INFORME LABORATORIO DE FISICA #6 AUTOTRANSFORMADORES
INTEGRANTES: JUAN DAVID MONJE - 20151134333. ORLANDO MURCIA PERDOMO -20151134374 LINDA LUCE MARIN PINZON -20151134447
PRESENTADO A: MARITZA VIVAS NARVAEZ
FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA DE PETRÓLEOS PROGRAMA: FISICA ELECTROMAGNÉTICA DE SEPTIEMBRE DE 2015
NEIVA – HUILA 1. Resumen En la práctica número 6 del área de física electromagnética llamada autotransformadores se busca determinar la relación entre los voltajes primarios y secundarios de un autotransformador. Para esto se realiza un montaje como la siguiente imagen que posee un autotransformador, una fuente, cables y dos multímetros.
Al final se le agregaba voltaje al circuito y se tomaban datos para reconocer si su configuración era dada para ser un reductor o elevador del voltaje. 2. Marco teórico Transformador. Un transformador es una máquina estática de corriente alterno, que permite variar alguna función de la corriente como el voltaje o la intensidad, manteniendo la frecuencia y la potencia, en el caso de un transformador ideal. Para lograrlo, transforma la electricidad que le llega al devanado de entrada en magnetismo para volver a transformarla en electricidad, en las condiciones deseadas, en el devanado secundario.
La importancia de los transformadores, se debe a que, gracias a ellos, ha sido posible el desarrollo de la industria eléctrica. Su utilización hizo posible la realización práctica y económica del transporte de energía eléctrica a grandes distancias. CONSTITUCION Y FUNCIONAMIENTO Constan esencialmente de un circuito magnético cerrado sobre el que se arrollan dos bobinados, de forma que ambos bobinados están atravesados por el mismo flujo magnético. El circuito magnético está constituido (para frecuencias industriales de 50 Hz) por chapas de acero de poco espesor apiladas, para evitar las corrientes parásitas . El bobinado donde se conecta la corriente de entrada se denomina primario, y el bobinado donde se conecta la carga útil, se denomina secundario. La corriente alterna que circula por el bobinado primario magnetiza el núcleo de forma alternativa. El bobinado secundario está así atravesado por un flujo magnético variable de forma aproximadamente senoidal y esta variación de flujo engendra por la Ley de Lenz, una tensión alterna en dicho bobinado. POTENCIAS Y EFICIENCIAS Un transformador es esencialmente dos solenoides o inductancias sobre un mismo núcleo, por consiguiente existirá un desfase entre la tensión y la corriente que atraviesa ambos devanados. Las potencias de entrada y salida son: P1 = U1 I1 cosφ1 (Watios) P2 = U2 I2 cosφ2 (Watios) El rendimiento del transformador η es igual: η = P2 /P1 Autotransformador. es una máquina eléctrica, de construcción y características similares a las de un transformador, pero que a diferencia de éste, sólo posee un único devanado alrededor de un núcleo ferromagnético. Dicho devanado debe
tener al menos tres puntos de conexión eléctrica; la fuente de tensión y la carga se conectan a dos de las tomas, mientras que una toma (la del extremo del devanado) es una conexión común a ambos circuitos eléctricos(fuente y carga). Cada toma corresponde a una tensión diferente de la fuente (o de la carga, dependiendo del caso). Al igual que los transformadores, los autotransformadores funcionan basados en el principio de campos magnéticos variantes en el tiempo, por lo que no pueden ser utilizados en circuitos de corriente continua. Para reducir al mínimo las pérdidas en el núcleo debidas a corrientes de Foucault y a la histéresis magnética, se suele utilizar acero eléctrico, laminado en finas chapas que luego se apilan y compactan. Las láminas del núcleo así construido se orientan haciendo coincidir la dirección del flujo magnético con la dirección de laminación, donde la permeabilidad magnética es mayor. La relación de transformación de un autotransformador es la relación entre el número de vueltas del devanado completo (serie + común) y el número de vueltas del devanado común. Por