PRÁCTICA 2. EL TRANSFORMADOR Y DISPOSITIVOS DE PROTECCIÓN ELÉCTRICA. Jesús Ricardo Bahamón Quimbaya
[email protected] Jesús Emmanuel Ávila Jiménez
[email protected] RESUMEN :
El transformador puede ser usado como dispositivo para cambiar el voltaje de entrada -de tipo alterno senoidal-, a uno de la misma naturaleza pero con distinta amplitud. En este informe, se muestran las características del transformador, realizando mediciones correspondientes, a medida que se desmontaba para de esa forma aprender la forma que se construyen.
1.MARCO TEÓRICO.
secundario conectado por ejemplo a un resistor). La razón de transformación del voltaje entre el bobinado "Primario" y el "Secundario" depende del número de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario. En el secundario habrá el triple de voltaje.
El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, por medio de la acción de un campo magnético. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, aisladas entre sí eléctricamente por lo general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. Fig 1. Transformador elemental
Está basado en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario. Este dispositivo funciona de la siguiente manera, La Bobina primaria recibe un voltaje alterno que hará circular, por ella, una corriente alterna Esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro. Como el bobinado secundario está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético circulará a través de las espiras de éste. Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del "Secundario", se generará por el alambre del secundario un voltaje. En este bobinado secundario habría una corriente si hay una carga conectada (el
Ecuación 1. Relación del transformador.
Un transformador puede ser "elevador o reductor" dependiendo del número de espiras de cada bobinado. Si se supone que el transformador es ideal. (la potencia que se le entrega es igual a la que se obtiene de él, se desprecian las perdidas por calor y otras), entonces:
Ecuación 2. Potencia del transformador.
TIPOS DE TRANSFORMADORES: Existen diversos tipos de transformadores transformadores que se clasifican de acuerdo a su aplicación o su construcción.
Según sus aplicaciones estos se clasifican en:
Transformador de aislamiento. Suministra aislamiento galvánico entre el alambre primario y el secundario, por lo cual proporciona una alimentación o señal "flotante". Su relación es 1:1. Transformador de alimentación. Estos poseen uno o varios alambres secundarios y suministran las tensiones necesarias para el funcionamiento del equipo. A veces incorporan fusibles no reemplazables, que apagan su circuito primario en caso de una temperatura excesiva, evitando que éste se queme. Transformador trifásico. Poseen un trío de bobinados en su primario y un segundo trío en su secundario. Pueden adoptar forma de estrella (Y) o triángulo (?), sus mezclas pueden ser: Δ- Δ, Δ-Y, Y- Δ y Y-Y. A pesar de tener una relación 1:1, al pasar de Δ a Y o viceversa, las tensiones se modifican. Transformador de pulsos. Esta destinado a funcionar en régimen de pulsos debido a su rápida respuesta. Transformador de línea o flyback. Estos son transformadores de pulsos. Con aplicaciones especiales como televisores con TRC (CRT) para generar la alta tensión y la corriente para las bobinas de deflexión horizontal. Entre otras propiedades, frecuentemente proporciona otras tensiones para el tubo. Transformador con diodo dividido. Su nombre se debe a que está constituido por varios diodos menores en tamaño, repartidos por el bobinado y conectados en serie, de modo que cada diodo sólo tiene que soportar una tensión inversa relativamente baja. La salida del transformador va directamente al ánodo del tubo, sin diodo ni triplicador. Transformador de impedancia. Usado como adaptador de antenas y líneas de transmisión, era imprescindible en los amplificadores de válvulas para adaptar la alta impedancia de los tubos a la baja de los altavoces. Transformador Electrónico. Se caracteriza por ser muy utilizados en la actualidad en aplicaciones como cargadores para celulares. Utiliza un Corrector de factor de potencia de utilización imprescindible en los circuitos de fuente de alimentaciones conmutadas en lugar de circuitos.
Según su construcción existen diversos tipos como.
