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La Energía eléctrica (1902-05-10 00:00:00), página 1

La Energía Eléctrica
REVISTA GENERAL DE ELECTRICIDAD Y SUS APLICACIONES
PUBLICACIÓN QUINCENAL ILUSTRADA

SUMARIO
Notas sobre tracción eléctrica, por Rafael Torres Maríño.—El acoplamiento de alternadores (conclusión), por Luis León y Núñez.—Electrógrafo de Lancetico, por Sancho López López.—Motores ó generatrices asincrónos, sin diferencia de fases, para las aplicaciones industriales, por Luis F. de Parga.—Cálculo detallado de una dinamo Compound de corriente continua (conclusión), por David Blumenthal.—Bibliografía.—Crónica científica: Toma de corriente por contactos superficiales sistema Maxam.—Una nueva materia aisladora, la «Dialita».—Información.—España Automóvil: Estudio de las trepidaciones en los carros de automóviles.

NOTAS SOBRE TRACCIÓN ELÉCTRICA

I.—Cuestión económica.

Esta cuestión no atañe en lo general directamente al Ingeniero; pero de tal manera está entrelazada con la técnica, que no es posible tratar ésta sin ocuparse también de aquélla. En la práctica es á menudo el Ingeniero quien, abrazándolas ambas, puede con acierto juzgar de la una y de la otra.

Que antes de construir un tranvía eléctrico ó de cambiar en un tranvía ya establecido la tracción animal por la eléctrica, conviene examinar detenidamente las probabilidades que haya de que la empresa dé buen resultado, es una verdad de Perogrullo, é innecesario sería recordarla, si no fuera que cuando un país es presa de la fiebre de los negocios en algún ramo, esta verdad se echa en olvido, como muchas veces ha sucedido en los Estados Unidos; el éxito admirable de algunas empresas deslumbra á las gentes que ciegamente se lanzan en pos de otras del mismo género, sin pensar que lo que en una ciudad ó comarca es oportuno, en otra puede ser extemporáneo; que lo que aquí llevó á la fortuna, allá puede conducir á la ruina.

Pensamos por lo dicho que será útil dar á conocer á nuestros lectores algunos resultados generales de las empresas de tranvías urbanos; resultados que, aunque se refieren á los Estados Unidos de América, pueden servir para otros países, si se aplican con discernimiento.

Los motivos principales del éxito de los tranvías eléctricos en los Estados Unidos y del gran desarrollo que allí ha alcanzado este sistema de tracción, son que los americanos del Norte gustan mucho de andar de prisa y no se preocupan de hacer pequeñas economías. Dominados por las dos ideas de que el fin ó objetivo de la vida es ganar dinero y de que el tiempo vale dinero, quieren aprovechar, hasta donde sea posible, este fugitivo tiempo, que tan fácilmente se escapa; por otro lado, ningún tiempo parece tan perdido como el que se emplea en trasladarse de un punto á otro, cuando el objeto del traslado no es el placer del traslado mismo, como acontece en los viajes; de aquí el que los preocupe vivamente el andar de prisa; el que encuentren lentos todos los vehículos, y el que uno de sus estudios principales sea el aumentar la velocidad de los tranvías, ferrocarriles, barcos, etc. Reciente está la victoria en la bahía de Nueva York del yate americano Columbia sobre el inglés Shamrock II; ¿y quién no admira el hecho inaudito de que
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máquinas de pequeña velocidad con acoplamiento directo á máquinas de vapor, en las cuales la influencia de las irregularidades es muy conocida á causa de las grandes dificultades que presenta la marcha en paralelo, y los pesados volantes que se precisan, á fin de evitarlas.

Es de presumir también que las generatrices de este género podrán ser, por un procedimiento semejante, tan fácilmente compensadas como las máquinas de corriente continua para tensión constante y carga variable, así como para decalajes variables en la red.

LUIS F. DE PARGA
Jefe de la Armada.
Ferrol 1.º de Febrero de 1902.

Cálculo detallado de una dinamo Compound de corriente continua.

(CONCLUSIÓN)

CONOCEMOS ahora todos los datos eléctricos de la dinamo en cuestión; para acabar los cálculos aún hemos de averiguar si las condiciones de recalentamiento durante el servicio normal serán admisibles.

El ya citado electricista alemán, Gisbert Kapp, ha establecido fórmulas empíricas para el recalentamiento, fundamentadas sobre observaciones prácticas. Esas fórmulas se han comprobado ser muy suficientes y seguras.

