Aparatos Electromagnéticos y su Funcionamiento

Aparato Electromagnético de Cuadro Móvil

Consta de un imán permanente fijo en la carcasa del aparato y de una bobina en forma de cuadro colocada entre los dos polos del imán. Esta bobina va montada sobre un eje para que pueda girar libremente sobre sus ejes. Solidaria con la bobina de cuadro está la aguja que se mueve dentro de un sector graduado. Las divisiones de este sector son proporcionales a la cantidad de corriente que pasa por la bobina de cuadro.

La bobina de cuadro, al ser móvil, necesita que haya una unión del principio y el final de la bobina con la parte estática. Esta unión se hace a través de dos conductores en forma de muelle, que a la par que comunican la corriente, sirven de muelles antagonistas, que amortiguan las oscilaciones de la aguja. La aguja tiene un pequeño brazo en forma de cruz, donde se colocan unos contrapesos para equilibrar la aguja. En el cristal de protección, y sobre el mismo eje de la aguja, hay un tornillo con una leva excéntrica que, girándolo con gran cuidado, sirve para colocar la aguja en el cero de inicio de lectura. Este ajuste solo es preciso hacerlo la primera vez que se coloca el instrumento en el cuadro de medida; no conviene tocarlo mucho porque se puede estropear si no se hace siempre con sumo cuidado.

A fin de aumentar la fuerza del campo magnético, dentro de la bobina de cuadro se coloca un cilindro de hierro dulce, que no se representa en la figura. Los aparatos de cuadro móvil requieren que, para que se produzca el efecto de desplazamiento de la aguja, la corriente que circule por la bobina sea continua y siempre en el mismo sentido. Es decir, que los bornes del aparato de medida tienen que ir marcados con la polaridad de entrada de corriente con el signo +. En caso de equivocación, el desvío de la aguja se produce hacia el lado contrario de la escala graduada.

Aparato Electromagnético de Hierro Móvil

La parte fija la constituye una bobina, en cuyo interior va alojada y soldada una lámina curvada de hierro dulce. La parte móvil la forma la segunda lámina de hierro dulce, que va unida al eje de acero a la aguja indicadora. Al circular corriente por la bobina, las dos paletas se imanan con la misma polaridad y, por tanto, se repelen entre sí, obteniéndose una fuerza proporcional a la intensidad de la corriente.

La fuerza antagonista, opuesta a la fuerza activa de repulsión entre las paletas, se obtiene por medio de un contrapeso, lo que tiene la ventaja de no depender de un resorte, que con el tiempo pierde elasticidad. Este sistema se utiliza con ventaja en los cuadros de distribución, en los que la posición de funcionamiento permanece invariable para siempre una vez nivelado en el momento de su colocación. Cuando se utiliza de tipo portátil, el par antagonista se logra por medio de resortes.

Para evitar las oscilaciones de la aguja, existe una pieza en forma de pala, solidaria con la aguja. Esta pala se mueve dentro de una caja cerrada sin rozamiento, pero al ser cerrada, el movimiento de la pala comprime el aire, lo que amortigua las oscilaciones de la aguja.

Aparato Electrodinámico

Estos aparatos tienen dos bobinas: una fija de hilo grueso y otra móvil de hilo fino, colocada esta en el interior de la bobina fija. Cuando circula corriente por las bobinas, el campo creado por la bobina fija H1 y el creado por la bobina H2 de la bobina móvil se orientan de manera que coinciden sus campos magnéticos (Figura 5). Cuando la aguja se mueve en el sentido f, un par antagonista de dos muelles en espiral se opone a este movimiento, quedando en equilibrio la bobina y con ella la aguja, cuando se compensa la acción recíproca entre las bobinas y el par de fuerza magnética. Son aparatos poco empleados, se usan exclusivamente como vatímetros en corriente alterna.

Aparato Térmico

Se basan en el principio de que todos los conductores, al calentarse, se dilatan, y que esta dilatación es proporcional al calor. Como el calor, según la Ley de Joule, es proporcional al cuadrado de la corriente, da lo mismo el sentido de la corriente y la naturaleza de esta.

Los alargamientos son siempre muy pequeños, de manera que las diferencias entre unos y otros tipos están en la forma de utilizar este alargamiento. Como tipo base de todos ellos se utiliza el de la figura 4, con un hilo en los puntos A y B, sobre el cual se enrolla debidamente aislado el conductor a b para que se caliente al circular la corriente y se produzca el alargamiento. El movimiento del hilo se transmite a la aguja por medio de un hilo que se enrolla sobre una polea colocada en el mismo eje del giro de la aguja indicadora. Un resorte, que acciona también una polea sobre el citado eje, mantiene siempre en extensión el hilo de transmisión.

Estos aparatos no tienen amortiguador, pues su movimiento es lento, lo que a veces puede ser un inconveniente. Sin embargo, el principal defecto es su gran consumo necesario para calentar el conductor. Para que no se vea afectada la longitud entre los puntos A y B, todos los materiales que intervienen en la construcción del aparato son de igual coeficiente de dilatación, para que todos sufran la misma dilatación. La principal ventaja de este tipo de aparato es que no le afectan los campos magnéticos exteriores.

Aparatos de Inducción y Electrostáticos

Además de los aparatos indicados, existen otros basados en el hecho de que dos conductores aislados uno del otro se atraen o se repelen al estar electrizados. Son los aparatos electrostáticos y los de inducción, por cuyo motivo les afectan mucho los agentes exteriores, y sus indicaciones no son muy precisas.

La principal ventaja es la de poder medir directamente altas tensiones sin necesidad de transformadores de tensión, por lo que casi exclusivamente se utilizan como indicadores de tierra. No son muy estables y se desarreglan con sobretensiones.

