informe transformador y electroiman

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIAESCUELA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA

MAQUINAS ELECTRICAS I

TRANSFORMADOR MONOFASICO Y ELECTROIMAN Nelson Alexis Torres

Arturo Alejandro Prieto Díaz

1. OBJETIVOS

General

Diseñar y construir un transformador monofásico Y un electroimán eléctrico utilizando la teoría de bobinas y transformadores eléctricos.

Específicos

Aplicar los conceptos vistos de transformadores monofásicos y autotransformadores eléctricos.

Analizar el comportamiento de transformadores monofásicos en pruebas de corto circuito y circuito abierto.

Calcular y diseñar un trasformador monofásico mediante los principios de teoría de transformadores.

Diseñar y calcular una bobina con un núcleo de hierro para que e convierta en elctriman.

2. RESUMEN

Desde el siglo XX la humanidad ha sufrido grandes cambios y avances tecnológicos, conllevan a la creación de nuevas estrategias para la creación y mejoramiento de las maquinas, El coste y eficiencia son los principios básicos de diseño y construcción.

Estos principios y normatividad son regidos por normativas estándares en cada campo de la ingeniería en el caso de las maquinas eléctricas están regidos por la normativa universal IEEE.

El reto para los ingenieros eléctricos y electrónicos es el de crear nuevas tecnologías que además de incrementar la efectividad y disminuir el coste aumenten la productividad.

3. ABSTRAC

La maquinas eléctricas son utilizadas a gran escala en las grandes industrias, en un contexto más domestico hablamos de pequeñas corrientes de alimentación a voltajes considerables 120V -150-250mA.

Las maquinas eléctricas se dividen en dos grandes clases estáticas y rotativas, en las rotativas encontramos los motores y generadores eléctricos, que utilizan el principio del electromagnetismo de la ley de Faraday. Por otro lado están las maquinas estáticas que son los transformadores que permiten transformar magnitudes energía eléctrica voltaje y corriente que son el principal enfoque de este proyecto.

Los transformadores se rigen bajo el principio de funcionamiento de la fuerza transformadora que enuncia la variación del tiempo con respecto a la magnitud del flujo que genera la fem de pulsación o de acción transformadora. Esta fem es inducida por los devanados debido a las variaciones del flujo enlazado en los enrollamientos de las bobinas. El transformador monofásico funciona con un inducido fijo que conduce un flujo variable, en este el flujo del devanado primario es abrazado por el inducido del segundario es en este caso particular enrollados en un núcleo de hierro sin necesidad de entrehierros, de acuerdo con este principio las frecuencias de los devanados son iguales.

Este transformador monofásico que presentamos esta diseñado para una potencia de 260 v/A y una corriente de 15 A, Este transformador es de tipo reductor puesto que se alimenta con un mayor voltaje y en su salida se muestra uno menor en nuestro caso fue construido de 120/24v con tap central que se dispone para obtener tensiones de 12 y de 24 voltios.

El diseño físico que se adopto fue el acorazado en donde se comparten los dos devanados en una columna en el mismo núcleo. En este tipo de núcleo las espiras quedan más sujetas y es ideal para bajas tensiones con menores perdidas. En cuanto a la refrigeración se tomo como principio la refrigeración en seco para una carcasa en chapa con barniz aislante aislante con aberturas para que el calor y la temperatura se dispensen con las condiciones ambientales; se recomienda que este dispositivo este en un lugar se sin exposición directa al sol.

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Los transformadores son ampliamente utilizados en el campo de la distribución después de la generación de la energía eléctrica haciéndola más práctica y económica. A pequeña escala También son bien conocidos en tensiones bajas porque son utilizados en casi todos los electrodomésticos.

4. DISEÑO DE TRANSFORMADOR

4.1.CIRCUITO ELÉCTRICO

El circuito eléctrico se muestra en la figura 1 de lo anexos

4.1.2 Diseño de los elementos

El primer paso fue el de diseñar unas láminas para el enchapado del trasformador, hechas en hierro al silicio, con las medidas necesarias para poder suministrar la corriente y el voltaje necesario.

Con las anteriores mediciones se procedió a calcular la reluctancia de cada brazo del núcleo teniendo en cuenta los valores de trayectoria magnética media y área de sección transversal.