Transformador de grano orientado, Auto transformador. El primario y el secundario constituyen un bobinado único. Pesa menos y es más barato que un transformador y por ello se emplea habitualmente para convertir 220V a 125V y viceversa y en otras aplicaciones equivalentes. T r a n s f o r m a d o r t o r o i d a l . Son más voluminosos, pero el flujo magnético se confina en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas por corrientes de Foucault. Transformador de grano orientado. El núcleo se conforma por una placa de hierro de grano orientado, que se envuelve en si misma, siempre con la misma dirección, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales. Las perdidas son escasas pero es de alto costo. Estos tipos son los más utilizados, pero existen otros diversos modelos según el tipo de aplicación a la cual son destinados. 2.ACTIVIDADES A REALIZAR. 1. Identificar el devanado de alto voltaje de un transformador de un transformador de 127V a 12V, 1A utilizando el óhmetro y reportar las resistencias de cada devanado. Imagen 1 e imagen 2, a continuación.
Imagen 1. Resistencia de primario.
En el primario la impedancia fue 46.4 Ω.
Imagen 4. Neutro de la alimentación
La otra clavija arrojaba el valor de 124 V, este sería el vivo o el punto donde entra la señal y este valor es el valor eficaz de la entrada.
Imagen 2. Resistencia del secundario.
En el secundario la impedancia fue 1.8 Ω 2. Utilizando un multímetro en Vac determine el neutro de un sistema de alimentación. En la clavija, se puso en cada una el positivo del multímetro, después, después en negativo se puso en un punto conectado a tierra, una clavija arrojo el valor de 0.1, que podría considerarse como cero, este sería el neutro, pues estaríamos conectando el multímetro entre neutro y tierra que en las instalaciones eléctricas, van al mismo punto.
Imagen 5. Vivo del transformador
3. Determinar la polaridad del transformador. Se realizó la conexión que se indicó para determinar la polaridad del transformador, conectando el extremo donde se conectó el neutro del transformador, con un extremos de la entrada y la salida del transformador, esto con el fin de tener el mismo punto de referencia en el sistema. Después se conectó el multímetro en los dos extremos libres. El valor arrojado fue 137.4V
en serie, donde las tensiones se suman, para así obtener un voltaje aditivo de =12+12=24V. El valor obtenido fué 25.6V, que se podría considerar se aproxima a al valor esperado 24.
Imagen 6. Determinación del punto de polaridad
Como el voltaje entre dos puntos es igual a la resta del voltaje de los dos nodos, se puede inferir, que la salida o el punto de polaridad de la salida del transformador fue el que se conectó al neutro, pues su voltaje en el otro extremo sería negativo , lo que haría que los voltajes se sumara, así: V=Va-Vb=124-(-12V)=138V
Imagen 8. Voltaje aditivo
Del mismo modo se realizó la conexión opuesta, la de punto de polaridad con punto de polaridad, así esperando una salida V=0, el valor obtenido fué 0.2 que se aproxima bastante.
Que se aproxima al valor obtenido 137.4. Se hizo la conexión al revés, solo para verificar los resultados, y se obtuvo lo esperado. V=124-12=112V
Imagen 9. Voltaje aditivo
5. Medir la corriente de corto circuito de un transformador. Imagen 7. Determinación del punto de polaridad
4. Utilizando dos transformadores realice una conexión aditiva de voltajes secundarios. Determinando el punto de polaridad de los dos transformadores, ambos con salida de 12V, se conectaron ambos a la alimentación, y se conectó el vivo de uno con el neutro del otro, esto porque se emularía dos fuentes de voltaje
Empleando el multímetro de gancho se conectó en corto-circuito el transformador, el valor medido fue 9.78A, casi 10 veces más de la corriente nominal. Si se dejara por mucho tiempo en este estado, el transformador dejaría de funcionar, pues aporta demasiada corriente.
TRANSFORMADOR -voltaje vs corriente-.
0.90 0.75 e 0.60 t n e i 0.45 r r o C0.30
0.15 0 11.0
11.6
12.2
12.8
13.4
14.0
Voltaje Imagen 10. Corriente de cortocircuito del transformador.