Los voltímetros, que se colocan entre un conductor de ida y otro de vuelta, tienen como preocupación principal que no se desvíe mucha corriente por ellos, por lo que sus bobinas se construyen con hilo muy fino y de muchas vueltas a fin de ofrecer una gran resistencia al paso de la corriente. En cambio, los amperímetros, que se colocan en serie con la carga a medir, tienen como principal precaución que no produzcan caída de tensión. Para ello, el aparato se construye con hilo muy grueso y de pocas espiras, para que la resistencia del aparato sea prácticamente nula.

Voltímetro de Cuadro Móvil

Para que la bobina de cuadro pueda girar, es preciso que tenga poco peso, por lo que la intensidad de corriente debe ser limitada. Suele llevar en serie con el cuadro resistencias bobinadas. La conexión del voltímetro puede ser cualquiera de las indicadas en la figura 12.

Amperímetro de Cuadro

Los amperímetros de cuadro se pueden conectar directamente, siempre que la corriente sea de poca intensidad, porque al ser su bobina tan fina, ni siquiera soporta un amperio. Por lo que trabajan con resistencias en paralelo con la bobina de cuadro. Esta resistencia va montada en el interior del aparato.

Esta resistencia interior es independiente de otra que se pone fuera, a la que se llama Shunt (figura 16). En la figura 15 se muestran las tres formas de conectar el amperímetro: directo, con Shunt o usando un transformador de intensidad.

Voltímetro de Hierro Móvil

Al ser la bobina de mayores dimensiones, por lo general, no necesita la resistencia en serie. Se puede conectar directamente a la red, pero debe protegerse con cortacircuito, ya que en caso de que se produzca un fallo de aislamiento, se produciría un cortocircuito en la entrada de corriente que podría ocasionar una avería muy importante.

Por lo general, el voltímetro se coloca siempre con un interruptor para tenerlo desconectado la mayor parte del tiempo. Tan solo se conecta en el momento de proceder a su lectura. A veces incluso se coloca un pulsador en vez de interruptor. Lo más normal es que se coloque un conmutador de varias posiciones para medir entre las distintas fases, o entre las distintas fases más el neutro, y posición de apagado.

En la figura 17 se ve un voltímetro de hierro móvil y un conmutador de voltímetro de siete posiciones. En la figura 14, el voltímetro lleva incorporado el conmutador sobre el cristal protector del aparato.

Amperímetro de Hierro Móvil

Se construyen con hilo muy grueso, capaz de soportar hasta un 300 % la intensidad máxima permitida. No necesitan protección, se conectan permanentemente y uno por cada fase (Figura 19).

Voltímetro Electrodinámico

Cuando se construye como voltímetro, la bobina móvil se coloca en serie con la fija, añadiendo además una resistencia para limitar la intensidad de corriente (Figura 17).

Amperímetro Electrodinámico

Para hacerlo funcionar como amperímetro, la corriente de la bobina móvil se logra mediante una desviación del circuito, según la figura 22.

Vatímetro

Vatímetros Electrodinámicos

Basado en el mismo principio que el voltímetro y amperímetros electrodinámicos, lleva dos bobinas: una fija y otra móvil, la fija de hilo grueso y la móvil de hilo fino.

Haciendo que la corriente que circula por la bobina fija sea atravesada por la corriente del circuito a medir, y que la corriente de la bobina móvil sea proporcional a la tensión de dicho circuito, el ángulo de giro de la bobina móvil será proporcional al producto de ambas, y por ello, la potencia consumida por el circuito.

Los esquemas de la figura 24 son de tres formas diferentes de conectar los vatímetros monofásicos:

• Conectado de forma directa.
• Con transformador de intensidad y toma de tensión.
• Con transformador de intensidad y transformador de tensión.

Fasímetro

Los aparatos que determinan directamente el valor de cos φ se llaman fasímetros. Son de tipo electrodinámico, con una bobina fija, recorrida por la intensidad de corriente y otras dos móviles y solidarias entre sí formando ángulo recto. Una de las bobinas se une a la tensión en serie con una resistencia y la otra en serie con una autoinducción.

Amperímetro de Máxima Lectura

Lleva una aguja indicadora de color rojo que es arrastrada por la aguja normal. Cuando el consumo baja, desciende la aguja normal (negra), quedando señalada la lectura máxima hasta que se actúa sobre el botón.

Amperímetro de Máxima con Contacto

Además de la aguja de máxima lectura, lleva una segunda aguja para que cuando el consumo llegue a este tope, se cierre un contacto, con una luz testigo que se enciende.

Amperímetro Doble

Uno electromagnético y otro de máxima. Lleva dos agujas opuestas y dos escalas en una única carátula; una aguja se mueve por debajo y la otra en un nivel superior.

Voltímetro con Contacto de Máxima y Mínima

(Figura 34) Siempre que se alcance el voltaje máximo (posicionado mediante regulador), se encenderá el piloto de máxima. Cuando baje la tensión de la posición establecida, se encenderá el piloto de mínima. Son voltímetros especiales para grupos electrógenos y normalmente estarán siempre conectados, sin interruptor de apagado.

Frecuencímetro

Existen dos tipos: de vibración y analógicos. Los de vibración consisten en una serie de láminas con su extremidad pintada de blanco para mejor visualización. Colocadas las láminas cerca de un electroimán, la lámina que coincide con la frecuencia del electroimán se pone en vibración, indicando la lectura.

El sistema de funcionamiento vibrante solo se usa en los frecuencímetros, pero los frecuencímetros no son todos de sistema vibrante; también existen los electrónicos.