UNIVERSIDAD DE CANTABRIA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ENERGÉTICA AISLANTES Y CONDUCTORES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS Mguel Angel Rodríguez Pozueta
AISLANTES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS MATERIALES AISLANTES Aslante eléctrco o deléctrco es aquel materal que tene una conductvdad eléctrca tan baa que se puede desprecar la corrente que pasa por él. Esta pequeñísma corrente que pasa a través de un aslante se denomna corrente de fuga. El vacío es el únco aslante perfecto ya que tene conductanca nula y por él no crculan correntes de fuga. Los demás materales aslantes son deléctrcos mperfectos, con conductanca no nula pero tan pequeña que sus correntes de fuga son desprecables. Los aslantes se utlzan en las máqunas eléctrcas para asegurar el aslamento eléctrco entre los conductores y entre éstos y las pezas metálcas y la carcasa. Estos materales suelen ser la parte más delcada de una máquna eléctrca debdo a su sensbldad a las solctacones térmcas, mecáncas y deléctrcas. A la hora de elegr un aslante para una aplcacón dada hay que consderar un conunto de propedades que debe cumplr y que se pueden clasfcar en: Propedades eléctrcas Propedades mecáncas Propedades físco-químcas Evdentemente, las propedades eléctrcas son las más mportantes, pero no hay que olvdar las demás. De las propedades no eléctrcas, una de las más mportantes es la máxma temperatura que puede soportar un aslante sn que sus propedades eléctrcas se vean afectadas. RESISTENCIA DE AISLAMIENTO La resstenca de aslamento de un deléctrco es la resstenca que opone al paso de la corrente eléctrca, medda en la dreccón en que se tene que asegurar el aslamento. La corrente de fuga de un aslante sgue dos camnos: uno sobre la superfce y otro a través del nteror del materal. La resstenca de aslamento que presenta el materal se debe al efecto de estos dos camnos en paralelo. La resstvdad de aslamento superfcal se mde en MΩ y es debda a la resstenca que ofrece la superfce del materal al paso de la corrente cuando se aplca tensón entre dos puntos de dcha superfce (Fg. a). Evdentemente esta magntud está muy afectada por el estado de lmpeza de la superfce. La sucedad (grasa, polvo, etc.) depostada sobre la superfce de un deléctrco reduce la resstvdad de aslamento superfcal. Por esta razón, las pezas aslantes hay que construrlas lsas y puldas. Según la norma UNE 2303 la resstvdad superfcal es gual a la resstenca superfcal que presenta una superfce cuadrada y es ndependente del tamaño de este cuadrado. Para obtener esta resstvdad se utlza el montae de la Fg. a donde se mde la resstenca entre los electrodos (por eemplo, usando una fuente de tensón contnua, mdendo la corrente que aparece y aplcando la ley de Ohm) y la resstvdad se calcula multplcando esta resstenca por el perímetro de un electrodo y dvdéndola por la dstanca entre los electrodos. M.A.R. Pozueta --
La resstvdad de aslamento transversal o volumétrca se mde en MΩcm 2 /cm y es debda a la resstenca que ofrece el deléctrco a ser atravesado por una corrente cuando se aplca tensón entre dos de sus caras (Fg. b). Esta magntud no tene un valor constante para un msmo materal, ya que le afectan la temperatura, la humedad, el espesor de la peza, el enveecmento del materal, etc. Es obvo que se debe procurar que la resstenca de aslamento de un materal aslante sea lo más alta posble. RIGIDEZ DIELÉCTRICA (a) (b) Fg. : Resstenca de aslamento superfcal (a) y transversal (b). (: Materal aslante; 2: Electrodo) Cuando se aplca tensón eléctrca moderada entre dos caras de un aslante el campo eléctrco que aparece produce una pequeña corrente de fuga debdo a los pocos electrones lbres que tene el materal. Además, los átomos se ven sometdos fuerzas que afectan a las órbtas de sus electrones lgados. S la tensón y, por lo tanto, la ntensdad del campo