La pérdida por efecto Joule a en las bobinas del campo, se calcula mediante la fórmula

\[
a = i^2 \times r_a + I^2 r_n = 6^2 \times 100 + 295^2 \times 0,01 = 4.470 \text{ vatios},
\]

ó 447 vatios por bobina. Claro es que estos 447 vatios aparecen en forma de calor. La temperatura de las bobinas va á elevarse por cima de la temperatura del aire ambiente, y esta elevación es inversamente proporcional á la superficie refrigerante o del carrete. Fijadas ya todas las dimensiones de las bobinas excitatrices, fácilmente se conoce la superficie refrigerante, es decir, la parte bañada por el aire ambiente. Esta superficie será \( o = 8.400 \) centímetros cuadrados.

Para cada vatio perdido disponemos, pues, de una superficie

\[
o = \frac{8.400}{477} \cong 19 \text{ c. c.}
\]

Según los ensayos de Kapp, la elevación \( t \) de la temperatura es expresada por la fórmula

\[
t = \frac{300}{o} = \frac{300}{19} \cong 16 \text{ centígrados},
\]

valor admisible por quedar muy lejos del máximo de 40°.

No se necesita atender á las sobrecargas, porque no aparecen sino momentáneamente, lo que no influencia esencialmente en la elevación de temperatura.

Hay todavía que hacer las mismas consideraciones para la armadura. Las pérdidas en una armadura son de doble naturaleza: las pérdidas por histeresis y corrientes de Foucault en el núcleo de hierro, y las pérdidas por efecto Joule en el arrollamiento.

Sabido es que la imantación del hierro exige gasto de trabajo. Magneticemos un núcleo de hierro mediante la corriente eléctrica, y aumentemos esta última hasta la saturación completa del hierro. Entonces disminuimos la intensidad de corriente hasta volver á cero, invertamos la dirección de corriente de modo que la polaridad se cambie, reforcemos la corriente hasta que el núcleo se haya saturado otra vez, y reduzcamos entonces la corriente á cero. Hemos ejecutado lo que se llama un ciclo magnético. Intercalando un vatímetro en el circuito y comparando la
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Detalles de la dinamo Compound de corriente continua.

Papel con los casquillos polares.
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energía \( A_1 \) acusada por el aparato, con la energía \( A_2 \) consumida por el solo efecto Joule (1), hallamos que \( A_1 \) es superior á \( A_2 \). Examinando con atención, descubriremos que el núcleo se ha calentado, é inferimos lógicamente que la diferencia \( A_1 - A_2 \) ha sido absorbida por el hierro y vuelve á aparecer en forma de calor.

En efecto, cada ciclo magnético requiere cierto gasto de energía eléctrica. Se atribuye este fenómeno, llamado histeresis, á una especie de inercia ó fricción interna de las moléculas, las cuales cambian continuamente su posición relativa durante la imantación. Depende la pérdida

por histeresis: del valor máximo, de la inducción magnética, del número de ciclos por segundo y del peso del hierro sometido á la imantación.

La segunda pérdida en el núcleo está ocasionada por las corrientes Foucault, producidas por las diferencias de potencial en las distintas partes del hierro. Para debilitar estas corrientes parásitas todo lo posible, es costumbre general confeccionar el núcleo de las armaduras de chapas delgadas y aisladas entre sí, lo que aumenta considerablemente la resistencia de los caminos de estas corrientes perjudiciales. De tal manera, la pérdida por las corrientes Foucault es casi despreciable, frente á la mucho más grande por histeresis.

En toda dinamo ó motor, ya sea de corriente continua ó alterna, el hierro de la armadura está sometido á continuos ciclos magnéticos, porque cada punto de la armadura cambia incesantemente su situación con respecto á los polos. El punto ha efectuado un ciclo completo, habiéndose movido del centro de cierto polo, hasta el centro del polo próximo homónimo. Nuestra

(1) Podemos medir \( A_2 \) mediante un amperímetro registrador, si conocemos además la resistencia \( r \) de la bobina excitadora; \( A_2 = \Sigma I^2 \times r \).
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dinamo tiene 10 polos y hace 150 revoluciones por minuto. Será, por esto, el número \( \pi \) de los ciclos por segundo:

\[
\pi = \frac{10}{2} \times \frac{150}{60} = 12.5.
\]

El eminente Kapp ha establecido, por vía de ensayo, curvas, permitiéndonos obtener en

Commutador.

seguida las pérdidas por histeresis y corrientes de Foucault. Nos suministran estas curvas una pérdida de 12 vatios por kilogramo del núcleo, si los ciclos son 100 por segundo; y siendo el

Conductores de la armadura con los enlaces laterales.

