practica de maquinas electricas n°1

UNIVERSIDAD CATOLICA SANTA MARIA

FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS Y FORMALES

PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERIA

MECANICA, MECANICA-ELECRICA Y MECATRONICA

CURSO:

LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS

TEMA:

NORMAS DE SEGURIDAD EN MAQUINAS ELECTRICAS

PROFESOR:

INGº LUIS A. CHIRINOS

AREQUIPA – PERU

2013NORMAS DE SEGURIDAD EN MAQUINAS ELECTRICAS

INFORME DE LABORATORIO N°1

1. OBJETIVO

Revisar, estudiar y aplicar las normas de seguridad en la utilización de la energía eléctrica e instrucciones para la utilización de instrumentos de medición de magnitudes eléctricas y herramientas que se utilizarán durante las prácticas de Laboratorio. Distinguir con habilidad y destreza la estructura y materiales con los que se construyen las máquinas eléctricas estáticas y rotativas.

2. FUNDAMENTO TEORICO

Antes de comenzar nos haremos la pregunta: ¿Qué es una maquina eléctrica?; Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energía cinética en otra energía, o bien, en energía potencial pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético. Se clasifican en tres grandes grupos: generadores, motores y transformadores.

Los generadores transforman energía mecánica en eléctrica, mientras que los motores transforman la energía eléctrica en mecánica haciendo girar un eje. El motor se puede clasificar en motor de corriente continua o motor de corriente alterna. Los transformadores y convertidores conservan la forma de la energía pero transforman sus características.

Una máquina eléctrica tiene un circuito magnético y dos circuitos eléctricos. Normalmente uno de los circuitos eléctricos se llama excitación, porque al ser recorrido por una corriente eléctrica produce los amperi-vueltas necesarios para crear el flujo establecido en el conjunto de la máquina.

Desde una visión mecánica, las máquinas eléctricas se pueden clasificar en rotativas y estáticas. Las máquinas rotativas están provistas de partes giratorias, como las dinamos, alternadores, motores. Las máquinas estáticas no disponen de partes móviles, como los transformadores.

En las máquinas rotativas hay una parte fija llamada estátor y una parte móvil llamada rotor. Normalmente el rotor gira en el interior del estátor. Al espacio de aire existente entre ambos se le denomina entrehierro. Los motores y generadores eléctricos son el ejemplo más simple de una máquina rotativa.

Esta máquina está compuesta por el nucleo magnético y los devanados

EL NÚCLEO:

Generalmente es de material ferromagnético. Los núcleos magnéticos suelen estar formados por chapas adosadas de acero al silicio o al níquel y aisladas entre sí para evitar así las corrientes de Foucault. Los núcleos magnéticos se utilizan en lugar del aire para permitir un mayor flujo magnético, aumentando así el acoplamiento entre las bobinas o enrollamientos de un transformador.

En un transformador, el núcleo tiene dos misiones fundamentales:

Ing. Luis A. Chirinos Maquinas Eléctricas


Desde el punto de vista eléctrico –y esta es su misión principales la vía por que discurre el flujo magnético. A través de las partes de la culata conduce el flujo magnético siguiendo un circuito prescrito, de una columna a otra.

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

El núcleo magnético de los transformadores está formado por el apilamiento de chapas de acero hasta alcanzar el grueso necesario. El apilamiento de las chapas se hace de forma entrecruzada formando grupos de tres láminas, de esta forma, los tamaños de las chapas son mas uniformes y se consigue que el conjunto sea compacto.

Generalmente, las chapas magnéticas están constituidas por acero de construcción, al que se le añade entre un 3 y un 5% de silicio para aumentar su resistividad, disminuyendo las pérdida por corrientes parásitas. Un contenido mayor en silicio haría el material demasiado frágil para el mecanizado. Las pérdidas por histéresis dependen en gran medida del procedimiento de fabricación de la chapa.

Actualmente, para los núcleos de los transformadores se emplean chapa laminadas en frío de un espesor aproximado de 0,35 milímetros, sometiéndolas a un proceso de oxidación. Este procedimiento hace que la capa de óxido formada en la superficie de las chapas aísle eléctricamente una de otra.

