Práctica 8 Electrica

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DIQI PRACTICAS DEL LABORATORIO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA.

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PRACTICA N°8 MANEJO, FUNCIONAMIENTO Y UTILIZACIÓN DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS TIPO NÚCLEO

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PRACTICA N°8 MANEJO, FUNCIONAMIENTO Y UTILIZACIÓN DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS TIPO NÚCLEO OBJETIVOS GENERALES

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 

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Al término de la práctica el alumno podrá diferenciar entre el voltaje primario, el voltaje secundario o adicionales en un transformador monofásico tipo núcleo. Conocer los elementos más importantes que componen a un transformador. Observar cómo afectan los cambios de corriente y voltajes, tanto de la bobina primaria como de la secundaria de los dos transformadores. Manejar diferentes transformadores monofásicos de corriente alterna, observando las diferentes inducciones en los aparatos de medición para obtener valores experimentales y compararlos

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 

con los valores teóricos, así como también, encontrar la diferencia entre un transformador monofásico en vacio como con carga. Conocer el funcionamiento de un transformador y su conexión en sistemas eléctricos. Determinar la relación de transformación de un transformador.

MATERIAL EMPLEADO a) Fuente de corriente alterna regulada de 0-127 volts. b) Clavija sencilla

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c) d) e) f) g) h) i) j) k)

Apagador sencillo Amperímetro de 0-10 A de C.A. Voltímetro de C.A. Núcleo de transformador monofásico. Focos incandescentes de 40, 60 y 100 Watt o resistencias equivalentes Bobinas con diferentes arrollamientos Diez caimanes Multímetro digital Capacitor de 6μF a 350 Volts de C.A.

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l) 2 transformadores monofásicos de 127 volts de entrada a 32 volts de salida con taps central m) Cable para conexiones n) Wattmetro monofásico o) Tablero general.

CONSIDERACIONES TEÓRICAS

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Un transformador consta esencialmente de dos o más arrollamientos entrelazados por un campo magnético común. Si uno de estos arrollamientos, el primario, se conecta a una fuente de C.A. se produce un flujo alterno cuya amplitud depende del voltaje primario y del número de espiras. El flujo mutuo enlaza el otro arrollamiento, el secundario, en el cual se induce un voltaje cuyo valor depende del número de espiras del secundario y que se caracteriza por una ecuación donde N es el número de espiras y Φm es el flujo mutuo.

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e 1=−N 1

dF m dt

e 2=−N 2

dF m dt

Y dado que el flujo es el mismo en cada vuelta, tanto para el primario como en el secundario se tiene que: V 2 N2 = V 1 N1

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Cuando en número de espiras del primario y del secundario tiene una proporción adecuada, puede obtenerse prácticamente cualquier relación de voltajes, o relación de transformación; los niveles de los voltajes alternos pueden cambiarse fácilmente por medio de los transformadores; como se verá también existen cambios en las corrientes y en la impedancia. No existe, naturalmente ninguna razón por la cual no pueda introducirse un tercer arrollamiento (terciario) o arrollamientos adicionales para interconectar una variedad de niveles de voltaje.

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La acción transformadora requiere solamente la existencia de un flujo alterno que conecte ambos arrollamientos. Tal funcionamiento se obtiene si se usa un núcleo de aire, lo que da lugar al “transformador de núcleo de aire”. Sin embargo, se obtiene una mayor efectividad si se usa un núcleo de hierro u otro material ferromagnético, la mayor parte del flujo queda, por lo tanto, confinada a un sendero definido que conecta los dos arrollamientos y tiene la permeabilidad mayor a la del aire. Tal transformador es un transformador de núcleo de hierro, que en general son los más utilizados, la principal excepción es el

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transformador de núcleo de aire para uso de frecuencias superiores a las del rango auditivo. Para reducir las pérdidas que producen las corrientes parasitas en el núcleo, los circuitos magnéticos constan usualmente de pilas de láminas delgadas. Generalmente se usan laminas de acero al silicio de 0.0014 pulgadas de espesor en los transformadores que operan a frecuencias inferiores a pocos centenares de Hertz.

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El acero al silicio tiene ventajas tales como bajo costo, bajas perdidas de núcleo y permeabilidad alta a densidades altas de flujo (65 a 90 kilo-líneas/pulg2), los núcleos de los transformadores pequeños que se emplean en circuitos de comunicación que trabajan a frecuencias altas y niveles bajos de potencia pueden fabricarse con aleaciones ferromagnéticas pulverizadas y comprimidas como una de las ferritas. El transformador constituye una de las razones principales del uso generalizado de los sistemas de potencia de corriente alterna, ya que permite la generación eléctrica de voltaje a partir de uno más

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económico, la transferencia de potencia al voltaje de transmisión más económico y la utilización de la potencia para voltajes más adecuados en dispositivos especiales. Cuando se hace referencia a los arrollamientos de los transformadores de potencia, se usan los términos de arrollamientos de alta tensión y arrollamientos de baja tensión; cualquiera de los dos naturalmente puede actuar como primario o secundario. Los transformadores también se usan ampliamente en los circuitos eléctricos y de control de baja potencia, en esos circuitos se realizan

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funciones como el acoplamiento entre las impedancias de una fuente y su carga para obtener una transferencia de potencia máxima.

