de los devanados de una forma sencilla. De este modo no es necesario recurrir a otras técnicas más caseras, como pueda ser la construcción de moldes mediante bloques de madera. Existen moldes para crear grupos de bobinas excéntricas o concéntricas. Estos se atornillan o ajustan sobre unas regletas lineales graduadas que se instalan a su vez sobre el eje de la bobinadora. a a Figura 2.33. Diferentes tipos de moldes para la construcción de bobinas. 02 Maquinas electricas.indd 48 Figura 2.34. Moldes instalados en una bobinadora. Algunos técnicos bobinadores utilizan moldes de madera autoconstruidos, ya que la bobina podría diseñarse con un tamaño y forma más precisos que los conseguidos con otro tipo de moldes. 16/07/12 14:19 Materiales y herramientas del bobinador 49 2.4. Máquina eléctrica de pelado de hilo esmaltado Las conexiones eléctricas entre conductores, y entre estos y los bornes de las máquinas, deben hacerse retirando previamente el esmalte protector. Si bien esta operación puede hacerse mediante raspado del mismo utilizando una lija u otro elemento cortante, lo ideal es utilizar una herramienta rápida y precisa diseñada específicamente para tal fin, como puede ser la peladora El mecanismo se basa en el cierre de tres cuchillas sobre el hilo. Cuando esto se produce, por accionamiento del motor eléctrico, las cuchillas chocan contra el esmalte y lo erosionan, retirándolo así del conductor y evitando que el cobre sea dañado. Estás herramientas disponen de una fuente de alimentación externa que permite regular la velocidad de las cuchillas. Esto es especialmente útil para ajustar el pelado en función del diámetro del conductor y del grosor de su aislante. saber más Los fabricantes de peladoras de hilo esmaltado suministran diferentes tipos de cabezales de cuchillas para su adaptación a todo tipo de cables y situaciones que se puedan presentar en el taller del bobinador. caso práctico inicial La máquina eléctrica de pelado es el útil más adecuado para retirar el aislante de los hilos esmaltados. ejemplo El siguiente ejemplo muestra cómo se debe proceder para pelar el extremo de un hilo esmaltado. 1. Se estira la punta de hilo esmaltado a la que se va a retirar el esmalte y se ubica el conductor en el centro de las tres cuchillas del cabezal de la peladora. a Figura 2.35. Antes del pelado. 2. Se regula la velocidad del alimentador de la herramienta, teniendo en cuenta que esto se puede realizar, según las necesidades, en cualquier momento de la operación. 3. Se sujeta la herramienta con una mano, el conductor con otra y se acciona el pulsador de puesta en marcha, observando cómo se retira el esmalte de la forma deseada. a a Figura 2.36. Después del pelado. 02 Maquinas electricas.indd 49 Figura 2.37. Máquina eléctrica de pelar hilo esmaltado junto con su alimentador-regulador de velocidad. 16/07/12 14:20 Unidad 2 50 2.5. Bases y soportes auxiliares saber más En los talleres de reparación de máquinas eléctricas es aconsejable disponer de un sistema hidráulico de elevación que permita desplazar aquellos elementos que son de gran tamaño y peso. Al rebobinar o reparar una máquina eléctrica, es necesario moverla continuamente para realizar las diferentes operaciones cómodamente en la posición más adecuada. Si la máquina es pequeña, el operario la puede manejar con soltura; sin embargo, a medida que el tamaño de la máquina aumenta, también lo hace su peso, por lo que su manipulación puede ser una tarea tediosa e incluso peligrosa. Para facilitar los trabajos de este tipo, existen diferentes soportes y bases que permiten un movimiento cómodo y ergonómico de las piezas de la máquina. Los que se nombran a continuación son algunos de los útiles que existen en el mercado al respecto. • Platos giratorios. Son dos discos concéntricos en los que uno de ellos es fijo y el otro gira sobre el primero mediante un rodamiento. Sobre ellos se apoyan las máquinas con las que se va a trabajar, permitiendo realizar tanto operaciones de rebobinado como de soldado o cosido de devanados. Los platos giratorios pueden se reutilizados tanto para trasformadores como para máquinas rotativas. vocabulario Máquina eléctrica Español-Inglés Plato giratorio Plato giratorio: turntable Fijación: clamping Anillos sostenedores de estatores: stator holding rings Mesa a saber más Si el estator es pesado y de grandes dimensiones, es necesario recurrir a sistemas más robustos que permitan el giro mediante un sistema de accionamiento eléctrico o hidráulico. a Figura 2.39. Anillo soporte de estatores (Cortesía de DUDEK). 02 Maquinas electricas.indd 50 Figura 2.38. Montaje sobre plato giratorio. • Anillos sostenedores de estatores. Es un mecanismo formado por diferentes anillos concéntricos en los que se puede fijar un estator mediante un sistema de retención basado en tuercas rápidas. Así podremos girar el estator 360° a la vez que pivota sobre su propio eje. Este mecanismo instalado en el puesto de trabajo facilita el acceso a las ranuras y a cualquier parte del estator sobre el que se esté actuando. a Figura 2.40. Anillos de fijación de estatores (Cortesía de DUDEK). 16/07/12 14:20 Materiales y herramientas del bobinador 51 • Soporte para rotores. De igual forma que los estatores, el soporte de rotores o inducidos permite su fijación sobre un bastidor basado en dos contrapuntos ajustables. El sistema facilita el giro del tambor, y con ello la inserción de bobinas, el zunchado y el soldado de los terminales al colector de delgas. Mesa a Figura 2.41. Soporte de rotores. 2.6. Equipos de soldadura Algunos de los equipos más significativos son los siguientes: • Soldadores. La técnica de soldadura más común para la conexión de devanados en máquinas eléctricas es la de soldadura blanda. Utilizaremos soldadores rápidos de pistola de entre 30 y 60 W, ya que su calentamiento instantáneo les hacen muy adecuados para este tipo de trabajos. No obstante, cualquier soldador de la potencia adecuada puede ser utilizado para realizar este tipo de soldadura. c Figura 2.42. Soldador rápido tipo pistola. • Baño de estaño. También conocido como pocillo de estaño, consiste en mantener en estado líquido una cantidad determinada de estaño en un recipiente metálico, de forma que la soldadura se realiza por inmersión de los conductores en dicho recipiente. Es especialmente útil cuando es necesario realizar numerosas soldaduras. Las estaciones de baño de estaño disponen de regulación de temperatura, así como de sistemas de seguridad que evitan que el estaño líquido se vierta con facilidad. • Soplete. Cuando es necesario unir una buena cantidad de hilos esmaltados, como es el caso de máquinas cuyos devanados se construyen con varios hilos paralelos, el uso de soldadores convencionales puede resultar excesivamente lento. En estos casos es común el uso de pequeños sopletes, con la llama muy direccionada, que calientan de forma rápida el mazo de conductores y realizan la soldadura de forma casi instantánea. Además, este método evita tener que pelar una a una las puntas de cada uno de los hilos a soldar, ya que la sola aplicación del soplete sobre el esmalte lo funde dejando el conductor al aire. 02 Maquinas electricas.indd 51 a Figura 2.43. Soplete de soldadura. 16/07/12 14:20 Unidad 2 52 2.7. Instrumentos de metrología Los instrumentos de metrología más utilizados en el taller de reparación de máquinas eléctricas son el calibre y el micrómetro. • Calibre. También llamado Pie de rey, es un instrumento de medida que ofrece una precisión mucho mayor que las reglas y los flexómetros. Se utiliza para medir piezas y orificios de pequeño tamaño, donde la exactitud de la medida es importante. a Figura 2.44. Calibre. Consta de una pieza con una escala graduada fija, y otra pieza llamada nonius (nonio) con una graduación distinta, que se desliza sobre la anterior. El número de divisiones que presente el nonius determina la precisión del calibre de acuerdo a la siguiente expresión: 1 Precisión = Número de divisiones En la reparación de máquinas eléctricas el calibre se utiliza para medir interiores, exteriores y profundidades de piezas, por ejemplo, del carrete de un transformador. a Figura 2.45. Medida de exterior, interior y profundidad con un calibre. • Micrómetro. También conocido como Palmer, es un instrumento de precisión que puede medir centésimas y/o milésimas de milímetro. Su funcionamiento se basa en el desplazamiento de un tornillo micrométrico a través de una tuerca. Así, la precisión del instrumento viene marcada por la longitud del avance de dicho tornillo en cada vuelta completa (paso). Husillo vocabulario Español-Inglés Tope Micrometro: micrometer Calibre: calliper Nonio: Vernier Scale Aislante de ranura: slot insulation a 02 Maquinas electricas.indd 52 Tambor fijo Trinquete Tambor móvil Nonio Seguro Cuerpo Figura 2.46. Partes de un micrómetro. 16/07/12 14:20 Materiales y herramientas del bobinador 53 ejemplo saber más Para realizar la medida con el micrómetro, se sitúa el objeto a medir en la boca del mismo, de forma que el husillo haga cierta presión sobre él, pero sin forzarlo. En el taller de máquinas eléctricas el micrómetro se utiliza tanto para medir el diámetro de los hilos (con o sin esmalte) como el grosor de los aislantes laminados. Se supone que el micrómetro de la figura tiene un paso de rosca de 0,5 mm, lo que significa que cada vuelta completa que se le da al tambor giratorio, este avanza esa distancia. El nonio del tambor giratorio esta graduado en centésimas de milímetro. Así, cada división corresponde a 0,01 mm. La lectura se toma de la siguiente manera: 1. Se cuentan el número de divisiones del tambor fijo, sabiendo que cada una de ellas corresponde a 0,5mm. 2. Se lee el valor de la línea del tambor giratorio que coincide con la línea horizontal del tambor fijo. a Figura 2.47. Micrómetro midiendo hilo esmaltado. 3. Se suman los valores de ambos tambores obteniéndose así la medida final. 0 5 10 45 40 35 30 25 Tambor fijo: 1,5 mm Tambor giratorio: 0,35 mm Medida: 1,85 mm 0 5 10 40 35 30 25 20 Tambor fijo: 3 mm Tambor giratorio: 0,3 mm Medida: 3,3 mm 0 30 5 10 25 20 15 10 5 Tambor fijo: 2,5 mm Tambor giratorio: 0,17 mm Medida: 2,67 mm 2.8. Cizallas Son herramientas utilizadas para cortar los aislantes flexibles con precisión. Pueden ser de guillotina o de cuchilla giratoria. Existen modelos de sobremesa, como las utilizadas en oficinas para el corte de láminas de pequeño tamaño, o de suelo, para el corte de grandes pliegos de material aislante. a Figura 2.48. Cizalla de suelo (Cortesía de DUDEK). 02 Maquinas electricas.indd 53 a Figura 2.49. Cizalla de sobremesa. a Figura 2.50. Corte de Presspan. 16/07/12 14:20 Unidad 2 54 2.9. Herramientas pare el montaje y desmontaje Perno Mordazas Objeto a extraer Eje Al igual que ocurre en otras técnicas industriales, el operario de mantenimiento y reparación de máquinas eléctricas necesitará herramientas de propósito general como llaves de boca fijas, llaves tubulares, lleve inglesa, llaves Allen, etc. No obstante, deberá disponer también de algunas herramientas para tareas específicas. Algunas de estas últimas son: • Extractores de agarre. Son útiles que se usan especialmente para desmontar cualquier elemento instalado sobre un eje. En las máquinas eléctricas rotativas facilitan la extracción, tanto de las tapas y culatas como de los rodamientos y/o poleas que se encuentren instaladas en ellas. a Figura 2.51. Ejemplo de extracción del cojinete de un eje. a vocabulario Español-Inglés Extractor: puller Brazo: arm Cojinete: bearing Eje: axis Chaveta: key Perno: screw / bolt Extractor de chavetas: key pulling pliers Figura 2.52. Diferentes tipos de extractores de agarre. Están formados por dos o tres patas o mordazas que se fijan sobre el elemento a extraer y por un eje o perno roscado con final en punta cónica, que se apoya en el eje de la máquina. Así, cuando se actúa sobre el perno mediante una herramienta de impulsión, el sistema mecánico que une las mordazas se mueve, desplazándolas por igual y ejerciendo tal presión sobre el objeto, que lo hace deslizar de forma uniforme por el eje, evitando así que sea dañado o deteriorado. Existen modelos manuales o hidráulicos. Los primeros requieren una llave de boca fija o inglesa para la impulsión del perno, los segundos un sistema hidráulico de aceite. • Calentador de cojinetes. De igual forma que para desmontar una máquina rotativa hay que extraer los cojinetes, también será necesario realizar la operación inversa en el momento del montaje. La inserción de un cojinete es una tarea delicada, ya que una mala instalación puede provocar excentricidades en el eje, produciendo vibraciones e, incluso, roces entre el rotor y el estator que podrían dañarlos. La dilatación de los cojinetes por calor facilita su inserción, por lo que es aconsejable utilizar los denominados calentadores de cojinetes, que los calientan por inducción de forma uniforme y constante. d Figura 2.53. Calentadores de cojinetes. 02 Maquinas electricas.indd 54 16/07/12 14:20 Materiales y herramientas del bobinador 55 • Extractor de chavetas. La chaveta es un elemento rectangular que se inserta en el eje de las máquinas rotativas para que estas se puedan acoplar con fiabilidad a otros ejes, evitando el deslizamiento entre ellos. El desmontaje de una máquina eléctrica de tipo rotativo pasa por retirar en algún momento la chaveta de su eje, para así poder sacar todos los elementos que se encuentran instalados sobre él. Para no dañar la chaveta y el chavetero se debe utilizar un útil específico denominado extractor de chavetas. Este elemento consta de dos mandíbulas que muerden la chaveta y dos ruedecillas para extraerla mediante un sistema interno de palanca. • Extractor de devanados y bobinas. La exigencia de rebobinado de una máquina rotativa puede ser debido a numerosas causas: que se haya quemado alguna fase, que lo haya hecho todo el devanado, que se haya agarrotado el rotor, etc. En cualquier caso, cuando un operario se encuentra con un devanado completamente quemado en el que los conductores eléctricos han fundido su barniz, fusionándolo con los aislantes de ranuras y con el barnizado de la propia máquina, la extracción de las bobinas puede resultar una tarea ardua de realizar. En estas ocasiones los técnicos bobinadores recurren a numerosas tretas, como puede ser quemar el devanado con un soplete para facilitar su extracción. Sin embargo, esta técnica no es aconsejable, ya que un calentamiento excesivo de la chapa magnética, la hace perder sus propiedades. Por tanto, es necesario utilizar herramientas adecuadas para ello. En este sentido, los fabricantes han diseñado diferentes tipos de máquinas que facilitan esta tarea. Una de ellas es la máquina de corte y extracción que, utilizando sistemas eléctricos e hidráulicos, permite la extracción de los devanados sin recurrir al calentamiento de los mismos. En ellas, el estator de la maquina se fija sobre un soporte giratorio y, mediante un cilindro hidráulico, se presionan los devanados, haciéndoles salir de las ranuras en los que se encuentran alojados. a Figura 2.54. Extractor de chavetas (Cortesía de Pegamo). a Figura 2.55. Chavetero sin chaveta del eje de una máquina rotativa. caso práctico inicial Cuando en una máquina rotativa se queman los devanados, se produce una fusión de todos los elementos que los constituyen: hilos, barnices, aislante, etc., que hacen que se forme una amalgama dura y compacta que dificulta su extracción. c Figura 2.56. Máquina soporte para la extracción de devanados (Cortesía de DUDEK). 02 Maquinas electricas.indd 55 16/07/12 14:20 Unidad 2 56 2.10. Útiles de limpieza La reparación y sustitución de devanados en las máquinas rotativas, tanto en su estator como en su rotor, requieren un paso previo que consiste en limpiar adecuadamente el sistema de ranuras. Esto facilitará la inserción de los aislantes y, después, de las bobinas correspondientes. a Figura 2.57. Limpieza de ranuras del estator de una máquina rotativa. Las ranuras deben quedar completamente limpias de cualquier residuo del devanado anterior, como pueden ser trozos de cartón aislante, esmalte de hilos recalentados o barniz, etc. Por tanto, en el taller de reparación se debe disponer de útiles diseñados para esta tarea como son rascadores, cepillos circulares, limas de picado fino redondeadas, etc. a Figura 2.58. Rascador y cepillos redondos de alambre (Cortesía de DUDEK). Una pistola de aire comprimido también puede ser una excelente herramienta para retirar residuos en forma de polvo del interior de la máquina una vez se ha rascado su interior. Para limpiar colectores se utiliza una pequeña sierra angular similar a la de la figura. Este elemento permite retirar la mica de unión entre dos delgas próximas. Las cuchillas se pueden intercambiar en función del tamaño del colector. a Figura 2.59. Sierra para limpiar colectores (Cortesía de DUDEK). 02 Maquinas electricas.indd 56 a Figura 2.60. Uso de la sierra para la limpieza de colectores. 16/07/12 14:21 Materiales y herramientas del bobinador 57 3. Instrumentos de medida y comprobación De la misma forma que en cualquier otra especialización, en electrotécnica el técnico de mantenimiento y reparación de máquinas eléctricas requiere una serie de dispositivos de medida y comprobación eléctricos que le permitirán verificar y ensayar las máquinas con las que ha trabajado. Algunos son de tipo genérico utilizados en otras técnicas eléctricas, por ejemplo, multímetros, pinzas amperimétricas, voltímetros, amperímetros, vatímetros, etc. No obstante, existen una serie de instrumentos específicos para esta profesión, los cuales se nombran a continuación. saber más El omnipresente multímetro no debe faltar en el taller de reparación y rebobinado de máquinas eléctricas. 3.1. Comprobador de continuidad Una de las operaciones que más realiza un técnico bobinador en el proceso de rebobinado de una máquina eléctrica es la comprobación de continuidad. De esta forma se localizan con facilidad extremos de devanados, cortocircuitos, fugas a masa, etc. Si bien un polímetro o una pinza amperimétrica permiten realizar dicha función, existen instrumentos como el comprobador de continuidad que facilitan esta comprobación sin necesidad de conmutar entre diferentes funciones del instrumento. a Figura 2.61. Multímetro. Los comprobadores de continuidad emiten una señal acústica que cambia de frecuencia en función de la resistencia que presenta el componente a comprobar. 3.2. Comprobador portátil de rotores y estatores Es un instrumento de medida portátil que permite comprobar derivaciones por contacto directo y cortocircuitos en los devanados de rotores y estatores en máquinas rotativas. Funciona por inducción y, por tanto, no requiere contacto físico con el dispositivo a comprobar, pudiéndose utilizar tanto para comprobar rotores (inducidos) como para estatores. a Figura 2.62. Comprobador de continuidad (Cortesía de Taco – Nauert). Dispone de una cabeza lectora que está formada por una bobina de excitación y una bobina medidora que activa un circuito electrónico acústico y luminoso de comprobación. Cuando el instrumento se acerca al circuito magnético a comprobar, si este es correcto, el indicador luminoso y acústico se mantiene en estado normal. Sin embargo, si es detectado un cortocircuito, aunque sea solamente de una espira, el indicador luminoso cambia de estado y el acústico se activa indicando la anomalía. a Figura 2.63. Uso del comprobador en un inducido. 02 Maquinas electricas.indd 57 a Figura 2.64. Comprobadores portátiles de rotores y estatores. 16/07/12 14:21 Unidad 2 58 3.3. Comprobador de rotores de sobremesa caso práctico inicial Los instrumentos que permiten comprobar los devanados de una máquina rotativa son principalmente el comprobador de rotores y estatores portátil y el comprobador de rotores de sobremesa. En próximas unidades tendrás oportunidad de poner en marcha estos dispositivos. Basa su funcionamiento en la creación de un flujo magnético en un núcleo de hierro con forma de mordaza. Así, si se apoya un rotor sobre él, induce una corriente sobre sus bobinas que puede ser analizada. De este modo, si sus espiras están en cortocircuito, abiertas o derivadas a la carcasa, el instrumento lo indicará, bien mediante un zumbido directo utilizando una lámina de hierro a modo de palpador, o bien mediante los indicadores luminosos o acústicos que el propio instrumento lleva consigo. a Figura 2.65. Comprobador de inducidos de sobremesa. 3.4. Medidor de resistencia de aislamiento También denominado megaohmetro o, simplemente, Megger. En el ámbito de las máquinas eléctricas se utilizan en tareas de mantenimiento y reparación para comprobar el aislamiento entre devanados, y entre estos y su núcleo metálico (carcasa), midiendo la fuga de corriente a través del aislante del circuito eléctrico. a Figura 2.66. Medidor de aislamiento (Cortesía de PCE Instruments). Da la medida en megaohmios y permite inyectar diferentes valores de tensión de prueba (250, 500, 1000 V, etc.). 3.5. Luz estroboscópica Basado en el efecto estroboscópico, permite valorar lo que ocurre en un eje que está girando. Al iluminar el sistema en movimiento con la lámpara, el efecto estroboscópico generado por ella hace que el eje parezca inmóvil, permitiendo así su observación de forma detallada. a 02 Maquinas electricas.indd 58 Figura 2.67. Lámparas estroboscópicas (Cortesía de BBE - Electronic). 16/07/12 14:21 Materiales y herramientas del bobinador 59 3.6. Medidor de inductancias Permite comprobar la inductancia de los devanados de una máquina eléctrica. En este caso, más que el valor de la medida, lo que realmente importa es la comparación de los valores de los diferentes devanados. Así, si, por ejemplo, en un motor trifásico se comprueban sus tres devanados (uno por fase) y alguno de ellos presenta una medida excesivamente diferente, indicará que alguna de sus bobinas se encuentra en cortocircuito. 3.7. Tacómetro Es un instrumento que permite medir la velocidad de giro de un eje en r.p.m. (revoluciones por minuto). Todos los tacómetros modernos permiten realizar la lectura de velocidad sin contacto físico con el eje de la máquina a comprobar. No obstante, suelen disponer de piezas de acoplamiento que permiten realizar la comprobación de esta forma si fuera necesario. a Figura 2.68. Medidor de inductancias (Cortesía de PCE Instruments). 3.8. Cámara térmica Utilizada en tareas de mantenimiento predictivo, es un instrumento que basa su funcionamiento en la visualización de imágenes procesadas mediante un sensor térmico o de infrarrojos. Con este dispositivo es posible visualizar zonas calientes de una máquina eléctrica y así predecir una posible avería en ellas. 3.9. Banco de pruebas del técnico bobinador a Figura 2.69. Tacómetro (Cortesía de PCE Instruments). Una vez modificada, reparada o rebobinada una máquina eléctrica, será necesario comprobar su correcto funcionamiento antes de devolvérsela al cliente. El taller del técnico bobinador debe disponer de un banco de pruebas con los siguientes elementos: • Autotransformador trifásico regulable de gran potencia. Este dispositivo debe ser capaz de sacar alimentación trifásica y monofásica regulable que facilite la comprobación de diferentes tipos de máquinas eléctricas, incluso a tensiones más bajas que las propias de su diseño. 6005 0 Cap 0 0,8 I I I A 5 5 A 10 20 0 10 20 0 A JCMC Editex JCMC I I 5 0 10 20 0 editex ||| ||||||| ||||||| ||||| ||| ||| ||| ||| 0 0 L2 50 ||||||||| ||| ||| || ||| | a L1 |||| ||||||| ||||||| N 10 ||| ||||| ||||| 0 CC ||||| ||| L3 | ||| editex 50 ||||||||| ||| |||| ||| ||| ||| CA M 0 10 + Figura 2.71. Banco de pruebas. • Instrumentación fija. El banco de pruebas debe estar dotado de instrumentos de medida fija para medir tensión entre fases, corrientes e incluso el factor de potencia. 02 Maquinas electricas.indd 59 a Figura 2.70. Motor eléctrico visualizado mediante una cámara térmica. 5 A 10 20 || I 6005 V Ind 1 L2-L3 0 Editex 0,2 Cos ϕ L1-L3 L1-L2 ||| V J.C.M.Castilo • Fuente de alimentación de CC de potencia regulable. De igual forma que en el sistema trifásico de corriente alterna, se debe disponer de un sistema de alimentación de potencia para corriente continua regulable en tensión. a Figura 2.72. Cámara térmica (Cortesía de PCE Instruments). 16/07/12 14:21 Unidad 2 60 ACTIVIDADES FINALES 1. Realiza la actividad propuesta en las prácticas profesionales. 2. Corta varios tramos de hilo esmaltado (unos 10 cm de cada uno) de los siguientes diámetros 0,3; 0,4; 0,5; 0,8; 0,9 y 1 mm. Utilizando una peladora eléctrica retira el esmalte en una de las puntas unos 1,5 cms de todos ellos. Utilizando un micrómetro mide el diámetro de todos los hilos con y sin esmalte. Anota los resultados obtenidos en la siguiente tabla, calculando cuál es el grosor del esmalte. Diámetro con esmalte Diámetro sin esmalte Grosor del esmalte 3. Di qué medidas marcan los siguientes micrómetros: a) 0 5 10 b) 5 0 45 40 35 5 5 10 0 0 c) 45 40 35 0 35 5 10 30 25 20 15 d) 0 0 5 10 45 40 35 30 25 4. Utilizando la técnica mostrada en la práctica profesional 2 de esta unidad, fabrica un molde de madera para la construcción de tres bobinas a la vez. Realiza el bobinado con 15 espiras en cada una de ellas. El paso de hilo de una bobina a otra debes hacerlo por las ranuras laterales del lado largo de las tapas. Hilo de atar Hilo esmaltado a Figura 2.73. Fabricación con molde de madera. 5. Utilizando un motor trifásico que esté en perfecto estado, quita las chapas de su caja de bornes. a U1 V1 W1 W2 U2 V2 Chapas de bornes Figura 2.74. Caja de bornes con chapas desconectadas. a) Comprueba la continuidad entre todos y cada uno de los bornes del motor. ¿Cuál es el resultado de la comprobación?, ¿qué deduces de esta prueba? b) Comprueba cuál es la continuidad entre cualquiera de los bornes y la carcasa del motor. c) Con dos chapas, une los bornes W2-U2-V2 dejando libre los demás. Comprueba con un polímetro (posición de ohmios) el valor entre los tres bornes libres (U1-V1-W1) y, también, entre cualquiera de esos tres bornes y el puente de chapas. Anota los resultados de estas comprobaciones. 02 Maquinas electricas.indd 60 16/07/12 14:21 Materiales y herramientas del bobinador 61 6. Utilizando un pliego de cartón Pesspan y una guillotina, corta al menos 24 piezas de 15 x 55 mm. Es importante que todas ellas tenga las mismas medidas. Compruébalo con un calibre. 7. Utilizando un extractor de chavetas, saca la chaveta del eje de una máquina eléctrica rotativa. ¿Qué dificultad encuentras? Insértala nuevamente en el chavetero utilizando un martillo con cabeza de nailon. 8. Utilizando un extractor de agarre saca el cojinete instalado sobre el eje de una máquina rotativa. ¿Qué has observado al realizar esta operación? Intenta poner nuevamente el cojinete en la posición original, para ello utiliza un tubo metálico con un diámetro ligeramente superior al del eje de la máquina. Sitúa el cojinete en el eje, introduce el tubo de forma que se apoye sobre el cojinete y golpea sobre él suavemente con un martillo de cabeza de nailon hasta ubicarlo en la posición adecuada. ¿Qué dificultades se te han presentado al realizarlo? Martillo Extractor Eje Eje a Figura 2.75. Extracción. a Tubo metálico Figura 2.76. Inserción. entra en internet 9. Entra en las siguientes direcciones de distribuidores de materiales y herramientas para el bobinador: http://www.servorecambios.com http://www.bobinadorasgmr.com.ar http://www.dmatel.es http://www.industriasmeyra.com Localiza un material o una herramienta que te haya llamado la atención de su catálogo y que no hayas estudiado en esta unidad. 10. Localiza vídeos en los que se muestre el funcionamiento de máquinas automatizadas para: • inserción de devanados en un estator, • bobinado completo de un inducido, • impregnación en barniz de los devanados, • fijación de los aislantes de ranuras. 02 Maquinas electricas.indd 61 16/07/12 14:21 Unidad 2 62 PRÁCTICA PROFESIONAL 1 HERRAMIENTAS • Moldes para bobinador Fabricación de una bobina con moldes preformados • Regleta para fijación de moldes en bobinadora OBJETIVO • Tijera de electricista • Bobinadora manual • Platos de embridar • Devanador • Llaves Allen de diferentes tamaños • Juego de laves fijas MATERIAL • Carrete de hilo esmaltado de 0,5 mm • Alambre plano verde de atar o clips circulares de plástico Utilizar los materiales y herramientas necesarios para construir una sencilla bobina de hilo de cobre esmaltado. PRECAUCIONES • Utiliza las herramientas y la bobinadora siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor. • Para evitar que las espiras de la bobina queden flojas debes utilizar de forma adecuada el tensor de la devanadora. DESARROLLO 1. Monta la regleta-soporte para los moldes en la bobinadora. Sobre ella coloca dos moldes separados unos 10 cm utilizando como referencia su parte interna. 2. Sobre el devanador monta el carrete de hilo, para ello enhebra el hilo por el tensor de la devanadora, lleva la punta del hilo que sale del devanador y enróllalo alrededor del eje de la bobinadora. Esto evitará que el hilo se suelte en el momento de comenzar a fabricar la bobina. Regleta para moldes Accesorios de fijación 10 cm a Hilo procedente del devanador Puesta a cero Nudo para evitar que el hilo se suelte 00000 Figura 2.77. Instalación de regleta y moldes en la bobinadora. a Figura 2.78. Atado del hilo al eje de la bobinadora para comenzar la bobina. 3. Ajusta el cuentavueltas a cero y se girará de forma cuidadosa la manivela de la bobinadora hasta crear una bobina de 30 espiras. 02 Maquinas electricas.indd 62 16/07/12 14:21 Materiales y herramientas del bobinador 63 4. Manteniendo el hilo tenso entre la devanadora y la bobinadora, se atarán los dos lados más largos de la bobina con un clip de plástico, con alambre plano verde de atar o con un trozo de hilo sobrante. a Figura 2.79. Elementos que se pueden utilizar para atar las espiras de una bobina. Atado de la bobina a Figura 2.80. Atado de las espiras de la bobina. 5. Corta el hilo que une el devanador con la bobina de la bobinadora, afloja uno de los moldes de la regleta y saca la bobina de la bobinadora. a Figura 2.81. Extracción de la bobina terminada. Enhorabuena, acabas de construir tu primera bobina para una máquina eléctrica. 02 Maquinas electricas.indd 63 16/07/12 14:21 Unidad 2 64 PRÁCTICA PROFESIONAL 2 HERRAMIENTAS Fabricación de una bobina con molde de madera • Tijera de electricista • Bobinadora manual • Platos de embridar • Devanador • Lima escofina OBJETIVO • Juego de brocas Construir una bobina con moldes de madera tipo sándwich. • Serrucho PRECAUCIONES • Tornillo de banco • Utiliza las herramientas de corte y taladrado siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor. • Taladro de sobremesa • Calibre • Para las operaciones de corte y taladrado utiliza guantes y gafas de seguridad. MATERIAL • Utiliza el tornillo de banco para cortar las piezas de madera con precisión. • Carrete de hilo esmaltado de 0,5 mm • Alambre plano verde de atar o clips circulares de plástico • Madera de aglomerado de 12 mm de ancho • Madera de aglomerado de 6 mm de ancho • Hilo plano de atar a 2. Marca el centro de todas las piezas trazando líneas diagonales entre vértices opuestos. 61 mm 101 mm Figura 2.82. Medida de las piezas. 02 Maquinas electricas.indd 64 1. Corta con el serrucho tres placas de madera de aglomerado con las medidas mostradas en la figura. Del tamaño más pequeño debes cortar 1 pieza de aglomerado de 12 mm de grosor. Del tamaño más grande debes cortar 2 piezas del aglomerado de 6 mm de grosor. 3. Mide con el calibre el diámetro del eje de la bobinadora, elige una broca de dicho diámetro y, utilizando el taladro de sobremesa, realiza un orificio en el centro de todas las piezas de madera. Después, con la lima escofina redondea los vértices de cada una de las piezas. Para terminar, en las piezas grandes, que a partir de ahora llamaremos tapas, realiza unos pequeños cortes con el serrucho como los mostrados en la figura. 40 mm 85 mm DESARROLLO a Figura 2.83. Piezas taladradas y redondeadas. 16/07/12 14:21 Materiales y herramientas del bobinador 65 4. El molde construido debe tener el aspecto de un sándwich. Inserta uno o más conos en el eje de la bobinadora y, una vez introducidos, haz lo mismo con un disco de embridar. El orden sería el siguiente: en primer lugar una de las tapas, luego la pieza pequeña y, para finalizar, la segunda tapa. Una vez hecho, inserta un disco de embridar roscado al eje hasta que presione sobre la última tapa. Asegúrate que todas las piezas quedan centradas. 00000 Mode de madera a Figura 2.84. Molde tipo sándwich. a Figura 2.85. Modelo montado en la bobinadora. 5. Monta sobre el devanador el carrete de hilo y enhebra el hilo por el tensor de la devanadora. Pasa un par de hilos de atar por las ranuras de la parte más estrecha del molde. Te servirán para atar la bobina una vez finalizada su construcción evitando que se suelten las espiras. Más tarde coge la punta del hilo que sale del devanador, pásalo por la ranura de la tapa de la izquierda y enróllalo sobre el eje de la bobinadora. Esto evitará que el hilo se suelte en el momento de comenzar a dar las espiras en sobre le molde. 6. Pon el cuentavueltas a cero, gira de forma cuidadosa la manivela de la bobinadora hasta crear una bobina de 30 espiras. Manteniendo el hilo tenso entre la devanadora y la bobinadora, retuerce un extremo con otro de los hilos de atar que montaste en un paso anterior de forma que todas las espiras se mantengan unidas. 7. Corta el hilo que viene de la devanadora, afloja el disco de embridar y saca el molde con la bobina del eje de la bobinadora. Finalmente, retira las tapas y saca la bobina de forma cuidadosa de la pieza central del molde. Hilo de atar Hilo de atar Hilo esmaltado Figura 2.86. Atado del hilo al eje de la bobinadora para comenzar la bobina. a Figura 2.87. Bobina terminada y atada en el molde. Nota. Si no dispones de moldes preformados en tu taller, esta es una manera buena y económica de fabricar bobinas para máquinas rotativas. Algunos técnicos bobinadores aún siguen utilizando este sistema, ya que les permiten diseñar el molde para un tipo de máquina que se repita con frecuencia en el taller de reparación. 02 Maquinas electricas.indd 65 16/07/12 14:21 Unidad 2 66 MUNDO TÉCNICO Fabricación automatizada de máquinas eléctricas rotativas Lo estudiado en esta unidad se encuentra en el contexto de talleres pequeños y medianos destinados a la reparación y mantenimiento manual de máquinas eléctricas. No obstante, la producción y fabricación en serie, de igual forma que para otro tipo de productos, se encuentra altamente automatizada en este campo. En la actualidad el uso de maquinaria especializada permitente realizar el proceso de fabricación de forma limpia y en un breve periodo de tiempo. Estos son algunos procesos automatizados destinados a la fabricación de máquinas eléctricas, principalmente de las de tipo rotativo: • Máquinas para la inserción de devanados de estatores. Los modelos más complejos y completos construyen automáticamente las bobinas y posteriormente, mediante un sistema de guiado inteligente, las insertan en las ranuras del estator. a Figura 2.88. Máquina para la inserción de devanados en estatores. a Figura 2.89. Torneado automático de rotores. • Aislamiento de ranuras e inserción de cuñas. Ambos procesos también se encuentran automatizados. El aislamiento de ranura debe hacerse antes de la inserción de los bobinados, la colocación de cuñas después. • Bobinado de inducidos. Para esta tarea, que manualmente resulta compleja y laboriosa, existen máquinas que la resuelven por completo, hasta el punto de que, no solamente bobinan el inducido, sino que son capaces de soldar el devanado a las delgas de colector. • Impregnadoras y secadoras de barniz o resina. Permiten agilizar el proceso de barnizado y, posteriormente, de secado de los devanados de forma masiva. a Figura 2.90. Torneado automático de rotores. 02 Maquinas electricas.indd 66 a Figura 2.91. Máquina automática para el aislamiento de ranuras. 16/07/12 14:21 Materiales y herramientas del bobinador 67 EN RESUMEN TALLER DE MANTENIMIENTO Y REPARACIóN DE MÁqUINAS ELÉCTRICAS Materiales Útiles y herramientas Instrumentación Comprobador de continuidad Bobinadoras Hilo esmaltado Grados de aislamiento Aislantes Sólidos Líquidos Devanadores Bases y soportes Comprobadores de rotores y estatores Instrumentos de metrología Medidor de aislamiento Luz estroboscópica Cizallas Medidor de inductancias Montaje y desmontaje Cámara térmica Banco de pruebas EVALÚA TUS CONOCIMIENTOS 1. El hilo esmaltado se distribuye en mm2. a. Verdadero. b. Falso. 2. El grado de los hilos esmaltado es: a. su grosor. entra endelinternet b. el espesor aislante. c. la calidad de cobre utilizado. 11. 3. A la temperatura máxima a la que puede ser sometido un material aislante sin que pierda sus propiedades se la denomina: 4. Un devanador se utiliza para realizar un bobinado. a. Sí. 02 Maquinas electricas.indd 67 Resuelve en tu cuaderno o bloc de notas 5. La técnica VPI está relacionada con: a. la soldadura de los conductores eléctricos. b. el corte de materiales aislantes. c. la impregnación de los devanados. 6. El Presspan es: a. un tipo de cartón aislante. b. una marca de bobinadoras. c. un tipo de aislante líquido para barnizar motores. 7. La conexión de los conductores en el interior de una máquina eléctrica se realiza por la técnica de : b. No. 16/07/12 14:21 3 Transformadores vamos a conocer... 1. Conceptos iniciales 2. Clasificación de los transformadores 3. Materiales constructivos de los transformadores 4. Características eléctricas de un transformador 5. Cálculo de un transformador monofásico 6. Cálculo de transformadores trifásicos 7. Ensayos y comprobaciones PRÁCTICA PROFESIONAL 1 Construcción de un transformador monofásico PRÁCTICA PROFESIONAL 2 Comprobación y ensayo de un transformador monofásico PRÁCTICA PROFESIONAL 3 Construcción de un transformador trifásico MUNDO TÉCNICO Otros tipos de transformadores y al finalizar esta unidad... Conocerás cómo funciona un transformador. Identificarás los diferentes tipos de transformadores. Conocerás las características que deben tener los materiales destinados a la construcción de transformadores. Conocerás cuáles son los ensayos y comprobaciones que se hacen con transformadores. Calcularás y construirás un transformador monofásico. Calcularás y construirás un transformador trifásico. 03 Maquinas electricas.indd 68 16/07/12 15:05 69 CASO PRÁCTICO INICIAL situación de partida Las industrias de la zona de trabajo de MantenExpress disponen de numerosos cuadros eléctricos, en ellos se encuentran los dispositivos electrónicos cuyo cometido es controlar sistemas de automatización industrial. Estos cuadros disponen de todo tipo de transformadores para la alimentación de los circuitos de control y potencia, es decir, pueden ser monofásicos, trifásicos, autotransformadores, etc. Cada vez que uno de estos transformadores presenta un problema, es necesario intervenir rápidamente para que el sistema de producción quede interrumpido en el menor tiempo posible. Por este motivo las empresas se ven obligadas a realizar una gran inversión para dar solución a estas necesidades sin crear demasiados perjuicios en la fabricación. Los transformadores de pequeña y mediana potencia que alimentan los sistemas no suelen presentar averías, pero cuando se producen, son muy signi- ficativas, ya que todos los elementos eléctricos que dependen de ellos dejan de funcionar. Curiosamente, cuando un transformador presenta una avería o se quema, se sustituye por otro nuevo. Fermín y Abel piensan que esto es un derroche innecesario. En transformadores de pequeña potencia se puede proceder de esta manera, ya que su rebobinado es más caro que el montaje de uno nuevo; sin embargo, no ocurre lo mismo con los de mayor potencia, ya que una reparación es más rentable que una sustitución. Fermín y Abel ya tienen listo su taller de reparación y bobinado de máquinas eléctricas. Ahora están sumidos en el procedimiento de cálculo y construcción de transformadores, pero muchas son las cuestiones que deben aclarar antes de lanzarse a la reparación de uno de ellos. estudio del caso Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después analiza cada punto del tema con el objetivo de contestar el resto de preguntas de este caso práctico. 1. ¿Cuál es el motivo por el que la corriente continua no se puede transformar? 7. ¿Cuáles son los materiales aislantes usados para construir transformadores de baja potencia? 2. ¿Importa el sentido en el que se arrollen unas bobinas respecto a otras sobre un núcleo magnético? 8. Fermín y Abel han leído que para el cálculo de transformadores algunos datos de partida son tomados de forma empírica. ¿Por qué se hace esto? 3. ¿Cuál es la configuración más común para construir transformadores trifásicos de baja potencia? 4. ¿Qué son las denominada pérdidas en el hierro? 9. ¿Qué transformadores presentan mejor rendimiento, los de mayor potencia o los de menor? 5. ¿Están aisladas las chapas magnéticas?, ¿por qué se hace esto? 10. ¿A qué se denomina sección del núcleo magnético?, ¿qué característica eléctrica del transformador depende de su tamaño? 6. ¿Se usa el mismo tipo de chapa magnética en transformadores monofásicos y en trifásicos? 11. ¿A qué corresponde la potencia total de un transformador trifásico? 03 Maquinas electricas.indd 69 16/07/12 15:05 Unidad 3 70 1. Conceptos iniciales saber más La corriente continua no se puede transformar ya que al tener un sentido unidireccional, el flujo no varía y, en consecuencia, no se induce ninguna fuerza electromotriz. En la primera unidad se estudió el motivo por el que el flujo de un circuito magnético es variable al circular una corriente por el mismo. De esta forma, si en el núcleo se encuentra arrollada una segunda bobina, se produce en ella una corriente eléctrica por inducción magnética, generando una fuerza electromotriz que se puede medir en sus bornes. Un transformador es una máquina eléctrica estática que funciona por el efecto de la inducción magnética. Está formado por un devanado primario, al que se le aplica una fuerza electromotriz E1 capaz de hacer circular la corriente inductora, y por un devanado secundario, en el que se induce de forma estática una segunda fuerza electromotriz E2. Flujo mutuo E1 Campo de dispersión Ф N1 N2 E2 Secundario Primario Campo de dispersión Núcleo a Figura 3.1. Representación de un transformador. Si los devanados primario y secundario son iguales, en número de espiras N y diámetro del conductor, la fuerza electromotriz del primario es idéntica a la del secundario. De esto se deduce que si el devanado secundario dispone de un número de espiras diferente a las del primario, la fuerza electromotriz en sus bornes es proporcional a la relación entre dicho número des espiras. 1.1. Relación de transformación a Figura 3.2. Transformador (Cortesía de Sentera Controls). La relación entre las espiras del primario N1 y las del secundario N2 se denomina relación de transformación, se representa por m y se puede calcular mediante la expresión: m= recuerda La reluctancia es al circuito magnético, lo que la resistencia al circuito eléctrico. 03 Maquinas electricas.indd 70 N1 N2 Esta relación de transformación pertenece al transformador ideal (teórico). No obstante, en un transformador real se presentan una serie de pérdidas que deben tenerse en cuenta. Estas pérdidas se deben a los siguientes factores: • Reluctancia del circuito magnético. Cuanto mayor es su valor, mayores pérdidas se producirán. Por lo tanto, una adecuada elección del tipo de material utilizado en el núcleo, disminuirá dicho efecto. 16/07/12 15:05 Transformadores 71 • La resistencia de los devanados. Es la resistencia que el conductor presenta al paso de la corriente. • Pérdidas en el hierro por corriente de Foucault. Las corrientes de Foucault producen pérdidas por exceso de calor. Así, cuanto más ancho es el material de un circuito magnético, mayores son las pérdidas debidas a este efecto. Es conveniente saber que el uso de finas chapas magnéticas para la constitución de los núcleos de transformadores disminuye de forma considerable este tipo de pérdidas. • Histéresis magnética. La selección de materiales magnéticamente blandos permite que el ciclo de histéresis sea lo más estrecho posible, disminuyendo de esta forma las pérdidas debidas a este efecto. • Dispersión del flujo magnético. El denominado flujo de dispersión se presenta, en mayor o en menor medida, en cada uno de los devanados en función de la carga, influyendo de forma negativa en el rendimiento y en la relación de transformación. El flujo de dispersión se reduce utilizando determinadas configuraciones del núcleo, como puede ser el uso del tipo acorazado. a Figura 3.3. Diferentes símbolos para representar un transformador. No obstante, y a pesar todo lo visto, el valor de la relación de transformación puede ser utilizado según la expresión anterior sin tener en cuenta las pérdidas, ya que es muy aproximado. ejemplo ¿Cuál es la relación de trasformación en un transformador que dispone de 400 espiras en el primario y de 80 en el secundario? N 400 m= 1 = =5 80 N2 Esto significa que si a un trasformador se le aplica una tensión alterna por el devanado considerado como primario, la tensión obtenida en el devanado secundario será 5 veces más pequeña que la del primario. 1.2. Terminales homólogos Se denominan terminales homólogos u homónimos a los bornes de ambos devanados en los que el sentido de la corriente es el mismo para un instante determinado de la corriente. La asignación de dos terminales homólogos se establece en el momento de realizar el arrollamiento de los devanados sobre el núcleo. Así, los terminales que se arrollan en el mismo sentido son homólogos, y los que están en sentido contrario no lo son. Es decir, si sobre una misma columna del núcleo magnético arrollamos los dos devanados en el mismo sentido, son bornes homólogos los dos superiores entre sí y los dos inferiores entre sí (Caso B). Si por el contrario, el sentido del arrollamiento es contrario en ambos devanados, el superior de uno de ellos es homólogo con el inferior del otro y viceversa (Caso A). saber más La identificación de los terminales homólogos es importante para la interconexión de las diferentes bobinas que forman los devanados de un transformador trifásico. La identificación de los terminales homólogos es importante en todo tipo de transformadores, pero en especial en aquellos cuyos devanados constan de varios grupos de bobinas que se conectan entre sí para conseguir diferentes valores de tensión. 03 Maquinas electricas.indd 71 16/07/12 15:05 Unidad 3 72 caso práctico inicial En la fase de construcción de los devanados es importante tener en cuenta el sentido en el que se arrollan las diferentes bobinas, ya que permitirá identificar los terminales que son homólogos. De esta forma, si los devanados se montan sobre un circuito magnético cerrado, como es el de un transformador, los terminales homólogos, marcados con un punto, son los mostrados en la figura. Caso A I1 I1 I2 V1 V1 V2 V1 V2 V2 V1 V2 V2 I2 Caso B I1 I1 V1 I2 V1 V2 I2 a Figura 3.4. Terminales homólogos. ejemplo Supóngase un transformador monofásico en el que el devanado primario está diseñado para ser conectado a 230 V, y el secundario está constituido por cuatro bobinas individuales, las cuales están diseñadas para entregar 50 V cada una de ellas. 230 V Primario Secundario a 50 V 50 V 50 V 50 V Figura 3.5. Transformador didáctico. Los terminales homólogos de cada una de las bobinas se han marcado con un punto. 