eléctrco, aumentan y superan certo límte los electrones empezan a abandonar sus átomos y algunos de ellos chocan con otros átomos provocando un aumento de temperatura y la separacón de nuevos electrones. Se produce así un efecto acumulatvo denomnado descarga que provoca la pérdda permanente (perforacón del aslante) o temporal (descargas parcales) de las cualdades aslantes del materal. Se denomna rgdez deléctrca de un aslante a la ntensdad del campo eléctrco máxma que puede soportar el aslante sn que se produzca su perforacón. Es decr, cuando la ntensdad del campo eléctrco en el nteror del materal aslante supera a su rgdez deléctrca, este dea de ser aslante y se converte en conductor. Esta magntud se determna expermentalmente medante ensayos normalzados en los que se aplca una tensón entre dos electrodos colocados en caras opuestas de una muestra del aslante (como en la Fg. b). La tensón se va aumentando gradualmente hasta provocar la perforacón del aslante. La rgdez deléctrca se expresa como cocente entre la tensón de perforacón del materal y el espesor de la peza aslante y se mde en kv/mm. En el caso de que la tensón M.A.R. Pozueta -2-
que se aplca al aslante sea alterna hay que especfcar s se utlza su valor efcaz o el de cresta (valor máxmo). Usualmente se utlza el valor de cresta. El valor de la rgdez deléctrca depende de las condcones en las que se realza el ensayo del materal: dmensones y forma de los electrodos, espesor del aslante, duracón de la aplcacón del voltae, frecuenca, forma de la onda de tensón, condcones ambentales, etc. Tambén exste la rgdez deléctrca superfcal cuando la tensón se aplca entre dos puntos de la superfce del aslante. En este caso la rgdez deléctrca es el cocente entre la tensón de perforacón y la dstanca entre los electrodos (que se colocan de una manera smlar a la ndcada en la Fg. a). La rgdez deléctrca superfcal tambén se mde en kv/mm, pero ahora, s la tensón es alterna, se utlza su valor efcaz. Los materales aslantes sumergdos en acete tenen meor rgdez deléctrca que los que se encuentran al are. CONSTANTE DIELÉCTRICA Se puede defnr la constante deléctrca o permtvdad relatva de un aslante como el cocente de la capacdad de un condensador que tuvera como deléctrco a este materal entre la capacdad que tendría el msmo condensador s utlzara el vacío como deléctrco. Así s se tene un condensador plano cuyas placas tenen una seccón S, están separadas una dstanca y usa el vacío como deléctrco, su capacdad C0 vene dada por C0 0 S () En esta expresón 0 es la permtvdad absoluta del vacío. S este msmo condensador utlza como deléctrco un materal de constante deléctrca, su capacdad pasa a valer C, la cual vene dada por C 0 S (2) Luego, la constante deléctrca se obtene medante este cocente C (3) C 0 Consdérese ahora un condensador plano de seccón S que tene como deléctrco varas capas planas de dferentes materales aslantes (Fg. 2) con espesores, 2,, sendo la separacón entre las placas del condensador: 2 + + L (4) La tensón total aplcada entre las placas del condensador es V y da lugar a las caídas de tensón V entre las dos caras del materal aslante, V2 entre las caras del materal aslante 2, V V + V + L (5) 2 M.A.R. Pozueta -3-
Fg. 2: Condensador plano cuyo deléctrco son varas capas paralelas de materal aslante. La ntensdad del campo eléctrco E en el nteror del aslante vale E V (6) y E m es la ntensdad del campo eléctrco meda en el condensador: E V m (7) Este condensador se lo puede suponer equvalente a colocar en sere varos condensadores parcales de la msma seccón S, cuyas placas tuveran respectvamente una separacón, 2, y cuyos deléctrcos tuveran respectvamente las constantes deléctrcas, 2, Las tensones entre las placas de cada uno de estos condensadores parcales serían, respectvamente, V, V2, y la capacdad C de uno de estos condensadores parcales vene dada por esta expresón C S (8) 0 Al tratarse de varos condensadores en sere, la capacdad C del conunto se puede obtener de (9) C C S 0 En sere todos los condensadores están recorrdos por la msma corrente, por lo cual tenen la msma carga Q. Luego: Q V C V C V V C C C C 0 0 S S V E (0) E V m En el caso de que el condensador sólo tuvera dos capas de materal aslante (materales y 2), la expresón (0) aplcada al materal se converte en: M.A.R. Pozueta -4-
