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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Univers idad del del Perú, D eca ecana na de América)
CURSO
: Laboratorio de Física III
ALUMNOS
:
_____________________________ ____________________ __________________ _________ ____________________ ____________ _________________ __________________ _________ ____________________ ____________ _________________ __________________ _________ ____________________ ____________ _________________ __________________ _________
TEMA
: Transformador
HORARIO
: Miércol Miércoles es 8:00am - 10:00am
Facultad de Ciencia Matemática
Laboratorio de Física III Informe N° 9
TRANSFORMADOR El transformador es una de las más importantes aplicaciones técnicas
de la
inducción. Se puede encontrar en todos los tamaños, como transformador de alta tensión, en
la
transmisión
de
energía,
o
como
transformador de baja tensión, prácticamente, en todos los aparatos que se alimentan con la tensión de la red. Los transformadores sólo se pueden operar básicamente con corriente alterna. Entre las funciones que cumplen se encuentran:
TRANSMISIÓN DE ENERGÍA Un transformador puede transportar energía, con pocas pérdidas, de un nivel de tensión a otro.
ADAPTACIÓN DE TENSIÓN Un transformador convierte tensiones, es decir, transforma tensiones en otras mayores o menores.
PRINCIPIO DEL TRANSFOMRADOR Por lo general, los transformadores constan de devanados acoplados magnéticamente. Se diferencia entre el devanado primario, es decir, el que consume potencia eléctrica, y el devanado secundario, es decir, el que entrega potencia eléctrica. Igualmente, de modo análogo se habla de:
Tensión primaria u1 y secundaria u2.
Corriente primaria i1 y secundaria i2.
Número
de
espiras
del
devanado
primario n1 y del secundario n 2. Los transformadores tienen diversas formas. En los pequeños transformadores monofásicos, como el que se muestra en el ejemplo, ambos devanados se encuentran arrollados en un sólo lado del núcleo de hierro. Con esto se logra que el flujo magnético generado por una bobina se transmita casi por completo a la otra bobina. Las líneas de campo se encuentran prácticamente dentro del núcleo, la dispersión es mínima y el circuito magnético se cierra a través de los otros lados exteriores. Si por el devanado primario circula una corriente, debido a la variación del flujo magnético en el tiempo, en el devanado secundario se inducirá una tensión. La relación entre las dos tensiones 2
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corresponderá a la existente entre el número de espiras de los devanados. Las corrientes, al contrario, tienen una relación inversamente proporcional a la de los devanados: 1 2
=
1 1 2 2
=
2 1 1 2
=
2 1
COMPORTAMIENTO El transformador no se puede considerar de ningún modo como un componente ideal, carente de dispersión y pérdidas. En la práctica se determinan pérdidas que se manifiestan en el calentamiento del transformador. Las causas de esto son: Pérdidas en los devanados debidas a la resistencia del alambre de cobre. Pérdidas en el hierro debidas a corrientes parásitas y pérdidas por histéresis, causadas por la inversión magnética del hierro. Para reducir estas pérdidas, el núcleo del transformador se construye de capas de chapas individuales, aisladas entre sí. Esto evita considerablemente la formación de corrientes parásitas. La chapa del transformador se construye de material magnético suave, con una curva de histéresis angosta. Las pérdidas resistivas son la causa especial de que la tensión secundaria del transformador con carga no permanezca constante, sino que descienda. Este fenómeno se aprecia más en los transformadores pequeños, que poseen devanados de alambre de cobre delgado.
TRANSFORMACIÓN SIN NÚCLEO Y CON NÚCLEO Se estudiará la transmisión de energía en un transformador con y sin núcleo de hierro y se conocerá el efecto importante que tiene dicho componente. Monte
el
siguiente
arreglo
experimental. Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen del instrumento. Realice los siguientes ajustes:
Forma de la curva SINUS.
Frecuencia en 500Hz.
Amplitud 1:1 y 100%. 3
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Active el botón POWER y observe la luminosidad de la lámpara. Apague de nuevo el botón POWER del generador de funciones. Pulse a continuación STEP2, en la animación, y complemente el transformador, como se indica, con el núcleo de hierro. Conecte de nuevo el generador de funciones y observe la luminosidad de la lámpara.
1) ¿Cómo se comporta la lámpara en el devanado secundario de un transformador con y sin núcleo? Responda.
Con el núcleo la lámpara se enciende
2) En el transformador, ¿Qué influencia ejerce un núcleo de hierro sobre la transmisión de energía? Responda.