Como la chapa magnética esta formada por cristales de mayor o menor tamaño dependiendo del proceso de fabricación y tratamiento que sufre, cada cristal se magnetiza fácilmente a lo largo de sus bordes. Por medio del laminado en frío y posterior tratamiento térmico todos los cristales se disponen de tal forma, que sus bordes están en la misma dirección (orientación del grano). De esta forma la chapa presenta una dirección magnética preferente, de forma que es muy fácil magnetizar en la dirección de la laminación. Por lo tanto, para obtener una densidad de flujo dada, en dicha dirección magnética preferente, es necesaria menor corriente magnetizante que en el caso de chapa de grano no orientado.

Puesto que la corriente magnetizante es alterna, los pequeños cristales que constituyen la chapa magnética cambian su orientación continuamente con el periodo de dicha corriente. Debido es estas inversiones magnéticas el núcleo se calienta y, por lo tanto, se producen pérdidas por esta inversión magnética. Dichas pérdidas esta formadas, a su vez, por las pérdidas por histéresis y las pérdidas por corrientes parásitas y hay que procurar que ambas sean lo menores posible.

Las pérdidas por histéresis son pequeñas si el material si el material que forma el núcleo es magnéticamente blando y las pérdidas por corrientes parásitas se reducen formando el núcleo con chapas aisladas unas con otras.

Existen 2 tipos de núcleos fundamentales ellos son el tipo columnas y el tipo acorazado, los cuales se detallan a continuación.

- Tipo columnas: este tipo de núcleo se representa en el siguiente grafico, Este núcleo no es macizo, sino que está formado por un paquete de chapas superpuestas, y aisladas



eléctricamente entre sí. La aislación entre chapas se consigue con barnices especiales, con papel de seda, o simplemente oxidando las chapas con un chorro de vapor.

- Núcleo tipo acorazado: este tipo de núcleo es más perfecto, pues se reduce la dispersión. Obsérvese que las líneas de fuerza de la parte central, alrededor de la cual se colocan las bobinas se bifurcan abajo y arriba hacia los 2 costados, de manera que todo el contorno exterior del núcleo puede tener la mitad de la parte central. Esto vale para las 2 ramas laterales como también para las 2 cabezas. Para armar el núcleo acorazado también se lo construye en trozos, unos en forma de E y otros en forma de I, y se colocan alternados, para evitar que las juntas coincidan. El hecho que los núcleos sean hechos en dos trozos, hace que aparezcan juntas donde los filos del hierro no coinciden perfectamente, quedando una pequeña luz que llamaremos entrehierro. Obsérvese que en el tipo núcleo hay dos entrehierros en el recorrido de las fuerzas, y que el acorazado también, porque los dos laterales son atravesados por la mitad de líneas cada uno.

DEVANADOS:

Los modernos bobinados son todos arrollamientos a tambor, fáciles de ejecutar y de reemplazar. En la figura tenemos el más elemental, pues es el de una máquina bipolar, de una sola bobina, y está de una sola espira.

En una forma más clara para su interpretación, y que es la que se usa en la técnica. Se supone desarrollada sobre el plano del dibujo, la superficie del inducido con todo el arrollamiento. Las líneas de trazo y punto limitan el dibujo, y señalan que a partir de ellas, el sistema se repite en orden cíclico.



Los rectángulos con N y S señalan los polos, que convencionalmente están encima del devanado.

- Devanado imbricado

Cada lado de bobina está debajo de un polo de nombre contrario, y la o las espiras envuelven el flujo de un polo. Las conexiones de cada bobina terminan entre delgas contiguas, correspondiendo cada par de delgas a una bobina. Como los devanados son cerrados, cada delga es principio de una bobina y fin de la otra. En la figura observaremos un arrollamiento imbricado tetrapolar, y una bobina, la primera se ha reforzado para apreciar su posición.