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Vp

Ip

Vs

Np Ns

Is

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a = Constante de transformación

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DESARROLLO EXPERIMENTAL EXPERIMENTO 1 1.-Arme el transformador de acuerdo a la figura 2 e intercambie diferentes tipos de devanados o bobinas, y obtenga experimentalmente los valores en los aparatos de medición. Primari o

Secundari o

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Figura 2

Datos teóricos Cálculos

Datos experimentales

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Vfuente

regulable

= 65 V

VLINEA =127 V

Vp =

IP =

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IS=? IS =

VS =

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Vp = Voltaje en el primario Vs = Voltaje en el secundario Ip = Corriente en el primario Is = Corriente en el secundario Np = Número de vueltas en el embobinado primario Ns = Número de vueltas en embobinado secundario

a = Constante de transformación

EXPERIMENTO 2

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2.-Armar el transformador de acuerdo a la figura 3 y encontrar los valores experimentales en los aparatos de medición indicados.

Figura 3

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Datos teóricos Cálculos Vfuente regulable= 60 V

Datos experimentales Vp =

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VLINEA =127 V

Vs =

Ip=? IP =

IS = Variabl es

Experiment o1

Experiment o2

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VP IP VS IS a

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Tabla N°1

EXPERIMENTO 3 4.- Arme el transformador de acuerdo a la figura 5 y mida el voltaje del secundario entre terminales extremas del transformador tanto en vacio como con carga capacitiva y resistiva, anotando cada uno de los casos en la tabla N°3.

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Variable s

Valores experimentales

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V0 VC1 VR1 %Reg1 %Reg2

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Tabla N°3

EXPERIMENTO 5

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Determinando las pérdidas de un transformador REAL. El transformador real presenta perdidas que deben ser consideradas para un buen diseño, estas pérdidas ocurren por 2 factores primordialmente: •

El efecto Joule en los embobinados las cuales se miden con el secundario a circuito abierto y al valor nominal de el voltaje de entrada al primario. Se conoce como efecto Joule al fenómeno por el cual si en un conductor circula corriente eléctrica, parte

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de la energía cinética de los electrones se transforma en calor debido a los choques que sufren con los átomos del material conductor por el que circulan, elevando la temperatura del mismo. El nombre es en honor a su descubridor el físico británico James Prescott Joule. El movimiento de los electrones en un cable es desordenado, esto provoca continuos choques entre ellos y como consecuencia un aumento de la temperatura en el propio cable. Los sólidos tienen generalmente una estructura cristalina, ocupando los átomos o moléculas los vértices de las celdas unitarias, y a veces también el centro de

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la celda o de sus caras. Cuando el cristal es sometido a una diferencia de potencial, los electrones son impulsados por el campo eléctrico a través del sólido debiendo en su recorrido atravesar la intrincada red de átomos que lo forma. En su camino, los electrones chocan con estos átomos perdiendo parte de su energía cinética, que es cedida en forma de calor.

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•

Pérdidas en el núcleo que son causadas por histéresis y por las corrientes parásitas, estas pérdidas por histéresis son la energía que se pierde al invertir el campo magnético en el núcleo conforme la comente alterna magnetizadora varia e invierte su dirección. Las pérdidas por corrientes parásitas son producidas por la circulación de corrientes inducidas en el material del núcleo, a estas corrientes se les llama “Corrientes de Foucault”.

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Curva de histéresis En donde Φes el flujo magnético ligado de la bobina, a través de la cual se induce la tensión. El flujo ligado total es la suma de los flujos que pasan por cada vuelta de la bobina, sumando tantas veces cuantas vueltas tenga dicha bobina. Sin embargo, es posible definir un flujo promedio por espira en la bobina.

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Si el flujo magnético total f de todas las espiras es I y si hay N espiras, entonces el flujo promedio por espira se establece por: f = I / N Pérdidas por corrientes parásitas en el núcleo o corrientes de Foucault. En los núcleos de bobinas y transformadores se generan tensiones inducidas debido a las variaciones de flujo magnético a que se someten aquellos núcleos. Estas tensiones inducidas son causa de que se produzcan corrientes parásitas en el núcleo (llamadas

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corrientes de Foucault), que no son óptimas para la buena eficiencia eléctrica de éste. Las corrientes de Foucault crean pérdidas de energía a través del efecto Joule. Más concretamente, dichas corrientes transforman formas útiles de energía, como la cinética, en calor no deseado, por lo que generalmente es un efecto inútil, cuando no perjudicial. A su vez disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magnéticos variables, como los transformadores de núcleo de hierro y los motores eléctricos. Estas pérdidas son minimizadas utilizando

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núcleos con materiales magnéticos que tengan baja conductividad eléctrica (como por ejemplo ferrita o cerámicas adecuadas) o utilizando delgadas hojas de acero eléctrico, apiladas pero separadas entre sí mediante un barniz aislante. Para reducir las pérdidas por el efecto Foucault, el núcleo de los transformadores no es de hierro macizo, sino más bien es de material laminado delgado, se utiliza una aleación de hierro magnético y silicio en proporción de 96% hierro y 4% silicio.

