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. 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.
Al ser móvil la bobina de cuadro, necesita una unión del principio y el final de la bobina con la parte estática. Esta unión se realiza a través de dos conductores en forma de muelle que, a la vez 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 equilibrarla. 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, los bornes del aparato de medida tienen que llevar marcada 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 una segunda lámina de hierro dulce, que va unida al eje de acero y a la aguja indicadora.
Al circular corriente por la bobina, las dos láminas (o 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 láminas, se obtiene por medio de un contrapeso. Esto 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, donde la posición de funcionamiento permanece invariable una vez nivelado el aparato en el momento de su colocación. Cuando se utiliza como instrumento portátil, el par antagonista se logra por medio de resortes.
Para evitar las oscilaciones de la aguja, existe una pieza en forma de pala amortiguadora, solidaria con la aguja. Esta pala se mueve dentro de una caja cerrada sin rozamiento; al ser cerrada, el movimiento de la pala comprime el aire, con lo que se amortiguan 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 última 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 móvil (H2) se orientan de manera que sus campos magnéticos coincidan (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 y se usan casi exclusivamente como vatímetros en corriente alterna.
Aparato Térmico
Se basan en el principio de que todos los conductores, al calentarse, se dilatan. Esta dilatación es proporcional al calor y, como el calor (según la Ley de Joule) es proporcional al cuadrado de la corriente, el sentido de la corriente y la naturaleza de esta (continua o alterna) son indiferentes.
Los alargamientos son siempre muy pequeños, de manera que las diferencias entre unos y otros tipos radican en la forma de utilizar este alargamiento. Como tipo base de todos ellos, se utiliza el de la figura 4, con un hilo tensor entre los puntos A y B. Sobre este hilo se enrolla, debidamente aislado, el conductor (a-b) que se calienta al circular la corriente, produciendo el alargamiento. El movimiento del hilo se transmite a la aguja por medio de otro hilo que se enrolla sobre una polea colocada en el mismo eje de giro de la aguja indicadora. Un resorte, que acciona también una polea sobre el citado eje, mantiene siempre en tensión el hilo de transmisión.
Características Principales
- Desventajas:
- No tienen amortiguador, pues su movimiento es lento, lo que a veces puede ser un inconveniente.
- Su principal defecto es el gran consumo necesario para calentar el conductor.
- Consideraciones de diseño: Para que no se vea afectada la longitud entre los puntos A y B por cambios de temperatura ambiente, todos los materiales que intervienen en la construcción del aparato son de igual coeficiente de dilatación, para que todos sufran la misma dilatación.
- Ventaja principal: No les afectan los campos magnéticos exteriores.
Aparatos de Inducción y Electrostáticos
Además de los aparatos indicados, existen otros basados en el principio de que dos conductores aislados entre sí se atraen o se repelen al estar electrizados. Estos son los aparatos electrostáticos y los de inducción.
Características y Aplicaciones
- Desventajas: Les afectan mucho los agentes exteriores y sus indicaciones no son muy precisas. No son muy estables y se desajustan con sobretensiones.
- Ventaja principal: Pueden medir directamente altas tensiones sin necesidad de transformadores de tensión, por lo que se utilizan casi exclusivamente como indicadores de tierra.
Consideraciones Generales sobre Voltímetros y Amperímetros
Independientemente del tipo de aparato, existen consideraciones generales para su diseño según su función:
- Voltímetros: Se colocan en paralelo (entre un conductor de ida y otro de vuelta). La preocupación principal es que no desvíen mucha corriente. Por ello, sus bobinas se construyen con hilo muy fino y de muchas vueltas, a fin de ofrecer una gran resistencia al paso de la corriente.
- Amperímetros: Se colocan en serie con la carga a medir. La principal precaución es que no produzcan una caída de tensión significativa. 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. Suelen 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 Móvil
Los amperímetros de cuadro se pueden conectar directamente solo si la corriente es de poca intensidad, porque al ser su bobina tan fina, a menudo no soporta ni un amperio. Por ello, trabajan con resistencias en paralelo con la bobina de cuadro, conocidas como shunts.
Esta resistencia shunt puede ir montada en el interior del aparato o ser una resistencia externa (figura 16).
En la figura 15 se muestran las tres formas de conectar el amperímetro:
- Directo.
- Con shunt.
- Usando un transformador de intensidad.
