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2do examen de circuitos

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  • 1. ANTOLOGIA LA MAQUINA SINCRONA Y ASINCRONA 1.- MAQUINA SINCRONA.Una máquina síncrona es una máquina eléctrica rotativa de corriente alterna, consta de una parte fija (estator) y una móvil (rotor), constituyendo el circuito magnético de la máquina. Igualmente dispone de dos circuitos eléctricos situados sobre el estator y rotor de la máquina, relacionados a través del circuito magnético, siendo su característica principal que el devanado inducido se encuentra alojado en el ranurado del estator y el circuito inductor, alimentado por corriente continua en el rotor. En máquinas de pequeña potencia los circuitos están invertidos. El nombre maquina síncrona viene como consecuencia del imperativo de funcionar únicamente a la velocidad de sincronismo, que viene definida por la frecuencia de las corrientes del estator y por el número de polos de la máquina. donde: f: Frecuencia de la red a la que está conectada la máquina (Hz) P: Número de pares de polos que tiene la máquina p: Número de polos que tiene la máquina n: Velocidad de sincronismo de la máquina (revoluciones por minuto) Estas máquinas convierten energía eléctrica en energía mecánica, siendo en este caso utilizadas como motores, (ver Motor síncrono) o convierten energía mecánica en energía eléctrica, siendo en este caso utilizadas como generadores (ver Generador síncrono). Las máquinas síncronas se utilizan en mayor medida como generadores de corriente alterna en centros de producción de energía eléctrica y como motores de corriente alterna, ya que no presentan par de arranque y hay que emplear diferentes métodos de arranque y aceleración hasta la velocidad de sincronismo. También se utilizan para controlar la potencia reactiva de la red por su capacidad para, manteniendo la potencia activa desarrollada constante, variar la potencia reactiva que absorbe o cede a la red. Velocidades síncronas a 50 Hz Nº de Pares de Polos Velocidad síncrona Nº de Pares de Polos Velocidad síncrona p ns p ns rev / min. rev / min. 1 3000 7 429 2 1500 8 375 3 1000 9 333 4 750 10 300 5 600 12 250 6 500 15 200 1
  • 2. 2.- ASPECTOS CONSTRUCTIVOS.Por formas constructivas del sistema de excitación, las maquinas síncronas se clasifican en máquinas de polos salientes y de polos lisos. La utilización de uno u otro tipo depende fundamentalmente de las velocidades a las que se trabaja. Generalmente, las máquinas de bajo número de polos (alta velocidad), suelen ser de polos lisos, ocurriendo justamente lo contrario ,a elevado numero de polos (bajas velocidades) en el caso de máquinas de polos salientes. Para alimentar el circuito de excitación existen , básicamente, dos procedimientos. -Mediante el juego de anillos rozantes- escobillas. -Utilización de un sistema de suministro de CC a partir de la generación de la potencia necesaria en una fuente montada sobre el mismos eje de la máquina. Estator: El estator, o parte estática, de una máquina síncrona es similar al de una máquina asíncrona. Contiene un devanado trifásico de corriente alterna denominado devanado inducido y un circuito magnético formado por apilamiento de chapas magnéticas. Rotor: El rotor, o parte rotativa, de una máquina síncrona es bastante diferente al de una máquina asíncrona. Contiene un devanado de corriente continua denominado devanado de campo y un devanado en cortocircuito, que impide el funcionamiento de la máquina a una velocidad distinta a la de sincronismo, denominado devanado amortiguador. Además, contiene un circuito magnético formado por apilamiento de chapas magnéticas de menor espesor que las del estátor. El resto de las características del rotor están relacionadas con el objetivo de obtener un campo entre el rotor y el estátor de carácter senoidaly dependen del tipo de máquina síncrona: Máquina de polos salientes: El rotor presenta expansiones polares que dan lugar a un entrehierro variable. Máquina de rotor liso: El devanado de campo está distribuido en varias bobinas situadas en diferentes ángulos. 3.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Funcionamiento como Generador.Una turbina acciona el rotor de la máquina síncronica a la vez que se alimenta el devanado rotórico (devanado de campo) con corriente continua, que proporciona un campo magnético, cuya curva de inducción en el entrehierro. El entrehierro variable (máquinas de polos salientes) o la distribución del devanado de campo (máquinas de rotor liso) contribuyen a crear un campo más o menos senoidal en el entrehierro, que hace aparecer en los bornes del devanado estatórico (devanado inducido) una tensión senoidal. Al conectar al devanado inducido una carga trifásica equilibrada aparece un sistema trifásico de corrientes y una fuerza magnetomotrizsenoidal. Si el circuito inducido se encuantra cerrado a trzves de una carga trifásica, circularan unas corrientes que darán lugar a un campo que gira en el mismo sentido que el rotor y con una velocidad igual a la del rotor. Funcionando como Motor.En este caso se lleva la máquina síncrona a la velocidad de sincronismo, pues la máquina síncrona no tiene par de arranque, y se alimentan el devanado rotórico (devanado de campo) con corriente contínua y el devanado estatórico (devanado inducido) con corriente alterna. La interacción entre los campos creados por ambas corrientes mantiene el giro del rotor a la velocidad de sincronismo. 2
  • 3. 4.-COMPARACION DE MOTOR SINCRONO Y ASINCRONO 5.- MOTOR ASINCRONO :PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO. 3
  • 4. 6.- CONSTITUCION DE LA MAQUINA ASINCRONA TRIFASICA: TIPOS DE MOTORES 4
