Laboratorio. N° 05 TRANSFORMADORES
“
”
CARRERA
: Tecnología Mecánica Eléctrica.
CICLO
: II
SECCIÓN
: “E”
DOCENTE
: Ing. Pedro Pablo Benites.
CURSO
: Laboratorio de Electrotecnia Industrial.
ALUMNO (S)
: Castañeda Castillo Winston Esnayder. Gallardo Cieza Nefi David
FECHA DE ENTREGA: 06/05/2017.
2017-I 1
2
I.
INTRODUCCIÓN:
El uso de los transformadores en el campo doméstico como en el industrial, cobra gran importancia ya que con ellos podemos cambiar la amplitud del voltaje, aumentándola para ser más económica la transmisión y luego disminuyéndola para una operación más segura en los equipos. La mayor parte de los radios contienen uno o más transformadores, así como los receptores de televisión, los equipos de alta fidelidad, algunos teléfonos, automóviles y en fin una gran variedad de artículos que para su funcionamiento es de vital importancia que posea un transformador. Por tanto se hace necesario analizar detalladamente los fenómenos que ocurren con los cambios de polaridad en las bobinas de un transformador observando su comportamiento al sumarle o restarle voltaje a las bobinas de acuerdo a sus conexiones. De manera similar la regulación de voltaje en el transformador se hace importante ya que con ella detallaremos las respuestas del transformador a diferentes cargas puestas en él. Se denomina transformador a una máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia y potencia. 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, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. En este informe, se procederá a verificar la continuidad de cada devanado del transformador, así como comprobar la relación de transformación y finalmente cómo se conectan los devanados del transformador en serie y paralelo a partir de su polaridad, como motivo didáctico. A continuación se explica en detalle todo lo realizado en este laboratorio denominado Transformadores.
3
II.
OBJETIVOS:
2.1.
OBJETIVO GENERAL:
✓
Aprender cómo se conectan los devanados del transformador en serie y paralelo a partir de la polaridad instantánea en los devanados de este comprobando la relación de transformación existente.
2.2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
✓
Verificar la continuidad de cada devanado del transformador.
✓
Aprender la polaridad de un transformador de manera didáctica como guía para la conexión de este.
✓
Interpretar posibles errores en las medidas cuando no se detecta continuidad en ciertos terminales de un transformador.
III.
FUNDAMENTO TEÓRICO:
3.1.
TRANSFORMADOR:
Es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto de nivel de voltaje, en energía alterna de otro nivel de voltaje, por medio de la acción de un campo magnético. Está constituido por dos o más bobinas de alambre, ai sladas entre sí eléctricamente por lo general arrolladas 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. El primer transformador fue, de hecho, construido por Faraday cuando realizó los experimentos en los que descubrió la inducción electromagnética. El aparato que usó fueron dos bobinas enrolladas una encima de la otra. Al variar la corriente que circulaba por una de ellas, cerrando o abriendo el interruptor, el flujo magnético a través de la otra bobina variaba y se inducía una corriente eléctrica en la segunda bobina. Pues bien, este dispositivo es precisamente un transformador.
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Figura 1. Símbolo y diagrama de un transformador 3.2.
IMANES PERMANENTES:
Cualquier tipo de imán, ya sea natural o artificial, posee dos polos perfectamente diferenciados: uno denominado polo norte y el otro denominado polo sur.
Figura 2. Imán permanente Una de las características principales que distingue a los imanes es la fuerza de atracción o repulsión que ejercen sobre otros metales las líneas magnéticas que se forman entre sus polos. Cuando enfrentamos dos o más imanes independientes y acercamos cada uno de ellos por sus extremos, si los polos que se enfrentan tienen diferente polaridad se atraen (por ejemplo, polo norte con polo sur), pero si las polaridades son las mismas (polo norte con norte, o polo sur con sur), se rechazan.
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Figura 3. Polaridad de imanes. Si enfrentamos dos imanes con polos diferentes se atraen, mi entras que si los polos enfrentados son iguales, se repelen. Cuando aproximamos los polos de dos imanes, de inmediato se establecen un determinado número de líneas de fuerza magnéticas de atracción o de repulsión, que actúan directamente sobre los polos enfrentados. Las líneas de fuerza de atracción o repulsión que se establecen entre esos polos son invisibles, pero su existencia se puede comprobar visualmente si espolvoreamos limaduras de hierro sobre un papel o cartulina y la colocamos encima de uno o más imanes.
3.3.
INDUCCIÓN MAGNÉTICA:
Si cogemos un alambre de cobre o conductor de cobre, ya sea con forro aislante o sin éste, y lo movemos de un lado a otro entre los polos diferentes de dos imanes, de forma tal que atraviese y corte sus líneas de fuerza magnéticas, en dicho alambre se generará por inducción una pequeña fuerza electromotriz (FEM), que es posible medir con un galvanómetro, instrumento semejante a un voltímetro, que se utiliza para detectar pequeñas tensiones.