ejemplo, con una toma en la mitad del devanado se puede obtener una tensión de salida (en el devanado "común") igual a la mitad del de la fuente (o viceversa). Dependiendo de la aplicación, la porción del devanado que se utiliza sólo para el circuito de alta tensión se puede fabricar con alambre de menor calibre (puesto que requiere menos corriente) que la porción del devanado común a ambos circuitos; de esta manera la máquina resultante es aún más económica. TIPOS DE AUTOTRANSFORMADOR A. Autotransformador reductor Si se aplica una tensión alterna entre los puntos A y B, y se mide la tensión de salida entre los puntos C y D, se dice que el autotransformador es reductor de tensión. Fig. 1. Autotransformador reductor Relación de vueltas Ns / Np < 1
B. Autotransformador elevador Si se aplica una tensión alterna entre los puntos C y D, y se mide la tensión de salida entre los puntos A y B, se dice que el autotransformador es elevador de tensión. Fig. 2 Autotransformador Elevador Relación de vueltas Ns / Np > 1 LEYES FISICAS DE UN AUTOTRANSFORMADOR Ley de inducción electromagnética de Faraday La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de Faraday) se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde:
Ley de Ampére original En física del magnetismo, la ley de Ampére, también conocida como efecto Oersted, relaciona un campo magnético estático con la causa que la produce, es decir, una corriente eléctrica estacionaria. Es análoga a ley de Gauss.
La ley de Ohm La ley de Ohm, define una propiedad específica de ciertos materiales por la que se cumple la relación:
Ley de Gauss para el campo magnético los campos magnéticos, a diferencia de los eléctricos, no comienzan y terminan en cargas diferentes. Esta ley primordialmente indica que las líneas de los campos magnéticos deben ser cerradas. En otras palabras, se dice que sobre una superficie cerrada, sea cual sea ésta, no seremos capaces de encerrar una fuente o sumidero de campo, esto expresa la no existencia del monopolo magnético. Matemáticamente esto se expresa así:
3. Procedimiento I. II.
Se consiguen los materiales necesarios para la práctica. Se realiza el montaje siguiente y se llenan los datos de la tabla 1.
III.
Se cambian la posición de los cables para realizar el segundo montaje y llenar los datos de la tabla 2.
4. Resultados y análisis. Tablas de resultados Tabla de voltaje del primario y secundario (𝑁1 = 500 espiras y 𝑁2 = 250 espiras).
5. Voltaje del primario (volt)
Voltaje del secundario (volt)
10
4,93
9
4,44
8
3,92
7
3,42
6
2,95
5
2,45
4
1,96
3
1,45
2
0,97
1
0,48
0
0,06
Tabla de voltaje del primario y secundario (𝑵𝟏 = 𝟐𝟓𝟎 espiras y 𝑵𝟐 = 𝟓𝟎𝟎 espiras).
Voltaje del primario (volt)
Voltaje del secundario (volt)
4,0
8,10
3,5
7,24
3,0
6,13
2,5
5,15
2,0
4,11
1,5
3,08
1,0
2,10
0,5
1,15
0,0
0,11
Gráficas. Grafica de voltaje del primario y secundario (𝑁1 = 500 espiras y 𝑁2 = 250 espiras).
V1 y V2 6 5 4 3
2 1 0 0
2
4
6
8
10
12
Gráfica de voltaje del primario y secundario (𝑵𝟏 = 𝟐𝟓𝟎 espiras y 𝑵𝟐 = 𝟓𝟎𝟎 espiras).
V2 y V1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
Cálculos y discusión. Analíticamente, ¿Cuándo existe un transformador elevador, y cuando existe un transformador reductor? Cuando 𝑁1 > 𝑁2 (𝑁 es el número de espiras), tenemos que el transformador es de tipo de reductor; es decir, el voltaje de entrada es mayor al voltaje de salida. Cuando 𝑁1 < 𝑁2 (𝑁 es el número de espiras), tenemos que el transformador es de tipo elevador; es decir, el voltaje de entrada es menor al de salida. ¿Un transformador funciona si se usa una batería como voltaje de entrada en el primario? Explique. No funciona, ya que un transformador funciona solo en circuitos eléctricos de corriente alterna (cuya dirección y tensión varían con el tiempo). Las baterías por su lado producen corriente continua que genera una tensión constante con el tiempo, por ejemplo si la pila es de 12 voltios, todo los receptores que se conecten a la pila estarán siempre a 12 voltios (a no ser que la pila este gastada y tenga menos tensión).