  • 5. ROTOR CON MOTOR BOBINADO CARACTERISTICAS DE MOTORES DE INDUCCIONMONOFASICOS JAULA DE ARDILLA 5
  • 6. 7.- DESCRIPCION: Entre las principales características de esta línea están: Rango de potencias desde 0,25 HP hasta 12.5 HP 2,4 y 6 polos Totalmente cerrados con ventilación exterior ó abiertos ODP Factor de Servicio 1.15 Armazón de lámina rolada Operación Continua Aislamiento clase F Dimensiones NEMA Incremento de temperatura clase B Ventilador de plástico anti-flama (Auto extinguible) Tensiones normalizadas: 115/208-230 V Frecuencia normalizada : 60 Hz Grado de protección interna IP55 para motores cerrados e IP 21 para motores abiertos Variantes: Motores con base resilente, doble salida de flecha, para compresores, para bombas centrífugas, para uso agrícola, a prueba de explosión. Aplicaciones comunes: Los motores de la línea monofásica pueden ser clasificados como “Motores de Uso General”; sin embargo pueden ser empleados , sin ningún problema, en aplicaciones específicas como : Aplicaciones en ambientes polvosos Bombas centrífugasCompresores Ventiladores Bombas de combustible A prueba de explosión Lavadoras y electrodomésticos en general Certificaciones: La línea de motores monofásicos, ha sido certificada bajo los siguientes esquemas: NOM: Eficiencia Energética. UL: Sistema de Aislamientos y componentes. CSA: Seguridad. 6
  • 7. 8.- MOTOR CON ROTOR DOBLE JAULA DE ARDILLA MOTOR CON ROTOR DE RANURAS PROFUNDAS 7
  • 8. Campo Magnético Giratorio El Campo magnético giratorio se obtiene con tres devanados desfasados 120º (acoplados en estrella o triángulo) y conectados a un sistema trifásico de c. a. 8
  • 9. 9.- CONEXIÓN DE DEVANADOS 9
  • 10. 10
  • 11. EL TRANSFORMADOR La corriente alterna frente a la continua radica en que la corriente alterna se puede transformar con facilidad. Para transportar energía eléctrica de sistemas que trabajan a una tensión dada a sistemas que lo hacen a otra tensión se utilizan los transformadores. El transformador es una maquina eléctrica, estática que convierte energía eléctrica de un nivel de voltaje, en energía eléctrica de otro nivel de voltaje, en corriente alterna, manteniendo la frecuencia. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética (campos magnéticos) y están constituidos. Está constituido por dos o más bobinas de alambre, aisladas entre si eléctricamente por lo general y arrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético.núcleo cerrado, hierro dulce o de láminas apiladas de acero eléctrico, de una gran permiabilidad (material ferromagnético) aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El arrollamiento que recibe la energía eléctrica se denomina arrollamiento de primario (entrada), con independencia si se trata del mayor (alta tensión) o menor tensión (baja tensión). El arrollamiento del que se toma la energía eléctrica a la tensión transformada se denomina arrollamiento de secundario (salida). En concordancia con ello, los lados del transformador se denominan primario al de entrada y secundario al de salida. A este proceso de cambio de tensión se le "llama transformación". En un transformador, el núcleo tiene dos funciones fundamentales: a. Desde el punto de vista eléctrico –y su principal función- es la vía por que conduce el flujo magnético. A través de las partes horizontales (culata), conduce el flujo magnético siguiendo un circuito prescrito, de una columna a otra. b. Desde el punto de vista mecánico es el soporte de los arrollamientos que en él se apoyan. Para generar el flujo magnético, es decir, para magnetizar el núcleo de hierro hay que gastar energía eléctrica. Dicha energía eléctrica se toma del arrollamiento de entrada. Principio de Funcionamiento.Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario (bobina primaria), circulará por éste una corriente alterna variable en el tiempo que creará a su vez un campo magnético variable en el tiempo y con la misma frecuencia. Este campo magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario, una tensión de salida que varia, con la misma frecuencia. Su magnitud depende de la intensidad y de la frecuencia del flujo así como del número de vueltas que tenga el arrollamiento de salida, como se ve en la siguiente formula (ley de la inducción).La Inducción electromagnética fue descubierto por M. Faraday. -8 E = 4.44 * 10 * aC * B * f * N 11
  • 12. En la que aC = sección del núcleo en pulgadas cuadradas, B = densidad máxima del flujo en líneas por pulgada cuadrada, E = tensión eficaz, f = frecuencia en Hz y N = número de espiras del -9 2 devanado, o bien 10 * aC * B * f * N, expresando aCy B en cm . El Transformador Ideal.Un transformador ideal es un artefacto sin pérdidas, con una bobina de entrada y una bobina de salida. Las relaciones entre los voltajes de entrada y de salida, y entre la corriente de entrada y de salida, se establece mediante dos ecuaciones sencillas. Relación de Transformación.La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) . La razón de la transformación(m) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión. Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario ó tensión de entrada, (Vs) es la tensión en el devanado secundario ó tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario ó corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario ó corriente de salida. Potencia en un transformador ideal.La potencia suministrada al transformador por el En donde ð p es el ángulo entre el voltaje y la corriente secundaria. La potencia que el circuito secundario suministra a sus cargas se establece por 12