Taladro para la armadura.

peso total del núcleo de 16 × 0 kilogramos y proporcionales las pérdidas por histeresis y el número de ciclos, hemos de multiplicar por \( \frac{12.5}{100} = 0.125 \).

En consecuencia, las pérdidas S en el hierro serán:

\[
S = 12 \times 0.125 \times 1.640 = 2.460 \text{ vatios}.
\]
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Conviene observar que, además, hay una pequeña pérdida por corrientes de Foucault en las barras de cobre. No siendo accesible aquélla al cálculo, debe apreciarse experimentalmente por 1 por 100 \( \cong 1,500 \) vatios de la fuerza total de la generatriz.

Quedan todavía las pérdidas \( e \) por efecto Joule en el arrollamiento:

\[
e = 301^4 \times 0,04 = 3,620 \text{ vatios}.
\]

La pérdida total en la armadura convertida en calor se compone de

\[
2,460 + 3,620 + 1,500 = 7,500 \text{ vatios}.
\]

La superficie refrigerante del tambor es de 41.000 centímetros cuadrados, ó \( \frac{41.000}{7.500} = 5,5 \) centímetros cuadrados por cada vatio cambiado en calor. La rotación de la armadura hace evidentemente más eficaz la refrigeración. La velocidad de la periferia es de 11,8 metros por segundo, y una fórmula empírica de Kapp nos enseña á calcular la elevación \( t \) de la temperatura.

\[
t = \frac{550}{0 (1 + 0,1 v)}
\]

En nuestro caso tendremos \( t = 46^\circ \), valor admisible, teniendo en cuenta la circulación eficaz del aire á través de los espacios vacíos entre los paquetes de hierro.

Será de alto interés, finalmente, conocer el rendimiento eléctrico de nuestra maquina. El cuadro siguiente contiene reunidas todas las pérdidas:

    Arrollamiento de la armadura
    301^4 \times 0,04
    = 3,620 vatios.

    Campo en serie
    295^2 \times 0,01
    = 870 —

    — en derivación
    6^2 \times 100
    = 3,600 —

    Núcleo de la armadura
    12 \times 0,125 \times 1,640
    = 2,460 —

    Corrientes de Foucault en las barras de la armadura

    = 1,500 —

    Pérdidas Totales
    12,050 vatios.

El rendimiento eléctrico \( \eta \) será, por tanto:

\[
\eta = \frac{189,05}{177} \cong 0,94,
\]

lo que satisface á las pretensiones modernas de la práctica en máquinas de parecida fuerza. Se supuso al principio un rendimiento de 0,91, en cuya cifra van incluidas las pérdidas mecánicas en los cojinetes y las ocasionadas por el rozamiento de la armadura en el aire.

Son disponibles por consiguiente, todavía, las 3 por 100 de la fuerza total para las pérdidas mecánicas.

Acompaño diferentes croquis detallados de la generatriz, los cuales he dibujado durante mis estudios en la Escuela Politécnica. Creo poder renunciar á añadir palabras aclaratorias, por indicar los dibujos claramente todas las partes de la máquina.

David Blumenthal,
Ingeniero de la Sociedad anónima de electricidad, antes Schucker y Compañía, Colonia (Alemanis).
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ESPAÑA AUTOMOVIL

Estudio de las trepidaciones en los carruajes automóviles.

Las desigualdades del terreno y la marcha del motor dan lugar á las trepidaciones que se notan en la marcha de los vehículos automóviles. Le Genie Civil, en sus números del 7 y 14 de Diciembre último, estudia el asunto con alguna detención, y de él extractamos los datos que siguen: El estudio referido se limita á las trepidaciones originadas por la marcha del motor, toda vez que las desigualdades del terreno influyen por igual en toda clase de carruajes.

Bajo dos formas distintas se ejercen los esfuerzos parásitos originados por la marcha del motor.

1.a En forma de esfuerzos de inercia procedentes, sea de las piezas de un movimiento rectilíneo, sea de las de movimiento circular.

2.a En forma de reacciones directas debidas á las fuerzas que se ejercen en el conjunto de los órganos de transmisión.

Esfuerzos de inercia.—Los esfuerzos de inercia pueden dar por sí mismos cinco géneros de trepidaciones distintas, teniendo respectivamente por causa:

1.º Los esfuerzos en la dirección del movimiento de los pistones (estos esfuerzos son debidos á los pistones y á las piezas solidarias de ellos).

2.º Los esfuerzos normales á los precedentes y al árbol de la máquina (debidos á las bielas).

3.º Los esfuerzos centrífugos (manivelas, contrapesos, etc.)