4.2. CIRCUITO MAGNÉTICO

El circuito magnético equivalente para el núcleo del transformador y su embobinado primario y secundario es el siguiente:

Con las anteriores mediciones se procedió a calcular la reluctancia de cada brazo del núcleo teniendo en cuenta los valores de trayectoria magnética media y área de sección transversal.

4.3. ANÁLISIS DEL CIRCUITO MAGNÉTICO

µ = 7000

R = lμA

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S=22,2

Para el caso de las reluctancias R1 y R2 se tienen los siguientes valores de trayectoria magnética y sección transversal:

Trayectoria magnética: 75mm, sección transversal: 1.08mm^2

R1 = R2

Similar sucede con las resistencias restantes:

Trayectoria magnética 48mm: área transversal igual a las anteriores.

R3= R4 = R5 = R6

Los valores obtenidos se evidencian en la imagen…

Cálculos de la reluctancia del núcleoÁrea de sección transversal columna central 2.22mm2

Área sección transversal en las otras columnas 1.08mm2

Cálculos

Rc=lμA

Rc=75∗10−3m

7000∗(2.22mm2)=4.8mAT

Wb

Rs=75∗10−3m

7000∗1.08∗10−3m2 =9.92mAT

Wb

Ri=48mm

7000∗1.08∗10−3m2=6.35mAT

Wb

Re=75 x10−3

7000∗2,22x 10−3 =4.8 x 10−3

4.4. MODELOS EQUIVALENTES:

Los cálculos de los modelos equivalentes se obtuvieron de realizar las pruebas de corto circuito y circuito abierto, las cuales se detallan más adelante:

Los cálculos para determinar la eficiencia del transformador se basaron en el modelo aproximado referido al primario.Factor de Potencia para prueba de vacio reducido al primario

cos ø=14,4 W14,7W

=0,9796

ø=cos−1 0,98=11,6

Corriente por perdida en el nucleo y magnetización

I c=0,12 xcos (11,6)=0,117 AIm=0,12 x sen (11,6 )=0,024 AI∅=Ic+ℑ

Resistencia de la perdida del nucleo y reactancia de magnetización

RCH=122,50,117

=1,047KΩ

XMH=122,50,024

=5.1KΩ

Resistencia de los embobinados

Corriente en el primario 2 A corriente en el secundario 10 A

Voltaje en el primario: 22,36V

cos∅= 2 X 22,362,12 X 22,36

=0,943

∅=cos−1 0,943=19,37

REH=44,722 A

=6,8Ω

cos∅=62,81W62,81W

=0,993

∅=6,6

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R=20,8 x3,02 xCos(6,6)

13,042=6.8Ω

X EH=√6,882−6,82=1,04

Al ubicar una carga de 1.18+0.79i ohm

Se encontró el siguiente factor de eficiencia:

a=5ZL=1,18+0,79 iaZ L=29,5+19,79iI 2=13,37∠−33.86 I 2

a=13,37∠−33.86

V a=(2,67∠−33.86∗(6.8Ω+0,4 iΩ ) )+95∠0=112∠−4

I ϕ=112∠−4

1×103+206,25 i=¿109,2 × 103∠−15,6

Iin=2,773∠−33.15Pin=ℜ [Vin∗Iin¿ ]=271,24Pout=ℜ [ 95∠0∗2,67∠33,86 ]=210,63

η=210,6327,24

=78 %

RSec=1,4Rpri=3,2

η=79 %

4.5. PORCENTAJE DE REGULACIÓN DE VOLTAJE:

Al ubicar la plena carga del transformador se obtuvieron los siguientes datos:

I2 = 16mAV2 = 19v

Valores de entrada

Vin = 120v

Referido al primario

RV %=V 1−aV 2

aV 2

∗100=120−(5∗19 )

(5∗19 )∗100=26.3 %

4.6. CRITERIO DE LA MAXIMA EFICIENCIA

De acuerdo con la ecuación: I pn=√ Pm

ℜ, la máxima

eficiencia del transformador se obtiene cuando en el lado primario se obtiene una corriente de:

√ 14.46.8

=1.5 A

Lo que significa que deben circular 7.5 A en el lado de bajo voltaje.