  • 13. circuito primario se expresa por medio de la ecuación la ecuación: Pp = Vp * Ip * cosðp Ps = Vs * Is * cos ð s En donde ð s es el ángulo entre el voltaje y la corriente secundarios. Puesto que los ángulos entre el voltaje y la corriente no se afectan en un transformador ideal, ð p=ð s=ð . Las bobinas primaria y secundaria de un transformador ideal tienen el mismo factor de potencia. ¿Cómo se compara la potencia que va al circuito primario del transformador ideal, con la potencia que sale por el otro lado? Es posible averiguarlo por medio de las ecuaciones de voltaje y corriente. La potencia que sale de un transformador es: La misma relación se aplica a la potencia reactiva Q y la potencia aparente S. Qp = Vp *Ip *sen ð = Vs *Is *sen ð = Qs Ps = Vs *Is* cos ð Aplicando las ecuaciones de relación de espiras nos resulta . Sp = Vp *Ip = Vs *Is = Ss Vs = Vp / m y Is = m * Ip así que Ps = (Vp/m) * m * Ip * cos ð Ps = Vp * Ip * cos ð = Pp De donde, la potencia de salida de un transformador ideal es igual a su potencia de entrada. La polaridad del transformador.Las ecuaciones anteriores describen la relación entre las magnitudes y los ángulos de los voltajes y las corrientes sobre los lados primarios y secundarios del transformador, pero dejan una pregunta sin respuesta: dado que el voltaje del circuito primario es positivo en un extremo especifico de la espira, ¿cuál seria la polaridad del voltaje del circuito secundario?. En los transformadores reales seria posible decir la polaridad secundaria, solo si el transformador estuviera abierto y sus bobinas examinadas. Para evitar esto, los transformadores usan la convección de puntos. Los puntos que aparecen en un extremo de cada bobina en la figura1 muestran la polaridad del voltaje y la corriente sobre el lado secundario del transformador. La relación es como sigue: 1.- Si el voltaje primario es positivo en el extremo punteado de la bobina con respecto al extremo no punteado, entonces el voltaje secundario será también positivo en el extremo punteado. Las polaridades de voltaje son las mismas con respecto al punteado en cada lado del núcleo. 2.- Si la corriente primaria del transformador fluye hacia dentro del extremo punteado de la bobina primaria, la corriente secundaria fluirá hacía afuera del extremo punteado de la bobina secundario. 13
  • 14. Como podremos imaginar, la polaridad del transformador dependerá de como están devanadas las dos bobinas, no solamente respecto al núcleo sino que también respecto entre ellas. El punto negro representa la polaridad del transformador, algo que a lo mejor encontramos en los esquemas y, no necesariamente en la simbología general de diferentes tratados de electricidad y electrónica. En el dibujo podemos observar la disposición de los devanados de las dos bobinas. En el mismo dibujo, observamos que al lado de las salidas de las bobinas, se indica por donde sale el final de la última espira y, por donde entra el principio de la primera espira. Es lo que podemos denominar el sentido de los devanados. Esto es muy importante para saber la polaridad del transformador. En este primer dibujo, tanto el voltaje de la bobina primaria y el voltaje de la bobina secundaria se encuentran en fase. Esto sucede porque el pico de tensión máximo de la bobina primaria coincide con el pico de tensión máximo de la bobina secundaria. Nota : Como hemos indicado, el punto negro indica la polaridad. En el dibujo están dibujados en la parte de arriba del transformador, pero realmente daría lo mismo dibujar los dos puntos abajo, porque estamos ante un transformador en fase. La única exigencia es dibujar los puntos: o los dos arriba o los dos abajo, nunca en diagonal. Por el contrario, en este otro dibujo, observamos como las bobinas han sido devanadas de diferente manera respecto a las bobinas del primer dibujo. En este caso, estamos tratando de un transformador desfasado 180°, y se dice que las bobinas tienen devanados con dirección opuesta. Esto es así, porque el pico de tensión máxima de la bobina primaria esta desfasada 180° respecto al pico de tensión máxima de la bobina secundaria. Nomenclatura de los transformadores.Esta establecido como estandar que las entradas a la bobina primaria del transformador se utilicen las siguientes letras: H1,H2 para el caso de un transformador monofásico. H1,H2,H3 para el caso de un transformador trifásico. Y en las salidas de la bobina secundaria se establece la siguiente nomenclatura: X1,X2 para el caso de un transformador monofásico. X1,X2,X3 para el caso de un transformador trifásico. 14
  • 15. Polaridad aditiva.- Polaridad sustractiva.Cuando se ubica un transformador en el tanque que lo tiene que contener se puede colocar de dos formas diferentes: aditiva y sustractiva. En el caso de polaridad aditiva, es cuando H1 coincide diagonalmente con X1. La mayoria de transformadores disponen de polaridad aditiva. Hablamos de polaridad sustractiva cuando el terminal H1esta colocado de forma adyacente al terminal de salida X1. Existen pocos transformadores con este tipo de polaridad. Los transformadores mayores de 200 KVa son de polaridad sustractiva. Perdidas de un transformador.En los transformadores las pérdidas de potencia y energía se deben dos principales factores, pérdidas originadas en el hierro y perdidas de cobre. a) Pérdidas en el fierro (Ph).