Práctica #7 - Ingeniería - Universidad de Antioquia

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRÓNICA
LABORATORIO DE CIRCUITOS II
PRÁCTICA N° 7
"TRANSFORMADORES Y CAMPO MAGNÉTICO"
Grupo:___ Dia:__________ Hora:__________
Profesor:_________________________________________________________________
Nombres:_________________________________________________________________
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OBJETIVOS
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Aprender el funcionamiento de una maquina eléctrica elemental.
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Comprobar la teoría de inducción electromagnética.
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Conocer la primera etapa de la aplicación final del laboratorio.
-
Aprender a usar transformadores reductores comerciales que se conecten a la red de
EPM, sea 110Vrms ó 220Vrms.
TEORIA
Los descubrimientos de Ampère y Faraday tuvieron inmediatas aplicaciones prácticas que
cambiaron la faz de la civilización moderna.
Usando el descubrimiento de Oersted, que demostró que una corriente eléctrica produce un
campo magnético en el espacio alrededor del cable que la conduce, tanto Ampère como
Arago lograron magnetizar agujas de hierro. Lo hicieron de la siguiente forma: enrollaron
un cable alrededor de la aguja y luego conectaron los extremos de dicho cable a una batería.
Al pasar la corriente por el cable crea un campo magnético en el espacio dentro de la
bobina; este campo magnético a su vez magnetiza la aguja. de la misma forma que un imán
permanente magnetiza una limadura de hierro.
En 1825 el inglés William Sturgeon (1783-1850) enrolló 18 espiras de alambre conductor
alrededor de una barra de hierro dulce, que dobló para que tuviera la forma de una
herradura Figura 1. Al conectar los extremos del cable a una batería el hierro se magnetizó
y pudo levantar un peso que era 20 veces mayor que el propio. Este fue el primer
electroimán, es decir, un imán accionado por electricidad.
Figura 1. Primer electroimán construido por Sturgeon en 1825
.
DEFINICIONES PARA EL DISEÑO DE ELECTROIMANES
Figura 2. Circuito magnetico tipico, con nucleo de hierro y un entrehierro.
Fuerza Magnetomotriz
En la figura 2, el flujo magnetico es creado por N espiras de alambre, por las que circula
una corriente de I amperes, produciendo entonces una fuerza magnetomotriz dada por:
F= (N * I) / 0.796 ,
donde:
F: fuerza magnetomotriz en ampere.espira
N: numero de espiras
I: corriente en amperes
Fuerza Magnetizadora
La fuerza magnetizadora se define como la fuerza magnetomotriz por unidad de longitud
del camino.
H=F/l ,
donde:
H:fuerza magnetizadora en LENZ
F:fuerza magnetomotriz en amper.espira
l:longitud del camino cm.
Permeabilidad
La permeabilidad (Mu) esta definida por la relacion:
Mu=B/H ,
donde:
Mu: Permeabilidad
B: Densidad de flujo, en GAUSS
H: Fuerza magnetizadora en Lenz
En el aire, H es numericamente igual a la densidad de flujo B.
La permeabilidad es el equivalente de la conductividad en los circuitos electricos.
La permeabilidad en el hierro no es constante, ya que varia con el flujo.
La relacion entre B, H y Mu se muestra en las curvas de B-H del hierro, como puede verse
en la figura 3.
El valor de Mu a un determinado punto de la curva, es el valor de B dividido por el de H a
ese punto.
Generalmente los materiales de hierro tienen valores de Mu altos, esto implica que el hierro
tiene elevada conductividad, o baja "resistencia" al flujo magnetico; el hierro es un "buen
conductor magnetico".
En el lado opuesto tenemos al aire, que tiene baja conductividad, y por lo tanto alta
"resistencia"; el aire es un "mal conductor magnetico".
Principios de Inducción Electromagnética.
La electricidad es la responsable del magnetismo en un electroimán, que es distinto de un
imán permanente, y dicho campo magnético se produce sólo cuando las espiras de alambre
enrolladas alrededor del núcleo magnético transportan corriente eléctrica. Para determinar
la polaridad de un electroimán se puede usar la llamada regla de la mano izquierda.
Figura3. Curva BH caracteristica del hierro.
EL TRANSFORMADOR
La invención del transformador data del año de 1884, aplicado en los sistemas de
transmisión que en esa época eran de corriente directa y presentaban limitaciones técnicas y
económicas. El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribución de la
energía eléctrica que usaban transformadores, se puso en operación en los Estados Unidos
de América. En el año de 1886 en Great Barington, Mass., en ese mismo año, al protección
eléctrica se transmitió a 2000 volts en corriente alterna a una distancia de 30 kilómetros, en
una línea construida en Cerchi, Italia. A partir de esta pequeñas aplicaciones iniciales, la
industria eléctrica en el mundo, ha crecido de tal forma, que en la actualidad es factor de
desarrollo de los pueblos, formando parte importante en esta industria el transformador.