El núcleo de hierro procura un buen acoplamiento magnético entre el devanado primario y el secundario.
La mayor parte de las líneas de campo magnético pasan por el interior del núcleo de hierro.
Gracias al núcleo de hierro el flujo magnético generado por el devanado primario se conduce a través del secundario.
RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN Se aplicará una tensión alterna al transformador; se medirá con el voltímetro la amplitud
de
las
tensiones
primarias
y
secundarias y se calculará la relación de transformación. Monte
el
siguiente
arreglo
experimental: Abra el instrumento virtual voltímetro A pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes:
Rango: 5 V, DC.
Display digital.
Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz). Abra el instrumento virtual voltímetro B pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes
ajustes: 4
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Rango: 2 V, DC.
Display digital.
Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz).
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Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes:
Forma de la curva SINUS.
Frecuencia 50Hz.
Amplitud 1:1 y 25%. Conecte el generador de funciones accionando el botón POWER. Lea ambos instrumentos y transfiera los valores: Voltímetro A: tensión primaria U PRIM = 1.72 V Voltímetro B: tensión secundaria USEC = 0.81 V Varíe el número de espiras del transformador n1 = 400, n2 = 200. La animación STEP2
muestra la manera de hacerlo. Lea ambos instrumentos y transfiera los valores: Voltímetro A: tensión primaria U PRIM = 1.74 V Voltímetro B: tensión secundaria USEC = 0.87 V Calcule: Tensión primaria/ tensión secundaria: UPRIM / USEC = 2 Espiras del primario/ espiras del secundario n 1 / n2 = 2
1) ¿Cuál de las afirmaciones de relación de transformación del transformador es correcta? Explique cada una de ellas.
Las tensiones se comportan casi de igual manera que el número de espiras correspondiente.
2) ¿Por qué razón, la tensión de salida es menor que lo esperado de acuerdo con la relación entre el número de espiras de los devanados? Explique por qué.
Porque el flujo magnético de dispersión hace que disminuya el flujo de devanado secundario.
Porque el núcleo desarmable tiene un entrehierro muy grande, y esto hace que se presente flujo de dispersión.
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TRANSFORMADOR CON CARGA Se aplicará una carga a un transformador y se medirá la t ensión del secundario mientras se aumenta la carga. Los valores medidos se anotarán en una tabla y se representarán gráficamente . Monte el siguiente arreglo experimental. Abra el instrumento virtual voltímetro A pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes:
Rango: 5 V, DC.
Display digital.
Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz). Abra el instrumento virtual voltímetro B pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes
ajustes:
Rango: 2 V, DC.
Display digital.
Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz). Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice los
siguientes ajustes:
Forma de la curva SINUS.
Frecuencia 50Hz.
Amplitud 1:1 y 40%. Conecte el generador de funciones accionando el botón POWER. Cargue el transformador con los valores de resistencias indicados en la tabla. En la
animación sólo se muestra el primer caso, esto es, una carga de 100 .W Los otros casos se obtienen conectando en serie y en paralelo las dos resistencias de 100 W . El valor 9999 representa el caso a circuito abierto, es decir, sin carga. El valor de 10 W se obtiene aproximadamente con la lámpara. Lea los valores medidos en el voltímetro B y anótelos en la tabla.
R / [Ohm]
U2 / [V]
9999
1.15
200
1.15
100
1.12
50
0.95
10
0.8
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Compare los valores medidos representados en su diagrama con la siguiente selección. Grafique U vs R, Intérprete.
¿Cuál afirmación sobre un transformador es correcta? A) La tensión de salida disminuye cuando la carga resistiva aumenta. B) La tensión de salida aumenta cuando la carga resistiva disminuye.
La tensión de salida aumenta cuando la carga resistiva disminuye.
1) ¿En qué se distinguen el devanado primario y el secundario del transformador? Responda.
El devanado primario consume potencia.
2) ¿Cómo se comportan la tensión y la corriente en un transformador por cuyo devanado primario circula corriente alterna? Responda.
Las tensiones primaria y secundaria se comportan de igual manera que el correspondiente número de espiras de los devanados.
Las corrientes primaria y secundaria se comportan de manera inversa al correspondiente número de espiras de los devanados.
3) Los transformadores no son componentes ideales en la práctica, menciones los problemas que presentan.
Calentamiento debido a las pérdidas.
Pérdidas en el hierro del núcleo debido a corrientes parásitas.
