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Maquinas Eléctricas II
Diseño de un Transformador Monofásico Edgar Caro (200023411), (200023411), Johann Fernández Fernández de Castro (200025712), (200025712), Gerardo Berdugo Berdugo (200018746) Transformador monofásico, número de vueltas, núcleo de hierro, laminas, embobinado, calibre del cable, prueba de corto circuito y circuito abierto, lado primario y secundario.
I.
INTRODUCCION.
El diseño y la construcción de transformadores monofásicos monofásicos es un proceso de cálculo mediante el cual se trata de determinar sus dimensiones geométricas, para así obtener las características de funcionamiento deseadas por el diseñador para la aplicación en la q ue el transformador se usará. En el ámbito del diseño es importante la secuencia lógica de relaciones, que permiten determinar las dimensiones a partir de las especificaciones especificaciones y de ciertos valores supuestos en base a experiencia en diseños similares. Finalmente cuando se tiene el prototipo construido se procede al análisis para ver si su comportamiento coincide con el comportamiento requerido y repetición del proceso si es necesario corregir el diseño. II.
MARCO TEORICO.
Un transformador es un dispositivo que transforma la energía eléctrica de un nivel de tensión y corriente a otro nivel de tensión y corriente mediante la acción de un campo magnético. Un transformador elemental consiste de un núcleo de hierro laminado sobre el cual se envuelve una bobina de alambre aislado. El núcleo se compone de placas o láminas de acero de silicio, pues la inversión constante del flujo de la corriente alterna produce contra-corrientes en un núcleo de hierro macizo. Por lo tanto, si se empleara un núcleo de hierro macizo, se produciría un recalentamiento en el transformador. El laminado laminado tiende tiende a quebrar quebrar dichas dichas contracorrientes. contracorrientes. En cuanto al funcionamiento del transformador, si se le aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario circulara una corriente por el primario, produciéndose de ese modo el campo magnético dentro del núcleo de hierro. Este campo magnético variable originará por las leyes de inducción magnética un voltaje en este devanado las espiras del secundario. El sistema magnético estará formado por dos bobinas (una de primario y otra de secundario) arrolladas sobre un carrete y un núcleo ferromagnético formado por chapas magnéticas que permitirá que el flujo común a ambas bobinas enlace magnéticamente los circuitos de primario y secundario.
Figura1. Transformador monofásico (alzado-corte)
El circuito magnético de un transformador monofásico está caracterizado por dos áreas o superficies características: el Área de Núcleo, Ac, que es la superficie de la columna central del transformador, y el Área de Ventana, Av, que es la superficie del hueco o ventana que queda entre la columna central y las laterales; en realidad es la superficie que estará ocupado por los bobinados de primario y secundario, así como por los aislamientos. Las chapas magnéticas que se utilizarán tienen forma de E y de I.
Figura2. Chapas magnéticas para fabricar el núcleo.
Conociendo las dimensiones anteriores, se podrá escribir que las áreas definidas serán:
Donde D es la profundidad del núcleo y E es la longitud.
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Maquinas Eléctricas II III.
PROCEDIMIENTO Y DATOS.
Se ha adquirido una lámpara de 110w traída desde estados unidos que trabaja a 220 V, se necesita utilizar esta lámpara pero se tiene un sistema eléctrico que trabaja a 110 V, para esto diseñaremos un transformador elevador de 110 a 220V de 110 w de potencia. Lo primero que se calculará es son las dimensiones del núcleo ferromagnético, como la tensión de alimentación del transformador será 110 VA y estamos trabajando en un sistema de 60hz por ende se procede a revisar las tablas de la sección.
Figura4. Medida de las chapas magnéticas.
Ahora se procederá a calcular el número de vueltas para el bobinado primario que se encuentra con la ecuación
Donde V es la tensión, f es la frecuencia eléctrica, A es la sección (en nuestro caso en pulgadas cuadradas) y Bm son las líneas de fuerza de campo magnético por pulgadas cuadradas; entonces el número de vueltas son:
Figura3. Normas para núcleo de un transformador.
Ahora que ya tenemos la sección procedemos a hallar el resto de las dimensiones de la ventana, como la sección es de 2,18 pulgadas cuadradas lo que se busca es que esta sea una sección donde el ancho sea el doble del largo por lo tanto el E es igual a 2 pulgadas. Con este dato de E se procede a calcular la longitud de cada parte del núcleo por ende quedara así:
Estas son el número de espiras que se necesitan en el primario del transformador, para el secundario ahora en teoría se necesitarían el doble de vueltas para elevar la tensión, es decir, 400 vueltas pero usaremos un 3% adicional para compensar la caída de tensión debido a la resistencia de los cables y esto es igual a 412 vueltas. Luego de esto se necesita tener los calibres de los conductores para el transformador, ya teniendo la potencia y las tensiones se encontrara la máxima corriente que pasara por este. Para el primario
Para el secundario
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Ahora que se tienen las corrientes buscamos en la siguiente tabla los calibres apropiados para el embobinado.