03 Maquinas electricas.indd 72 16/07/12 15:05 Transformadores 73 Así, si se conectan las bobinas del secundario de tal forma que el terminal de una bobina se conecta con su no homólogo de la siguiente, todas quedan en serie y la corriente en todas ellas tiene el mismo sentido. De este modo, las fuerzas electromotrices individuales están en fase y, por tanto, se suman. Si se conecta un voltímetro en los bornes del conjunto, se obtiene una tensión resultante de 200 V, que corresponde a la suma de las tensiones parciales de cada una de las bobinas. 230 V a 50 V b c 50 V 50 V d 50 V V a Figura 3.6. Ejemplo de conexión 1. Sin embargo, si dos de las bobinas, como ocurre con la c y d de la figura, se unen por sus terminales homólogos, sus fuerzas electromotrices se oponen y, por tanto, se anulan la una a la otra. Así, si se mide con un voltímetro la tensión en los bornes del conjunto, se observa que es de 100 V, que corresponde a las dos bobinas, cuyas fuerzas electromotrices están en fase. 230 V a 50 V b c 50 V 50 V d 50 V V 100 V a Figura 3.7. Ejemplo de conexión 2. 03 Maquinas electricas.indd 73 16/07/12 15:05 Unidad 3 74 2. Clasificación de los transformadores Esta propiedad de transformación es aprovechada en diferentes ámbitos tecnológicos. Los transformadores se utilizan tanto en dispositivos domésticos como industriales. Pero, además de las aplicaciones mencionadas, es conveniente conocer su uso en grandes sistemas de tratamiento y distribución de energía eléctrica. a Figura 3.8. Transformador para pequeñas aplicaciones (Cortesía de Roqmo S.L.). Para desarrollar una clasificación de los transformadores atenderemos a diferentes conceptos como son el nivel de tensión, el número de fases de alimentación y, por último, el modo de construcción. 2.1. Por el nivel de tensión Todos los transformadores son reversibles. Esto quiere decir que si se aplica una tensión alterna a cualquiera de sus devanados, se obtiene en el devanado contrario otra tensión proporcional según la relación de transformación. En este sentido se puede decir que los transformadores pueden clasificarse como reductores o elevadores. a Figura 3.9. Transformador para aplicación industrial (Cortesía de Siemens). • Los reductores son aquellos que transforman la tensión aplicada al primario en una tensión menor. Un ejemplo de este tipo de transformador es el utilizado en muchos electrodomésticos, que reducen la tensión de la red eléctrica de 230 V a la tensión necesaria (5, 12, 24 V) para el funcionamiento de la circuitería interna del dispositivo. • Los elevadores tienen el efecto contrario, es decir, la tensión del secundario es de valor superior a la aplicada en el primario. Un ejemplo de este tipo de transformadores es el utilizado en las líneas de distribución para facilitar el transporte de la energía, ya que a mayor tensión, menor es la sección de los conductores eléctricos utilizados. Así, se puede decir que la relación de transformación también se puede calcular en función de la tensión aplicada al primario V1 respecto a la del secundario V2, o de forma análoga a la relación entre las corrientes que circulan por ambos devanados. m= a Figura 3.10. Transformador de distribución (Cortesía de Power Solutions). V1 I = 2 V2 I1 2.2. Por el número de fases de alimentación saber más Si el sistema de alimentación lo requiere, los transformadores también pueden construirse con otro número de fases, por ejemplo, hexafásicos. 03 Maquinas electricas.indd 74 Según el número de fases del sistema de alimentación, los transformadores pueden ser principalmente monofásicos y trifásicos. Monofásicos Los transformadores monofásicos están constituidos por un devanado primario y otro secundario. El primario es alimentado por un sistema de corriente monofásico y, por tanto, en el secundario se obtiene otro similar proporcional en función de la relación de transformación. 16/07/12 15:05 Transformadores 75 En ocasiones, uno o los dos devanados de este tipo de trasformador pueden disponer de un sistema de conexión multitoma, que permite trabajar con diferentes valores de tensión. En la figura 3.12 del margen se muestra un transformador en el que el devanado de la izquierda, se puede conectar tanto a 125 V como a 230 V. De este modo, en el devanado de la derecha se pueden obtener varias tensiones (5, 9, 12 y 18 V) tomando como referencia la toma 0 V y cualquiera de las demás. L N 230 V Primario Secundario 230 V 0V 0V 125 V 5V 9V 12 V 230 V 18 V a Figura 3.12. Transformador monofásico multitoma. 12 V 12 V a Figura 3.11. Transformador monofásico. Trifásicos Están constituidos por tres grupos de bobinas, uno por cada devanado, pudiéndose conectar entre ellas de diferentes formas (estrella, triángulo o zig-zag). Se alimentan mediante un sistema trifásico de corriente alterna, por tanto, en el secundario también se obtendrá un sistema similar proporcional al primero en función de la relación de transformación. En general, su construcción es más compleja que la de los monofásicos, ya que cada fase requiere tres bobinas para el devanado primario y otras tres para el secundario. Más adelante se estudiaran las diferentes posibilidades de conexión de este tipo de transformadores y cuáles son sus relaciones de transformación. L1 L2 L3 Primario Primario saber más Las partes del núcleo sobre las que se arrollan las bobinas se denominan columnas. Las partes inferior y superior que cierran el circuito magnético, y que no disponen de devanados, se llaman yugo y culata, respectivamente. Secundario a Secundario Figura 3.13. Transformador trifásico. 03 Maquinas electricas.indd 75 16/07/12 15:05 Unidad 3 76 2.3. Por su construcción Los transformadores, tanto monofásicos como trifásicos, presentan diferentes configuraciones en función del tipo de núcleo y de la disposición de los devanados sobre él. Transformadores monofásicos de columnas Ambos devanados están montados en diferentes columnas del núcleo. Si bien esta configuración es completamente válida, no es habitual encontrar transformadores comerciales con esta disposición, ya que ocupan más espacio que los de tipo acorazado. Secundario Primario Núcleo a Figura 3.14. Transformador monofásico de columnas. Transformadores monofásicos acorazados Es la configuración más utilizada para la fabricación de transformadores monofásicos. Consiste en utilizar un núcleo cerrado de tres columnas, en el que la del centro es el doble de ancha que las laterales. En este caso, ambos devanados (primario y secundario), se encuentran bobinados en la columna central. Primario Los dos devanados a Núcleo Secundario Figura 3.15. Transformador monofásico acorazado. Transformadores trifásicos de tres columnas caso práctico inicial La configuración basada en un núcleo de tres columnas es la más utilizada para transformadores trifásicos de baja potencia. Es la configuración más utilizada para trifásicos. En este caso el núcleo está formado por tres columnas de igual tamaño. En cada una de ellas se disponen las bobinas del primario y secundario, correspondientes a una de las fases. La interconexión entre las diferentes bobinas se hace en el exterior. Conexiones del primario Conexiones del secundario a 03 Maquinas electricas.indd 76 Figura 3.16. Transformador trifásico de tres columnas. 16/07/12 15:06 Transformadores 77 Transformadores trifásicos de cinco columnas Esta configuración permite cerrar el circuito magnético de una forma similar a como se hace en un acorazado monofásico. En las columnas centrales se alojan los devanados, dejando sin bobinas las de los extremos. Con esta configuración se consigue una menor sección en la culata y una reducción del campo de dispersión. Conexiones del primario Conexiones del secundario a Figura 3.17. Transformador trifásico de cinco columnas. Transformadores trifásicos acorazados Esta configuración es similar a la unión de tres transformadores monofásicos acorazados sobre un núcleo común. Se utilizan especialmente en trasformadores de muy alta potencia para centrales y centros de transformación. Primario Primario Secundario Primario Secundario Secundario a Figura 3.18. Transformador trifásico acorazado. Transformador toroidal En este tipo de transformadores el núcleo magnético tiene forma de disco o toroide. Presenta numerosas ventajas frente a los acorazados, siendo algunas de ellas las siguientes: mejor rendimiento, bajo ruido, menor calentamiento debido a corrientes de Foucault y tamaño mucho más reducido. Sin embargo, su construcción es más compleja y costosa que los de columnas. a 03 Maquinas electricas.indd 77 Figura 3.19. Transformadores toroidales (Cortesía de Torivac). 16/07/12 15:06 Unidad 3 78 Autotransformador Un autotransformador es un transformador formado por un solo devanado, el cual dispone de bornes para el primario y para el secundario, teniendo ambos una toma común. El devanado de mayor número de espiras (N1) es el destinado a la tensión mayor. El que utiliza la toma intermedia y, por tanto, el de menor número de espiras (N2) es el destinado a la tensión menor. La relación de transformación de un autotransformador es: a Figura 3.20. Autotransformador regulable (Cortesía de Variac). m= N1 V I = 1 = 2 N2 V2 I1 Al conectar una carga al devanado secundario, la corriente que circula en la parte común del devanado lo hace en sentido contrario al del devanado principal. Por este motivo la corriente del tramo del devanado común IC es igual a la diferencia de las otras dos, es decir, IC = I1 – I2. Este comportamiento presenta numerosas ventajas respecto a un transformador con dos devanados, ya que permite utilizar un conductor de menor diámetro, reducir el número de espiras y utilizar un núcleo de hierro de menor sección. Esto hace que el tamaño y el calentamiento sean menores, siendo, por tanto, más bajo su coste de fabricación. Una característica funcional del autotransformador es la posibilidad de regular tensión si el punto intermedio se instala sobre un sistema conexión móvil basado en una escobilla. Este sistema se conecta sobre diferentes partes del devanado principal en función de la posición del elemento móvil, que a su vez se encuentra arrollado sobre un núcleo de tipo toroidal. I1 saber más Los Variac de tipo trifásico son de gran utilizad en el taller de reparación de máquinas eléctricas, ya que con ellos es posible realizar diferentes comprobaciones y ensayos en diferentes condiciones de alimentación. V1 I2 N1 Ic a N2 V2 a Figura 3.22. Detalle interno de un autotransformador regulable (Cortesía de AIGER). Figura 3.21. Autotransformador. A los autotransformadores regulables se les suele denominar Variac y son de tipo monofásico. No obstante, si se montan en tándem tres Variac iguales, de forma que un sistema mecánico pueda mover a la vez las escobillas, se obtiene un sistema trifásico de regulación de tensión. 1U 2U a 03 Maquinas electricas.indd 78 1V 2V 1W 2W N N Figura 3.23. Variac trifásico. 16/07/12 15:06 Transformadores 79 3. Materiales constructivos de los transformadores Los materiales a tener en cuenta para construir un transformador son: • En el circuito eléctrico: hilo esmaltado, carretes para alojar devanados y aislante de diferentes tipos (laminados, tubos flexibles, etc.). • En el circuito magnético: la chapa que lo constituye. Algunos de estos materiales ya han sido estudiados en la unidad anterior, por lo que aquí solamente se tratarán aquellas características requeridas para el cálculo y montaje de transformadores. 3.1. Hilo de cobre esmaltado Los devanados de los transformadores de baja potencia, que son los que estudiaremos, se construyen usando hilo esmaltado. No obstante, debes saber que los transformadores de gran potencia, en lugar de este tipo de conductor eléctrico, pueden usar pletinas de cobre (o aluminio) aisladas con esmalte. Las bobinas que forman los devanados de un transformador, al conectarlas a un sistema de alimentación de corriente alterna, se comportan igual que otro tipo de receptores. Esto hace que cuando por ellos circule una corriente eléctrica, se presenten efectos debido a su impedancia que provocan pérdidas de potencia denominadas pérdidas en el cobre (PCu). Dichas pérdidas se pueden obtener de forma experimental mediante el ensayo de vacío del transformador; sin embargo, para agilizar el cálculo se utiliza el denominado factor de pérdidas (KCu), que se establece de forma empírica en función de la potencia del transformador. Potencia en el secundario (VA) Factor de pérdidas en el cobre (KCu) 7 10 15 68 75 100 120 180 250 700 1000 2000 1,3 1,25 1,2 1,1 1,09 1,08 1,07 1,06 1,05 1,03 1,025 1,015 3.2. Chapa magnética La chapa magnética es el elemento con el que se construye el núcleo del transformador. En él se producen el mayor número de pérdidas (denominadas pérdidas en el hierro PFe), por lo que una buena elección de los materiales es transcendental para optimizar el funcionamiento. Dos son los efectos que hay que amortiguar para reducir dichas pérdidas: caso práctico inicial Las pérdidas en el hierro (P Fe) representan la potencia que el transformador desperdicia a través del núcleo magnético. • corrientes parásitas o de Foucault, • ciclo de histéresis. Para evitar los efectos de las corrientes parásitas o de Foucault, el núcleo se constituye apilando finas chapas magnéticas (entre 0,3 y 0,5 mm) debidamente aisladas por ambas caras. Este aislamiento se consigue mediante el tratamiento químico de un material inorgánico denominado Carlite, que evita el contacto directo de unas con otras. Para el cálculo geométrico del número de chapas que se pueden insertar en una ventana de carrete, es necesario aplicar el denominado factor de apilamiento (Kep), que es un valor comprendido entre 0,9 (para el tratamiento químico más basto) y 0,97 (para el más fino). No obstante, si se desconoce dicho dato, se debe optar por elegir el valor más desfavorable, es decir, 0,9. 03 Maquinas electricas.indd 79 caso práctico inicial Las chapas magnéticas están aisladas por ambas caras para evitar que unas estén en contacto con otras, así se reducen los efectos de las corrientes de Foucault. 16/07/12 15:06 Unidad 3 80 a Figura 3.24. Detalle de chapas magnéticas que forman parte de un transformador. recuerda En la primera unidad puedes comparar mediante una gráfica las curvas de magnetización correspondientes a diferentes tipos de chapas utilizadas en máquinas eléctricas. saber más La chapa magnética se fabrica con un porcentaje de silicio (aproximadamente un 3%), haciendo así que el ciclo de histéresis sea más estrecho y que el núcleo presente menor remanencia. En función de su proceso de laminación, las chapas magnéticas pueden ser de dos tipos: • de grano no orientado, • de grano orientado. La laminación de las chapas de grano orientado se hace en frío (al contrario que las de grano no orientado), permitiendo así la ordenación de los cristales que la constituyen. Esto mejora la permeabilidad magnética y, con ello, el comportamiento ante la circulación de los campos magnéticos. El valor de pérdidas en el hierro lo facilita el fabricante y se da en unidades de potencia por unidad de masa (W/kg). La siguiente tabla muestra a modo de ejemplo las pérdidas en el hierro para ambos tipo de chapa a diferentes valores de inducción magnética y a dos frecuencias determinadas. PÉRdIdAS EN EL HIERRO MÁxIMAS dAdAS POR UN FAbRICANTE (W/Kg) Si se desconoce el dato de la inducción magnética de un tipo de chapa, se suele asignar 1 T para las de tipo de grano no orientado, y entre 1,3 y 1,5 T para las de grano orientado. Inducción magnética Chapa de grano orientado Chapa de grano no orientado 1,0 T 1,5 T 1,7 T 50 Hz 0,58 1,24 60 Hz 1,12 1,63 50 Hz 2,3 5,4 60 Hz 2,91 6,84 Chapa normalizada para transformadores La chapa para trasformadores de pequeña potencia (inferiores a 1500 VA) está normalizada y se distribuye con las formas E-I para facilitar el montaje del núcleo. En los transformadores de tipo monofásico, la columna central (C) de la chapa es el doble que las laterales. Todas las partes de este tipo de núcleo son proporcionales a dicha columna según se muestra en la figura 3.25. El paquete de chapas de un transformador debe fijarse mediante un juego de tornillos o pernos para formar un paquete compacto del conjunto. Esto evitará que con el funcionamiento se produzcan vibraciones. Tornillo Tubo aislante flexible 3·C C/2 4·C/2 a C/2 C/2 a C C/2 C/2 Figura 3.25. Dimensiones de la chapa E-I de transformadores monofásicos de pequeña potencia. 03 Maquinas electricas.indd 80 Figura 3.26. Aislamiento de tornillos. Los elementos de fijación deben estar aislados convenientemente mediante un tubo flexible o un manguito de material termoretráctil para evitar que las chapas queden conectadas entre sí. 16/07/12 15:06 Transformadores 81 En la siguiente tabla se muestran algunas medidas de chapas normalizadas E-I para transformadores. dIMENSIONES (mm) CHAPAS E-I PARA TRANSFORMAdORES MONOFÁSICOS Columna central Columnas laterales Longitud chapas E-I Altura chapa E Altura chapa I C C/2 3C 4C/2 C/2 14 42 42 28 7 16 8 48 32 8 20 10 60 40 10 22 11 66 44 11 Proporciones respecto a C 25 12,5 75 50 12,5 26 13 78 52 13 28 14 84 56 14 29 14,5 87 58 14,5 32 16 96 64 16 35 17,5 105 70 17,5 40 20 120 80 20 42 21 126 84 21 50 25 150 100 25 60 30 180 120 30 En los transformadores trifásicos todas las columnas son iguales. Así, de la misma forma que en las chapas destinadas a los transformadores monofásicos, las dimensiones de conjunto que forma el núcleo son proporcionales a una de estas columnas. La siguiente tabla muestra algunos tipos y medidas de chapas normalizadas E-I para transformadores trifásicos. dIMENSIONES (mm) CHAPAS E-I PARA TRANSFORMAdORES TRIFÁSICOS Ancho columnas 03 Maquinas electricas.indd 81 Ancho chapa I Altura chapa E Ancho chapas E-I C C 4C 5C 10 10 40 50 16 16 64 80 20 20 80 100 25 25 100 125 30 30 120 150 35 35 140 175 38 38 152 190 40 40 160 200 44 44 176 220 50 50 200 250 56 56 224 280 60 60 240 300 5·C C 4·C C C C C C a Figura 3.27. Dimensiones de las chapas E-I para transformadores trifásicos. caso práctico inicial La chapa magnética utilizada para los transformadores trifásicos es la misma que para los monofásicos; sin embargo, está troquelada de diferente manera. La de los monofásicos tiene una columna central que es el doble que las otras dos, y la de los trifásicos dispone de tres columnas iguales. 16/07/12 15:06 Unidad 3 82 3.3. Carretes aislantes saber más Los carretes disponen de orificios o ranuras en sus caras laterales que se utilizan para sacar al exterior los terminales de conexión de los devanados. Los carretes son los elementos destinados a alojar los devanados del transformador. Son de material aislante rígido y sus dimensiones se encuentran normalizadas. Desde el punto de vista del cálculo eléctrico del transformador, el área de la ventana del carrete (A x H) es el dato más importante, ya que la potencia está definida en función de la sección del núcleo magnético que en él se aloja. H Ventana del carrete a Sección del núcleo (Sn) Chapa magnética A Figura 3.28. Carrete aislante. Carrete a Figura 3.29. Detalle del núcleo magnético en el interior de un carrete. A continuación se muestra una tabla con las dimensiones de la ventana de algunos tipos de carretes comerciales. Más adelante, cuando se proceda al cálculo del transformador, tendremos que recurrir a ella. a Figura 3.30. Carrete en el interior de un núcleo acorazado. A 28 28 33 33 33 33 33 36 36 36 38 38 H 32 50 33 39 44 54 59 36 40 47 38 43 A 38 38 40 40 42 42 42 45 50 50 50 64 H 50 60 40 50 42 50 60 50 50 60 80 64 Para que el núcleo se pueda montar con facilidad, la columna de chapa debe tener un ancho de entre 1 y 3 mm menor que el ancho de la ventada del carrete. Además, la ventana del núcleo debe permitir alojar el devanado en ambos lados del carrete una vez que se ha bobinado sobre él. 3.4. Otros aislantes caso práctico inicial El carrete es el principal elemento de aislamiento entre el devanado y el núcleo. La construcción de un transformador de baja potencia requiere, además del carrete, otros materiales aislantes como son: • aislantes laminados flexibles para serpear eléctricamente los diferentes conductores que forman los devanados, • tubos flexibles para aislar los terminales que salen al exterior. Aislante entre capas Hilos del devanado secundario Hilos del devanado primario Carrete a Figura 3.31. Detalle de aislamiento de capas y terminales en la construcción de un devanado. 03 Maquinas electricas.indd 82 a Figura 3.32. Detalle de separación de las capas de los devanados. 16/07/12 15:06 Transformadores 83 4. Características eléctricas de un transformador A continuación se muestran algunas de las características que se deben tener en cuenta para proceder al cálculo de transformadores. • Tensión del primario (V1). Es la tensión en voltios con la que se va a alimentar el devanado primario del transformador. recuerda En corriente alterna se han de tener en cuenta tres tipos de potencias: Potencia aparente: • Tensión del secundario (V2). Es la tensión en voltios que se va obtener en los bornes del secundario tras la transformación. S = V · I (VA) • Caída de tensión. Es la diferencia de tensión que entrega el devanado secundario respecto a la que debería entregar una vez conectada una carga a la máxima potencia. P = V · I · cos φ (W) • Corriente del primario (I1). Corriente en amperios que circula por el devanado del primario. Potencia activa: Potencia reactiva: Q = V · I · sen φ (VAr) • Corriente del secundario (I2). Corriente en amperios que circula por el devanado del secundario. Las corrientes máximas, tanto del primario como del secundario, estarán dictadas por la potencia del transformador. • Frecuencia (F). Frecuencia en hercios de la red de alimentación. • Potencia aparente (S). La potencia aparente expresada en VA (Voltiamperios) es el resultado del producto de la tensión en el secundario por la corriente máxima que circula por ese devanado. S = V2 · I2 Dicho de otra forma, conociendo la potencia de un transformador en VA y la tensión del secundario V2, se puede calcular la corriente máxima I2 que puede circular por este devanado. Dicha potencia corresponde a la de un transformador ideal, ya que en la práctica hay que tener en cuenta la potencia que se disipa por las pérdidas en el cobre y en el hierro. • Densidad de corriente (J). Es la unidad de corriente eléctrica que circula por unidad de superficie, se mide en A/mm2. El dato de densidad de corriente se toma de forma empírica. Así, para un valor extremo de densidad, el transformador es económicamente rentable al utilizar un núcleo más pequeño y un diámetro de conductor más reducido. Sin embargo, se corre el riesgo de sufrir un calentamiento inaceptable en sus devanados, además de una importante caída de tensión. Por el contrario, si la densidad de corriente es baja en exceso, puede ocurrir que el devanado tenga tales dimensiones que no se pueda construir físicamente o bien que no sea rentable. A pesar de que el dato para la densidad de corriente se elige de forma experimental, aquí se muestra una tabla que puede servir como referencia para el cálculo. En ella aparecen diferentes valores en función de la potencia del transformador. Potencia ( VA) 5 10 50 100 200 1000 1500 2000 J (A/mm ) 6 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1,7 2 03 Maquinas electricas.indd 83 caso práctico inicial En el cálculo destinado a la construcción de transformadores, algunos datos son tomados de forma empírica. Es decir, se toman de forma arbitraria en función de los resultados obtenidos con la experimentación. Algunos de ellos son la densidad de corriente o el rendimiento. 16/07/12 15:06 Unidad 3 84 100% <100% PCu PFe Pérdidas en el hierro Pérdidas en el cobre (Primario y secuandario) a Potencia real Potencia ideal • Rendimiento. Un transformador es una máquina que dispone de un alto rendimiento (superior al 90%), no obstante, como ya sabes, en él se producen pérdidas en hierro (PFe) y el cobre (PCu), que hacen que la potencia del transformador, una vez conectado a plena carga, no corresponda con la calculada previamente. Si bien en transformadores de pequeña potencia, el dato del rendimiento puede obviarse, no ocurre lo mismo cuando se habla de transformadores de mayor potencia. Figura 3.33. Esquema general de potencia de un transformador real. El rendimiento se da en tanto por ciento (%) y se establece de forma empírica como el cociente entre la potencia activa del devanado secundario (P2) y la potencia activa del primario (P1), multiplicado todo por 100. caso práctico inicial El rendimiento de un transformador es más elevado a medida que aumenta su potencia. Como la potencia del primario es la suma de la potencia entregada a la carga y de las pérdidas en el cobre y en el hierro, se puede decir de forma aproximada que el rendimiento es: h= P2 P2 · 100 = · 100 P1 P2 + PFe + PCu No obstante, y para agilizar el cálculo sin necesidad de conocer las pérdidas en el hierro y en el cobre, se utilizarán los valores del rendimiento de esta tabla, establecidos de forma experimental en función de la potencia aparente del transformador. S (VA) 5 10 20 50 100 250 500 1000 2000 h (%) 63 71 78 84 89 93 95 96 96,5 ejemplo Si la tensión del secundario de un transformador monofásico es de 80 V y la corriente de 6 A, qué valores de densidad de corriente y del rendimiento serán necesarios para el diseño de los devanados del transformador. Solución La potencia aparente (S) en VA se calcula mediante la expresión: S = V2 · S2 = 80· 6 = 480 VA Conociendo la potencia aparente, la densidad de corriente y el rendimiento se toman de las tablas vistas anteriormente. En ambos casos el valor se elige para la potencia superior más próxima • La densidad de corriente es de J = 2 A/mm2 para el valor de potencia de 1 000 VA. • El rendimiento es del h = 95% para la potencia más próxima de 500 VA. 03 Maquinas electricas.indd 84 16/07/12 15:06 Transformadores 85 5. Cálculo de un transformador monofásico Existen dos variantes del cálculo de un transformador: • Tomando como referencia unos materiales de partida, como pueden ser la chapa magnética y el carrete, los cálculos se realizan con el objetivo de sacar la máxima potencia máxima para ellos. • Realizar los cálculos para conseguir una potencia determinada y eligir los materiales (carrete y chapa magnética) para conseguir dichos resultados. En cualquier caso, las expresiones de cálculo son las mismas, pero aplicadas inicialmente en un orden diferente. saber más Es importante conocer el ancho de la columna de la chapa, ya que puede ser algo menor que el ancho de la ventana del carrete. En este caso, la sección se puede calcular con mayor precisión con las dimensiones del núcleo y no con la ventana del carrete. Algunos datos para el cálculo de transformadores, tanto monofásicos como trifásicos, se toman de forma empírica, estos son: la inducción magnética de la chapa en Teslas, la densidad de corriente en A/mm2, el rendimiento y el factor por pérdidas en el cobre. En cualquiera de estos casos, dichos valores se seleccionarán desde alguna de las tablas que se han mostrado anteriormente. 5.1. Proceso de cálculo Los pasos 1, 2 y 3 son diferentes en función de si el cálculo se realiza para una potencia (caso 1) o para unos materiales (caso 2) determinados. Caso 1 Caso 2 caso práctico inicial Potencia Potencia ? La sección del núcleo es el área de la columna central de un transformador monofásico. De sus dimensiones depende la potencia del transformador. A mayor sección, mayor potencia, y viceversa. ? Sección del núcleo (Sn) ? ? ¿Potencia? ¿Potencia? Datos de partida Los datos conocidos en ambos casos son los siguientes: a Figura 3.34. Sección del núcleo magnético. V1: Tensión del primario en voltios. V2: Tensión del secundario en voltios. F: Frecuencia en Hz. En el contexto del caso 1: En el contexto del caso 2: Q: Potencia aparente (VA) que se desea conseguir. A y H: Dimensiones en cm del núcleo que se desea conocer. 03 Maquinas electricas.indd 85 16/07/12 15:06 Unidad 3 86 Paso 1 Para los dos casos se debe calcular la sección del núcleo magnético (Sn) en cm2. Conociendo la potencia aparente S es posible obtener de forma aproximada la sección del núcleo magnético. Conociendo la altura (H) y el acho (A) de ventana se puede obtener la sección del núcleo mediante el productos de ambos valores: Sn = k ⋅ S Sn = A ⋅ H La constante k permite optimizar la sección del carrete para una determinada sección de núcleo. Se puede omitir, pero es recomendable utilizar un valor de 1,1. Paso 2 En el caso 2 no tenemos aún el valor de la potencia aparente, lo calcularemos una vez conocida la sección del núcleo. S S= n k 2 Paso 3 (A partir de aquí, los cálculos son los mismos para ambos casos) Se calcula la corriente del primario: I1 = S V1 Paso 4 Se calcula la corriente del secundario teniendo en cuenta el rendimiento (h), que se elige en función de la potencia según la tabla vista con anterioridad. I2 = η ⋅ S V2 Nota. El rendimiento debe ser expresado en decimal. Para ello se divide la notación en % entre 100 y se obtiene el número que hay que utilizar. Paso 5 Se obtienen los voltios por espira: Vesp = 4, 44 ⋅ F ⋅ B ⋅ Sn F: Frecuencia en Hz B: Inducción en Teslas Sn: Sección del núcleo recuerda Con frecuencia se denomina arrollamientos a las bobinas de las máquinas eléctricas. 03 Maquinas electricas.indd 86 Los valores de la inducción se toman de forma empírica, siendo los habituales 1 T para las chapas de grano no orientado y 1,5 T para la chapas de grano orientado. En el segundo caso, incluso se podría llegar hasta valores de 1,7 T si el fabricante así lo dice. 16/07/12 15:06 Transformadores 87 saber más Paso 6 Se calculan las espiras de ambos devanados: N1 = V1 N2 = 4, 44 ⋅ F ⋅ Sn ⋅ B V2 4, 44 ⋅ F ⋅ Sn ⋅ B Siendo N1 el número de espiras del primario y N2 el número de espiras del secundario. En la ecuación para el cálculo de las espiras por devanado, el producto de la sección del núcleo por la inducción magnética representa el valor de flujo magnético en Weber. φ = Sn ⋅ B Paso 7 Los valores obtenidos en el paso anterior corresponden al transformador ideal sin considerar las pérdidas en el cobre. Para una aproximación real, se debe aplicar el factor de pérdidas en el cobre (KCu) sobre las espiras de ambos devanados. N1 real = N1 ⋅ K Cu N 2 real = N 2 ⋅ K Cu El valor KCu se elige en función de la potencia del secundario según se indica en la tabla correspondiente vista anteriormente. Paso 8 Se calcula la sección de los conductores (mm2) para los devanados primario y secundario según la densidad de corriente (J). Sprimario = I1 Ssecundario = J I2 J El valor de J se selecciona en función de la potencia en la tabla de densidades vista con anterioridad. vocabulario Español-Inglés Pérdidas en el hierro: iron loss Pérdidas en el cobre: copper loss Rendimiento: efficiency Resistencia del devanado: winding resistance Paso 9 Como los conductores de hilo esmaltados se eligen por diámetro y no por su sección, se calcula utilizando la expresión del área del círculo. ∅1 = 4 ⋅ Sprimario ∅2 = π 4 ⋅ Ssecundario π Se debe elegir el diámetro comercial superior más próximo. Paso 10 El valor calculado para la sección del núcleo Sn puede ser válido según se ha visto anteriormente. Sin embargo, en dicho cálculo no se ha considerado el aislamiento de las chapas. Por lo tanto, si el núcleo se ajusta apilando chapas para conseguir el valor de Sn, se estará cometiendo un error al no tener en cuenta el espacio ocupado por dicho aislamiento. Así, para calcular la ventana del carrete que permita alojar el núcleo real Snúcleo real de chapa magnética, debe dividir Sn por el factor de apilamiento (Kap). Snúcleo real = 03 Maquinas electricas.indd 87 Sn K ap 16/07/12 15:06 Unidad 3 88 Si el factor de apilamiento no se conoce por las características de dadas por el fabricante de la chapa magnética, se puede utilizar un valor de 0,9 como estándar Paso 11 Snr H=A A Snr H Se establecen las dimensiones A y H de la ventana del carrete. Conociendo la sección real del núcleo Snúcleo real y considerando que la ventana es cuadrada (A = H), se calcula uno de sus lados: A a A = Snúcleo real Figura 3.35. Área de ventanas en carretes. Así, se busca un carrete comercial cuyo ancho de venta coincida con el lado A. Si esto es así, el carrete debe tener una ventana coincidente en ancho y alto. Si no es posible hacer coincidir un carrete comercial con el resultado de A, se tomará uno próximo y se calculara la altura H de la siguiente manera. Número de chapas H= Snúcleo real A Paso 12 H Se selecciona el tipo de chapa eligiendo un espesor (Echp) y el ancho de columna para que se pueda alojar en el carrete. Conociendo el espesor de la chapa y la altura del carrete, se calcula el número de chapas necesarias para cubrir H. N chapas = a Figura 3.36. Número de chapas en la ventana de un carrete. H E chp ejemplo A continuación se muestra un ejemplo de cálculo de un transformado que tiene los siguientes datos de partida: • Tensión del primario V1: 230 V • Tensión del secundario V2: 100 V • Frecuencia F: 50 Hz • Potencia aparente S: 75 VA Datos empíricos, tomados de las tablas vistas anteriormente, para una potencia de 75 VA. • Se va a utiliza chapa de grano orientado de 1,3 T. • Rendimiento h de 84%. • Factor de pérdidas en el cobre KCu: 1,09 • Densidad de corriente 3,5 A/mm2. • Factor de apilamiento de la chapa Kap: 0,9 03 Maquinas electricas.indd 88 16/07/12 15:06 Transformadores 89 Para realizar el cálculo del transformador seguiremos los siguientes pasos: Paso 1 Hallamos la sección del núcleo a partir de la potencia deseada. Utilizamos un valor de 1,1 para la constante K. Sn = K ⋅ S = 1, 1⋅ 75 = 9, 53 cm2 Paso 2 En este caso no es necesario. Paso 3 Hallamos la corriente del primario. I1 = 75 S = = 0, 326 A V1 230 Paso 4 Hallamos la corriente del secundario para un rendimiento h del 84%. I2 = η ⋅ S 75 = 0, 84 ⋅ = 0, 63 A V2 100 Paso 5 Calculamos el número de voltios por espira. Vesp = 4, 44 ⋅ F ⋅ B ⋅ Sn = 4, 44 ⋅ 50 ⋅ 1, 3 ⋅ (9, 53 ⋅ 10−4 ) = 0, 275 V Nota. La sección el núcleo debe darse en m2, por eso se realiza la operación 9,53 cm2 = 9,53·10-4 m2. Paso 6 Calculamos el número de espiras de cada uno de los devanados. N1 = 230 V1 = = 837 espiras 4, 44 ⋅ F ⋅ Sn ⋅ B 0, 275 N2 = 100 V2 = = 364 espiras 4, 44 ⋅ F ⋅ Sn ⋅ B 0, 275 El número de espiras corresponde al de un transformador ideal sin pérdidas en el cobre. A continuación las consideraremos. Paso 7 El número de espiras reales aplicando un factor de pérdidas en el cobre (KCu) de 1,09 es: N1real = N1 ⋅ KCu = 837 ⋅ 1, 09 = 913 espiras N2 real = N2 ⋅ KCu = 364 ⋅ 1, 09 = 397 espiras (continúa) 03 Maquinas electricas.indd 89 16/07/12 15:06 Unidad 3 90 (continuación) Paso 8 Calculamos la sección de los conductores de ambos devanados teniendo en cuenta que la densidad de corriente para un transformador de 75 VA es 3,5 A/mm2. I1 0, 326 = = 0,093 mm2 3, 5 J S primario = S secundario = I2 0, 63 = = 0,18 mm2 J 3, 5 Paso 9 Hallamos el diámetro en cada caso. ∅1 = 4 ⋅ S primario = π ∅2 = 4 ⋅ S secundario = π 4 ⋅ 0, 093 = 0, 34 mm π 4 ⋅ 0, 18 = 0, 48 mm π Se deben elegir los diámetros comerciales más próximos. En este caso para el devanado primario será de 0,35 mm, y para el secundario de 0,5 mm. Paso 10 Sección real del núcleo teniendo en cuenta un factor de apilamiento de la chapa de 0,9. Snúcleo real = Sn 9, 53 = = 10, 59 cm2 K ap 0, 9 Paso 11 Consideraremos el carrete como cuadrado. Así, las dimensiones quedan: A= Snr = 10, 59 = 3, 3 cm 33 mm Se elige un carrete comercial de 33 x 33 mm de ventana. Paso 12 Número de chapas apiladas sabiendo que la chapa elegida es de 0,35 mm. Nchapas = H 33 = = 94 chapas Echp 0, 35 Finalmente, el transformador queda: 75 VA Primario: = 230 V = 50 Hz Espiras = 913 = 0,35 mm 03 Maquinas electricas.indd 90 Secundario: = 100 V = 50 Hz Espiras = 397 = 0,5 mm 16/07/12 15:06 Transformadores 91 6. Cálculo de transformadores trifásicos El cálculo de un transformador trifásico es similar al caso del monofásico; no obstante, debido a que el sistema de corriente es diferente y el número de bobinas que lo forman también, es necesario tener en cuenta algunos conceptos previos. 6.1. Número de bobinas y su conexión Un transformador trifásico está formado por un núcleo magnético de tres columnas del mismo ancho y sección. En cada una se arrollan las bobinas del primario y secundario de cada una de las fases (una por columna). Bornes Carretes Devandos de cada una de las fases Base /soporte Núcleo magnético a a Figura 3.37. Transformador trifásico (Cortesía de AIGER). Figura 3.38. Partes externas de un transformador trifásico. El número de terminales de conexión por fase será de al menos cuatro, dos para el primario y dos para el secundario. La identificación de cada uno de estos terminales se encuentra normalizada. Así, todos los terminales que pertenecen al primario comienzan con el número 1 y los correspondientes al secundario lo hacen con el número 2. Cada una de las fases se identifica con una letra: U, V y W. Para identificar si un terminal es el principio o fin de una bobina se indica con un 1 y un 2 respectivamente. Así, un terminal etiquetado como 1U1 indica que es del devanado primario, que pertenece a la fase U y que es el terminal de entrada de esta bobina. Si, por ejemplo, si está etiquetado como 2V2 indica que es un terminal del devanado 2, de la fase V y que es el terminal de salida de dicha bobina. recuerda Los terminales que finalizan en el mismo número son homólogos entre sí. En la siguiente figura se muestra cómo deben ser identificados los terminales de las bobinas de un transformador trifásico. Primario Primario 1U1 2U1 2U2 2V1 1U2 2V2 1V1 2W1 Secundario a 1V2 2W2 1W1 1W2 1U1 1V1 1W1 1U2 1V2 1W2 2U2 2V2 2W2 2U1 2V1 2W1 Secundario Figura 3.39. Identificación de terminales en las bobinas de un transformador trifásico. 03 Maquinas electricas.indd 91 16/07/12 15:06 Unidad 3 92 6.2. Posibilidades de conexión de los devanados Cada devanado esta formado por tres bobinas. Por tanto, hay dos posibilidades de conexión entre ellas: estrella y triángulo. No obstante, existe una tercera denominada Zig-Zag, que requiere que cada bobina sea dividida en dos en el momento de su construcción, de este modo la conexión entre tramos se realiza como una mezcla de estrella y triángulo. 1V1 1W1 1U2 1V2 1W2 2U2 2V2 2W2 Conexión estrella Conexión triángulo Conexión Zig-Zag Secundario Primario 1U1 a Figura 3.40. Diferentes tipos de conexión de las bobinas de un devanado. De esta forma habría hasta 60 posibles conexiones entre devanados del primario y del secundario. No obstante, no todas se utilizan ya que su funcionamiento es análogo, quedando reducidas a doce. Aquí se muestran solamente algunas de ellas. 2U1 2V1 2W1 a Figura 3.41. Transformador trifásico con conexión estrella-estrella. 1V1 En función de cómo se conecten las bobinas de ambos devanados, la tensión que llega a los bornes de sus bobinas (tensión de fase) puede ser diferente a la tensión del sistema de alimentación o de línea. Un transformador se comporta como un receptor en un sistema trifásico equilibrado. Así, la tensión de línea (V) entre las diferentes fases es idéntica, ocurriendo lo mismo con las tensiones de fase (Vf) entre los bornes de cada una de las bobinas. Primario 1U1 6.3. Relación de transformación 1W1 L1 L3 L2 V L1 V V V 1U2 1V2 2V2 V V 1W2 Vf Vf 2U2 L3 L2 Vf 2W2 Vf Vf Vf a 2U1 2V1 2W1 Secundario a Figura 3.42. Transformador trifásico con conexión triángulotriángulo. 03 Maquinas electricas.indd 92 Figura 3.43. Tensiones en un sistema trifásico equilibrado en triángulo y en estrella. Si las bobinas están conectadas en triángulo, la tensión de línea es la misma que la tensión de fase: V = Vf. Sin embargo, si las bobinas están conectas en estrella, la tensión de línea es 3 la de fase. Es decir: V = 3 ⋅ Vf Vf = V 3 16/07/12 15:06 Transformadores 93 La relación de transformación en los trasformadores trifásicos se obtiene de forma similar a la de los monofásicos. No obstante, esta depende de la forma de conexión (estrella o triángulo) de los devanados. Si la conexión en ambos devanados es la misma, es decir, estrella-estrella o triángulo-triángulo, la relación de transformación se establece como la relación entre las espiras del primario y las del secundario: m= N1 N2 Denominándose relación de transformación simple. De igual forma, si se conecta un voltímetro para medir la tensión de línea a la entrada del transformador, y otro para medir la tensión de línea a la salida del secundario, la relación de transformación se establece como: mc = V1 V2 Recibiendo el nombre de relación de transformación compuesta (mc) o de tensiones. Sin embargo, si la conexión de ambos devanados es diferente (primario en estrella y secundario en triángulo, o viceversa), la relación de transformación se obtiene en función de la relación existente entre la tensión de línea y la de fase de ambos devanados, teniendo en cuenta que en la conexión estrella la tensión de línea es 3 la de fase. Estrella-Triángulo Triángulo-Estrella 1V1 1W1 1U1 1V1 1W1 1U2 1V2 1W2 1U2 1V2 1W2 2U2 2V2 2W2 2U2 2V2 2W2 2U1 2V1 2W1 2U1 2V1 2W1 Secundario Secundario Primario Primario 1U1 mc = V1 V2 = 3 ⋅ Vf 1 = Vf 2 3 ⋅ N1 N2 mc = V1 V2 = Vf 1 3 ⋅ Vf 2 = N1 3 ⋅ N2 a Figura 3.44. Configuraciones Estrella-Triángulo y Triángulo-Estrella en transformadores trifásicos. 03 Maquinas electricas.indd 93 16/07/12 15:06 Unidad 3 94 6.4. Calculo para la construcción de un transformador trifásico Se puede decir que un transformador trifásico se calcula considerando que cada una de las columnas se comporta como un transformador monofásico. Así, partiendo de esta premisa, solamente es necesario conocer algunos datos iniciales para comenzar dicho cálculo. caso práctico inicial La potencia total de un transformador trifásico corresponde con la suma de las potencias individuales de cada una de sus columnas. • Potencia total. La potencia que aparece en las características del transformador o la que se desea conseguir para un diseño nuevo, es la correspondiente a la suma de las tres potencias parciales, una por fase o columna. Para realizar el cálculo es necesario conocer la potencia de una de las columnas (Sc). La obtenemos al dividir la potencia total (S) entre el número de columnas (3). Sc = Sección del núcleo (Sn) S 3 • Sección del núcleo. Como las tres columnas de un transformador trifásico son iguales, la sección del núcleo magnético utilizada para el cálculo es la sección de una de ellas. • Tensión de fase. Como los devanados de un transformador constituyen un sistema trifásico equilibrado, para realizar el cálculo es necesario conocer la tensión de una sola de las fases, tanto del primario como del secundario. a Figura 3.45. Sección de un núcleo de transformador trifásico. Si la conexión el devanado se realiza en triángulo, la tensión de fase corresponde con la de línea. Sin embargo, si alguno de los devanados está conectado en estrella, la tensión en cada una de las bobinas corresponde a la tensión de línea entre 3 , como se ha indicado anteriormente. ejemplo 400 V 1U 1V 1W A continuación se muestra un ejemplo de cálculo de un transformado trifásico (Estrella - Estrella) que tiene los siguientes datos de partida: Primario • Conexión primario - secundario: Estrella - Estrella. • Tensión del primario V1: 400 V • Tensión del secundario V2: 100 V Secundario 300 VA 50 Hz • Frecuencia F: 50 Hz • Potencia S: 300 VA (Potencia por columna 100 VA). Datos empíricos, tomados de las tablas vistas anteriormente, para una potencia de 100 VA por columna. • Se va a utiliza chapa de grano orientado de 1,3 T. 2U 2V 2W 100 V a Figura 3.46. Esquema con los datos eléctricos del transformador del ejemplo. 03 Maquinas electricas.indd 94 • Rendimiento h de 89%. • Factor de pérdidas en el cobre KCu: 1,08 • Densidad de corriente 3 A/mm2. • Factor de apilamiento de la chapa Kap: 0,9 16/07/12 15:06 Transformadores 95 Para realizar el cálculo del transformador seguiremos los siguientes pasos: La potencia por fase es: 300 VA = 100 VA 3 La tensión por fase (columna) en el primario, sabiendo que las bobinas se conectan en estrella, es: V Vf 1 = 3 = 400 V 230 V 3 La tensión por fase del secundario: V Vf 2 = 3 = 100 V 3 58 V Paso 1 Hallamos la sección del núcleo a partir de la potencia deseada. Utilizamos un valor de 1,1 para la constante K. Sn = K ⋅ S = 1, 1⋅ 100 = 11 cm2 Paso 2 En este caso no es necesario. Paso 3 Hallamos la corriente del primario. SC 100 = = 0, 43 A V1 230 I1 = Paso 4 Hallamos la corriente del secundario para un rendimiento h del 89%. I2 = η ⋅ SC 100 = 0, 89 ⋅ = 1, 53 A V2 58 Paso 5 Calculamos el número de voltios por espira. Vesp = 4, 44 ⋅ F ⋅ B ⋅ Sn = 4, 44 ⋅ 50 ⋅1, 3 ⋅ (11⋅10−4 ) = 0, 32 V Nota. La sección el núcleo debe darse en m2, por eso se realiza la operación 11 cm2 = 11 · 10–4 m2. Paso 6 Calculamos el número de espiras de cada uno de los devanados. N1 = N2 = Vf 1 4, 44 ⋅ F ⋅ Sn ⋅ B Vf 2 4, 44 ⋅ F ⋅ Sn ⋅ B = 230 725 espiras 0, 32 = 58 183 espiras 0, 32 (continúa) 03 Maquinas electricas.indd 95 16/07/12 15:06 Unidad 3 96 (continuación) El número de espiras corresponde al de un transformador ideal sin pérdidas en el cobre. A continuación las consideraremos. Paso 7 El número de espiras reales aplicando un factor de pérdidas en el cobre (KCu) de 1,08 son: N1real = N1 ⋅ KCu = 725 ⋅ 1, 08 = 783 espiras N2 real = N2 ⋅ KCu = 183 ⋅ 1, 08 = 198 espiras Paso 8 Calculamos la sección de los conductores de ambos devanados teniendo en cuenta que la densidad de corriente para un transformador de 100 VA es 3 A/mm2. S primario = S secundario I1 0, 43 = = 0, 15 mm2 3 J 1, 53 I = 2 = = 0, 51 mm2 3 J Paso 9 Hallamos el diámetro en cada caso. ∅1 = 4 ⋅ S primario = π ∅2 = 4 ⋅ S secundario = π 4 ⋅ 0, 15 = 0, 43 mm π 4 ⋅ 0, 51 = 0, 81 mm π Se deben elegir los diámetros comerciales más próximos. En este caso para el devanado primario será de 0,45 mm, y para el secundario de 0,8 mm. Paso 10 Sección real del núcleo teniendo en cuenta un factor de apilamiento de la chapa de 0,9. Snúcleo real = Sn 11 = = 12, 22 cm2 K ap 0, 9 Paso 11 Consideraremos el carrete como cuadrado. Así, las dimensiones quedan: A= Snr = 12, 22 3, 5 cm 35 mm Se elige un carrete comercial de 35 x 35 mm de ventana. Paso 12 Número de chapas apiladas sabiendo que la chapa elegida es de 0,35 mm. Nchapas = 03 Maquinas electricas.indd 96 H 35 = = 100 chapas Echp 0, 35 16/07/12 15:06 Transformadores 97 7. Ensayos y comprobaciones En la fase de desarrollo de una máquina eléctrica, como puede ser un transformador, los fabricantes realizan diferentes tipos de ensayos que permiten conocer las características y el comportamiento real del transformador, esto posibilitará su fabricación en serie de forma optimizada. Aquí los ensayos y comprobaciones se van a estudiar desde un punto de vista práctico (sin entrar en detalles matemáticos), que permitirán analizar los transformadores construidos en esta unidad. 