- Son pérdidas que se deben a las características de diseño y a la calidad de los materiales empleados en su fabricación. Este tipo de pérdidas son permanentes y tienen lugar mientras el transformador esté conectado a la red. La magnitud de estas pérdidas depende del tamaño o potencia del transformador. Este tipo de pérdidas las define el fabricante y las presenta en las especificaciones del equipo. El constante cambio de magnetización del núcleo de hierro origina pérdidas. Estas pérdidas pueden minimizarse eligiendo tipos de chapa finas de unos 0.3mm de espesor, asiladas entre si (apiladas, en un núcleo de hierro macizo se producirán perdidas por corrientes parasitas excesivamente grandes que motivan altas temperaturas))con un bajo coeficiente de pérdidas. Además, como el campo magnético varía respecto al tiempo, en el hierro se originan tensiones que dan orígenes a corrientes parásitas. Dichas pérdidas son causadas por el fenómeno de histéresis( Núcleo ) y por las corrientes de foucoult (corrientes parasitas), las cuales dependen del voltaje de la red, de la frecuencia y de la inductancia a que está sometido el circuito magnético. La potencia pérdida en el núcleo permanece constante, ya sea en vacío o con carga. Se alimenta el transformador al vacío, la potencia absorbida en ese momento corresponde exactamente a las pérdidas en el hierro. En efecto por ser nula la intensidad de corriente en el bobinado secundario no aparecen en el pérdidas de potencia. Por consiguiente se puede afirmar que el total de la potencia absorbida por un transformador funcionando al vacío bajo a voltaje nominal, representa el valor de 15
  • 16. la potencia pérdida en el hierro del circuito magnético. b) Pérdidas en el cobre (Pc).-Es la suma de las potencias pérdidas en los bobinados de un transformador, funcionando bajo carga nominal.El valor de esta potencia depende de la intensidad de corriente que circula en devanados del transformador tanto en el devanado primario como en el secundario, la cual varía mucho desde el funcionamiento en vacío a plena carga.Son pérdidas que se deben al efecto Joule es decir porla corriente que circula en devanados del transformador. Estas pérdidasdependen del nivel de carga que tenga el transformador en su operación. Sedetermina por la siguiente relación: La variación del valor de la potencia pérdida en el cobre es proporcional al cuadrado de la intensidades de corriente de carga y a la resistencia de los bobinados. 2 2 Pcu = I1 x r1 + I2 x r2 Donde: Pcu = Pérdidas en los bobinados del transformador. I1 = Intensidad en el bobinado primario. I2 = Intensidad en el bobinado secundario. r1 = Resistencia del bobinado primario. r2 = Resistencia del bobinado secundario. Otra forma de determinar las pérdidas en los bobinados de un transformador es mediante la prueba de cortocircuito. Para lograr esto se alimenta el bobinado primario bajo un voltaje de valor tal, que estando cerrado en cortocircuito el bobinado secundario, sean recorridos ambos bobinados por intensidades de corriente iguales a sus valores nominales respectivos. La potencia absorbida por el transformador en estas condiciones corresponde exactamente a las pérdidas totales en el cobre del conjunto de los dos bobinados. En efecto las pérdidas de potencia “totales” es el resultado de la pérdidas en el núcleo (Ph) más las pérdidas en el cobre de los bobinados (Pcu). Pérdidas totales = Ph + Pc Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores. Datos Nominalesde los Transformadores.- Potencia nominal, KVA - Tensión de AT, kV - Tensión de BT, kV - Corriente nominal en AT. Amp. - Corriente nominal en BT. Amp. - Factor de potencia, cosϕ - Frecuencia, Hz - Esquema de conexión - Número de fases - Tensión de cortocircuito Tipos de transformadores.- 16
  • 17. A.- Según sus aplicaciones.Transformador elevador/reductor de tensión.-Un transformador con PCB, como refrigerante en plena calle.Son empleados por empresas transportadoras eléctricas en las subestaciones de la red de transporte de energía eléctrica, con el fin de disminuir las pérdidas por efecto Joule. Debido a la resistencia de los conductores, conviene transportar la energía eléctrica a tensiones elevadas, lo que origina la necesidad de reducir nuevamente dichas tensiones para adaptarlas a las de utilización. Durante el transporte de la energía eléctrica se originan pérdidas que dependen de su intensidad. Para reducir estas pérdidas se utilizan tensiones elevadas, con las que, para la misma potencia, resultan menores intensidades. Por otra parte es necesario que en el lugar donde se aplica la energía eléctrica, la distribución se efectúe a tensiones más bajas y además se adapten las tensiones de distribución a los diversos casos de aplicación. La utilización de corriente continua queda limitada a ciertas aplicaciones, por ejemplo, para la regulación de motores. Sin embargo, la corriente continua adquiere en los últimos tiempos una significación creciente, por ejemplo para el transporte de energía a tensiones extraaltas. Transformadores elevadores.-Este tipo de transformadores nos permiten, como su nombre lo dice elevar la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada. Esto quiere decir que la relación de transformación de estos transformadores es menor a uno. Transformadores variables.-También llamados "Variacs", toman una línea de tensión fija (en la entrada) y proveen de tensión de salida variable ajustable, dentro de dos valores. Transformador de aislamiento.- Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, de manera que consigue una alimentación o señal "flotante". Suele tener una relación 1:1. Se utiliza principalmente como medida de protección, en equipos que trabajan directamente con la tensión de red. También para acoplar señales procedentes de sensores lejanos, en resistencias inesianas, en equipos de electromedicina y allí donde se necesitan tensiones flotantes entre sí. Transformador de alimentación.- Pueden tener una o varias bobinas secundarias y proporcionan las tensiones necesarias para el funcionamiento del equipo. A veces incorpora un fusible que corta su circuito primario cuando el transformador alcanza una temperatura excesiva, evitando que éste se queme, con la emisión de humos y gases que conlleva el riesgo de incendio. Estos fusibles no suelen ser reemplazables, de modo que hay que sustituir todo el transformador. 17