E E m + 2 2 () 2 + 2 que S sucede que el espesor del materal es mucho más pequeño que el del materal 2, se puede deducr 2 2 << 2 0 y E Em E 2 Em (2) En resumen, en un condensador plano cuyo deléctrco esté formado por dos capas de materal aslante (materales y 2), tales que el espesor del materal es bastante nferor al espesor 2 del materal 2, la expresón (2) permte obtener el campo eléctrco E en el nteror del materal aslante en funcón del campo eléctrco medo del condensador. De dcha expresón (2) se puede deducr que s la constante deléctrca 2 del materal 2 es mayor comparada con la constante deléctrca del materal sucede que (3) 2 > E > Em Por lo tanto, el aslante tene un campo eléctrco superor al medo, por lo que probablemente sea el que se encuentre más cerca de alcanzar su rgdez deléctrca y se pueda perforar. Aunque los párrafos anterores se han referdo a un condensador plano con dos capas de materal aslante, se puede generalzar y decr que en cualquer tpo de aslamento formado por varas capas de materal aslante sucede lo sguente: El materal aslante más solctado es el de menor constante deléctrca, lo cual hace que, s no tene una rgdez deléctrca aprecablemente más alta que la de los demás, este materal sea el que tenga más probabldad de llegar a perforarse prmero. Esto da lugar a la paradoa de que aumentando el espesor del meor aslante, pensando así aumentar la rgdez deléctrca del conunto, lo que se logra es provocar la perforacón del otro. En este caso toda la tensón queda aplcada al prmer aslante, que tambén puede acabar perforado. La meor dsposcón de aslantes en sere se consgue cuando se utlzan materales que tenen gual valor del producto de su constante deléctrca por su rgdez deléctrca. De lo anteror se deduce lo pelgrosas que resultan las burbuas de are que puedan quedar en el nteror de un aslante. La ntensdad del campo eléctrco en el nteror de estas burbuas es muy alto (ver las relacones (2) y (3)), lo que puede provocar descargas en ellas que pueden ser el nco de un fallo generalzado de todo el aslamento. En consecuenca es necesaro elmnar el are nteror de los aslantes, rellenando con barnz todos los posbles huecos, para lo cual se utlzan dstntos procedmentos de mpregnacón. Tambén es precso elmnar toda la humedad que puedan contener las bobnas, para lo cual estas se calentan antes de la mpregnacón durante el tempo necesaro para que la evaporacón del agua sea lo más completa posble. M.A.R. Pozueta -5-
La mpregnacón de los devanados se puede realzar por goteo, empleando un barnz elegdo especalmente para este fn. Otro procedmento es el de nmersón de la peza en un barnz hasta que ya no aparezcan burbuas de are en la superfce del msmo. Este es el procedmento que se suele emplear en máqunas pequeñas y medanas de baa tensón. Para máqunas de tensones más altas (200 a 5000 V) es convenente utlzar el método de mpregnacón en autoclave hacendo prmero vacío y luego nmersón en el barnz bao presón. La vscosdad del barnz debe ser la apropada para consegur la máxma penetracón. Después de la mpregnacón se efectúa un proceso de secado para elmnar el exceso de barnz y parte de los solventes. Según las característcas del barnz utlzado el secado puede realzarse de dos formas:. Secado al are en un ambente ben ventlado y lbre de polvo. 