M

DEPA

U

MÁQ

M

UNIARTAME

A

CO

UTIL

QUI

Miguel

IVERSIDENTO D

Y EN

AISL

OND

IZA

NAS

Angel

DAD DEDE INGENERGÉ

LAN

DUC

ADOS

S EL

l Rodr

E CANTAENIERÍA

ÉTICA

TES

CTOR

S E

LÉC

ríguez

ABRIA A ELÉC

S Y

RES

N L

CTR

Pozue

CTRICA

S

AS

RICA

eta

A

AS

M.A.R

AIS MAT

eléctrcorrie

circucon c

eléctrmatersensib

conju

olvidatempe

RESI

la cor

a travdebe

que odos ppor ela suprazón

que pobtenlos elaparepor el

. Pozueta

LANTES

TERIALES

Aislante erica tan bajente que pas El vacío elan corrient

conductanci Los aislan

rico entre lriales suelebilidad a las A la hora

unto de prop

Pro Pro Pro

Evidentemear las demáseratura que p

ISTENCIA

La resistenrriente eléct La corrient

vés del interal efecto de

La resistiviofrece la suppuntos de dil estado de perficie de

n, las piezas Según la no

presenta unaner esta resislectrodos (poece y aplicanl perímetro d

AISLANTES

S UTILIZ

S AISLANT

léctrico o a que se pusa a través d

s el único tes de fugaia no nula pe

tes se utililos conducten ser la ps solicitacio

de elegir upiedades qu

opiedades elopiedades mopiedades fís

ente, las pros. De las propuede sopor

A DE AISL

ncia de aislatrica, medid

te de fuga drior del mate estos dos c

idad de aislperficie delicha superflimpieza deun dieléctr

s aislantes h

orma UNE 2a superficie stividad se uor ejemplo, ndo la ley dde un electro

S UTILIZAD

ZADOS

TES

dieléctricouede desprede un aislan

aislante pea. Los demáero tan pequ

izan en las tores y entrparte más ones térmica

un aislanteue debe cum

léctricas mecánicas

sico-químic

opiedades eopiedades nrtar un aislan

AMIENTO

amiento de da en la dire

de un aislanterial. La recaminos en

lamiento supl material alficie (Fig. 1e la superficrico reduce

hay que cons

21303 la rescuadrada y

utiliza el mousando una

de Ohm) y laodo y dividi

DOS EN LAS

-1-

EN LAS

es aquel eciar la corrnte se denom

rfecto ya qás materialeueña que su

máquinas re éstos y ldelicada d

as, mecánic

para una mplir y que s

cas

eléctricas sono eléctricas,nte sin que su

O

un dieléctriección en qu

nte sigue doesistencia dparalelo.

perficial sel paso de laa). Evidentcie. La sucie

la resistivistruirlas lisa

istividad supy es indepenontaje de la a fuente de tea resistividaiéndola por l

MÁQUINAS

S MÁQU

material qriente que pmina corrien

que tiene coes aislantes us corrientes

eléctricas las piezas m

de una máqcas y dieléct

aplicación se pueden cl

n las más , una de las us propiedad

ico es la resue se tiene q

s caminos: e aislamien

mide en Ma corriente cemente estaedad (grasaidad de aislas y pulidas

perficial es indiente del t

Fig. 1a donensión conti

ad se calculala distancia e

S ELÉCTRIC

UINAS E

que tiene upasa por él.nte de fuga.

onductanciason dieléct

s de fuga so

para asegumetálicas yquina elécttricas.

dada hay qlasificar en:

importantesmás import

des eléctricas

sistencia quque asegurar

uno sobre lnto que pres

M y es debcuando se aa magnitud , polvo, etclamiento sus.

igual a la restamaño de ende se mide inua, midiena multiplicanentre los ele

CAS

ELÉCTR

una conduc Esta peque.

a nula y potricos impe

on desprecia

urar el aislay la carcasatrica debid

que consid

, pero no htantes es la ms se vean afe

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

ctividad eñísima

or él no rfectos,

ables.

amiento a. Estos o a su

erar un

hay quemáximaectadas.

paso de ento.

e y otro terial se

istencia ón entre afectada da sobre Por esta

perficialdo. Paracia entreente quesistencia

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

ina rigidez uede soportsidad del caca, este deja

itud se deteca una tenslante (comoa perforació

dieléctrica pesor de la p

S UTILIZAD

lamiento traofrece el di

os de sus cmaterial, ya qnto del mate

be procurar ible.

