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Condensadores (o capacitores) y bobinas y sus aplicaciones en la ingeniería
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Condensador o Capacitor
En electricidad y electrónica, un condensador o capacitor es un dispositivo que almacena energía eléctrica (en forma de campo electrico), es un componente pasivo.
Está formado por un par de superficies conductoras (placas), entre las placas se encuentra un material llamado dieléctrico (siendo este utilizado en un condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que actúa como aislante). La capacidad depende de las características físicas del condensador:
- Si el área de las placas que están frente a frente es grande la capacidad aumenta- Si la separación entre placas aumenta, disminuye la capacidad- El tipo de material dieléctrico que se aplica entre las placas también afecta la capacidad- Si se aumenta la tensión aplicada, se aumenta la carga almacenada
La unidad de medida es el faradio. Hay submúltiplos como el miliFaradio (mF), microFaradio (uF), el nanoFaradio (nF) y el picoFaradio (pF)
Los condensadores suelen usarse para: Baterías, por su cualidad de almacenar energía. Memorias, por la misma cualidad. Filtros. Adaptación de impedancias, haciéndolas resonar a una frecuencia dada con otros componentes. Desmodular AM, junto con un diodo. El flash de las cámaras fotográficas. Tubos fluorescentes. Mantener corriente en el circuito y evitar caídas de tensión.
Filtros de Armónicas.
La distorsión armónica y sus efectos perjudiciales:
Las cargas no lineales tradicionales, tales como hornos de arco y de inducción, reactores saturables, sumado al gran desarrollo de la tecnología de control por medio de equipamiento electrónico de potencia controlado por tiristores, ha llevado a un incremento significativo de la cantidad de cargas no lineales en el sistema.
Desafortunadamente las cargas no lineales, tienen efectos indeseables en el suministro de corriente alterna requiriendo una cantidad importante de potencia
reactiva inductiva con una corriente no senoidal. La red necesita estar libre de esta distorsión armónica para prevenir el funcionamiento inadecuado de los equipos.
La corriente de las cargas no lineales está compuesta por una componente fundamental a la frecuencia de la red y un número de armónicas cuyas frecuencias son múltiplos de ésta, dependiendo el espectro del tipo de carga que se esté considerando. Estas armónicas conducen a que la corriente en los capacitores se incremente en la medida que su impedancia desciende al aumentar la frecuencia.
La distorsión armónica en la red de corriente alterna puede ocasionar inconvenientes tales como:
Exceso de corriente en capacitores y bancos de capacitores, con el consiguiente acortamiento de su vida útil. Actuación indebida de fusibles.
Disparo intempestivo de interruptores y otros equipos de protección. Actuación indebida de fusibles.
Aumento de las pérdidas, y mal aprovechamiento de la instalación. Sobrecalentamiento de motores y trasformadores, y componentes de circuito en general.
Mal funcionamiento de computadoras y otros equipos electrónicos de control y/o cargas sensibles.
Interferencia con circuitos de iluminación y telefónicos.
Resonancia con otros componentes del sistema. Oscilación mecánica en máquinas.
Errores en equipos de medición, especialmente los de estado sólido. Error en exceso en los medidores de energía.
Operación inestable en el disparo de circuitos que trabajan por cruce por cero de tensión.
Disminución del factor de potencia.
Fallas en la aislación.
La distorsión armónica en la red de corriente alterna puede ocasionar inconvenientes tales como:
Exceso de corriente en capacitores y bancos de capacitores, con el consiguiente acortamiento de su vida útil. Actuación indebida de fusibles.
Disparo intempestivo de interruptores y otros equipos de protección. Actuación indebida de fusibles.
Aumento de las pérdidas, y mal aprovechamiento de la instalación. Sobrecalentamiento de motores y trasformadores, y componentes de circuito en general.
Mal funcionamiento de computadoras y otros equipos electrónicos de control y/o cargas sensibles.
Interferencia con circuitos de iluminación y telefónicos.
Resonancia con otros componentes del sistema. Oscilación mecánica en máquinas.