2. Secado al horno para mpedr que una parte de los solventes quede atrapada en la película del barnz y ataque el esmaltado del conductor. En las máqunas que superan los 5 kv y en transformadores de alta tensón se utlza un aslante semconductor, que tene por fnaldad proteger las bobnas contra los daños que producen los efluvos y las descargas parcales. PÉRDIDAS EN LOS AISLANTES Fg. 3: Hstéress deléctrca Cuando un aslante está sometdo a una tensón eléctrca aparece una corrente de fuga que da lugar a unas pequeñas pérddas de potenca por efecto Joule. Esto sucede tanto cuando la tensón es contnua como cuando es alterna. Cuando la tensón a la que se somete el aslante es alterna o, al menos, varable en el tempo, aparece el fenómeno de la hstéress deléctrca (Fg. 3). Este fenómeno guarda certa analogía con la conocda hstéress magnétca y es debdo a la nerca con que el desplazamento o densdad de carga D sgue las varacones de la ntensdad del campo eléctrco E. Las pérddas por hstéress deléctrca son mayores que las debdas al efecto Joule de las correntes de fuga y son las úncas que se tenen en cuenta cuando un aslante se encuentra sometdo a una tensón alterna. M.A.R. Pozueta -6-
Cuando se tenen dos conductores separados por un deléctrco y conectados a una tensón alterna, el conunto se comporta como un condensador y a través de él debería crcular una corrente puramente capactva; es decr, adelantada 90º con respecto a la tensón. El hecho de que exstan pérddas deléctrcas exge que se deba consumr algo de potenca actva de la fuente de tensón, lo que provoca que el desfase ϕ entre la tensón y la corrente sea lgeramente nferor a 90º (Fg. 4). De esta manera el factor de potenca cos ϕ no es nulo. Fg. 4: Ángulo de pérddas de un aslante El ángulo δ, complementaro del ángulo ϕ (Fg. 4), se denomna ángulo de pérddas. Es frecuente que se ndque el valor de la tangente de este ángulo (tg δ) entre los datos de un aslante. Dado el pequeño valor del ángulo δ (normalmente nferor a º) sucede que su tangente trgonométrca es gual al factor de potenca cos ϕ del materal aslante: δ << cos ϕ sen δ tg δ δ (4) Puesto que la energía almacenada en un aslante depende de su constante deléctrca, sus pérddas deléctrcas son proporconales al producto tg δ, el cual se denomna factor de pérddas deléctrcas. Las pérddas deléctrcas normalmente no se computan cuando se estudan las pérddas de una máquna eléctrca debdo a su pequeño valor frente a las demás pérddas: en el herro, en el cobre, mecáncas, Sn embargo, el estudo del valor de tg δ y de su varacón con el tempo permte conocer en qué estado se encuentra el aslamento de una máquna y su grado de enveecmento. Fg. 5: Crcuto equvalente de dos conductores, A y B, separados por un aslante. Un par de conductores, A y B, sometdos a una tensón eléctrca y separados por un aslante se pueden representar por el crcuto equvalente de la Fg. 5. En este crcuto, C es la capacdad del conunto, R asl es la resstenca de aslamento del aslante y la resstenca R perd permte nclur el efecto de las pérddas deléctrcas en este crcuto equvalente. M.A.R. Pozueta -7-
Las pérddas deléctrcas calentan el materal y aumentan su temperatura. Esto aumenta el fenómeno perudcal de la descarga y la perforacón subsguente. Se puede demostrar que exste para cada materal aslante un voltae crítco que puede aguantar. Por encma de este voltae se produce la perforacón del materal, sea cual sea su espesor. CLASE TÉRMICA DE LOS SISTEMAS DE AISLAMIENTO Según la norma UNE-EN 60085 un sstema de aslamento eléctrco es una estructura aslante que contene uno o más materales aslantes eléctrcos unto con partes conductoras asocadas y que se utlza en un dspostvo electrotécnco. En cas todas las máqunas eléctrcas la potenca que pueden sumnstrar está lmtada por la temperatura que alcanzan. Cuanto mayor es la potenca que sumnstra una máquna, mayores serán sus pérddas y, en consecuenca, el calor que se genera en ella. Este calor aumenta su temperatura y llega un momento en que esta temperatura es pelgrosa para la ntegrdad de la