Un transformador tiene N1= 350 vueltas y N2= 2000 vueltas. Si el voltaje de entrada es Δv (t)= 170V cosωt. ¿Qué voltaje rms (valor promedio de la corriente) se genera en la bobina del secundario? 𝑁1 𝑁2
𝑉1
= 𝑉2
𝑉2 =
𝑉1𝑁2 𝑁1
𝑉2 =
(170𝑉)×2000 350
𝑉2 = 971𝑉 ¿Qué aplicaciones tiene un autotransformador? Los autotransformadores se utilizan a menudo en sistemas eléctricos de potencia, para interconectar circuitos que funcionan a tensiones diferentes, pero en una relación cercana a 2:1 (por ejemplo, 400 kV / 230 kV o 138 kV / 66 kV). En la industria, se utilizan para conectar máquinas fabricadas para tensiones nominales diferentes a la de la fuente de alimentación (por ejemplo, motores de 480 V conectados a una alimentación de 600 V). Se utilizan también para conectar aparatos electrodomésticos y cargas menores en cualquiera de las dos alimentaciones más comunes a nivel mundial (100-130 V a 200-250 V). En sistemas de distribución rural, donde las distancias son largas, se pueden utilizar autotransformadores especiales con relaciones alrededor de 1:1, aprovechando la multiplicidad de tomas para variar la tensión de alimentación y así compensar las apreciables caídas de tensión en los extremos de la línea. Se utilizan autotransformadores también como método de arranque suave para motores de inducción tipo jaula de ardilla, los cuales se caracterizan por demandar una alta corriente durante el arranque. Si se alimenta el motor conectándolo a la toma menor de un autotransformador, la tensión reducida de la alimentación resultará en una menor corriente de arranque y por lo tanto en condiciones más seguras de operación, tanto para el motor como para la instalación eléctrica. Una vez que el motor ha alcanzado suficiente velocidad, se puede ir aumentando la tensión de alimentación (en tantos pasos como tomas posea el autotransformador) gradualmente, hasta llegar a la tensión de la red (cuando la relación de tomas es 1:1). En sistemas ferroviarios de alta velocidad existen métodos de alimentación duales tales como el conocido como 2x25 kV. En este, los transformadores de las subestaciones alimentan a +25 kV a la catenaria, a -25 kV (en realidad 25 kV desfasados 180º) al feeder o alimentador negativo y con la toma intermedia o neutra puesta al carril. Cada cierto tiempo, 10 km típicamente, se conectan autotransformadores con 50 kV en el primario (entre catenaria y feeder negativo) y 25 kV en el secundario (entre feeder negativo y carril). De esta manera, la carga
(trenes) se encuentra alimentada a 25 kV entre catenaria y carril pero la energía se transporta a 50 kV, reduciendo las pérdidas. 5. Conclusiones
En la práctica de los autotransformadores, determinamos el funcionamiento de estos. También descubrimos la relación directamente proporcional existente entre cada uno de los embobinados (primario y secundario) del autotransformador y sus respectivos voltajes.
Se logró entender el manejo de los multímetros y aumentar el voltaje de la fuente aparte de conocer, que los autotransformadores poseen una naturaleza dual según su configuración, sirven para reducir el voltaje del circuito o para aumentarlo.
6. Bibliografía
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HALLIDAY, David. RESNICK, Robert. WALKER, Jearl. 2014. “Fundamentals of Physics”. 9a edición.
YOUNG, Hugh. FREEDMAN, Roger. 2009. Semansky”. 12a edición. Volumen 1.
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http://ddtorres.webs.ull.es/Docencia/Intalaciones/Electrifica/Tema%203.htm
http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursosinteractivos/conceptos-basicos/funcionamiento-de-los-transformadores
http://www.monografias.com/trabajos93/los-autotransformadores/losautotransformadores.shtml
http://www.monografias.com/trabajos63/transformadores/transformadores3. shtml