El transformador, es un dispositivo que no tiene partes móviles, el cual transfiere la energía
eléctrica de un circuito a otro, bajo el principio de inducción electromagnética. La
transferencia de energía la hace por lo general con cambios en los valores de voltajes y
corrientes.
Un transformador elevador convierte la potencia eléctrica a un valor de voltaje dado hacia
un valor más elevado, en tanto que un transformador reductor convierte la potencia a un
valor alto de voltaje haicia un valor bajo.
Fundamentalmente, un transformador es un conjunto de dos bobinas de alambre devanadas
alrededor de un núcleo de hierro y acopladas magnéticamente. En la Figura 4 se
esquematiza un transformador. La bobina conectada a la fuente de alimentación recibe el
nombre de primario y tiene un número de vueltas igual a N1; la conectada a la carga tiene
un número de vueltas igual a N2 y se denomina secundario. La función del núcleo de hierro
es aumentar el flujo magnético y proporcionar el medio por el cual la mayor cantidad de
flujo que pasa por el primario lo haga a través del secundario.
En los transformadores ideales la potencia que el primario recibe de un generador, es igual
a la entregada por el secundario a la carga, esto supone un rendimiento del 100%. En la
práctica no se consigue éste rendimiento, debido: a las pérdidas por dispersión de flujo,
histéresis, saturación, corrientes de Foucault y calentamiento del alambre (cobre). Las
pérdidas por corrientes parásitas se reducen empleando un núcleo de hierro laminado. El
núcleo blando se utiliza como el material del núcleo, para reducir pérdidas por histéresis.
Las pérdidas por calor de joule causadas por la resistencia de los alambres de la bobina
suelen ser pequeñas. Los transformadores (reales) fabricados con cuidado para reducir al
mínimo las diferentes pérdidas, suelen tener alrededor de un 98% de rendimiento.
Teoría del Funcionamiento
Un transformador, como se menciono anteriormente no es más que dos solenoides o
bobinas enrolladas alrededor de un núcleo común ferromagnético, el cual mantiene las
líneas de campo magnético en su interior. Los solenoides tendrán áreas transversales
iguales (A), pero poseen diferentes números de vueltas (N1) y (N2). En la primera bobina se
tiene una fuerza electromotriz de CA (por estar conectada a la fuente de corriente alterna) ε1,
con una amplitud v1, cuya relación viene dada por:
ε 1 = v1senωt
Debido a que ε1 depende del tiempo, la corriente que circula por la primera bobina
(primario) cambia, produciéndose una variación del flujo magnético (∆θB) a través de ella.
Según la ley de Faraday, la ε1 en el primario viene dada por la relación:
ε = −L
dI 1
dt
Siendo L la autoinductancia del solenoide 1. Al mismo tiempo, se induce una fuerza
electromotriz ε2 a través de la bobina 2 (secundario). Esta ε2 se induce debido a que la
corriente variable en el primario produce un flujo magnético variable a través del
secundario. Por definición, ε2 depende de M (inductancia mutua).
ε 2 = −M
dI 1
dt
Es posible plantear que ,
ε2 M
=
ε1 L
En donde, M/ L es constante, por lo que ε2 tiene la misma dependencia armónica respecto al
tiempo que ε1. Si la frecuencia angular de la corriente en el primario es ω, también lo será
en la corriente inducida en el secundario. Del estudio de las leyes que rigen el
comportamiento del campo magnético en solenoides, y haciendo N1 el número de vueltas
en el primario y N2 el número de vueltas en el secundario, se puede plantear que:
ε2 N2
=
ε 1 N1
que sería equivalente a,
v2 N 2
=
v1 N1
si N2/N1=a , entonces, para a > 1 se tiene un transformador de subida o elevador, porque v2
> v2, mientras que para a < 1 se tiene un transformador de bajada o reductor, ya que v1 < v2.
El valor de a se denomina razón de transformación.
Cuando la potencia en el primario (Pp) es igual a la del secundario (Ps), Pp = Ps, se tiene un
rendimiento del 100% y el transformador es ideal. Pero, si éstos son diseñados y
construidos cuidadosamente (eficiente), las pérdidas por calentamiento por efecto Joule se
reducen al mínimo.
Como P = ε. I, se tiene entonces con esta condición que ε1 · I1 = ε2· I2 , y se tendría que,
I1 N 2
=
I 2 N1
Esto indica que las corrientes del primario y secundario están en razón inversa de los
respectivos números de espiras. Lo cual expresa, también, que si a > 1 la corriente en el
secundario disminuye y si a < 1 aumenta.
