Download - Aislantes y Conductores
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que pobtenlos elaparepor el
. Pozueta
LANTES
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unto de prop
Pro Pro Pro
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AISLANTES
S UTILIZ
S AISLANT
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de elegir upiedades qu
opiedades elopiedades mopiedades fís
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A DE AISL
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s aislantes h
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S UTILIZAD
ZADOS
TES
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aislante pea. Los demáero tan pequ
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léctricas mecánicas
sico-químic
opiedades eopiedades nrtar un aislan
AMIENTO
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de un aislanterial. La recaminos en
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DOS EN LAS
-1-
EN LAS
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O
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MÁQUINAS
S MÁQU
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S ELÉCTRIC
UINAS E
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M y es debcuando se aa magnitud , polvo, etclamiento sus.
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CAS
ELÉCTR
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que consid
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e opone al pr el aislamie
la superficiesenta el mat
bida a la resiaplica tensió
está muy a.) depositad
uperficial. P
sistencia supeste cuadradla resistenc
ndo la corriendo esta res
ectrodos.
RICAS
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istencia ón entre afectada da sobre Por esta
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M.A.R
debidse apconstde la
aislan
RIGI
eléctrlibresórbitaeléctrátomtempdenomtemp
máximcuandrigide
los qmueshasta
mater
. Pozueta
La resistivida a la resisplica tensiótante para upieza, el en Es obvio q
nte sea lo m
F
IDEZ DIEL
Cuando se rico que apas que tiene eas de sus erico, aumenos y alguneratura y laminado desoral (descar Se denomima que pudo la intensez dieléctric Esta magn
que se aplicstra del aisla provocar la
La rigidez rial y el esp
AISLANTES
idad de aislstencia que ón entre doun mismo mnvejecimien
que se debmás alta posi
Fig. 1: Resiste
LÉCTRICA
aplica tensarece produel material. electrones lintan y supnos de ella separaciónscarga que rgas parcia
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itud se deteca una tenslante (comoa perforació
dieléctrica pesor de la p
S UTILIZAD
lamiento traofrece el di
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be procurar ible.
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A
ión eléctricuce una pequ
Además, loigados. Si l
peran ciertolos chocan n de nuevo provoca la
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se expresapieza aislant
DOS EN LAS
-2-
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ca moderadaueña corrienos átomos sela tensión y
o límite loscon otros
s electronesa pérdida pcualidades a
de un aislante sin querico en el iante y se co
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a como cocite y se mide
MÁQUINAS
volumétricser atraves1b). Esta
an la tempe
sistencia de
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a entre dos nte de fugae ven somety, por lo tas electroness átomos ps. Se produpermanente aislantes de
ante a la ine se produzinterior del onvierte en c
mente mediados colocadtensión se v
iente entre e en kV/mm
S ELÉCTRIC
a se mide esado por unmagnitud nratura, la hu
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y transversal do)
caras de undebido a lotidos fuerza
anto, la intes empiezanprovocando
uce así un e(perforaci
l material.
ntensidad dezca su perfmaterial ai
conductor.
ante ensayodos en carava aumenta
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CAS
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nto de un m
(b) (b).
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s normalizas opuestas
ando gradua
de perforaco de que la
cm y es cuando n valor espesor
material
l campo ectrones an a las campo
nar sus ento de mulativo lante) o
léctrico s decir, era a su
ados en de una
almente
ción del tensión
AISLANTES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
M.A.R. Pozueta -3-
que se aplica al aislante sea alterna hay que especificar si se utiliza su valor eficaz o el de cresta (valor máximo). Usualmente se utiliza el valor de cresta.
El valor de la rigidez dieléctrica depende de las condiciones en las que se realiza el
ensayo del material: dimensiones y forma de los electrodos, espesor del aislante, duración de la aplicación del voltaje, frecuencia, forma de la onda de tensión, condiciones ambientales, etc.
También existe la rigidez dieléctrica superficial cuando la tensión se aplica entre dos
puntos de la superficie del aislante. En este caso la rigidez dieléctrica es el cociente entre la tensión de perforación y la distancia entre los electrodos (que se colocan de una manera similar a la indicada en la Fig. 1a). La rigidez dieléctrica superficial también se mide en kV/mm, pero ahora, si la tensión es alterna, se utiliza su valor eficaz.
