FINAL- FINAL maquinas transformadores

BOBINADO DE TRANSFORMADORES
MONOFÁSICOS
Huaringa Damian Gonzalo, Zamora Giron Oscar, Carrasco Rodriguez Anthony, Porras Cavero Ruben, Muñoz Ulfe
Patrick, Espinoza Vidal Larry, Galindo Vizcarra Christian, Raymundo Pacheco Alejandro, Sacramento Atencio
Cristian
Facultad de Ingenieria Electrónica y Eléctrica-UNMSM
Resumen- En el presente informe desmontaremos un
transformador de radio FM/AM para entender mejor
su estructura y la función importante que cumple cada
componente de este con el fin de comprobar todo lo
aprendido de manera teórica. Veremos si las leyes que
se aplican en el funcionamiento de este transformador
arrojan los mismos valores en la práctica y en lo teórico.
Asimismo, sabremos la función de cada componente y
tomar mediciones para posteriormente reemplazarlas
en las diferentes ecuaciones. En el desmontaje
correspondiente extraeremos los aislantes, conductores,
las láminas (forma de E e I) y las bobinas (tanto del
primario como el secundario) para tomar sus medidas,
ver el material ferromagnético del cual está compuesto,
contar las vueltas de las bobinas y analizar el
cumplimiento de la relación que existe entre estas
vueltas del bobinado con el voltaje y la corriente. Una
vez realizado el correcto desembalaje, obteniendo cada
uno de sus componentes y analizado el funcionamiento
de este transformador, se procedió a simular desde cero
este transformador en el software ANSYS Electronics
Suite y ver su comportamiento, el cual es similar al
transformador antes de ser desarmado.
constante en el secundario, obteniendo así un tipo de
dispositivo, el cual se le conoce con el nombre de
transformador. Los transformadores los encontramos en
aparatos de televisión para dar el alto voltaje necesario para
el cinescopio, en los convertidores para conectar en un
estéreo portátil, en los postes de las líneas de transmisión
eléctrica, para reducir el voltaje proveniente de la compañía
eléctrica.
Figura 1. Estructura interna de un transformador
II.
I.
INTRODUCCIÓN
Sabemos que la energía eléctrica se puede transportar tanto
como por medio de conductores y por el vacío, lo primero
ya lo tenemos claro, lo segundo será comprobado en este
informe, describiremos como es que esta energía eléctrica
se transporta por el vacío para luego operar y hallar sus
parámetros en el vacío. Veremos cómo es que la energía no
solo puede transferirse, sino que puede manipularse como
podemos observar en la figura 1. Observamos que una
bobina está conectada a una batería, la otra bobina está
conectada a un galvanómetro. Se acostumbra llamar
primario (entrada) a la bobina conectada a la fuente de
energía o “fuente de poder” y la otra bobina se le llama
secundario (salida). Tan pronto como se cierra el interruptor
del primario y pasa la corriente por su bobina, también en el
secundario se produce una corriente, aunque no haya
conexión material entre las dos bobinas. Sin embargo, al
usar una fuente de poder continua, por el secundario sólo
pasa un breve impulso de corriente, pero en dirección
contraria. Al cambiar la fuente de poder continua por una
alterna, obtendremos una inducción de voltaje de manera



OBJETIVOS:
Ver como se da el funcionamiento de un
transformador monofásico, tanto de manera
teórica como práctica.
Encontrar las medidas de un transformador
monofásico que encontramos en algún
equipo electrónico que mayormente usamos
en el día a día.
Efectuar los cálculos respectivos para los
bobinados, sea primario o secundario en un
transformador monofásico conforme a sus
características técnicas.
III.
MATERIALES
Figura 6: Piezas desmontadas del transformador
Figura 2: Transformador de radio
Figura 3: Regla de 20 cm
Figura 7: Piezas en forma de E desmontadas del
transformador
Figura 4: Cuchilla o cuter
Figura 8: Piezas en forma de E desmontadas del
transformador
Figura 5: Desarmador
IV.
PROCEDIMIENTO
El procedimiento en esta laboratorio está compuesto
del desmontaje de un transformador donde podremos
analizar cada uno de sus elementos, observando el
funcionamiento de este transformador monofásico
junto a su correspondiente aplicación y todas las leyes
que participan en este proceso. Para que al final
podamos determinar medidas específicas del
transformador,
y
la
realización
de
sus
correspondientes pruebas.