máquna. Normalmente los materales aslantes son los elementos más sensbles a la temperatura y, por consguente, los que lmtan la potenca que puede proporconar una máquna dada. A medda que pasa el tempo un materal aslante va enveecendo y el sstema de aslamento eléctrco va perdendo sus cualdades deléctrcas, lo cual se ve agravado s resulta sometdo a temperaturas elevadas. Es decr, los materales aslantes y los sstemas de aslamento eléctrco tenen una vda que, de forma orentatva, se puede establecer en 40 años en las máqunas grandes, 30 años en las medanas y 20 años en las pequeñas. Se han estudado y analzado los materales aslantes utlzados en las máqunas eléctrcas para averguar cuál es la máxma temperatura que pueden soportar sn pelgro de acortar su vda. Esta temperatura máxma se denomna enduranca térmca (véanse las normas UNE-EN 624 y 60085). CLASE TÉRMICA (ºC) Tabla I: Clase térmca de los sstemas de aslamento eléctrco según las normas UNE-EN 624, 60085 y 60034-. ANTIGUA DESIGNACIÓN TEMPERATURA MÁXIMA (ºC) CALENTAMIENTO MÁXIMO (*) (ºC) 90 Y 90 50 05 A 05 65 20 E 20 80 30 B 30 90 55 F 55 5 80 H 80 40 200 N 200 60 220 R 220 80 250-250 20 (*) Esta columna ndca el calentamento máxmo en el supuesto que el fludo refrgerante sea are ambente a una alttud nferor a 000 metros sobre el nvel del mar M.A.R. Pozueta -8-
La clase térmca (UNE-EN 624, 60085 y 60034-) de un sstema de aslamento se desgna medante el valor numérco de la temperatura de utlzacón contnua máxma recomendada medda en grados centígrados. Antguamente algunas de estas clases térmcas se desgnaban medante una letra. En la tabla I se recogen las desgnacones de las clases térmcas. La clase térmca de un sstema de aslamento eléctrco puede no estar drectamente relaconada con la enduranca térmca de uno de los materales aslantes ncludos en él. Es la combnacón de todos los elementos que consttuyen el sstema de aslamento lo que da lugar a su clase térmca. En la tercera columna de la tabla I se ndca la temperatura máxma a la que se puede someter un sstema de aslamento según su clase térmca para que su vda no se vea reducda. En la cuarta columna de esta tabla se señala el calentamento máxmo a que se lo puede someter s el fludo refrgerante es el are ambente. Se denomna calentamento a la dferenca entre la temperatura del sstema de aslamento y la del fludo de refrgeracón. La norma UNE 600034- establece que en España, para alttudes por debao de 000 m sobre el nvel del mar, se debe consderar que la temperatura del are ambente es 40ºC. Por lo tanto, la columna 4 de la tabla I -que muestra el calentamento máxmo admsble cuando el fludo refrgerante es el are ambente- se obtene restando 40ºC a los valores de la columna 3. Normalmente la temperatura de los bobnados se mde medante procedmentos que proporconan el valor medo de dcha magntud, pudendo haber puntos calentes de la máquna donde la temperatura tene un valor superor al medo. Por lo tanto, la norma UNE-EN 600034- establece que debe haber un margen de segurdad por debao de 5 a 5ºC -o ncluso mayor- según los casos, entre la temperatura que se mde por estos procedmentos y la temperatura límte ndcada en la tabla I. Los materales aslantes cuya enduranca térmca es más baa son aquellos con mayor proporcón de componentes orgáncos. Por el contraro, los aslantes que aguantan temperaturas más elevadas están formados en mayor medda por substancas norgáncas. A contnuacón se ctan algunos eemplos de los aslantes cuya enduranca térmca se corresponde con las clases térmcas de los sstemas de aslamento recogdas en la tabla I: 90ºC: Algodón, seda, papel sn mpregnacón. 05 ºC: Algodón, seda, papel mpregnados o sumergdos en acete. 20ºC: Fbras orgáncas sntétcas. Por eemplo: esmaltes de acetato de polvnlo, barnces de resnas alquídcas, 30ºC: Materales a base de poléster y polmdos aglutnados medante materales orgáncos. Por eemplo, los esmaltes de resnas de poluretano. 