El sistema es a doble capa ya que en cada canaleta del inducido hay dos lados de bobina. Con la delga 1 comenzaremos el bobinado hacia el lado de la bobina 1 que está en la canaleta 1. Por la parte posterior y a través de la cabeza de bobina llegamos al lado 4, ubicado en la capa inferior de la canaleta 4, lado que completa la bobina y termina la delga en 2, desde la cual arranca otro sistema similar, siguiendo así se retorna a delga 1 y el arrollamiento es cerrado.

- Devanados Ondulados

Estos sistemas también tienen un lado de bobina debajo de cada polo de nombre contrario, pero la conexión no llega a la delga continua. En la figura vemos un devanado ondulado tetrapolar. Se indicó con un trazo grueso una bobina para poder apreciar la marcha del arrollamiento.

Es de hacer notar que no se puede usar 12 bobinas sino 13, por que de hacerlo así, no se lograría realizar el arrollamiento, por que partiríamos de la delga 1 y después de una vuelta volveríamos a la delga 1.

Es posible en los ondulados hacer bobinas de varias espiras y a su vez colocar varios lados de bobina en una sola canaleta.

3. ELEMENTOS A UTILIZAR

Completar las características de los elementos que se utilizaran en la practica

- Vatímetro- Amperímetro- Multímetro- Megometro- Voltímetro- Puente de resistencias- Bobinas de máquinas eléctricas - 1 Núcleo ferromagnético- 01 estator- 01 transformador monofásico



4. PROCEDIMIENTO DE EJECUCION4.1. Reconocer las herramientas a utilizarse en el laboratorio de electricidad.4.2. Identificar instrumentos de medición analógicos:- Características- Tipos de escalas- Formas de utilización en medición de:

. Tensión

. Corriente

. Resistencia

. Potencia

. Otras magnitudes eléctricas4.3. Identificar instrumentos de medición digital.- Características- Formas de utilización.- Rangos de medición4.4. Identificar los terminales del puente de resistencias (Puente Wheatstone).

a.- Reconocer e identificar el núcleo ferromagnético, sus principales partes y tipos que existen.b.- Reconocer e identificar los devanados de las máquinas eléctricas estáticas.c.- Desarmar un transformador e identificar sus principales partes.d.- Verificar que tipo de aislamiento tiene el transformador, los materiales de aislamiento ycuanta temperatura soportan.e.- Verificar el tipo de enfriamiento que tiene el transformador (AFA, OFA, etc.)

5. CUESTIONARIO5.1. ¿Por qué son necesarias las normas de Seguridad y un Reglamento de uso de un

Laboratorio?

Son necesarias por las siguientes razones:

- Evita el deterioro de los equipos e instrumentos a utilizar.- Muestra la mejor utilización o el mejor aprovechamiento para los equipos y elementos.- Condiciona a saber la ubicación de cada uno de los elementos como cocodrilos, bananos

entre otros.- Evita accidentes que puedan dañar la salud física de la persona.- Ocasiona que el tiempo de vida de los equipos e instrumentos aumente y también su

mantenimiento sea menos constante.- Proporciona información de las zonas no seguras o aspectos que muestren peligro.- Me enseña que debo y no debo de hacer para una próxima visita en el mismo lugar o en

otro laboratorio de la misma rama.

5.2. ¿Cuál es el origen de la imprecisión de los instrumentos analógicos?



En sí, el origen se basa en las perdidas de potencia que existe en cada elemento eléctrico, ya que estas tienen un valor resistivo(a más resistencia menos flujo de intensidad) que se transforma en calor (potencia activa), y las cuales producen mediciones muy cercanas a los valores ideales, esto se produce en cualquier conductor eléctrico. Estas imprecisiones de medición hacen que los instrumentos analógicos tengan grados de incertidumbre.

Otros tipos de pérdidas que producen en transformadores para la imprecisión de los instrumentos analógicos son:

- Perdidas por histéresis- Perdidas en el cobre del bobinado

5.3. ¿Cuál es la función del Código Nacional de Electricidad?