Es importante reconocer que una corriente continua o directa (CC o CD) no afecta a un
transformador, es decir, el transformador no transfiere energía cuando al primario se
conecta a una corriente continua. Esto, debido a que la CC no varía con el tiempo (no tiene
dependencia temporal ni armónica), por lo que no puede producir cambios en el flujo
magnético ( θ B) y, por ende, no genera fuerza electromotriz inducida.
Tipos de Transformadores
En el mercado electrónico se encuentra una serie de transformadores, los cuales son
fabricados para atender las diferentes necesidades. Algunos de éstos son:
Transformador de alimentación. Es un transformador de dimensiones pequeñas cuya
función es transferir con buen rendimiento la potencia de la red, cambiando los niveles de
la tensión y de la corriente para adaptarlos a los requerimientos de los circuitos que
conforman el equipo o aparato electrónico.
Autotransformador. Es un transformador de potencia que permite adaptar las tensiones a
cargas (resistencia conectada a los terminales del secundario) de distintos valores. El
transformador llamado balastro, el cual utilizan las lámparas de neón (usadas en oficinas,
casas y laboratorios), es un autotransformador.
Transformador de audiofrecuencia. Se emplea con tensiones y frecuencias comprendidas
entre 20 y 20.000 hz, las cuales se consideran como audibles. Sirve para transferir potencia
y para adaptar impedancias. Este tipo de transformador se utiliza generalmente en los
transmisores y receptores a la salida de los micrófonos y entrada de altavoces.
Transformador de radiofrecuencia. Es utilizado con tensiones cuya frecuencia es
superior a los 20.000 hz. Funciona como dispositivo de enlace entre dos circuitos y no
como transformador del nivel de tensión y corrientes.
Transformador de frecuencia intermedia. Es un transformador de radiofrecuencia que
trabaja a una frecuencia fija.
Transformador de adaptación de impedancias. Permite adaptar las impedancias de un
generador y su carga correspondiente, esto con el fin de conseguir la máxima transferencia
de energía.
PRÁCTICA
COMPONENTES
2 metros de alambre esmaltado o con recubrimiento calibre 16 ó 20.
2 clavos de hierro de 3 ó 4 pulgadas (0.5cm de espesor)
2 clavos de acero de 3 ó 4 pulgadas (0.5cm de espesor)
clips metálicos
Pila de 9V
Caimanes
1 Transformador con cables de más de un metro (con enchufe) para conectar a la
línea de energía eléctrica.
Opcional: Limadura de hierro.
PARTE A “ELECTROIMAN”
1. Construya el electroiman como indican las siguientes figuras, empleando el clavo de
hierro. (Hacer el mayor número de vueltas posible)
2. Alimente el electroiman con un voltaje de 6 Vdc, compruebe el funcionamiento como
iman acercándole un clip o un objeto metálico.
3. Mida la corriente que pasa por el electroiman I = ___________
4. Determine la distancia mínima en que debe ser colocado el objeto metálico para ser
atraído.
D = ____________________
5. Cambie el voltaje y mire el comportamiento del dispositivo.
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6. Cambie el clavo de hierro por el clavo de acero, y mida nuevamente la corriente que pasa
por el electroiman I = ___________
7. Determine la distancia mínima en que debe ser colocado el objeto metálico para ser
atraído.
D = ____________________
8. Cambie el voltaje y mire el comportamiento del dispositivo.
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9. Conclusiones.
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PARTE B “TRANSFORMADOR”
1. ¿ Cómo se pueden distinguir el primario del secundario en un transformador?
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2. Copie las características del transformador conseguido.
Potencia:______________
Corriente máxima en el secundario:_____________________
Voltajes de entrada:_____________________
Voltajes de salida:_____________________
3. Mida las impedancias de entrada y salida del transformador.
Zi =_______________________
Zo =_______________________
4. Medir el voltaje de la línea de EPM, (hacerlo con el multímetro). Vepm = __________
ATENCION: Asegurese de que las conexiones de
alta tensión sean seguras, es decir, evite cualquier
riesgo de contaco entre los terminales de 110 V.
5. Conecte el primario del transformador conseguido a la línea, teniendo en cuenta que
soporte 110Vrms en el primario. Mida con el multímetro los voltajes entregados en el
secundario y estime la relación de espiras.
Voltaje medido _________________
Relación _________________
Voltaje medido _________________
Relación _________________
Voltaje medido _________________
Relación _________________
6. Decir 3 aplicaciones en las cuales se use el transformador:
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7. Conclusiones.
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