(a) encia de aisl(1: Materia

A

ión eléctricuce una pequ

Además, loigados. Si l

peran ciertolos chocan n de nuevo provoca la

ales) de las c

dieléctricatar el aislanampo eléctra de ser aisla

ermina expión entre do en la Figón del aislan

se expresapieza aislant

DOS EN LAS

-2-

ansversal o ieléctrico a caras (Fig. que le afectaerial, etc.

que la res

lamiento supl aislante;

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

erimentalmdos electrodg. 1b). La tnte.

a como cocite y se mide

MÁQUINAS

volumétricser atraves1b). Esta

an la tempe

sistencia de

erficial (a) y 2: Electrod

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

e aislamien

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

la tensión m. En el cas

CAS

en Mcm2/ca corriente no tiene unumedad, el

nto de un m

(b) (b).

n aislante elos pocos eleas que afectensidad del n a abandono un aumeefecto acumón del aisl

el campo eforación. Esislante supe

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

la mis

tuviera

estos conden

carga

expre

. Pozueta

La intensidad

es la intensida

Este condens

sma sección S

an respectivam

condensadorensadores parc

Al tratarse de

En serie todoQ. Luego:

En el caso dsión (10) aplic

AISLANTES

d del campo el

ad del campo

sador se lo pueS, cuyas placa

mente las con

es parciales sciales viene da

e varios conde

os los condens

V

V

de que el condcada al materi

S UTILIZAD

léctrico Ei en

eléctrico med

ede suponer eqas tuvieran re

nstantes dieléc

serían, respecada por esta ex

C

ensadores en s

C

1

sadores están

Q

i

i C

C

C

V

V

m

i

E

E

densador sóloial 1 se convie

DOS EN LAS

-4-

el interior del

i

ii

VE

dia en el conde

VEm

quivalente a cespectivament

ctricas 1, 2,…

ctivamente, Vxpresión

0iiS

C

serie, la capaci

j 0j SC

11

recorridos po

iVCV

j0

0i

S

S

C

C

1

1

1

1

j

i

i

m V

V

o tuviera dos erte en:

Fig. 2:

MÁQUINAS

l aislante i val

ensador:

colocar en serite una separa

… Las tension

V1, V2,… y

i

S

idad C del con

j j

j

S

r la misma co

ii C

j

i

i

j j

j

i

i

j

j

i

capas de mat

: Condensaddieléctrico paralelas d

S ELÉCTRIC

e

ie varios condación 1, 2,…

nes entre las p

la capacidad

njunto se pued

orriente, por lo

j

j

terial aislante

dor plano cuyoson varias cap

de material ais

CAS

densadores par… y cuyos die

placas de cad

Ci de uno

de obtener de

o cual tienen l

(materiales 1

o pas slante.

(6)

(7)

rciales de eléctricos

da uno de

de estos

(8)

(9)

la misma

(10)

1 y 2), la

AISLANTES UTILIZADOS EN LAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS

M.A.R. Pozueta -5-

2

121

2

2

1

1

1

m

1

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

m1

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

semicodescar PÉRD

fuga cuand

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

1. Seca

2. Secabarn

En las máqu

onductor, quergas parciales.

DIDAS EN

Cuando unque da lugado la tensió Cuando la

po, aparece a analogía clazamiento rico E. Las pérdidaorrientes deentra somet

AISLANTES

ación de los este fin.

miento es el die del mismo.ensión.

nas de tensionutoclave hacie

d del barniz de

a impregnacióegún las caract

ado al aire en

ado al horno pniz y ataque el

uinas que supee tiene por fina.

N LOS AISL

n aislante ear a unas pen es continu

tensión a lael fenómen

con la conoo densidad

as por histée fuga y sotido a una te

S UTILIZAD

devanados s

de inmersión d. Este es el p

nes más altaendo primero v

ebe ser la apro

ón se efectúa uterísticas del b

un ambiente

para impedir ql esmaltado de

eran los 5 kValidad protege

LANTES

stá sometidqueñas pérdua como cu

a que se somno de la hiocida histérd de carga D

éresis dielécon las únicensión altern

DOS EN LAS

-6-

se puede real

de la pieza en procedimiento

s (1200 a 15vacío y luego

opiada para co

un proceso debarniz utilizad

bien ventilado

que una parte el conductor.

V y en transfoer las bobinas

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

5000 V) es cinmersión en

onseguir la má

e secado parado el secado pu

o y libre de po

de los solvent

formadores de contra los da

nsión eléctrtencia por eerna.

ante es altereléctrica (Fiética y es d variacione

mayores que tienen en c

Fig. 3: Histé

S ELÉCTRIC

teo, empleand

sta que ya no e emplear en

conveniente uel barniz bajo

áxima penetra

eliminar el exuede realizars

olvo.

tes quede atra

e alta tensión años que produ

rica apareceefecto Joule

rna o, al meig. 3). Esteebido a la

es de la inte

las debidascuenta cuan

éresis dieléct

CAS

do un barniz

aparezcan burmáquinas peq

utilizar el méo presión.

ación.

xceso de barnise de dos form

apada en la pel

se utiliza unucen los efluv

e una corri. Esto suced

enos, variab fenómeno inercia conensidad del

s al efecto Jndo un aisl

trica

z elegido

rbujas de queñas y

étodo de

iz y parte mas:

lícula del

n aislante vios y las

ente de de tanto

ble en el guarda

n que el campo

Joule de lante se

M.A.R

tensiócircutensiópotenla cocos

Es freun aitange

, susfacto

pérdien el variamáqu

aislanes la cia R

. Pozueta

Cuando se ón alterna, lar una corón. El hechncia activa drriente sea no es nulo

El ángulo ecuente queslante. Dad

ente trigono

Puesto que

s pérdidas dr de pérdida Las pérdid

idas de una hierro, en

ción con el uina y su gra

Un par de

nte se puedcapacidad d

Rperd permite

AISLANTES

tienen dosel conjunto

rriente purao de que exde la fuenteligeramente

o.