Errores en equipos de medición, especialmente los de estado sólido. Error en exceso en los medidores de energía.
Operación inestable en el disparo de circuitos que trabajan por cruce por cero de tensión.
Disminución del factor de potencia.
Fallas en la aislación.
Filtros de armónicas:
Básicamente, los equipos de filtrado permiten resolver los inconvenientes planteados anteriormente. Para definir el tipo de equipo a instalar es necesario efectuar un minucioso estudio de armónicas, con mediciones de tensión y corriente, análisis mediante simulador y selección del equipo más adecuado. Como el circuito de filtrado absorbe parte o la totalidad de las armónicas generadas por los convertidores, deberá ser adecuadamente diseñado.
Los filtros pueden clasificarse en: Filtros desintonizados o antirresonantes Están diseñados para presentar una frecuencia de resonancia por debajo de la
menor armónica que ofrece el sistema (generalmente la 5°). El valor de
frecuencia de desintonía se encuentra comprendido entre 179 y 223 Hz y se logra agregando un reactor de desintonía en serie con los capacitores de uso convencional. Dicho reactor elevará la tensión del capacitor por sobre la tensión de la red, siendo por lo tanto que la tensión nominal de éste deberá elegirse superior al valor resultante. El valor de la sobretensión en el capacitor dependerá del grado de desintonía elegido. Este tipo de instalación tiene además un efecto parcial de filtrado permitiendo la reducción del nivel de distorsión armónica de tensión existente en la red, y este efecto es tanto más importante a medida que la frecuencia de resonancia del filtro se aproxima a la frecuencia de resonancia armónica natural, dicho en otros términos cuanto mayor es el grado de desintonía menor será la absorción de armónicas. Un mayor efecto de absorción (grado de filtrado) siempre depende de la impedancia de corto circuito del sistema y la resistencia residual del circuito de filtrado.
Filtros sintonizados
Estos filtros presentan una impedancia muy baja para la corriente armónica individual, derivando la mayor parte de la corriente distorsiva generada por las cargas no lineales, hacia el filtro y no hacia el suministro. El valor de de frecuencia de resonancia en este caso, se encontrará siempre levemente por debajo de la armónica que se desea filtrar, aunque mucho más próxima que en el caso de los filtros desintonizados. En estos casos es muy importante tener en cuenta el valor de la corriente armónica máxima que se desea filtrar, pues de ésta dependen el dimensionamiento del reactor y de la tensión del condensador. El dimensionamiento de este tipo de filtros, requiere por lo tanto un estudio más a fondo de las características de la instalación, las armónicas presentes y el objetivo de distorsión en barras al cual se quiere llegar.
Aplicación:
Los equipos de filtrado, empleados en las instalaciones industriales y redes antes mencionadas, permiten obtener las siguientes mejoras:
Compensación de la potencia reactiva a la frecuencia fundamental para un factor de potencia especificado.
Disminuyen el porcentaje de distorsión armónica total (THD).
Evitan fenómenos de resonancia, que surgirían al conectar capacitores sin protección contra armónicas.
Disminución de pérdidas activas en cables y aparatos electromagnéticos, por reducción del THD.
La bobina o inductor
La bobina o inductor por su forma (espiras de alambre arrollados) almacena energía en forma de campo magnético
El inductor es diferente del condensador / capacitor, que almacena energía en forma de campo eléctrico
Todo cable por el que circula una corriente tiene a su alrededor un campo magnético, siendo el sentido de flujo del campo magnético, el que establece la ley de la mano derecha.
Al estar el inductor hecho de espiras de cable, el campo magnético circula por el centro del inductor y cierra su camino por su parte exterior.
Una característica interesante de los inductores es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellas.
Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellos (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de alimentación de corriente continua), esta intentará mantener su condición anterior.
Este caso se da en forma continua, cuando una bobina esta conectada a una fuente de corriente alterna y causa un desfase entre el voltaje que se le aplica y la corriente que circula por ella.