Figura 9: Parte del plástico que contenía los
bobinados
PROCEDIMIENTO PRACTICO
Extraiga las placas del transformador solicitado para
la práctica para luego determinar lo siguiente:
Determinar el número de espiras del secundario (𝑁2 )
𝑁2 = 𝑉2 /(𝑓 × 𝑆 × 𝐵 × 4,4 × 10−8 )
𝑁2 = 12/(50 × 5.04 × 12000 × 4,4 × 10−8 )
𝑁2 = 90 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠
Determinación de la corriente del primario (𝐼1 )
Figura 10: Transformador
𝐼1 =
V1=220V V2=12V
Para determinar la potencia del transformador,
utilizaremos la siguiente fórmula
𝑃 20.97
=
= 0.094 𝐴
𝑉1
220
Donde
𝐼1 = 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑏𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜
𝑃: 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟
𝑉1 : 𝐸𝑠 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑏𝑜𝑏𝑖𝑛𝑎𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜
Determine la potencia del transformador a partir de la
sección del núcleo del transformador (S):
A=1.8cm y B=2.8cm
Determinación de la corriente del secundario (𝐼2 )
𝐼2 =
⇨𝑆 = (1.8) (2.8) = 5.04𝑐𝑚2
Es la Potencia RMS (PA)
𝑃 20.97
=
= 1.74 𝐴
𝑉2
12
Determinación de la Densidad de la corriente
eléctrica.
𝐷=
𝐼
𝑆
Asumimos que la densidad de corriente máxima en los
conductores es de es de 3A/mm²
Figura 11: Formula para hallar el área
Cálculo de la sección del conductor del primario (𝑆1 )
Determinar el número de espiras del primario (𝑁1 )
𝑆1 =
𝑉1 = 𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 = 220 𝑉𝐴𝐶
𝑓 = 𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑎𝑙𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎
𝑆 = 𝑆𝑒𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜𝑟
𝐵: 𝐸𝑠𝑡𝑒 𝑒𝑠 𝑙𝑎 𝑖𝑛𝑑𝑢𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑚𝑎𝑔𝑛𝑒𝑡𝑖𝑐𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑜 𝑒𝑙𝑒𝑔𝑖𝑑𝑜 𝐺𝑎𝑢𝑠𝑠
𝑓 = 50 𝐻𝑧
𝑆 = 5.04 𝑐𝑚2
𝑁1 = 220/(50 × 5.04 × 12000 × 4,4 × 10−8 )
𝑁1 = 1653 𝑒𝑠𝑝𝑖𝑟𝑎𝑠
𝐷
=
0.12
= 0.04 𝑚𝑚2
3
Ya que la sección es un área circular, se puede calcular el
diámetro de dicho conductor:
𝑆=
𝜋𝑑 2
→ 𝑑 = √4𝑆⁄𝜋 →= √4(0.04)/𝜋 = 0.2256𝑚𝑚
4
Cuyo #de calibre es: AWG=31
Cálculo de la sección del conductor del secundario
𝐵 = 12000 𝐺𝑎𝑢𝑠𝑠
𝑁1 = 𝑉1 /(𝑓 × 𝑆 × 𝐵 × 4,4 × 10−8 )
𝐼1
𝑆2 =
𝐼2
𝐷
=
2.12
= 0.70 𝑚𝑚2
3
Hallando su diámetro:
𝑑 = √4𝑆⁄𝜋 → 𝑑 = √4(0.70)/𝜋 = 0.9440𝑚𝑚
Y corresponde a un #de calibre:
AWG=19
Clasificación Tabla AWG (Calibre de alambre
estadounidense)
•En los cargadores de celular, laptop y electrodomésticos
Figura 13 Cargadores de celular
V.
RESULTADOS Y CUESTIONARIO
1.Explique el funcionamiento del transformador.
El principio del funcionamiento del transformador se
puede explicar por medio del conocido “Transformador
Ideal Monofásico”, que no es más que una máquina que se
alimenta por medio de una corriente alterna monofásica.
Por ejemplo:
Algunas aplicaciones donde podemos observar el
transformador:
•
En los postes para suministrar red eléctrica
Los transformadores trabajan gracias a un principio físico
llamado “Principio de Inducción Electromagnética”, la
cual hace que cuando una corriente atraviesa un alambre se
cree un campo magnético alrededor de dicho alambre, y de
la misma manera, si un alambre está en un campo
magnético que está cambiando constantemente, fluirá una
corriente por dicho alambre.
Un transformador está constituido: por un núcleo de
material magnético que forma un circuito magnético
cerrado, y sobre sus columnas se localizan dos devanados,
uno denominado “primario” que recibe la energía y el otro
el “secundario” que se cierra sobre un circuito de
utilización al cual entrega la energía. Los dos devanados se
encuentran eléctricamente asilado entre sí.
Figura 12 Postes para suministrar red eléctrica
La relación de transformación indica el aumento ó
decremento que sufre el valor de la tensión de salida con
respecto a la tensión de entrada, es decir, por cada volt de
entrada cuántos volts hay en la salida del transformador.
La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la
aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz
inducida (Es), la obtenida en el secundario, es
directamente proporcional al número de espiras de los
devanados primario (Np) y secundario (Ns).