Figura 4. Inducción magnética.
6
Este fenómeno físico, conocido como "inducción magnética" se origina cuando el conductor corta las líneas de fuerza magnéticas del imán, lo que provoca que las cargas eléctricas contenidas en el metal del alambre de cobre (que hasta ese momento se encontraban en reposo), se pongan en movimiento creando un flujo de corriente eléctrica. Es preciso aclarar que el fenómeno de inducción magnética sólo se produce cada vez que movemos el conductor a través de las líneas de fuerza magnética. Sin embargo, si mantenemos sin mover el alambre dentro del campo magnético procedente de los polos de los dos imanes, no se inducirá corriente alguna. En esa propiedad de inducir corriente eléctrica cuando se mueve un conductor dentro de un campo magnético, se basa el principio de funcionamiento de los generadores de corriente eléctrica.
3.4.
ELECTROMAGNETISMO:
El electromagnetismo es una rama de la física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría, cuyos fundamentos fueron presentados por Michael Faraday y formulados por primera vez de modo completo por James Clerk Maxwell. En 1820 el físico danés Hans Christian Oerted descubrió que entre el magnetismo y las cargas de la corriente eléctrica que fluye por un conductor existía una estrecha relación. Cuando eso ocurre, las cargas eléctricas o electrones que se encuentran en movimiento en esos momentos, originan la aparición de un campo magnético tal a su alrededor, que puede desviar la aguja de una brújula.
Figura 5. Electromagnetismo.
7
Si cogemos un trozo de alambre de cobre desnudo, recubierto con barniz aislante y lo enrollamos en forma de espiral, habremos creado un solenoide con núcleo de aire. Si a ese solenoide le aplicamos una tensión o voltaje, desde el mi smo momento que la corriente comienza a fluir por las espiras del alambre de cobre, creará un campo magnético más intenso que el que se origina en el conductor normal de un circuito eléctrico cualquiera cuando se encuentra extendido, sin formar es piras.
Figura 6. Polaridad en bobina. Después, si a esa misma bobina con núcleo de aire le introducimos un trozo de metal como el hierro, ese núcleo, ahora metálico, provocará que se intensifique el campo magnético y actuará como un imán eléctrico (o electroimán), con el que se podrán atraer diferentes objetos metálicos durante todo el tiempo que la corriente eléctrica se mantenga circulando por las espiras del enrollado de alambre de cobre.
Figura 7. Electroimán.
8
Los transformadores son probablemente la parte de equipo de mayor uso en la Industria Eléctrica, cuyo principio básico de funcionamiento es la i nducción magnética mutua entre dos bobinas o devanados. Una variación en la corriente que pasa por uno de los devanados induce una tensión en el otro devanado. Todos los transformadores poseen un devanado primario y uno o más secundarios; el primario recibe energía eléctrica de una fuente de alimentación y acopla esta energía al devanado secundario mediante un campo magnético variable. Los transformadores son indispensables en la industria ya que pueden convertir la potencia eléctrica, que está a una corriente y tensión dada, en una potencia equivalente a otra corriente y tensión. Por deducción sacamos esta otra ecuación que define la relación de espiras de las dos bobinas del transformador y las dos tensiones existentes del circuito del transformador ideal sin carga:
Donde; E1 = es la tensión generada en la bobina primaria E2 = es la tensión generada en la bobina secundaria N1 = es el número de espiras de la bobina primaria N4 = es el número de espiras de la bobina primaria a = es la relación de espiras entre la bobina primaria y la bobina secundaria. El tamaño de la línea o de la tensión E2 siempre dependerá del número de espiras de la bobina secundaria, del mismo modo que el tamaño de la línea o de la tensión E1 dependerá del número de vueltas de la bobina primaria.
9
Figura 8. El transformador ideal con carga
Sin embargo, si deseamos conocer la relación de intensidades, debemos incorporar una carga Z. Esto sucede así porque consideramos la intensidad magnetizante insignificante o muy pequeña cuando realizamos la rel ación entre tensiones. Al colocar una carga Z al transformador, inmediatamente surge una intensidad I2 en la bobina secundaria. También hay que saber, que la tensión E2 no varía al conectarle una carga. Así tenemos que la intensidad que pasa por el secundario es:
Y que la ecuación de las tensiones continúa siendo la misma:
Si analizamos las fuerzas magnetomotrices de las dos bobinas para conocer las intensidades, sabremos que las fuerzas magnetomotrices de la bobina secundaria genera: I2N2.