En otras palabras:
La bobina o inductor es un elemento que reacciona contra los cambiosen la corriente a través de él, generando un voltaje que se opone al voltaje aplicadoy es proporcional al cambio de la corriente.
El calentamiento por inducción es un proceso de calentamiento sin contacto. Se utiliza la electricidad de alta frecuencia para calentar materiales que son eléctricamente conductor. Puesto que es sin contacto, el proceso de calentamiento no contamina el material que está siendo calentado. También es muy eficiente ya que el calor se genera realmente dentro de la pieza de trabajo. Esto puede ser contrastado con otros métodos de calentamiento donde el calor se genera en un elemento de llama o calentamiento, que se aplica luego a la pieza de trabajo. Por estas razones calentamiento por inducción se presta a algunas aplicaciones únicas en la industria.
¿Cómo funciona el calentamiento por inducción?
Una fuente de energía eléctrica de alta frecuencia se utiliza para conducir una corriente alterna a través de una gran bobina. Esta bobina se conoce como la bobina de trabajo. Véase el contrario imagen. El paso de corriente a través de esta bobina genera un campo magnético muy intenso y cambiando rápidamente en el espacio dentro de la bobina de trabajo. La pieza de trabajo para ser calentado se coloca dentro de este campo magnético alterno intenso. Dependiendo de la naturaleza del material de la pieza de trabajo, un número de cosas suceden.
El campo magnético alterno induce un flujo de corriente en la pieza de trabajo conductora. La disposición de la bobina de trabajo y la pieza de trabajo pueden ser consideradas como un transformador eléctrico. La bobina de trabajo es como el principal donde se alimenta de energía eléctrica en, y la pieza de trabajo es como una sola vuelta secundaria que se cortocircuita. Esto provoca que las corrientes tremendas fluyan a través de la pieza de trabajo. Estas son conocidas como corrientes de Foucault.
Además de esto, la alta frecuencia usado en aplicaciones de calentamiento por inducción da lugar a un fenómeno llamado efecto de la piel. Este efecto de piel obliga a la corriente alterna a fluir en una capa fina hacia la superficie de la pieza de trabajo. El efecto de la piel aumenta la resistencia efectiva del metal para el paso de la corriente grande. Por lo tanto, aumenta en gran medida el efecto de calentamiento causado por la corriente inducida en la pieza de trabajo.
(Aunque el calentamiento debido a las corrientes de Foucault es deseable en esta aplicación, es interesante observar que los fabricantes de transformadores hacen grandes esfuerzos para evitar este fenómeno en sus transformadores. Laminadas núcleos de transformador, los núcleos de polvo de hierro y ferritas se usan para evitar que las corrientes de Foucault fluya dentro de núcleos de transformador. Dentro de un transformador el paso de las corrientes de Foucault es altamente indeseable porque causa el calentamiento del núcleo magnético y representa energía que se desperdicia.)
¿Qué es el calentamiento por inducción se utiliza?
El calentamiento por inducción se puede utilizar para cualquier aplicación donde se desea calentar un material eléctricamente conductor en una forma limpia, eficiente y controlada.
Una de las aplicaciones más comunes es para el sellado de las juntas de sabotaje contra la que están pegados a la parte superior de la medicina y las botellas de bebidas. Un sello de aluminio recubierta con "cola de fusión en caliente" se inserta en la tapa de plástico y se enrosca en la parte superior de cada botella durante la fabricación. Estos sellos de aluminio luego se calienta rápidamente, como las botellas de pasar por debajo de un calentador de inducción en la línea de producción. El calor generado se derrite el pegamento y sella el papel de aluminio sobre la parte superior de la botella. Cuando se quita la tapa, la lámina se mantiene proporcionando un sello hermético y evitar cualquier alteración o la contaminación de los contenidos de la botella hasta que el cliente atraviesa la lámina.
Otra aplicación común es el "despido getter" para eliminar la suciedad de los tubos de vacío, tales como los tubos de imagen de televisión, tubos de vacío, y varias lámparas de descarga de gas. Un anillo de material conductor llamado un "captador" se coloca dentro del recipiente de vidrio evacuado.