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Las pérdidas en el núcleo o Pn se miden en el circuito primario con el circuito secundario abierto y a los valores nominales de frecuencia y de tensión, se mide, esta corriente llamada corriente de vacío que tiene 2 componentes, una produce el flujo magnético, en el núcleo y otra que alimenta a las demás perdidas por histéresis, corriente circulantes o de Foucault.

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Conecte el circuito de la figura, alimente el primario del transformador a su valor nominal de trabajo, deje el secundario abierto. Mida la corriente (Ipo) alterna en el primario en estas condiciones y anótela, esta será la pérdida por núcleo.

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Ipo= _____________ amperes

Pn = _____________ watts

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Ipo = Corriente en el primario a valor nominal de voltaje de entrada con el secundario en circuito abierto (sin conexión). Para la medición de las pérdidas por cobre conecte el circuito siguiente:

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Observe que el secundario esta en cortocircuito, cuidando de no exceder la corriente en el secundario por demasiado tiempo ya que al estar en esas condiciones se dañaría fácilmente el transformador. Se coloca un amperímetro de c.a. en el embobinado primario y otro en el embobinado secundario (que debe estar en cortocircuito). Se aplica con mucho cuidado un voltaje en el primario a valor tal que se obtenga las corriente nominal de salida, es decir, si el

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transformador especifica tener 1 ampere a la salida, ajuste entonces el voltaje en el variable para obtener ese valor. La potencia absorbida por el transformador en estas condiciones corresponde exactamente a las pérdidas totales en el cobre del conjunto de los dos embobinados. Mida la corriente (Ips) que circula en el embobinado primario y anótela, ese será el valor de la correspondiente Pcu (pérdidas por cobre). Mida también el voltaje Vps de alterna en el primario del transformador.

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Tan pronto como logre las mediciones apague y desconecte el circuito para evitar sobrecargas innecesarias tanto en el circuito de alimentación como en el transformador. A continuación determine las resistencias del primario y del secundario y anótelas.

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Valor Vnomin al I nominal Potencia Resisten cia Ipo Ips Vps

Primario Vp

Secundar io Vs

Ip= Pp= Rp=

Is= Ps= Rs=

Ipo=

-------------

Ips= Vps=

0

Donde: Vp = Voltaje en el primario en volts Vs = Voltaje en el secundario en volts Ip = Corriente en el primario en amperes Is = Corriente en el secundario en amperes Pp = Potencia en el primario en voltamperes

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Ps = Potencia en el secundario en volt-amperes Recuerde que (Pp = Ps) Rp = Resistencia del primario en ohms Rs = Resistencia del secundario en ohms Ipo = Corriente en el primario con el secundario abierto en amperes Ips = Corriente en el primario con el secundario en corto circuito en amperes Vps = Voltaje en el primario con cortocircuito en el secundario en volts

Las pérdidas por cobre se obtienen de la siguiente ecuación:

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Las pérdidas totales del transformador se definen de la forma siguiente:

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Pt= __________ watts Y la eficiencia del transformador como:

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Donde:

Ps = Potencia de salida en Volt-ampere Pn = Pérdidas en el núcleo Pcu= Pérdidas por cobre

= ___________________ %

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El porcentaje de regulación se obtiene por medio de la siguiente ecuación

% Rgl 

Vvacio  Vpcar  100 Vpcar

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Este valor idealmente es cero. Donde: Vvacio = es el voltaje en el secundario en vacio (sin carga) Vpcar = Voltaje en el secundario a plena carga (el valor nominal de diseño en amperes)

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CUESTIONARIO 1.-Encontrar todas las tensiones eléctricas medidas con diferentes devanados y explique en cada caso que tipo de transformadores tenia. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________

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______________________________________________________________________ ____________ 2.- Explique como ocurre la transferencia de energía de un circuito a otro (del devanado primario al secundario). ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ____________

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3.-Explique brevemente que tipo de pérdidas se determinan con la prueba de vacío y diga por que pueden ser determinadas mediante dicha prueba. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ____________ 4.-¿Qué tipo de perdidas están siendo determinadas con la prueba de corto circuito y por que pueden ser cuantificadas así?

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______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ _________ OBSERVACIONES ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________

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______________________________________________________________________ ____________ CONCLUSIONES ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ____________

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BIBLIOGRAFIA  

Fitzgerald SC. D. Fundamentos de ingeniería eléctrica 4° edición, McGraw Hill Chester L. Dawes Tratado de electricidad tomo I y II

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