55ºC: Materales a base de fbra de mca, amanto y fbra de vdro aglutnados medante materales orgáncos. Por eemplo, la fbra de vdro tratada con resnas de poléster. 80ºC: Materales a base de mca, amanto y fbra de vdro aglutnados con slconas de alta establdad térmca. Por eemplo, el papel de mca aglomerado con slconas. 200ºC: Materales a base de mca, vdro, cerámca, capaces de soportar hasta 200ºC. 220ºC: Materales a base de mca, vdro, cerámca, polmdas tpo Kapton, capaces de soportar hasta 220ºC. 250ºC: Materales a base de mca, vdro, cerámca, polmdas tpo Kapton, capaces de soportar hasta 250ºC. M.A.R. Pozueta -9-
CONDUCTORES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS CONDUCTORES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS MATERIALES CONDUCTORES Los materales conductores se caracterzan por su elevada conductvdad que los permte conducr las correntes eléctrcas. La resstenca eléctrca R de un conductor se puede calcular medante la expresón sguente R l ρ (5) S En la expresón (5), l es la longtud del conductor, que usualmente se mde en metros (m) S es la seccón del conductor, que se suele medr en mm 2 ρ es la resstvdad del materal, que se suele ndcar en Ω mm 2 /m R es la resstenca, la cual se mde en Ohms (Ω). A veces se utlza la magntud nversa a la resstenca que se llama conductanca, G; cuya undad de medda es el Semens (S), tambén denomnado Mho (Ω - ): G (6) R La conductvdad σ es la nversa de la resstvdad y se mde en S m/mm 2 : σ ρ (7) Tabla II: Conductvdad a 20ºC de varos materales conductores MATERIAL CONDUCTIVIDAD σ A 20ºC (S m/mm 2 ) Cobre patrón 58 Cobre electrolítco recocdo 57 Cobre electrolítco comercal 56 Cobre electrolítco duro 56 Alumno recocdo 36 Alumno duro 35,4 Alumno nyectado para rotores 33 M.A.R. Pozueta -0-
CONDUCTORES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS En las máqunas eléctrcas se utlzan báscamente dos materales conductores, que son el cobre y el alumno. Para que la conductvdad de estos materales se mantenga alta deben ser de gran pureza. Los procesos de lamnacón y estrado dsmnuyen su conductvdad, por lo que deben ser sometdos segudamente a un proceso de recocdo. En la tabla II se ndcan los valores característcos de conductvdad a 20ºC para varos materales. EFECTO DE LA TEMPERATURA Al aumentar la temperatura la resstvdad del cobre y del alumno, como la de cas todos los metales, aumenta lnealmente. Por otra parte, el aumento de la temperatura tambén produce dlatacones que afectan a la longtud l y a la seccón S del conductor. De todo lo anteror se puede deducr que la resstenca de un conductor aumenta lnealmente con la temperatura. Por consguente, la resstenca Rθ de un conductor a la temperatura θ' se puede relaconar con la resstenca Rθ del msmo conductor a la temperatura θ, medante esta ley: θ [ + α ( θ' θ) ] R ' (8) Rθ θ El coefcente αθ se denomna coefcente aparente de temperatura y su valor no es constante, sno que depende de la temperatura θ a la que se refere la resstenca Rθ. Para 20ºC este coefcente vale aproxmadamente 0,0040 ºC -, tanto para el cobre como para el alumno. S se parte de una temperatura ncal de 0ºC (θ 0ºC) y se enfría el materal hasta que su resstenca se anule (Rθ 0), se observa que la temperatura T 0 (θ -T 0 ) en que la resstenca se anula vale: [ + α (( T ) 0) ] R [ ] 0 R α 0 0 0 0 0 T0 T 0 (9) α 0 Luego, comparando la resstenca del conductor a dos temperaturas dferentes θ' y θ" se obtene que R R θ' θ" R R 0 0 [ + α0 θ' ] + α0 θ' α0 [ + α0 θ" ] + α0 θ" + θ" α 0 + θ' En resumen, se tene tambén esta otra expresón para relaconar la resstenca de un conductor a dos temperaturas dferentes, θ' y θ": Rθ ' T0 + θ' (20) R T + θ" θ" 0 M.A.R. Pozueta --