4. 7. POLARIDAD

La polaridad de un transformador se obtiene dependiendo de la orientación del embobinado, en el trasformador especificado se realizaron las marcas de la polaridad de los puntos de acople magnético, estos puntos son importantes por ejemplo a la hora de conectar el transformador como autotransformador.

4,8. LA REFRIGERACIÓN

La refrigeración escogida para el transformador es la refrigeración en seco porque es la más económica, y además la potencia que maneja el transformador no amerita que se utilice algún tipo de refrigerante.

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4.9 PRUEBAS DE CIRCUITO ABIERTO

¿V oc

I c=V oc

2

Poc

X mL=V oc

Im=V oc

2

Qoc

La prueba de circuito abierto se emplea para medir efectivamente las pérdidas del núcleo del transformador; se procede a dejar abierto un devanado del transformador mientras el otro se excita aplicando el voltaje especificado. Los instrumentos necesarios para hacer esta prueba son el amperímetro, watímetro y voltímetro. La lectura del amperímetro es la corriente de excitación del núcleo, se utiliza el valor que proporciona el voltímetro para hallar la potencia aparente del watímetro. La lectura del watímetro será la potencia compleja del circuito, al dividir la potencia aparente sobre la potencia compleja y hallando el arcocoseno se obtiene el ángulo para el factor de potencia para la prueba de circuito abierto.

corrientes de pérdida en el núcleo y de magnetización son:

Ic = Ioc cos (øoc)Im = Ioc sen (øoc)

Luego, la Resistencia de la pérdida en el núcleo y la reactancia de magnetización observadas desde el lado de bajo voltaje son:

RcL

4.10. PRUEBAS DE CORTO CIRCUITO

La prueba de corto circuito está diseñada para determinar los parámetros de los embobinados del transformador para así saber las perdidas por la resistencia y reactancia de dispersión del alambre.Los resultados de las dos pruebas son:

Prueba Voltaje (V) Corriente (A) Potencia (W)Circuito abierto

24 0.53 13

Corto Circuito

20.8 3.02 62.8

Bajo voltajeInductancia: 15, 327 mHFactor de calidad (Q) = 4,044Alto voltajeInductancia: 281,68 mHFactor de calidad (Q) = 4,044

4.11. COSTOS

Item Cantidad PrecioChapas 100 $120000Alambre 17AWG 200gr $ 13600Alambre 20 AWG 200gr $ 13600Cable Derivaciones $ 3000Puente de diodos 1 $ 5300Borneras 2 $ 1000Varios $ 6000TOTAL $162500

4.12. APLICACIONES EN UN ENTORNO LABORAL REAL.

Gracias a las grandes capacidades de potencia especificada del transformador, es útil para el manejo de cargas que requieren una gran cantidad de corriente, como son motores de corriente alterna, equipos de soldadura entre otros.

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13. ANEXOS

Tabla |1 Tabla de selección de núcleo para el transformador

NÚCLEO POTENCIA MÁXIMA VUELTAS POR VOLTIO ÁREA Cm ²

1.6 x 1.9 9W 14 3.04

2.2 x 2.8 37W 7 6.16

2.5 x 1.8 20W 9.3 4.5

2.5 x 2.8 49W 6 7

2.8 x 1.5 17W 10 4.2

2.8 x 2.5 49W 6 7

2.8 x 3.5 96W 4.3 9.8

2.8 x 5 196W 3 14

3.2 x 3.5 125W 3.75 11.2

3.2 x 4 163W 3.3 12.8

3.2 x 5 256W 2.625 16

3.8 x 4 231W 2.76 15.2

3.8 x 5 361W 2.21 19

3.8 x 6 519W 1.85 22.8

3.8 x 7 707W 1.58 26.6

3.8 x 8 924W 1.38 30.4

3.8 x 9 1170W 1.22 34.2

3.8 x 10 1444W 1.1 38

3.8 x 11 1747W 1.004 41.8

3.8 x 12 2079W 0.921 45.6

4.4 x 9 1568W 1.06 39.6

4.4 x 10 1940W 0.95 44

4.4 x 11 2342W 0.867 48.4

4.4 x 12 2787W 0.795 52.8

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Tabla 2. Tabla de alambre esmaltado para los devanados.

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Fig 1 Modelo eléctrico y esquemático del transformador.