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Como sabemos que las tensiones no cambian al conectar una carga, también sabemos que el flujo tampoco cambia, así que la bobina primaria tiene que generar una fuerza magnetomotriz capaz de contrarrestar la fuerza m agnetomotriz de la bobina secundaria, de este modo obtenemos que: I1N1. Por otro lado, como la I2 está determinada por la carga y, como la I1 tiene que realizar una función compensadora, esto quiere decir que las intensidades están en fase. De esta forma podemos deducir la siguiente ecuación:
Conociendo la ecuación: podemos realizar la siguiente relación:
Donde; I1 = es la intensidad que pasa por la bobina primaria I2 = es la intensidad que pasa por la bobina secundaria N1 = es el número de espiras de la bobina primaria N2 = es el número de espiras de la bobina secundaria a = es la relación de espiras entre la bobina primaria y la bobina secundaria. Si realizamos una comparación entre las dos fórmulas que relacionan las tensiones y las intensidades:
Se llega a la conclusión de que la relación de intensidad es inversamente proporcional a la relación de tensiones del transformador. Lo que quiere decir que la entrada de potencia aparente en el transformador ( E1I1) es igual a la salida de potencia aparente del transformador (E2I2). En el supuesto de que no fueran iguales, querría decir que el transformador está consumiendo potencia, algo que no es posible que ocurra en un transformador ideal.
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IV.
EQUIPOS Y MATERIALES:
Cantidad
V.
Descripción
01 02 01
Fuente de tensión Multímetro digital. Módulo de resistores.
01
Transformador.
20
Cables de conexión
Marca
Modelo
Lab-Volt AMPROVE Lab-Volt
33XR-A
Observación
Lab-Volt
PROCEDIMIENTO:
A. ELECTROMAGNETISMO: TRANSFORMADOR ✓
Como primer paso, procedemos a verificar la continuidad de cada devanado del transformador.
Figura 9. Terminales del transformador en el módulo de laboratorio. ✓
Luego usamos la escala más baja del ohmímetro, medimos y anotamos la resistencia de cada uno de los devanados en la tabla que se muestra a continuación.
12
TABLA 1. Continuidad en los devanados.
✓
TERMINALES
RESISTENCIA ( )
EXISTE CONTINUIDAD SI o NO
1a2
34.1
SI
3a4
123
SI
3a7
54.5
SI
7a8
42.1
SI
8a4
28.1
SI
5a6
37.8
SI
5a9
23.6
SI
9a6
19.3
SI
1a3
0
NO
7a9
0
NO
A continuación realizamos la comprobación de la relación de transformación en un transformador.
✓
Posteriormente se medirá las tensiones del secundario, sin carga, cuando se aplican 120 VAC al devanado primario.
✓
Conectamos el circuito que se ilustra en la figura 9 y solicitamos la aprobación del profesor para encender la fuente.
✓
Luego ajustamos la fuente de alimentación a 120 VAC con el voltímetro V1.
13
1
120 V
V 1
3
5
7
9
V 2
8
2
4
6
Figura 9. Medición de la relación de transformación. ✓
Finalmente medimos y anotamos las tensiones de salida con el voltímetro V2, de acuerdo a las indicaciones de la tabla 2. TABLA 2. Relación de transformación.
DEVANADOS
RELACIÓN DE
PRIMARIO (V 1)
SECUNDARIO (V 2)
TRANSFORMACIÓN a = V 1 / V 2
1 a 2 = 120 V
3 a 4 = 208 V
0.57
1 a 2 = 120 V
5 a 6 = 120.4 V
0.99
1 a 2 = 120 V
3 a 7 = 103.2 V
1.16
1 a 2 = 120 V
7 a 8 = 75.4 V
1.59
1 a 2 = 120 V
8 a 4 = 29.21 V
4.18
1 a 2 = 120 V
5 a 9 = 60.4 V
1.98
1 a 2 = 120 V
9 a 6 = 60 V
2
14
DEVANADOS
RELACIÓN DE
PRIMARIO (V 1)
SECUNDARIO (V 2)
TRANSFORMACIÓN a = V 1 / V 2
1 a 2 = 220 V
3 a 4 = 362.9 V
0.6
1 a 2 = 220 V
5 a 6 = 210 V
1.04
1 a 2 = 220 V
3 a 7 = 179.7 V
1.22
1 a 2 = 220 V
7 a 8 = 131.9 V
1.66
1 a 2 = 220 V
8 a 4 = 51 V
4.31
1 a 2 = 220 V
5 a 9 = 105.2 V
2.09
1 a 2 = 220 V
9 a 6 = 104.7 V
2.10
Marcas de Polaridad Dos o más terminales de los devanados (bobinas) tienen la misma polaridad cuando las corrientes que entran simultáneamente por los terminales producen flujos que son concurrentes. La polaridad de los devanados de un trasformador es importante cuando se pretende asociar las fases entre ellos, para poder determinar la polaridad, colocamos dos o más bobinas en serie, dependiendo de cada una, tendremos la suma o diferencia de las tensiones instantáneas inducidas en ellos. Dos bobinas para producir flujos concordantes tienen que tener la misma polaridad. El método consiste en marcar un punto arbitrario, los otros puntos serán marcados a partir de la 1ª bobina. Los puntos indican los terminales por los cuales deben entrar las corrientes para producir flujos concordantes. Se debe energizar el sistema y tomar lecturas del voltaje, las cuales pueden conducir a dos alternativas: •
Si el voltaje Vx tiene un valor igual a V1 + V2, entonces las marcas serán: Diagonales.