  • 18. Transformador trifásico.- Tienen tres bobinados en su primario y tres en su secundario. Pueden adoptar forma de estrella (Y) (con hilo de neutro o no) o delta -triángulo- (Δ) y las combinaciones entre ellas: Δ-Δ, Δ-Y, Y-Δ y Y-Y. Hay que tener en cuenta que aún con relaciones 1:1, al pasar de Δ a Y o viceversa, las tensiones de fase varían. Transformador trifásico. Conexión estrellatriángulo.(Fig.) Transformador de pulsos.-Es un tipo especial de transformador con respuesta muy rápida (baja autoinducción) destinado a funcionar en régimen de pulsos y además de muy versátil utilidad en cuanto al control de tensión 220 V. Transformador de línea o Flyback.- Es un caso particular de transformador de pulsos. Se emplea en los televisores con TRC (CRT) para generar la alta tensión y la corriente para las bobinas de deflexión horizontal. Suelen ser pequeños y económicos. Además suele proporcionar otras tensiones para el tubo (foco, filamento, etc.). Además de poseer una respuesta en frecuencia más alta que muchos transformadores, tiene la característica de mantener diferentes niveles de potencia de salida debido a sus diferentes arreglos entre sus bobinados secundarios. Transformador diferencial de variación lineal.El transformador diferencial de variación lineal (LVDT según sus siglas en inglés) es un tipo de transformador eléctrico utilizado para medir desplazamientos lineales. El transformador posee tres bobinas dispuestas extremo con extremo alrededor de un tubo. La bobina central es el devanado primario y las externas son los secundarios. Un centro ferromagnético de forma cilíndrica, sujeto al objeto cuya posición desea ser medida, se desliza con respecto al eje del tubo. Los LVDT son usados para la realimentación de posición en servomecanismos y para la medición automática en herramientas y muchos otros usos industriales y científicos Transformador diferencial de variación lineal (LVDT) 18
  • 19. Transformador con diodo dividido.- Es un tipo de transformador de línea que incorpora el diodorectificador para proporcionar la tensión continua de MAT directamente al tubo. Se llama diodo dividido porque está formado por varios diodos más pequeños repartidos por el bobinado y conectados en serie, de modo que cada diodo sólo tiene que soportar una tensión inversa relativamente baja. La salida del transformador va directamente al ánodo del tubo, sin diodo ni triplicador. Transformador de impedancia.- Este tipo de transformador se emplea para adaptar antenas y líneas de transmisión (tarjetas de red, teléfonos, etc.) y era imprescindible en los amplificadores de válvulas para adaptar la alta impedancia de los tubos a la baja de los altavoces. Si se coloca en el secundario una impedancia de valor Z, y llamamos n a Ns/Np, como Is=-Ip/n y Es=Ep.n, la impedancia vista desde el primario será Ep/Ip = -Es/n²Is = Z/n². Así, hemos conseguido transformar una impedancia de valor Z en otra de Z/n². Colocando el transformador al revés, lo que hacemos es elevar la impedancia en un factor n². Estabilizador de tensión.- Es un tipo especial de transformador en el que el núcleo se satura cuando la tensión en el primario excede su valor nominal. Entonces, las variaciones de tensión en el secundario quedan limitadas. Tenía una labor de protección de los equipos frente a fluctuaciones de la red. Este tipo de transformador ha caído en desuso con el desarrollo de los reguladores de tensión electrónicos, debido a su volumen, peso, precio y baja eficiencia energética. Transformador híbrido o bobina híbrida.-Es un transformador que funciona como una híbrida. De aplicación en los teléfonos, tarjetas de red, etc. Balun.- Es muy utilizado como balun para transformar líneas equilibradas en no equilibradas y viceversa. La línea se equilibra conectando a masa la toma intermedia del secundario del transformador. Transformador electrónico.- Está compuesto por un circuito electrónico que eleva la frecuencia de la corriente eléctrica que alimenta al transformador, de esta manera es posible reducir drásticamente su tamaño. También pueden formar parte de circuitos más complejos que mantienen la tensión de salida en un valor prefijado sin importar la variación en la entrada, llamados fuente conmutada. Transformador de frecuencia variable.- Son pequeños transformadores de núcleo de hierro, que funcionan en la banda de audiofrecuencias. Se utilizan a menudo como dispositivos de acoplamiento en circuitos electrónicos para comunicaciones, medidas y control. Transformadores de medida.-Entre los transformadores con fines especiales, los más importantes son los transformadores de medida para instalar instrumentos, contadores y relés protectores en circuitos de alta tensión o de elevada corriente. Los transformadores de medida aíslan los circuitos de medida o de relés, permitiendo una mayor normalización en la construcción de contadores, instrumentos y relés. B.- Según su construcción.- 19