La función del Código Nacional de Electricidad es establecer las reglas preventivas para salvaguardar las condiciones de seguridad de las personas, de la vida animal y vegetal, y de la propiedad, frente a los peligros derivados del uso de la electricidad; así como la preservación del ambiente y la protección del Patrimonio Cultural de la Nación.

También este contempla las medidas de prevención contra choques eléctricos e incendios, así como las medidas apropiadas para la instalación, operación y mantenimiento de instalaciones eléctricas.

El Código no está destinado a ser un compendio de especificaciones para proyectos, ni un manual de instrucciones. Cumpliendo con las reglas del Código, utilizando materiales y equipos eléctricos aprobados o certificados y efectuando la instalación, operación y mantenimiento apropiados, con personal calificado y autorizado, se logrará una instalación esencialmente segura

5.4. Describa la clasificación de los materiales ferromagnéticos según la concentración de sílice, describa sus aplicaciones.

En el campo industrial el Fe-Si, por la concentración de Si se les conoce como:

- Field Grade: (0.25% Si) para construcción se pequeños motores.- Armature Grade: (0.50% Si) para motores y generadores pequeños, donde interesan altas

densidades de flujo y no las pérdidas.- Electrical Grade: (1% Si) Motores, generadores y transformadores para operaciones

intermitentes de potencia medida.- Motor Grade: (2.5% Si) Para motores y generadores de mediana potencia y buena

eficiencia.- Dinamo Grade: (3.5% Si) para motores y generadores de alta eficiencia.- Transformador Grade (5% Si) grandes transformadores de potencia grandes alternadores y

condensadores síncronos de alta eficiencia, material de grano orientado para transformadores de potencia con alta eficiencia. Los elementos de anclaje (pernos) se



fabrican con materiales anti-magnéticos acero al manganeso y se le agrega cadmio para mejorar las características mecánicas (elongación).

- Materiales especiales para aplicaciones específicas de altas permeabilidades que soporten altas temperaturas, no alteran sus características magnéticas con los esfuerzos mecánicos y que puedan trabajar con elevadas frecuencias, sin modificar sus características magnéticas.

5.5. Determinar los tipos de núcleo que se están utilizando en la construcción de transformadores y las ventajas y desventajas que presentan

Existen dos tipos de núcleo para la construcción de transformadores que son:

- NUCLEO DE TIPO COLUMNAS: Este tipo de núcleo se representa en la figura, indicando el corte A-1 la sección transversal que se designa con S (cm2). Este núcleo no es macizo, sino que esta formado por un paquete de chapas superpuestas, y aisladas eléctricamente entre sí. Para colocarlas y poder ubicar el bobinado terminado alrededor del núcleo, se construyen cortadas, colocando alternadamente una sección U con una sección I. La capa siguiente superior cambia la posición I con respecto a la U.

La aislación entre chapas se consigue con barnices especiales, con papel de seda, o simplemente oxidando las chapas con un chorro de vapor.

- NUCLEO DE TIPO ACORAZADO: este tipo de núcleo es más perfecto, pues se reduce la dispersión, se representa en la figura, en vistas. Obsérvese que las líneas de fuerza de la parte central, alrededor de la cual se colocan las bobinas se bifurcan abajo y arriba hacia los 2 costados, de manera que todo el contorno exterior del núcleo puede tener la mitad de la parte central. Esto vale para las 2 ramas laterales como también para las 2 cabezas.



Para armar el núcleo acorazado también se lo construye en trozos, unos en forma de E y otros en forma de I, y se colocan alternados, para evitar que las juntas coincidan.

El hecho que los núcleos sean hechos en dos trozos, hace que aparezcan juntas donde los filos del hierro no coinciden perfectamente, quedando una pequeña luz que llamaremos entrehierro. Obsérvese que en el tipo núcleo hay dos entrehierros en el recorrido de las fuerzas, y que el acorazado también, porque los dos laterales son atravesados por la mitad de líneas cada uno.

5.6. ¿Qué características deben tener los devanados de las máquinas eléctricas?