, compleme se indique

do el pequeñmétrica es i

e la energía dieléctricas as dieléctric

das dieléctrmáquina elel cobre, mtiempo per

ado de enve

conductoreen represendel conjuntoe incluir el e

S UTILIZAD

s conductoreo se compoamente capaxistan pérdie de tensióne inferior a

mentario del e el valor deño valor deligual al fact

co

almacenadson proporcas.

ricas normaléctrica deb

mecánicas,…rmite conocejecimiento

s, A y B, sontar por el co, Raisl es laefecto de la

DOS EN LAS

-7-

es separadoorta como uacitiva; es das dieléctr

n, lo que proa 90º (Fig. 4

ángulo (Fe la tangent ángulo (ntor de poten

senos

a en un aislcionales al

almente nobido a su pe… Sin embacer en qué e.

ometidos a circuito equa resistencias pérdidas d

Fig. 4

MÁQUINAS

os por un dun condensadecir, adela

ricas exige qovoca que e4). De esta

Fig. 4), se dte de este ánnormalment

ncia cos d

tg

lante depenproducto

o se compuequeño valoargo, el estuestado se en

una tensiónuivalente dea de aislamidieléctricas

4: Ángulo dede un aisl

Fig. 5

S ELÉCTRIC

ieléctrico yador y a traantada 90º que se debael desfase manera el

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

cto a la algo de

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

siguie

cuya

CO

. Pozueta

ONDUCTÉCTRIC

TERIALES

Los materimite conducir

La resistenente

En la expre

l es

S e

e

R e

A veces seunidad de m

La conduct

T

Cobre pCobre eCobre eCobre eAluminiAluminiAlumini

ONDUCTOR

TORESCAS

S CONDUC

iales condur las corrien

ncia eléctric

esión (15),

s la longitud

es la sección

es la resistiv

es la resisten

utiliza la mmedida es e

tividad e

Tabla II: Con

MATER

patrón lectrolíticolectrolíticolectrolíticoio recocidoio duro io inyectad

RES UTILIZA

S UTILI

CTORES

uctores se cntes eléctric

ca R de un

d del condu

n del condu

vidad del ma

ncia, la cua

magnitud inel Siemens (S

s la inversa

nductividad a

RIAL

o recocidoo comercialo duro o

do para roto

ADOS EN LA

-10-

IZADOS

caracterizancas.

conductor

SR

l

uctor, que us

ctor, que se

aterial, que

l se mide en

versa a la r(S), también

RG

1

de la resist

1

a 20ºC de va

CO

l

ores

AS MÁQUIN

S EN

n por su el

se puede ca

sualmente s

e suele medi

se suele ind

n Ohms ()

esistencia qn denominad

tividad y se

arios materia

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

ductividad q

diante la ex

metros (m)

mm2/m

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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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R

R

0

0

0

0

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00

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1

1

1

1

1

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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R

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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)

BIBLIOGRAFÍA [1] Corrales Martín, Juan. “Cálculo industrial de máquinas eléctricas. Tomo I”.

Marcombo. Barcelona. 1982. [2] Fraile Mora, Jesús. “Máquinas eléctricas”. McGraw-Hill/Interamericana de España.

Madrid. 2008. [3] N. L. Sacchi, Jorge; Rifaldi, Alfredo .“Cálculo y diseño de máquinas eléctricas”.

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).

[4] Ramírez Vázquez, José. “Materiales electrotécnicos”. Colección “Enciclopedia

CEAC de la Electricidad”. Editorial CEAC. Barcelona. 1986. [5] Serrano Iribarnegaray, Luis. “Fundamentos de máquinas eléctricas rotativas”.

Marcombo. Barcelona. 1989. [6] AENOR. Norma UNE-EN 62114: “Sistemas de aislamiento eléctrico (SAE).

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Características asignadas y características de funcionamiento”. Marzo 2005. [8] AENOR. Norma UNE-EN 60085: “Aislamiento eléctrico. Evaluación y designación

térmica”. Junio 2008. [9] WIKIPEDIA (versión alemana). http://de.wikipedia.org/. [10] AENOR. Norma UNE-21303: “Métodos para la medida de la resistividad

transversal y superficial de los materiales aislantes eléctricos sólidos”. Julio 1983.