Los materiales aislantes sumergidos en aceite tienen mejor rigidez dieléctrica que los
que se encuentran al aire. CONSTANTE DIELÉCTRICA
Se puede definir la constante dieléctrica o permitividad relativa de un aislante como el cociente de la capacidad de un condensador que tuviera como dieléctrico a este material entre la capacidad que tendría el mismo condensador si utilizara el vacío como dieléctrico.
Así si se tiene un condensador plano cuyas placas tienen una sección S, están separadas una distancia
y usa el vacío como dieléctrico, su capacidad C0 viene dada por
S
C 00 (1)
En esta expresión 0 es la permitividad absoluta del vacío. Si este mismo condensador utiliza como dieléctrico un material de constante dieléctrica , su
capacidad pasa a valer C, la cual viene dada por
S
C 0 (2)
Luego, la constante dieléctrica se obtiene mediante este cociente
0C
C (3)
Considérese ahora un condensador plano de sección S que tiene como dieléctrico varias capas planas
de diferentes materiales aislantes (Fig. 2) con espesores 1, 2,…, siendo la separación entre las placas del condensador:
21 (4)
La tensión total aplicada entre las placas del condensador es V y da lugar a las caídas de tensión V1
entre las dos caras del material aislante 1, V2 entre las caras del material aislante 2,…
21 VVV (5)
M.A.R
y Em
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. Pozueta
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es la intensida
Este condens
sma sección S
an respectivam
condensadorensadores parc
Al tratarse de
En serie todoQ. Luego:
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AISLANTES
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ad del campo
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V
de que el condcada al materi
S UTILIZAD
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nstantes dieléc
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C
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C
1
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V
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DOS EN LAS
-4-
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11
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V
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MÁQUINAS
l aislante i val
ensador:
colocar en serite una separa
… Las tension
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S ELÉCTRIC
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CAS
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(6)
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(9)
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1 y 2), la
AISLANTES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
M.A.R. Pozueta -5-
2
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E
E
1 (11)
Si sucede que el espesor del material 1 es mucho más pequeño que el del material 2, se puede deducir
que
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21
2121 EEy0
1
m1
21 EE
(12)
En resumen, en un condensador plano cuyo dieléctrico esté formado por dos capas de material aislante
(materiales 1 y 2), tales que el espesor 1 del material 1 es bastante inferior al espesor 2 del material 2, la
expresión (12) permite obtener el campo eléctrico E1 en el interior del material aislante 1 en función del campo eléctrico medio del condensador. De dicha expresión (12) se puede deducir que si la constante dieléctrica 2 del material 2 es mayor comparada con la constante dieléctrica 1 del material 1 sucede que
m112 EE (13)
Por lo tanto, el aislante 1 tiene un campo eléctrico superior al medio, por lo que probablemente sea el
que se encuentre más cerca de alcanzar su rigidez dieléctrica y se pueda perforar. Aunque los párrafos anteriores se han referido a un condensador plano con dos capas
de material aislante, se puede generalizar y decir que en cualquier tipo de aislamiento formado por varias capas de material aislante sucede lo siguiente:
El material aislante más solicitado es el de menor constante dieléctrica , lo
cual hace que, si no tiene una rigidez dieléctrica apreciablemente más alta que la de los demás, este material sea el que tenga más probabilidad de llegar a perforarse primero.
Esto da lugar a la paradoja de que aumentando el espesor del mejor aislante, pensando así aumentar la rigidez dieléctrica del conjunto, lo que se logra es provocar la perforación del otro. En este caso toda la tensión queda aplicada al primer aislante, que también puede acabar perforado.
La mejor disposición de aislantes en serie se consigue cuando se utilizan materiales
que tienen igual valor del producto de su constante dieléctrica por su rigidez dieléctrica. De lo anterior se deduce lo peligrosas que resultan las burbujas de aire que puedan
quedar en el interior de un aislante. La intensidad del campo eléctrico en el interior de estas burbujas es muy alto (ver las relaciones (12) y (13)), lo que puede provocar descargas en ellas que pueden ser el inicio de un fallo generalizado de todo el aislamiento.