Las características que deben tener los devanados son:

- La más alta conductividad posible.- El menor coeficiente posible de temperatura por resistencia eléctrica.- Una adecuada resistencia mecánica.- Deben ser dúctiles y maleables.- Deben ser fácilmente soldables.- Tener una adecuada resistencia a la corrosión.

5.7. ¿Por qué siempre se encuentra laminado el material ferromagnético de las máquinas eléctricas?

Se encuentra laminado ya que así podemos reducir la perdida de energía que se convierte en calor o de por si la perdida de potencia, para esto es necesario que los núcleos que están bajo un flujo variable no sean macizos así q deberán estar construidos por chapas magnéticas de espesores mínimos (laminados) apiadas y aisladas entre si.

La corriente eléctrica al no poder circular de una chapa a otra, tiene que hacerlo independientemente en cada una de ellas con lo que se induce menos corriente y



disminuye la potencia perdida por corrientes de Faulcoult (se producen en cualquier material conductor).

5.8. Elaborar una tabla indicando la clase de aislante y su temperatura según la CEI.

CLASE DE AISLAMIENTO TEMPERATURA DESCRIPCION DEL MATERIAL

Y(O) 90°CAlgodón, ceda papel, celulosa o combinación de ellos no

impregnados ni sumergidos en aceite, teniendo por consiguiente una humedad del 7 al 8 %

A 105°C Los materiales del grupo anteriro sumergidos en aceite o impregnados de barnices, lacas o resinas

E 120°C

Aislamiento compuesto de materiales q por experiencia o por ensayos reconocidos, muestran poseer una estabilidad

térmica que les permite soportar temperaturas de 15°C superiores a las de los materiales de clase A (nylon,

poliéster, esmaltes de CPV y resinas fenólicas )

B 130°C (+ 25°C)F 155°C (+ 50°C)H 180°C (+ 75°C)

5.9. ¿Qué tipos de enfriamiento existen en transformadores? Explique con detalle.

El calor producido por las pérdidas se transmite a través de un medio al exterior, este mediopuede ser aire o bien líquido. La transmisión de calor se hace por un medio en forma más omenos eficiente, dependiendo de los siguientes valores:

- La masa volumétrica.- El coeficiente de dilatación térmica.- La viscosidad.- El calor especificó.- La conductividad térmica.

Los transformadores están por lo general enfriados por aire o aceite capaz de mantener una temperatura de operación suficiente baja y prevenir “puntos calientes” en cualquier parte del transformador. El aceite se considera uno de los mejores medios de refrigeración que tiene además buenas propiedades dieléctricas y que cumple con las siguientes funciones:

- Actúa como aislante eléctrico.- Actúa como refrigerante.



- Protege a los aisladores solidos contra la humedad y el aire.

La transferencia de calor en un transformador son las siguientes:

1. CONVECCION

La transferencia de calor por convección se puede hacer en dos formas:

a) Por convección natural: La convección natural es causada por la influencia simple del aire o de otro fluido que pasa en el medio exterior a una cierta velocidad y con una cierta temperatura

b) Por convección forzada: Aquella a la cual por medio de un equipo (ventilador, etc…) inducimos aire u otro fluido para forzar el enfriamiento mucho más rápido de lo natural.

2. CONDUCCION

Es un proceso lento por el cual se transmite el calor a través de una sustancia por actividad molecular. La capacidad que tiene una sustancia para conducir calor se mide por su “conductividad térmica”.

3. RADIACION

Es la emisión o absorción de ondas electromagnéticas que se desplazan a la velocidad de la luz representan en temperaturas elevadas un mecanismo de pérdidas de calor. En el caso de los transformadores, la transferencia de calor a través del tanque y los tubos radiadores hacia la atmósfera es por radiación.

El enfriamiento de los transformadores se clasifica en los siguientes grupos:

3.1. TIPO OA

Sumergido en aceite, con enfriamiento natural. Este es el enfriamiento más comúnmente usado y el que frecuentemente resulta el más económico y adaptable a la generalidad de las aplicaciones. En estos transformadores, el aceite aislante circula por convección natural dentro de un tanque con paredes lisas, corrugadas o bien previstos de enfriadores tubulares o radiadores separables.