4.º Los pares debidos á los esfuerzos precedentes.

5.º En fin, los pares debidos á la inercia de los volantes y, en general, á las piezas de movimiento circular.

Consideremos (fig. 1.a) una partícula pesada, de masa \( m \), situada sobre la biela de un motor y á una distancia \( a \) del pie de la biela. Sean \( \omega \) la velocidad angular del motor, \( l \) la longitud de la biela, \( r \) el rayo de la manivela y \( \varphi \) el ángulo que forma la manivela con el eje del cilindro prolongado.

El cálculo da para valor exacto de la aceleración la expresión

\[
\frac{d^2 y}{dt^2} = -r \omega^2 \left( \cos x + \frac{m^2 \cos^2 x + \sin^2 x}{(m^2 - \sin^2 x)} \cdot \frac{3}{2} \right)
\]

expresión que tiene el inconveniente de ser un poco complicada para el uso práctico. Generalmente se prefiere la fórmula que ahora daremos y que no es completamente exacta, pero cuyo error, con las dimensiones ordinarias de la biela, no es más que de \( \frac{1}{100} \), teniendo la ventaja de hacer resaltar mucho mejor la forma del movimiento.

La distancia OP del pie de la biela al eje es

\[
OP = r \cos \varphi + l \cos \theta,
\]

y como

\[
r \sin x = l \sin \theta
\]

se tiene aproximadamente

\[
\cos \theta = 1 + \frac{r^2}{4 l^2} (\cos r x - 1)
\]

y por tanto

\[
OP = r \cos x + \frac{r^2}{4 l} \cos r x - \frac{r^2}{4 l}
\]
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la misma proporción quedarán reducidos los errores de equilibrio. El peso de los pistones y de las bielas debe, pues, reducirse al mínimo.

Esta observación no tiene, por otra parte, razón de ser sino en lo concerniente á las fuerzas de inercia, pues las fuerzas generales que juegan en la máquina pueden reducirse por el empleo de los pistones pesados. Durante el fin del período de compresión y durante el comienzo del período de explosión, es decir, en el momento que las fuerzas interiores son máximas, los esfuerzos de inercia se verifican en sentido inverso al de la presión sobre el pistón y disminuyen en la misma proporción la compresión de la biela y de la flexión del árbol.

Un modo de representación debido á M. Towle demuestra perfectamente ese resultado, al mismo tiempo que proporciona indicaciones útiles para el estudio de las dimensiones de los órganos de los motores. Consiste (fig. 2) en llevar frente al diagrama ordinario A. B. C. D. la curva de los esfuerzos de inercia II' y á deducir el diagrama resultante que da los esfuerzos reales sobre el pistón. Sobre la figura hemos tomado como ejemplo el motor de 90 milímetros á 800 vueltas del cual ya hemos hablado.

El procedimiento más sencillo de equilibrio (y quizá el más antiguo) consiste en formar el
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motor con dos cilindros paralelos cuyos pistones obren sobre manivelas á 180° una de otra, como indica esquemáticamente la fig. 3. Hemos trazado (fig. 4) el diagrama de los esfuerzos de inercia que corresponden á ese caso, suponiendo siempre el mismo motor que anteriormente. La curva más gruesa representa el esfuerzo resultante; su frecuencia es doble, puesto que resulta del término en cos \(2\varphi\).

El equilibrio no es completo; á cada extremidad de la carrera subsiste una fuerza igual á 59 kilogramos en el caso que hemos considerado; pero de todas maneras se ve que resulta una gran ventaja, puesto que con dos cilindros concordantes, un motor de la misma potencia hubiera dado un esfuerzo de \(178 \times 2 = 356\) kilogramos.

El resultado obtenido con la disposición de la fig. 3 es tanto más ventajoso cuanto que \(m\) es mayor, es decir, que la biela es más larga.

La influencia de la longitud de la biela resalta mejor del examen de la fig. 5, en la que se han llevado en función de \(m\), de una parte los coeficientes máximos de \(M_{w}r\) para un solo cilindro (curva superior) y de otra las diferencias máximas de esos coeficientes para un motor de dos cilindros. Toda vez que este último motor posee una potencia doble, se dividirán por dos las ordenadas de la curva inferior para que la comparación resulte exacta, obteniéndose en consecuencia la curva de puntos. Se debe considerar como un resultado muy importante la reducción de los esfuerzos al 1% de su valor primitivo.