7.1. Ensayo de vacío Este ensayo se realiza alimentando el primario con la tensión para la que ha sido diseñado y dejando sin carga (vacío) el devanado secundario. Las medidas a realizar sobre él son: • la tensión en los bornes del primario, • la tensión en los bornes del secundario, • la corriente en el devanado primario, • la potencia del primario. A V a vocabulario Español-Inglés Ensayo de transformadores: testing of transformers Ensayo de vacío: open circuit test Ensayo de cortocircuito: short circuit test Ensayo de carga: load test Comprobación de polaridad: polarity test W V V1 V2 Figura 3.47. Esquema para el ensayo de vacío. Este ensayo permite comprobar: • si en el secundario se obtiene la tensión para la que ha sido diseñado, • la relación de transformación del transformador m =V1/V2, • la corriente consumida por el transformador sin carga, • las pérdidas en el hierro (PFe) y en el cobre (PCu) que corresponden con la potencia medida que indica el vatímetro (las pérdidas en el cobre son tan bajas que se pueden despreciar, considerando así lo medido en el vatímetro sólo como pérdidas en el hierro). actividades 1. Sobre un transformador monofásico que se encuentre en perfecto funcionamiento, realiza las comprobaciones del ensayo de vacío y anota los resultados en la siguiente tabla. Concepto Valor obtenido en el ensayo Tensión primario V1 Tensión secundario V2 Pérdidas en el hierro (PFe) Relación de transformación (m) Corriente del primario I1 03 Maquinas electricas.indd 97 16/07/12 15:06 Unidad 3 98 7.2. Ensayo de carga saber más Es evidente que el ensayo en carga solamente se puede hacer con transformadores de baja potencia, ya que para los más grandes, por ejemplo, de distribución, es imposible disponer de cargas de semejantes características. Consiste en hacer funcionar el transformador en las condiciones para las que se ha diseñado, aplicando la tensión nominal del primario y conectando la carga máxima en el secundario. La carga debería ser regulable y permitir obtener el valor de máxima potencia del transformador. A V a vocabulario Español-Inglés Medidor de aislamiento: insulation tester Medidor de resistencia de asilamiento: insulation resistance tester Pinza amperimétrica: clamp-on tester Resistencia de los devanados: winding resistance A I1 I2 V V1 V2 Carga Figura 3.48. Esquema para el ensayo en carga. Las medidas a realizar son las mismas que para el ensayo de vacío, añadiendo un amperímetro para comprobar la corriente del secundario. Este ensayo permite conocer: • la caída de tensión que se produce en el secundario al comprobar cuál es su valor con o sin carga, • la relación de transformación del transformador en función de las corrientes de primario y secundario m =I2/I1. 7.3. Ensayo en cortocircuito saber más A Con los resultados del ensayo en cortocircuito se pueden calcular de forma indirecta otras características del transformador, por ejemplo, el rendimiento. Tensión regulable a V I1 W Pcu V1 A I2 Cortocircuito Este ensayo consiste en cortocircuitar el devanado secundario y aplicar una tensión muy reducida en el primario, de forma que pueda circular por sus devanados la corriente nominal. Para conseguir los valores reducidos de tensión, es necesario un sistema de tensión ajustable como puede ser un autotransformador regulable. Figura 3.49. Esquema para el ensayo en cortocircuito. La tensión de cortocircuito (VCC) se da de forma porcentual (%) en relación con la tensión nominal del transformador. Dicho porcentaje permite calcular la tensión que hay que aplicar al primario (vCC), para que por los devanados se establezca su corriente nominal, estando el secundario en cortocircuito. recuerda Las pérdidas en el cobre (PCu) se pueden calcular de forma directa conociendo la resistencia óhmica de cada uno de los devanados (R), así como las corrientes correspondientes. La expresión queda: PCu = R1 ⋅ I12 + R2 ⋅ I22 03 Maquinas electricas.indd 98 v cc = Vcc ⋅ 100 (%) V1 Con este ensayo se pueden deducir las pérdidas en el cobre de los devanados sin necesidad de trabajar con tensiones o cargas elevadas. En esta ocasión lo que marca el vatímetro corresponde con las pérdidas en el cobre. Aquí las pérdidas en el hierro se pueden despreciar debido a que la inducción del núcleo es muy débil, ya que se aplica una tensión de excitación muy baja. 16/07/12 15:06 Transformadores 99 7.4. Comprobación del aislamiento Esta comprobación se realiza para medir la resistencia de aislamiento entre los devanados, y entre estos y el núcleo. Para ello se utiliza el medidor de aislamiento o megaóhmetro (Megger), que proporcionará un valor óhmico muy elevado (MΩ), ya que si es de otra forma, se habrá detectado un problema de aislamiento. Para comprobar la resistencia de aislamiento entre devanados, se cortocircuitan todos los terminales del primario por un lado y todos los del secundario por otro, conectando ambos puntos de unión a cada uno de los bornes del instrumento de medida. MΩ Transformador monofásico a Cortocircuito Cortocircuito Cortocircuito Cortocircuito MΩ saber más Existe una prueba o ensayo para la comprobación de temperatura, que adquiere mayor importancia cuanto mayor es la potencia del transformador. Este ensayo consiste en tomar la temperatura de la máquina durante un tiempo determinado cuando está a plena carga. Esta medida se puede hacer por contacto directo de la sonda o termómetro con los devanados o el núcleo del transformador o, de modo contrario, sin contacto físico utilizando una cámara térmica o termográfica. Transformador trifásico Figura 3.50. Conexión para la medida de la resistencia de aislamiento entre devanados. La prueba de aislamiento entre el núcleo y los devanados se realiza manteniendo cortocircuitados los bornes de primario y secundario, conectándolos a una punta de prueba del medidor, bien por separado o bien juntos, y un punto (no aislado) del núcleo a la segunda punta de prueba. MΩ recuerda La comprobación de la prueba de aislamiento debe hacerse con el transformador desconectado de la red de alimentación y de la carga. MΩ Cortocircuito Cortocircuito Conx. al núcleo Transformador monofásico Cortocircuito MΩ Cortocircuito MΩ Núcleo Transformador trifásico a Figura 3.51. Conexión para la medida de la resistencia de aislamiento entre el núcleo y los devanados. 03 Maquinas electricas.indd 99 16/07/12 15:06 Unidad 3 100 ACTIVIdAdES FINALES 1. Di cuál es la relación de transformación de cada uno de estos transformadores. A B 230 V 48 V 12 V 230 V C D 1100 esp 0,6 A 345 esp 3,5 A 2. Un transformador dispone de 4 bobinas para el devanado primario y 4 para el secundario, cuyos terminales homólogos están marcados con un punto. En el primer caso cada bobina está diseñada para trabajar a 50 V y en el segundo a 25 V. Fíjate en las diferentes conexiones que se han realizado en los esquemas de la figura y di qué tensión habrá que aplicar al primario (U-V) y cuál es la que se obtendrá en el secundario (u-v) en cada uno de los casos. A C U B V U V 50 V 50 V 50 V 50 V 50 V 50 V 50 V 50 V 25 V 25 V 25 V 25 V 25 V 25 V 25 V 25 V u v U V u D v U V 50 V 50 V 50 V 50 V 50 V 50 V 50 V 50 V 25 V 25 V 25 V 25 V 25 V 25 V 25 V 25 V u v u v 3. Realiza los cálculos para construir un transformador monofásico con las siguientes características: Potencia V1 V2 Frecuencia Tipo de chapa 200 VA 230 V 48 V 50 Hz Grano orientado 0,35 mm Datos a calcular: datos generales devanados datos empíricos (tomados de tablas) Primario Ventana de carrete Rendimiento Espiras Número de chapas Densidad Diámetro de hilo Grosor de la chapa Inducción Corriente Columna de la chapa Pérdidas en el Cu Rela. de transformación (m) Factor apilamiento Secundario 4. Si en el taller dispones de un carrete cuya ventana es de 36 de ancho por 50 de alto, ¿qué potencia se puede obtener para un transformador monofásico construido sobre este carrete? Realiza el cálculo completo sabiendo que las chapas son de 0,5 mm de grano no orientado. Anota los resultados en una tabla similar la de la actividad anterior. 03 Maquinas electricas.indd 100 16/07/12 15:06 Transformadores 101 5. Construye el transformador monofásico propuesto en la práctica profesional número 1 y realiza las comprobaciones indicadas en la práctica número 2. 6. En un transformador trifásico se han diseñado las bobinas de cada una de las columnas para 135 V en el primario y 30 V en el secundario. Di a qué tensión de línea debe conectarse el primario y qué tensión se obtendrá en el secundario si se realizan las siguientes configuraciones: a) Estrella-Estrella c) Triángulo-Estrella b) Estrella-Triángulo d) Triángulo-Triángulo ¿Qué potencia se consigue en cada una de ellas si por cada columna se tienen 150 VA? 7. Construye el transformador trifásico de la práctica profesional número 3. 8. Realiza los cálculos para construir un transformador trifásico con las siguientes características: Potencia 1 000 VA V1 600 V V2 Frecuencia Tipo de chapa Conexión 50 Hz Grano orientado de 1,7 T 0,35 mm Estrella-Triángulo 100 V Datos a calcular: datos generales devanados datos empíricos (tomados de tablas) Primario Ventana de carrete Rendimiento Tensión por fase Número de chapas Densidad Corriente por fase Grosor de la chapa Inducción Espiras Columna de la chapa Pérdidas en el Cu Diámetro de hilo Rela. de transformación (m) Factor apilamiento Secundario entra en internet 9. Entra en Internet y busca información y catálogos de transformadores de gran potencia y distribución. Contesta a las siguientes preguntas: a) ¿Cuáles son las potencias normalizadas para este tipo de transformadores? b) ¿Cuáles son los sistemas de refrigeración habituales? c) ¿Son todos de tipo reductor? d) ¿Cuál es su clasificación según el número de fases con el que trabajan? e) ¿Qué se utiliza para hacer la conexión de los devanados con el exterior? f) ¿Qué es un relé de Buchholz? 03 Maquinas electricas.indd 101 16/07/12 15:06 Unidad 3 102 PRÁCTICA PROFESIONAL 1 HERRAMIENTAS • Herramientas básicas del electricista • Bobinadora manual • Accesorios de bobinadora construcción de un transformador monofásico • Devanador • Llaves Allen de diferentes tamaños • Taladro • Broca del diámetro del eje de la bobinadora • Peladora de hilo esmaltado. OBJETIVO Calcular y montar un transformador monofásico de baja potencia. PRECAUCIONES • Utiliza las herramientas y la bobinadora siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor. • Limas de madera • Calibre y micrómetro • Utiliza gafas y guantes para realizar las operaciones de corte y taladrado. MATERIAL • Taco de madera de 33x33 mm • Carrete de ventana 33x33 mm • El bobinado de las espiras en el carrete se debe hacer de forma cuidadosa, ya que de lo contrario podría ocurrir que no se pudieran alojar los dos devanados en el carrete. • 94 chapas magnéticas E DESARROLLO • 94 chapas magnéticas I • Hilo esmaltado de 0,35 mm • Hilo esmaltado de 0,45 mm • Tubo flexible de diferentes diámetros • Regletas de conexión • Aislantes flexibles laminados • Cinta aislante o de carrocero El montaje que se va a realizar en esta práctica profesional se basa en el ejemplo de cálculo del transformador monofásico realizado en esta unidad. Por tanto, es importante que conozcas con detalles cómo se han realizado dichos cálculos para así identificar cada una de las variables que se van a utilizar. Cálculo del transformador 1.Toma nota de los datos y resultados que vas a necesitar para realizar el montaje de transformador según los cálculos del ejemplo de la unidad. datos generales devanado primario devanado secundario Frecuencia de 50 Hz V1 de 230 V V2 de 100 V Ventana de carrete (AxH) de 33 x 33 mm 913 espiras 397 espiras Diámetro de hilo de 0,35 mm Diámetro de hilo de 0,5 mm Tipo de chapa de grano orientado Número de chapas E/I: 94 (de cada) Grosor de la chapa de 0,35 mm Columna de la chapa de 33 mm Preparación de materiales 2. Mide el cuerpo del carrete con un calibre. Con ese acho corta varias tiras del material aislante flexible. La longitud debe ser, por lo menos, 10 cm mayor que el perímetro de la ventana del carrete. 03 Maquinas electricas.indd 102 16/07/12 15:06 Transformadores 103 Las siguientes figuras muestran las características del carrete y de la cinta aislante: o erp Cu rrete ca el d Cuerpo del carrete a Figura 3.52. Medida para cortar las tiras de papel aislante. 3. Corta un taco de madera de la longitud del carrete. Si es necesario, utiliza las limas para adaptarlo a las dimensiones de la ventana del carrete. 4. Por el lado que corresponde al del área de la ventana del carrete, marca el centro y taládralo longitudinalmente con una broca del diámetro del eje de tu bobinadora. A Diámetro del eje de bobinadora a H o erp e Cu rret ca el d Figura 3.53. Taco de madera para el interior del carrete. 5. Inserta el taco en el interior del carrete. Fija el conjunto carrete/taco al eje de la bobinadora. Para ello utiliza platos roscados. Es importante que quede perfectamente fijado para evitar que gire libremente y resbale cuando se esté haciendo la operación de bobinado. 00000 Carrete montado en el eje de la bobinadora a Figura 3.54. Acople entre el taco de madera y el carrete. Montaje del devanado primario 6. Monta el carrete de hilo de 0,35 en el devanador y pásalo por el tensor de la devanadora como se ha indicado en unidades anteriores. Más tarde inserta un tramo de tubo o macarrón aislante por la punta del hilo esmaltado. Pásalo por uno de los orificios de las caras laterales de carrete de forma que el hilo esté cubierto unos centímetros en el interior. El tramo del hilo que sale fuera del carrete debe tener entre 15 y 20 cm para que las conexiones posteriores se puedan hacer con holgura. 7. Colocando a cero el contador de vueltas de la bobinadora, comienza con el bobinado del devanado primario. 03 Maquinas electricas.indd 103 16/07/12 15:07 Unidad 3 104 PRÁCTICA PROFESIONAL 1 (cont.) Es importante que todas las espiras queden bien juntas para aprovechar al máximo el espacio en el carrete. Procura que ningún hilo se monte sobre otra espira y que no queden huecos entre ellas. Hilo esmaltado Macarrón aislante a Figura 3.55. Inicio del bobinado primario. a Figura 3.56. Ejemplo de colocación de espiras en un devanado de transformador. 8. Completa la primera capa del devanado primario y anota en un papel el número de espiras que tiene. A continuación, toma una de las tiras de papel aislante que cortaste en uno de los pasos anteriores y cubre toda la capa de forma que el papel de un extremo se solape sobre el otro como medio centímetro. Coloca en dicha unión un poco de cinta aislante o cinta de carrocero para evitar que se suelte. Una vez que hayas dado varias vueltas del hilo en la nueva capa podrás retirar la cinta, ya que el propio hilo evitará que se suelte. Cinta adhesiva d Figura 3.57. Fijación de papel aislante entre capas del devanado. Papel aislante 9. Continúa el bobinado de la siguiente capa. En este caso, el bobinado debe hacerse de izquierda a derecha en el carrete. Así procederemos cada vez que finalicemos una nueva capa. Es habitual que la última capa de un devanado no ocupe todo el cuerpo del carrete, en ese caso debes finalizar en el lugar que le corresponda y atravesar el hilo hasta una de las ranuras próximas al lugar en el que se comenzó. 10. Corta con una tijera el hilo procedente de la devanadora, la longitud de esta terminación debe ser similar a la anterior, entre 15 y 20 cm. De igual forma que en el terminal de inicio, debes proteger el hilo esmaltado con un macarrón aislante. Ten en cuenta que los dos terminales de un devanado deben salir por el mismo lado de carrete. d Figura 3.58. Terminación del devanado primario. 11. Cubre con papel aislante la última capa de este devanado, retira el carrete de 0,35 mm del devanador y coloca el de 0,45, enhebrando el hilo en el tensor. Montaje del devanado secundario 12. El devanado secundario podría comenzarse y terminarse por una cara diferente al del primario. Esto dependerá de cómo se desee configurar su caja de bornes externa. Aquí se ha optado por sacar los dos devanados por el mismo lado de carrete. 13. Realiza todos los pasos vistos anteriormente y recuerda poner a cero el contador de espiras de la bobinadora y anotar en un papel cuántas se han dado por capa. 03 Maquinas electricas.indd 104 16/07/12 15:07 Transformadores 105 14. Evita que queden hilos cruzados y montados en las capas y que el papel aislante no tenga arrugas o dobleces. Ten la precaución de realizar el devanado secundario en el mismo sentido y orden que el primario. De esta forma los terminales homólogos corresponderán a los que están representados en la figura siguiente. c Figura 3.59. Devanados terminados. 15. Cierra con papel aislante el devanado secundario. Para ello puedes utilizar cinta adhesiva o pegamento de barra aplicado en el lugar en el que se solapa el papel aislante. Afloja los platos roscados de la bobinadora y saca el carrete del eje. Enchapado del transformador 16. Prepara las chapas del transformador e insértalas en el interior del carrete. Primero debes colocar una chapa E por el lado izquierdo y una I por el derecho. Después inviertes el orden de inserción, es decir, una chapa I por el lado derecho y otra E por el izquierdo. Esta alternancia en la inserción de chapas, permitirán que las de un tipo queden entrelazadas con las del otro y así formar un núcleo lo más compacto posible. Chapa I Chapa E a 4 1 2 Orden de inserción 3 Figura 3.60. Orden de inserción. 17.Una vez insertadas todas las chapas en la ventana del carrete, coloca los tornillos, convenientemente aislados, en el interior de los orificios. Apriétalos para que el conjunto no vibre cuando sea alimentado. Finalmente, utilizando la peladora de hilos esmaltado, retira el barniz de los terminales que salen fuera del transformador. A continuación, conéctalos a un grupo de regletas como se muestra en la figura. Secundario Primario a Figura 3.61. Transformador completamente terminado. 18.El transformador está terminado y listo para ser comprobado como se indica en la siguiente práctica profesional. 03 Maquinas electricas.indd 105 16/07/12 15:07 Unidad 3 106 PRÁCTICA PROFESIONAL 2 HERRAMIENTAS comprobación y ensayo de un transformador monofásico • 2 voltímetros • 2 amperímetros o 1 pinza amperimétrica • Vatímetro de baja potencia OBJETIVO • Medidor de aislamiento • Autotransformador regulable (Variac) Comprobación y ensayo del transformador monofásico construido en la práctica profesional anterior. • Polímetro con sonda de temperatura • Módulo de carga regulable PRECAUCIONES MATERIAL • No manipules los instrumentos de medida ni sus conexiones con el circuito en tensión. • El transformador monofásico montado en la práctica anterior o cualquier otro que se desee comprobar • Utilizando el medidor de aislamiento (Megger) no debes tocar la parte metálica de las puntas de prueba en el momento de hacer la medida, ya que inyecta altas tensiones (1000 V) en el circuito a comprobar. • Cables de conexión para instrumentos de medida • Lámparas de 230 W de diferente potencia para atizarlas como carga DESARROLLO Prueba de vacío 1. Sobre el transformador construido en la práctica profesional anterior monta el circuito necesario para realizar el ensayo de vacío según el esquema de la siguiente figura. Tensión del primario V 100 250 500 A 10 0,5 0 0 Editex Intensidad del primario J.C.M.Castillo Editex Pérdidas en el hierro PFe W Tensión del secundario (en vacío) 20 V 0 J.C.M.Castillo Editex V 100 250 500 0 Editex J.C.M.Castillo J.C.M.Castillo A 230 Vca L N Primario Secundario Transformador a Figura 3.62. Montaje a realizar para la prueba de vacío. Nota. Para medir la corriente puede utilizarse una pinza amperimétrica en lugar de un amperímetro. 03 Maquinas electricas.indd 106 16/07/12 15:07 Transformadores 107 2. Anota los valores obtenidos en la siguiente tabla: Magnitud a medir Tensión del secundario V2 Tensión del primario V1 Potencia en vacío. Pérdidas en el hierro Corriente del primario Relación de transformación Valor Prueba de carga Esta prueba solamente se puede realizar si se dispone de la carga adecuada para conseguir la potencia máxima del transformador. En el taller de pruebas esto solamente es posible si el transformador es de baja potencia. Aquí se propone la utilización de cargas de tipo resistivo como pueden ser varias lámparas conectadas en paralelo hasta conseguir la potencia adecuada. No obstante, sería interesante que la comprobación se realizara con receptores con componente inductiva, como pueden ser motores monofásicos. No obstante, existen módulos didácticos de carga que pueden ser empleados de forma óptima para esta prueba. 3. Realizar el montaje siguiendo el esquema del ensayo en carga visto en la unidad. Tensión del primario V 100 250 500 0 Editex Intensidad del primario Tensión del secundario 10 A V 0,5 0 J.C.M.Castillo 100 A 250 500 Editex J.C.M.Castillo 10 0,5 0 0 Editex Intensidad del secundario Editex J.C.M.Castillo J.C.M.Castillo Carga 230 Vca L N Primario Secundario Transformador a Figura 3.63. Montaje a realizar para el ensayo en carga. 4. Conectar varias lámparas de 230 V en paralelo hasta conseguir la potencia máxima del transformador, alimentar el circuito con corriente alterna y dejarlo funcionado 2 ó 3 minutos. Anota los resultados en la siguiente tabla y deducir los que correspondan. Magnitud a medir o deducir Tensión del primario V1 Tensión del secundario V2 Caída de tensión del secundario tomando el valor de V2 del ensayo de vacío Corriente del primario I1 Corriente del secundario I2 Relación de transformación I m= 1 I2 Valor 03 Maquinas electricas.indd 107 16/07/12 15:07 Unidad 3 108 PRÁCTICA PROFESIONAL 2 (cont.) Prueba de cortocircuito 5. Realizar el montaje siguiendo el esquema del ensayo en cortocircuito visto en la unidad. J.C.M.Castillo VARIAC JCMC Editex I Tensión del Intensidad Pérdidas en primario del primario el cobre Pcu V 100 250 500 A 10 0,5 W 0 0 J.C.M.Castillo Editex editex 50 ||| ||||||||| ||| ||| ||||| ||||||| ||||||| ||||| V 10 0,5 Editex ||| ||| 0 Editex J.C.M.Castillo J.C.M.Castillo A L N 0 Primario ||| || ||| | 0 A 0 J.C.M.Castillo V |||| 20 I Editex ||| Corriente de cortociruito 0 10 Secundario Variac Transformador a Figura 3.64. Montaje a realizar para el ensayo en cortocircuito. 6. Conecta un amperímetro en el secundario, que equivaldría a colocarlo en cortocircuito. Nota. Si utilizas una pinza amperimétrica, debes conectar un cable entre los dos bornes del secundario y tomar la medida sobre él. 7. Conecta un voltímetro, un amperímetro y un vatímetro en el primario de forma similar a la prueba de vacío realizada antes y conecta, también, los bornes de alimentación a la salida de un Variac. 8. Antes de conectar el conjunto a la red eléctrica de alimentación, asegúrate de que el autotransformador está en su mínimo valor de tensión (0 V). Alimenta el Variac y aumenta lentamente el valor de tensión del primario, observa el valor marcado por el amperímetro del secundario hasta llegar a su valor nominal. Recuerda que la tensión de cortocircuito en forma porcentual debes calcularla según la expresión vista en la unidad. 9. El vatímetro indica las pérdidas en el cobre, ya que alimentando el transformador con una tensión reducida, la inducción del núcleo es tan pequeña que las pérdidas en el hierro se desprecian. Magnitud a medir o a deducir Valor Tensión del primario VCC Tensión de cortocircuito VCC (%) Recuerda que V1 es la tensión nominal para la que ha sido diseñado el transformador. 100 vCC = VCC ⋅ (%) V1 Corriente del primario I1 Corriente del secundario I2 (corriente de cortocircuito) Medidas del vatímetro. Pérdidas en el cobre (PCu) 03 Maquinas electricas.indd 108 16/07/12 15:07 Transformadores 109 Medida de aislamiento 10. Retira todos los instrumentos y conexiones realizados en las pruebas anteriores, puentea los bornes del devanado primario con un hilo de 1,5 mm2. Haz lo mismo con los bornes del devanado secundario. Finalmente, conecta las puntas de prueba del medidor de aislamiento. 11. Realiza la medida según se indica en las instrucciones del instrumento y anótala en la tabla, mantén una punta de prueba en el puente del devanado primario y conecta la otra a un punto metálico del núcleo que no esté aislado. Para asegurarte de que la continuidad en dicho punto es buena, utiliza una lima pequeña o lija para retirar cualquier partícula de esmalte o pintura que pueda tener el transformador. Seguridad. Recuerda que no debes tocar las puntas de prueba cuando estás realizando la medida, ya que en ellas se presenta una tensión elevada. 12. Realiza la misma comprobación para el otro devanado respecto al núcleo. Medidor de aislamiento Medidor de aislamiento MOD. J.C.M.C 2012 MOD. J.C.M.C 2012 2500 V 1000 V 500 V 600 V Off Primario Secundario 2500 V 1000 V 500 V 600 V Off Primario Transformador Transformador a Secundario Figura 3.65. Medida de aislamiento entre devanados, y entre devanados y núcleo magnético. 13. Anotemos los resultados en ambos casos. Tipo de medida Aislamiento entre devanados Aislamiento entre el primario y el núcleo Aislamiento entre el secundario y el núcleo Valor Otras comprobaciones A) Medida de temperatura 14. Coloca un termómetro o la sonda de temperatura de un polímetro junto al núcleo. 15. Conecta el transformador a plena carga y mantén este modo de funcionamiento durante 5 minutos. Anota los valores máximos conseguidos para la temperatura. Una vez hecho lo anterior, coloca el termómetro o la sonda de temperatura junto a los devanados del transformador. 16. Realiza la comprobación nuevamente durante 5 minutos y anota los resultados. B) Comprobación de ruido y vibraciones 17. Durante el tiempo que dura la comprobación de temperatura escucha si el transformador emite un ruido excesivo. Comprueba también los tornillos que fijan las chapas por si alguno no estuviera los suficientemente apretado. 03 Maquinas electricas.indd 109 16/07/12 15:07 Unidad 3 110 PRÁCTICA PROFESIONAL 3 HERRAMIENTAS • Herramientas básicas del electricista • Bobinadora manual • Accesorios de bobinadora construcción de un transformador trifásico • Devanador • Llaves Allen de diferentes tamaños • Taladro • Broca del diámetro del eje de la bobinadora • Peladora de hilo esmaltado. OBJETIVO Calcular y montar un transformador trifásico de baja potencia. PRECAUCIONES • Calibre y micrómetro • Utiliza las herramientas y la bobinadora siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor. • Polímetro • Utiliza gafas y guantes para realizar las operaciones de corte y taladrado. MATERIAL • El bobinado de las espiras en el carrete se debe hacer de forma cuidadosa, ya que de lo contrario podría ocurrir que no se pudieran alojar los dos devanados en el carrete. • Limas de madera • Hilos esmaltados del diámetro fijado • Taco de madera del tamaño de la ventana del carrete • Tres carretes del tamaño de la ventana obtenida en el cálculo • Número de chapas magnéticas E/I obtenidas en el cálculo • Tubos flexibles de diferentes diámetros DESARROLLO El montaje que se va a realizar en esta práctica profesional se basa en el ejemplo de cálculo del transformador trifásico realizado en la unidad, pero en este caso con la conexión del secundario en triángulo. Por tanto, es importante que conozcas con detalles cómo se han realizado dichos cálculos para así identificar cada una de las variables que se van a utilizar. • Regletas de conexión • Aislantes flexibles laminados • Cinta aislante o de carrocero 1. Toma nota de los datos y resultados que vas a necesitar para realizar el montaje de transformador según los cálculos del ejemplo de la unidad. datos generales devanado primario devanado secundario V1 de 400 V V2 de 100 V Potencia de 300 VA 752 espiras por bobina 183 espiras por bobina Frecuencia de 50 Hz Diámetro de hilo de 0,45 mm Diámetro de hilo de 0,8 mm Conexión Estrella-Triángulo Ventana de carrete (AxH) de 35 x 35 mm Tipo de chapa de grano orientado Número de chapas E/I: 100 (de cada) Grosor de la chapa de 0,35 mm Columna de la chapa de 33 mm 03 Maquinas electricas.indd 110 16/07/12 15:07 Transformadores 111 2. Recuerda los pasos realizados en la práctica profesional para la construcción de un transformador monofásico. Construye de esa manera los devanados de las tres columnas del transformador e introduce las chapas en las ventanas de los tres carretes. 3. Sigue el mismo sistema que para el transformador monofásico, es decir, coloca una chapa E por el lado derecho y una I por el izquierdo. Después invierte el orden de inserción, es decir, una chapa I por el lado derecho y otra E por el izquierdo. Esta alternancia en la inserción de chapas permitirá que las de un tipo queden entrelazadas con las del otro formando así un núcleo lo más compacto posible. 3 a 2 1 4 Figura 3.66. Colocación de las chapas en un transformador trifásico. 4. Aprieta los pernos de unión entre chapas para que el conjunto quede lo más compacto posible y sin holguras. No olvides cubrirlos con un material aislante (tubo flexible o funda termoretráctil) para evitar que toque las chapas. Después, etiqueta adecuadamente cada uno de los terminales de los devanados. 1U1 1U2 2U1 2U2 1V1 1V2 2V1 2V2 1W1 1W2 2W1 2W2 a Figura 3.67. Etiquetado de los terminales. 5. Utilizando la peladora de hilo esmaltado retira unos 50 mm del aislante en cada uno de los terminales y coloca regletas o bornes de conexión en cada uno de ellos. a Secundario 2W2 2W1 1W2 2V2 1W1 2V1 1V2 1V1 2U2 2U1 1U2 1U1 Primario 6. Une con puentes los terminales finales de cada una de las bobinas para hacer la conexión estrella entre ellos. A continuación, extrae tres hilos para el primero y otros tres para el secundario. Figura 3.68. Conexión de terminales. 7. Conecta los bornes del primario a una red de 400 V y, con un voltímetro, comprueba la tensión en los bornes del secundario. 03 Maquinas electricas.indd 111 16/07/12 15:07 Unidad 3 112 MUNDO TÉCNICO otros tipos de transformadores Transformadores de medida Son transformadores utilizados en instalaciones en las que se trabaja con valores de tensión y corriente muy elevados, y en las que es necesario realizar medidas exactas de valores seguros. Pueden ser de dos tipos, de tensión y de corriente. • De tensión. Son similares a los transformadores de alimentación vistos en la unidad, están diseñados para conectar a su devanado secundario un instrumento de medida voltimétrico y separarlo galvánicamente del circuito principal. • De corriente. Permiten adaptar los niveles de corriente a valores medibles y seguros. Disponen de un devanado primario que se conecta en serie con la carga. Este puede tener forma de bobina, barra o ser el propio cable por el que circula la corriente a medir. En ambos casos, se debe tener en cuenta la relación de transformación para elegir adecuadamente el instrumento de medida. Algunas relaciones de transformación normalizadas son 75/5, 100/5, 200/5, 600/5, 800/5, 1000/5, 5000/5, etc. Así, si se elige un transformador de medida con una relación de transformación de 200/5, implica que por cada 5 unidades medidas por el instrumento, tenemos 200 reales en la instalación. a Figura 3.70. Transformador de corriente de barra pasante (Cortesía de Circuitor). a Figura 3.69. Transformador de corriente de ventana (Cortesía de Siemens / Circuitor). Transformadores de aislamiento Son también denominados de seguridad o separadores. En este tipo de transformadores no es importante reducir o elevar tensión, ya que su misión es separar galvánicamente el circuito del usuario del de la alimentación principal. Suelen disponer de una relación 1/1, aunque existen modelos con otras relaciones de transformación. L1 L1’ 230 V d Figura 3.71. Transformador de aislamiento (Cortesía de c2ei). 230 V Al circuito de usuario N N’ PE a Figura 3.72. Esquema de conexión de un transformador de aislamiento. Se utilizan en lugares que requieren garantizar al máximo la seguridad de las personas, por ejemplo, en laboratorios, instalaciones médicas o barcos. No obstante, también se utilizan en instalaciones en las que queremos acondicionar la red eléctrica evitando las perturbaciones del circuito principal, por ejemplo, en sistemas informáticos para el tratamiento de datos, instalaciones de sonido profesional, instalaciones de instrumentación médicas, etc. 03 Maquinas electricas.indd 112 16/07/12 15:07 Transformadores 113 EN RESUMEN TRANSFORMAdORES Conceptos iniciales Clasificación de los transformadores Relación de transformación Por nivel de tensión Pérdidas de los transformadores Por número de fases de alimentación Terminales homólogos Por su construcción Materiales constructivos de los transformadores Cálculo de transformadores Construcción de transformadores (monofásicos y trifásicos) Ensayo y comprobación EVALÚA TUS CONOCIMIENTOS 1. Las pérdidas en el hierro son debidas a: Resuelve en tu cuaderno o bloc de notas 3. La potencia de un transformador se define según: a. la resistencia de los devanados. a. la sección del conductor. b. las corrientes de Foucault. b. el número de espiras del secundario. c. la histéresis magnética. c. la sección del núcleo. d. la tensión de cortocircuito. 2. Cuanto mayor es la potencia de un transformador, su rendimiento es menor. a. Verdadero. 03 Maquinas electricas.indd 113 b. Falso. 4. Si en un transformador triásico se sabe que la potencia por columna es de 100 VA, la potencia total es: a. 100 · 3 b. 100 · 3 c. 100 / 3 16/07/12 15:07 4 Máquinas rotativas de corriente continua vamos a conocer... 1. Principio de funcionamiento de máquinas de corriente continua 2. Constitución de máquinas de corriente continua 3. Tipos de conexión entre devanados 4. Devanados en máquinas de corriente continua PRÁCTICA PROFESIONAL 1 Desmontaje de una máquina rotativa de corriente continua PRÁCTICA PROFESIONAL 2 Bobinado del devanado de excitación de una máquina de corriente continua PRÁCTICA PROFESIONAL 3 Bobinado del inducido de una máquina de corriente continua PRÁCTICA PROFESIONAL 4 Comprobación de inducidos MUNDO TÉCNICO Equilibrado de máquinas rotativas y al finalizar esta unidad... Conocerás cuál es el principio de funcionamiento de las máquinas de corriente continua. Identificarás los elementos que forman los circuitos magnéticos y eléctricos de estas máquinas. Diseñarás diferentes tipos de devanados de inducidos. Representarás gráficamente los diferentes tipos de devanados de las máquinas de corriente continua. Construirás devanados de excitación y del inducido de una máquina de corriente continua. Comprobarás el correcto funcionamiento de los diferentes tipos de devanados. 04 Maquinas electricas.indd 114 17/07/12 08:08 115 CASO PRÁCTICO INICIAL situación de partida bornes que están etiquetados como A-B y no han obtenido ninguna medida. Después de sacar las escobillas y comprobar que están en perfecto estado, se ha decidido desmontar la máquina y llevarla hasta el recién montado taller de bobinados de la empresa MantenExpress. Allí, al retirar una de las tapas de la carcasa, se ha observado, además de percibir un fuerte olor a quemado, que las bobinas ubicadas en el rotor están deterioradas debido al calor. Parece evidente que el devanado se ha destruido y que es necesario su rebobinado. La empresa MantenExpress ha recibido un encargo para reparar un motor instalado en una antigua máquina de transporte de chapa. En una primera comprobación in situ los técnicos han observado que no es una máquina trifásica de corriente alterna como es habitual en la actualidad. Según los empleados encargados de operar la instalación, dicho motor movía un sistema de transferencia de chapa en un sentido y otro, y todo a diferentes velocidades. El operario más veterano indica que al motor ya se le había realizado una profunda revisión hacía bastantes años, y que en ella se habían cambiado, entre otras operaciones de mantenimiento, las escobillas y los rodamientos. En esta ocasión, el fallo parece que es interno, ya que después de un bloqueo del eje, la máquina comenzó a humear y a oler a quemado eléctrico. Las protecciones de la instalación se dispararon y, una vez restituidas, la máquina no respondió a ninguna de las maniobras efectuadas desde el cuadro de control. • solamente dispone de dos líneas de escobillas, Al abrir la caja de bornes del motor, Fermín y Abel han comprobado la continuidad con un polímetro entre dos de los cuatro • de cada ranura salen 8 terminales de bobinas, que se conectan a las diferentes delgas del colector. Al desmontar la máquina se ha observado lo siguiente: • el estator dispone de 4 piezas polares de gran tamaño y otras 4 de un tamaño mucho más reducido, • todas las delgas del colector tienen dos terminales de diferentes bobinas, estudio del caso Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después analiza cada punto del tema con el objetivo de contestar el resto de preguntas de este caso práctico. 1. ¿Por qué la máquina tiene un devanado en el rotor y otro en el estator? 7. ¿Qué indica que a cada delga del colector lleguen dos terminaciones de bobinas de la armadura? 2. ¿Cuál de los devanados es el encargado de la excitación? 8. ¿Qué significa que todas las bobinas del devanado averiado estén montadas con 5 ranuras entre sus lados activos? 3. ¿Cómo se denomina el elemento de conmutación para alimentar las bobinas del rotor? 4. ¿Qué misión tienen los polos de pequeño tamaño que están intercalados entre los principales? 5. ¿Por qué los bornes de la máquina están etiquetados como J-K A-B? 9. ¿Por qué de cada ranura salen 8 terminales que se conectan a las delgas? 10. ¿Por qué la máquina reparada solamente dispone de 2 líneas de escobillas y, sin embargo, tiene 4 piezas polares? 6. ¿Cuántos polos tiene la máquina? 04 Maquinas electricas.indd 115 17/07/12 08:08 Unidad 4 116 1. Principio de funcionamiento de máquinas de corriente continua Atendiendo a los principios de inducción electromagnética estudiados en la primera unidad, si una espira o bobina se mueve en el interior de un campo magnético inductor cortando sus líneas de fuerza, en ella se genera una fuerza electromotriz que puede ser utilizada en el exterior mediante un sistema de conmutación denominado colector. En este caso la máquina funciona como generador (dinamo), ya que es capaz de transformar energía mecánica (la producida en el giro de la bobina) en eléctrica (la obtenida en los terminales del colector). ro Gi a Figura 4.1. Generador elemental. Si por el contrario, por dicha bobina o espira se hace circular una corriente eléctrica, esta genera un campo magnético con diferente polaridad en cada uno de sus lados activos. Si dicha polaridad se hace coincidir con la del campo inductor, la bobina produce un par de fuerzas que la hace girar sobre su eje. Así, como el colector, que está dividido en dos zonas de contacto (delgas), gira también, la conmutación hace que el sentido de la corriente se mantenga siempre en el mismo lado del campo, conservando así la polaridad del campo inducido respecto al campo principal y, por tanto, el giro continuado de la bobina. r Pa a Figura 4.2. Motor elemental. Todas las máquinas de corriente continua son reversibles, ya que pueden transformar energía mecánica en eléctrica, y viceversa. Es decir, pueden funcionar como generador (dinamo) o como motor. 04 Maquinas electricas.indd 116 17/07/12 08:08 Máquinas rotativas de corriente continua 117 No obstante, en la actualidad el uso de las máquinas de corriente continua como generadores (dinamos) está prácticamente en desuso o restringido a aplicaciones muy específicas y aisladas. Por este motivo, aunque algunos conceptos de los expuestos a continuación podrían aplicarse al funcionamiento de la máquina como generador, el estudio se centrará en el caso de actuar esta como motor. 1.1. Funcionamiento del motor elemental en corriente continua En la siguiente secuencia de imágenes se muestra cómo una espira es alimentada (para su funcionamiento como motor) desde un sistema de conmutación (colector) con dos delgas (A y B). En la posición inicial (1) la delga A es alimentada desde el positivo de la fuente de alimentación. Teniendo en cuenta el sentido de las líneas de fuerza del campo inductor (N-S) y el sentido de la corriente que circula por el conductor, se originará un par de fuerzas que producirá un giro de la espira sobre su propio eje según la regla de la mano izquierda. En esa situación el par es máximo (línea de par máximo). Si la espira logra vencer la posición (2) en la que las dos delgas cortocircuitan el sistema de alimentación y, por tanto, el par es nulo, la delga B pasa a la posición (3) en la que queda conectada al positivo de la alimentación. De esta forma, el lado activo opuesto de la espira es recorrido por una corriente del mismo sentido, presentándose nuevamente el par de fuerzas inicial, haciendo girar la espira de forma continuada. F La entrada de corriente en el conductor se representa mediante un aspa (x) y la salida mediante un punto (·). F N F B recuerda S N S N F A A A S B B – a + 1 – 2 + – 3 + Figura 4.3. Principio de funcionamiento del motor en corriente continua. Así, en el motor de una única espira o bobina, se puede observar gráficamente cómo el par cambia de sentido si el campo de excitación se mantiene fijo y se invierte el sentido de la corriente en la bobina. F F N S F Giro en sentido horario a N S F Giro en sentido antihorario Figura 4.4. Inversión del sentido de giro del motor de una espira. 04 Maquinas electricas.indd 117 I a Figura 4.5. Representación del sentido de la corriente en un conductor. 17/07/12 08:08 Unidad 4 118 Si la máquina dispone de varias bobinas y, por tanto, de un mayor número de delgas, de forma que la conmutación permita que en todos los conductores que están enfrentados a un polo se induzca una fuerza electromotriz del mismo sentido, el par de fuerzas se mantendrá constante, haciendo que giren de forma continuada sobre su propio eje. De igual forma que con solo una espira, si se invierte el sentido de la corriente de las bobinas, también lo hará el sentido del par de fuerzas y, con ello, el giro del motor. F N F S N S F a F Figura 4.6. Inversión del sentido de giro de un motor con varias bobinas. 2. Constitución de máquinas de corriente continua Una máquina de corriente continua esta forma principalmente por un circuito magnético y dos circuitos eléctricos. 2.1. Circuito magnético El circuito magnético está formado por una parte fija, ubicada en el estator, y otra móvil en el rotor. Sobre ellas se encuentran bobinados los dos circuitos eléctricos. Tambor de rotor (Armadura) Carcasa Piezas polares saber más Base Se denomina entrehierro al espacio de aire que existe entre las dos partes del circuito magnético. Entrehierro a Figura 4.8. Entrehierro. 04 Maquinas electricas.indd 118 a Figura 4.7. Partes del circuito magnético en una máquina de corriente continua. El circuito magnético fijo está constituido por piezas o masas polares, tantas como polos tiene la máquina. Estas piezas, que pueden ser de tipo saliente o ranurado, se fijan a la carcasa o culata de la máquina, que se encargará de cerrar dicho circuito magnético. 17/07/12 08:08 Máquinas rotativas de corriente continua 119 recuerda A continuación se muestran los dos casos. De igual forma que en los transformadores, el uso de finas chapas en el circuito magnético disminuye los efectos de las corrientes parásitas o de Foucault. a Figura 4.9. Circuito magnético del inductor (piezas polares de tipo saliente y ranurado). El circuito rotativo es un tambor cilíndrico de chapa magnética que se encuentra ranurado de forma axial. Se le suele denominar armadura y por su centro pasa el eje de la máquina, en el cual también se encuentra embutido el colector de delgas y los rodamientos. a a Figura 4.10. Detalle de una pieza polar formada por chapas magnéticas. Figura 4.11. Detalle del circuito magnético del inducido y de su armadura. 2.2. Circuito eléctrico caso práctico inicial El circuito eléctrico está constituido por dos partes bien diferenciadas: el inductor y el inducido. El circuito inductor Las máquinas rotativas de corriente continua requieren dos devanados: uno denominado inductor y otro inducido, instalados en el estator y en el rotor respectivamente. Se encuentra alojado en el estator y bobinado sobre las piezas polares. Es el encargado de generar el campo magnético fijo que se induce sobre el circuito del rotor. Está constituido por bobinas de grandes dimensiones, cuyo número es igual al de polos que tiene la máquina. El inductor también recibe el nombre de excitación o devanado de excitación. Culata (carcasa) Piezas polares Bobinas inductoras a 04 Maquinas electricas.indd 119 Figura 4.12. Detalle de un circuito inductor de dos polos. 17/07/12 08:09 Unidad 4 120 saber más En el símbolo de una máquina de corriente continua los dos devanados se representan por separado. Inducido M El número de pares de polos debe ser siempre par, de forma que la polaridad se presente de forma alternativa (N-S-N-S…). El centro de cada uno de los polos se denomina eje polar, habiendo tantos como pares de polos tenga la máquina. El ángulo entre dos polos consecutivos siempre debe ser el mismo. El eje situado entre dos polos se denomina línea neutra, y sobre ella los efectos magnéticos serán nulos. Así, una máquina de corriente continua tiene tantas líneas neutras como pares de polos. N Inductor a Figura 4.13. Símbolo de un motor de corriente continua. N S S S N Máquina bipolar a Línea neutra Eje polar Máquina tetrapolar Figura 4.14. Número de polos en máquinas de corriente continua. El circuito inducido Se encuentra alojado en el rotor. Su devanado consta de numerosas bobinas que se sitúan en las ranuras del tambor y que, además, se encuentran conectadas al exterior a través del sistema de conmutación. Tambor de chapas magnéticas Colector de delgas Rodamiento Devanado del inducido a Figura 4.15. Devanado de una máquina de corriente continua. El elemento de conmutación caso práctico inicial El elemento de conmutación que permite conectar el devanado del rotor con el circuito exterior se denomina colector. 04 Maquinas electricas.indd 120 Es uno de los elementos más importantes de este tipo de máquinas. Se encarga de conectar eléctricamente los devanados del inducido con el circuito exterior, bien para entregar energía en el caso de los generadores, bien para recibirla en el caso de los motores. El conjunto de conmutación es el que más desgaste sufre debido al funcionamiento de la máquina, por tanto, también es el elemento que más atención requiere al realizar las tareas de mantenimiento y reparación. Debido a esto, el sistema de conmutación, especialmente en máquinas de gran potencia, es accesible desde el exterior para su supervisión y comprobación sin necesidad de desmontar la máquina. 17/07/12 08:09 Máquinas rotativas de corriente continua 121 Tres aspectos son importantes al hilo del elemento de conmutación: Colector Es un tambor formado por pequeñas láminas de cobre denominadas delgas. A estas láminas se conectan los terminales de las numerosas bobinas que forman el circuito del inducido. Las delgas están aisladas entre sí, y también de los otros elementos metálicos de la máquina mediante un material no conductor que suele ser mica o micanita. saber más La micanita es un material dieléctrico que está compuesto por finas láminas de mica adheridas entre sí por medio de goma o laca. Sobre el colector se apoyan las escobillas, que son las encargadas de establecer la conexión eléctrica con el inducido a través de las delgas. Cable de conexión Escobilla Colector a Figura 4.16. Colector de delgas. a Figura 4.17. Detalle de escobilla sobre colector. Las escobillas son normalmente de grafito, aunque en algunas ocasiones se fabrican también de latón. Pueden aparecer de numerosas formas y configuraciones, pero la más común cuenta con un cable flexible para su conexión a la caja de bornes de la máquina y con un muelle-resorte para un apoyo óptimo sobre el colector. a Figura 4.18. Diferentes tipos de escobillas (Cortesía de Sintercarbo, S.A.). La escobilla es el elemento de una máquina eléctrica que más hay que cambiar en tareas de mantenimiento. Por ese motivo, los fabricantes instalan portaescobillas que facilitan esta tarea sin necesidad de desmotar la máquina. a Figura 4.19. Detalle de dos escobillas de una máquina eléctrica. La presión de las escobillas sobre el colector suele ser ajustable mediante algún tipo de resorte o tensor. En ningún caso el acceso a las escobillas debe hacerse con la máquina en funcionamiento, ya que además de ser perjudicial para la máquina, es muy peligroso para la persona que las manipula. 