  • 20. Autotransformador.-El primario y el secundario del transformador están conectados en serie, constituyendo un bobinado único. Pesa menos y es más barato que un transformador y por ello se emplea habitualmente para convertir 220 V a 125 V y viceversa y en otras aplicaciones similares. Tiene el inconveniente de no proporcionar aislamiento galvánico entre el primario y el secundario. Transformador con núcleo toroidal.- El núcleo consiste en un anillo, normalmente de compuestos artificiales de ferrita, sobre el que se bobinan el primario y el secundario. Son más voluminosos, pero el flujo magnético queda confinado en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas por corrientes de Foucault. Transformador de grano orientado.-El núcleo está formado por una chapa de hierro de grano orientado, enrollada sobre sí misma, siempre en el mismo sentido, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales. Presenta pérdidas muy reducidas pero es caro. La chapa de hierro de grano orientado puede ser también utilizada en transformadores orientados (chapa en E), reduciendo sus pérdidas. Transformador de núcleo de aire.- En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un carrete sin núcleo o con un pequeño cilindro de ferrita que se introduce más o menos en el carrete, para ajustar su inductancia. Transformador de núcleo envolvente.- Están provistos de núcleos de ferrita divididos en dos mitades que, como una concha, envuelven los bobinados. Evitan los flujos de dispersión. Transformador piezoeléctrico.- Para ciertas aplicaciones han aparecido en el mercado transformadores que no están basados en el flujo magnético para transportar la energía entre el primario y el secundario, sino que se emplean vibraciones mecánicas en un cristal piezoeléctrico. Tienen la ventaja de ser muy planos y funcionar bien a frecuencias elevadas. Se usan en algunos convertidores de tensión para alimentar los fluorescentes del backlight de ordenadores portátiles. TAREA: Que tipos de ensayos son sometidos los transformadores, y para que se realizan cada ensayo. 20
  • 21. LA LEY DE OHM La Ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, es una de las leyes fundamentales de la electrodinámica, estrechamente vinculada a los valores de las unidades básicas presentes en cualquier circuito eléctrico como son: 1. Tensión o voltaje "E", en volt (V). 2. Intensidad de la corriente " I ", en ampere (A). 3. Resistencia "R" en ohm ( ) de la carga o consumidor conectado al circuito. El ohmio (también ohm) es la unidad de medida de la resistencia que oponen los materiales al paso de la corriente eléctrica y se representa con la letra W o con el símbolo o letra griega Ω (omega). Esta ley relaciona los tres componentes que influyen en una corriente eléctrica, como son la intensidad (I), la diferencia de potencial o tensión (V) y la resistencia (R) que ofrecen los materiales o conductores. La Ley de Ohm establece que "la intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo", se puede expresar matemáticamente en la siguiente fórmula o ecuación: Léase: La intensidad (en amperios) de una corriente es igual a la tensión o diferencia de potencial (en voltios) dividido o partido por la resistencia (en ohmios). De acuerdo con la “Ley de Ohm”, un ohmio ( Ω) es el valor que posee una resistencia eléctrica cuando al conectarse a un circuito eléctrico de un voltio (1 V) detensión provoca un flujo o intensidad de corriente de un amperio (1 A). La resistencia eléctrica, por su parte, se identifica con el símbolo o letra (R) y la fórmula general (independientemente del tipo de material de que se trate) para despejar su valor (en su relación con la intensidad y la tensión) derivada de la fórmula general de la Ley de Ohm, es la siguiente: Léase: La resistencia a una corriente (en ohmios) es igual a la tensión o diferencia de potencial (en voltios) dividido o partido por la intensidad (en amperios). 21
  • 22. Electricidad: Cálculo de la Resistencia eléctrica según el tipo y la forma del conductor Sabemos que una corriente eléctrica es un flujo de electrones. Al moverse a través de un conductor, los electrones deben vencer una resistencia; en los conductores metálicos, esta resistencia proviene de las colisiones entre los electrones. Si el paso es expedito y fluido los electrones viajarán ordenadamente, tendrán poca resistencia. Por el contrario, si el camino es muy estrecho o demasiado largo, los electrones se agolparán y chocarán entre sí, produciendo, además, mucho calor; se les opone una alta resistencia. A. En un buen conductor, que opone baja resistencia, los electrones fluyen ordenadamente, sin chocar entre sí. B. En un mal conductor. eléctrico, que ofrece alta resistencia al flujo de corriente, los electrones chocan unos contra otros al no poder circular libremente y generan calor, lo que aumenta la resistencia. Entonces: Se llama resistencia eléctrica a la oposición o dificultad que encuentra una corriente al recorrer un circuito eléctrico cerrado, y que permite frenar o atenuar el libre flujo de electrones. La unidad de resistencia es el ohmio (W o Ω): y ohmio es la resistencia que ofrece un conductor cuando por él circula un amperio (intensidad) y entre sus extremos hay una diferencia de potencial (tensión) de un voltio. Físicamente, cualquier dispositivo o material intercalado en un circuito eléctrico representa en sí una resistencia para la circulación de la corriente eléctrica, y dependiendo de las características de dicho dispositivo o material se puede aumentar o disminuir la resistencia a una corriente eléctrica. Por lo tanto, la resistencia eléctrica de un conductor depende de la naturaleza del material, de su longitud y de su sección, además de la temperatura. A mayor longitud, mayor resistencia. A mayor sección, menos resistencia. A mayor temperatura, mayor resistencia. Para calcular el valor de la resistencia que ofrece un material específico, con largo y grosor definidos, se aplica a fórmula 22