Esta disposición se halla, entre los motores verticales, en el motor Daimler; entre los motores horizontales, en los motores Delahaye, Vallée, Richard, etc. Las explosiones en los dos cilindros se producen con una media vuelta de intervalo; después da una vuelta sin explosión. Para el mismo coeficiente de regularidad la máquina exige un volante algo más pesado que si las dos manivelas tuvieran el mismo calado con explosiones distantes de 360°.

Hay que observar que las dos fuerzas que deben (más ó menos completamente) equilibrarse no están sobre el mismo eje: la una funciona (fig. 6) según AA', la otra según BB'; dan, pues, lugar á un par, que pretende hacer oscilar al coche y que se procura reducir al mínimo uniéndo todo lo posible los dos cilindros.

Algunos constructores suprimen la meseta central, lo cual da al árbol la forma indicada en la fig. 7. Se consigue fácilmente suprimir el par, pero mediante algunas complicaciones. El esquema de la fig. 8 indica un medio de alcanzarlo. Lleva tres cilindros; el cilindro central recorre el mismo camino que los otros, pero el peso de sus partes movibles es doble. Además, cualquiera que sea la carrera el resultado está conseguido si \(Mr = 2M'r'\).

El mismo resultado se logra empleando cuatro pistones iguales teniendo las manivelas, de dos en dos, el mismo calado (fig. 9). Ese tipo de máquina que actualmente se usa mucho se encuentra en los motores Panhard y Levassor, Daimler, Mors, etc. Decalando 360° las explosiones en los cilindros simétricos, se obtiene un esfuerzo motor en media vuelta y, por consiguiente, una marcha muy regularizada.

Figura 8   Figura 9   Figura 12
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Todos estos motores permiten subsistir en la dirección del movimiento de los pistones el esfuerzo de inercia que más arriba hemos valuado. Para anular esta fuerza hay que producir el equilibrio por tres sistemas móviles, al menos, ó sean tres pistones maniobrando sobre tres manivelas á 120° una de otra.

M. Normand señaló el primero el interés que tiene esa disposición y lo aplicó á las máquinas de vapor de torpederos. Esa forma (fig. 10) de motor es relativamente poco usada en las máquinas de mezcla tonante. Indudablemente consiste en que el árbol de tres manivelas á 120° es de más difícil construcción que el de 180°; ó bien, ¿deberá atribuirse á la irregularidad de los esfuerzos motores? Lo ignoramos. Puede citarse, sin embargo, el motor indicado de Ongh y Waltenfangh (coche Eureka), el motor Dawson y el motor Duryea, que presentan esa disposición. M. Forest la ha empleado igualmente; en algunos motores potentes ha puesto en movimiento dos pistones

Figura 10        Figura 11

sobre cada manivela, lo que ocasiona el empleo de seis cilindros y de tres esfuerzos motores por vuelta.

El motor de tres manivelas á 120° permite, como el de dos manivelas, subsistir un par, que no se puede suprimir sino empleando como mínimo cinco cilindros (fig. 11): el del centro, teniendo para la misma carrera piezas móviles de doble peso de las de los otros. Esta disposición, propuesta por M. Robinson para las máquinas de vapor, no se ha aplicado nunca, que nosotros sepamos, á los motores de petróleo.

Se obtiene el mismo resultado empleando seis cilindros iguales (fig. 12), solución que los Sres. Robinson y Mazen han aplicado á las máquinas de vapor y que tiene igual interés para los motores de explosión; las fases en los cilindros simétricos serían entonces decaladas 360°.

Pero no hay necesidad de decir que una construcción semejante no tendría razón de ser sino para motores potentes. Se concibe que, en lo que se refiere á los motores generales de automóviles, estas últimas disposiciones arrastren una multiplicidad de órganos, que es conveniente evitar, y que la ventaja que puede resultar de su empleo, desde el punto de vista de las trepidaciones, puede compensarse por la necesidad de tener una docena de válvulas y cinco ó seis mecanismos de distribución.

A fortiori, el equilibrio obtenido por el mayor número de cilindros (ocho cilindros moviéndose sobre manivelas á 90° ó doce cilindros con manivelas á 60°) presenta poco interés práctico para el caso que nos ocupa. Además, la inercia de los pistones, encontrándose ya equilibrada con seis cilindros, la única ventaja que podría resultar de un aumento de cantidad sería la reducción del par, debido á la inercia de los volantes, de los cuales ya nos ocuparemos. Veremos, por otra parte, que si en lugar de restringirse á disponer todos los cilindros de un mismo lado del árbol se toleran otras colocaciones, también se pueden equilibrar completamente los esfuerzos en la dirección del movimiento de los pistones por medios mucho más sencillos.

E. N.

(Continuará.)