Pérdidas en los devanados debido a las resistencias.
Mal acoplamiento en los devanados.
4) En un transformador con carga resistiva, ¿Qué ocurre con la tensión?
La tensión del secundario disminuye.
RELES MAGNÉTICOS En 1837, cuando Samuel Morse pudo hacer funcionar su telégrafo de registro de señales, desarrollado con el electroimán creado por J. Henry en 1824, fue el momento en el que nació el relé. Su nombre se deriva del francés y al comienzo se utilizó en las comunicaciones para la retransmisión de mensajes, de modo similar a las estaciones de relevos (relais) propias de la época en que el correo era transportado por diligencias tiradas por caballos. En la era de los bits y los Bytes se podría pensar que los relés electromecánicos estarían pasados de moda. Pero en la realidad, hoy en día se fabrican más relés que nunca antes. 7
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El relé es, en principio, un conmutador que, con una corriente eléctrica de muy baja potencia, acciona contactos conmutadores que pueden conectar potencias mayores. Los relés existen en muchas formas:
Estable o monoestable (regresan a la posición inicial).
Biestables, conocido también como conmutador de control remoto.
Con diferentes cantidades de contactos de co nmutación.
Relés temporizadores (excitación o desexcitación con retardo).
Para diferentes tensiones de mando.
Para diferentes corrientes de conmutación.
PRINCIPIO Sobre un aislante (verde) y un núcleo de hierro se encuentra arrollada una bobina. Si al conectar el relé, la corriente circula por la bobina, se genera un flujo magnético, cuyas líneas transcurren básicamente a través del núcleo de hierro. El circuito magnético se cierra a través del hierro exterior y la armadura que se puede ver arriba. El campo magnético produce una fuerza de atracción sobre una armadura. En la armadura se encuentran los contactos de conmutación fijados con aislante. La armadura es móvil y la fuerza de atracción magnética la desplaza hacia la bobina con núcleo de hierro. Los contactos se accionan debido al movimiento de la armadura, el circuito eléctrico principal se cierra y la lámpara se enciende. De la misma manera se puede construir un interruptor o un conmutador. Al suspenderse la corriente de excitación, en los relés monoestables, la fuerza de un resorte procura que el contacto retorne a su posición inicial.
CONECTAR EL RELÉ Se aplicara una tensión al devanado de excitación del relé. Con el contacto de comunicación se encenderá una lámpara en el circuito principal. Monte el siguiente arreglo experimental. Abra y cierre varias veces la última conexión y observe lo que sucede (también dentro del relé).
¿Qué sucede después de que el relé se conecta a la tensión de alimentación? Responda.
El relé emite un clic.
La lámpara se enciende.
El inducido con los contactos se mueve.
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DIODO DE VÍA LIBRE El devanado de excitación de un relé representa una inductancia. Tras la conexión, en el instante t1, en el devanado, se presenta la tensión de la batería. Al desconectar la corriente de excitación, en el instante t2, la energía eléctrica almacenada en la inductancia causa una punta de tensión negativa. Las puntas de tensión pueden adoptar valores elevados y causar interferencias o incluso el daño de los componentes electrónicos conectados. Por esta razón, se las debe evitar. Con una medida técnica sencilla, el diodo de vía libre, se pueden suprimir completamente estas puntas de tensión. El diodo de vía libre permite que, tras la desconexión de la batería, la corriente siga circulando brevemente, disipando la energía electromagnética acumulada, sin que se presenten las puntas de tensión. Observe el circuito de conmutación y la forma de la tensión al conectar y desconectar. Pulsando el botón verde, el circuito se complementará con un diodo de vía libre.
PUNTA DE INDUCCIÓN Se conectara y desconectara el relé y se observara lo que sucede al desconectarlo. A continuación se repetirá el experimento con diodo de vía libre y se advertirá la diferencia. Monte el siguiente arreglo experimental. Abra y cierre varias veces la conexión con la alimentación de tensión de 5 V y observe el comportamiento de la lámpara fluorescente. Nota: La lámpara se utilizara solamente como indicador de “alta tensión”. La lámpara se
enciende solo aproximadamente a 110 V, por debajo de esta tensión permanece oscura.
1) ¿Cómo se comporta una lámpara de efluvios conectada en paralelo al devanado excitador del relé? Explique.
Se ilumina al momento de desconectar la t ensión.
2) ¿Cuál es la razón para que la lámpara conectada en paralelo al devanado de excitación del relé se ilumine brevemente? Explique.