CONDUCTORES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS Para el cobre el valor de la constante T 0 es 235ºC. Para el alumno esta constante vale 225ºC (según la norma UNE-EN 60034-). EFECTO PELICULAR Cuando por un conductor crcula una corrente contnua, esta corrente se reparte de forma unforme por toda la seccón S de dcho conductor (Fg. 6a). Sn embargo, cuando la corrente es alterna, esta genera campos magnétcos alternos que, a su vez, nducen f.e.m.s sobre el propo conductor. Esto hace que la corrente ya no se reparta de forma unforme por toda la seccón S, sno que se tenda a concentrar en la parte externa (Fg. 6b). Este es el efecto pelcular, tambén llamado efecto pel, efecto Kelvn o efecto skn. Fg. 6: Efecto pelcular en un conductor El efecto pelcular hace que en alterna la seccón efectva por la que realmente crcula la corrente sea nferor a S, lo que conlleva que la resstenca que presenta el conductor en corrente alterna sea superor que la que tene en corrente contnua. Exsten fórmulas que permten calcular un coefcente que relacona las resstencas en alterna y en contnua de un conductor eléctrco. Este coefcente depende de la forma y las dmensones del conductor, del materal y de la frecuenca. La reduccón de la resstenca debda al efecto pelcular se manfesta de forma más acusada cuanto mayor es la seccón S del conductor. Sn embargo, para seccones pequeñas este efecto apenas se manfesta. Por esta razón, cuando se necestan conductores de gran seccón para conducr correntes elevadas, se emplean un conunto de conductores elementales de pequeña seccón, aslados entre sí y conectados en paralelo. A efectos del bobnado este conunto de conductores elementales en paralelo se lo consdera como un únco conductor. Un eemplo de esto es la barra Roebel. Cada conductor elemental de una barra Roebel tene la forma ndcada en la Fg. 7c. Prmero se forman dos sembarras (Fgs. 7e y 7f) que se unen para formar la barra completa (Fg. 7g). Los conductores elementales se van transponendo a lo largo de la barra de forma que todos y cada uno de ellos ocupen todas las poscones posbles en la barra (Fgs. 7a y 7b). Así todos los conductores elementales se comportan gual y tenen el msmo fluo de dspersón. M.A.R. Pozueta -2-
CONDUCTORES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS a) b) c) d) e) f) g) Fg. 7: Barra Roebel a) y b) Los conductores elementales se van trasponendo de forma que ocupan todas las poscones posbles en la ranura. c) Conductor elemental de una barra Roebel. e) Sembarra Roebel (, 2, 3, 4, 5: Conductores elementales) f) Sembarra Roebel (, 2,3,4, 5 : Conductores elementales) g) Barra Roebel completa. (Fuente: Wkpeda:http://de.wkpeda.org. Obtenda de la patente presentada en 92) M.A.R. Pozueta -3-
CONDUCTORES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS PÉRDIDAS EN LOS CONDUCTORES La crculacón de una corrente, de valor efcaz I, a través de un conductor, de resstenca R, provoca la aparcón en él de unas pérddas por efecto Joule, las cuáles venen dadas por la conocda expresón: P Cu 2 R I (2) Las pérddas específcas por undad de peso del materal se obtenen así: P p Cu Cu G (22) En la expresón anteror G es el peso del conductor. El peso G del materal se puede obtener a partr de su peso específco γ y de su volumen, que es gual al producto de su longtud por su seccón ( l S): G γ ( l S) 000 (23) En la expresón anteror el factor /000 aparece porque se supone que l se mde en m, S en mm 2 y γ en kg/dm 3. El peso G, entonces, queda expresado en kg. El valor efcaz I de la corrente se puede obtener de la densdad de corrente por undad de superfce J: I J S (23) en mm 2. En esta fórmula, la corrente I se mde en A, la densdad de corrente J en A/mm 2 y la seccón S Tenendo en cuenta las relacones (5), (22), (23) y (24) se deduce que las pérddas específcas (expresadas en W/kg) se pueden calcular medante esta fórmula: p Cu γ 000 ( l S) ρ l S ρ 2 2 ( J S) 000 J γ (24) Como se acaba de demostrar las pérddas específcas en un conductor venen dadas por p Cu ρ 2 000 J (25) γ donde: p Cu son las pérddas específcas meddas en W/kg ρ es la resstvdad del conductor en Ω mm 2 /m γ es el peso específco del conductor en kg/dm 3 J es la densdad de corrente, medda en A/mm 2 M.A.R. Pozueta -4-