04 Maquinas electricas.indd 121 17/07/12 08:09 Unidad 4 122 Colocación de escobillas vocabulario Español-Inglés Escobillas de carbón: carbon brush Motor de corriente continua: DC motor Motor de CC con escobillas: brushed DC motor Excitación independiente: separately excited Excitación en paralelo: Shunt excited La misión del elemento de conmutación es mantener el mismo sentido de la corriente en los haces activos de una bobina. Esto debe ocurrir cuando las dos delgas de la bobina han girado lo suficiente como para situarse entre las dos escobillas, siempre con la polaridad invertida. El paso de delga en el colector es muy corto, por lo se garantiza de esta manera que el par del motor sea prácticamente constante, ya que cuando una bobina sale de la línea de máximo par (eje polar) ya ha entrado otra. Para que la conmutación se realice de forma eficiente las escobillas deben ubicarse en las líneas neutras. Así, una máquina dispondrá de tantas líneas de escobillas como líneas neutras. Línea neutra N a + S – Eje polar Figura 4.20. Fijación de las escobillas en la línea neutra. Las máquinas de gran potencia y de gran tamaño recurren a la instalación de líneas de escobillas, así el rozamiento en toda la longitud del tambor del colector es uniforme. Reacción del inducido Cuando los devanados de una máquina de corriente continua funcionando como motor son atravesados por una corriente eléctrica, en ellos se generan sendos campos magnéticos cuyas líneas de fuerza son similares a los mostrados en la figura. Línea neutra N S Inductor a a Figura 4.22. Detalles de líneas de escobillas en máquinas con colectores de grandes dimensiones. 04 Maquinas electricas.indd 122 Línea neutra N S Inducido Figura 4.21. Campos generados en inductor e inducido de un motor de corriente continua. El campo del inducido se presenta de forma transversal al de inductor. Si la máquina (en este caso motor) no tiene carga, ambos campos se mantienen como en las figuras. 17/07/12 08:09 Máquinas rotativas de corriente continua 123 Sin embargo, cuando se aplica a la máquina una carga (en este caso una resistencia mecánica en su eje), la corriente del inducido aumenta y, por tanto, también lo hará el campo generado en él. Este efecto produce una distorsión del campo inductor que genera el desplazamiento de la línea neutra un determinado número de grados. A este efecto se le denomina reacción de inducido, y es necesario tenerlo en cuenta para realizar el calado correcto de las escobillas, de lo contrario se producirá un exceso de chispas en ellas y en el colector que podrían dañar la máquina. saber más Si la máquina funciona como generador (dinamo), la línea neutra se desplaza en el sentido opuesto al del motor. Por tanto, para que una máquina pueda pasar de generador a motor, y viceversa, siempre es necesario realizar el calado de las escobillas en el sentido adecuado. Desplazamiento de la línea neutra N Motor Generador S a Figura 4.23. Calado de escobillas en motor y en generador. a Figura 4.24. Distorsión del campo inductor debido a la reacción del inducido. Polos auxiliares o de conmutación Los efectos producidos por la reacción del inducido son asumibles en máquinas de pequeña potencia y en aquellas cuya carga es constante. Sin embargo, en máquinas de gran potencia cuya carga cambia de forma continuada, es necesario realizar el calado de las escobillas cada vez que se produce un cambio. Para evitar el desplazamiento de la línea de escobillas debido a la reacción del inducido se colocan en la culata los denominados polos de conmutación o polos auxiliares. caso práctico inicial Llamaremos polos de conmutación a las piezas polares de menor tamaño. Se instalarán para evitar el desplazamiento de la línea de escobillas debido a los efectos de la reacción del inducido. Los polos de conmutación son piezas polares, de menor tamaño que las piezas polares principales, que se ubican en la línea neutra de la máquina. Su devanado se conecta en serie con el inductor y genera un campo de compensación que evita la distorsión del campo de excitación y, también, la necesidad de realizar el desplazamiento de la línea de escobillas. Línea neutra Polos de conmutación S N Calado de escobillas a S N saber más El número de pares de polos de conmutación debe ser igual al número de pares de polos del devanado principal. Figura 4.25. Polos de conmutación en una máquina de corriente continua. 04 Maquinas electricas.indd 123 17/07/12 08:09 Unidad 4 124 3. Tipos de conexión entre devanados saber más Excepto la máquina independiente, todas las demás reciben el nombre de autoexcitadas. En función de cómo se conecten los devanados (inducido e inductor) entre sí, se pueden conseguir las siguientes configuraciones: • máquina serie, • máquina Shunt o derivación, • máquina compuesta (Compound), • máquina de excitación independiente. + + + – E E F F A B A B A B C D C D J K + B Serie a Shunt Compound Independiente – + – A – – Figura 4.26. Tipos de conexión entre devanados. No todos los devanados son intercambiables para conseguir las diferentes configuraciones aquí propuestas. Por ejemplo, un devanado inductor diseñado para una conexión serie, no puede conectarse en Shunt, y viceversa, ya que el número de espiras y el diámetro del conductor con el que está construido son diferentes. Sin embargo, el devanado inductor para un motor Shunt puede utilizarse sin problemas en una máquina con conexión independiente. 3.1. La caja de bornes caso práctico inicial Que los bornes de la máquina estén etiquetados como A-B J-K implica que esta opera como un motor de excitación independiente. Los bornes de cada uno de los devanados están etiquetados según la configuración para la que han sido diseñados. Generalmente, este tipo de máquinas dispone de cuatro bornes de conexión en su caja de bornes, excepto la máquina Compound que dispone de seis. – + + Alimentación 1 + – A B A B A B E F C D J K – Máquina serie a Máquina Shunt Máquina independiente – Alimentación 2 + Figura 4.27. Cajas de bornes en diferentes tipos de motores de corriente continua. Las conexiones entre devanados de máquinas autoexcitadas se realizan con puentes que facilita el fabricante o mediante latiguillos que debe construir el técnico de montaje. 04 Maquinas electricas.indd 124 17/07/12 08:09 Máquinas rotativas de corriente continua 125 + + A – E A F Máquina serie a – + – B C – – Alimentación 1 – B + En la figura se muestra cómo deben conectarse los terminales de los devanados en los diferentes tipos de máquinas para que inviertan su sentido de giro. – + + Para invertir el sentido de giro de un motor de corriente continua, se debe cambiar sentido de la corriente en uno de sus devanados. Esto hace que se invierta el par en el inducido, produciendo en consecuencia el cambio en el sentido de giro del motor. Desde el exterior de la máquina esto se realiza permutando los cables de alimentación, bien en los bornes del devanado inducido, bien en los bornes del devanado inductor. Por otro lado, para evitar que el motor se acelere demasiado, en la práctica siempre se recomienda invertir las conexiones del inducido en lugar de las del inductor (excitación). + 3.2. La inversión del sentido de giro A D J Máquina Shunt B K Máquina Independiente – Alimentación 2 a Figura 4.28. Sentido de giro en motores: antihorario (arriba) y horario (abajo). + Figura 4.29. Conexión de bornes para la inversión del sentido de giro. 3.3. El arranque de los motores de corriente continua En el momento de su arranque un motor de corriente continua genera una sobrecorriente que puede ser perjudicial, tanto para la instalación de alimentación como para los devanados de la propia máquina. Para disminuir dicha corriente se conecta un reóstato en serie con el devanado inducido. Así, cuando el motor alcanza su funcionamiento nominal, en velocidad y en corriente, el reóstato se anula. ejemplo recuerda La siguiente figura muestra cómo se conecta el reóstato en serie con el inducido para el arranque de un motor Shunt. 1 2 3 1 4 3 2 4 + – + – Fusibles Editex 10 A JCMC + – 0,5 I 0 Editex I J.C.M.Castillo Potencia A editex ||| |||| 50 ||| |||||| ||| ||| ||| ||||| ||||||| ||| |||| |||| | 100 Reóstato de arranque ||| | – || Reóstato ||| ||| ||| 0 A C a El REBT en la instrucción ITC-BT-47 establece que la constante máxima de proporcionalidad entre la intensidad de la corriente de arranque y la de plena carga, en los motores de corriente continua, debe ajustarse a los siguientes valores: B D + A B - E F Constante De 0,75 kW a 1,5 kW 2,5 De 1,5 kW a 5,0 kW 2,0 De más de 5,0 kW 1,5 Figura 4.30. Arranque de un motor Shunt. (continúa) 04 Maquinas electricas.indd 125 17/07/12 08:09 Unidad 4 126 (continuación) La puesta en tensión de la máquina debe hacerse con el reóstato a máxima resistencia. Así, disminuiremos progresivamente el valor óhmico hasta que el motor consiga su velocidad nominal, en cuyo caso el valor de la resistencia debe ser cero. Observa lo que ocurre con la corriente. 3.4. Variación de velocidad La velocidad de un motor de corriente continua es directamente proporcional a la tensión del inducido VAB e inversamente proporcional al campo de excitación Φ. La constante K es propia de la máquina y es definida por el fabricante en función el número de polos, de espiras y de derivaciones del devanado. N= recuerda En un motor en derivación, si se desconecta el devanado inductor con el motor en marcha, este se embala de forma peligrosa. También puede producirse este efecto en motores en serie si no se coloca carga en el eje. VAB K·Φ Así, es fácil comprender que si se varía la tensión del devanado inducido o si se modifica el campo del inductor, variando la corriente que por él circula, también lo hace la velocidad de la máquina. V+ V– V+ V– Reóstato Regulación a par constante a saber más En la actualidad la regulación de velocidad se realiza utilizando medios electrónicos. Reóstato Regulación a potencia constante Figura 4.31. Conexión del reóstato de regulación de la velocidad. La forma clásica de regular la velocidad en un motor de corriente continua se basa en insertar un reóstato de potencia adecuada en serie con uno de los devanados. Si bien esta forma es sencilla y eficaz desde el punto de vista eléctrico, no lo es tanto desde el punto de vista del montaje y de la instalación, ya que los reóstatos de regulación son dispositivos voluminosos. Si el reóstato se conecta en el circuito del inducido, la regulación de velocidad se realiza a par constante; sin embargo, si se conecta en el circuito inductor, se dice que la regulación se realiza a potencia constante. En la actualidad el arranque y la regulación de velocidad en máquinas de corriente continua, cuando esta funciona como motor, se realiza utilizando medios electrónicos. Esto presenta las siguientes ventajas: • Menor espacio en el cuadro de control. • Mayor facilidad en el ajuste y configuración. • Mejor interconexión con otros sistemas de control industrial, como pueden ser los autómatas programables. 04 Maquinas electricas.indd 126 17/07/12 08:09 Máquinas rotativas de corriente continua 127 Analizando las curvas de variación de velocidad y tomando en este caso como referencia un motor Shunt o uno con excitación independiente, se puede comprobar cuál es el comportamiento de la máquina. • Variación de velocidad regulando la tensión del inducido. En la curva se observa cómo al regular la tensión del inducido VAB, la velocidad varía de forma constante. En este caso se ha representado una línea recta que corresponde a la variación de velocidad del motor sin carga. No obstante, si el motor dispone de un par resistente en su eje, esta puede no ser exactamente una recta, debido a las deformaciones del flujo producidas por el efecto de la reacción del inducido. Velocidad N VAB Tensión del inducido a Figura 4.32. Curva de tensión inducida-velocidad. Na N Embalamiento Velocidad • Variación de la velocidad regulando la corriente de excitación. En la curva se observa cómo al disminuir la corriente de excitación, la velocidad del motor aumenta. En este caso hay un punto crítico de corriente Ia, que indica que al disminuir demasiado la intensidad de la excitación, la máquina tiende a embalarse, aumentando de forma peligrosa su velocidad. Nn Ia a In Iexc Corriente excitación Figura 4.33. Curva de corriente de excitación-velocidad. 3.5. Característica de velocidad Se denomina característica de velocidad a la curva que representa el comportamiento de un motor cuando sobre su eje aumenta la carga y se mantiene invariable la tensión de alimentación. 04 Maquinas electricas.indd 127 17/07/12 08:09 Unidad 4 128 Supondremos un circuito para el funcionamiento de un motor de excitación independiente o uno de excitación Shunt. Una vez arrancado, si se mantiene la tensión de alimentación al motor, tanto del inducido como de la excitación, al modificar el valor de la carga en su eje, se observa que la velocidad y la corriente del inducido cambian. Hay que tener en cuenta que en los motores de derivación, debido a que se encuentran autoexcitados, la velocidad tiende a autorregularse. Además, dicha variación de velocidad no es superior al 10%, lo que significa que en este tipo de motores, la velocidad se mantiene estable aunque se modifique su carga. 3.6. Característica de par Velocidad El par interno del motor se relaciona directamente con el flujo de la excitación y con la corriente del inducido. Así, si el flujo generado por el campo de excitación no varía, el par motor dependerá de forma proporcional de la corriente del inducido. N IAB Corriente del inducido a Figura 4.34. Característica de par. 3.7. Característica par-velocidad También denominada característica mecánica, se representa mediante una curva en la que se relaciona el par motor con la velocidad. En ella se observa cómo el par útil disminuye de forma constante a medida que la velocidad aumenta. Así, el par se mantiene constante a velocidad nominal. El par de arranque es muy elevado, pero también lo es la corriente absorbida en ese instante. Par Pn N Nn a 04 Maquinas electricas.indd 128 N0 Figura 4.35. Característica par-velocidad. 17/07/12 08:09 Máquinas rotativas de corriente continua 129 4. Devanados en máquinas de corriente continua En este apartado se estudiará el diseño de los devanados en máquinas de corriente continua desde el punto de vista de su esquema y su ejecución. El cálculo eléctrico o redimensionado de la máquina se sale de los objetivos de estos estudios, por lo que aquí solamente se trabajarán los conceptos y habilidades correspondientes a la reparación e, incluso, al rebobinado de una máquina de corriente continua sin modificar sus características eléctricas. Bobina encintada Hueco para la pieza polar Fundas aislantes 4.1. Devanado inductor o de excitación El devanado inductor o de excitación se encuentra instalado en el estator y dispone de tantas bobinas como número de polos tiene la máquina. Además, si está prevista la instalación de polos de conmutación, debe añadirse un número de bobinas auxiliares igual al número de polos principales. Terminales del hilo esmaltado a Figura 4.36. Bobina polar o inductora. Cada bobina debe generar un polo magnético. Así, al menos debe haber dos bobinas de signos contrarios para generar un campo magnético de excitación. Las bobinas están formadas por numerosas espiras de hilo esmaltado con dos terminales de conexión. Estos se utilizarán para la conexión de las otras bobinas del mismo devanado al interior de la caja de bornes. Todo el conjunto se cubre con cinta de algodón y posteriormente se impregna de barniz. a Figura 4.37. Detalle de una bobina inductora en un polo de tipo saliente y extraíble. Las bobinas del devanado inductor se construyen teniendo en cuenta el tipo de excitación de la máquina, ya que no es lo mismo una bobina destinada a una máquina con excitación en serie que a una de tipo Shunt. La conexión entre bobinas inductoras se hace en serie de modo que los signos de los polos magnéticos sean contrarios para bobinas contiguas (N-S-N-S, etc.). Así, para una máquina bipolar deben conectarse dos bobinas, para una tetrapolar cuatro bobinas, y así sucesivamente. El signo del polo es fácil de identificar, dando por supuesto un sentido de la corriente en la bobina y aplicando la regla de la mano derecha o la regla del sacacorchos. La siguiente figura muestra cómo se consiguen los polos en dos bobinas que estén situadas en un mismo plano y con la misma posición del arrollamiento del conductor. 04 Maquinas electricas.indd 129 a Figura 4.38. Forma de averiguar la polaridad de la bobina. 17/07/12 08:09 Unidad 4 130 Quedaría del siguiente modo: S d Figura 4.39. Conexión de bobinas inductoras en una máquina bipolar (derecha) y conexión simplificada (izquierda). caso práctico inicial Si una máquina dispone de 4 bobinas de gran tamaño, significa que tiene cuatro polos. I I N I I Sin embargo, cuando dichas bobinas se encuentran situadas en la carcasa de la máquina, la disposición de terminales puede estar cambiada respecto al esquema anterior. En este caso es necesario conocer el sentido de arrollamiento del conductor y aplicar la regla de la mano derecha en cada uno de los polos. ejemplo En la siguiente máquina se representa la conexión de las bobinas instaladas en la culata de una máquina bipolar. Rotor c Figura 4.40. Conexión de bobinas inductoras en una máquina bipolar. importante Podría ocurrir que por motivos constructivos, y para facilitar la conexión entre bobinas en el interior de la máquina, algunos fabricantes opten por realizar el arrollamiento del hilo de las bobinas polares en sentido contrario unas de otras. Esto habrá que tenerlo muy en cuenta en el momento de la conexión entre ellas, pues así conseguimos polos de diferente signo. Así, si las bobinas se representan con la cara o lado que mira hacia el rotor, la conexión de ambas bobinas es la siguiente: N S I I c Figura 4.41. Conexión de bobinas. actividades 1. Dibuja cómo sería la conexión de las bobinas inductoras para una máquina rotativa de 4 polos. 04 Maquinas electricas.indd 130 17/07/12 08:09 Máquinas rotativas de corriente continua 131 4.2. Devanado del inducido o de la armadura El devanado del inducido se aloja en el rotor y se conecta al exterior a través del dispositivo de conmutación. N Cabezas de las bobinas Ranuras con haces activos de las bobinas Colector Parte inferior de bobinas Tambor S Conexiones de terminales de bobinas al colector a Ranuras con los conductores de las bobinas a Figura 4.42. Conductores en el tambor del inducido. Figura 4.43. Partes del inducido de una máquina de corriente continua. Todos los inducidos que se realizan en la actualidad son de tipo tambor. En ellos todas las bobinas se alojan en las ranuras de un núcleo con forma cilíndrica fabricado en chapa magnética. Los terminales se conectan a las delgas del colector. Cada devanado está formado por un número determinado de bobinas, cuyos terminales (al menos 2) se encuentran entre dos delgas diferentes del colector siguiendo un criterio geométrico que se verá más adelante. Bobina Ranuras del rotor Conexiones de los terminales a Delgas Figura 4.44. Bobina en inducido. Para facilitar la representación de esquemas de devanados, las bobinas se dibujan con un solo hilo, representado sus cabezas, lados activos y terminales de conexión. En los esquemas no se representan las ranuras, aunque de forma opcional pueden aparecer con un número para identificar el orden en el devanado. Cabeza de bobina Lados activos en ranuras Número de ranura 3 4 5 6 Terminales de bobinas en delgas a 04 Maquinas electricas.indd 131 Figura 4.45. Representación de una bobina. 17/07/12 08:09 Unidad 4 132 Secciones inducidas importante Todas las secciones inducidas de una bobina deben ser iguales en el número de espiras y en el diámetro del conductor. Una bobina se divide en diferentes partes que se alojan en las mismas ranuras y que poseen sus propios terminales de conexión. A cada una de ellas la llamamos sección inducida. Así, una bobina con una sola sección inducida dispone de dos terminales de conexión. Si son dos las secciones inducidas, tiene cuatro terminales de conexión, y así sucesivamente. 1 sección inducida a saber más Las secciones inducidas se realizan en el momento de construcción de la bobina, colocando tantos hilos en paralelo como secciones inducidas se deseen conseguir. 2 secciones inducidas 3 secciones inducidas Figura 4.46. Bobinas con una o varias secciones inducidas. En cierto modo se puede decir que las secciones inducidas son en realidad bobinas independientes que se alojan en las mismas ranuras de la armadura. El número de secciones inducidas S de un devanado es igual al número de delgas del colector D. S=D De igual forma, el número de secciones inducidas por bobina u es el resultado de dividir el número de delgas D del colector entre el número de ranuras de la armadura K. u= saber más Las bobinas de máquinas de gran potencia se construyen con pletinas en lugar de usar hilo esmaltado. D K En los esquemas de devanados los lados activos que van en el interior de las ranuras se pueden representar de dos formas: 1. Utilizando líneas individuales de trazo continuo para las de la primera capa (salientes), y utilizando líneas de trazo discontinuo para las de la segunda (entrantes). 2. Utilizando líneas de color grueso, una para primera capa y otra para la segunda. De ellas saldrán las cabezas de cada una de las secciones inducidas. 3 a Figura 4.47. Bobina preformada (Cortesía de Telsen.net). 04 Maquinas electricas.indd 132 Forma 1 a Forma 2 Figura 4.48. Formas de representación de las secciones inducidas en un devanado. 17/07/12 08:09 Máquinas rotativas de corriente continua 133 4.3. Clasificación de los devanados Los devanados de los inducidos se clasifican según diferentes criterios: recuerda Según el número de capas por ranura Representaremos la capa superior como el conjunto de haces activos salientes de una bobina. La capa inferior representará el de los entrantes. En los esquemas los primeros aparecerán con línea continua y los segundos en línea discontinua. Aparecen distintos casos en función del número de bobinas que ocupan una ranura. Los devanados pueden ser de una o de doble capa. Los devanados de una capa son aquellos en los que una ranura es ocupada solamente por los conductores de una sola bobina. Los devanados de dos capas son aquellos en los que la ranura es ocupada en dos niveles por los lados activos de dos bobinas. Dos capas por ranura a Representación abreviada Figura 4.49. Devanados de doble capa. Es evidente que aquellos devanados que requieran más de una sección inducida en sus bobinas, todas ellas estarán en su capa correspondiente. a 3 secciones por capa 2 secciones por capa 1 sección por capa Figura 4.50. Secciones inducidas por capa. En los devanados que requieren más de una sección inducida, los lados activos de la bobina saliente de una ranura se colocan en la capa superior y los entrantes en la capa inferior de la ranura a la que saltan. caso práctico inicial Los devanados de doble capa requieren dos terminales por cada delga del colector. c Figura 4.51. Detalle del cableado de dos secciones inducidas de un devanado de doble capa. En algunas ocasiones puede ser necesario detallar la conexión de cada una de las secciones inducidas. Para ello se utiliza un esquema similar al de la figura. Ranura 6 Ranura 9 saber más Por lo general, los devanados de los inducidos se ejecutan todos a doble capa. Delgas a 04 Maquinas electricas.indd 133 Figura 4.52. Detalle de conexión de secciones inducidas en un devanado. 17/07/12 08:09 Unidad 4 134 vocabulario ejemplo Español-Inglés Devanado: winding En la siguiente figura se muestra cómo se ejecuta un devanado a dos capas. Devanado de inducido: armadure winding Devanado imbricado: lap winding Devanado ondulado: wave winding Bobinas serie: coils series Bobinas de campo (inductoras): field coil Progresivo: progressive Regresivo: retrogressive S 3 4 5 6 7 8 9 4 c 2 a 3 4 5 6 7 6 5 N 7 8 3 8 9 Figura 4.53. Distribución de los devanados en dos capas. En el esquema del devanado (izquierda), se representan dos haces activos en cada ranura. Si nos centramos en la ranura marcada como número 6, se puede ver que la bobina de color verde es entrante y la bobina de color rojo saliente. Así, las primeras siempre se montarán en la capa inferior de la ranura y las segundas en la superior, siendo habitual que el lado que llega a las ranuras se represente de forma punteada y el que sale de ellas en línea continua. Según la conexión de bobina en el colector En función de cómo se conecten los finales de las bobinas y secciones inducidas en el colector, los devanados pueden ser: • imbricados o en paralelo, • ondulados o en serie. Devanados imbricados También denominados devanados paralelos, se caracterizan porque cada lado de la bobina queda situado debajo de un polo de signo contrario. Este tipo de devanados a su vez se clasifican en simples y múltiples. saber más El devanado progresivo o no cruzado es el más común para el bobinado de inducidos. • Devanados imbricados simples. Los terminales se conectan siempre a delgas adyacentes, pudiendo hacerse en la anterior o en la posterior. Si la conexión se realiza en la siguiente delga, el devanado avanza en sentido horario y se denomina progresivo o no cruzado. Si por el contrarios la conexión se realiza en la delga anterior, el devanado retrocede denominándose regresivo o cruzado. S 3 3 N N 4 5 4 3 6 5 6 Devanado progresivo (no cruzado) a 04 Maquinas electricas.indd 134 4 3 S 5 4 6 5 6 Devanado regresivo (cruzado) Figura 4.54. Detalles de devanados imbricados simples. 17/07/12 08:09 Máquinas rotativas de corriente continua 135 En este tipo de devanados el número de ramas en paralelo es igual al número de pares de polos. Es decir, dos para las máquinas bipolares, cuatro para las tetrapolares, seis para las hexapolares, y así sucesivamente. • Devanados imbricados múltiples. Cuando la máquina es de gran potencia y trabaja con tensiones reducidas, la corriente de las ramas paralelas del devanado aumenta de forma considerable. En estos casos, para completar el recorrido de todas las secciones inducidas del devanado, hay que dar varias vueltas al inducido. Así, si solamente se dan dos vueltas, el devanado se denomina doble; si se dan tres, triple, y así sucesivamente. No obstante, no es habitual realizar devanados superiores al doble. N a saber más En los devanados imbricados simples cada bobina siempre estará conectada entre dos delgas contiguas. S 1 2 3 4 5 6 7 8 8 1 2 3 4 5 6 7 Figura 4.55. Ejemplo de un devanado imbricado doble. De igual forma que los devanados imbricados simples, los de tipo múltiple pueden ser progresivos o regresivos. Devanados ondulados En un devanado ondulado los terminales de las bobinas o secciones inducidas se van conectando en avance con la armadura. Así, para recorrer un grupo de secciones inducidas de igual número que el de pares de polos, es necesario dar una vuelta completa al inducido. Se observa entonces que dichas secciones inducidas se encuentran conectadas en serie entre sí y que sus terminales se unen en delgas que no son contiguas. En los bobinados ondulados solamente existen dos ramas en paralelo, a diferencia con los imbricados, que disponen de tantas ramas como polos. Este dato es importante, ya que una máquina con un devanado ondulado, solamente requiere un par de escobillas. No obstante, para mejorar la conmutación y evitar un exceso de corriente sobre ellas, es habitual disponer de tantas escobillas como pares de polos tenga la máquina. a Debido a la disposición en serie de las bobinas de un devanado ondulado, estos se utilizan para aplicaciones que requieren elevadas tensiones y un consumo de corriente no demasiado alto. N S N S saber más 12 1 2 13 1 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 0 1 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Figura 4.56. Ejemplo de un devanado ondulado. 04 Maquinas electricas.indd 135 17/07/12 08:09 Unidad 4 136 saber más Como se verá en el apartado relativo al cálculo, el diseño de los devanados ondulados es mucho más exigente que los imbricados, ya que los primeros no se pueden ejecutar para cualquier número de ranuras y delgas de un inducido. En este tipo de devanados, igual que en los imbricados, los haces activos de una misma bobina siempre se encuentran situados bajo polos de signo contrario. De igual forma que los devanados imbricados, los de tipo ondulado pueden ser progresivos o regresivos, además de simples o múltiples. 4.4. Datos y conceptos utilizados en el diseño de devanados A continuación se citan los datos de uso común para el diseño de cualquiera de los devanados nombrados. saber más Los polos de conmutación no deben ser tenidos en cuenta para establecer el paso polar. Paso polar (YP ) Es la distancia que existe entre dos masas polares contiguas de signo contrario. En el estudio electrotécnico de las maquinas rotativas este dato suele darse de forma angular en grados. No obstante, para el diseño de los devanados es más útil utilizar dicha distancia en número de ranuras, siendo así el valor del paso polar: Yp = K 2p Donde K es el número de ranuras totales de al máquina y p el número de pares de polos. Paso polar Paso polar N N S S S N Máquina bipolar a Máquina tetrapolar Figura 4.57. Paso polar. Paso de ranura (YK ) caso práctico inicial Las bobinas se montan con un número de ranuras según el denominado paso de ranura. Es el número de ranuras que hay de uno a otro lado activo de una misma bobina. Se representa habitualmente por YK. El número de ranuras se empieza a contar en la ranura contigua a la que ubica el primer haz activo de la bobina. Así, en la siguiente figura el paso de ranura YK es igual a 3. Paso de ranura (Yk) 12 1 2 11 10 a 04 Maquinas electricas.indd 136 3 4 Figura 4.58. Paso de ranura. 17/07/12 08:09 Máquinas rotativas de corriente continua 137 El paso de ranura coincide aproximadamente con el paso polar YP, pero en ocasiones, en función del cálculo o del número de ranuras del inducido, puede ser más pequeño (paso de ranura acortado) o más largo (paso de ranura alargado). Paso d e Pas Pas od e n ra ado lar alarg po ura lar po o tad or ac S a En las máquinas de pequeña potencia que funcionan como motor, se suele acortar el paso de ranura para obtener un mejor comportamiento. o N ran Pas ur a o N saber más S Figura 4.59. Paso de ranura acortado y alargado. A este paso también se le denomina paso o ancho de bobina, ya que es el número de ranuras que hay que saltar para llegar desde un lado activo de la bobina al otro. Paso diametral N El concepto de paso diametral viene dado de las máquinas de dos polos (bipolares), en ellas el paso de ranura coincide con el paso polar, y además con el diámetro del rotor. No obstante, esta denominación se da a todas aquellas donde, aun no siendo bipolares, su paso de ranura o de bobina coincide con el paso polar. Paso de colector (YCOL ) Es el número de delgas que hay entre los dos terminales de una sección inducida o bobina. S a YCOL a Figura 4.60. Paso diametral. YCOL Figura 4.61. Paso de colector de una bobina o sección inducida. En cada uno de los casos el paso de colector será: • En bobinados imbricados simples YCOL = ±1, siendo el positivo para los progresivos y el negativo para los regresivos. • En los devanados imbricados múltiples será YCOL = ±2 para los dobles, YCOL = ±3 para los triples, etc. 04 Maquinas electricas.indd 137 17/07/12 08:09 Unidad 4 138 • En los ondulados simples: YCOL = D±1 p Donde YCOL es el paso del colector en número de delgas, D es el número de delgas del colector y p el número de pares de polos de la máquina. Unidades de medida para el diseño del devanado La medida de los pasos o anchos nombrados anteriormente para el diseño del devanado en la armadura puede hacerse de dos formas: • Por número de ranuras. • Por número de secciones inducidas. Con cualquiera de ellas se obtienen los mismos resultados y, aunque aquí se da preferencia a la medida por ranuras, se utilizarán también los cálculos por secciones inducidas para comprobar los resultados. Ranuras Secciones inducidas a 1 2 3 4 5 6 Figura 4.62. Los anchos a tener en cuenta en el diseño de los devanados imbricados y ondulados (siempre en función del número de secciones) son los siguientes: • Paso de sección (Y1). Es el número de secciones inducidas de la capa superior de la ranura que hay que contar para saltar de un lado activo a otro de la sección a la que se quiere aplicar el ancho. Dicho de otra forma, es el número de secciones salientes (que parten de una ranura) a contar a partir de la ranura contigua a la que aloja las secciones de referencia, hasta localizar los haces activos de la capa inferior de dicha sección. En la figura anterior se muestra cómo el paso de sección de este devanado es 6, ya que es el número de lados activos de las secciones que se encuentran en la capa superior antes de llegar a la ranura 4, que es la que aloja los haces activos de entrada de la bobina de referencia. El ancho de sección (Y1) es el producto del ancho de bobina YK (salto de ranura) por el número de secciones inducidas por bobina u. Y1 = YK · u • Paso de conexión (Y2). Es el número de secciones inducidas de la capa superior que existe para realizar la conexión entre el final de la sección y el principio del haz activo de la siguiente. Es decir, es el número de secciones inducidas que hay que saltar para realizar la conexión entre una sección inducida y la siguiente. 04 Maquinas electricas.indd 138 17/07/12 08:09 Máquinas rotativas de corriente continua 139 El paso de conexión es diferente según el tipo de ejecución del devanado. Así para los de tipo imbricado es: Y2 = Y1 – YCOL Y para los de tipo ondulado: Y2 = YCOL – Y1 La figura que engloba todo lo anterior es la siguiente: Devanados imbricados Devanados ondulados Yp Y1 YCOL Y2 Y1 1 N 2 3 S 4 YCOL Y2 1 2 3 1 2 N 8 9 YCOL YCOL a S N Figura 4.63. Anchos y pasos requeridos para el diseño de devanados de inducidos. 4.5. Diseño de devanados imbricados simples A continuación se describe el proceso de diseño de los devanados imbricados simples. El cálculo se realiza desde su punto de vista de su representación geométrica en el esquema, para su posterior rebobinado en una máquina similar. En ningún caso se realizará el cálculo para una máquina nueva, ya que se sale de los objetivos de esta unidad. El diseño de un devanado requiere conocer previamente cuáles son los datos requeridos para su representación gráfica y su posterior ejecución en la armadura. Datos previos al cálculo Se debe partir de un conjunto de datos conocidos: • pares de polos de la máquina (p), • número de ranuras (K), • número de delgas del colector (D), • paso de colector YCOL = ±1, siendo el positivo para los progresivos y el negativo para los regresivos. a Figura 4.64. Número de delgas. 04 Maquinas electricas.indd 139 a Figura 4.65. Número de ranuras. 17/07/12 08:09 Unidad 4 140 Secuencia de cálculo A partir de los datos conocidos comienzan los cálculos necesarios para un correcto dimensionado del devanado: • Paso 1. Se comprueba si el devanado se puede ejecutar. Para ello se divide el número de ranuras de la armadura K entre el número de pares de polos p. El resultado debe ser un número entero. k p = Número entero Si no se cumple esta condición, el devanado no es viable. • Paso 2. Se calcula el ancho de bobina o paso de ranura YK y el número de secciones inducidas por bobina u: YK = K 2p u= D K • Paso 3. Con estos dos sencillos cálculos ya es posible dibujar el esquema del devanado. No obstante, es aconsejable disponer de otros datos para un mejor desarrollo del mismo. Algunos de estos cálculos son: Paso polar YP = YK Número total de secciones inducidas S=D Número de bobinas del devanado B=K Ancho de sección (Y1 ) Y1 = YK · u Paso de conexión En secciones inducidas (Y2 ) Y2 = Y1 – YCOL En ranuras (YCONEX ) YCONEX = YCOL – YK El paso de conexión se puede hacer por secciones inducidas (Y2) o por ranuras (YCONEX). En cualquier caso el resultado es el mismo. Si el número de secciones inducidas es 1, los resultados para Y1 e Y2 coinciden con las unidades de medida dadas en número de ranuras. ejemplo A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado imbricado simple progresivo. Datos previos • Número de polos: 4 (2 pares de polos) p = 2 • Número de ranuras K = 12 • Número de delgas D = 12 • Paso de colector YCOL = +1 (progresivo) 04 Maquinas electricas.indd 140 17/07/12 08:09 Máquinas rotativas de corriente continua 141 Datos principales • Condición de ejecución. K 12 = =6 p 2 Es un número entero, por tanto el devanado se puede ejecutar. • Paso de ranura o de bobina. YK = K 12 = =3 2p 4 • Secciones inducidas por bobina. u= D 12 = =1 K 12 Otros datos • Paso polar. YP = YK = 3 • Número total de secciones inducidas. S = D = 12 • Número de bobinas del devanado. B = K = 12 • Ancho de sección. Y1 = YK · u = 3 · 1 = 3 • Paso de conexión. Y2 = Y1 – YCOL = 3 – 1 = 2 Se mide en secciones inducidas, sin embargo en este caso, al ser 1 el número de secciones inducidas por bobina, se puede medir también en ranuras. Diseño del esquema del devanado 1. Sabiendo que el número de secciones inducidas por bobina es 1, se dibujan los haces activos de todas las bobinas en las ranuras (con línea continua el haz de la capa superior de la ranura y con línea discontinua el de la capa inferior). Las ranuras se pueden numerar si se desea. En el ejemplo se ha considerado que la ranura número 1 es la que se encuentra en el extremo izquierdo. No obstante, dicho orden no es significativo para la ejecución del esquema. 1 a 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Figura 4.66. Representación de haces activos en ranuras. 2. Se dibuja la cabeza de una bobina estableciendo el paso de ranura YK en 3. Para ello se cuentan tres ranuras a partir de la contigua a la que se ha dibujado el primer haz activo. (continúa) 04 Maquinas electricas.indd 141 17/07/12 08:09 Unidad 4 142 (continuación) Quedaría así: Ranuras a contar 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Yk a Figura 4.67. Paso de ranura. 3. Siguiendo la misma pauta, se dibujan las cabezas de todas las bobinas. Aquellas que quedan cortadas en ambos extremos del esquema, se pueden etiquetar opcionalmente para identificar mejor el recorrido del devanado. En este caso se ha optado por disponer de la misma letra para los extremos correspondientes a la misma bobina o sección inducida. a b c a b c 1 a 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Figura 4.68. Representación de cabezas de ranura. 4. Se conecta el haz activo saliente de la capa superior de la primera bobina (ranura 1) a una delga del colector, que puede ser etiquetada como la número 1. El haz activo saliente de la misma bobina se contactará a la delga contigua (2), ya que es un devanado imbricado progresivo. Ranuras a contar 1 2 3 4 5 6 7 8 1 12 a 1 2 3 4 5 6 9 2 7 10 3 8 Y29 11 12 4 10 11 Figura 4.69. Conexión al colector. 12 inducidas, 1 2 3 5. El paso de conexión (Y2) es de 2 secciones que en este caso coincide con 2 ranuras. Se une la delga etiquetada con el número 2 al haz activo saliente de la siguiente bobina o sección inducida. Ranuras a contar 1 2 3 4 1 2 3 4 3 12 1 2 3 Y2 12 a 04 Maquinas electricas.indd 142 1 2 Figura 4.70. Paso de la conexión (izquierda) y detalle de la conexión (derecha). 17/07/12 08:10 Máquinas rotativas de corriente continua 143 6. Se completan todas las conexiones entre bobinas y delgas. a b c a b c 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 d e d e 12 a 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Figura 4.71. 7. Se establece la posición de las escobillas comenzando por la delga número 1. Como es una máquina de 4 polos, se deben dibujar 4 escobillas equidistantes entre sí, ubicadas en las delgas 1-7 y 4-10 para sus respectivos signos. 8. Y, finalmente, como comprobación se establece un sentido de corriente arbitrario para las escobillas. En este caso se ha considerado que la corriente entra por las escobillas de las delgas 1 y 7, y sale por las delgas 4 y 10. Así, si en cada haz activo se representa con una flecha el sentido de la corriente, se comprueba que está correctamente dibujado, ya que se consiguen dos polos de un signo y otros dos de otro, siendo alternativos entre sí. a b c a b c N 1 S 2 3 4 N 5 6 7 8 9 10 11 12 d e d e 12 a 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Figura 4.72. 9. Así, la representación circular de este devanado es: 11 10 9 a 04 Maquinas electricas.indd 143 1 12 10 11 12 2 1 8 8 2 7 6 7 5 3 4 3 9 11 4 6 12 9 2 11 12 1 10 2 3 9 4 8 7 6 5 10 5 1 8 7 3 4 6 5 a Figura 4.73. Representación circular. Figura 4.74. Colocación de bobinas y conexiones. 17/07/12 08:10 Unidad 4 144 ejemplo En el ejemplo anterior se mostraba el devanado imbricado simple progresivo correspondiente al inducido de una máquina de corriente continua de 4 polos 12 ranuras y 12 delgas en el colector. Si para las mismas características de máquina, se desea ejecutar un devanado de tipo regresivo o cruzado, todos los datos de cálculo serán idénticos salvo aquellos que se encuentren afectados por el paso de colector, que es –1. Así los datos que cambian son: • Paso del colector. YCOL = –1 (regresivo) • Paso de conexión. Y2 = Y1 – YCOL = 3 + 1 = 4 Como Y2 es 4, las conexiones son de tipo cruzado: 3 1 4 5 6 7 2 3 4 5 Paso de conexión Y2 a Figura 4.75. Paso de conexión regresivo. De esta forma, el esquema del devanado el siguiente: a b c a b c S 1 2 N 3 4 5 N 6 7 8 9 10 11 12 d e f g d e f g 11 a 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Figura 4.76. Devanado de tipo regresivo o cruzado. En él se observa que al situar las escobillas en las mismas delgas que en el devanado anterior, al hacer el seguimiento del sentido de la corriente, el progreso se hace hacia la izquierda en lugar de hacia la derecha como ocurría en el ejemplo anterior. En este caso el paso de conexión (Y2) tiene un valor superior, en una unidad, al paso de sección (Y1), por tanto, el retorno de la conexión se hace sobre una delga contigua anterior a la que se comenzó. 04 Maquinas electricas.indd 144 17/07/12 08:10 Máquinas rotativas de corriente continua 145 4.6. Diseño de devanados imbricados con más de una sección El proceso de cálculo es el mismo que el visto anteriormente. La diferencia radica en que en este tipo de bobinado hay más de una sección por capa y, por tanto, es necesario tenerlo en cuenta en el momento del diseño. El número de secciones inducidas por bobina viene dado por la expresión: u= D K Se deduce fácilmente que estos devanados se dan siempre que el número de ranuras sea inferior al número de delgas. Además, para que todas las bobinas dispongan del mismo número de secciones inducidas, la relación entre D y K debe ser del doble, triple, etc. ejemplo A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado simple progresivo. Datos previos • Número de polos: 2 (1 par de polos) p = 1 importante Si el número de secciones inducidas es 1, los resultados para Y1 e Y2 coinciden con las unidades de medida dadas en número de ranuras. • Número de ranuras K = 6 • Número de delgas D = 12 • Paso de colector YCOL = +1 (progresivo) Datos principales • Condición de ejecución. K 6 = =6 p 1 Es un número entero, por tanto el devanado se puede ejecutar. K 6 = =3 2p 2 D 12 = =2 • Secciones inducidas por bobina. u = K 6 • Paso de ranura o de bobina. YK = Otros datos • Paso polar. YP = YK = 3 • Número total de secciones inducidas. S = D = 12 • Número de bobinas del devanado. B = K = 12 • Ancho de sección. Y1 = YK · u = 3 · 2 = 6 secciones • Paso de conexión. Y2 = Y1 – YCOL = 6 – 1 = 5 secciones • Número total de secciones inducidas del devanado: 24. (continúa) 04 Maquinas electricas.indd 145 17/07/12 08:10 Unidad 4 146 (continuación) Diseño del esquema del devanado 1. Se representan los lados activos de las secciones inducidas en las ranuras, que en este caso son 2 por bobina. a 3 2 1 6 5 4 Figura 4.77. Haces activos de las secciones inducidas en ranuras. 2. Teniendo en cuenta que el ancho de sección Y1 es 6, dibujamos las cabezas que unen los haces activos salientes de la ranura 1 con los haces activos entrantes de la ranura 4. El número de secciones se cuenta a partir de la ranura contigua a la bobina que se esté tomando como referencia. 3 2 1 6 5 4 Secciones inducidas a contar (en este caso Y1 = 6) a Figura 4.78. Ancho de sección. 3. Se unen las cabezas de todas las secciones inducidas. 2 1 a 3 6 5 4 Figura 4.79. Unión de las cabezas de secciones inducidas. 4. Como el paso de conexión Y2 es de 5 secciones, por la parte de abajo del esquema se unen entre sí la secciones inducidas de la misma bobina con las de la siguiente según se muestra en la figura. 1 2 3 4 5 6 Secciones a contar para 1ª conexión. Secciones a contar para 2ª conexión. a 04 Maquinas electricas.indd 146 Figura 4.80. Paso de conexión entre secciones inducidas. 17/07/12 08:10 Máquinas rotativas de corriente continua 147 5. Se representan las delgas del colector y las cuatro escobillas separadas entre sí de forma equidistante de forma similar a lo realizado para en los ejemplos anteriores. 6. De igual forma, se supone un sentido de la corriente en las escobillas y se marcan los polos del devanado. a 1 N 2 11 12 1 3 2 3 4 4 S 5 5 6 7 6 8 9 10 Figura 4.81. Devanado imbricado simple con dos secciones inducidas por bobina. 4.7. Diseño de devanados ondulados simples Los devanados ondulados se caracterizan porque las conexiones entre bobinas o secciones inducidas se realizan de tal forma que, en función del paso de conexión, se avanza buscando el principio de una bobina que esté afectada en sus haces activos por polos del mismo signo que los polos, de sus respectivos haces, de la bobina inicial. De esta forma, si una vez realizado el esquema, se siguen las conexiones entre bobinas completando una vuelta a la armadura, se llegará a la delga contigua a la que se partió. N S N S Delga de cierre de la primera vuelta Delga de partida a Figura 4.82. Vuelta completa de un devanado ondulado. Hay que tener en cuenta que no todos los inducidos, en número de ranuras y delgas, se pueden ejecutar como devanados ondulados, siendo en ese sentido más exigentes en el cumplimiento de las condiciones de ejecución que los de tipo imbricado 04 Maquinas electricas.indd 147 17/07/12 08:10 Unidad 4 148 Datos previos al cálculo De igual forma que en los de tipo imbricado, se deben conocer algunos datos de partida para realizar el cálculo: pares de polos de la máquina p, número de ranuras K y número de delgas del colector D. En este caso, el paso de colector YP hay que calcularlo como se indica a continuación, ya que es condición indispensable de ejecución. Secuencia de cálculo A partir de los datos conocidos comienzan los cálculos necesarios para un correcto dimensionado del devanado: • Paso 1. Se comprueba si el devanado se puede ejecutar. YCOL = D±1 p = Número entero El dato ±1 corresponde a la decisión previa que se debe tomar sobre si el devanado es de tipo progresivo o regresivo. Así, para que un devanado ondulado pueda ejecutarse se debe cumplir lo siguiente: – que YCOL sea un número entero, – qué el número de delgas D del colector sea primo respecto al número de pares de polos p. • Paso 2. Realizamos los siguientes cálculos: – Se calcula el ancho de bobina o paso de ranura: K YK = 2p Pudiéndose acortar o alargar si se considera conveniente. – Se calcula el número de secciones inducidas por bobina u: u= recuerda El paso de ranura o ancho de bobina YK deber ser próximo al paso polar YP , por ese motivo se puede alarga r o acortar. D K – Se calcula el paso de conexión Y2: Y2 = YCOL – YK En este caso se calcula tomado como unidad el número de secciones inducidas, pero si se deseara calcularlo en función del número de ranuras, el valor de YK sería modificado, es decir, el acortado o el alargado. • Paso 3. Otros datos que conviene saber son: Paso polar 04 Maquinas electricas.indd 148 YP = K 2p Número total de secciones inducidas S=D Número de bobinas del devanado B=K Ancho de sección (Y1 ) Y1 = YK · u 17/07/12 08:10 Máquinas rotativas de corriente continua 149 • Paso 4. Como se ha dicho anteriormente, con independencia del número de polos, un devanado ondulado solamente está formado por dos circuitos. Por tanto, solo es necesario colocar un par de escobillas en el colector. No obstante, para mejorar la conmutación y repartir el consumo de corriente entre ellas, es aconsejable poner tantos pares de escobillas como polos tenga la máquina. Así, el paso para colocar las escobillas se calcula con la expresión: Ye = caso práctico inicial El hecho de que la máquina del caso práctico inicial disponga de 4 polos y solamente 2 líneas de escobillas, indica que el devanado del inducido es de tipo ondulado. D 2p ejemplo A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado ondulado simple progresivo. Datos previos • Número de polos: 4 (2 pares de polos) p = 2 • Número de ranuras K = 13 • Número de delgas D = 13 Datos principales • Condición de ejecución. YCOL = D±1 13 + 1 = =7 p 2 Es un número entero. Además, el número de delgas D = 13 es primo respecto al número de pares de polos p = 2. • Paso de ranura o de bobina. K 13 YK = = = 3,25 _∼ 3 (Acortado) 2p 4 • Secciones inducidas por bobina. u = D 13 = =1 K 13 Otros datos • Paso polar. Yp = K 13 = = 3,25 2p 4 • Número total de secciones inducidas. S = D = 13 • Número de bobinas del devanado. B = K = 13 • Ancho de sección. Y1 = YK · u = 3 · 1 = 3 secciones • Paso de conexión. Y2 = YCOL – YK = 7 – 3 = 4 secciones • Paso de escobillas. Ye = K 13 = = 3,25 2p 4 (continúa) 04 Maquinas electricas.indd 149 17/07/12 08:10 Unidad 4 150 (continuación) Diseño del esquema del devanado 1. Se dibujan los haces activos que se alojan en cada una de las ranuras. En este caso es aconsejable no numerar aún las ranuras. a Figura 4.79. Representación de los haces activos en ranuras. 