Figura 2. Recta de carga del transformador.
También se usó un termómetro láser para medir el tiempo en que se demora en llegar a 60ºC en el devanado exterior, el tiempo que se demoró fué 1minuto 18 segundos.
Para el porcentaje de regulación, el voltaje de vacío fue V0=13.2V Empleando la ecuación
Ecuación 2. Porcentaje de regulación.
El porcentaje de reculación fué de -10%. 7. Medir el volumen del transformador y obtener el volumen para uno con valores distintos pero similares condiciones. Imagen 11. Temperatura del transformador
6. Realizar la recta de carga del transformador Para este ejercicio y siguientes se empleó un transformador de 12V y 1A. RESISTENCIA VOLTAJE 90
13.2
CORRIENTE 0
66.8
12.9 0.193113772
33.5
12.7 0.379104478
13.4
11.7 0.873134328
Tabla 1. Valores de voltaje y corriente para recta de carga del transformador
Imagen 12. Transformador con núcleo descubierto.
Cuerpo. Alto= 4.8cm. Ancho= 5.7cm. Largo= 2cm. Agujeros. Alto=2.8cm.
Ancho=1cm. El volumen del núcleo es 49.12cm .
Se esperaría que el voltaje de salida fuera.
3
La potencia aparente son 12VA. Por lo tanto la relación entre volumen y potencia aparente es 4.09cm 3/VA. Si se deseara hacer un transformador de 24V a 3A, su potencia aparente sería 72VA, por lo que su volumen sería
Cuando es 13.2 en circuito abierto. 10. Investigue los principales elementos de protección eléctrica.
Fusible. El volumen debería ser 295.128cm 3. 8. Determinar los Volt por vuelta de cada devanado.
Imagen 15. Fusible
Imagen 13. Transformador siendo desarmado.
dispositivo, constituido por un soporte adecuado, un filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda, por Efecto Joule, cuando la intensidad de corriente supere, por un cortocircuito o un exceso de carga, un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos.
Interruptor termomagnético.
Imagen 14. Transformador completamente desarmado.
Las vueltas del primario son 1346 vueltas. Las vueltas del secundario fueron 115vueltas La relación Volt/vuelta del primario es 93.833mV/vuelta. La relación Volt/vuelta del secundario es 114.78mV/vuelta.
Esta parte es la encargada de proteger de corrientes que, aunque son superiores a las permitidas por la instalación, no llegan al nivel de intervención del dispositivo magnético. Esta situación es típica de una sobrecarga, donde el consumo va aumentando conforme se van conectando aparatos. Ambos dispositivos se complementan en su acción de protección, el magnético para los cortocircuitos y el térmico para las sobrecargas. Además de esta desconexión automática, el aparato está provisto de una palanca que permite la desconexión manual de la corriente y el rearme del dispositivo automático cuando se ha producido una desconexión. No obstante, este rearme no es posible si persisten las condiciones de sobrecarga o cortocircuito. Incluso volvería a saltar, aunque la palanca estuviese sujeta con el dedo, ya que utiliza un mecanismo independiente para desconectar la corriente y bajar la palanca. Imagen 16. Interruptor termomagnético.
Varistor
Es un dispositivo capaz de interrumpir la corriente eléctrica de un circuito cuando ésta sobrepasa ciertos valores máximos. Su funcionamiento se basa en dos de los efectos producidos por la circulación de corriente eléctrica en un circuito: el magnético y el térmico (efecto Joule). El dispositivo consta, por tanto, de dos partes, un electroimán y una lámina bimetálica, conectadas en serie y por las que circula la corriente que va hacia la carga. Al circular la corriente por el electroimán, crea una fuerza que, mediante un dispositivo mecánico adecuado , tiende a abrir el contacto , pero sólo podrá abrirlo si la intensidad I que circula por la carga sobrepasa el límite de intervención fijado. Este nivel de intervención suele estar comprendido entre 3 y 20 veces la intensidad nominal (la intensidad de diseño del interruptor magnetotérmico) y su actuación es de aproximadamente unas 25 milésimas de segundo, lo cual lo hace muy seguro por su velocidad de reacción. Esta es la parte destinada a la protección frente a los cortocircuitos, donde se produce un aumento muy rápido y elevado de corriente. La otra parte está constituida por una lámina bimetálica (representada en rojo) que, al calentarse por encima de un determinado límite, sufre una deformación y pasa a la posición señalada en línea de trazos lo que, mediante el correspondiente dispositivo mecánico , provoca la apertura del contacto C
Imagen 17. Varistor.