  • 23. Léase: Resistencia ( R ) es igual al producto de rho (ρ) por la longitud (L) del conductor dividido o partido por la sección o grosor (área) (S) del conductor. Donde ρ (rho) es una constante (conocida y que depende del material), llamada resistividad. L, es el largo o longitud (en metros) del cable o conductor, y S, es la sección o grosor (en mm2) del cable o conductor Para información, he aquí un cuadro con algunos valores para ρ (rho), según el tipo de material conductor: Material Aluminio Carbón Cobre Constatan Nicromo Plata Platino Plomo Tungsteno Resistividad (Ω • mm2 / m) a 20º C 0,028 40,0 0,0172 0,489 1,5 0,0159 0,111 0,205 0,0549 Ahora bien, para calcular valores de resistencia sabemos que la constante de resistividad (ρ) es conocida, por lo tanto debemos abocarnos a conocer (averiguar, descubrir o calcular) tanto el largo del conductor (L) como la sección (grosor, en mm2) del mismo, ya que como dijimos: A mayor longitud, mayor resistencia. A menor longitud, menor resistencia A mayor sección, menos resistencia. A menor sección, mayor resistencia Analizadas estas cuatro afirmaciones, tenemos que: El valor de una resistencia es directamente proporcional al largo del conductor e inversamente proporcional a la sección del mismo. 23
  • 24. Gráficamente, lo anterior sería: Conductor más largo, mayor resistencia Conductor más corto, menor resistencia Sección o área mayor (conductor más grueso) menor resistencia Sección o área menor (conductor más delgado), mayor resistencia Otro factor que influye en la mayor o menor resistencia de un material o conductor es la temperatura. Los materiales que se encuentran a mayor temperatura tienen mayor resistencia. Ver: Variación de la resistencia con la temperatura. Ejercicio Veamos ahora un ejemplo práctico para hallar la resistencia que ofrece al paso de la corriente eléctrica un conductor de cobre de 500 metros de longitud cuyo diámetro es 1,6 mm. En este caso queremos calcular la resistencia de un conductor bien definido (cobre), del que conocemos su resistividad (rho = 0,0172), sabemos su longitud en metros (500) y del que no sabemos su área o sección pero del que sí tenemos como dato su diámetro (1,6 mm). Para hallar el área o sección del conductor de cobre será necesario utilizar la siguiente fórmula: POTENCIA ELECTRICA En líneas generales la potencia eléctrica se define como la capacidad que tiene un aparato eléctrico para realizar un trabajo o la cantidad de trabajo que el mismo realiza en unidad de tiempo. Su unidad de medida es el watt (W). Sus múltiplos más empleados son el kilowatt (kW) y el megawatt (MW), mientras el submúltiplo corresponde al miliwatt (mW). 24
  • 25. Sin embargo, en los equipos que funcionan con corriente alterna y basados en el electromagnetismo, como los motores y los transformadores, por ejemplo, coexisten tres tipos diferentes de potencia: POTENCIA Potencia activa Potencia reactiva RESISTENCIAS Resistencia activa (R) Reactancia inductiva o inductancia (XL) Potencia aparente Reactancia capacitiva o capacitancia (XC) Nota: Es la potencia que se da en apariencia. Triángulo de potencias que forman la potencia activa, la potencia reactiva y la potencia aparente. El ángulo que se aprecia entre la potencia aparente y la activa se denomina coseno de "fi" o "factor de potencia" y lo crea la potencia reactiva. A mayor potencia reactiva, mayor será ese ángulo y menos eficiente será el equipo al que le corresponda. Potencia trifásica Siendo la intensidad de línea y la tensión de línea (no deben ser empleados para esta ecuación los valores de fase). Para reactiva y aparente: A.- Potencia activa. (KW) La denominada “potencia activa” representa en realidad la “potencia útil”, o sea, la energía que realmente se aprovecha cuando ponemos a funcionar un equipo eléctrico y realiza un trabajo. Por ejemplo, la energía que entrega el eje de un motor cuando pone en 25
  • 26. movimiento un mecanismo o maquinaria, la del calor que proporciona la resistencia de un calentador eléctrico, la luz que proporciona una lámpara, etc. Resistencia activa (R) Es la oposición que ofrecen las bombillas incandescentes y halógenas, los calentadores eléctricos con resistencia de alambre nicromo, las resistencias de carbón de los circuitos electrónicos, etc, al flujo de la corriente eléctrica por un circuito cerrado cualquiera. La resistencia activa representa lo que se denomina una “carga resistiva”. Secador eléctrico manual para el pelo. En su interior se.puede observar una resistencia activa (R) de alambre.nicromo, que hace función de elemento calefactor. Por otra parte, la “potencia activa” es realmente la “potencia contratada” en la empresa eléctrica y que nos llega a la casa, la fábrica, la oficina o cualquier otro lugar donde se necesite a través de la red de distribución de corriente alterna. La potencia consumida por todos los aparatos eléctricos que utilizamos normalmente, la registran los contadores o medidores de electricidad que instala dicha empresa para cobrar el total de la energía eléctrica consumida cada mes. B.- Potencia reactiva(KVAR) La potencia reactiva es la consumen los motores, transformadores y todos los dispositivos o aparatos eléctricos que poseen algún tipo de bobina o enrollado para crear un campo electromagnético. Esas bobinas o enrollados que forman parte del circuito eléctrico de esos aparatos o equipos constituyen cargas para el sistema eléctrico que consumen tanto potencia activa como potencia reactiva y de su eficiencia de trabajo depende el factor de potencia. Mientras más bajo sea el factor de potencia, mayor será la potencia reactiva consumida. Además, esta potencia reactiva no produce ningún trabajo útil y perjudica la transmisión de la energía a través de las líneas de distribución eléctrica. La unidad de medida de la potencia reactiva es el VAR y su múltiplo es el kVAR (kilovolt-amper-reactivo). Reactancia inductiva (XL) La reactancia inductiva es la oposición o resistencia que ofrecen al flujo de la corriente por un circuito eléctrico cerrado las bobinas o enrollados hechos con alambre de cobre, ampliamente utilizados en motores eléctricos, transformadores de tensión o voltaje y otros dispositivos. Esta reactancia representa una “carga inductiva” para el circuito de corriente alterna donde se encuentra conectada. 26