2. Como ranura de inicio se puede tomar cualquiera de las representadas. En este caso, para facilitar el diseño se ha tomado la tercera de la izquierda. A partir de ella se representa la primera bobina teniendo en cuenta que el paso YK se ha acortado a 3. Para ello se cuentan tres ranuras a partir de la contigua a la considerada como inicial. 3. Para dibujar la siguiente bobina (o sección inducida) se cuentan 4 ranuras (Y2 ) a partir de la ranura contigua a la que aloja el lado activo entrante de la primera bobina. 4. Se numeran las ranuras a partir de la que elegimos como primera para nuestro diseño, que se considera como la número 1. Yk Y2 Ranuras a contar para Y2 12 1 2 13 1 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 0 1 11 Ranuras a contar para Yk a Figura 4.83. Pasos del devanado. 5. Se dibujan las delgas del colector considerando que la número 1 es la correspondiente a la conexión con el terminal del haz activo de la primera bobina o sección inducida. 6. Se comprueba que el paso de colector YCOL = 7 es correcto, teniendo en cuenta que hay que contar a partir de la delga contigua a la que se conectó el terminal de la primera bobina. 12 1 2 13 1 3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 0 1 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 Ycol a 04 Maquinas electricas.indd 150 Figura 4.84. Paso de colector. 17/07/12 08:10 Máquinas rotativas de corriente continua 151 7. Se dibuja el resto del bobinado siguiendo la misma pauta. 8. Se representan las escobillas. En este caso se ha decidido instalar cuatro, a pesar de que un devanado ondulado solamente necesita dos. Como el número de delgas es impar, el paso obtenido para ello es Ye = 3,25. N S N S a b c a c b 12 13 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 d e f g e d g f 1 a 2 3 4 5 6 7 8 9 11 10 12 13 Figura 4.85. Devanado completo con escobillas. 4.8. Conexiones equipotenciales Son conexiones que se realizan en los devanados que tienen varias ramas en paralelo. Se utilizan para evitar una descompensación de las fuerzas electromotrices y las corrientes que circulan en cada una de ellas. Esto se debe a los efectos producidos por: la asimetría del entrehierro en diferentes puntos de la máquina o por divergencias en diferentes puntos del circuito magnético (producidas por defectos físicos de los polos o desigualdad en el campo de excitación). Las conexiones equipotenciales pueden realizarse de diferentes maneras, pero las más utilizadas son las denominadas de 1ª clase, que se realizan en la parte inferior de las cabezas de las bobinas donde se encuentran los terminales de conexión de cada una de ellas. a b c a b c N 1 S 2 3 4 N 5 6 7 8 9 10 11 Sabiendo que el número de ramas en paralelo es igual al número de polos de la máquina, podemos diseñar las conexiones equipotenciales de 1ª categoría utilizando las siguientes expresiones de cálculo: Número de conexiones equipotenciales: K p Paso o ancho de la conexión equipotencial: Neq = 12 d e saber más d e Yeq = 12 a 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 K p 11 Figura 4.86. Conexiones equipotenciales en un devanado imbricado simple de 4 polos. Generalmente, las conexiones equipotenciales se realizan por el lado del colector uniendo delgas entre sí mediante soldaduras; sin embargo, en ocasiones este tipo de conexiones se hace en el lado en el que se encuentran las cabezas superiores del devanado. 04 Maquinas electricas.indd 151 17/07/12 08:10 Unidad 4 152 ACTIVIDADES FINALES 1. Identifica cada una de las partes de esta máquina rotativa de corriente continua. 1. 9 1 8 2. 3. 2 4. 5. 3 7 4 6 a 5 6. 7. 8. 9. Figura 4.87. 2. Di cuáles de estos devanados se pueden ejecutar y cuáles no. • Imbricado simple: 32 ranuras, 16 delgas y 2 pares de polos. • Imbricado simple: 13 ranuras, 23 delgas y 3 pares de polos. • Imbricado ondulado simple: 23 ranuras, 23 delgas y 1 par de polos. • Imbricado ondulado simple: 11 ranuras, 22 delgas y 2 pares de polos. 3. Dibuja cómo se deben conectar las bobinas inductoras en una máquina de corriente continua de 8 polos. 4. Haz lo mismo para una máquina de 6 polos. ¿Puede ser el número de polos impar? 5. Utilizando una máquina rotativa de corriente continua que haya en el aula taller, realiza los cálculos para un número de pares de polos que permita que el devanado se pueda ejecutar. Luego realiza todas las actividades profesionales propuestas de esta unidad. 6. Dibuja el esquema del inducido de una máquina de corriente continua de 4 polos sabiendo que el número de ranuras y el de delgas es el mismo: 16. Representa las escobillas y la polaridad en cada haz activo de las bobinas. a 04 Maquinas electricas.indd 152 Figura 4.88. 17/07/12 08:10 Máquinas rotativas de corriente continua 153 7. Dibuja el esquema de un devanado imbricado simple para una máquina de 4 polos, 16 ranuras y 32 delgas. Representa las escobillas y la polaridad en los haces activos de las bobinas. a Figura 4.89. 8. Dibuja el esquema de un devanado ondulado simple para una máquina de 4 polos, 17 ranuras y 17 delgas. Representa las escobillas sabiendo que se van a instalar tantas como polos. a Figura 4.90. 9. Dibuja en tu cuaderno el esquema de un devanado imbricado simple para una máquina de 13 ranuras, 39 delgas y 2 polos. 10. Haz lo mismo para devanado imbricado simple destinado a una máquina de 17 ranuras, 51 delgas y 1 par de polos. entra en internet 11. Localiza imágenes de cómo se construyen las bobinas de los inducidos destinados a máquinas de gran potencia. 12. ¿En qué consiste el torneado del colector? 13. Localiza un vídeo de cómo se bobina un inducido de forma manual y otro con una máquina automática. 14. ¿Qué es un motor sin escobillas?, ¿tiene algo que ver con lo estudiado en esta unidad? 04 Maquinas electricas.indd 153 17/07/12 08:10 Unidad 4 154 PRÁCTICA PROFESIONAL 1 HERRAMIENTAS • Martillo con cabeza de nailon • Llaves Allen de diferentes tamaños • Juego de llaves fijas y/o de tubo desmontaje de una máquina rotativa de corriente continua • Recipiente o gaveta de plástico • Extractor de cojinetes OBJETIVO • Guantes, alicates y extractor de chavetas Conocer las técnicas y herramientas utilizadas para desmontar una máquina rotativa. MATERIAL PRECAUCIONES • Una máquina de corriente continua • Utiliza guantes en la operación de desmontaje y montaje de la máquina. • Rotulador permanente y cinta aislante • Cubre de cinta aislante los huecos de las chavetas para evitar cortes con el filo de sus bordes. DESARROLLO 1. Preparar la mesa de trabajo con el equipo de herramientas necesario para el desmontaje de la máquina. Es aconsejable disponer de una bandeja o gaveta para dejar en ella todos los elementos que se retirarán en esta operación. a Figura 4.91. Algunas de las herramientas necesarias para desmontar la máquina. 2. Utilizando un rotulador permanente, realizar marcas en los dos escudos de la máquina de tal forma que identifiques claramente en qué lado de la culata están ubicados cada uno de ellos. a Figura 4.92. Marcaje de culatas. 3. Por la ventana del escudo que contiene las escobillas, las retiramos para evitar que se dañen en el proceso de desmontaje. 4. Utilizando un extractor de chavetas retiramos las de ambos extremos del eje. Si no dispones del extractor, puedes usar un alicate universal o de pico de pato. También, a modo de truco, puedes emplear pequeño tornillo de banco portátil fijando y tirando de la chaveta. 04 Maquinas electricas.indd 154 17/07/12 08:10 Máquinas rotativas de corriente continua 155 5. Cubre el hueco de la chaveta con un par de vueltas de cinta aislante, ya que el filo de sus bordes puede provocar algún corte durante la manipulación del rotor. a Figura 4.93. Retirada de escobillas, extracción de chavetas y taponado del hueco de la chaveta. 6. Si la máquina dispone de acoplamientos, ventiladores o cualquier otro elemento en su eje, es necesario retirarlo utilizando un extractor de dimensiones adecuadas. a Figura 4.94. Extracción de los acoples del eje de una máquina rotativa. 7. Utilizando las herramientas apropiadas, afloja los tornillos o pasadores que sujetan los escudos a la culata de la máquina y, de forma cuidadosa, retira los escudos de ambos lados. Presta especial atención al desmontaje del escudo en el que se encuentran los portaescobillas, ya que una manipulación precipitada e inadecuada puede deteriorarlos de forma irremediable. a Figura 4.95. Retirada de los escudos. 8. Si es necesario para realizar de forma cómoda las operaciones de rebobinado, retira con un extractor los cojinetes y el ventilador del eje. a Figura 4.96. Máquina desmontada. 9. Con estas operaciones se concluye el desmontaje de la máquina, quedando lista para tareas de mantenimiento o rebobinado. 04 Maquinas electricas.indd 155 17/07/12 08:10 Unidad 4 156 PRÁCTICA PROFESIONAL 2 HERRAMIENTAS • Herramientas de electricista • Bobinadora manual y todos sus accesorios • Devanador Bobinado del devanado de excitación de una máquina de corriente continua • Llaves Allen, fijas y/o de tubo • Recipiente o gaveta de plástico • Guantes, calibre y micrómetro • Serrucho de carpintero • Brújula y polímetro OBJETIVO Conocer la técnica para el rebobinado del devanado inductor de una máquina rotativa de corriente continua. • Una máquina de corriente continua PRECAUCIONES • Soldador rápido • Utiliza guantes en la operación de desmontaje y montaje de la máquina. • Peladora de hilo esmaltado • Utiliza las herramientas y la bobinadora siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor. MATERIAL • Rotulador permanente Nota inicial • Cinta de algodón de 1 cm de ancho La siguiente práctica profesional se ha planteado desde el punto de vista del rebobinado de una máquina supuestamente averiada. En ningún caso desea realizar el cálculo del circuito eléctrico de excitación para una máquina nueva. En este caso, se supone que conocemos el diámetro de conductor y el número de espiras para la construcción de dichas bobinas. • Hilo esmaltado de bobinar • Alambre plano de atar verde • Madera de aglomerado para el molde de las piezas polares • Madera de aglomerado de 6 mm de ancho • Estaño DESARROLLO 1. Toma medida del interior de la bobina. Si la máquina es de polos extraíbles, las medidas se toman con un calibre. Si la máquina es ranurada, se toma la medida con un hilo de cobre rígido moldeando la forma en la propia máquina. A a Figura 4.97. Medida en máquina de polos salientes. C a Figura 4.98. Medida en máquina de polos salientes. Hay que tener en cuenta que una vez finalizadas las bobinas, deben aislarse con cinta de algodón, por lo que debe aumentarse 2 ó 3 mm cada una de las medidas, ya que si no se tienen en cuenta, puede ocurrir que la bobina no quepa en el interior de la pieza polar. 04 Maquinas electricas.indd 156 17/07/12 08:10 Máquinas rotativas de corriente continua 157 2. Una vez tomada la medida de la bobina, procedemos como se indicó en las prácticas profesionales de la Unidad 2 para su construcción. En este caso, las bobinas inductoras se fabricarán con una bobinadora manual, bien utilizando moldes prefabricados, bien construyendo un molde con madera tipo sándwich. 00000 Mode de madera tipo sándwich a Figura 4.99. Molde de madera. a Figura 4.100. Colocación en bobinadora manual. Nota. Debido a las dimensiones que tienen las bobinas inductoras y la poca docilidad que presentan una vez que están construidas, aquí se ha optado por construir un molde de madera con las dimensiones exactas, ya que esto facilita la instalación posterior de cada una de las bobinas en las piezas polares. Además, al ser el número de espiras elevado, las tapas del sándwich deben ser de grandes dimensiones para cubrirlas sin dificultad. 3. Para construir la bobina se seguirán las técnicas vistas en la práctica profesional de la Unidad 2. No olvides colocar el alambre de atar para que la bobina no se desmorone una vez que se haya extraído de la bobinadora. 4. Encinta fuertemente toda la bobina con la cinta de algodón. El atado final puedes hacerlo dividiendo la cinta por la mitad y atando un extremo sobre el otro. a Figura 4.101. Encintado de la bobina inductora. 5. Siguiendo los pasos vistos anteriormente, construye tantas bobinas inductoras como sea preciso para la máquina con la que estés trabajado. Recuerda que el número de bobinas es igual al número de polos y aquí se ha considerado que la máquina que se está reparando es bipolar. 6. Coloca cada bobina en el interior de su pieza polar. En el caso de que la máquina sea de polos salientes, saca el polo de la culata e inserta la bobina en él. a Figura 4.102. Bobina en pieza polar extraíble. 04 Maquinas electricas.indd 157 17/07/12 08:10 Unidad 4 158 PRÁCTICA PROFESIONAL 2 (cont.) 7. Con las herramientas adecuadas fija nuevamente las piezas polares en la culata. Ten la precaución de dejar los terminales de las bobinas del lado en el que se encuentra el orificio que comunica con la caja de bornes. a Figura 4.103. Montaje de piezas polares en culata. 8. Realiza la conexión entre bobinas de forma que cada pieza polar tenga un signo diferente. Para ello ayúdate de la regla de la mano derecha tal y como se ha explicado en la unidad. En la figura de la izquierda se muestra cómo deben conectarse las dos bobinas para conseguir polos de diferente signo. En la figura de la derecha se muestra cómo están instaladas en la culata de la máquina y la conexión entre ellas. J K I S I N I S N I a Figura 4.104. Conexión entre bobinas. a Figura 4.105. Instalación y conexión entre ellas. 9. Utiliza la técnica de soldadura blanda para unir los terminales de las bobinas. Cubre la unión con tubo flexible de fibra de vidrio. a Figura 4.106. Secuencia de montaje: en primer lugar se pelan los terminales que vamos a unir, más tarde se inserta el tubo flexible en uno de los terminales y, finalmente, se retuerce un hilo sobre el otro. 04 Maquinas electricas.indd 158 17/07/12 08:10 Máquinas rotativas de corriente continua 159 El proceso de soldadura se muestra en las siguientes figuras: a Figura 4.107. Secuencia final de montaje: en primer lugar se suelda la unión con estaño y, finalmente, se cubre el empalme con el tubo flexible. 10.Comprueba con un polímetro si existe continuidad entre los terminales J-K. Polímetro K TTL 400 mA MAX 1000 V 750 V 500 V MAX a Figura 4.108. Comprobación de continuidad en el devanado de excitación. 11.Si es correcta la comprobación, alimenta con una tensión de no más de 50 V de corriente continua dichos terminales y acerca una brújula a las piezas polares. Si la conexión entre bobinas es correcta, en cada una de ellas debe aparecer una polaridad diferente. ¿Qué ocurre si se invierte la polaridad de la alimentación? 50 Vcc K J Brújula Brújula a Figura 4.109. Brújulas indicando la polaridad. 12.Conecta los terminales del devanado inductor a los bornes J-K de la caja de bornes de la máquina. 04 Maquinas electricas.indd 159 17/07/12 08:11 Unidad 4 160 PRÁCTICA PROFESIONAL 3 HERRAMIENTAS • Herramientas de electricista • Bobinadora manual y todos sus accesorios • Devanador, micrómetro y polímetro • Inducido de una máquina de corriente continua • Soldador • Peladora de hilo esmaltado • Pistola de aire comprimido • Serreta de colectores • Cepillos, rascadores, limas redondas de picado, etc. • Guillotina de cartón MATERIAL • Rotulador permanente • Cartón aislante • Cuñas rígidas para cierre de ranuras • Hilo esmaltado de bobinar • Alambre plano de atar • Estaño • Cinta de carrocero de 2 cm da ancho • Cuerda para zunchado Bobinado del inducido de una máquina de corriente continua OBJETIVO Conocer la técnica para el rebobinado del devanado del inducido de una máquina rotativa de corriente continua. PRECAUCIONES • En las operaciones de limpieza de ranuras debes evitar dañar la chapa magnética del interior. • Realiza con precaución las operaciones de soldadura para evitar la conexión entre delgas contiguas. • Utiliza las herramientas y la bobinadora siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor. • Etiqueta adecuadamente los terminales de las bobinas para evitar errores en la conexión. Nota inicial La siguiente práctica profesional se ha planteado desde el punto de vista del rebobinado de una máquina supuestamente averiada. En ningún caso desea realizar el cálculo del circuito eléctrico del inducido para una máquina nueva. En este caso, se supone que conocemos el diámetro de conductor y el número de espiras para la construcción de dichas bobinas. DESARROLLO Preparación del rotor 1. Retira el hilo y los aislantes de la máquina a rebobinar. 2. Instala el rotor en un soporte de inducidos. Esto facilitará las operaciones de limpieza, preparación y rebobinado, especialmente si es de grandes dimensiones. A continuación, limpia las ranuras de la armadura utilizando rascadores, limas redondas de picado muy fino y cepillos metálicos. Cepillo Rascador a Figura 4.110. Rotor sobre soporte de inducido. 04 Maquinas electricas.indd 160 a Figura 4.111. Limpieza de ranuras del inducido. 17/07/12 08:11 Máquinas rotativas de corriente continua 161 3. Con una serreta de colector retira la mica y cualquier tipo de impureza que pueda haber entre las delgas. Más tarde, limpia todo el rotor utilizando una pistola de aire a presión. a Figura 4.112. Limpieza del colector. a Figura 4.113. Soplado del rotor. 4. Comprueba con un polímetro que no existe continuidad entre delgas contiguas. Después, cortocircuita todas las delgas del colector enrollando sobre él un par de vueltas de cable sin aislante, comprobando que no existe continuidad entre delgas y las partes metálicas del rotor. a Figura 4.114. Comprobación entre delgas. a Figura 4.115. Comprobación entre delgas y rotor. 5. Comprueba que los aislantes rígidos que se encuentran en los laterales del tambor se hayan en buen estado. Si no es así, deberán ser sustituidos por unos nuevos. A continuación, aísla con cinta textil adhesiva, cartón aislante o, en su defecto, cinta de carrocero las partes de los ejes sobre las que se ubicarán las cabezas de las bobinas. Este aislamiento evitará cualquier contacto físico de las espiras de las bobinas con la parte metálica del rotor. Aislamiento a Figura 4.116. Comprobación de aislantes del tambor. a Figura 4.117. Aislamiento del eje. 6. Corta una tira de cartón aislante de aproximadamente el perímetro interno de una ranura. Haz varias pruebas hasta conseguir el tamaño adecuado. Toma las medidas del modelo y corta tantas tiras de cartón aislante como ranuras tenga la armadura. Finalmente, dobla cada una de las tiras de forma que se adapten al interior de las ranuras. Aislamiento de ranura a Figura 4.118. Aislamiento de la ranura. 04 Maquinas electricas.indd 161 a Figura 4.119. Preparación del cartón para vestir las ranuras. a Figura 4.120. Detalle de ranuras aisladas. 17/07/12 08:11 Unidad 4 162 PRÁCTICA PROFESIONAL 3 (cont.) Bobinado del rotor 7. Diseñar el esquema del devanado del inducido en el que se está trabajando. Nota. Para facilitar la explicación del proceso se ha tomado como ejemplo uno de los devanados diseñados en la unidad. Exactamente se trata de un devanado imbricado simple para un rotor de 12 ranuras y 12 delgas instalado en una máquina de 4 polos. A lo largo de la explicación se muestran fotografías de algunos devanados de inducidos que no corresponden exactamente con el del esquema, pero que sirven como ejemplo de cómo realizar las operaciones de montaje. a b c a b c N 1 S 2 3 4 N 5 6 7 8 9 10 11 12 d e d e 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 10 a Figura 4.121. Esquema del devanado. 8. Antes de comenzar a construir las bobinas se hace necesario establecer un sistema de etiquetado de terminales para su correcta conexión al colector. Aquí se muestra una forma de realizarlo, pero cualquier otra similar puede ser igual de eficiente. Por ejemplo, cada bobina se puede etiquetar con un número 1, 2, 3, etc., seguido de dicho número va una letra mayúscula para indicar que es el terminal entrante de la bobina (va a en la capa superior) o una minúscula para indicar que es el saliente (va a la capa inferior). Si el devanado dispone de varias secciones inducidas, se ponen letras consecutivas para cada una tanto para los terminales entrantes como para los salientes. Ejemplo de etiquetado en una bobina con una sección inducida Ejemplo de etiquetado en bobinas con más de una sección inducida • Los terminales 1A y 1a corresponden respectiva- • Los terminales 1A y 1a pertenecen a la primera secmente a la bobina numerada con el 1 (ranuras 1-4). ción inducida de la bobina número 1. • Los terminales 2A y 2a a la bobina número 2 (ra- • Los terminales 1B y 1b pertenecen a la segunda nuras 2-5) sección inducida de la bobina número 1. • El mismo criterio se sigue para etiquetar los terminales de las secciones inducidas de la bobina número 2. 1 1 2 1A a 1 2 3 2A 1a 4 2a Figura 4.122. Etiquetado de una sección inducida. 04 Maquinas electricas.indd 162 4 5 2A 2B 2a 1B 1a 1b 2b 2 1 5 1A 2 3 a Figura 4.123. Etiquetado de varias secciones inducidas. 17/07/12 08:11 Máquinas rotativas de corriente continua 163 9. Una vez establecido el sistema de etiquetado en el caso de nuestro ejemplo, tendríamos 12 bobinas con dos terminales cada una de ellas. Dicho referenciado se puede dibujar directamente sobre el esquema del devanado o representando una tabla similar a la siguiente. Número de bobina Terminales Ranuras 1 1A - 1a 1-4 2 2A - 2a 2-5 3 3A - 3a 3-6 4 4A - 4a 4-7 5 5A - 5a 5-8 6 6A -6a 6-9 7 7A - 7a 7 - 10 8 8A - 8a 8 - 11 9 9A - 9a 9 - 12 10 10A - 10a 10 - 1 11 11A - 11a 11 - 2 12 12A - 12a 12 - 3 10.Con un hilo rígido toma medida de la bobina en el rotor. Para ello insértalo en las ranuras correspondientes (paso de bobina) teniendo en cuenta que las cabezas tienen que tener una cierta holgura para poder alojarlas adecuadamente, pero que tampoco pueden ser excesivamente largas, ya que podría no ser posible el montaje sobre el rotor. Ancho de bobina Hilo rígido para medida del molde a Figura 4.124. Medida de la bobina. 11.Saca el hilo con la medida y colócalo en los moldes en la bobinadora, luego mueve los moldes hasta que su apertura se adapte a la medida tomada. 3a 1a 12.Construye doce bobinas siguiendo el proceso estudiado en la práctica profesional de la Unidad 2 y etiqueta sus terminales con cinta aislante o cinta de carrocero siguiendo el sistema propuesto. Hilo con medida 2a 1A 3A 2A a Figura 4.125. Detalle de adaptación de los moldes a la medida de la bobina. 04 Maquinas electricas.indd 163 a Figura 4.126. Bobinas finalizadas y etiquetadas. 17/07/12 08:11 Unidad 4 164 PRÁCTICA PROFESIONAL 3 (cont.) 13. Etiqueta las ranuras con un rotulador indeleble. Una vez etiquetadas, inserta la primera bobina en la armadura entre las ranuras 1 y 4 de forma que los terminales queden del lado del colector. Marca cuál es la delga considerada como número 1. Ten en cuenta que la unión entre la delga 1 y 2 se encuentra aproximadamente en la mitad de la cabeza de la bobina. Etiquetado de terminales 1a Etiquetado de ranuras Identificación de delgas 5 4 3 3 2 J.C.M.Castillo 1 2 1 Cuñas de cierre 1A a Figura 4.127. Etiquetado de delgas. 14. Cierra con cuñas rígidas cada una de las ranuras. Esto evitará que el devanado salga al exterior. Cuña de cierre a Figura 4.128. Detalle de cierre de ranuras mediante cuñas. 15. Completa el devanado de la armadura. Ten en cuenta que el devanado debe quedar peinado. Esto quiere decir que las cabezas de bobina se deben entrelazar entre sí. Para ello es necesario sacar de la ranuras las primeras bobinas (en nuestro caso tres de ellas) para así cerrarlo correctamente. 1 11 12 1 2 2 3 10 9 4 11 4 8 7 12 1 6 2 10 9 11 4 8 7 6 9 5 5 3 2 10 5 3 12 1 11 3 4 8 7 12 1 6 2 10 9 11 7 6 1 2 10 9 5 6 3 4 8 12 5 11 4 8 7 12 1 6 2 10 9 3 5 3 4 8 a Figura 4.129. Proceso de cerrado de un devanado. 7 6 5 a Figura 4.130. Detalles del pei- nado de dos inducidos. 16. Cierra con cuñas de forma definitiva todo el devanado. 17. Comienza el proceso de soldadura de los terminales al colector. 04 Maquinas electricas.indd 164 17/07/12 08:11 Máquinas rotativas de corriente continua 165 18. Para facilitar esta operación crea una tabla de conexiones como la aquí propuesta. Número de bobina Terminales Ranuras 1 1A - 12a 1–3 2 2A - 1a 2–4 3 3A – 2a 3–5 4 4A – 3a 4–6 5 5A – 4a 5–7 6 6A -5a 6–8 7 7A – 6a 7–9 8 8A – 7a 8 – 10 9 9A – 8a 9 – 11 10 10A – 9a 10 – 12 11 11A – 10a 11 – 1 12 12A - 11a 12 - 2 19. Corta los terminales con la longitud adecuada para conectarlos a las delgas correspondientes, por otro lado, pela unos 50 mm las puntas de los terminales de hilo esmaltado. Una vez hecho, es conveniente que vayas soldando y cortando los terminales de dos en dos. Esto evitará equivocaciones en el conexionado al colector. 20. Inserta las puntas de los terminales en la ranura de la delga y aplica un punto de soldadura evitando que dos delgas contiguas queden unidas eléctricamente. Nota. Debes saber que los inducidos fabricados mediante procesos automatizados, en lugar de unir los terminales a las delgas mediante soldadura, lo hacen por la técnica de remachado. Ranuras para soldadura a Figura 4.131. Detalle de ranuras de delgas para aplicar puntos de soldadura, ejemplo de soldadura y ejemplo de remachado. 21. Por último es necesario zunchar el inducido. Para ello se utiliza cinta de algodón fina o cuerda para atar todos los terminales poco antes del colector. Es importante realizar esta operación, ya que en caso contrario los terminales se pueden soltar con la máquina en funcionamiento. a Figura 4.132. Zunchado. 04 Maquinas electricas.indd 165 17/07/12 08:11 Unidad 4 166 PRÁCTICA PROFESIONAL 4 HERRAMIENTAS • Polímetro • Medidor de aislamiento comprobación de inducidos • Comprobador de inducidos de sobremesa OBJETIVO • Comprobador de inducidos portátil Conocer las técnicas de comprobación de inducidos en máquinas de corriente continua. MATERIAL • Cables de prueba del polímetro o del comprobador de inducidos • Hoja de sierra PRECAUCIONES • Consulta el manual de instrucciones para el uso adecuado de cualquiera de los instrumentos aquí utilizados. DESARROLLO Las técnicas de comprobación aquí mostradas se pueden utilizar tanto en inducidos rebobinados (como el realizado en la práctica profesional anterior) como en aquellos pertenecientes a otras máquinas cuyo funcionamiento queremos comprobar. Comprobación del aislamiento entre circuito eléctrico y magnético 1. Utilizando un medidor de aislamiento o un comprobador de continuidad, coloca una de las puntas de prueba en cualquiera de las delgas del colector (puedes cortocircuitarlas enrollando un cable sobre ellas) y la otra en cualquier parte metálica del rotor. Nota. Algunos comprobadores de inducidos de sobremesa disponen de comprobador de continuidad. 2. Si no obtenemos continuidad o la resistencia es muy alta, significa que el devanado no presenta falta de aislamiento. TTL 400 mA MAX 1000 V 750 V 500 V MAX a Figura 4.133. Comprobación de aislamiento. Uso del comprobador de inducidos de sobremesa 3. Sitúa el inducido en el núcleo en V del comprobador y alimenta el comprobador. Es normal que el propio instrumento emita un ligero zumbido magnético. 4. Coloca una lámina metálica (como puede ser una hoja de sierra) sobre la ranura a comprobar. Si la lámina no vibra, significa que esa bobina es correcta. 04 Maquinas electricas.indd 166 17/07/12 08:11 Máquinas rotativas de corriente continua 167 5. Gira lentamente el rotor y comprueba una a una todas las ranuras con la lámina metálica. Si en alguna de ellas aumenta de forma considerable el zumbido y la vibración, quiere decir que has localizado una bobina que está en cortocircuito. En este caso debes seguir sus terminales hasta el colector y comprobar si alguna de las delgas están en cortocircuito. Lámina metálica illo J.C.M.Cast Núcleo en V del comprobador a Figura 4.134. Comprobación de cortocircuito. 6. Muchos de estos instrumentos disponen de un sistema de comprobación de corriente que permite determinar si la intensidad que circula por las bobinas es la misma en todas ellas. Para ello hay que conectar los cables de prueba en el instrumento, y con las puntas de prueba ir tocando en las delgas de cada bobina. Si alguna de ellas no marca igual o lo hace débilmente, indica que el cable se ha roto o que está mal soldado a la delga. tillo J.C.M.Cas Comprobador de corriente a Figura 4.135. Comprobación de conductor interrumpido. Uso del comprobador portátil Nota. El uso del comprobador de mano solamente es necesario si no se ha utilizado o no se dispone del comprobador de inducidos de sobremesa. a Figura 4.136. Uso del comprobador de mano. 7. Enciende el instrumento y sitúa su cabeza lectora sobre alguna de las ranuras del inducido. Si el indicador luminoso pasa de verde a rojo, y además emite un zumbido, significa que alguna de las bobinas está en cortocircuito en el devanado o en el colector de delgas. 04 Maquinas electricas.indd 167 17/07/12 08:11 Unidad 4 168 MUNDO TÉCNICO equilibrado de máquinas rotativas De igual forma que otro tipo de máquinas o dispositivos giratorios, los rotores de las máquinas eléctricas requieren un equilibrado para evitar vibraciones y ruidos. Es más, si el desequilibrio es muy pronunciado, el rotor podría rozar contra el estator deteriorando los circuitos magnético y eléctrico. Por este motivo, todas las máquinas que salen de fábrica pasan por un proceso de equilibrado. Por ejemplo, si se hace un rebobinado en el taller de reparación, la disposición de los devanados puede cambiar respecto al original, por tanto, será necesario su equilibrado. Existen máquinas automáticas específicas para realizar el equilibrado de rotores eléctricos. Estas disponen de un conjunto de sensores de medición, una unidad de control informatizada para el procesamiento de datos y una interfaz de operación para el diálogo con el operador. No obstante, existen técnicas de equilibrado manual en las que el rotor se sitúa en un soporte tipo torno y, después de hacerlo girar, se marca el punto en el que se queda siempre fijo, calculando así, si es necesario algún tipo de contrapeso. En el primer caso, se pueden fijar piezas no magnéticas en el rotor, como ocurre con los rotores de jaula de ardilla en los motores de inducción. También puede añadirse algún tipo de masilla que se endurezca al secarse, y que se puede fijar sobre los propios devanados del inducido de la máquina. a Figura 4.138. Rotor con pasadores para equilibrado por remachado. a Figura 4.139. Masilla endurecida para equilibrado de inducidos. Para el equilibrado por eliminación de material se requiere experiencia y maquinaria específica, ya que consiste en eliminar por fresado o desbarbado parte del circuito magnético del rotor. a Figura 4.137. Máquina automática de equilibrado de rotores (Cortesía de Balance Systems). El equilibrado del rotor de una máquina eléctrica rotativa puede hacerse de dos formas: añadiendo o eliminando material. 04 Maquinas electricas.indd 168 a Figura 4.140. Equilibrado por fresado. 17/07/12 08:11 Máquinas rotativas de corriente continua 169 EN RESUMEN MÁqUINAS ROTATIVAS DE CORRIENTE CONTINUA Principio de funcionamiento Constitución Circuito eléctrico Circuito magnético Conexión de los devandados Arranque Variación de velocidad Características Devanados de corriente continua Inductor o excitación Inducido Devanado ondulado simple Devanado imbricado simple EVALÚA TUS CONOCIMIENTOS 1. ¿Cuáles son los dos circuitos eléctricos que tiene una máquina rotativa de corriente continua? a. Piezas polares. c. Inducido. b. Inductor. d. Paso polar. 2. El inducido se encuentra instalado en el estator. c. Verdadero. b. Falso. 3. La escobillas se deben situar en la denominada: Resuelve en tu cuaderno o bloc de notas 4. Los polos de conmutación se utilizan para: a. que la máquina gire más rápido. b. acortar el paso de bobina. c. eliminar la reacción del inducido. 5. El número de polos de devanado de excitación puede ser impar. a. Verdadero. b. Falso. 04 Maquinas electricas.indd 169 17/07/12 08:11 5 Máquinas rotativas de corriente alterna vamos a conocer... 1. Principio de funcionamiento de las máquinas rotativas de corriente alterna 2. Clasificación de máquinas de corriente alterna 3. Máquinas síncronas 4. Máquinas asíncronas 5. Devanados de máquinas de corriente alterna PRÁCTICA PROFESIONAL 1 Puesta en marcha de un alternador PRÁCTICA PROFESIONAL 2 Bobinado del devanado del estator de una máquina de corriente alterna PRÁCTICA PROFESIONAL 3 Bobinado del inductor de un alternador MUNDO TÉCNICO Variación de velocidad en motores de inducción y al finalizar esta unidad... Conocerás cuál es el principio de funcionamiento de las máquinas de corriente alterna. Identificarás los elementos que constituyen los circuitos magnético y eléctrico de este tipo de máquinas. Identificarás los diferentes tipos de máquinas. Diseñarás los diferentes devanados utilizados en ellas. Comprobarás el funcionamiento de una máquina síncrona. Construirás devanados para estatores y rotores de máquinas de corriente alterna. Comprobarás el correcto funcionamiento de los diferentes tipos de devanados. 05 Maquinas electricas.indd 170 17/07/12 08:14 171 CASO PRÁCTICO INICIAL situación de partida Al taller de reparación de MantenExpress están llegando todo tipo de máquinas eléctricas. En las últimas semanas ha recibido 3 máquinas de una fábrica de calzado que, supuestamente, están averiadas. Antes de proceder a su desmontaje Fermín y Abel han fotografiado su placa de características y, en especial, su caja de bornes. Curiosamente, cada una de ellas es diferente: una dispone de 6 bornes, otra de 8 y la tercera de 9. Los técnicos que las han trasportado hasta el taller dicen que una pertenece a un grupo electrógeno de emergencia, pero que las otras, funcionando como motor, estaban acopladas a máquinas de producción. Siguiendo el protocolo de desmontaje previsto por la empresa, Fermín y Abel han abierto cada una de las máquinas y se han encontrado con lo siguiente: • Todas tienen un estator con un elevado número de ranuras (entre 24 y 48) y, aunque son máquinas diferentes, el devanado tiene una ejecución muy similar. • La máquina que tiene 8 bornes tiene un rotor peculiar, está ranurado, pero no de forma uniforme. Hay varios espacios más amplios (concretamente 4) en el núcleo magnético, y el devanado está conectado a dos anillos de color dorado embutidos en el rotor. • La máquina con 9 bornes dispone de un rotor bobinado similar al de la anterior, pero ranurado de forma simétrica en todo su contorno. Al contrario que la anterior, tiene tres anillos en el eje. • Y, por último, la máquina con 6 bornes dispone de tiene un rotor sin devanado. Fermín y Abel se han hecho algunas preguntas sobre las máquinas recibidas que se deben responder antes de ponerse manos a la obra. estudio del caso Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después analiza cada punto del tema con el objetivo de contestar el resto de preguntas de este caso práctico. 1. ¿Se puede variar la velocidad de los motores de corriente alterna regulando la tensión de alimentación? 2. ¿Son reversibles las máquinas de corriente alterna como lo eran las de continua, que podían funcionar como generador o como motor? 3. Los motores de corriente continua requieren un campo inductor fijo para su funcionamiento, ¿es esto igual en los de corriente alterna? 4. ¿A qué máquina pertenece el rotor que tiene dos anillos?, ¿para qué sirven dichos anillos? 5. ¿Por qué la máquina reparada dispone solamente de 2 líneas de escobillas y, sin embargo, tiene 4 piezas polares? 6. ¿Es una coincidencia que los circuitos del estator de las tres máquinas tengan una ejecución muy similar? 05 Maquinas electricas.indd 171 7. ¿A qué máquina corresponde la caja de 8 bornes? 8. ¿Por qué una de las máquinas dispone de un rotor que no tiene devanado? 9. ¿A qué máquina pertenece la caja de 9 bornes?, ¿y el rotor de tres anillos? 10. La velocidad que indica la placa de características de un motor asíncrono no coincide con la calculada a partir de la frecuencia y del número de pares de polos, ¿Por qué ocurre esto? 11. El circuito inductor de una máquina de corriente continua dispone de un devanado de tipo concentrado, ¿ocurre lo mismo en las máquinas de corriente alterna? 12. Una máquina de corriente alterna puede funcionar como motor o como generador, ¿qué diferencias existen entre los devanados del estator en ambos casos? 17/07/12 08:14 Unidad 5 172 1. Principio de funcionamiento de las máquinas rotativas de corriente alterna Como hemos visto con anterioridad, una máquina rotativa elemental opera utilizando un sistema de conmutación basado en el colector de delgas. En este caso se produce una fuerza electromotriz que no cambia de signo. Sin embargo, si se sustituye dicho sistema de conmutación por un par de anillos rozantes, de modo que sobre ellos se apoyen las escobillas, se comprueba que la fuerza electromotriz presenta valores positivos y negativos, ya que el sentido de la corriente cambia periódicamente. De este modo, si se comparan las señales de ambos tipos de generadores, se observa que en el que utiliza colector de delgas el resultado es una señal de tipo pulsatorio, ya que el sentido de circulación de la corriente se mantiene cada media vuelta de espira. Sin embargo, si se usa un sistema de anillos, la corriente cambia de sentido (y de signo) cada media vuelta de la espira y se obtiene en los bornes del rotor una señal de tipo sinusoidal o senoidal. Posición de la espira Señal en bornes A-B a Figura 5.1. Generador elemental en CC. a Figura 5.2. Señal de salida de un generador en CC. En el caso del generador de corriente alterna, si se mantiene fijo el inducido y es el inductor el que gira, se presenta el mismo fenómeno de inducción y, por tanto, de generación de fuerza electromotriz, invirtiéndose así los papeles de ambos circuitos respecto a la máquina de corriente continua. Posición de la espira Señal en bornes A-B a Figura 5.3. Generador elemental en CA. 05 Maquinas electricas.indd 172 a Figura 5.4. Señal de salida de un generador en CA. 17/07/12 08:14 Máquinas rotativas de corriente alterna 173 En la práctica esta es la disposición habitual para los generadores, ya que facilita el diseño de la máquina, simplificando así el circuito por el que circula menos corriente (el del inductor) y utilizando el sistema de conexión móvil basado en anillos rozantes y escobillas. Los generadores de corriente alterna se denominan alternadores. Inducido Fuerza motriz Inductor (excitación) Alimentación del inductor Fuerza electromotriz inducida a Figura 5.5. Alternador elemental con inducido fijo e inductor móvil. 1.1. Frecuencia En el estudio de la máquina elemental de dos polos, una vuelta completa de la espira (ciclo geométrico), genera un ciclo (eléctrico) en la fuerza electromotriz inducida. El tiempo que tarda en producirse dicho ciclo se denomina periodo (T) y se expresa en segundos. Así, el número de ciclos por segundo se denomina frecuencia (f) y se mide en hercios (Hz). De esta forma se puede establecer una relación entre las dos magnitudes: T= 1 Así se deduce, que si en un mismo tiempo se producen más o menos ciclos, la frecuencia también variará en consecuencia. Si la máquina dispone de más dos polos, como es habitual en las máquinas reales, el número de ciclos por vuelta será igual al número de pares de polos según se muestra en la figura 5.6. En máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna la frecuencia está relacionada con la velocidad de rotación del rotor (N) en revoluciones por minuto (rpm) y con el número de pares de polos (p) de la máquina. f=p N N S t T N S S t N T S N 60 De esta forma es posible conocer la frecuencia de un generador en función de la velocidad a la que gira su sistema motriz. 05 Maquinas electricas.indd 173 Una vuelta de la espira f N S S t N T a Figura 5.6. Variación del número de ciclos en función del número de pares de polos. 17/07/12 08:14 Unidad 5 174 caso práctico inicial ejemploS Parece claro que la velocidad de giro de un motor de corriente alterna nada tiene que ver el valor de la tensión del sistema de alimentación. Es el valor de frecuencia, junto con en número de pares de polos de la máquina, los que determinan dicha velocidad. ¿Qué frecuencia entregará un generador de corriente alterna de 4 polos si es movido por un motor de gasolina que gira a 3000 rpm? f=p N 3000 =2 = 100 Hz 60 60 Si un motor de corriente alterna con 3 pares de polos es alimentado por un sistema de corriente a 50 Hz, ¿cuál será su velocidad de giro? N = 60 f 50 = 60 = 1000 rpm p 3 ¿A qué velocidad girará motor de ejemplo anterior si está alimentado por una red de 60 Hz? N = 60 f 60 = 60 = 1200 rpm p 3 La velocidad obtenida por la expresión anterior se denomina velocidad de sincronismo. Así, una máquina que consigue que su rotor gire a dicha velocidad se denomina síncrona, y a la que no lo hace asíncrona. 1.2. Ángulo eléctrico vocabulario Español-Inglés Monofásico: single phase Trifásico: three phase Grados eléctricos: electrical degrees Grados geométricos: mechanical degrees Una vuelta completa de la espira corresponde con un ciclo geométrico de 360°. Si la máquina tiene dos polos, el ciclo magnético (o eléctrico) coincide con él, ya que es el que se recorre para encontrar un polo del mismo signo que el inicial (N-S-N). Sin embargo, si la máquina tiene 4 polos, el ciclo geométrico correspondiente a la vuelta completa se traduce en un ciclo eléctrico de 180º, ya que es el ángulo que hay que recorrer para pasar por completo por el campo de acción de dos polos de signo contrario. Polo norte: north pole Polos sur: south pole 2 polos 4 polos N N 360º S S S N Grados eléctricos a 6 polos 180º S N N S S 120º N Grados geométricos Figura 5.7. Grados eléctricos. 1.3. Sistemas de fases saber más Los sistemas monofásicos están desfasados 90º eléctricos. 05 Maquinas electricas.indd 174 Las máquinas de corriente alterna, tanto generadores como motores, pueden diseñarse para cualquier sistema de fases: bifásico, trifásico, hexafásico, etc., sin embargo, algunos de ellos no tienen demasiadas aplicaciones en la práctica. El sistema más utilizado a nivel industrial es el de tipo trifásico, siendo el que aquí se estudiará principalmente. 17/07/12 08:14 Máquinas rotativas de corriente alterna 175 Un sistema trifásico está formado por tres fuerzas electromotrices iguales en frecuencia y magnitud, pero desfasadas entre sí 120° eléctricos. Cada fuerza electromotriz está generada por un devanado independiente, estos devanados se encuentran instalados sobre el estator a 120° unos de otros, tal como se representa de forma simbólica en la siguiente figura. F1 F2 U 1 F3 120º 3 W 120º 2 120º V a Figura 5.8. Desfase de 120º entre los devanados del estator. a Figura 5.9. Formas de onda de un sistema trifásico y ubicación simbólica de los devanados en el estator. 1.4. Campo magnético giratorio El funcionamiento de los motores de corriente alterna, tanto síncronos como asíncronos, está basado en el efecto denominado campo magnético giratorio. Un motor trifásico dispone de tres devanados separados entre sí 120° cuyas bobinas están montadas sobre el estator de forma distribuida. Si se alimentan los tres devanados utilizando un sistema de corriente alterna trifásica, el campo magnético generado dependerá de los valores instantáneos en cada una de las fases. De esta forma, el signo de los polos cambia en cada uno de los devanados en función de dichos valores a lo largo del tiempo, produciéndose así el efecto de campo giratorio. En los motores de corriente alterna el campo magnético inductor es de tipo giratorio, y no fijo como en los de corriente continua. . C J. C. M caso práctico inicial W a U V Figura 5.10. Campo giratorio en sentido horario. De igual forma, si se cambia la secuencia de dos de las fases, se consigue que el flujo circule en sentido contrario. En la práctica, dicho efecto se traduce en el cambio del sentido de giro de la máquina. El cambio de secuencia de fases es tan sencillo como permutar dos de ellas. Las máquinas de CA pueden funcionar como motor o como generador. . C J.C.M caso práctico inicial U W V saber más a Figura 5.11. Campo giratorio en sentido antihorario. 05 Maquinas electricas.indd 175 La velocidad del campo giratorio es siempre constante y es la del sincronismo. 17/07/12 08:14 Unidad 5 176 2. Clasificación de máquinas de corriente alterna De igual forma que las máquinas rotativas de corriente continua, las de corriente alterna son reversibles, es decir, pueden funcionar como generador (alternador) o como motor. Una clasificación de las máquinas de corriente alterna puede ser la siguiente: MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA Máquinas síncronas Generadores (Alternadores) Máquinas asíncronas Motores sincrónicos Trifásicos Generadores Motores asincrónicos Monofásicos Trifásicos Monofásicos De rotor bobinado De rotor sin bobinar (Rotor en cortocircuito) a Figura 5.12. Clasificación de máquinas de corriente alterna. Según la clasificación anterior se establecen dos grandes grupos: máquinas síncronas y máquinas asíncronas. Dentro del primer tipo tienen especial interés los generadores o alternadores, y dentro del segundo los motores. No obstante, en la actualidad, son numerosas las aplicaciones en las que se están empleando máquinas de tipo asíncrono como generadores, aunque su estudio se sale de los objetivos de esta obra. Aquí se tratarán los diferentes tipos de máquinas desde el punto de vista constructivo y de su constitución interna, centrándonos principalmente en el cálculo y en la ejecución de sus devanados. Para ello se realizarán algunas actividades prácticas relacionadas con el arranque y la puesta en marcha, aspectos que facilitarán el estudio de su funcionamiento. a 05 Maquinas electricas.indd 176 Figura 5.13. Máquina síncrona. a Figura 5.14. Máquina asíncrona. 17/07/12 08:14 Máquinas rotativas de corriente alterna 177 3. Máquinas síncronas Como ya se ha dicho, las máquinas síncronas son aquellas en las que el rotor gira a la velocidad de sincronismo. De la misma forma que las de corriente continua, están formadas por un circuito magnético y dos eléctricos. 