Es un componente electrónico cuya resistencia óhmica disminuye cuando la tensión eléctrica que se le aplica aumenta; tienen un tiempo de respuesta rápido y son utilizados como limitadores de picos voltaje. Fabricados básicamente con óxido de zinc y dependiendo del fabricante se le añaden otros materiales para agregarle las características no lineales deseables. El material se comprime para formar discos de diferente tamaño y se le agrega un contacto metálico a cada lado para su conexión eléctrica. Se utiliza para proteger los componentes más sensibles de los circuitos contra variaciones bruscas de voltaje o picos de corriente que pueden ser originados, entre otros, por relámpagos conmutaciones y ruido eléctrico.
El varistor protege el circuito de variaciones y picos bruscos de tensión. Se coloca en paralelo al circuito a proteger y absorbe todos los picos mayores a su tensión nominal. El varistor sólo suprime picos transitorios; si lo sometemos a una tensión elevada constante, se quema. Esto sucede, por ejemplo, cuando sometemos un varistor de 110V ac a 220V AC, o al colocar el selector de tensión de una fuente de alimentación de un PC en posición incorrecta. Es aconsejable colocar el varistor después de un fusible. EAV.
Polyswitch.
2.¿A que se debe que el voltaje del transformador disminuye a medida que se demanda más corriente? Esto es debido a que el conductor posee una resistencia interna y al aumentar la corriente aumenta el voltaje que cae sobre esta. 3.Mencione el nombre del transformador variable. Es el variac.
Imagen 18. Polyswitch
Es un componente electrónico pasivo utilizado para proteger circuitos de sobrecorrientes. Es un termistor no lineal que eleva su resistencia al incrementarse la corriente -pues esta eleva su temperatura-, comportándose como un rompe-circuitos, así que no hay necesidad de reemplazarlo después de que cumple su función. Está hecho de un polímero orgánico cristalino no conductor que se mezcla con partículas de carbón para hacerlo conductivo.
3. PR EG UN TAS AC ER CA DE LA EXPERIMENTACIÓN. 1 .¿Qué devanado del transformador presenta mayor resistencia, el de alto o el de bajo voltaje? En el primario, el que soporta mayor voltaje, pues es de 46.4Ω contra 1.8Ω del secundario. Esto es porque el lado que soporte más voltaje debe tener más vueltas lo que implica más conductor con más resistencia.
Imagen 19. Variac.
Es un auto transformador variable con el cual podemos obtener una tensión de salida de corriente alterna entre 0V y la tensión de alimentación, generalmente 230V y 50Hz en Europa y 110V y 60Hz en Estados Unidos. Esta constituido por un núcleo en forma toroidal sobre el que esta arrollado el transformador el uno de los lados del núcleo magnético las espiras están libres de aislamiento. Sobre ellas mediante un eje central discurre una escobilla con un rodillo de carbono ,que es accionada por un mando unido a un eje. Este mando dispone de una carátula con una serigrafía en la que se indica el voltaje según el ángulo de giro del mando 4.Un transformador ideal ¿Qué porcentaje de regulación debe ofrecer? El porcentaje de regulación debe ser 0, pues no debe existir diferencia entre el voltaje de vacío y el voltaje nominal.