3.2. TIPO OA/FA

Sumergido en aceite con enfriamiento propio y con enfriamiento de aire forzado. Este tipo de transformadores es básicamente una unidad OA a la cual se le han agregado ventiladores para aumentar la disipación del calor en las superficies de enfriamiento y por lo tanto, aumentar los KVA de salida.

3.3. TIPO OA/FOA/FOA



Sumergido en aceite con enfriamiento propio, con enfriamiento de aceite forzado-aire forzado, con enfriamiento aceite forzado-aire forzado. El régimen del transformador tipo OA, sumergido en aceite puede ser aumentado por el empleo combinado de bombas y ventiladores. En la construcción se usan los radiadores desprendibles normales con la adición de ventiladores montados sobre dichos radiadores y bombas de aceite conectados a los cabezales de los radiadores. El aumento de capacidad se hace en dos pasos: en el primero se usan la mitad de los radiadores y la mitad de las bombas para lograr un aumento de 1.333 veces sobre diseño OA; en el segundo se hace trabajar a la totalidad de los radiadores y bombas con lo que se consigue un aumento de 1.667 veces el régimen OA.

3.4. TIPO FOA

Sumergidos en aceite, con enfriamiento por aceite forzado con enfriadores de aire forzado. El aceite de estos transformadores es enfriado al hacerlo pasar por cambiadores de calor o radiadores de aire y aceite colocados fuera del tanque. Su diseño está destinado a usarse únicamente con los ventiladores y las bombas de aceite trabajando continuamente.

3.5. TIPO OW

Sumergidos en aceite, con enfriamiento por agua. Este tipo de transformador esta equipado con un cambiador de calor tubular colocado fuera del tanque, el agua de enfriamiento circula en el interior de los tubos y se drena por gravedad o por medio de una bomba independiente. El aceite fluye, estando en contacto con la superficie exterior de los tubos.

3.6. TIPO FOW

Sumergido en aceite, con enfriamiento de aceite forzado con enfriadores de agua forzada. El transformador es prácticamente igual que el FOA, excepto que el cambiador de calor es del modelo agua-aceite y por lo tanto el enfriamiento del aceite se hace por medio de agua sin tener ventiladores.

3.7. TIPO AA

Tipo seco, con enfriamiento propio. La característica primordial es que no contienen aceite u otro líquido para efectuar las funciones de aislamiento y enfriamiento, y es el aire el único medio aislante que rodea el núcleo y las bobinas menos de 15KV y hasta 2 000 KVA.

3.8. TIPO AFA

Tipo seco, con enfriamiento por aire forzado. Para aumentar la potencia del transformador AA, se usa el enfriamiento con aire forzado. El diseño comprende un ventilador que empuja el aire en un ducto colocado en la parte inferior del transformador.

3.9. TIPO AA/AFA



Tipo sedo, con enfriamiento natural con enfriamiento por aire forzado. La denominación de estos transformadores indica que tienen dos régimen, uno por enfriamiento natural y el otro contando con la circulación forzada por medio de ventiladores, cuyo control es automático y opera mediante un relevador térmico

6. OBSEVACIONES Y CONCLUSIONES- Los conductores eléctricos pierden potencia gracias a la pequeña resistencia q ofrecen al

paso de la corriente, a esta intensidad se le llama intensidad de Foucault.- Existen muchos tipos de enfriamientos, los cuales dependerán del tipo de material que se

utilice o de las potencias grandes o bajas que se ejecuten.- La laminación en los núcleos de los trasformadores, ayuda mucho a aumentar la

resistencia, lo cual no genera mucho calor.- Gracias a las aleaciones del acero al silicio podemos disminuir el ciclo de histéresis pero

solo puede ser utilizado desde un 0.25% hasta un 5%.- La eficiencia en máquinas eléctricas son del orden del 98% a más.- Los devanados deben tener la más alta conductividad posible en las maquinas eléctricas.


practica de maquinas electricas n°1

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