3.1. Circuito magnético de las máquinas síncronas importante El estator de una máquina síncrona es similar al de una máquina asíncrona, incluso puede ser el mismo Está constituido por dos partes, una ubicada en el estator y otra en el rotor. En este caso, a diferencia de la máquina de corriente continua, la armadura está en la parte fija o estator, y la culata en la parte móvil o rotor. Armadura (estator) Ranuras para el devanado de la armadura N S Piezas polares (polos) S a Figura 5.15. Detalle del estator de una máquina síncrona. N Culata a Figura 5.16. Circuito magnético de una máquina síncrona. Así, el circuito magnético fijo es la armadura, que está formada por un apilamiento de chapas magnéticas embutido en la carcasa del estator. Está ranurada axialmente para permitir alojar en ella las bobinas del devanado inducido. Las ranuras pueden tener diferentes tamaños y formas en función del tipo y de la potencia de la máquina. a Figura 5.17. Posibles tipos de ranuras de la armadura. El circuito magnético rotativo ubicado en el rotor, también constituido de chapa magnética apilada, está destinado a alojar el circuito del devanado de excitación o inductor. Dicho circuito puede ser de dos tipos: • De polos salientes. Se utilizan generalmente para máquinas de más de dos polos, de gran potencia y tamaño, que van a girar a baja velocidad. En este caso las piezas polares están unidas por la culata que se encuentra en el eje del rotor. vocabulario Español-Inglés Formas de ranuras: shape of slots Cuña: wedge Devanado giratorio: revolving winding • Ranurados o de polos lisos. Se utilizan en máquinas de pequeña potencia o bajo número de polos que van a girar a gran velocidad. En ellas el rotor es un tambor con un aspecto similar al de los de corriente continua, pudiendo estar total o parcialmente ranurado. 05 Maquinas electricas.indd 177 17/07/12 08:14 Unidad 5 178 Las de polos lisos disponen de zonas sin ranuras (diente ancho) que corresponden con las zapatas polares. N N S S S S N N a a Figura 5.18. Rotor de polos salientes (Cortesía de Stator Systems). Figura 5.19. Rotor ranurado de diente ancho. 3.2. Circuitos eléctricos de una máquina síncrona recuerda Se denomina entrehierro al espacio que existe entre la armadura y el rotor. Entrehierro De igual forma que las de corriente continua, las máquinas síncronas tienen dos circuitos eléctricos: el inductor y el inducido. Sin embargo, la principal diferencia respecto a las primeras está en que la disposición de los devanados está invertida, es decir, el inducido está en el estator y el inductor en el rotor. Circuito inductor Es el encargado de generar el campo magnético de excitación. Se encuentra bobinado sobre el rotor formando un número fijo de polos, que en el recorrido de su contorno deben ser de signo alternativo, es decir, N, S, N, S, etc. N S N El número de polos se define en el momento de la construcción el rotor, por tanto, si la máquina ha sido diseñada para 4 polos, no se podrá utilizar para un número diferente. a Figura 5.20. Entrehierro de una máquina síncrona. Polo Aislante entre anillos Cabezas de bobinas Ranuras Conexión del devanado a los anillos Anillos a caso práctico inicial El rotor con dos anillos pertenece al alternador del grupo electrógeno que se ha llevado al taller de reparación. La misión de los anillos es alimentar el circuito inductor que se encuentra devanado en el rotor. 05 Maquinas electricas.indd 178 Figura 5.21. Inductor de una máquina síncrona. El colector de anillos A diferencia de las máquinas de corriente continua, la alimentación del circuito del rotor en una máquina síncrona no requiere conmutación. Por este motivo no es necesario montar en él un sistema tan complejo como es el colector de delgas. En este caso la conexión se realiza mediante un par de anillos que alimentan cada uno de los terminales del devanado inductor, y sobre los se apoyan las escobillas. 17/07/12 08:14 Máquinas rotativas de corriente alterna 179 Desde el punto de vista del mantenimiento, el colector de anillos y sus escobillas son mucho más duraderos que sus equivalentes en las máquinas de corriente continua, ya que al no haber conmutación, el desgaste por contacto eléctrico es mínimo. U V W M/G s U1 q M/G V1 W1 a Figura 5.23. Anillos rozantes. Figura 5.24. Escobillas. V2 W2 s a U2 q a Figura 5.22. Símbolos de una máquina síncrona. El circuito inducido El devanado del inducido se encuentra alojado en el estator y, en función del número de fases para el que ha sido diseñado, puede ser monofásico, bifásico o trifásico. No obstante, debido a que los últimos son los más utilizados en la industria, serán los que aquí se estudiarán principalmente. El inducido de una máquina trifásica síncrona (y como se verá más adelante, el de una asíncrona también), está formado por tres devanados, uno por fase, que se entrelazan entre sí siguiendo un diseño geométrico a través de las ranuras de la armadura. Cada uno de estos devanados está formado por una serie de bobinas que se conectan con otras de la misma fase, en mayor o menor medida, en función del número de polos de la máquina. El número de polos del inducido debe ser el mismo que el número de polos del devanado de excitación o inductor. a Figura 5.25. Inducido o armadura de una máquina síncrona. La caja de bornes Desde el interior de la máquina a la caja de bornes llegarán 8 conductores. Seis de ellos pertenecen a los devanados del inducido (dos por fase ocho) y dos son los procedentes del portaescobillas que alimenta el circuito inductor. a U1 V1 W1 s W2 U2 V2 q Figura 5.26. Bornes y conexiones internas de las bobinas de una máquina síncrona. En el inducido el devanado de cada fase dispone de dos terminales de conexión, uno de principio y otro de fin. 05 Maquinas electricas.indd 179 saber más Antiguamente los bornes de las máquinas trifásicas se nombraban con U-V-W para los principios y con X-Y-Z para los finales. En la actualidad esta denominación está obsoleta. 17/07/12 08:14 Unidad 5 180 Para etiquetar los distintos terminales se usan las letras U, V, W seguidas de un número, 1 ó 2, que indica si el terminal es un principio o un final, respectivamente. Así, U1-U2 corresponden a los terminales del devanado de una de las fases, V1-V2 a los de la siguiente fase y W1-W2 a los de la última. De igual forma que otros dispositivos de tipo trifásico (como los trasformadores que estudiaste en unidades anteriores), la conexión entre los devanados de una máquina síncrona puede hacerse en estrella o en triángulo, teniendo en cuenta la relación entre tensiones de fase y línea ya estudiadas. U2 U2 V1 V1 U1 U1 V1 V1 W1 W1 ss V2 V2 qq V1 V1 U1 U1 V1 V1 W1 W1 ss W2 W2 U2 U2 V2 V2 qq V2 V2 U1 U1 W2 W2 a V2 V2 W1 W1 W2 W2 U2 U2 U2 U2 W2 W2 U1 U1 a Figura 5.27. Conexión triángulo. W1 W1 Figura 5.28. Conexión estrella. 3.3. Funcionamiento como generador. Alternador caso práctico inicial El principal uso de la máquina asíncrona es como generador de corriente alterna, recibiendo en este caso el nombre de alternador. La caja con 8 bornes pertenece al alternador del grupo electrógeno de seguridad que ha llegado al taller para su reparación. Vca trifásica generada Vcc excitación Alternador Fuerza motriz a U1 V1 W1 s W2 U2 V2 q Figura 5.29. Alternador. recuerda Si se aplica al eje una fuerza motriz a la vez que se alimenta el circuito de excitación con una fuente externa de VCC, se obtiene en sus bornes una tensión alterna trifásica, cuya frecuencia depende de la velocidad de giro. Cuando las bobinas están conectadas en triángulo, la tensión de línea es la misma que la tensión de fase, es decir, V = Vf. Sin embargo, si las bobinas están conectadas en – estrella, la tensión de línea es √3 la – de fase, es decir, V = √3 · Vf. La excitación de un alternador puede conseguirse de diferentes formas: mediante sistemas estáticos de alimentación (baterías) o mediante un sistema de generación o excitatriz acoplado al propio eje de la máquina. En la actualidad es muy común utilizar un pequeño generador de corriente alterna, que se mueve por el propio eje del alternador, cuya corriente de salida se rectifica mediante diodos o rectificadores semicontrolados. 05 Maquinas electricas.indd 180 17/07/12 08:14 Máquinas rotativas de corriente alterna 181 Los alternadores son los encargados de producir la mayor parte de la energía eléctrica que utilizamos en la actualidad. Estos se encuentran en las centrales de producción eléctrica y son movidos utilizando sistemas hidráulicos, eólicos o por vapor a presión. Por lo general, la mayoría de los alternadores son de tipo trifásico, sin embargo, para aplicaciones menores, como pueden ser los grupos electrógenos de baja potencia, pueden ser monofásicos o bifásicos. En la figura siguiente se muestra el alternador de una minicentral hidroeléctrica. saber más Una excitatriz es una máquina acoplada (o no) al eje del propio alternador que se encarga de producir la energía requerida para alimentar el devanado de excitación. a Figura 5.30. Minicentral hidroeléctrica. Regulación de la tensión y frecuencia de salida La corriente del inductor debe mantenerse como un valor fijo (el asignado en la placa de bornes). La variación de dicha corriente, mediante un sistema de alimentación regulable basado en un Variac y en un rectificador de corriente (o cualquier sistema similar), permite ajustar el valor de la tensión de salida del alternador. saber más Los sistemas eólicos de producción de energía hacen buen uso de los generadores de corriente alterna. El ensayo de vacío permite definir la curva que relaciona la tensión de salida del alternador con la corriente de excitación. En dicha curva se comprueba cómo para valores bajos de excitación (hasta algo más del valor nominal), la tensión generada aumenta en forma lineal, es decir, proporcional, a dicha corriente. Sin embargo, una vez se ha superado cierto valor de excitación, el núcleo magnético se satura y, por tanto, la tensión generada prácticamente no aumenta o lo hace tímidamente. Tensión generada V Iexc Corriente de excitación a Figura 5.32. Curva que relaciona la corriente de excitación con la tensión generada. 05 Maquinas electricas.indd 181 a Figura 5.31. Aerogenerador. 17/07/12 08:15 Unidad 5 182 Por otro lado, la velocidad de giro del rotor y el número de pares de polos de la máquina son las variables que determinan la frecuencia (Hz) en los bornes de salida del alternador. Así, para un mismo número de pares de polos, a mayor velocidad de arrastre, mayor es la frecuencia. Un ejemplo de lo anterior puede ser el de un alternador que dispone de 2 pares de polos y que gira a 1500 rpm. Matemáticamente se puede comprobar que la frecuencia de salida es de 50 Hz. f=p N 60 =2· 1500 60 = 50 Hz Sin embargo, si la misma máquina girara a una velocidad inferior, por ejemplo, 750 rpm, la frecuencia en bornes sería de 25 Hz. f=p N 60 =2· 750 60 = 25 Hz De esto se deduce que la regulación del sistema motriz acoplado al eje de un alternador influye directamente sobre el valor de la frecuencia obtenida. De igual forma, si el número de revoluciones de sistema motriz aumenta considerablemente, la frecuencia también lo hará. f=p N 60 =2· 4000 60 = 133,33 Hz 3.4. Funcionamiento como motor. Motor síncrono saber más Para poder realizar el acoplamiento de un alternador a la red eléctrica es necesario que la frecuencia y la tensión generadas coincidan con las del sistema con el que se van a acoplar. saber más Cuando se habla de cargar un generador, decimos que se aplica un receptor eléctrico (carga eléctrica) en sus bornes. Si por el contrario se trata de un motor, quiere decir que se aplica una resistencia mecánica en su eje. La máquina síncrona, además de funcionar como generador, puede usarse como motor. Para ello debe mantenerse la corriente de excitación y aplicar la alimentación (en este caso trifásica) al devanado del estator. Con estas condiciones de alimentación se produce en el circuito magnético del estator el efecto denominado campo magnético giratorio, ya mencionado al principio de esta unidad. Si se alimenta la excitación, el devanado inductor genera un campo magnético fijo que intenta alinearse con el campo giratorio en un breve periodo de tiempo (el de la velocidad de sincronismo), no pudiendo arrancar. En esta situación el rotor puede emitir un zumbido debido a las rápidas atracciones y repulsiones e, incluso, puede sufrir un ligero balanceo, pero sin logar arrancar. Sin embargo, si con un sistema de arrastre se lleva al rotor a la velocidad de sincronismo, cuando este se desacopla de su eje, el motor síncrono continuará girando. Debido a esta condición indispensable para su arranque, el motor asíncrono solamente es utilizado en aplicaciones muy específicas. actividadeS 1. Antes de continuar se recomienda realizar la práctica profesional 1 del final de la unidad. Con ella podrás comprobar cómo funciona un alternador trifásico y cuál es su comportamiento al variar la velocidad de arrastre y la corriente de excitación. 05 Maquinas electricas.indd 182 17/07/12 08:15 Máquinas rotativas de corriente alterna 183 4. Máquinas asíncronas Deben su nombre a que funcionan a una velocidad diferente (inferior) a la de sincronismo. El funcionamiento como motor es el principal uso de las máquinas asíncronas. No obstante, en la actualidad, se están utilizando con regularidad como generadores, aunque su estudio se sale de los objetivos de este libro. Núcleo de la armadura Caja de bornes Ventilador Rotor en cortocircuito J.C..M M.Ca stiilllo lo Cojinete Tapa del ventilador Eje Escudo posterior Placa de características Escudo anterior Devanado del estator a Figura 5.33. Constitución de un motor asíncrono trifásico. De la misma forma que las máquinas síncronas, las asíncronas están formadas por un circuito magnético y dos circuitos eléctricos, además de otros elementos como son: la carcasa, escudos, tapas, base de fijación, etc. 4.1. Circuito magnético Está formado por dos partes: una fija en el estator y una móvil en el rotor. La armadura o estator El estator es idéntico al utilizado en las máquinas síncronas, por tanto aquí no se volverá a enunciar cuál es su constitución, ya que no existe ninguna diferencia entre ambos. El rotor En cuanto al rotor, puede ser de dos tipos: • Rotor en cortocircuito. Este tipo no dispone de ranuras abiertas que permitan insertar en ellas un bobinado ejecutado a base de hilo o pletina esmaltada. Sin embargo, está constituido por un número determinado de barras rígidas que se cierran en cortocircuito en sus extremos, formado así su propio devanado. • Rotor ranurado. Su aspecto es similar al de otros rotores ya estudiados para otros tipos de máquinas. Se encuentra ranurado en todo su contorno para permitir alojar en él un devanado construido a base de bobinas de hilo o pletina esmaltada. 05 Maquinas electricas.indd 183 Armadura (estator) Barras del rotor Ranuras de la armadura Rotor en cortocircuito a Figura 5.34. Partes de una máquina asíncrona con rotor en cortocircuito. 17/07/12 08:15 Unidad 5 184 Algunos rotores se muestran a continuación: a a Figura 5.35. Rotor en cortocircuito. Figura 5.36. Rotor ranurado. 4.2. Circuitos eléctricos en máquinas asíncronas recuerda Los circuitos magnético y eléctrico del estator de una máquina asíncrona son los mismos que los de una máquina síncrona. La parte eléctrica de las máquinas asíncronas está formada por dos circuitos: uno en el rotor y otro en el estator. Si consideramos su funcionamiento como motor, el circuito inductor se encuentra ubicado en el estator y el inducido en el rotor. Inductor El devanado del inductor es idéntico al utilizado en el estator de la máquina síncrona. En la industria, aunque existen devanados de tipo monofásico y bifásico, mayoritariamente son de tipo trifásico, que están formados por tres devanados (uno por fase) distribuidos por el perímetro de la armadura y separados entre sí 120° eléctricos. a Figura 5.37. Estator de una máquina asíncrona. El número de polos de una máquina se define en el momento de la ejecución de este devanado. Así, la velocidad de giro dependerá de este dato y de la frecuencia de la red de alimentación. Inducido Es el circuito eléctrico que está ubicado en el rotor. Puede ser de dos tipos: de barras en cortocircuito o bobinado. U1 V1 W1 • De barras en cortocircuito. Como ya se ha dicho anteriormente, está formado por barras, normalmente de aluminio, embutidas en ranuras ciegas en el tambor del rotor, que se cierran en sus extremos mediante discos del mismo material, dando al sistema un aspecto de jaula de ardilla por lo que este tipo de rotores suelen recibir este nombre. U1 V1 W1 U2 V2 W2 a Figura 5.38. Símbolos de un motor asíncrono trifásico con rotor en cortocircuito. 05 Maquinas electricas.indd 184 a Figura 5.39. Barras de un rotor en jaula de ardilla. En los motores de gran potencia estas barras son intercambiables para ser sustituidas en caso de deterioro o rotura. 17/07/12 08:15 Máquinas rotativas de corriente alterna 185 Para mejorar el par de arranque, los rotores en cortocircuito pueden ser: a) De doble jaula. Constituido por un segundo grupo interno de barras y concéntrico al principal. b) De ranura profunda. Formado por un único sistema de barras alargadas hacia el interior del rotor. caso práctico inicial En realidad, el rotor de la máquina que ha llegado para reparar, sí dispone de devanado, pero es un poco especial, ya que en lugar de estar construido por hilo de cobre esmaltado, está hecho con unas barras internas conectadas en cortocircuito. vocabulario Español-Inglés a Figura 5.40. Rotores de doble jaula (izquierda) y de ranura profunda (derecha). Este tipo de máquinas es el más utilizado en la actualidad debido a que su mantenimiento es prácticamente nulo gracias a la ausencia de conexiones móviles o rozantes, algo que es característico en los sistemas basados en colector. El conexionado de un motor al exterior se realiza a través de los seis bornes de su caja de conexiones, pudiendo hacerse en estrella o en triángulo, como ya se ha visto anteriormente. En este caso, la conexión estrella es para la tensión mayor y la conexión triángulo para la menor. Asíncronos: asynchronous Síncronos: synchronous Campo magnético giratorio: rotating magnetic field Trifásico: three-phase Espiras: turns Deslizamiento: slip Entrehierro: air gap Ventilador: fan Velocidad: speed Baja tensión: low voltage Alta tensión: high voltage U1 V1 W1 U1 V1 W1 U1 V1 W1 W2 a U2 V2 W2 U2 V2 Figura 5.42. Conexión de la caja de bornes de un motor trifásico de inducción. • De rotor bobinado. El tambor del rotor es de tipo ranurado y en él se alojan las bobinas que constituyen el devanado, que recibe el nombre de rotórico. Una de las principales características de este tipo de motores es que dispone de un elevado par de arranque respecto a los motores de rotor en jaula de ardilla de ranura normal. Como con los motores de rotor en cortocircuito de doble ranura o ranura profunda se obtienen resultados similares, los motores de rotor bobinado han quedado relegados a aplicaciones muy específicas. El devanado del rotor suele estar formado por tres devanados, que se conectan en estrella por uno de sus extremos y a los anillos del colector por el otro. No obstante, el número de devanados puede ser diferente, siempre que se obtenga el mismo número de polos que tenga el estator. 05 Maquinas electricas.indd 185 K L M U1 U2 V1 V2 W1 W2 K L M a Figura 5.41. Símbolos de un motor asíncrono trifásico con rotor bobinado. 17/07/12 08:15 Unidad 5 186 caso práctico inicial Un esquema es el siguiente: La caja con nueve bornes pertenece a la máquina asíncrona de rotor bobinado. Seis de ellos son del devanado situado en el estator y los otros tres, etiquetados como K, L, M, del devanado del rotor. Caja de bornes Rotor bobinado (inducido) Escobillas Escudo Colector de anillos Devanado de la armadura (inductor) Estator a saber más Algunos tipos de aerogeneradores utilizan máquinas asíncronas de rotor bobinado. caso práctico inicial La diferencia entre la velocidad de sincronismo y la indicada en la caja de bornes del motor trifásico con rotor en jaula de ardilla se llama deslizamiento y es necesaria para que el motor pueda girar. Dicho de otra forma, si no existiera el deslizamiento, el rotor se pararía. NS Nm Escudo Figura 5.43. Partes de un motor de rotor bobinado. Los motores de rotor bobinado, también denominados de anillos rozantes, están diseñados para trabajar en cortocircuito. a Figura 5.44. Detalle del colector de anillos y de las escobillas de un motor asíncrono de rotor bobinado. 4.3. Funcionamiento del motor asíncrono En una máquina asíncrona, funcionando como motor, al alimentar el devanado del estator se genera un campo magnético de tipo giratorio que induce una corriente sobre el devanado del rotor (sea de barras o bobinado). Esta corriente a su vez genera por inducción (de ahí el nombre que se le suele dar a este tipo de motores) un campo magnético rotórico que se comporta como si de imanes permanentes se tratara. De esta forma, el rotor intenta alinearse con el campo del estator, provocando en él un par de fuerzas que provocan el giro. Así, siempre que se mantenga el campo del inductor, el rotor gira buscando su alineamiento. La velocidad del campo giratorio es la de sincronismo, sin embargo, la del rotor siempre debe estar por debajo de ella, ya que si ambas llegaran a igualarse, el motor se pararía. La diferencia entre ambas velocidades recibe el nombre de deslizamiento (S). Se suele expresar en % y se calcula mediante la siguiente expresión: a Figura 5.45. Velocidades del motor síncrono. S= NS – Nm NS · 100 Donde Ns es la velocidad de sincronismo y Nm la de la máquina. 05 Maquinas electricas.indd 186 17/07/12 08:15 Máquinas rotativas de corriente alterna 187 El momento del arranque El instante del arranque de un motor de inducción es especialmente delicado, ya que la máquina debe vencer el par resistente que se aplica en su eje hasta conseguir la velocidad de funcionamiento nominal. Si la carga que se aplica en él es excesivamente grande, el motor puede no llegar a arrancar. Corriente Los fabricantes de motores suelen representar esta característica mediante la denominada curva par-velocidad. En ella se puede observar lo que ocurre con el par motor hasta que consigue la velocidad nominal. Como se observa en las figuras, existe una zona inestable en la que el par motor pasa por diferentes valores. En ese momento, si el par resistente es excesivamente elevado y está por encima de la curva del par motor, la máquina puede tener problemas para arrancar o incluso no conseguirlo. Una vez superada esta zona inestable, el motor consigue su velocidad nominal, funcionando en condiciones normales. e Corr ient eq ue ab so rb tor mo el Par de arranque r Pa rm ot o Par Par máximo Par Par mínimo nte iste res r a P Zona inestable 0 Zona estable Velocidad nominal a Figura 5.46. Curva par-velocidad. Corriente nominal iste res Par Velocidad Velocidad de sincronismo Pa rm ot or Par nominal Zona inestable 0 nte Zona estable Velocidad a Figura 5.47. Curva de corriente sobre la curva par-velocidad. Vencer el par resistente en el momento del arranque, cuando el motor está a plena carga, produce una sobrecorriente cuyo valor es muy superior a la corriente nominal del motor. Este exceso puede resultar enormemente perjudicial, tanto para la instalación como para la aparamenta que alimenta la máquina. Este efecto se enfatiza en los motores de gran potencia, de modo que será necesario tenerlo siempre en cuenta. Para evitar este efecto tan perjudicial se recurre a diferentes métodos en función del tipo de motor. En los motores con rotor en cortocircuito o jaula de ardilla se recurre a diferentes sistemas de arranque como los denominados: estrella-triángulo, Part-Winding o de devanados separados, por resistencias estatóricas o por autotransformador. En los motores de rotor bobinado es habitual el arranque denominado por eliminación de resistencias rotóricas. En cualquiera de los casos, su estudio se sale de los objetivos de esta unidad. El arranque estrella-triángulo es, desde hace tiempo, uno de los más utilizados, aun así, en la actualidad se están viendo sustituidos paulatinamente por sistemas electrónicos basados en arrancadores progresivos o variadores de velocidad. 05 Maquinas electricas.indd 187 recuerda En la instrucción ITC-BT-47 del REBT se establece que la constante máxima de proporcionalidad entre la intensidad de la corriente de arranque y la de plena carga. En motores de corriente continua debe ajustarse a los siguientes valores: Potencia Constante De 0,75 kW a 1,5 kW 2,5 De 1,5 kW a 5,0 kW 2,0 De más de 5,0 kW 1,5 17/07/12 08:15 Unidad 5 188 5. Devanados de máquinas de corriente alterna caso práctico inicial No hay ninguna diferencia entre el devanado del estator de un generador de corriente alterna y el de un motor, es más, si las máquinas fueran idénticas en dimensiones y características eléctricas, podrían intercambiarse entre sí. Los devanados de las máquinas de corriente alterna se ubican en: • el rotor de máquinas síncronas, bien sea de polos salientes o de polos lisos, • el rotor de las máquinas asíncronas de polos lisos, • el estator de máquinas síncronas y asíncronas, ya sea funcionando como motor o como generador, siendo el proceso de cálculo, diseño y ejecución idéntico en ambos casos. Los devanados del estator se diseñan según el número de fases del sistema de alimentación al que van a ser conectados. Si bien pueden construirse para los de tipo monofásico y bifásico, aquí se centrará el estudio en los devanados de tipo trifásico, ya que son los más utilizados en la industria. 5.1. Conceptos previos para el diseño y ejecución de devanados en corriente alterna A continuación se describirán aquellos conceptos de uso común que son necesarios para calcular y diseñar los diferentes tipos de devanados de corriente alterna. Bobinas y grupos de bobinas El concepto de bobina es el mismo que el estudiado para los devanados de corriente continua. Una bobina es un conjunto de espiras de, aproximadamente el mismo tamaño, que se inserta entre dos ranuras del núcleo magnético. Disponen de dos lados activos, dos cabezas y dos (o más) terminales de conexión. Un grupo de bobinas está formado por dos o más bobinas unidas entre sí, construidas con un conductor del mismo diámetro y del mismo número de espiras. Bobinas Lados activos Terminales a a Figura 5.49. Grupo de tres bobinas. 05 Maquinas electricas.indd 188 Cabeza superior Hilo de unión entre bobinas Figura 5.48. Grupo de bobinas. En los esquemas de devanados de corriente alterna los grupos de bobinas se representan de forma simplificada, dibujándose solamente las cabezas superiores, los lados activos y las conexiones entre grupos de bobinas. No obstante, en algunas ocasiones, también se recurre a una representación más desarrollada en la que se muestran las uniones entre las diferentes bobinas del grupo. 17/07/12 08:15 Máquinas rotativas de corriente alterna 189 Algunas representaciones esquemáticas son: Grupo de bobinas Representación desarrollada 1 2 3 a Representación simplificada 10 11 12 1 2 3 10 11 12 Figura 5.50. Representación de un grupo de tres bobinas. Tipos de devanados Los dos tipos de devanados más representativos son los concentrados y los distribuidos. • Devanados de tipo concentrado. En ellos cada polo se forma con una única bobina arrollada sobre la pieza polar. Es el sistema utilizado para el devanado de excitación de las máquinas de corriente continua y, también, para el devanado del inductor de las máquinas síncronas basadas en rotor de polos salientes. Si bien este tipo de devanado podría utilizarse para los estatores de las máquinas de corriente alterna, en la actualidad está en desuso debido al bajo aprovechamiento de núcleo, pues requiere una armadura de mayor tamaño. Bobina 1 Los devanados de tipo concentrado solamente se utilizan para la excitación en máquinas de corriente continua, para rotores de polos salientes en máquinas síncronas y para devanados de motores Brushless y Paso a paso. Bobina 2 Bobina 1 S s caso práctico inicial N q Bobina 2 S N Rotor máquina síncrona a Figura 5.51. Devanado concentrado de dos polos y su aplicación al inductor de una máquina síncrona. • Devanados de tipo distribuido. Utilizan varias ranuras por polo y fase, permitiendo así un mejor aprovechamiento del núcleo de la máquina y, por tanto, optimizar su tamaño. En estos devanados los haces activos de una misma bobina se encuentra ubicados en polos contiguos de signo contrario, recibiendo por este motivo el nombre de distribuidos. El sistema de devanados distribuidos es el más utilizado en la actualidad para la construcción de circuitos eléctricos en estatores, tanto en máquinas de corriente alterna síncronas como asíncronas. 05 Maquinas electricas.indd 189 vocabulario Español-Inglés Devanado concentrado: concentrated winding Devanado distribuido: distributed winding Devanado concéntrico: concentric winding Devanado excénctrico o en cadena: chain winding 17/07/12 08:15 Unidad 5 190 Un esquema de este tipo de devanado sería el siguiente: S N 1 2 3 U1 a 4 W2 5 6 7 V1 8 9 10 11 12 U2 W1 V2 Distribución de bobinas en el estator Figura 5.52. Ejemplo de un devanado distribuido. Los devanados distribuidos pueden ser de dos tipos: concéntricos y excéntricos. a) Devanados concéntricos. Son aquellos en los que las bobinas de los grupos se construyen de forma concéntrica con diferentes tamaños. El diseño y la ejecución de este tipo de devanados son sencillos, sin embargo, debido a la disposición que tienen las cabezas de las bobinas en el interior de la máquina, el aprovechamiento del espacio es menor que en los de tipo excéntrico. b) Devanados excéntricos. Son aquellos cuyos grupos tienen todas las bobinas iguales. Su ejecución en la máquina permite un mejor peinado de las cabezas y, por tanto, un mejor aprovechamiento del espacio respecto a los de tipo concéntrico. Bobinas concéntricas a Bobinas excéntricas N S 1 2 3 10 11 12 N S 1 2 3 10 11 12 Figura 5.53. Grupos de bobinas para devanados concéntricos y excéntricos. Los devanados excéntricos pueden ser imbricados de una capa, imbricados de doble capa u ondulados. A continuación se tratarán ejemplos de cálculo y ejecución de cada uno de ellos. vocabulario Conexiones entre grupos de bobinas Español-Inglés La conexión entre los diferentes grupos de bobinas puede hacerse de dos formas diferentes: Por polos: whole coil winding Por polos consecuentes: half coil winding 05 Maquinas electricas.indd 190 • por polos, • por polos consecuentes. 17/07/12 08:15 Máquinas rotativas de corriente alterna 191 Conexión por polos Se realiza conectando el final de un grupo con el final del siguiente, y el principio de este con el principio del siguiente. N S N Final Final N Final Final Principio Principio a S Figura 5.54. Conexión por polos en una máquina de 4 polos. Así, en este tipo de conexión hay tantos grupos de bobinas por fase (Gf), como polos (2p) tiene la máquina. Gf = 2p Si el resultado se multiplica por el número de fases (q) del sistema de alimentación, se conoce el número total de grupos requeridos para el devanado. G = 2pq Conocer el número de grupos por fase y el número de grupos totales del devanado, no es un dato esencial para el cálculo geométrico del mismo, pero permite comprobar que su diseño es correcto. Conexión por polos consecuentes Se dice que una conexión se hace por polos consecuentes cuando se conecta el final de un grupo de bobinas con el principio del siguiente y así sucesivamente. S S Final a S S Final Principio S S Principio Figura 5.55. Conexión por polos consecuentes en una máquina de 6 polos. En este caso el número de grupos por fase (Gf) corresponde a la mitad del número de polos, es decir, es igual al número de pares de polos (p). Gf = p Por tanto, el número total de grupos del devanado es el producto de los pares de polos por el número de fases del devanado (q): G = pq 05 Maquinas electricas.indd 191 17/07/12 08:15 Unidad 5 192 Ubicación de los principios de fase de un devanado Los principios de fase permiten definir geométricamente las ranuras en las que estarán ubicados cada uno de los grupos de las fases. En función si el devanado es trifásico o bifásico, el paso de los principios de fase se calcula utilizando las siguientes expresiones: Trifásicos Y120 = Bifásico K Y90 = 3p K 4p El resultado obtenido se suma sucesivamente en una tabla denominada de principios de fases, obteniéndose lo siguiente: U V W 1 1+Y120 1+2Y120 1+3Y120 1+4Y120 1+5Y120 …. Así, cada columna representará la ranura en la que comienza un nuevo grupo de una misma fase. Esta tabla contiene más o menos filas en función del número de ranuras y del de pares de polos del devanado a diseñar. Las ranuras de la primera fila de cada una de las fases (U-V-W) corresponden a los terminales de inicio (los que van a la caja de bornes) de cada uno de los devanados. Bobinas por grupo saber más El número de bobinas por grupo es el mismo para cualquiera de las fases del devanado. No obstante, existen excepciones como las que se nombrarán más adelante, en las que grupos de una misma fase pueden tener un número de bobinas diferente. El número de bobinas por grupos (U) se calcula: Por polos U= K 4pq Por polos consecuentes U= K 2pq A continuación se abordará el cálculo y el diseño de los diferentes tipos de devanados en corriente alterna, analizando previamente los conceptos particulares de cada uno de ellos. 5.2. Devanados concéntricos Son aquellos que solamente utilizan grupos de bobinas concéntricas, ejecutándose siempre a una capa. Condición de ejecución De igual forma que en los devanados de corriente continua, no todos se pueden ejecutar para cualquier número de polos y de ranuras. No obstante, los devanados de corriente alterna son algo menos restrictivos en ese sentido que los ya estudiados para corriente continua. 05 Maquinas electricas.indd 192 17/07/12 08:15 Máquinas rotativas de corriente alterna 193 Para conocer si un devanado de este tipo se puede ejecutar, se debe calcular el número de ranuras por polo y fase (Kpq) mediante la siguiente expresión: Kpq = K saber más Para la construcción de devanados concéntricos es necesario utilizar moldes preformados específicos. 2pq Donde K es el número de ranuras, p el número de pares de polos y q el número de fases. El resultado óptimo de este cálculo es un número entero. No obstante si dicho número es impar y el devanado se ejecuta por polos, se puede hacer coincidir en una misma ranura bobinas de distintos grupos de la misma fase que se hayan construido con la mitad de espiras. También sería posible realizar devanados con unos grupos con la mitad de bobinas que otros. a a Figura 5.57. Coincidencia de bobinas en una misma ranura. a Figura 5.56. Moldes para grupos de bobinas concéntricas. Figura 5.58. Grupos asimétricos de una misma fase. En el caso de un devanado realizado mediante polos consecuentes, el resultado óptimo para el diseño también es un número entero, ya sea par o impar. Sin embargo, si se obtiene un número fraccionario formado por un número entero más 0,5, se debe proceder, como se ha visto anteriormente, a dividir el número de espiras de una de las bobinas de un grupo y hacerla coincidir en la misma ranura con una bobina de similares características del siguiente grupo. Cualquiera de estas excepciones requiere una cierta experiencia en el diseño del devanado, ya que en numerosas ocasiones se salen de la lógica del desarrollo que se va a explicar a continuación. saber más Todos los devanados excéntricos se ejecutan a una capa salvo las excepciones aquí nombradas. Amplitud Es el número de ranuras que quedan libres (para ser usadas por grupos de otras fases) entre los dos haces activos de la bobina interior, o más pequeña, del grupo. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Amplitud m=6 a 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 Amplitud m=4 Figura 5.59. Amplitud de bobina. 05 Maquinas electricas.indd 193 17/07/12 08:15 Unidad 5 194 Número de fases del devanado Los devanados concéntricos de corriente alterna se ejecutan principalmente para sistemas trifásicos, pero también pueden realizarse para bifásicos y monofásicos. N S 1 2 3 U1 a 4 5 6 7 W2 8 S 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 V1 W1 U2 V2 Figura 5.60. Devanado trifásico. N S 1 2 3 4 5 U1 a N 6 7 8 N S N 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 V1 U2 V2 Figura 5.61. Devanado bifásico. Los devanados trifásicos y bifásicos utilizan las mismas expresiones de cálculo, excepto las destinadas a la obtención del paso de principio de fase (Y120 e Y90). Sin embargo, el proceso y el diseño de cálculo de los devanados monofásicos son ligeramente diferentes, por lo que su estudio se realizará en la próxima unidad. Conexión de los grupos de bobinas saber más Antes de ejecutar los devanados en la máquina, los circuitos magnéticos de estator y rotor deben estar aislados convenientemente. La conexión entre los grupos de bobinas de una misma fase se realiza, en general, siguiendo los siguientes criterios: • Los devanados trifásicos bipolares siempre se ejecutan por polos. • Los devanados trifásicos de más de dos polos (multipolares) se ejecutan por polos consecuentes. • Los devanados monofásicos y bifásicos siempre se ejecutan por polos. TRIFÁSICO BIFÁSICO MONOFÁSICO a Figura 5.62. Aislamiento de las ranuras del rotor. Multipolar Bipolar Por polos consecuentes a Figura 5.63. Aislamiento de las ranuras del estator. 05 Maquinas electricas.indd 194 a Multipolar Bipolar Por polos Figura 5.64. Elección del tipo de conexión de grupos. 17/07/12 08:15 Máquinas rotativas de corriente alterna 195 Proceso de diseño de devanados concéntricos En este apartado se muestra cómo ejecutar varios tipos de devanados concéntricos partiendo de unos datos previos. • Datos previos al cálculo. Se parte de los siguientes datos conocidos: – Pares de polos de la máquina (p). – Número de ranuras del estator (K). – Tipo de conexión (por polos o por polos consecuentes). • Paso 1. Se comprueba si el devanado se puede ejecutar con la expresión del cálculo de ranuras por polo y fase. Kpq = K 2pq El resultado debe ser un número entero. No obstante, el devanado se podrá ejecutar si esto no se cumple teniendo en cuenta las excepciones vistas con anterioridad. • Paso 2. Se calcula el número de bobinas por grupo (U): Por polos U= Por polos consecuentes K U= 4pq K 2pq Se obtiene la amplitud (m): Por polos Por polos consecuentes m = (q–1) · 2U m = (q–1) · U Se calcula el paso de principios por fase: Trifásicos Y120 = Bifásicos K Y90 = 3p K 4p Se representa la tabla de principios de ciclo, marcando la celda superior izquierda con la ranura número 1: U1 V1 W1 1 …. Opcionalmente, ya que no es imprescindible para el diseño del esquema, se puede calcular el número de grupos por fase (Gf): 05 Maquinas electricas.indd 195 Por polos Por polos consecuentes Gf = 2p Gf = p 17/07/12 08:15 Unidad 5 196 ejemplo A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado concéntrico trifásico para el estator de un motor de inducción con rotor de jaula de ardilla. Los datos de partida son los siguientes: • Número de polos: 4 (2 pares de polos). • Número de ranuras: K = 24. • Número de fases: q = 3. Cálculo Como el número de polos es 4, el devanado de debe ejecutar por polos consecuentes. Datos principales Kpq = Condición de ejecución K U= Número de bobinas por grupo = 2pq K 2pq 24 2·2·3 = = 2 (par) 24 2·2·3 =2 m = (q – 1) · U = (3 – 1) · 2 = 4 Amplitud Y120 = Paso de principios de fase K 3p = 24 3·2 =4 Diseño 1. Se construye la tabla de principios de fase sumando sucesivamente, en celdas contiguas, el resultado de la anterior más el valor de Y120: V W 1 5 9 13 17 21 Se finaliza el proceso de suma cuando el número obtenido es superior al número de ranuras, que en este caso es 24. saber más Es aconsejable establecer colores para cada una de las fases, también definir los principios y finales de cada devanado. a U U1 U2 V1 V2 W1 W2 2. Se representan todas las ranuras numeradas. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 3. Se dibuja el primer grupo a partir de la ranura 1, sabiendo que el número de bobinas por grupo es de 2 y que la amplitud es 4. 4. Según la tabla de principios de fase, el primer terminal de este devanado sale de la ranura 1, por tanto, se etiqueta con la referencia U1. Figura 5.65. Fases del devanado. 05 Maquinas electricas.indd 196 17/07/12 08:15 Máquinas rotativas de corriente alterna 197 5. De la tabla de principios de fase se obtiene el comienzo del segundo grupo de la misma fase (que en este caso corresponde a la ranura 13) y se representa a partir de ahí con la misma amplitud (m = 4) y número de bobinas por grupo (U = 2). 6. Al ser conexión por polos consecuentes, se une el final del primer grupo (ranura 7) con el inicio del siguiente (ranura 13). 7. El final del segundo es el terminal de salida (U2) de este devanado. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 U1 a U2 Figura 5.66. Conexión por polos consecuentes entre grupos de la misma fase. 8. Se dibuja el segundo devanado, sabiendo que los principios de los grupos de esta fase están en las ranuras 5 y 17. 9. Se representan los terminales de este devanado, que corresponde con la ranura 5 para el principio V1 y con la ranura 23 para V2. 1 2 3 4 5 U1 a 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 V1 U2 V2 Figura 5.67. Representación del devanado de la fase V1 – V2. 10. Se dibuja el tercer y último devanado siguiendo el mismo criterio que en los anteriores. En este caso los principios de fase corresponden a las ranuras 9 y 21, siendo el terminal de entrada W1 el de la 9, y el de salida W2 el de la número 3. 11. Para comprobar que el devanado es correcto, se establece el sentido de corriente para una de las fases y se comprueba que los polos consecutivos son de diferente signo, siendo recomendable hacer lo mismo para cada uno de los devanados de forma independiente. N S 1 2 U1 a 3 4 W2 5 6 V1 7 8 N En las máquinas de gran potencia es habitual aislar los devanados de las diferentes fases con aislantes laminados flexibles. S 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 W1 Figura 5.68. Devanado completo. 05 Maquinas electricas.indd 197 saber más U2 V2 a Figura 5.69. Aislamiento entre bobinas de diferentes fases (Cortesía de Pinellas Electric Motor Repair). 17/07/12 08:15 Unidad 5 198 Devanados concéntricos bifásicos Los devanados concéntricos bifásicos se diseñan para un sistema de dos fases y tienen un proceso de desarrollo similar al de los trifásicos. 1.ejemplo A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado concéntrico bifásico cuyos datos de partida son los siguientes: • Número de polos: 4 (2 pares de polos). • Número de ranuras: K = 32. • Número de fases: q = 2. Cálculo Todos los devanados bifásicos se ejecutan por polos. Datos principales Kpq = Condición de ejecución saber más Un devanado bifásico se puede conectar a un sistema de alimentación monofásico (fase y neutro), y viceversa. No obstante, el diseño de ambos tipos de devanado es diferente. K 2pq U= Número de bobinas por grupo = 32 2·2·2 K = 4pq = 4 (entero y par) 32 4·2·2 =2 m = (q – 1) ·2 · U = (2 – 1) 2 · 2 = 4 Amplitud Y90 = Paso de principios de fase K = 4p 32 4·2 =4 Diseño 1. Se construye la tabla de principios de fase con el dato obtenido en Y90: U V 1 5 9 13 17 21 25 29 2. Se dibuja el devanado siguiendo el procedimiento visto en el ejemplo del trifásico. Las conexiones entre grupos deben hacerse final con final y principio con principio, ya que este tipo de devanados se ejecuta por polos. N S 1 2 U1 U1 U2 V1 V2 a Figura 5.71. Fases del devanado. 05 Maquinas electricas.indd 198 a 3 4 5 6 7 8 N 9 S N 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 V1 U2 V2 Figura 5.70. Devanado bifásico de 32 ranuras y 4 polos. 3. Se comprueba si el diseño es correcto estableciendo el sentido de la corriente, primero en el devanado de una fase y luego en el otro, observando en ambos casos si los polos contiguos son de signo contrario. 17/07/12 08:15 Máquinas rotativas de corriente alterna 199 5.3. Devanados excéntricos La principal característica de los devanados excéntricos es que todas sus bobinas son iguales y se ejecutan normalmente por polos. Los bobinados excéntricos pueden ser imbricados u ondulados y, dentro de cada uno, de una o doble capa. Además, los de tipo imbricado pueden ser enteros o fraccionarios. Aquí solamente se estudiarán los de tipo entero. Devanados excéntricos imbricados Los devanados excéntricos imbricados pueden ejecutarse en una o doble capa. En los primeros, una ranura es ocupada por un solo haz activo de una bobina; en los segundos, una ranura es ocupada por dos haces activos de bobinas diferentes. El número total de bobinas del devanado en los de una capa es igual a la mitad del número de ranuras, y en los de doble capa es igual a la totalidad del número de ranuras. Una capa Doble capa K B= U=K 2 En el esquema las bobinas se representan de la siguiente manera: • En los devanados de una capa las bobinas de un grupo salen de ranuras impares y llegan a ranuras pares. • En los devanados de doble capa los haces activos de las bobinas que llegan a una ranura coinciden en ella con haces activos que salen de bobinas de su misma fase. 1 a 2 3 4 5 6 7 8 9 Figura 5.72. Detalle de un devanado de una capa. 10 1 a 2 3 4 5 6 05 Maquinas electricas.indd 199 9 10 Ranuras a contar para Yk = 6 El paso polar (Yp) es la distancia que existe entre dos masas polares contiguas de signo contrario. El paso de ranura o de bobina (YK) coincide con el paso polar; sin embargo, en los devanados de una capa debe ser un número impar. Si esto no es así, es necesario acortarlo. Paso de ranura (impar en devanados de una capa) 8 Figura 5.73. Detalle de un devanado de doble capa. El número de bobinas por grupo (U) y de grupos por fase (Gf) se calcula mediante las expresiones: B Gf = 2p U= 2pq Paso polar 7 Yp = K N 1 S 2 3 4 5 6 7 8 2p YK = Yp a Figura 5.74. Ranuras a contar para el paso de ranura YK. 17/07/12 08:15 Unidad 5 200 recuerda Para la construcción de las bobinas de devanados excéntricos es necesario utilizar moldes que permitan que todas tengan el mismo tamaño. El cálculo del paso de los principios de fase se obtiene con la expresión: Y120 = K 3p De igual forma que en los devanados concéntricos, con el resultado obtenido es necesario montar una tabla de principios de fase. Hay que tener en cuenta que los principios de fase de la tabla obtenida solamente indican el número de ranura en el que comienzan los grupos impares de cada uno de los devanados. Los grupos pares se representan de la siguiente forma: • Devanados de una capa. En la ranura contigua a la que llega el haz activo de entrada de la primera bobina del grupo. a Figura 5.75. Moldes para bobinas excéntricas. • Devanados de doble capa. En la misma ranura en la que llega el haz activo de entrada de la primera bobina del grupo. ejemplo A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado excéntrico imbricado de una capa. Los datos de partida son: • Número de fases: q = 3. • Una capa. • Número de polos: 4 (2 pares de polos). • Número de ranuras: K = 24. Cálculo Datos principales K B= Bobinas totales del devanado U= Número de bobinas por grupo 2 B 2pq 24 = 2 = 12 12 = 2 · 2 ·3 =1 Gf = 2p = 2 · 2 = 4 Grupos por fase Yp = Paso polar K 2p = 24 2·2 =6 Se acorta el paso polar a un número impar: YK = 5 Paso de ranura Y120 = Paso de principios de fase K 3p = 24 3·2 =4 Diseño 1. Se construye la tabla de principios de fase sumando sucesivamente, en celdas contiguas, el resultado de la anterior más el valor de Y120: 05 Maquinas electricas.indd 200 U V W 1 5 9 13 17 21 17/07/12 08:15 Máquinas rotativas de corriente alterna 201 vocabulario 2. De igual forma que en los ejemplos anteriores, se representan todas las ranuras numeradas y se establecen colores para cada una de las fases. Tomando los principios de la fase U, se dibujan los grupos impares con un paso de ranura 5. Español-Inglés Una capa: single layer Doble capa: double layer Ranura: slot Aislamiento de ranura: slot insulation U1 1 13 V 5 1 Devanados ondulados: wave windings Número de ranura: slot number 1 a 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Paso de ranura: slot pitch Figura 5.76. Representación de los grupos impares de la fase U. 3. Los grupos pares se representan en la ranura contigua a la que llega el haz activo de entrada de la primera bobina del grupo. En este caso, el segundo grupo se comienza a dibujar en la ranura 7 y el cuarto grupo en la ranura 19. Lógicamente, con el mismo paso de ranura utilizado para los grupos impares. 