CONDUCTORES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS Luego, las pérddas en un conductor valen P Cu ρ 2 pcu G 000 J G (26) γ En esta expresón el peso G se debe ndcar en kg. En consecuenca, se deduce que, para un materal conductor dado (donde el cocente ρ/γ es una constante), las pérddas por efecto Joule son proporconales al peso G del conductor y al cuadrado de la densdad de corrente J. ESCOBILLAS Medante colectores es posble conectar al exteror el crcuto eléctrco del rotor de una máquna. Exsten dos tpos de colectores: de delgas y de anllos. En ambos casos la corrente crcula a través de unas escobllas de grafto colocadas en el estator que rozan sobre el colector que gra con el rotor. Las escobllas se clasfcan en dos grandes grupos: Metálcas: compuestas por una mezcla de cobre y carbón. De carbón: compuestas solamente de carbón, sn agregados metálcos. El contacto de una escoblla con el colector presenta una resstenca que no es constante sno que depende de la densdad de corrente. Smplfcando, se puede aceptar que, en cuanto la densdad de corrente empeza a tener un certo valor, la caída de tensón entre una escoblla y el colector es práctcamente constante. Por otra parte, en corrente contnua no se comporta gual la escoblla postva que la negatva, habendo dferentes caídas de tensón en ambas. Esta es la causa de que se trabae con la caída de tensón por par de escobllas o por par de carbones 2u e. El sgno de esta caída de tensón depende del sentdo de la corrente (es sempre una caída de tensón; es decr, del msmo sgno que la dferenca de potencal que aparecería en una resstenca recorrda por la msma corrente que pasa por las escobllas). El valor de 2u e oscla entre 0,5 y 3 V. Los valores más usuales son los sguentes: En colectores de delgas: 2u e 2 V En colectores de anllos: 2u e V Por lo tanto, en una máquna de corrente contnua y, en general, en las máqunas con colector de delgas, con una ntensdad de nducdo I (que se reparte entre todos los pares de escobllas del colector) aparecen unas pérddas en el colector que se obtenen así: Pcol 2ue I (27) Esta msma expresón se puede aplcar para calcular la potenca perdda en el colector de dos anllos de una máquna síncrona. M.A.R. Pozueta -5-
CONDUCTORES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS En el colector de tres anllos de un motor asíncrono trfásco, por cuyo rotor crculan unas correntes de valor efcaz I, las pérddas en el colector valen P 3 ( 2ue I),5 ( 2ue I) (28) 2 col BIBLIOGRAFÍA [] Corrales Martín, Juan. Cálculo ndustral de máqunas eléctrcas. Tomo I. Marcombo. Barcelona. 982. [2] Frale Mora, Jesús. Máqunas eléctrcas. McGraw-Hll/Interamercana de España. Madrd. 2008. [3] N. L. Sacch, Jorge; Rfald, Alfredo. Cálculo y dseño de máqunas eléctrcas. Cátedra de sstemas de potenca. Facultad de ngenería. Unversdad de la Plata (Argentna). (ver el sto Web: http://davnc.ng.unlp.edu.ar/sspot/-_lyp_- _Intro.html). [4] Ramírez Vázquez, José. Materales electrotécncos. Coleccón Encclopeda CEAC de la Electrcdad. Edtoral CEAC. Barcelona. 986. [5] Serrano Irbarnegaray, Lus. Fundamentos de máqunas eléctrcas rotatvas. Marcombo. Barcelona. 989. [6] AENOR. Norma UNE-EN 624: Sstemas de aslamento eléctrco (SAE). Clasfcacón térmca. Dcembre 2002. [7] AENOR. Norma UNE-EN 60034-: Máqunas eléctrcas rotatvas. Parte : Característcas asgnadas y característcas de funconamento. Marzo 2005. [8] AENOR. Norma UNE-EN 60085: Aslamento eléctrco. Evaluacón y desgnacón térmca. Juno 2008. [9] WIKIPEDIA (versón alemana). http://de.wkpeda.org/. [0] AENOR. Norma UNE-2303: Métodos para la medda de la resstvdad transversal y superfcal de los materales aslantes eléctrcos sóldos. Julo 983. M.A.R. Pozueta -6-