En consecuencia es necesario eliminar el aire interior de los aislantes, rellenando con
barniz todos los posibles huecos, para lo cual se utilizan distintos procedimientos de impregnación. También es preciso eliminar toda la humedad que puedan contener las bobinas, para lo cual estas se calientan antes de la impregnación durante el tiempo necesario para que la evaporación del agua sea lo más completa posible.
M.A.R
especi
aire enmedia
impreg
de los
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tiempciertadespleléctr
las cencue
. Pozueta
La impregna
ialmente para Otro procedim
n la superficianas de baja te
Para máquin
gnación en au La viscosidad Después de lasolventes. Se
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2. Secabarn
En las máqu
onductor, quergas parciales.
DIDAS EN
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AISLANTES
ación de los este fin.
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ado al aire en
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N LOS AISL
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S UTILIZAD
devanados s
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un ambiente
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LANTES
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a que se somno de la hiocida histérd de carga D
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DOS EN LAS
-6-
se puede real
de la pieza en procedimiento
s (1200 a 15vacío y luego
opiada para co
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bien ventilado
que una parte el conductor.
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do a una tendidas de potando es alte
mete el aislastéresis die
resis magnéD sigue las
ctrica son mcas que se na.
F
MÁQUINAS
lizar por got
un barniz has que se suele
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onseguir la má
e secado parado el secado pu
o y libre de po
de los solvent
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S ELÉCTRIC
teo, empleand
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CAS
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M.A.R
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. Pozueta
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AISLANTES
tienen dosel conjunto
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do el pequeñmétrica es i
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S UTILIZAD
s conductoreo se compoamente capaxistan pérdie de tensióne inferior a
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co
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mecánicas,…rmite conocejecimiento
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DOS EN LAS
-7-
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senos
a en un aislcionales al
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ometidos a circuito equa resistencias pérdidas d
Fig. 4
MÁQUINAS
os por un dun condensadecir, adela
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ncia cos d
tg
lante depenproducto
o se compuequeño valoargo, el estuestado se en
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4: Ángulo dede un aisl
Fig. 5
S ELÉCTRIC
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denomina ánngulo (tg )te inferior ael material
nde de su co tg , el
utan cuandor frente a laudio del valncuentra el a
n eléctrica ye la Fig. 5. Eiento del aisen este circ
e pérdidas lante
5: Circuito ede dos conA y B, sepun aislant
CAS
y conectadoavés de él con respec
a consumir entre la te
factor de p
ngulo de pé) entre los da 1º) sucedeaislante:
onstante diel cual se de
do se estudas demás pélor de tg yaislamiento
y separadosEn este circslante y la recuito equiva
equivalente nductores,
parados por te.
s a una debería
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ensión y potencia
érdidas. datos de e que su
(14)
eléctrica nomina
dian las érdidas: y de su de una
s por un cuito, C esisten-
alente.
AISLANTES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
M.A.R. Pozueta -8-
Las pérdidas dieléctricas calientan el material y aumentan su temperatura. Esto
aumenta el fenómeno perjudicial de la descarga y la perforación subsiguiente. Se puede demostrar que existe para cada material aislante un voltaje crítico que puede aguantar. Por encima de este voltaje se produce la perforación del material, sea cual sea su espesor. CLASE TÉRMICA DE LOS SISTEMAS DE AISLAMIENTO
Según la norma UNE-EN 60085 un sistema de aislamiento eléctrico es “una estructura aislante que contiene uno o más materiales aislantes eléctricos junto con partes conductoras asociadas y que se utiliza en un dispositivo electrotécnico”.
En casi todas las máquinas eléctricas la potencia que pueden suministrar está
limitada por la temperatura que alcanzan. Cuanto mayor es la potencia que suministra una máquina, mayores serán sus pérdidas y, en consecuencia, el calor que se genera en ella. Este calor aumenta su temperatura y llega un momento en que esta temperatura es peligrosa para la integridad de la máquina. Normalmente los materiales aislantes son los elementos más sensibles a la temperatura y, por consiguiente, los que limitan la potencia que puede proporcionar una máquina dada.