4. Se realiza la conexión entre grupos sabiendo que debe hacerse por polos. 5. Se dibujan los terminales que irán a la caja de bornes, es decir, los que corresponden con la ranura 1 (U1) y con la ranura 19 (U2). 6. Se establece un sentido de corriente arbitrario y se comprueba que el número de polos y la polaridad son correctos. N S 1 2 3 4 5 6 N 7 8 S 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 U2 U1 a N Figura 5.77. Representación de las conexiones de la fase U. saber más 7. Utilizando los valores de la tabla de principios de fase, así como el paso de ranura, se procede a dibujar los devanados de las fases V y W de forma similar a cómo se ha hecho con el anterior. N S 1 2 U1 a 3 4 W2 5 6 V1 N 7 8 N 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 W1 Figura 5.78. Devanados completos. 05 Maquinas electricas.indd 201 S La operación de inserción de bobinas en la armadura requiere paciencia y delicadeza, ya que un trabajo mal realizado puede dar lugar a errores de montaje y de aislamiento eléctrico. U2 V2 a Figura 5.79. Inserción de bobinas en un estator (Cortesía de Pinellas Electric Motor Repair). 17/07/12 08:15 Unidad 5 202 saber más Las cuñas se deben utilizar para cerrar las ranuras y así evitar que las espiras de los devanados puedan salirse de ellas. ejemplo A continuación se muestra el devanado del ejemplo anterior, pero ejecutado a doble capa. Cálculo Datos principales B = K = 24 Bobinas totales del devanado a Figura 5.80. Cuñas para cerrar ranuras. B U= Número de bobinas por grupo = 2pq 24 2 · 2 ·3 =2 Gf = 2p = 2 · 2 = 4 Grupos por fase K Yp = Paso polar 24 = 2p =6 2·2 YK = 6 Paso de ranura K Y120 = Paso de principios de fase 24 = 3p =4 3·2 Diseño 1. El paso de ranura coincide con el paso polar, ya que en los devanados de doble capa no es necesario acortar. 2. Tomando los principios de la fase U se dibujan los grupos impares con un paso de ranura 6. Hay que tener en cuenta que en esta ocasión cada ranura aloja dos haces activos. 1er grupo 1 a 2 3 4 3er grupo 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Figura 5.81. Representación de los grupos impares de la fase U. 3. Al ser un devanado de doble capa, los grupos pares se comienzan a dibujar a partir de la ranura a la que llega el haz activo de entrada de las primeras bobinas de los grupos ya representados. 4. Se realizan las conexiones de los grupos por polos y se establece un sentido de corriente para comprobar que la polaridad es correcta. recuerda Para asegurar que el diseño es correcto es aconsejable comprobar la polaridad en los devanados de todas las fases. N 1 05 Maquinas electricas.indd 202 2 U1 a S 3 4 5 6 7 N 8 9 10 11 12 13 S 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 U2 Figura 5.82. Conexiones entre grupos del devanado de la fase U. 17/07/12 08:15 Máquinas rotativas de corriente alterna 203 5. Siguiendo el mismo criterio de diseño, se dibujan los devanados de las otras dos fases. N 1 S 2 3 U1 a 4 5 W2 6 7 V1 N 8 9 10 11 12 13 S 14 15 16 17 18 19 20 21 22 U2 W1 23 24 V2 Figura 5.83. Devanado completo de doble capa. Devanados ondulados Un tercer tipo de devanado excéntrico es el denominado ondulado. De igual forma que los de tipo imbricado, todas las bobinas que lo forman son del mismo tamaño. Este tipo de devanados se puede desarrollar a una o a doble capa, siendo más común la segunda opción que es la que aquí se va a mostrar. Los grupos de una fase se conectan en serie para conseguir la polaridad adecuada. Así, si se define que la conexión gráfica se puede hacer en avance (de izquierda a derecha) o en retroceso (de derecha a izquierda), se puede establecer la siguiente norma de diseño de este tipo de devanados: recuerda Los pasos característicos de este tipo de devanados son: YK (paso de ranura), YC (Paso de conexión) e YT (paso total). La relación entre ellos es: YT= YK+ YC Los grupos impares de una misma fase se conectan entre sí en avance, y los pares en retroceso. La unión entre los grupos que avanzan y los que retroceden se hace mediante un puente de unión que enlaza la última bobina de los grupos impares con la primera de los grupos pares, para mantener así la polaridad en el devanado. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de lo explicado anteriormente. Las bobinas en avance se han representado en color verde y las en retroceso en color naranja. Aunque se representan en colores diferentes, cabe recordar que todas pertenecen al devanado de una misma fase. a a U1 Puente Yk 1 2 3 4 5 YC 6 7 Yt a Figura 5.84. Pasos de un devanado ondulado. U1 U2 Figura 5.85. Ejemplo de las bobinas de una fase en un devanado ondulado. Los devanados ondulados se pueden utilizar en estatores, aunque son especialmente recomendables para los rotores de máquinas asíncronas, ya que la distribución de las bobinas facilita su equilibrado. Además, el número de conexiones entre grupos disminuye considerablemente respecto a otros tipos de devanados, como los concéntricos o los imbricados. El cálculo de los devanados ondulados se realiza con las mismas expresiones utilizadas para los imbricados de doble capa. 05 Maquinas electricas.indd 203 17/07/12 08:15 Unidad 5 204 ejemplo A continuación se muestra un ejemplo de cálculo y representación de un devanado excéntrico ondulado. Los datos de partida son los siguientes: • Número de polos: 6 (3 pares de polos). • Número de ranuras: K = 18. • Número de fases: q = 3. Cálculo Datos principales B = K = 18 Bobinas totales del devanado U= Número de bobinas por grupo B 2pq 18 = 2 · 3 ·3 =1 Gf = 2p = 2 · 3 = 6 Grupos por fase Yp = Paso polar K 2p = 18 2·3 =3 YK = YP = 3 Paso de ranura Y120 = Paso de principios de fase K 3p = 18 3·3 =2 Diseño 1. Se construye la tabla de principios de fase sumando sucesivamente, en celdas contiguas, el resultado de la anterior más el valor de Y120: recuerda El paso total YT se puede obtener calculando la diferencia entre el número de la ranura (de la tabla de principios) en la que comienza un grupo menos el número de la siguiente de la misma fase. En nuestro ejemplo si se toman los dos principios de la fase U: 7 - 1 = 6. V W 1 3 5 7 9 11 13 15 17 La tabla indica las ranuras en las que comienzan los grupos en avance. 2. Se establecen colores para las fases y se definen los principios y finales de cada devanado como se ha hecho en ejemplos anteriores. 3. Como el paso polar es 3, también lo es el paso de ranura YK. Por tanto, se dibujan las bobinas en avance sabiendo por la tabla de principios que los grupos de esta fase deben comenzar en las ranuras 1, 7 y 13. 4. Se realizan las conexiones entre bobinas y se observa que el paso de conexión YC es 3. 1 a 05 Maquinas electricas.indd 204 U 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Figura 5.86. Representación de los grupos en avance de la fase U. 17/07/12 08:15 Máquinas rotativas de corriente alterna 205 5. Como se sabe que, en un devanado ondulado, una misma ranura en la que ya existe un haz activo de una bobina en avance, siempre está ocupada por otro haz activo de una bobina en retroceso, se dibujan los grupos restantes, que en este caso son 3. 1 a 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Figura 5.87. Representación de los grupos en retroceso de la fase U. 6. Se realiza el puente para unir los tres grupos de bobinas en avance con los grupos de bobinas en retroceso. En este caso se encuentra entre las ranuras 13 y 16. 7. Se conectan entre sí los grupos en retroceso. 8. Se establecen los terminales de principio y fin del devanado de la fase U 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Puente U2 U1 a Figura 5.88. Puente entre grupos de bobinas. 9. Siguiendo el mismo criterio, se representan los devanados de las fases V y W. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Puente W2 U1 a V1 W1 U2 V2 Figura 5.89. Devanado ondulado completo. 10. Como en los otros ejemplos de diseño, es conveniente establecer un sentido de corriente para cada uno de los devanados, para así comprobar su correcta ejecución. 05 Maquinas electricas.indd 205 17/07/12 08:15 Unidad 5 206 ACTIVIDADES FINALES 1. Realiza la actividad propuesta en la práctica profesional 1 para comprobar el funcionamiento de un alternador. 2. Haz lo mismo con la actividad de la práctica profesional 2 para acoplar un alternador a la red eléctrica y hacer funcionar la máquina síncrona como motor. 3. Observa los esquemas de los siguientes devanados y responde las siguientes preguntas: a) ¿Cuántas fases y polos tienen? b) ¿Cuáles son los terminales que van a la caja de bornes? Etiquétalos. c) ¿Qué tipo de conexión se ha realizado? d) ¿Hay algún tipo de error en las conexiones o en la representación? Márcalos en las imágenes. e) ¿Cuántas bobinas por grupo hay?, ¿cuántas salen en el cálculo? f) ¿Cuáles son los principios de fase? Devanado 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Devanado 2 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Devanado 3 U2 05 Maquinas electricas.indd 206 W1 V2 W2 U1 V1 17/07/12 08:15 Máquinas rotativas de corriente alterna 207 4. A continuación se presentan distintos tipos de devanados, cada uno con unas características determinadas. Algunas consideraciones previas son las siguientes: • Realiza los cálculos y diseña el esquema utilizando colores diferentes para los devanados de cada una de las fases. Sigue el proceso de ejecución mostrado en la actividad de la práctica profesional número 2 para el montaje y ejecución de cada uno de los devanados propuestos. • En estatores de motores con rotor de jaula de ardilla, monta al menos 4 de los devanados propuestos. • De forma experimental puedes fabricar cada bobina con hilo esmaltado de 0,5 ó 0,6 mm con un número bajo de espiras (entre 10 y 20), aunque eso dependerá del tipo de máquina a utilizar. En lugar de alimentar el devanado del motor con la tensión nominal, utiliza un autotransformador regulable trifásico (Variac trifásico), aplicando progresivamente tensión al devanado desde 0 V hasta que el motor gire. Esto te permitirá comprobar de forma rápida varios tipos de devanados en el aula-taller. No obstante, debes recordar que esta técnica es completamente experimental y que un devanado real debe disponer del diámetro del conductor y del número adecuado de espiras. Los devanados propuestos son: a) Devanados concéntricos trifásicos Devanado concéntrico trifásico de 2 polos para un estator de 24 ranuras. Devanado concéntrico trifásico de 8 polos para un estator de 24 ranuras. Devanado concéntrico trifásico de 2 polos para un estator de 36 ranuras. Devanado concéntrico trifásico de 6 polos para un estator de 36 ranuras. b) Devanados concéntricos bifásicos Devanado concéntrico bifásico de 6 polos para un estator de 24 ranuras. Devanado concéntrico bifásico de 2 polos para un estator de 32 ranuras. c) Devanados imbricados de 1 capa Devanado excéntrico imbricado de 1 capa trifásico de 4 polos para un estator de 24 ranuras. Devanado excéntrico imbricado de 1 capa trifásico de 6 polos para un estator de 36 ranuras. Devanado excéntrico imbricado de 1 capa trifásico de 10 polos para un estator de 60 ranuras. d) Devanados imbricados de doble capa Devanado excéntrico trifásico imbricado doble capa de 2 polos para un estator de 24 ranuras. Devanado excéntrico trifásico imbricado doble capa de 4 polos para un estator de 24 ranuras. Devanado excéntrico trifásico imbricado doble capa de 8 polos para un estator de 48 ranuras. e) Devanados ondulado Devanado excéntrico trifásico ondulado de 2 polos para un estator de 24 ranuras. Devanado excéntrico trifásico ondulado de 4 polos para un estator de 24 ranuras. entra en internet 5. Localiza aplicaciones en las que aún se utilizan las máquinas síncronas funcionado como motor. Nombra un par de ellas. 6. ¿En qué aplicaciones se están utilizando las máquinas asíncronas para generar energía? 05 Maquinas electricas.indd 207 17/07/12 08:15 Unidad 5 208 PRÁCTICA PROFESIONAL 1 HERRAMIENTAS puesta en marcha de un alternador • Bancada y elementos de fijación y acoplamiento • Alternador trifásico de 4 polos OBJETIVO • Motor de arrastre y regulador de velocidad (según indicaciones dadas en la practica profesional) Comprobar la frecuencia y el valor de la tensión de salida de un alternador al modificar la velocidad del sistema motriz y la corriente de excitación. • Variac monofásico PRECAUCIONES • Puente rectificador • No manipules el cableado cuando el sistema está en funcionamiento. • Toma las medidas de seguridad oportunas para evitar el contacto con las partes móviles del sistema cuando el conjunto esté girando. • Sigue las indicaciones y precauciones dadas por el fabricante para usar el tacómetro óptico. Nota. Como motor de arrastre se puede utilizar un motor de CC Shunt con un reóstato para regular la tensión del inducido. También podría utilizarse un motor trifásico con rotor en cortocircuito con un variador comercial de velocidad. En cualquier caso, con ambos sistemas se obtendrían los mismos resultados. • 3 bornes de raíl MATERIAL • Tacómetro óptico portátil • Voltímetro de corriente alterna • Frecuencímetro • Amperímetro DESARROLLO 1. Elabora un esquema del conjunto. L1 N Variador de velocidad Instrumentos de prueba F V Variac Bornes de prueba Puente rectificador Alternador + - A 3 s G M ~ q Motor de arrastre Excitación a Figura 5.90. Esquema de conexiones del conjunto. 2. Sobre una bancada de pruebas monta un alternador trifásico de 4 polos y acóplale al eje un motor de arrastre que pueda regularse en velocidad. Acoplamiento mecánico Alternador U1 V1 W1 s W2 U2 V2 q Motor de arrastre Bancada de pruebas a Figura 5.91. Máquina en bancada de pruebas. 05 Maquinas electricas.indd 208 17/07/12 08:16 Máquinas rotativas de corriente alterna 209 3. Conecta un voltímetro de corriente alterna y un frecuencímetro a los bornes de salida del alternador. Puedes utilizar cualquiera de las fases para ello. Más tarde conecta el devanado de excitación del alternador al puente rectificador través del Variac. 4. Conecta el sistema de variación de velocidad elegido para alimentar el motor de arrastre. Sobre el eje del motor de arrastre o del alternador, coloca la marca reflectante necesaria para efectuar la medida con el tacómetro óptico. 5. Alimenta el conjunto para poner en marcha el motor de arrastre. Con el tacómetro comprueba la velocidad de giro del motor y observa lo que marca el frecuencímetro. Según este esquema, modifica la velocidad de giro y anota los resultados en la tabla. Marca reflectante Tacómetro óptico Hold Power Meter a Figura 5.92. Detalle de uso del tacómetro para medir la velocidad de giro. 6. Con el motor en marcha a una velocidad fija, alimenta el devanado inductor hasta que el amperímetro muestre la corriente de excitación indicada en la placa de características. 7. Varía la corriente de excitación arriba y abajo y anota los resultados en la siguiente tabla. Relación de frecuencia en función de velocidad de arrastre Velocidad de giro (rpm) Frecuencia (Hz) Relación de la tensión de salida en función de la corriente de excitación Corriente de exc. (A) Tensión de salida (V) 200 500 750 1000 1500 2000 8. Desconecta el conjunto. 9. Conecta el voltímetro y el frecuencímetro entre dos fases diferentes y comprueba que se obtienen resultados similares a los anteriores. 05 Maquinas electricas.indd 209 17/07/12 08:16 Unidad 5 210 PRÁCTICA PROFESIONAL 2 HERRAMIENTAS • Todas las herramientas utilizadas en práctica profesional 1 de la Unidad 4 • Bobinadora manual y accesorios • Moldes para bobinadora • Útiles para la limpieza de ranuras • Soldador rápido Bobinado del devanado del estator de una máquina de corriente alterna OBJETIVO • Peladora de hilo esmaltado MATERIAL • Estator de una máquina asíncrona • Cartón aislante para ranuras • Tubo flexible • Hilo esmaltado de bobinar • Alambre plano de atar • Cuerda de bramante o cinta de atar • Rotulador permanente • Estaño • 2 m de hilo rígido de línea Conocer la técnica para el bobinado (o rebobinado) del devanado del estator de una máquina rotativa de corriente alterna. PRECAUCIONES • Utiliza guantes en las operaciones de montaje y desmontaje de la máquina. • Utiliza las herramientas y la bobinadora siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor. Nota 1. La siguiente práctica profesional se ha planteado desde el punto de vista del rebobinado de una máquina supuestamente averiada. En ningún caso desea realizar el cálculo del circuito eléctrico para una máquina nueva. De este modo, se supone que conocemos el diámetro de conductor y el número de espiras que hay que dar para la construcción de dichas bobinas. Nota 2. Aquí se verá un proceso genérico de ejecución de un devanado trifásico que puede estar destinado tanto a un motor como a un alternador CA, y que podría servir para cualquiera de los tipos de devanados que se han mostrado como ejemplo en la unidad. DESARROLLO 1. Desmonta la máquina siguiendo la técnica vista en la práctica profesional 1 de la Unidad 4. No olvides lo siguiente: a. Retirar las chavetas y cubrir el hueco con cinta aislante para evitar cortes. b. Marcar la posición de los escudos con un rotulador indeleble para que en el montaje no haya problemas de ajuste. c. Utilizar un extractor para retirar cojinetes, escudos, ventiladores y cualquier elemento del eje que sea necesario extraer para desmontar la máquina. d. Si la máquina es un alternador, ten en cuenta que antes de desmontar los escudos debes retirar las escobillas. e. Para que no se extravíen, guarda en una gaveta todos los elementos que vayas quitando. a Figura 5.93. Motor desmontado. 05 Maquinas electricas.indd 210 a Figura 5.94. Alternador desmontado. 17/07/12 08:16 Máquinas rotativas de corriente alterna 211 2. Toma el estator y retira de las ranuras cualquier resto del bobinado anterior utilizando útiles de limpieza, tales como rascadores, cepillos metálico o limas redondas de picado fino. a Figura 5.95. Útiles de limpieza de ranuras. a Figura 5.96. Detalle del proceso de limpieza. Preparación del estator 3. Con una cinta métrica mide la longitud de una ranura del rotor. Debes dar aproximadamente 1 cm más de largo para luego hacer un par de dobleces en los extremos. 4. Corta una tira de cartón aislante de aproximadamente el perímetro interno de una ranura. Haz varias pruebas hasta conseguir el tamaño adecuado. 5. Toma las medidas y corta con la guillotina tantas tiras de cartón aislante como ranuras tenga la armadura. 6. Realiza un doblez de unos 5 mm en los extremos más estrechos de la tira aislante para reforzar los bordes de la ranura. a Figura 5.97. Preparación de los aislantes de ranura. 7. Dobla cada una de las tiras longitudinalmente de forma que se adapte al interior de las ranuras y viste todo el rotor. Es importante realizar adecuadamente esta operación, ya que de ello depende el buen aislamiento eléctrico de la máquina. a Figura 5.98. Aislamiento de las ranuras del estator. 05 Maquinas electricas.indd 211 17/07/12 08:16 Unidad 5 212 PRÁCTICA PROFESIONAL 2 (cont.) Construcción de las bobinas 8. Utilizando un hilo rígido de 1 mm2 se toma medida del ancho de bobina en función del esquema del devanado. Si es de tipo concéntrico, la medida a tomar debe ser la de la bobina más pequeña del grupo; si es excéntrico, la misma medida sirve para todas las bobinas del devanado. Debes tener en cuenta que la medida a tomar debe hacerse para que las espiras no queden demasiado justas, pero también para que las cabezas de los grupos no se salgan fuera de la carcasa de la máquina. a Figura 5.99. Ejemplo de técnica para tomar la medida del tamaño de una bobina. 9. Coloca sobre la bobinadora los moldes (concéntricos o excéntricos) que sean necesarios para el devanado a ejecutar. 10. Inserta el hilo con la medida entre las dos piezas del molde y ábrelas hasta que se ajusten a él. 11. Sigue la técnica vista en la práctica profesional de la Unidad 2 para la construcción de bobinas mediante una bobinadora manual y moldes preformados. a Figura 5.100. Apertura de los a Figura 5.101. Ejemplo de construcción de bo- a Figura 5.102. Ejemplo de grupo con- moldes en la bobinadora para el tamaño de la bobina. binas para un devanado concéntrico. céntrico de tres bobinas. 12. Si el grupo tiene más de dos bobinas, ten la precaución de que la espira de paso de unas a otras esté del mismo lado. 13. Construye todas las bobinas con el mismo número de espiras. 05 Maquinas electricas.indd 212 17/07/12 08:16 Máquinas rotativas de corriente alterna 213 14. Antes de sacarlas de molde, ata las espiras con la cuerda de bramante con la cinta de atar para evitar que se desmonten cuando estén fuera de él. 15. Construye todos los grupos de bobinas que requiere el devanado. Ejecución del devanado 16. Con un rotulador indeleble marca en el estator la ranura que servirá como referencia. Ranura número 1. Es importante llevar un cómputo correcto de la ranura de referencia, así no cometeremos errores en el proceso. 17. Comienza la ejecución del devanado siguiendo el esquema de derecha a izquierda. 18. Inserta un grupo de bobinas en el hueco del estator teniendo la precaución de que sus terminales estén por el lado en el que la carcasa tiene el hueco para realizar las conexiones en la caja de bornes. 19. Aplasta el haz de la bobina de forma que la puedas insertar hilo a hilo en el interior de la ranura. Hueco para pasar los terminales del devanado a la caja de bornes Terminales de las bobinas a Figura 5.103. Inserción y colocación de las bobinas en a Figura 5.104. Detalle de la colocación de los hilos el interior del estator. para su mejor inserción. 20. Ten la precaución de que ninguno de los hilos quede por detrás del aislante de ranura. 21. Inserta todo el grupo con el paso de ranura mostrado en el esquema. 22. Ten la precaución de no haber girado ninguna de las bobinas del grupo y de que todas ellas se han insertado siguiendo el mismo sentido del hilo. Mal Espira de unión entre bobinas del mismo grupo a Figura 5.105. Inserción correcta de bobinas. 05 Maquinas electricas.indd 213 a Figura 5.106. Inserción incorrecta de bobinas. 17/07/12 08:16 Unidad 5 214 PRÁCTICA PROFESIONAL 2 (cont.) Concreción en un devanado de tipo concéntrico 23. Si el devanado es de tipo concéntrico como el mostrado a continuación, se deben insertar los grupos en el orden indicado. Cierra cada ranura con una cuña de dimensiones adecuadas para evitar que las espiras salgan al exterior. Debe tenerse en cuenta que las bobinas que se encuentran en las ranuras 1 y 2 deben levantarse para poder peinar el devanado. 1 1 2 3 4 2 5 W2 U1 6 7 8 3 4 5 6 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 V1 U2 W1 a Figura 5.107. Ejemplo de un devanado concéntrico trifásico V2 de 24 ranuras 4 polos. 24. Para insertar el último grupo (el número 6), que es el que cierra el devanado, es necesario levantar los lados activos de las ranuras 1 y 2 pertenecientes al primer grupo y superponerlos sobre los dos del último. 1 Se cierra el devanado Se sacan los dos primeros haces del grupo 1 2 Meter 6 Meter Sacar 3 5 4 a Figura 5.108. Proceso de ejecución del bobinado de tipo concéntrico. Concreción en un devanado de tipo excéntrico 25. Si el devanado es de tipo imbricado de una capa, el procedimiento para cerrar el devanado es similar al de tipo concéntrico. En este caso se deben ir introduciendo sucesivamente las bobinas que empiecen en ranuras impares. 1 2 U1 3 4 W2 5 6 V1 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 W1 U2 V2 a Figura 5.109. Devanado imbricado de una capa trifásico de 24 ranuras y 4 polos. 26. Al llegar a las dos últimas bobinas, se dejan sin meter en las ranuras los haces de entrada. Se deben levantar las bobinas que ocupan las ranuras 2 y 3 e insertar los haces de las ranuras 2 y 4. 05 Maquinas electricas.indd 214 17/07/12 08:16 Máquinas rotativas de corriente alterna 215 27. Una vez hecho esto, se vuelven a colocar las bobinas iniciales, de este modo el devanado queda completamente cerrado. Meter Meter Levantar a Figura 5.110. Ejecución del devanado imbricado de una capa. Conexión de los grupos 28. Siguiendo el esquema del devanado, y utilizando la técnica de soldadura vista en la práctica profesional 2 de la Unidad 4, realiza las conexiones entre los grupos de los diferentes devanados. Luego etiqueta con cinta adhesiva blanca cada uno de los terminales del devanado. W2 U1 W2 U1 V1 V1 V2 V2 3 5 7 1 U2 23 21 11 Unión 15-21 Unión 7-13 U2 13 17 3 5 23 9 19 1 W1 9 20 10 do concéntrico. Unión 6-12 Unión 7-13 11 19 17 a Figura 5.111. Conexiones de devana- W1 7 21 15 Unión 11-17 6 16 15 14 13 12 Unión 10-16 Unión 15-21 Unión 14-20 Unión 11-17 a Figura 5.112. Conexiones de devanado imbricado de una capa. 29. Conecta cada una de las terminaciones del devanado a sus bornes correspondientes de la caja de bornes. Aislar con tubo flexible el conductor en todo su recorrido y llevarlo por el contorno del devanado para que no estorbe al rotor. No olvides retirar el esmalte de hilo para realizar las conexiones en los bornes. Finalmente, cose fuertemente con cinta o cuerda de bramante todo el devanado. a Figura 5.113. Ejecución del deva- a Figura 5.114. Encintado del con- a Figura 5.115. Devanado montado y nado. junto. barnizado. 30. A falta de barnizar el conjunto, el devanado se puede considerar finalizado. Antes de pasar a su montaje final y puesta en marcha, se deben realizar las comprobaciones indicadas en la práctica profesional 4 de esta unidad. 05 Maquinas electricas.indd 215 17/07/12 08:16 Unidad 5 216 PRÁCTICA PROFESIONAL 3 HERRAMIENTAS • Herramientas de electricista • Bobinadora manual y todos sus accesorios Bobinado del inductor de un alternador • Devanador, micrómetro y polímetro • Rotor de alternador de 4 polos • Soldador y peladora de hilo esmaltado • Cepillos, rascadores, limas redondas de picado fino, etc. • Guillotina de cartón MATERIAL • Rotulador permanente y cartón aislante • Cuñas rígidas para cierre de ranuras • Hilo esmaltado de bobinar • Alambre plano de atar • Estaño • Cinta de carrocero de 2 cm da ancho • Cuerda, cinta o bridas de correderas OBJETIVO • Conocer la técnica para el bobinado (o rebobinado) del devanado inductor de un alternador. PRECAUCIONES • En las operaciones de limpieza de ranuras debes evitar dañar la chapa magnética del interior. • Utiliza las herramientas y la bobinadora siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor. Nota. La siguiente práctica profesional se ha planteado desde el punto de vista del rebobinado de una máquina supuestamente averiada. En ningún caso se desea realizar el cálculo del circuito eléctrico del inductor para una máquina nueva. Se presupone que el diámetro de conductor y el número de espiras que hay que utilizar para la construcción son datos conocidos. DESARROLLO Preparación del rotor 1. Para preparar el rotor sigue los pasos vistos en la práctica profesional 3 de la Unidad 4. Según lo estudiado en dicha unidad, debes recordar lo siguiente: a. Eliminar, utilizando los utensilios de limpieza, cualquier rastro del antiguo devanado y de sus aislantes. Para ello es aconsejable que fijes el rotor en un soporte adecuado. b. Coloca los aislantes en cada una de las ranuras. Comprueba, también, con un polímetro que no existe continuidad entre los dos anillos, y entre estos y cualquier elemento metálico del tambor y del eje del rotor. Finalmente, cubre con cartón aislante la parte del eje sobre la que se van a apoyar las cabezas del devanado. TTL 400 mA MAX 1000 V 750 V 500 V MAX Aislante flexible Aislante flexible a Figura 5.116. Comprobación del aislamiento. 05 Maquinas electricas.indd 216 a Figura 5.117. Aislamiento de ranuras. 17/07/12 08:16 Máquinas rotativas de corriente alterna 217 Bobinado del rotor 2. Diseñar el esquema del devanado sabiendo que es un inductor de 4 polos, cuyo tambor dispone de 4 dientes lisos y que por cada grupo requiere dos bobinas. Hay que tener en cuenta que para este tipo de rotor es necesario ejecutar un devanado de tipo concentrado, es decir, cada grupo de bobinas formará un polo por cada uno de los dientes lisos que tiene el tambor. Como para cada polo se dispone de cuatro ranuras, se ha de diseñar un devanado formado por cuatro grupos de dos bobinas cada uno, cuya conexión es la mostrada en el siguiente esquema: 1 2 S 3 4 5 6 N 7 8 9 10 s S 11 12 13 14 N 15 16 q a Figura 5.118. Esquema del devanado inductor para un alternador de 4 polos. 3. Toma la medida de la bobina más pequeña de cada grupo. Hilo rígido de 1 mm2 a Figura 5.119. Toma la medida de la bobina más pequeña del grupo. 4. Saca el hilo y colócalo en los moldes en la bobinadora como ya se ha visto anteriormente. Construye los cuatro grupos de bobinas concéntricas e insértalos en sus ranuras correspondientes. Ten en cuenta que cada grupo debe tener en el centro de sus bobinas el diente liso de su correspondiente polo y, además, que los terminales de las bobinas deben quedar por el lado de los anillos. Finalmente, cierra las ranuras con cuñas para evitar que el hilo salga al exterior. Grupo de bobinas Diente liso del polo Cuñas para el cierre de ranuras a Figura 5.120. Inserción de un grupo de bobinas. 5. Completa el devanado de la armadura. Después realiza la conexión entre los grupos según el esquema. Utiliza la técnica de soldadura y cubre las uniones con tubo flexible de fibra de vidrio. 6. Conecta los dos hilos de los extremos del devanado a los bornes de los anillos. Utilizando cuerda o cinta de algodón, ata las cabezas de las bobinas. En esta ocasión, y siempre que no moleste al giro del rotor, puedes utilizar bridas de corredera para realizar esta función. 05 Maquinas electricas.indd 217 17/07/12 08:16 Unidad 5 218 MUNDO TÉCNICO variación de velocidad en motores de inducción La regulación de velocidad en máquinas eléctricas rotativas siempre ha sido una necesidad industrial. Hasta los años 60 del siglo xx, para conseguir sistemas regulables eficientes se recurría a motores de corriente continua cuya velocidad se regulaba mediante voluminosos reóstatos, que eran mayores cuanto mayor lo era también la potencia de las máquinas. El desarrollo de la electrónica de potencia, basada en rectificadores de silicio controlados, sustituyó dichos reóstatos por sistemas mucho menos aparatosos y operativos. No obstante, las máquinas de corriente continua tiene el hándicap de disponer de un sistema de conmutación (el colector y las escobillas) que es necesario mantener de forma continuada. Desde el punto de vista del mantenimiento, los motores de corriente alterna con rotor en cortocircuito presentan numerosas ventajas respecto a los de corriente continua. Sin embargo, como el control de velocidad depende directamente de la frecuencia de la red de alimentación y del número de pares de polos de la máquina, no es posible ejecutar esta operación de forma tan inmediata como en los motores de CC. Una de las primeras soluciones que se dio a este problema consistió en diseñar el devanado de la máquina de tal forma que fuera posible cambiar el número de polos permutando la conexión en su caja de bornes. Este tipo de motores, denominados Dahlander, disponían de dos o tres posibles velocidades y requería un complejo sistema de arranque basado en contactores y relés. Si bien algunos fabricantes de motores aún disponen de este tipo de máquinas en sus catálogos, en la actualidad la tendencia es a su desaparición. Parece claro que la mejor forma de regular la velocidad de un motor de corriente alterna es actuando sobre la frecuencia de la red de alimentación. No obstante, esto no ha sido posible hasta que no se han desarrollado (y abaratado) los sistemas de electrónica de potencia. La evolución de los variadores de frecuencia ha permitido, desde el punto de vista del técnico instalador, que la regulación de la velocidad en un motor de corriente alterna sea una tarea enormemente sencilla. Así, en la actualidad el variador de velocidad posiblemente sea uno de los dispositivos más utilizados en la industria, no solo por su principal función, la de regulación de velocidad, sino porque permiten que los motores arranquen de forma progresiva sin necesidad de utilizar otros sistemas como el estrella-triángulo o el autotransformador. Además, facilitan la ejecución de maniobras, como pueden ser la inversión del sentido de giro o el frenado por inyección de corriente continua, sin recurrir a circuitos externos de relés o de contactores. a Figura 4.121. Variador de velocidad para un motor de inducción. 05 Maquinas electricas.indd 218 17/07/12 08:16 Máquinas rotativas de corriente alterna 219 EN RESUMEN MÁqUINAS DE CORRIENTE ALTERNA (CA) Principio de funcionamiento Clasificación de las máquinas CA Frecuencia Máquinas sincronas Máquinas asíncronas Ángulo eléctrico Sistema de fases Generador (Alternador) Campo magnético giratorio Motor Generador Circuito magnético Motor Circuito eléctrico Excéntricos Concéntricos Tipos de devanado EVALÚA TUS CONOCIMIENTOS 1. El inductor del alternador está en: 5. Un motor de rotor bobinado dispone de: a. el estator. c. No tiene. a. 3 anillos en el rotor. b. el rotor. d. en un devanado tipo jaula. b. 2 anillos en el rotor. 2. Una máquina síncrona puede llegar a la velocidad de sincronismo. a. Verdadero. b. Falso. 3. Los motores de corriente alterna basan su funcionamiento en el denominado: 4. La velocidad de un motor de corriente alterna depende de: 05 Maquinas electricas.indd 219 Resuelve en tu cuaderno o bloc de notas c. un devanado tipo jaula en el rotor. 6. Los devanados imbricados: a. son de tipo concéntrico. b. tienen todas las bobinas iguales. c. solamente se utilizan en alternadores. 7. ¿En qué tipo de devanado se realiza la conexión por polos consecuentes? 17/07/12 08:16 6 Otras máquinas eléctricas rotativas vamos a conocer... 1. Introducción 2. Motores monofásicos 3. Motores de imanes permanentes PRÁCTICA PROFESIONAL Bobinado de un motor monofásico MUNDO TÉCNICO El motor lineal y al finalizar esta unidad... Conocerás otros tipos de máquinas eléctricas rotativas. Identificarás los devanados de los motores monofásicos. Diseñarás diferentes devanados para motores monofásicos. Conocerás cómo están constituidos los motores sin escobillas o Brushless. Identificarás los elementos que constituyen un motor Paso a paso. Construirás el devanado de un motor monofásico de inducción. 06 Maquinas electricas.indd 220 16/07/12 12:25 221 CASO PRÁCTICO INICIAL situación de partida Abel y Fermín llevan varios meses desmontado y reparando todo tipos de máquinas de corriente continua y alterna. Sus destrezas y técnicas en el bobinado y rebobinado han aumentado exponencialmente en los últimos meses. No obstante, al taller han llegado algunas máquinas rotativas difíciles de catalogar. Por un lado han observado que los motores monofásicos están a la orden del día. Y al contrario de lo que podría parecer, algunos de ellos tiene una potencia considerable. Al desmotar este tipo de máquinas han apreciado que solamente disponen de dos devanados de tipo concéntrico, uno de ellos, en ocasiones, está conectado a uno o dos condensadores, en otras a un interruptor dispuesto en el escudo de la propia máquina. También es habitual encontrar una especie de relé en el interior de la caja de bornes. Por otro lado, están recibiendo motores cuya forma exterior es muy cuadrada, y que no disponen de una caja de bornes con- vencional, ya que las conexiones se realizan mediante conectores roscados de varios pines. El rotor no tiene devanado, pero tampoco es un rotor de jaula de ardilla como en los motores de inducción conocidos. Se han observado en él potentes imanes, ya que ha sido difícil su extracción al quedarse pegado en el estator. Además, al ponerlo sobre la mesa de trabajo, varias herramientas que se encontraban en su proximidad, ha sido atraídas de forma inmediata. Como curiosidad, y con ganas de ampliar sus conocimientos de máquinas rotativas, han desmontado algunas herramientas eléctricas y han visto cómo varias de ellas disponen de motores diferentes, unos tienen colector de delgas y escobillas, como las máquinas de corriente continua, y otros, en lugar de un devanado convencional, cuentan con una bobina ejecutada en un carrete similar a los usados en los transformadores. estudio del caso Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después analiza cada punto del tema con el objetivo de contestar el resto de preguntas de este caso práctico. 1. ¿Cuáles son los motores más utilizados en entornos industriales? 6. ¿Cómo se conectan los devanados de un motor monofásico? 2. ¿De cuántos devanados dispone un motor monofásico? 7. ¿Cuál es el número de polos de un motor de los denominados Brushless? 3. ¿Qué misión tiene el interruptor que algunos motores monofásicos poseen en uno de sus escudos? 8. ¿De cuántos devanados disponen los motores Brushless? 4. ¿Por qué algunos motores monofásicos tienen una especie de relé en el interior de la caja de bornes? 9. ¿Requieren los motores Brushless un sistema de conmutación?, ¿puede ser este de tipo colector con escobillas? 5. ¿Es igual el proceso de diseño de los devanados de un motor monofásico al de los trifásicos o bifásicos? 10. ¿A qué tipo de motores pertenece un rotor que dispone de numerosos dientes de imanes permanentes? 06 Maquinas electricas.indd 221 16/07/12 12:25 Unidad 6 222 1. Introducción caso práctico inicial Los motores trifásicos de inducción con rotor en jaula de ardilla son los que más se utilizan actualmente en la industria. Los motores trifásicos de inducción con rotor en jaula de ardilla son los más utilizados en entornos industriales, ya que presentan numerosas ventajas respecto a otros motores. Estas ventajas son: • • • • Menor tamaño para una misma potencia. Facilidad de inversión del sentido de giro. Mejor rendimiento. No necesitan elementos auxiliares para su arranque (condensador o interruptor centrífugo). • Fácil variación de velocidad pos sistemas electrónicos. No obstante, existen otros tipos de motores que debes conocer, pues se utilizan en electrodomésticos, herramientas eléctricas, sistemas de climatización o en entornos de automatización. Algunos de ellos, como los motores denominados Brushless, están adquiriendo tanta fuerza en el mercado, que están relegando a los de corriente continua a aplicaciones residuales. En esta unidad se van a estudiar dos grupos de motores: • Motores de corriente alterna monofásicos. • Motores con imanes permanentes. a Figura 6.1. Motor monofásico. a Figura 6.2. Motores de imanes permanentes. 2. Motores monofásicos Los motores monofásicos están diseñados para conectarse a un sistema de alimentación monofásico (fase + neutro). En general suelen disponer de baja potencia, aunque algunas aplicaciones, como ocurre con los utilizados en climatizadores, rompen esta norma. Su clasificación puede ser la siguiente: U N a Figura 6.3. Símbolo general de un motor monofásico. 06 Maquinas electricas.indd 222 • Motores de inducción – De fase partida o fase auxiliar – Motor con condensador (de arranque y/o permanente) – Motor con relé de arranque – Motor de espira • Motores de rotor bobinado – Motor universal 16/07/12 12:26 Otras máquinas eléctricas rotativas 223 2.1. Motores monofásicos de fase partida o fase auxiliar Estos motores están constituidos por un circuito eléctrico y otro magnético, que coinciden con los ya estudiados para los motores trifásicos de inducción con rotor en cortocircuito. El circuito eléctrico se encuentra en el estator y está formado por dos devanados de tipo distribuido. Uno de ellos es el devanado de trabajo o principal y otro es el devanado de arranque o auxiliar. Ambos están desfasados entre sí 90° eléctricos. Además, el devanado auxiliar está constituido por bobinas, espiras y un conductor de menor diámetro, por lo que la impedancia entre ambos devanados es diferente. caso práctico inicial El circuito eléctrico de un motor monofásico está constituido por dos devanados, uno de trabajo y otro de arranque. El devanado de arranque o auxiliar no está diseñado (por número de espiras y diámetro del conductor) para trabajar de forma continuada, de modo que debe desconectarse una vez haya cumplido su función, que es el arranque del motor. Para ello se utiliza habitualmente un dispositivo denominado interruptor centrífugo, que no es más que un contacto eléctrico, normalmente cerrado, acoplado a uno de los escudos de la carcasa. Este se abre mediante un sistema acoplado al eje que se desplaza debido a la fuerza centrífuga producida por el propio giro del motor. El interruptor centrífugo se conecta en serie con el devanado de arranque, y el conjunto a su vez en paralelo con el devanado de trabajo. Las conexiones entre ambos se hacen en el interior del motor y rara vez se sacan los terminales de ambos devanados de forma independiente a la caja de bornes. Par Un motor monofásico está diseñado para trabajar con un solo devanado (el principal). Como con él es incapaz de arrancar por sí mismo, es necesario conectar otro devanado (el auxiliar) para hacerlo funcionar durante unos instantes, como si de uno bifásico se tratase, produciéndose así el par necesario para poder arrancar. P ar d e a de Par s mbo ados van de al cip ri n p o ad van l de Velocidad de conmutación N a Figura 6.4. Curva par-velocidad de un motor monofásico. Una representación de lo anterior se muestra en las siguientes figuras: recuerda El interruptor que se encuentra en el escudo de algunos motores monofásicos se denomina interruptor centrífugo y tiene como misión desconectar el devanado de arranque una vez que el motor ha conseguido su velocidad nominal. a Figura 6.5. Accionamiento del eje y contacto del interruptor centrífugo. La inversión del sentido de giro se consigue permutando los dos terminales de conexión de un devanado respecto a otro. Este tipo de motores presenta un bajo par de arranque, por eso solamente son utilizados para aplicaciones domésticas en las que la carga sobre su eje no resulte demasiado crítica. Otro inconveniente que presenta este tipo de motores aparece en el interruptor centrífugo que, como cualquier dispositivo electromecánico, sufre desgaste con el uso y, por tanto, genera averías y fallos que pueden desembocar en un funcionamiento anómalo del motor. En estos casos, debido a la posición del interruptor en la máquina, será necesario desmontar el conjunto para acceder a él y así poder repararlo. 06 Maquinas electricas.indd 223 16/07/12 12:26 Unidad 6 224 Muchos sistemas de refrigeración y de aire acondicionado utilizan motores monofásicos de ponencia media. L N L Devanado de trabajo Devanado de trabajo Devanado de aranque Devanado de aranque Int. centrífugo a N Int. centrífugo Figura 6.6. Conexión de los devanados de un motor de fase partida para ambos sentidos de giro. 2.2. Motor monofásico con condensador De igual forma que los de fase partida, los monofásicos con condensador están constituidos por dos devanados, uno de trabajo y otro auxiliar. En lugar de un interruptor centrífugo, se conecta un condensador en serie con el devanado auxiliar, permitiendo así aumentar el desfase entre las corrientes de ambos devanados y haciendo funcionar el motor como si fuera bifásico. a Figura 6.7. Condensador utilizado a en el arranque de motores. L N Los motores de condensador pueden ser de dos tipos: con condensador de arranque y/o con condensador permanente. N L Con condensador Devanado de trabajo de arranque Devanado de trabajo Int L Figura 6.8. Motores monofásicos con uno y dos condesadores de arranque (Cortesía de Waylead). N Devanado de trabajo Consiste en conectar un condensador de alta capacidad (entre 50 y 600 µF) en Condensador Condensador serie con el devanado de arranque para provocarDev. undedesfase Int permanente arranque Dev. de aranque aranque suficiente entre ambos devanados y así poner en marcha el motor. Condensador arranque Dev. de aranque Condensador a Figura 6.9. Motor con condensador de arranque. N L o N Devanado de trabajo Condensador permanente ranque Dev. de aranque a Figura 6.10. Motor con condensador permanente. 06 Maquinas electricas.indd 224 El condensador debe desconectarse unapermanente vez que el motor consiga su velocidad nominal. Este tipo de arranque consigue un buen par, por lo que puede ser utilizado para aplicaciones con cargas críticas. L Con N condensador permanente Consiste en conectar de forma permanente un condensador en serie con el deDevanado de trabajo vanado auxiliar. Este condensador es de menor capacidad (hasta 60 µF) que los Condensador utilizados solamente para el arranque, y debe ser elegido de forma cuidadosa en Int arranque Dev. de aranque función de las características del motor. EstosCondensador motores no poseen un buen par de arranque, sin embargo, su consumo de permanente corriente es menor en funcionamiento continuado y logran un buen rendimiento. 16/07/12 12:26 Otras máquinas eléctricas rotativas 225 Motores con dos Lcondensadores N L N L N Se utilizan para motores de gran potencia al sistema de los dos Devanado de trabajo y consiste en dotar Devanado de trabajo métodos de arranque por condensador vistos anteriormente, mejorando así el par de arranque y, en general, Condensador el rendimiento del conjunto. Condensador Int arranque Dev. de aranque permanente Devanado de trabajo Int Dev. de aranque En motores con dos condensadores, el de arranque debe ser desconectado de la red de alimentación, utilizando un interruptor centrífugo o relé, una vez haya realizado su función. Condensador arranque Dev. de aranque Condensador permanente a Figura 6.11. Motor con doble con- 2.3. Motores con relés de arranque densador. El uso del interruptor centrífugo es simple y efectivo, no obstante, en tareas de mantenimiento y reparación es necesario desmontar la máquina para acceder a él. El uso de relés de arranque externos, que se alojan en la caja de bornes, evita tener que realizar esta operación. Los relés de arranque disponen de un órgano de mando (bobina) y de uno o más contactos de utilización, pudiendo ser de dos tipos: de corriente o de tensión. Arranque con relé de corriente En este arranque la bobina del relé se conecta en serie con el devanado de trabajo, y su contacto en serie con el devanado de arranque. Arranque con relé de tensión El relé de arranque basado en tensión está diseñado para trabajar con motores de dos condensadores (de arranque y permanente). En este caso la bobina del relé funciona por tensión y se conecta en paralelo con el devanado auxiliar. Así, cuando este recibe tensión en sus bornes, la máquina arranca (con un buen par) mediante uno de los condensadores. La bobina del relé se excita y abre su contacto, desconectando dicho condensador. La excitación de la bobina se mantiene a través del segundo condensador (el permanente) que está conectado en serie con el devanado de arranque. N on ambos que c con ran de Ar sa do re s ue L El relé del que algunos motores monofásicos disponen en su caja de bornes, se utiliza para desconectar el condensador de arranque. Devanado de trabajo ar Devanado de trabajo nq N Relé de corriente caso práctico inicial ra L a Figura 6.12. Relé de arranque (Cortesía de JCM Controls). Par Cuando se conecta el motor a la red de alimentación, la corriente aumenta excitando la bobina del relé y cerrando su contacto. Esto permite la conexión del devanado auxiliar y con ello el arranque del motor. Cuando este adquiere entre el 80 y el 85% de la velocidad nominal, la corriente disminuye desactivando la bobina del relé, abriendo así su contacto y desconectado el devanado auxiliar. Int Condensador arranque Cond. arranque Dev. de aranque Con conden sa d or de Desconexión del condensador de Arranque Dev. de aranque N Cond. permanente Condensador permanente a Figura 6.13. Esquema de conexión del relé de corriente. 06 Maquinas electricas.indd 225 Relé de tensión a Figura 6.15. Curva par-velocidad en un motor monofásico de dos condensadores. a Figura 6.14. Esquema de arranque mediante un relé de tensión. 