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De este transformador se utilizó solo el núcleo así que se empezó a retirar lámina por lámina este para sacar el embobinado antiguo, este fue un proceso fácil pero largo debido a la cantidad de láminas que constituyen el núcleo. Luego de este proceso se realizó la parte del bobinado con una bobinadora, esta facilitó el trabajo ya que se terminó mucho más rápido que si se hubiera hecho manualmente, pero se debía tener cuidado con la velocidad de que se hiciera uniformemente de un lado al otro, cuando se terminó la primera capa se colocó la siguiente encima debido a que los alambres vienen con un esmalte que aísla bajas corrientes, para el secundario si se aíslo con una cinta especial y se procedió a embobinar el secundario similarmente al primario. Cuando se terminó el embobinado se aíslo el secundario para que no hiciera corto circuito con el núcleo ni con la carcasa de este. A continuación se muestra a cada integrante del grupo embobinando los devanados primario y secundario del transformador.
Figura5. Tabla de calibres para cables de embobinado.
Debido a que los transformadores no funcionan con una eficacia del 100% se asume un incremento en la corriente del primario del 10% para que se entregue la potencia requerida en el secundario el cual será el que alimente a la lámpara, es decir, la corriente en el primario será de 1,1 A; entonces pala el primario se necesitaran 200 vueltas de alambre de calibre número 19 y para el secundario 412 vueltas de alambre de calibre número 23. Después que se realizaron los cálculos teóricos se procedió a realizar el montaje del transformador, lo primero fue la búsqueda del núcleo y uno de las grandes dificultades fue encontrar uno con las mismas dimensiones del calculado, así que lo que se hizo fue buscar el más cercano a este, en nuestro caso se encontró un núcleo con dimensiones muy aproximadas, casi las mismas de un transformador antiguo.
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Ahora procedemos a realizar los cálculos de circuito equivalente mediante las pruebas de circuito abierto y corto circuito Prueba Prueba corto circuito circuito abierto Tensión(V) 221 5,5 Corriente(mA) 160
500
Potencia(W)
0,5
3,5
Figura6. Circuito Equivalente del Transformador.
Circuito abierto
,
ɸ=-
=79,5 °
Eficiencia Vin=113V Iin=1,058A Vout=220V Iout=0,503A
Regulación (a un factor de potencia de 1)
Rv =
CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES.
A la hora de armar el transformador monofásico según lo que se diseñó se debe tener en cuenta varios aspectos importantes, uno de esos aspectos es a la hora de embobinar tanto el primario como el secundario; el embobinado se debe hacer de un lado a otro, de tal manera que al terminar el número de vueltas calculadas para cada lado del transformador, la bobina quede de manera uniforme, esto con el fin de dejar una tolerancia de distancia entre en el embobinado y las láminas del núcleo para garantizar que el transformador funcione correctamente y evitar un corto circuito con las láminas del núcleo. Adicionalmente cuando se va a embobinar un transformador en donde la corriente máxima nominal que circulara es pequeña, no importa si los cables de las bobinas tanto del primario están encima unos de otros, de igual manera con el secundario puesto que el mismo cable tiene un esmalte que funciona como un aislante porque el calibre del cable usado para las bobinas soporta la corriente máxima nominal que maneja el transformador. Ahora bien, cuando se construyen transformadores de mayor capacidad ( mayor corriente, voltaje, potencia) los cables del embobinado no pueden ir unos encima de otros puesto que el aislamiento no resistirá la corriente máxima nominal, causando puntos calientes en el transformador y eso es algo que se quiere evitar; para eso cuando ya se forma la primera capa del embobinado, es decir, cuando ya no se pueden dar más vueltas en el carrete se le coloca un aislante y se continua con el proceso de embobinado. Para resumir entre capa y capa de embobinado debe haber un aislante, hasta culminar las vueltas respectivas tanto del primario como del secundario del transformador.
Corto circuito
IV.
V.
AGRADECIMIENTOS
Nuestros agradecimientos a la empresa Jorge León Bedoya cia. en donde se llevó a cabo todo el desarrollo del transformador y además, agradecimientos a Joe Fabián Martínez y Ricardo Manjarres que fueron las personas encargadas de velar por nuestra seguridad dentro de las instalaciones y de guiar al grupo a lograr el objetivo de realizar el transformador.
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VI.
REFERENCIAS
CHAPMAN, Stephen. Máquinas Eléctricas. 4ª Ed. McGraw Hill.
Diseño y fabricación de un transformador monofásico, realizado en febrero del 2010, consultado el 16 de septiembre del 2011 http://www.tecnun.es/asignaturas/SistElec/Practicas/ Trabajo_09_10.pdf
Construya su Propio Transformador - Parte I - El Diseño, realizado en abril de 1950, consultado el 16 de septiembre del 2011 http://www.mimecanicapopular.com/verhaga.php?n= 18
Transformador, realizado el 10 de septiembre del 2011, consultado el 16 de septiembre del 2011 http://es.wikipedia.org/wiki/Transformador#Funciona miento
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