Autoinducción al desconectar la corriente.
Disipación de la energía electromagnética almacenada.
La tensión es mayor a 110 V por un breve instante.
Incluya el diodo de vía libre y repita el experimento. La animación muestra la manera en que se debe conectar el diodo por medio de un puente; pulse el botón con e l diodo para observarlo.
3) ¿Cómo se comporta una lámpara de efluvios conectada en paralelo al devanado de excitación del relé con diodo de vía libre? Explique.
No se enciende nunca.
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4) ¿Cuál es la razón de la ausencia de una punta de inducción al desconectar un relé con diodo de vía libre?
La corriente puede continuar circulando brevemente en el devanado.
Disipación de la energía electromagnética almacenada en e l diodo de vía libre.
INTERRUPTOR DE LÁMINAS (REED) El interruptor de láminas, o interruptor reed, se desarrolló originalmente para la conmutación telefónica mecánica. Durante decenios se ha utilizado con éxito en muchos aparatos y, hoy en día, se utiliza frecuentemente en el automóvil. Se trata de un mininterruptormecánico, completamente encapsulado, que se puede accionar sin contacto, y que es capaz de realizar millones de procesos de conmutación sin fatiga. Con él, no siempre es necesario proveer a los sensores con chips de semiconductores, sensibles y costosos. Debido a su larga vida útil, prácticamente ilimitada, y a su encapsulado, es adecuado especialmente para trabajos pesados, como, por ejemplo, en el automóvil. Su principio de funcionamiento es muy se ncillo: Dos delgadas láminas metálicas, conductoras eléctricas y magnetizadas, encerradas herméticamente en un tubito de vidrio, actúan como interruptor. Si un imán pasa cerca del interruptor, los contactos se tocan, desencadenando un proceso de conmutación. Los contactos de láminas representan una alternativa muy económica para el registro de posiciones. Ofrecen también una mayor protección con respecto a los interruptores mecánicos de fin de carrera.
PRINCIPIO Los interruptores de láminas constan de dos contactos de muelle, muy cercanos, colocados dentro de un cuerpo de vidrio. Si el tubito de vidrio se encuentra cerca de un campo magnético, los contactos adoptan polaridades distintas y se cierran abruptamente. De este modo se establece la conexión eléctrica entre ambos contactos. Los interruptores de láminas se comportan de diferente manera, según sea el modo en que se acerca el imán al tubo.
Arriba: Se encuentran presentes dos campos para dos puntos de conmutación. En la mitad del tubo los contactos permanecen abiertos.
Abajo: El campo se encuentra en la mitad del tubo. El interruptor de láminas sólo tiene un punto de conmutación. Se observara el funcionamiento de un interruptor de láminas. Para esto se montará un
circuito eléctrico con una lámpara, que se encenderá y apagara por medio de un interruptor de láminas cuando un campo magnético actué sobre el interruptor. 10
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Monte el siguiente arreglo experimental. Saque de su soporte los dos imanes permanentes. Pase uno delos imanes cerca del interruptor de láminas y observe el comportamiento del interruptor cuando se pasa el imán en diferentes posiciones, como se describe a continuación:
Vertical: polo norte a polo sur.
Vertical: polo sur a polo norte.
Horizontal: polo norte hacia la izquierda.
Horizontal: polo sur hacia la izquierda.
1) ¿Cuáles de las afirmaciones sobre los puntos de conmutación se confirman en el experimento y explique cada una detalladamente?
Si un polo pasa cerca del interruptor de láminas, aparece un punto de conmutación.
Si el imán pasa horizontalmente, cerca del interruptor de láminas, aparece un punto de conmutación.
Si el imán pasa horizontalmente, cerca del interruptor de láminas, aparecen dos puntos de conmutación.
Si un polo pasa cerca del interruptor de láminas, aparecen dos puntos de conmutación.
2) ¿Reacciona el interruptor de láminas con mayor sensibilidad (incluso con distancias mayores) cuando se acerca el imán vertical u horizontalmente? Explique detalladamente.
Es más sensible al acercar el imán horizontalmente.
CUESTIONARIO El polo sur de un imán pasa delante del interruptor de láminas.
1. ¿Cuántos puntos de conmutación aparecen?
Dos puntos de conmutación.
2. ¿Qué aplicaciones tiene el interruptor de láminas (reed)?
Registro de posiciones sin contacto.
Mininterruptores encapsulados que pueden operar en ambientes difíciles.
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