Dado que el calentamiento por inducción es un proceso sin contacto que puede ser utilizado para calentar el captador que ya está sellado dentro de un vaso. Una bobina de trabajo de inducción está situado cerca de la captador en la parte exterior del tubo de vacío y la fuente de CA está encendido. En cuestión de segundos desde el inicio del calentador de inducción, el captador se calienta al rojo vivo, y los productos químicos en su recubrimiento reaccionan con cualquier gas en el vacío. El resultado es que el captador absorbe cualquier últimas trazas restantes de gas dentro del tubo de vacío y aumenta la pureza del vacío.
Otra aplicación común para calentamiento por inducción es un proceso llamado purificación Zona utilizado en la industria de fabricación de semiconductores. Este es un proceso en el que el silicio se purifica por medio de una zona de movimiento de material fundido. Una búsqueda en Internet es seguro que suba más detalles sobre este proceso que sé muy poco.
Otras aplicaciones incluyen la fundición, soldadura y soldadura fuerte o metales. Las placas de inducción de cocina y ollas arroceras. Metal endurecimiento de munición, dientes de los engranajes, las hojas de sierra y árboles de transmisión, etc son también las aplicaciones más comunes debido a que el proceso de inducción calienta la superficie del metal muy rápidamente. Por lo tanto, se puede utilizar para endurecer la superficie, y el endurecimiento de las zonas localizadas
de piezas metálicas por "dejando atrás" la conducción térmica de calor más profundo en la parte o las áreas circundantes. La naturaleza sin contacto de calentamiento por inducción también significa que puede ser utilizado para calentar los materiales en aplicaciones analíticas sin riesgo de contaminación de la muestra. Del mismo modo, los instrumentos médicos de metal se pueden esterilizar por calentamiento a altas temperaturas, mientras que todavía están sellados dentro de un ambiente estéril conocida, con el fin de matar los gérmenes.
Lo que se requiere para el calentamiento por inducción?
En teoría sólo tres cosas son esenciales para la aplicación de calentamiento por inducción:
- Una fuente de energía eléctrica de alta frecuencia.- Una bobina de trabajo para generar el campo magnético alterno.- Un trabajo eléctricamente conductor pieza a calentar.
Habiendo dicho esto, la práctica los sistemas de calentamiento por inducción son generalmente un poco más complejo. Por ejemplo, una red de adaptación de impedancia a menudo se requiere entre la fuente de alta frecuencia y la bobina de trabajo con el fin de asegurar la transferencia de una buena potencia. Los sistemas de agua de refrigeración también son comunes en los calentadores de alta potencia de inducción para eliminar el calor residual de la bobina de trabajo, su red de adaptación y la electrónica de potencia. Finalmente algo de electrónica de control se emplea normalmente para controlar la intensidad de la acción de calentamiento, y el tiempo del ciclo de calentamiento para asegurar resultados consistentes. La electrónica de control también protege el sistema de ser dañado por un número de condiciones de operación adversas. Sin embargo, el principio básico de funcionamiento de cualquier calentador por inducción sigue siendo el mismo que el descrito anteriormente.
Horno de inducción
Un horno de inducción utiliza inducción para calentar el metal a su punto de fusión. Una vez fundido, el campo magnético de alta frecuencia también puede ser utilizado para agitar el metal caliente, que es útil para asegurar que las adiciones de aleación están completamente mezclados en la masa fundida. La mayoría de
los hornos de inducción constan de un tubo de anillos de cobre refrigerados por agua que rodean a un contenedor de material refractario. Los hornos de inducción se utilizan en las fundiciones más modernas como un método más limpio de la fusión de metales de un horno de reverbero o de cubilote. Los tamaños varían de un kilogramo de capacidad de una capacidad de cien toneladas. Los hornos de inducción a menudo emiten un zumbido agudo o un zumbido cuando se están ejecutando, en función de su frecuencia de operación. Metales fundidos incluyen hierro y acero, cobre, aluminios, y metales preciosos. Debido a que es un proceso limpio y sin contacto que puede ser utilizado en un vacío o en atmósfera inerte. Hornos de vacío hacer uso de calentamiento por inducción para la producción de aceros especiales y otras aleaciones que se oxidan si se calienta en presencia de aire.