A medida que pasa el tiempo un material aislante va envejeciendo y el sistema de
aislamiento eléctrico va perdiendo sus cualidades dieléctricas, lo cual se ve agravado si resulta sometido a temperaturas elevadas. Es decir, los materiales aislantes y los sistemas de aislamiento eléctrico tienen una vida que, de forma orientativa, se puede establecer en 40 años en las máquinas grandes, 30 años en las medianas y 20 años en las pequeñas.
Se han estudiado y analizado los materiales aislantes utilizados en las máquinas
eléctricas para averiguar cuál es la máxima temperatura que pueden soportar sin peligro de acortar su vida. Esta temperatura máxima se denomina endurancia térmica (véanse las normas UNE-EN 62114 y 60085).
Tabla I: Clase térmica de los sistemas de aislamiento eléctrico según
las normas UNE-EN 62114, 60085 y 60034-1.
CLASE TÉRMICA
(ºC)
ANTIGUA DESIGNACIÓN
TEMPERATURA MÁXIMA
(ºC)
CALENTAMIENTO MÁXIMO (*)
(ºC) 90 Y 90 50 105 A 105 65 120 E 120 80 130 B 130 90 155 F 155 115 180 H 180 140 200 N 200 160 220 R 220 180 250 - 250 210
(*) Esta columna indica el calentamiento máximo en el supuesto que el fluido refrigerante sea aire ambiente a una altitud inferior a 1000 metros sobre el nivel del mar
AISLANTES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
M.A.R. Pozueta -9-
La clase térmica (UNE-EN 62114, 60085 y 60034-1) de un sistema de aislamiento se designa mediante el valor numérico de la temperatura de utilización continua máxima recomendada medida en grados centígrados. Antiguamente algunas de estas clases térmicas se designaban mediante una letra. En la tabla I se recogen las designaciones de las clases térmicas.
La clase térmica de un sistema de aislamiento eléctrico puede no estar directamente
relacionada con la endurancia térmica de uno de los materiales aislantes incluidos en él. Es la combinación de todos los elementos que constituyen el sistema de aislamiento lo que da lugar a su clase térmica.
En la tercera columna de la tabla I se indica la temperatura máxima a la que se puede
someter un sistema de aislamiento según su clase térmica para que su vida no se vea reducida. En la cuarta columna de esta tabla se señala el calentamiento máximo a que se lo puede someter si el fluido refrigerante es el aire ambiente.
Se denomina calentamiento a la diferencia entre la temperatura del sistema de
aislamiento y la del fluido de refrigeración. La norma UNE 600034-1 establece que en España, para altitudes por debajo de 1000 m sobre el nivel del mar, se debe considerar que la temperatura del aire ambiente es 40ºC. Por lo tanto, la columna 4 de la tabla I -que muestra el calentamiento máximo admisible cuando el fluido refrigerante es el aire ambiente- se obtiene restando 40ºC a los valores de la columna 3.
Normalmente la temperatura de los bobinados se mide mediante procedimientos que
proporcionan el valor medio de dicha magnitud, pudiendo haber puntos calientes de la máquina donde la temperatura tiene un valor superior al medio. Por lo tanto, la norma UNE-EN 600034-1 establece que debe haber un margen de seguridad por debajo de 5 a 15ºC -o incluso mayor- según los casos, entre la temperatura que se mide por estos procedimientos y la temperatura límite indicada en la tabla I.
Los materiales aislantes cuya endurancia térmica es más baja son aquellos con mayor
proporción de componentes orgánicos. Por el contrario, los aislantes que aguantan temperaturas más elevadas están formados en mayor medida por substancias inorgánicas.
A continuación se citan algunos ejemplos de los aislantes cuya endurancia térmica se corresponde con
las clases térmicas de los sistemas de aislamiento recogidas en la tabla I:
90ºC: Algodón, seda, papel sin impregnación.
105 ºC: Algodón, seda, papel impregnados o sumergidos en aceite.
120ºC: Fibras orgánicas sintéticas. Por ejemplo: esmaltes de acetato de polivinilo, barnices de resinas alquídicas,…
130ºC: Materiales a base de poliéster y poliimidos aglutinados mediante materiales orgánicos. Por ejemplo, los esmaltes de resinas de poliuretano.