16/07/12 12:26 Unidad 6 226 2.4. Motor de espira También denominado de espira de sombra o espira en cortocircuito, es un motor monofásico de inducción con una potencia muy reducida, cuyo principal campo de aplicación se centra en la fabricación de electrodomésticos y herramientas eléctricas de baja potencia. a Figura 6.16. Sentido de giro del motor de espira de sombra. El rotor es de jaula de ardilla y el estator de polos salientes. La piezas polares del estator están divididas en dos partes, de las cuales una de ellas dispone de un anillo de cobre que lo rodea de forma trasversal denominado espira de sombra. Así, la corriente inducida sobre ella desfasa el flujo, atrasándolo lo suficiente para crear un campo giratorio capaz de arrancar y hacer girar el rotor. El devanado del estator suele ejecutarse sobre un carrete aislante, similar a los utilizados para los transformadores, y en cuya ventana se introduce el núcleo magnético. a Figura 6.17. Motor de espira de sombra. No necesitan condensador ni interruptor de arranque como los motores estudiados anteriormente, por lo que resultan muy económicos. No obstante, sus aplicaciones industriales son muy limitadas debido a su bajo par de arranque y a su pobre rendimiento. En este tipo de motores no se puede invertir el sentido de giro, ya que la espira de sombra lo determina de fábrica. 2.5. Motor universal El motor universal es en realidad un motor de corriente continua que se conecta a una red de corriente alterna con algunas variaciones. Se utiliza principalmente para máquinas de poca potencia (no más de 1 CV) y tienen especial aplicación en máquinas herramientas y electrodomésticos. a Figura 6.18. Devanado del rotor de un motor universal. Como cualquier máquina de continua está constituida por el circuito inductor, alojado en el estator, y por el circuito inducido, alojado en el rotor. En este caso ambos devanados se conectan en serie. La corriente alterna, al cambiar de polaridad en cada semiciclo, también cambia el sentido de la corriente y del campo inductor. Por tanto, el par no cambia y el motor gira en el mismo sentido en el que arrancó. El motor presenta las siguientes características: • Al tratarse de una máquina en serie tiene un buen par de arranque. • Gran velocidad (hasta 8 000 rpm). • Facilidad para regular su velocidad. • Se puede invertir el sentido de giro permutando uno de sus devanados. • Menos potencia que su equivalente en continua. • Al utilizar corriente alterna, el chisporroteo en el colector es mayor y, por tanto, también lo es su desgaste y el de las escobillas. • La velocidad de giro cambia en función de la carga. De igual forma que las máquinas de corriente continua, los motores universales tienen el inconveniente de operar mediante un sistema de conmutación basado en un colector de delgas y en escobillas. Por tanto, funciona con elementos que requieren especial atención desde el punto de vista del mantenimiento y la reparación. 06 Maquinas electricas.indd 226 16/07/12 12:26 Otras máquinas eléctricas rotativas 227 2.6. Devanados de motores monofásicos de inducción Todos los devanados de motores monofásicos de inducción (con la excepción de los de espira de sombra) son de tipo concéntrico y se ejecutan de forma distribuida. Los devanados, el principal y el auxiliar, deben diseñarse de forma independiente. Ambos entre sí pueden estar separados o superpuestos. Devanados separados Son aquellos en los que las bobinas de ambos devanados no utilizan ranuras comunes. Las expresiones para el cálculo geométrico son las siguientes: Devanado principal U= Número de bobinas por grupo K 6p Número de grupos por fase Gf = 2p Amplitud m=U El proceso de diseño de los devanados de un motor monofásico de inducción es muy similar al ya visto para los trifásicos y bifásicos. En este caso, el cálculo geométrico parte de unos datos comunes, pero utiliza expresiones diferentes para el devanado de arranque y para el de trabajo. Devanado auxiliar =m Ua = K 12p N ma = S 1 Gf = 2p Y90 = Paso de principios de fase caso práctico inicial 2 3 4 5 6 N 7 8 9 10 11 12 K 3p U1 Interruptor centrífugo U2 a Figura 6.19. Ejemplo de un bobinado de motor monofásico con devanados separados. K 4p ejemplo Se desea realizar el devanado para un motor monofásico tetrapolar en un estator de 24 ranuras. Así, los datos de partida son K=24 y p=2. Los cálculos geométricos son: Devanado principal Devanado auxiliar caso práctico inicial Número de bobinas por grupo U=2 Ua = 2 Número de grupos por fase Gf = 4 Gf = 4 Amplitud m=2 ma = 4 Ambos devanados se conectan en paralelo insertando el interruptor centrífugo (o condensador) en serie con el devanado de arranque. Y90 = 3 Paso de principios de fase La tabla de principios de fase es: U1 Ua1 1 4 7 10 El esquema es el siguiente: N S 1 2 U1 a 3 4 5 Ua1 6 N 7 8 S N 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 U2 Ua2 Figura 6.20. Esquema de motor monofásico tetrapolar de 24 ranuras. 06 Maquinas electricas.indd 227 16/07/12 12:26 Unidad 6 228 Devanados superpuestos vocabulario Español-Inglés Interruptores centrífugos: centrifugal switches Devanado de trabajo: run winding Devanado de arranque: start winding Son aquellos en los que las bobinas de ambos devanados coinciden en algunas ranuras. Si bien para ejecución de este tipo de devanados se recurre a la experiencia e intuición del técnico bobinador, existen expresiones de cálculo que facilitan el trabajo. En este caso es necesario elegir, antes del proceso de diseño, el número de bobinas por grupo para cada uno de los devanados (U y Ua) y después aplicar dicho dato en las expresiones de cálculo: Devanado principal Relé de corriente: current relay Relé de tensión: voltage relay Condensador de arranque: running capacitors Motor monofásico: single-phase motor Motor de condensador de marcha permanente: permanent split capacitor motor m= Amplitud Devanado auxiliar (K – 2p) · 2U ma = 2p (K – 2p) · 2Ua 2p Gf = 2p Grupos por fase K Y90 = Principios de fase 4p ejemplo Motor de espira de sombra: shaded-pole motor Se desea realizar el devanado para un motor monofásico tetrapolar en un estator de 24 ranuras. Rotor de jaula de ardilla: squirrel-cage rotor Así, los datos de partida son K=24 y p=2. Por otro lado, se ha decidido que las bobinas por grupo de devanado principal son U=2 y las del devanado auxiliar Ua=2. Aplicando las expresiones de cálculo geométrico tenemos los siguientes resultados: Espira de cobre: copper ring Devanado principal Devanado auxiliar Número de grupos por fase Gf = 4 Gfa = 4 Amplitud m=2 ma = 4 Y90 = 3 Paso de principios de fase La tabla de principios de fase es: U1 Ua1 1 4 7 10 13 16 19 22 Y el esquema de devanados superpuestos el siguiente: N S 1 2 U1 a 06 Maquinas electricas.indd 228 3 4 5 Ua1 6 N 7 8 S N 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 U2 Ua2 Figura 6.21. Bobinado monofásico con devanados superpuestos. 16/07/12 12:26 Otras máquinas eléctricas rotativas 229 3. Motores de imanes permanentes 3.1. Motor Brushless Los motores Brushless son máquinas síncronas que se caracterizan por disponer de un buen par y una gran precisión en el posicionamiento. A pesar de necesitar un dispositivo electrónico de control, están sustituyendo a los de corriente continua en todos los ámbitos. Se pueden encontrar tanto en equipos informáticos (unidades de disco, discos duros, etc.) como en sistemas de automatización y robótica que requieren el control de ejes. Un motor Brushless está formado por un circuito eléctrico trifásico en el estator y un rotor de imanes permanentes. a Figura 6.22. Motor Brushless industrial. El rotor Este tipo de motor se caracteriza por no tener escobillas, de hay su nombre (Brushless), ya que el rotor no dispone de circuito eléctrico al estar formado por imanes permanentes de gran potencia. Estos pueden ser salientes o estar embebidos en el rotor de la máquina. El número imanes debe ser par (entre 2 y 16 polos) y deben estar alternados en polaridad (N-S-N-S, etc.). S S S N Figura 6.24. Rotor de 4 polos. S a a Figura 6.25. Polos embebidos o incrustados. N Figura 6.23. Rotor de 6 polos. S N N a N a S N Figura 6.26. Polos salientes. Los imanes de rotor suelen fabricarse de neodimio-hierro-boro, que aportan un buen rendimiento a temperatura ambiente y una alta resistencia a la desmagnetización. Las máquinas de gran potencia utilizan un rotor, que se instala en el interior del estator, con una constitución mecánica similar a la de los estudiados hasta ahora. No obstante, algunos motores, especialmente los de baja potencia, disponen del rotor externo. En este caso, el estator es el que se ubica en su interior, quedando cerrado por la carcasa del rotor. Esta configuración es muy utilizada en motores destinados a dispositivos informáticos. caso práctico inicial El número de polos del motor viene determinado por el número de polos del rotor. Estator interno Imanes Rotor externo a Figura 6.27. Rotor de imanes permanentes (instalación interna). 06 Maquinas electricas.indd 229 a Figura 6.28. Rotor externo de máquina de baja potencia. 16/07/12 12:26 Unidad 6 230 El estator El estator puede ser ranurado o de dientes, el primero presenta un aspecto similar a utilizado en motores de corriente alterna, el segundo está constituido por una serie de piezas polares (dientes) de tipo saliente sobre las que se construyen las bobinas. a a Figura 6.30. Devanado concentrado de un motor Brushless. Figura 6.29. Devanado distribuido de un motor Brushless. caso práctico inicial Los motores disponen de tres devanados ubicados en el estator, separados entre sí 120º eléctricos. El circuito eléctrico se bobina sobre el estator y está formado por tres devanados separados 120˚ eléctricos y, como en otros bobinados que utilizan tres devanados, estos se pueden conectar tanto en estrella como en triángulo, teniendo en cuenta la relación entre las magnitudes (V e I) de fase y línea. C B a A c B a b C Conexión triángulo A b B C c b a c A Conexión estrella a Figura 6.31. Devanado en un estator y posibles conexiones entre ellos. El devanado puede ser de tipo distribuido o de tipo concentrado. El primero de ellos se ejecuta en máquinas con estator ranurado, y su diseño y montaje es similar al ya estudiado para máquinas de corriente alterna. Por otro lado, los devanados concentrados se construyen para bobinas individuales devanadas sobre los dientes (o polos salientes de la máquina). saber más N No hay convención para denominar los terminales de los devanados Brushless, no obstante es habitual asignar a los principios de cada fase las letras mayúsculas A, B, C y a los finales las minúsculas a, b, c. 1 A a 06 Maquinas electricas.indd 230 Polos del rotor N S S 2 B Devanado del estator 3 C N 4 5 6 S 7 8 a 9 b c Figura 6.32. Ejemplo de devanado concentrado de un Brushless de 9 dientes y 6 polos en rotor. 16/07/12 12:26 Otras máquinas eléctricas rotativas 231 El sistema de conmutación La conmutación en los devanados se realiza mediante dispositivos electrónicos de accionamiento (Drivers). El sistema de conmutación se encarga de generar un campo giratorio en el circuito magnético del estator, de esta forma, los imanes del rotor tienden alinearse con él, produciéndose su rotación y posicionamiento. A Driver Vca Sensores C B Motor a La principal característica de los motores Brushless es que no disponen de escobillas. Sin embargo, requieren un sistema de conmutación que, en este caso, es de tipo electrónico. importante b ac (Dispositivo de conmutación electrónica) caso práctico inicial Figura 6.33. Accionamiento de un motor Brushless. En función de la señal utilizada para la conmutación, los motores Brushless pueden ser de dos tipos: Brushless DC y Brushless AC. Un servomotor es un motor que posee, además de sus respectivos circuitos magnéticos y eléctricos, un sensor de posición acoplado a su eje que permite enviar información (por realimentación) a un sistema electrónico de control o conmutación. Los motores Brushless se configuran habitualmente como servos ya que es necesario conocer cuál es su posición angular. Cableado sensor • Motores Brushless DC. Su funcionamiento se basa en la alimentación de los devanados mediante señales de corriente continua (DC) utilizando el dispositivo de conmutación. Cableado de potencia La conmutación se realiza alimentando dos de los extremos del devanado con una polaridad y secuencia prefijadas. Así, cada vez que se avanza un paso en la secuencia, el motor gira un determinado número de grados. La frecuencia con la que se ejecutan estos pasos determina la velocidad de giro del rotor. Si se cambia el sentido de ejecución de la secuencia, también lo hace el sentido de giro del motor. 2 B + C - C - b a c A C - 6 B b a c A + C + + A - B b a c a Figura 6.36. Conexiones de un ser- C A C - a Figura 6.35. Secuencia de alimentación de los devanados para que el rotor gire una vuelta completa. La posición del rotor está controlada por tres sensores de efecto Hall, uno por devanado, que envían información al accionamiento para así conocer con precisión cuál es el devanado que se debe conmutar. A esta forma de alimentar el motor se le suele denominar conmutación trapezoidal debido a la forma de las señales que alimentan los devanados. 06 Maquinas electricas.indd 231 Figura 6.34. Servomotor. b a c A 5 B Sensor de posición a + 4 + - B + A b a c + b a c 3 B + + 1 + Motor vomotor Brushless. Paso 1 A B C 2 3 4 5 Vuelta 6 1 2 3 4 5 Vuelta 6 + + + - a Figura 6.37. Conmutación trapezoidal para Brushless DC. 16/07/12 12:26 Unidad 6 232 • Motores Brushless AC. La alimentación de los devanados se realiza mediante un sistema de tres señales alternas desfasadas 120º eléctricos entre sí. Esta forma de controlar el motor permite una mayor precisión en el posicionamiento; sin embargo, es necesario instalar un sensor de posición angular (encoder) en el eje de rotor, que permita conocer en todo momento su posición para así enviársela al dispositivo electrónico de conmutación. A B C A esta forma de alimentar el motor se le suele denominar conmutación senoidal, pues es la forma de las señales que se aplican a los devanados. a Figura 6.38. Conmutación senoidal para Brushless AC. 3.2. Motores Paso a paso (PaP) También denominados motores de pasos, se utilizan en la industria para aplicaciones de posicionamiento y control de ejes. Necesitan un dispositivo electrónico de control, pero no requieren de sensor de posición, por lo que resultan más fáciles y económicos de instalar que sus equivalentes en Brushless. Sin embargo, los motores PaP no se pueden utilizan en aplicaciones que requieran gran velocidad o en procesos donde los movimientos sean muy repetitivos. Los motores PaP pueden ser de imanes permanentes o de reluctancia variable. Motores PaP de imanes permanentes De igual forma que otros tipos de motores, están formados por un circuito eléctrico ubicado en el estator y por un rotor, que en este caso será de imanes permanentes. caso práctico inicial Los rotores dentados de imanes permanentes son característicos de los motores denominados Paso a paso. El rotor es de polos salientes y está formado por pequeños dientes imantados de signo contrario dispuestos de forma alterna (N-S-N, etc.). El número de paso de un motor depende del número de dientes del rotor, por este motivo es habitual que los rotores se fabriquen con dos discos de dientes desfasados entre sí, para así conseguir más resolución de paso. El circuito magnético del estator es de polos salientes. En este caso, cada zapata polar está dentada de forma similar a como lo está el rotor. a saber más En motores PaP, ya sean unipolares o bipolares, la alimentación de los devanados debe hacerse mediante una secuencia de pulsos digitales, que debe ser generada por un dispositivo de control electrónico. 06 Maquinas electricas.indd 232 Figura 6.39. Rotor de motor PaP. a Figura 6.40. Estator de motor PaP. Estos motores disponen de un devanado de tipo concentrado, similar al visto para motores Brushless. En función del número de bobinas y de sus conexiones, los motores PaP de imanes permanentes pueden ser unipolares o bipolares. El circuito eléctrico de los motores PaP unipolares está formado por dos devanados con tres puntos de conexión, de los cuales uno de ellos se conecta en un punto intermedio del devanado correspondiente. Los bipolares están formados por dos devanados completamente independientes, con dos puntos de conexión por cada uno de ellos. 16/07/12 12:26 Otras máquinas eléctricas rotativas 233 ejemplo A El siguiente ejemplo muestra la secuencia que se debe ejecutar para que un motor PaP de tipo bipolar avance en sentido horario mediante medios pasos. B C El motor representado es muy básico, ya que dispone de 4 piezas polares en el estator y solamente dos polos en el rotor. Por tanto, solamente puede dar 8 pasos de 45º cada uno. 2 + - + - 3 0 0 + - 4 - + + - 5 - + 0 0 6 - + - + 8 + - - + S Común N - B S 0 Común C N S 0 A N 7 + Bipolar S 0 N 0 S - N + S B 1 D N C D N N C S Pasos S B S D A N A D a Figura 6.41. Ejemplo de secuencia para el control de un motor PaP de imanes permanentes. Unipolar a Figura 6.42. Tipos de motor PaP de imanes permanentes. Motores PaP de reluctancia variable En este caso el rotor está formado por material ferrromagnético (hierro laminado) no imantado, formando pequeños dientes que permiten su posicionamiento por pasos. El devanado del estator está formado por tres bobinas con un punto común de conexión. Así, cuando estas son alimentadas de forma individual mediante una secuencia determinada, se crea un campo en su circuito magnético giratorio que hace que el rotor se alinee con dicho campo, produciendo el giro del motor. La alineación se realiza buscando el valor de reluctancia más pequeño, que se encuentra cuando alguno de los dientes del rotor está próximo a un polo del estator. C vocabulario Español-Inglés B A B común A Dientes: teeth com. C Diente: tooth Par de arranque: starting torque Motores Paso a paso: steppers motors Sin escobillas: Brushless Motor de alterna: AC motor a Figura 6.43. Devanados de un motor de reluctancia variable. En la actualidad muchos de los motores Paso a paso utilizan una configuración mixta basada en imanes permanentes y reluctancia variable. 06 Maquinas electricas.indd 233 Control de velocidad: speed control Accionamiento (controlador): driver 16/07/12 12:26 Unidad 6 234 ACTIVIDADES FINALES 1. Realiza la actividad propuesta en la práctica profesional 1 de esta unidad y realiza las siguientes comprobaciones con el motor monofásico que en ella se ha bobinado. Prueba 1 • Conecta los terminales del devanado principal a dos bornes. Alimenta dichos bornes de la red de alimentación y comprueba si arranca el motor. Si en la situación anterior, se gira el eje de motor con la mano, ¿qué ha ocurrido? Nota. Utiliza un guante para realizar la operación de giro del eje de forma manual. Prueba 2 • En el exterior de la máquina conecta un interruptor pasante en serie con el devanado de arranque. Cierra su contacto y conecta ambos devanados a la red de alimentación. • Cuando haya pasado 1 segundo (aproximadamente) en el que el motor esté funcionando a velocidad nominal, desconecta el interruptor. ¿Qué ocurre con el motor?, ¿sigue girando? Prueba 3 • Conecta un condensador de 25 μF / 400 V en serie con el devanado de arranque y conecta ambos devanados a la red de alimentación, ¿arranca el motor? Prueba 4 • Conecta un relé de arranque de disparo por corriente según se indica en la unidad. • Conecta los devanados a la red de alimentación y comprueba si el motor arranca y el relé desconecta el devanado de arranque una vez que el motor ha conseguido la velocidad nominal. 2. Calcula y diseña el esquema de los devanados de un motor monofásico bipolar para un estator de 24 ranuras. 3. Calcula y diseña el esquema de los devanados de un motor monofásico de 6 polos para un estator de 24 ranuras. 4. Calcula y diseña el esquema de un motor monofásico bipolar para un estator de 18 ranuras, ¿se puede ejecutar? 5. Calcula y diseña el esquema de los devanados de un motor monofásico bipolar para un estator de 36 ranuras. 6. Calcula y diseña el esquema de los devanados de un motor monofásico de 3 pares de polos para un estator de 36 ranuras. 7. Calcula y diseña el esquema de los devanados de un motor monofásico bipolar para un estator de 36 ranuras, sabiendo que el devanado de trabajo debe tener 6 bobinas por grupo y el de arranque 5 bobinas por grupo. 06 Maquinas electricas.indd 234 16/07/12 12:26 Otras máquinas eléctricas rotativas 235 8. Asocia cada una de las imágenes con cualquiera de los conceptos de la columna de la derecha. 1. Anillos de alternador 2. Anillos de motor asíncrono 3. Devanado conectado 4. Devanado distribuido 5. Máquina síncrona 6. Máquina asíncrona 7. Rotor bobinado 8. Rotor cortocircuito 9. Rotor de imanes permanentes 10. Motor PaP 11. Motor sin escobillas 12. Motor de espira 13. Motor universal 14. Dinamo 15. Escobillas máquina CC 16. Escobillas máquina AC 17. CC 18. AC 19. Motor monofásico 20. Realimentación 21. Imanes permanentes 22. Inducido 23. Inductor 24. Motor de inducción 25. Rotor jaula de ardilla entra en internet 9. Localiza en Internet información de cómo obtener un motor Brushless a partir de algún dispositivo informático en desuso y, si tienes alguno de similares características, procede a sacar su motor. 10. Busca un catálogo de motores monofásicos y di cuál es la potencia máxima que has encontrado para ellos. 06 Maquinas electricas.indd 235 16/07/12 12:27 Unidad 6 236 PRÁCTICA PROFESIONAL HERRAMIENTAS • Todas las herramientas utilizadas en la práctica profesional 1 de la Unidad 4 • Bobinadora manual y accesorios • Moldes concéntricos para bobinadora • Útiles para la limpieza de ranuras • Soldador rápido y guantes Bobinado de un motor monofásico OBJETIVO Conocer cómo realizar el diseño del devanado y su posterior ejecución en un motor monofásico de inducción. • Peladora de hilo esmaltado PRECAUCIONES MATERIAL • Utiliza guantes en las operaciones de montaje y desmontaje de la máquina, así como para girar el eje manualmente. • Máquina asíncrona con rotor en cortocircuito • Cartón aislante para ranuras • Tubo de fibra de vidrio flexible • Hilo esmaltado de bobinar (2 diámetros) • Alambre plano de atar • Cuerda de bramante o cinta de atar • Rotulador permanente y estaño • Regletas de conexión • Alargador con manquera de 2 x 2,5 mm2 • Utiliza las herramientas y la bobinadora siguiendo las indicaciones de seguridad dictadas por tu profesor. • No toques los bornes de condensador una vez haya sido utilizado. Nota. La siguiente práctica profesional se ha planteado desde el punto de vista del rebobinado de una máquina supuestamente averiada. En ningún caso se desea realizar el cálculo del circuito eléctrico del inductor para una máquina nueva. Se presupone que el diámetro de conductor y el número de espiras que hay que utilizar para la construcción son datos conocidos. Para la siguiente práctica profesional puedes utilizar la máquina empleada en alguna de las actividades anteriores destinadas al bobinado de un motor trifásico de inducción. • Condensador de 25 μF / 400 V DESARROLLO 1. Utilizando las técnicas vistas en las prácticas profesionales de unidades anteriores, desmonta la máquina y prepara el estator para que esté en disposición de alojar el nuevo devanado, limpiando y aislando convenientemente sus ranuras. a Figura 6.44. Rotor de jaula de ardilla. a Figura 6.45. Estator de 36 ranuras. 2. Utilizando las expresiones de cálculo, diseña el esquema para el devanado del motor monofásico a ejecutar. Aquí se ha considerado que el motor es de 6 polos, el estator tiene 36 ranuras y los devanados de arranque y trabajo están separados. 06 Maquinas electricas.indd 236 16/07/12 12:27 Otras máquinas eléctricas rotativas 237 Devanado principal Número de bobinas por grupos U= K 6p 36 = 6·3 Devanado auxiliar K Ua = =2 = 12p 36 12 · 3 Tabla de principios de fase =1 U1 Ua1 =4 1 7 13 19 25 31 4 10 16 22 28 34 Gf = 2p = 2 · 3 = 6 Número de grupos por fase Y90 = Paso de principios de fase K ma = m=U=2 Amplitud K = 4p = 3p 36 4·3 36 3· 3 =3 El esquema es: N S 1 2 3 U1 4 5 6 N 7 8 9 10 11 12 S 13 14 15 16 17 18 N 19 20 21 22 23 24 S 25 26 27 28 29 Ua1 30 N 31 32 33 U2 34 35 36 Ua2 a Figura 6.46. Principios de fase. 3. Utilizando las técnicas vistas en unidades anteriores, toma medida de las bobinas en el estator y construye las bobinas de ambos devanados. 4. Inserta inicialmente el devanado de trabajo en las ranuras correspondientes. 5. Utilizando la técnica de soldadura, realiza las conexiones entre grupos. 6. Inserta el devanado auxiliar sobre el devanado de trabajo. 7. Realiza las conexiones entre grupos y saca a la caja de bornes los terminales de ambos devanados. U1 1 4 1 Ua2 4 U2 31 a Figura 6.47. Inserción del devanado de trabajo. Ua1 U1 a Figura 6.48. Conexiones de los grupos del devanado de trabajo. 1 U2 4 34 31 a Figura 6.49. Inserción y conexión del devanado de arranque. 8. Ata el devanado y monta la máquina. 9. Sobre el motor recién bobinado y montado realiza las pruebas indicadas en la actividad 1 de esta unidad. 06 Maquinas electricas.indd 237 16/07/12 12:27 Unidad 6 238 MUNDO TÉCNICO el motor lineal El invento del motor lineal data de la última década del siglo xix, no obstante, durante casi un siglo no se había dado ningún paso adelante en su desarrollo y aplicación práctica debido, principalmente, a las dificultades para su control con la tecnología de la época. El desarrollo de la electrónica y la fabricación de imanes permanentes de alta potencia han contribuido a su desarrollo y fabricación en serie. Un motor lineal es una máquina eléctrica que, en lugar de generar un movimiento giratorio como las máquinas estudiadas en esta obra, se desplaza longitudinalmente por su carcasa. Esto aporta numerosas ventajas en algunos entornos industriales, como son los destinados a robots o sistemas de control de ejes, ya que permite un posicionamiento preciso, sin requerir complejos sistemas de transmisión mecánica. Un motor lineal está formado principalmente por dos partes: el estator, o parte fija y el elemento móvil, que es el equivalente al rotor en las máquinas giratorias. El estator esta formado por tres devanados desfasados entre sí 120º eléctricos, similares a los motores Brushless, arrollados en núcleos de chapa magnética. El rotor no tiene circuito eléctrico, ya que está constituido por varios pares de imanes permanentes. Así, cuando los de- vanados del estator se excitan a través de un sistema de alimentación trifásica alterna, los campos magnéticos generados interactúan con los del elemento móvil, desplazándolo linealmente en un sentido u otro por la guía de la carcasa, deteniéndolo en la posición deseada cuando cesa la excitación. Un motor lineal es un servomotor, ya que además de disponer del circuito eléctrico que genera el movimiento a base de campos magnéticos, requiere la instalación de un sensor de posición. De igual forma que los motores Brushless, el funcionamiento de los motores lineales requiere un dispositivo electrónico para la conmutación. Este se encarga de aplicar la alimentación con la frecuencia deseada y de procesar las señales de los sensores de posición del propio motor. En algunas aplicaciones los motores lineales están sustituyendo a sus equivalentes neumáticos e hidráulicos, ya que presentan algunas ventajas como son: no necesitar una instalación de fluido (aire comprimido o aceite), son muy silenciosos, excelente precisión en el posicionamiento y facilidad para la integración con otros sistemas de control como pueden ser los PLCs. a Figura 6.50. Motores lineales (Cortesía de Copley Motion). 06 Maquinas electricas.indd 238 16/07/12 12:27 Otras máquinas eléctricas rotativas 239 EN RESUMEN EN RESUMEN OTRAS MÁqUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS Motores monofásicos Motores de imanes permanentes De inducción De rotor bobinado De espira Motor universal Brushless Motores Paso a paso De fase partida Superpuestos Devanados de motores monofásicos De condensador Separados Con relé de arranque EVALÚA TUS CONOCIMIENTOS 1. El de fase partida es un motor: a. trifásico. c. Brushless. b. de imanes permanentes. d. monofásico. 2. Un motor universal es una máquina de corriente continua, cuyos devanados se conectan en: a. serie. b. Shunt. c. mixto. 3. El denominado condensador de arranque se puede utilizar de forma permanente. a. Sí. b. No. 4. El número de devanados de un motor Brushless es: Resuelve en tu cuaderno o bloc de notas b. No se puede hacer. c. cambiando la polaridad de la alimentación. 6. Cuáles de estos motores monofásicos tiene el mejor par de arranque: a. El que utiliza interruptor centrífugo. b. El que utiliza un condensador permanente. c. El que utiliza un condensador de arranque. 7. Los motores sin escobillas son: a. universales. b. Paso a paso. c. Brushless. 5. El cambio de sentido de giro de un motor de espira se realiza: a. permutando uno de su devanados. 06 Maquinas electricas.indd 239 8. El rotor de imanes permanentes está presente en los motores de inducción. a. Verdadero. b. Falso. 16/07/12 12:27 A prontuario de cÁLcuLo de TrAnSforMAdoreS b prontuario de cÁLcuLo de deVAnAdoS en CorrienTe ConTinuA C prontuario de cÁLcuLo de deVAnAdoS en CorrienTe AlTernA d eJeMpLos de deVAnAdoS e operACioneS báSiCAS de MAnTeniMienTo y repArACión de MÁQuinas eLÉctricas rotativas anexos Y 07 Maquinas electricas - Anexos.indd 240 16/07/12 12:30 241 prontuario de cÁLcuLo TrAnSforMAdoreS ConfigurACión dede directivas de grupo en A diMenSioneS (mm) ChApAS e-i pArA TrAnSforMAdoreS MonofáSiCoS proporciones respecto a C C 3·C C/2 4·C/2 C/2 C/2 C C/2 C/2 C/2 3C 4C/2 C/2 14 7 42 28 7 16 8 48 32 8 20 10 60 40 10 22 11 66 44 11 25 12,5 75 50 12,5 26 13 78 52 13 28 14 84 56 14 29 14,5 87 58 14,5 32 16 96 64 16 35 17,5 105 70 17,5 40 20 120 80 20 42 21 126 84 21 50 25 150 100 25 60 30 180 120 30 diMenSioneS (mm) ChApAS e-i pArA TrAnSforMAdoreS TrifáSiCoS proporciones respecto a C 5·C C 4·C C C C C C C 4C 5C 10 40 50 16 64 80 20 80 100 25 100 125 30 120 150 35 140 175 38 152 190 40 160 200 44 176 220 50 200 250 56 224 280 60 240 300 eSTiMACión de pérdidAS en el Cobre Según poTenCiA potencia en el secundario [VA] factor de pérdidas en el cobre (KCu) 7 10 15 68 75 100 120 180 250 700 1000 2000 1,3 1,25 1,2 1,1 1,09 1,08 1,07 1,06 1,05 1,03 1,025 1,015 eSTiMACión de pérdidAS en el hierro A unA freCuenCiA de 50 hz (W/kg) inducción magnética 1,0 t Chapa de grano orientado Chapa de grano no orientado 2,3 1,5 t 1,7 t 0,58 1,24 5,4 Y 07 Maquinas electricas - Anexos.indd 241 16/07/12 12:30 Anexo A 242 Y A pronTuArio de cÁLcuLo de transForMadores (cont.) VenTAnA del CArreTe A 28 28 33 33 33 33 33 36 36 36 38 38 38 38 40 40 42 42 42 45 50 50 50 64 h 32 50 33 39 44 54 59 36 40 47 38 43 50 60 40 50 42 50 60 50 50 60 80 64 denSidAd de CorrienTe y rendiMienTo eSTiMAdo en funCión de lA poTenCiA potencia ( VA) 5 10 20 50 100 200 1000 1500 2000 J (A/mm2) 6 4 3,8 3,5 3 2,5 2 1,5 1,7 η (%) 63 71 78 84 89 93 95 96 96,5 CAlCulo del TrAnSforMAdor MonofáSiCo paso 1 sección del núcleo para una potencia dada sección de núcleo para una ventana de carrete Sn = k ⋅ S Sn = A · H ⎛ S ⎛2 S =| n | ⎝k⎝ potencia para una sección de núcleo paso 2 S paso 3 corriente del primario I1 = paso 4 corriente del secundario I2 = η · paso 5 voltios por espira paso 6 espiras de ambos devanados (transformador ideal) paso 7 número de espiras reales paso 8 sección del hilo paso 9 diámetro del hilo paso 10 sección real del núcleo paso 11 ancho de ventana (ventana cuadrada) paso 12 número de chapas 07 Maquinas electricas - Anexos.indd 242 V1 S V2 Vesp = 4,44 · F · B · sn N1 = V1 N2 = 4,44 · F · Sn · B N1_real = N1 · KCu Sprimario = ∅1 = V2 4,44 · F · Sn · B N2_real = N2 · KCu I1 Ssecundario = J 4 ⋅ Sprimario ∅2 = π Snr = I2 J 4 ⋅ Ssecundario π Sn Kap A = Snr Nchapas = H Echp 16/07/12 12:30 prontuario de cálculo de devanados en corriente continua 243 prontuario de cÁLcuLo de deVAnAdoS en CorrienTe ConTinuA devanados imbricados simples K Condición de ejecución devanados ondulados Ycol = = número entero p YK = paso de ranura o de bobina u= Secciones inducidas por bobina paso polar D±1 p K 2p D K Yp = Yp = Yk número total de secciones inducidas S=D número de bobinas del devanado: B=K Ancho de sección b K 2p Y1 = Yk · u Y2 = Y1 – Ycol (en secciones inducidas) paso de conexión Y2 = Ycol – Yk Yconex = Ycol – Yk (en ranuras) Ye = paso de escobillas D 2p leyenda: K número de ranuras Ycol paso de colector p pares de polos Y1 ancho de sección 2p números de polos Y2 paso de conexión d número de delgas de colector Ye paso de escobillas Yk paso de ranura B Bobinas del devanado Yp paso polar u número de secciones inducidas por bobina Y 07 Maquinas electricas - Anexos.indd 243 16/07/12 12:30 Anexo C 244 C Y prontuario de cÁLcuLo de deVAnAdoS en CorrienTe AlTernA devanados concéntricos Condición de ejecución para que los devanados concéntricos puedan ejecutarse, el resultado de esta expresión debe ser el siguiente: K Kpq = 2pq • por polos. debe ser entero (ver los detalles de ejecución en la unidad correspondiente si el resultado es un número impar). • por polos consecuentes. debe ser entero, no obstante si es un número entero más la mitad de otro, existe posibilidad de ejecución en algunos casos (ver los detalles de ejecución en la unidad correspondiente). Trifásicos bifásicos Monofásicos (devanados separados) Monofásicos (devanados superpuestos) número de polos Bipolares Multipolares Cualquier número de polos Cualquier número de polos conexión por polos por polos consecuentes por polos por polos Bobinado principal número de bobinas por grupo U= número de grupos por fase Gf = 2p amplitud K U= 4pq K U= 2pq Gf = p principios de ciclo 07 Maquinas electricas - Anexos.indd 244 Y120 = Y360 = K 3p K p =m Gf = 2p m = (q – 1) · 2U m = (q – 1) · U principios de fase K 6p m=U Y90 = Y360 = K 4p K p Y90 = Y360 = K 4p Bobinado de arranque Ua = K 12p Bobinado principal Bobinado de arranque se elige el número deseado se elige el número deseado Gf = 2p ma = K 3p Gf = 2p m= (K – 2p) · 2U 2p Y90 = ma = (K – 2p) · 2Ua 2p K 4p K p 16/07/12 12:30 prontuario de cálculo de devanados en corriente alterna 245 C devanados excéntricos una capa Tipo de conexión doble capa ondulados U=K U=K por polos número de bobinas de bobinado B= K 2 U= bobinas por grupo grupos por fase B 2pq Gf = 2p Yp = paso polar paso de ranura (debe ser para devanados de una capa impar) K 2p Yk = Yp Y120 = principios de fase K 3p U= B 2pq condición de ejecución (entero o entero + 0,5) Gf = 2p Yp = K 2p Yk = Yp Y120 = K 3p leyenda: Kpq número de ranuras por polo y fase gf grupos por fase u número de bobinas por grupo m amplitud K número de ranuras Y120 principio de fase (trifásicos) p pares de polos Y90 principio de fase (bifásicos) 2p número de polos Y360 principio de ciclo q número de fases Yp paso polar Y 07 Maquinas electricas - Anexos.indd 245 16/07/12 12:30 Anexo d 246 Y d eJeMpLos de deVAnAdoS 1. devanados concéntricos trifásicos devanado concéntrico trifásico tetrapolar para un estator de 24 ranuras N S 1 2 3 U1 4 W2 5 6 7 8 N S 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 V1 W1 U2 V2 Conexión por polos ranuras (K) 24 Bobinas por grupo (u) 1 pares de polos (p) 2 grupos por fase (gf) 4 fases (q) 3 amplitud (m) principio de fase (Y90) 4 principio de ciclo (Y120) 12 condición de ejecución (Kpq) 2 u1 1 13 25 37 4 prinCipioS de fASe V1 W1 5 9 17 21 29 33 41 45 devanado concéntrico trifásico bipolar para un estator de 48 ranuras N S N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 U1 W2 U2 V1 W1 V2 Conexión por polos consecuentes ranuras (K) 48 Bobinas por grupo (u) pares de polos (p) 1 grupos por fase (gf) 2 fases (q) 3 amplitud (m) 16 16 8 principio de fase (Y90) principio de ciclo (Y120) condición de ejecución (Kpq) u1 1 4 prinCipioS de fASe V1 W1 17 33 48 devanado concéntrico trifásico de 4 pares de polos para un estator de 48 ranuras N N S 1 2 U1 3 4 W2 5 6 7 8 S N S N S 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 V1 07 Maquinas electricas - Anexos.indd 246 W1 U2 V2 16/07/12 12:30 ejemplos de devanados 247 d Conexión por polos ranuras (K) 48 Bobinas por grupo (u) 2 pares de polos (p) 4 grupos por fase (gf) 4 fases (q) 3 amplitud (m) principio de fase (Y90) 4 principio de ciclo (Y120) 12 condición de ejecución (Kpq) 2 u1 1 13 25 37 4 prinCipioS de fASe V1 W1 5 9 17 21 29 33 41 45 2. devanados imbricados de una capa devanado imbricado de una capa bipolar para estator de 36 ranuras N 1 2 S 3 4 5 6 7 U1 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 W2 U1 U2 W1 U2 Conexión por polos ranuras (K) 32 número de bobinas (B) pares de polos (p) 1 Bobinas por grupo (u) 3 fases (q) 3 grupos por fase (gf) 2 paso polar (impar) (Yp) 18 12 paso de ranura (Yk) 17 principio de ciclo (Y120) u1 1 18 prinCipioS de fASe V1 W1 13 25 devanado imbricado de una capa tetrapolar para estator de 36 ranuras N 1 S 2 U1 3 4 5 W2 6 7 8 V1 N S 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 U2 W1 V2 el número de bobinas por grupo es un número entero +0,5 (en este caso 1,5). por tanto, como el número de grupos por fase es 4, el número total de bobinas para cada fase viene dado por Bf= 4·1,5 = 6. esto significa que es necesario hacer cuatro grupos, dos con dos bobinas y otros dos con una sola. Conexión por polos ranuras (K) 32 número de bobinas (B) 18 u1 pares de polos (p) 2 Bobinas por grupo (u) 1,5 fases (q) 3 grupos por fase (gf) 4 1 19 paso polar (impar) (Yp) 9 paso de ranura (Yk) 8 principio de ciclo (Y120) 6 prinCipioS de fASe V1 W1 7 25 13 31 Y 07 Maquinas electricas - Anexos.indd 247 16/07/12 12:30 Anexo d 248 Y d eJeMpLos de deVAnAdoS (cont.) 3. ejemplos de devanados imbricados de doble capa devanado imbricado de doble capa bipolar para un estator de 12 ranuras 1 2 3 U1 W2 4 5 6 V1 7 8 U2 9 10 11 W1 12 V2 Conexión por polos ranuras (K) 12 pares de polos (p) fases (q) principio de ciclo (Y120) número de bobinas (B) 12 1 Bobinas por grupo (u) 2 3 grupos por fase (gf) 2 4 paso polar (impar) (Yp) 6 paso de ranura (Yk) 5 u1 1 prinCipioS de fASe V1 W1 5 9 devanado imbricado de doble capa tetrapolar para un estator de 48 ranuras 1 2 3 4 U1 5 7 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 W2 V1 W1 U2 Conexión por polos ranuras (K) 48 número de bobinas (B) 48 u1 pares de polos (p) 2 Bobinas por grupo (u) 4 fases (q) 3 1 25 principio de ciclo (Y120) 8 grupos por fase (gf) 4 paso polar (impar) (Yp) 12 paso de ranura (Yk) 11 V2 prinCipioS de fASe V1 W1 9 33 17 41 4. ejemplos de devanados monofásicos devanado monofásico tetrapolar con devanados para un estator de 24 ranuras N S 1 2 3 U1 07 Maquinas electricas - Anexos.indd 248 4 5 Ua1 6 7 8 N S N 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 U2 Ua2 16/07/12 12:30 ejemplos de devanados 249 d el cálculo geométrico se realiza como si de devanados separados se tratase. el devanado principal se ejecuta con normalidad; sin embargo, para el devanado de trabajo tanto u como Y90 no son enteros y es necesario recurrir a la experiencia para el diseño. Conexión por polos dev. principal dev. Arranque ranuras (K) 36 Bobinas por grupo (u) 3 1,5 pares de polos (p) 2 grupos por fase (gf) 4 4 1+n amplitud (m) principio de fase (Y90) 3 6 4,5 fases (q) prinCipioS de fASe u1 ua 1 5,5 10 14,5 19 23,5 28 32,5 devanado monofásico tetrapolar bitensión para un motor de 24 ranuras 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Condensador de arranque M U1 U2 A el devanado de fuerza está formado por dos devanados montados uno sobre otro. para la mayor tensión se conectan en serie y para la menor en paralelo. Tensión mayor Tensión menor Dev. Arranque A M U1 Dev. Arranque A Dev. Trabajo U1 U2 M Dev. Trabajo M U2 M A A U1 U2 U1 U2 el diseño del devanado para dos tensiones no afecta a su cálculo geométrico. Conexión por polos dev. principal dev. Arranque ranuras (K) 24 Bobinas por grupo (u) 2 1 pares de polos (p) 2 grupos por fase (gf) 4 4 1+n amplitud (m) principio de fase (Y90) 2 4 3 fases (q) prinCipioS de fASe u1 ua 1 4 7 10 13 16 19 22 Y 07 Maquinas electricas - Anexos.indd 249 16/07/12 12:30 Anexo e 250 e Y operACioneS báSiCAS de MAnTeniMienTo y repArACión de MÁQuinas eLÉctricas rotativas Verificación de continuidad entre devanados permite conocer si alguno de los devanados se encuentra interrumpido eléctricamente, bien por rotura de un conductor, por una falsa soldadura o por un defecto de conexión en la caja de bornes. para ello se utiliza un comprobador de continuidad, conectando las puntas de prueba en los extremos de cada uno de los devanados. si existe continuidad, la comprobación es correcta. una primera comprobación consiste en desacoplar el eje de la máquina y verificar qué ocurre al girar el eje manualmente. por otro lado, el lubricado periódico de los cojinetes y elementos en movimiento permite alargar la vida de los mismos. Verificación de cortocircuitos entre devanados es una prueba que se puede realizar a la vez que la anterior. consiste en comprobar si existe continuidad entre los bornes de diferentes devanados de la máquina. si la comprobación es positiva, significa que existe un cortocircuito interno entre devanados. en las máquinas que utilizan chapas para puentear los bornes de la caja de bornes, como pueden ser los motores asíncronos de inducción, es necesario retirarla previamente para realizar esta comprobación. Comprobación de la ventilación La instalación de las máquinas debe hacerse siguiendo las indicaciones del fabricante para que se produzca una buena refrigeración, evitando que las tapas y rejillas por las que circula el aire queden obstruidas. un exceso de calor acorta la vida o puede destruir los aislantes internos de la máquina. en aquellas máquinas que disponen de un ventilador de tipo pasivo acoplado a su eje, debe comprobarse que no se ha roto ninguna de sus alas. Las que disponen de un circuito de refrigeración o aireación de tipo activo, se debe comprobar su correcto funcionamiento. a Devanado del inductor dañado por contacto con el rotor. Acoplamientos mecánicos Los acoplamientos de las máquinas deben hacerse según indica el fabricante, respetando la distancia entre ejes, la fijación de poleas y ruedas dentadas, y el alineamiento de correas y elementos de transmisión. E Comprobación de la rotación un cojinete muy gastado o un eje desequilibrado pueden provocar un giro inadecuado del eje, pudiendo producir daños mecánicos y eléctricos en el interior de la máquina. a Comprobación de la rotación. 07 Maquinas electricas - Anexos.indd 250 a Acoplamientos mecánicos de una máquina rotativa (Cortesía de Leroy Somer). 16/07/12 12:30 operaciones básicas de mantenimiento y reparación de máquinas eléctricas rotativas 251 e Conexiones eléctricas fijación de la máquina La conexión eléctrica de una máquina con el exterior se realiza a través de su caja de bornes. Las conexiones en ella deben hacerse de forma cuidadosa para evitar posibles averías en su interior (algunas de ellas graves) o en el circuito que la alimenta. así se deben tener en cuenta los siguientes aspectos: La fijación de la máquina a su bancada puede parecer una tarea trivial; sin embargo, una mala sujeción puede tener consecuencias nefastas para ella o para el entorno en el que se encuentra instalada. • Los cables deben disponer de terminales y ser del tamaño adecuado al borne. • Lo bornes deben estar apretados convenientemente para evitar que los terminales realicen un mal contacto eléctrico que pueda producir su deterioro o incendio. • Los cables de la caja de bornes deben salir a través de prensaestopas o racores para así mantener el grado de protección de la máquina. a una mala instalación puede producir un exceso de vibraciones, que pueden generar deterioro en el eje de rotación, desconexión eléctrica de bornes, descentrado del rotor, etc. es necesario fijar conveniente las patas a la bancada y, si el fabricante lo indica, efectuar la nivelación correspondiente. en máquinas con escobillas Las máquinas que utilizan escobillas requieren una atención especial en tareas de mantenimiento, ya que deben ser cambiadas en el momento adecuado, para evitar así problemas mayores. además, el colector de delgas o de anillos sobre el que hacen contacto debe limpiarse periódicamente, ya que un exceso de carbonillas puede producir mayor chisporroteo, reduciendo la vida del conjunto de conmutación. Conexión de bornes (Cortesía de Leroy Somer). Verificación del aislamiento antes de instalar una máquina que ha sido rebobinada o una máquina nueva que ha estado almacenada durante un largo periodo de tiempo, es necesario verificar su aislamiento con el megaóhmetro. La prueba debe realizarse durante al menos 1 minuto a 500 v y el resultado no debe ser inferior a 10 MΩ. a Cambio de escobillas. a a Colector sucio. a Escobillas deterioradas en un alternador. Máquinas que ha estado sometidas en un ambiente excesivamente húmedo en este tipo de máquinas el resultado de la prueba de aislamiento puede ser desfavorable debido a la humedad que se haya acumulado en su interior. para descartar que la falta de aislamiento no sea producto de otro tipo de anomalías, es necesario deshidratar el estator de la máquina con una estufa de secado entre 24 y 32 horas a un máximo de 139 °c. Colector limpio. Y 07 Maquinas electricas - Anexos.indd 251 16/07/12 12:30 SOLUCIONES EVALÚA TUS CONOCIMIENTOS Unidad 1 Unidad 4 1. Tierras raras. 1. b y c. 2. a. 2. b. 3. El teslámetro. 3. Línea neutra. 4. b. 4. c. 5. Corrientes torbellino. 5. b. 6. b. 7. c. Unidad 2 1. b. 2. b. 3. Clase térmica. 4. b. 5. c. 6. a. Unidad 5 1. b. 2. a. 3. Campo giratorio. 4. De la frecuencia y el número de polos. 5. a. 6. b. 7. Máquinas trifásicas de más de dos polos. 7. Soldadura blanda. Unidad 6 Unidad 3 1. d. 1. a y c. 2. a. 2. b. 3. b. 3. c. 4. Tres. 4. b. 5. b. 6. c. 7. b y c. 8. b. 08 Maquinas electricas.indd 263 17/07/12 08:30 d Redacción y selección de contenidos: Juan Carlos Martín Castillo Edición: Víctor Sánchez Diseño de cubierta: Paso de Zebra Fotocomposición, maquetación y realización de gráficos: J.B. Estudio Gráfico y Editorial, S. L. Fotografías: 3B Scientific; AIGER; Alecop; Alxión; Balance Systems; BBE – Electronic; Centro Integrado de FP Ciudad de Béjar; Circuitor; Copley Motion; Direct Industry; DUDEK; IMA SL; Importaciones JL; JCM Controls; López S.R.L. ; NAFSA S.L.; PCE Instruments; Pegamo; Pinellas Electric Motor Repair; Power Solutions; Roqmo S.L.; Royal Diamond; Sentera Controls; Siemens; Sintercarbo S.A.; Taco – Nauert; Telsen.net; Torivac; Waylead; Wikipedia y archivo Editex Dibujos: Autor y J.B. Estudio Gráfico y Editorial, S. L. Preimpresión: José Ciria Producción editorial: Francisco Antón Dirección de producción: Santiago Agudo Dirección editorial: Carlos Rodríguez Editorial Editex, S. A. ha puesto todos los medios a su alcance para reconocer en citas y referencias los eventuales derechos de terceros y cumplir todos los requisitos establecidos por la Ley de Propiedad Intelectual. Por las posibles omisiones o errores, se excusa anticipadamente y está dispuesta a introducir las correcciones precisas en posteriores ediciones o reimpresiones de esta obra. d c El presente material didáctico ha sido creado por iniciativa y bajo la coordinación de Editorial Editex, S. A., conforme a su propio proyecto editorial. © Editorial Editex, S. A. Vía Dos Castillas, 33. C.E. Ática 7, edificio 3, planta 3ª, oficina B 28224 Pozuelo de Alarcón (Madrid) ISBN papel: 978-84-9003-296-1 ISBN eBook: 978-84-9003-430-9 ISBN LED: 978-84-9003-429-3 Depósito Legal: M-25929-2012 Imprime: Orymu Ruiz de Alda, 1 y 3. Pol. Ind. La Estación 28320 Pinto (Madrid) Impreso en España - Printed in Spain Cualquier forma de reproducción, distribución, comunicación pública o transformación de esta obra solo puede ser realizada con la autorización de sus titulares, salvo excepción prevista por la ley. Diríjase a CEDRO (Centro Español de Derechos Reprográficos, www.cedro.org) si necesita fotocopiar o escanear algún fragmento de esta obra. Maquinas electricas - cre digital.indd 252 19/07/12 14:03