Voltímetro de Hierro Móvil
Al ser la bobina de mayores dimensiones, por lo general no necesita resistencia en serie y se puede conectar directamente a la red. Sin embargo, debe protegerse con un cortacircuito, ya que un fallo de aislamiento podría producir un cortocircuito en la entrada de corriente, ocasionando una avería importante.
Generalmente, el voltímetro se instala con un interruptor para mantenerlo desconectado la mayor parte del tiempo, conectándolo solo al momento de la lectura. A veces se usa un pulsador en vez de un interruptor. Lo más común es un conmutador de varias posiciones para medir entre las distintas fases, o entre las distintas fases más el neutro, incluyendo una posición de apagado.
En la figura 17 se observa 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% de la intensidad máxima permitida. No necesitan protección, se conectan permanentemente y se instala 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 en serie para limitar la intensidad de corriente (Figura 17).
Amperímetro Electrodinámico
Para que funcione como amperímetro, la corriente para la bobina móvil se obtiene mediante una derivación (shunt) del circuito principal, según la figura 22.
Vatímetro
Vatímetros Electrodinámicos
Basados en el mismo principio que los voltímetros y amperímetros electrodinámicos, llevan dos bobinas: una fija de hilo grueso (bobina amperimétrica) y otra móvil de hilo fino (bobina voltimétrica).
La corriente del circuito a medir atraviesa la bobina fija. La corriente de la bobina móvil es proporcional a la tensión de dicho circuito. De esta forma, el ángulo de giro de la bobina móvil será proporcional al producto de ambas magnitudes (corriente y tensión) y, por lo tanto, a la potencia consumida por el circuito.
Los esquemas de la figura 24 muestran tres formas diferentes de conectar los vatímetros monofásicos:
- Conexión directa.
- Con transformador de intensidad y toma directa de tensión.
- Con transformador de intensidad y transformador de tensión.
Fasímetro (Cosímetro)
Los aparatos que determinan directamente el valor del factor de potencia (cos φ) se llaman fasímetros o cosímetros. Son de tipo electrodinámico, con una bobina fija recorrida por la intensidad de corriente y otras dos bobinas móviles solidarias entre sí, formando un ángulo recto. Una de las bobinas móviles se conecta a la tensión en serie con una resistencia, y la otra en serie con una autoinducción (bobina de inductancia).
Instrumentos con Indicaciones Especiales
Amperímetro de Máxima Lectura
Lleva una aguja indicadora adicional (generalmente de color rojo) que es arrastrada por la aguja normal de medición. Cuando el consumo disminuye, la aguja normal (negra) desciende, pero la aguja de máxima permanece indicando el valor más alto alcanzado hasta que se restablece manualmente mediante un botón.
Amperímetro de Máxima con Contacto
Además de la aguja de máxima lectura, incorpora un contacto ajustable. Cuando el consumo alcanza este valor preestablecido, se cierra un contacto eléctrico, que puede activar una señal, como una luz testigo.
Amperímetro Doble (Electromagnético y de Máxima)
Este instrumento combina en una única carátula dos sistemas de medición con dos agujas opuestas y dos escalas. Una aguja puede indicar la corriente instantánea (electromagnética) y la otra la corriente máxima.
Voltímetro con Contacto de Máxima y Mínima (Figura 34)
Este tipo de voltímetro activa señales cuando la tensión alcanza valores preestablecidos:
- Se enciende un piloto de máxima cuando se alcanza el voltaje máximo (posicionado mediante un regulador).
- Se enciende un piloto de mínima cuando la tensión baja de una posición establecida.
Son voltímetros especiales, comúnmente utilizados en grupos electrógenos, y normalmente están siempre conectados, sin interruptor de apagado.
Frecuencímetro
Existen principalmente dos tipos: de vibración y analógicos (electrónicos).
Frecuencímetros de Vibración
Consisten en una serie de láminas metálicas (lengüetas), cada una calibrada para vibrar a una frecuencia específica. La extremidad de cada lámina suele estar pintada de blanco para mejor visualización. Al colocar estas láminas cerca de un electroimán alimentado por la corriente cuya frecuencia se desea medir, la lámina cuya frecuencia natural coincide con la frecuencia de la corriente entra en resonancia (vibración máxima), indicando así la lectura.
Consideraciones Adicionales
El sistema de funcionamiento vibrante es característico de un tipo de frecuencímetro, pero no todos los frecuencímetros son de sistema vibrante; también existen modelos electrónicos (analógicos o digitales) que utilizan otros principios.