Vista isométrica

Vista frontal

Vista superior

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Fig 2 modelos equivalente del transformador

Modelo equivalente exacto

Fig3 modelo equivaelnte exacto visto desde el devanado primario

Fig4 Modelo equivalente exacto visto desde el secundario

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Fig5 prueba de circuito abierto

Fig 6 prueba de corto circuito

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5 DISEÑO DE ELECTROIMAN

5.1 ESQUEMÁTICO DE LA BOBINA CON MEDIDAS REALES:

Este circuito se muestra mas adelante en los anexos en la figura 1

5.2 CIRCUITO ELECTRICO

5,3MODELO DEL CIRCUITO ELÉCTRICO

5.4PARÁMETROS Y CÁLCULOS

H=140∗10.2 A0.202m

H=7069.3AVvm

μ= 0.8T

7069.3( Avm )μ=113.16∗(10−6 ) (TmAv )

R= 0.202

100∗4 π∗10−7∗113.16∗10−6∗π∗( 21∗103 )2

R=21531.75H−1

F.M.M.f .m .m.=N∗I=0.202∗7069.,3f .m .m.=1427.99 A .V .

5.5JUSTIFICACIÓN DEL MATERIAL FERROMAGNÉTICO JUSTIFICADO CON SU CURVA DE MAGNETIZACIÓN:

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Se eligió el hierro como material ferromagnético puesto que este posee propiedades magnéticas fuertes en presencia de campos magnéticos débiles lo que lo hace un excelente material de imanación. Este material se puede utilizar en distintos ambientes de temperaturas ya sean altas o bajas.

5.6 COSTOS DE DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN

Nombre producto

Cantidad Valor Unidad

Valor Total

Nucleo Hierro

2.6 Kg 1500 (1Kg)

4000

Alambre AWG

200 gr 68 (1gr) 13600

Varios 1000Valor Total

18600

5.7 APLICACIONES EN UN ENTORNO DE LABORATORIO Y REAL:

En un entorno de laboratorio, el electroimán podría tener aplicaciones valiosas en el campo del electromagnetismo como: identificación de líneas de dirección de campo magnético, medición del flujo magnético a través del núcleo también se pueden efectuar pruebas de atracción magnética e imantación de materiales metálicos.

En un entorno real el uso de electroimanes es de gran aplicación en la industria y automatización para el traslado a pequeña y gran escala de objetos metálicos’, pruebas de fuerza magnética atractivas o de repulsión aplicadas en sistemas electromecánica.

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5.8 ANEXOS

Vista frontal

Vista isométrica

Vista superior

.

Fig1 Diagrama esquemático con su diferentes vistas

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Fig2 Diagrama del ciclo de histéresis y su comportamiento en un núcleo cuadrado

Fig3 Grafica de imanación del hierro fundido utilizado como núcleo

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Tabla 1 Tabla de alambres esmaltados

Tabla 2 Tabla de propiedades magnética de alguno materiales ferromagnéticos

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6. CONCLUSIONES

Por medio de cálculos sencillos se pueden los parámetros de diseño para un transformador monofásico.

El Transformador monofásico se puede conectar como autotransformador conectando sus bobinas con el fin de aumentar su potencia y disminuir sus gastos, pero tiene el problema de que si hay una sobre carga se dañen ambos devanados

Las pruebas de corto circuito y circuito abierto son esenciales para el diseño los cálculos de un transformador real pues por medio de la prueba de corto circuito es posible conocer las perdidas en el alambre o el cobre; mientras que en la prueba de circuito abierto es posible registrar las perdidas en el núcleo.

Para el diseño de un electroimán se requiere saber todas las propiedades de los materiales ferrosos como la permeabilidad para calcular fácilmente sus magnitudes como La densidad y la magnitud del campo eléctrico.

El electroimán se rige mediante la ley de Faraday que expresa que mediante de una corriente eléctrica inducida a una espira es posible crear un campo eléctrico.

7. BIBLIOGRAFÍA

JESUS FRAYLE MORA, Maquinas eléctricas, Editorial McGraw-Hill, 6ª ED, 2003.

MALVINO, A. Principios de electrónica. Editorial McGraw-Hill, 6ª ED, 2000.http://www.mimecanicapopular.com/verhaga.php?n=18

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http://www.mimecanicapopular.com/verhaga.php?n=18

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