155ºC: Materiales a base de fibra de mica, amianto y fibra de vidrio aglutinados mediante materiales orgánicos. Por ejemplo, la fibra de vidrio tratada con resinas de poliéster.
180ºC: Materiales a base de mica, amianto y fibra de vidrio aglutinados con siliconas de alta estabilidad térmica. Por ejemplo, el papel de mica aglomerado con siliconas.
200ºC: Materiales a base de mica, vidrio, cerámica,… capaces de soportar hasta 200ºC.
220ºC: Materiales a base de mica, vidrio, cerámica,… poliimidas tipo Kapton, capaces de soportar hasta 220ºC.
250ºC: Materiales a base de mica, vidrio, cerámica,… poliimidas tipo Kapton, capaces de soportar hasta 250ºC.
M.A.R
COELÉ MAT
perm
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cuya
CO
. Pozueta
ONDUCTÉCTRIC
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s la longitud
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Tabla II: Con
MATER
patrón lectrolíticolectrolíticolectrolíticoio recocidoio duro io inyectad
RES UTILIZA
S UTILI
CTORES
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RIAL
o recocidoo comercialo duro o
do para roto
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SR
l
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ctor, que se
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l se mide en
versa a la r(S), también
RG
1
de la resist
1
a 20ºC de va
CO
l
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AS MÁQUIN
S EN
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esistencia qn denominad
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ONDUCTI(S
NAS ELÉCTR
LAS M
evada cond
alcular med
e mide en m
ir en mm2
dicar en m
).
que se llamado Mho (-
mide en S
ales conducto
IVIDAD m/mm2)
58 57 56 56 36
35,4 33
RICAS
MÁQUI
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CONDUCTORES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
M.A.R. Pozueta -11-
En las máquinas eléctricas se utilizan básicamente dos materiales conductores, que son el cobre y el aluminio. Para que la conductividad de estos materiales se mantenga alta deben ser de gran pureza. Los procesos de laminación y estirado disminuyen su conductividad, por lo que deben ser sometidos seguidamente a un proceso de recocido. En la tabla II se indican los valores característicos de conductividad a 20ºC para varios materiales. EFECTO DE LA TEMPERATURA
Al aumentar la temperatura la resistividad del cobre y del aluminio, como la de casi todos los metales, aumenta linealmente.
Por otra parte, el aumento de la temperatura también produce dilataciones que
afectan a la longitud l y a la sección S del conductor. De todo lo anterior se puede deducir que la resistencia de un conductor aumenta
linealmente con la temperatura. Por consiguiente, la resistencia R’ de un conductor a la
temperatura ' se puede relacionar con la resistencia R del mismo conductor a la temperatura , mediante esta ley:
'RR ' 1 (18)
El coeficiente se denomina coeficiente aparente de temperatura y su valor no es
constante, sino que depende de la temperatura a la que se refiere la resistencia R. Para 20ºC este coeficiente vale aproximadamente 0,0040 ºC-1, tanto para el cobre como para el aluminio.
Si se parte de una temperatura inicial de 0ºC ( = 0ºC) y se enfría el material hasta que su resistencia
se anule (R’ = 0), se observa que la temperatura –T0 (’ = -T0) en que la resistencia se anula vale:
000000 TR0TR0 11
0
0T
1 (19)
Luego, comparando la resistencia del conductor a dos temperaturas diferentes ' y " se obtiene que
"
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'
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R
R
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0
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1
En resumen, se tiene también esta otra expresión para relacionar la resistencia de un
conductor a dos temperaturas diferentes, ' y ":
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CONDUCTORES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
M.A.R. Pozueta -14-
PÉRDIDAS EN LOS CONDUCTORES
La circulación de una corriente, de valor eficaz I, a través de un conductor, de resistencia R, provoca la aparición en él de unas pérdidas por efecto Joule, las cuáles vienen dadas por la conocida expresión:
2Cu IRP (21)
Las pérdidas específicas por unidad de peso del material se obtienen así:
G
Pp Cu
Cu (22)
En la expresión anterior G es el peso del conductor. El peso G del material se puede obtener a partir de su peso específico y de su volumen, que es igual
al producto de su longitud por su sección ( Sl ):
1000
SG
l (23)
En la expresión anterior el factor 1/1000 aparece porque se supone que l se mide en m, S en mm
2 y
en Kg/dm3. El peso G, entonces, queda expresado en Kg.