•
Si el voltaje Vx tiene un valor igual a V1 − V2, entonces las marcas serán: Co-lineales.
15
Figura 10.a: Determinación de las Marcas de Polaridad de un transformador.
Figura 10.b: Determinación de las Marcas de Polaridad de un transformador.
Primario en Serie, Secundario en Paralelo Para este tipo de conexión se debe cumplir que ambos transformadores tengas los mismos voltajes primarios y secundarios, es decir, misma relación de transformación y que las impedancias de los transformadores sean necesariamente iguales para que la corrientes que aporten cada devanado secundario sean iguales.
T1
I1
I1,T1
I2
V2,T1
V1,T1
V2
T2
V1 V1,T2
V2,T2
I2,T2
Figura 11. Conexión Serie / Paralelo
16
Primario en Paralelo, Secundario en Serie. Para esta conexión los transformadores deben tener necesariamente l os mismos voltajes primarios, la corriente que circula por I1, T1 y I1, T2 serán iguales. I1
I1,T1
T1
I2 V2,T1
V1,T1
V1
V2
T2
I1,T2
V2,T2
V1,T2
Figura 11. Conexión Paralelo / Serie
CUESTIONARIO: 1. Los devanados 1 a 2 y 5 a 6 tienen 500 vueltas de alambre. El devanado 3 a 4 tiene 865 vueltas. Calcule las siguientes relaciones de vueltas: a)
b)
devanado 1 a 2 devanado5 a 6
devanado 1 a 2 devanado 3 a 4
=
= .
2. ¿Cuántas espiras tendrá el secundario de un transformador, si su relación de transformación es 1: 5 y el primario tiene 30 vueltas? De la siguiente relación
Además, conocemos la relación de transformación = 1/5 = 0.2
=
1
→ =
(1)
=
30 0.2
= 150
3. ¿Cuánto indicaría un amperímetro si se conectara en el secundario del transformador de la pregunta anterior, sabiendo que el amperímetro del lado primario indica 3 mA?
=
→ =
17
=
3 30 150
= 0.6
VI. ✓
PROCESAMIENTO DE DATOS: Para realizar los cálculos teóricos de este laboratorio, haremos uso de las fórmulas o ecuaciones que se presentan a continuación.
Con 120 V: •
•
•
•
•
•
•
() ()
=
() (.) () (.) ()
() (.) ()
= .
= .
(.)
()
=
= .
(.)
()
=
=
Con 220 V:
•
•
•
•
() (.) () ()
() (.) () (.)
18
()
•
() ()
•
(.) ()
•
(.)
VII. ANÁLISIS DE RESULTADOS: En los terminales 1 y 3, 7 y 9 de la tabla 1 vemos que muestra una resistencia de cero, esto se debe a que no poseen continuidad entre ellos comportando como abierto.
•
En la tabla n° 2 tanto en los terminales 1 y 2, 5 y 6 presentan los mismos voltajes esto se debe a que ambas están en paralelo.
•
•
Aun cuando la tensión del primario mostrado en las tablas aumente, este sigue manteniendo la misma relación.
VIII. CONCLUSIONES: Hemos aprendido que al usar transformadores la entrada de voltaje puede aumentar así como decrecer dependiendo del n° de espiras del secundario.
•
•
Además hemos descubierto que no existe continuidad entre todas las entradas de los terminales.
•
•
IX. ✓
El voltaje en los devanados primario y secundario en paralelo debe ser el mismo. Concluimos que al conectar transformadores en serio y paralelo es tos muestran una voltaje y amperaje idéntico en su primario y secundario dándonos así un método de trabajo óptimo para algunos circuitos
RECOMENDACIONES. Se recomienda permitir al profesor que revise las conexiones realizadas de los circuitos a implementar para evitar errores futuros en la toma de medidas y posteriores inconvenientes con el tiempo del laboratorio.
19
✓
Realizar la correspondiente prueba de continuidad de los cables para evitar perder tiempo al momento de la medición.
✓
Venir revisando el tema a tratar para tener claros los conceptos y que de esta manera sea mucho más fácil de comprender las conexiones de los circuitos y lo que nos muestra el software, además de los valores obtenidos por la toma de datos experimentalmente.
X.
ANEXOS.
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21