5.¿Que tan diferente es la relación de volts/ vuelta entre el primario y el secundario de su transformador? Es aproximadamente 11 veces mayor, casi apegándose a la ley de relación de volts y vueltas del transformador ideal. 6.¿Qué material se usa para aislar el bobinado primario del secundario? Se usa papel recubierto de resina. Imagen 20. Forma de conexión de megger
7.¿Su transformador cumple con las especificaciones nominales? Aproximadamente, tal como lo indica la recta de carga el voltaje no se mantiene en los valores nominales a medida que la demanda de corriente cambia.
4. Dibuje los circuitos y las condiciones con las cuales se obtiene el modelo eléctrico del transformador.
8. Calcule el volumen de un transformador de 50V a 100A. S=50*100=5000W Volumen=4.099*5000=20495cm 3
4.PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN.
Imagen 21. Modelo eléctrico del transformador referido a su nivel de voltaje primario
1. ¿Cuál es la princi pal aplica ción del autotransformador?
5. ¿A cuánto se aproxima la eficiencia de un transformador?
Se utiliza para interconectar circuitos que requieren distinto voltaje pero de valores cercanos, como 2 a 1, también para el sistema de arranque de motores de inducción pues demandan mucha corriente, y el uso de tensiones menores lo hace más seguro,
La eficiencia de uno ideal debería ser 0, sin embargo este valor en ocasiones es indeseable por cuestiones de protección del propio circuito, así que podrá estar rodando el 100%.
2. ¿Qué entiende por potencia aparente?
6. ¿Que temperatura soportan los devanados de un transformador?
Es la potencia que realmente consume el circuito, resultado de la suma geométrica de la potencia activa -por resistores- y la potencia reactiva -por bobinas y capacitores-.
La temperatura debe ser 80/40º
3. Dibuje los circuitos en los cuales se conecta un megger para medir las diferentes resistencias de aislamiento de un transformador.
Interruptor General Automático (IGA): protege de cortocircuitos. Interruptor Diferencial (ID): protege y desconecta la instalación cuando se produce un escape de corriente. Pequeños Interruptores Automáticos (PIAs): protege de las sobrecargas y cortocircuitos. El número de PIAs depende de
7. ¿Qué clase de dispositivo de protección eléctrica se usa en casa?
la electricidad de la casa. Si hay electricidad básica, existirán cinco circuitos 8. ¿Que tipo de cargas pueden ser protegidas por fusibles de acción lenta y rápida? Los fusibles de acción rápida(en algunos casos llamados: de operación normal) no tienen intencionalmente demora en su acción. el tiempo de apertura típica de estos fusibles es de 500% el valor de operación normal de corriente en un rango de periodo de tiempo entre 0.05 y 2 segundos. los fusibles de acción rápida son de aplicación en cargas no inductivas, tales como iluminación incandescente y alimentadores de uso general en cargas resistivas o en circuitos principales con pequeñas cargas no inductivas. los fusibles de acción retardada normalizados por ul, cumplen con los requerimientos exigidos en la protección de sobrecargas. para altos valores de corriente, los fusibles de acción retardada ofrecen una excelente limitación de corriente, abriendo el circuito en un periodo de tiempo de menos de medio ciclo(0.08 segundos). este tipo de fusibles proveen la mejor protección para ambos casos protección de motor y protección de circuitos en general. ellos eliminan aperturas innecesarias de los fusibles y evitan apagones. 9. ¿Para que se utiliza la especificación I 2t en los dispositivos de protección eléctrica? Esta especificación me permite despejar el tiempo que se demora en entrar operación el elemento de protección, y así poder escogerlo de acuerdo a las necesidades.
5. BIBLIOGRAFÍA. http://www.arqhys.com/construccion/transformadorestipos.html http://www.monografias.com/trabajos78/maquinaselectricas-tipos-transformadores/maquinas-electricastipos-transformadores.shtml http://es.wikipedia.org/wiki/Transformador http://www.unicrom.com/Tut_transformador.asp
http://electronicapascual.com/blog/?p=98 http://www.endesaeduca.com/recursos-interactivos/eluso-de-la-electricidad/xxi.-la-instalacion-electricadomestica http://www.empresario.com.co/fusiblesjavisar/ soporteproteccion.htm