Soldadura por inducción
Un estudio similar, a menor escala proceso se utiliza para la soldadura por inducción. Plásticos también se pueden soldar por inducción, si bien son dopado con cerámica ferromagnéticos (donde histéresis magnética de las partículas proporciona el calor necesario) o por las partículas metálicas.
Las costuras de los tubos se pueden soldar de esta manera. Las corrientes inducidas en un tubo de correr a lo largo de la costura abierta y calentar los bordes resultantes en una temperatura lo suficientemente alta como para la soldadura. En este punto los bordes de las uniones se hacen solidarios y la costura soldada se. La corriente de RF también puede ser transmitida al tubo por los cepillos, pero el resultado es el mismo - la corriente fluye a lo largo de la costura abierta, calentándolo.
El tratamiento térmico de inducción
El calentamiento por inducción se utiliza a menudo en el tratamiento térmico de artículos de metal. Las aplicaciones más comunes son la inducción endurecimiento de las piezas de acero, la inducción de soldadura / soldadura fuerte como un medio de unir componentes metálicos y la inducción de recocido para ablandar selectivamente un área seleccionada de una pieza de acero.
El calentamiento por inducción puede producir altas densidades de potencia que permiten tiempos cortos de interacción para alcanzar la temperatura requerida.
Esto le da un control estricto del patrón de calentamiento con la siguiente distribución del campo magnético aplicado muy de cerca y permite que la tasa de distorsión térmica y daños. Esta capacidad puede ser utilizado en el endurecimiento para producir piezas con propiedades variables. El proceso de endurecimiento más común es la de producir una superficie localizada endurecimiento de un área que necesita resistencia al desgaste, manteniendo la tenacidad de la estructura original, según sea necesario en otro lugar. La profundidad de los patrones de inducción endurecidos se puede controlar mediante la elección de tiempo de inducción de frecuencia, densidad de potencia y la interacción. Hay límites a la flexibilidad del proceso, principalmente derivados de la necesidad de producir inductores específicos para muchas aplicaciones. Esto es bastante caro y requiere la concentración de las altas densidades de corriente en los inductores de cobre pequeñas, que pueden requerir de ingeniería especializada y "cobre-montaje".
La soldadura por inducción es cuando dos o más materiales se unen entre sí por un metal de relleno que tiene un punto de fusión más bajo que los materiales de base utilizando calentamiento por inducción. En el calentamiento por inducción, materiales ferrosos generalmente se calientan rápidamente del campo electromagnético que es creado por la corriente alterna a partir de una bobina de inducción.
Inducción de forja se refiere al uso de un calentador por inducción para precalentar los metales antes de la deformación utilizando una prensa o martillo. Típicamente los metales se calientan a entre 1.100 ° C (2.010 ° F) y 1.200 ° C (2.190 ° F) para aumentar su maleabilidad y el flujo de ayuda en la matriz de forjado.
Inducción Billet
En el calentador de inducción tocho la totalidad de la palanquilla o lingote se calienta. Normalmente, para palanquillas cortas o babosas de una tolva o recipiente se utiliza para presentar de forma automática los palanquillas de acuerdo a pellizcar las unidades de la cadena de rodillos, impulsados por tractores o en algunos casos empujadores neumáticos. Las palanquillas son entonces impulsado a través de la bobina uno detrás del otro en los carriles refrigerados por agua o revestimientos cerámicos se utilizan a través del orificio de la bobina que reducen la fricción y evitar el desgaste. La longitud de la bobina es una función del tiempo de inmersión requerido, el tiempo de ciclo por componente y la longitud de
la palanquilla. El elevado volumen de trabajo de gran sección transversal, no es raro tener 4 o 5 bobinas en serie para dar 5 m (16 pies) de la bobina o más.