  • 27. Los motores de corriente alterna constituyen cargas inductivas cuando funcionan conectados a un circuito eléctrico. Reactancia capacitiva (XC) La reactancia capacitiva es la oposición o resistencia que ofrecen al flujo de la corriente eléctrica los capacitores o condensadores. Esta reactancia representa una “carga capacitiva” para el circuito de corriente alterna donde se encuentra conectada. En la foto de la derecha podemos ver varios capacitores (o condensadores) y filtros conectados en la placa de un circuito electrónico en función de cargas capacitivas C.- Potencia aparente (KVA) La potencia aparente o potencia total es la suma de la potencia activa y laaparente. Estas dos potencias representan la potencia que se toma de la red de distribución eléctrica, que es igual a toda la potencia que entregan los generadores en las plantas eléctricas. Estas potencias se transmiten a través de las líneas o cables de distribución para hacerla llegar hasta los consumidores, es decir, hasta los hogares, fábricas, industrias, etc. Potencia contratada y potencia demandada (máxima demanda) Ya vimos que la “potencia contratada” (la que contratamos en la empresa eléctrica), es la potencia activa, que debe coincidir o ser superior a la suma total de toda la carga en kilowatt (kW) instalada en una casa, fábrica, industria, empresa, etc. Ahora bien, la “potencia demandada” es la que realmente se consume, que puede ser menor, igual o mayor que la contratada. La foto de la derecha muestra un metro contador analógico, que instala la< empresa eléctrica cuando contratamos el servicio eléctrico y que podemos< encontrar todavía en muchos hogares para medir elconsumo o gasto de< corriente en kilowatt-hora en que incurrimos. En laactualidad la mayoría de< los nuevos metros contadores son electrónicos y el consumo lo muestran<en unapantalla digital o display. Normalmente cuando la demanda o energía que consumimos durante un mes supera a la energía que hemos contratado previamente en la empresa eléctrica, éstas penalizan al usuario con una multa o un cobro superior al costo de los kilowatt que se estipulan en el contrato. Por tanto, la potencia demandada no debe superar nunca a la potencia contratada. 27
  • 28. Potencia Instalada es la potencia que se consumiría si todos los equipos de iluminación aparatos están funcionando simultáneamente es una potencia idealizada, la cual se multiplica por el factor de simultaniedad. Detalle triángulo de potencias.El bueno: Potencia Capacitiva El Feo: Potencia Aparente El Malo: Potencia Reactiva Potencia activa, efectiva o real (P): es la que en el proceso de transformación de la energía eléctrica se aprovecha como trabajo (KW) Potencia reactiva (Q): es la encargada de generar el campo magnético que requieren para su funcionamiento los equipos inductivos como los motores,transformadores, etc. (KVAR). Potencia aparente (S): Se da en (KVA). El llamado triángulo de potencias es la mejor forma de ver y comprender de forma gráfica qué es el factor de potencia o coseno de “fi” (Cos ) y su estrecha relación con los restantes tipos de potencia presentes en un circuito eléctrico de corriente alterna. El valor ideal del factor de potencia es 1, esto indica que toda la energía consumida por los aparatos ha sido transformada en trabajo. Por el contrario, un factor de potencia menor a la unidad significa un mayor consumo de energía necesaria para producir un trabajo útil. Si el Factor de Potencia se encuentra fuera del rango de tolerancia, su factura sufre un recargo en el consumo de energía. Un bajo Factor de Potencia muestra que la energía está siendo mal aprovechada por su empresa. Además, sus instalaciones corren varios riesgos: Variaciones de tensión, que pueden ocasionar motores quemados. Pérdidas de energía dentro de su instalación. Reducción del aprovechamiento de la capacidad de los transformadores. Sobrecalentamiento de los conductores. 28
  • 29. La solución para evitar este desperdicio de dinero, de energía y riesgos eventuales, es la corrección del Factor de Potencia mediante la instalación de equipos correctores donde sea necesario. Corriente Continua.- Corriente alterna monofásica.- Potencia trifásica Siendo la intensidad de línea y la tensión de línea (no deben ser empleados para esta ecuación los valores de fase). Para reactiva y aparente: 5.- CÁLCULOS: Intensidad para iluminación interior, tomacorrientes y demás equipos. I M.D. K x V x cos φ x f.S. Donde: I : Corriente a transmitir por el conductor alimentador en AMPERIOS. M.D. total : Máxima Demanda Total hallada en WATTS. 29
  • 30. V K Cos f.S : : : : Tensión de servicio en VOLTIOS (220 monofásico y 380 trifásico). Factor que depende si el suministro es monofásico o trifásico así: Para monofásico: K = 1 Para trifásico: K = 3 Factor de potencia estimado (cos = 0.9) Factor de seguridad ( 8 a 25 % según el caso) Cálculo de Caída de Tensión( V) La fórmula para la caída de tensión es mediante la siguiente fórmula: V=KxIx δxL S Donde: V K = = Caída de tensión en VOLTIOS. Constante que depende del sistema así. K = 1 (para circuito monofásico) I = = S = k = 3 (para circuitos trifásicos). Resistencia en el conductor en Ohm-mm2/m. para el Cobre = 0.0175 Ohmmm2/m Sección del conductor alimentador hallada anteriormente. 30