El valor eficaz I de la corriente se puede obtener de la densidad de corriente por unidad de superficie J:
SJI (23) En esta fórmula, la corriente I se mide en A, la densidad de corriente J en A/mm
2 y la sección S
en mm2.
Teniendo en cuenta las relaciones (15), (22), (23) y (24) se deduce que las pérdidas específicas
(expresadas en W/Kg) se pueden calcular mediante esta fórmula:
22
Cu J1000SJSS
1000p
l
l (24)
Como se acaba de demostrar las pérdidas específicas en un conductor vienen
dadas por
2Cu J1000p
(25)
donde:
pCu son las pérdidas específicas medidas en W/Kg es la resistividad del conductor en mm2/m es el peso específico del conductor en Kg/dm3 J es la densidad de corriente, medida en A/mm2
CONDUCTORES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
M.A.R. Pozueta -15-
Luego, las pérdidas en un conductor valen
GJ1000GpP 2CuCu
(26)
En esta expresión el peso G se debe indicar en Kg. En consecuencia, se deduce que, para un material conductor dado (donde el cociente
/ es una constante), las pérdidas por efecto Joule son proporcionales al peso G del conductor y al cuadrado de la densidad de corriente J. ESCOBILLAS
Mediante colectores es posible conectar al exterior el circuito eléctrico del rotor de una máquina. Existen dos tipos de colectores: de delgas y de anillos. En ambos casos la corriente circula a través de unas escobillas de grafito colocadas en el estator que rozan sobre el colector que gira con el rotor.
Las escobillas se clasifican en dos grandes grupos:
Metálicas: compuestas por una mezcla de cobre y carbón. De carbón: compuestas solamente de carbón, sin agregados metálicos.
El contacto de una escobilla con el colector presenta una resistencia que no es
constante sino que depende de la densidad de corriente. Simplificando, se puede aceptar que, en cuanto la densidad de corriente empieza a tener un cierto valor, la caída de tensión entre una escobilla y el colector es prácticamente constante.
Por otra parte, en corriente continua no se comporta igual la escobilla positiva que la
negativa, habiendo diferentes caídas de tensión en ambas. Esta es la causa de que se trabaje con la caída de tensión por par de escobillas o por
par de carbones 2ue. El signo de esta caída de tensión depende del sentido de la corriente (es siempre una caída de tensión; es decir, del mismo signo que la diferencia de potencial que aparecería en una resistencia recorrida por la misma corriente que pasa por las escobillas).
El valor de 2ue oscila entre 0,5 y 3 V. Los valores más usuales son los siguientes:
En colectores de delgas: 2ue = 2 V En colectores de anillos: 2ue = 1 V
Por lo tanto, en una máquina de corriente continua y, en general, en las máquinas con colector de delgas, con una intensidad de inducido I (que se reparte entre todos los pares de escobillas del colector) aparecen unas pérdidas en el colector que se obtienen así:
Iu2P ecol (27)
Esta misma expresión se puede aplicar para calcular la potencia perdida en el colector de dos anillos
de una máquina síncrona.
CONDUCTORES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS
M.A.R. Pozueta -16-
En el colector de tres anillos de un motor asíncrono trifásico, por cuyo rotor circulan unas corrientes
de valor eficaz I, las pérdidas en el colector valen
Iu25,1Iu22
3P eecol (28)
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Marcombo. Barcelona. 1982. [2] Fraile Mora, Jesús. “Máquinas eléctricas”. McGraw-Hill/Interamericana de España.
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Cátedra de sistemas de potencia. Facultad de ingeniería. Universidad de la Plata (Argentina). (ver el sitio Web: http://davinci.ing.unlp.edu.ar/sispot/1-_LyP_-_Intro.html).
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transversal y superficial de los materiales aislantes eléctricos sólidos”. Julio 1983.