Como calcular el peso del conductor
CALCULO DE CONTENIDO DE COBRE (CU)
La manera más práctica para calcularlo es con la siguiente
formula:
Cu = Sección del conductor x N° de conductores x 9 = Peso
Cu en kg/km
La más ajustada para el cálculo es:
Cu = (17.241/Re) x 1.05 x 8x89 x N° de conductores
Donde:
17,241 = es la resistividad del cobre
Re = es la resistencia eléctrica del conductor de acuerdo con
la sección y clase
8.89 = es el peso específico del cobre 1,05 = es un
coeficiente de ajuste
1,05 = es un coeficiente de ajuste
Ejemplo:
Contenido de cobre de NF 3700
Cu = (17.241/0.272) x 1.05 x 8.89 x 3 = 1775 kg/km
La razón de la transformación (m) de la tensión entre el
bobinado primario y el bobinado secundario depende de los
números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de
vueltas del secundario es el triple del primario, en el
secundario habrá el triple de tensión.
En un transformador, un conductor lleva corriente a un lado
creando un campo magnético, que a cambio produce una
corriente en el conductor al otro lado del transformador, y
una segunda corriente fluye fuera del transformador.
Como se observa en la imagen, los alambres (conductores)
en un transformador están envueltos en una bobina
alrededor de un núcleo el cual se enrolla en varias espiras
(vueltas).
Donde 0.272 es el valor de resistencia eléctrica (Re) para la
sección de 70mm2 en clase 4 o 5
Sobre que leyes se basa el funcionamiento de
transformador
LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY
Si se tiene una bobina conectada a un instrumento capaz de
medir diferencia de potencial eléctrico, puede verificarse
que al acercar o alejar un imán a una de las entradas de la
bobina puede medirse un "voltaje" (si el medidor es
suficientemente sensible y capaz de medir variaciones
rápidas), que llamamos ''fuerza electromotriz (fem)
inducida ''(ε) a través de los terminales de la bobina.
Los transformadores sólo trabajan con circuitos de CA
(Corriente alterna), debido a que la corriente alterna (CA)
en el alambre "entrante" cambia constantemente, y el campo
magnético creado también cambia. El campo magnético
cambiante es lo que fuerza el flujo de corriente en la bobina
de "salida “.
Los transformadores son dispositivos pasivos que no
aportan energía, y en su mayoría funcionan con alta eficacia,
transmitiendo cerca del 99% de la energía que reciben, con
solo una perdida cerca al 1% de la energía se pierde, entre
otras, en el calentamiento del transformador.
Figura 14 Dispositivo para observar el fenómeno de
inducción magnética
Los resultados experimentales indican que es útil definir
(como se ha hecho con el campo electrostático) el flujo de
campo magnético:
Φ B = B⊥ ⋅ A = B ⋅ A⊥
EL TRANSFORMADOR IDEAL
= B ⋅ A ⋅ cos (φ)
"Las unidades del flujo son tesla. metro cuadrado, llamada
''weber'' (Wb) para honrar a Whilhelm Weber, uno de los
primeros investigadores del magnetismo:
1 Wb = 1 T.m2
"Los resultados de las observaciones anteriores, para una
espira de alambre, se pueden escribir con
Figura 15 Transformador ideal
SIMULACIÓN
A. ANSYS Maxwell.
de la cual explicaremos el significado del signo de menos
más adelante. Una sola espira de alambre desarrollará un
voltaje inducido (en volts) que es igual a la rapidez de
cambio del flujo magnético que la atraviesa, con respecto al
tiempo, en cualquier instante dado (en unidades SI, la
constante de proporcionalidad es 1). Si hay N vueltas de
alambre en una bobina, cada una tiene un voltaje inducido
que está en serie con las demás, de tal forma que la fem
inducida promedio es
que es una de las ecuaciones fundamentales del
electromagnetismo. Es un resumen de observaciones, y no
se puede deducir a partir de fórmulas anteriores. Por lo
general se llama ley de inducción de Faraday a esta
ecuación, aunque Faraday nunca la escribió.
LEY DE LENZ
"El signo negativo de la ecuación relaciona la polaridad de
la fem inducida con el cambio de flujo, que puede ocurrir de
muchas maneras: el campo puede aumentar, disminuir o
moverse; el área de la espira puede ser girada, aplastada o
sacada del campo y, sin embargo, siempre hay un sentido
consistente y reproducible con el que aparece la fem. Fue un
físico que trabajaba en Rusia, Henrich Friederich Emil
Lenz, quien por primera vez publicó (en 1834) en elegante
enunciado del fenómeno que se ha dado en llamar ley de
Lenz:
La fem inducida produce una corriente que actúa siempre
oponiéndose al cambio que la causó originalmente."
ANSYS es un software comercial de simulación de
campo electromagnético para los ingenieros
encargados de diseñar y analizar los dispositivos
electromagnéticos y electromecánicos en 2-D y 3-D,
estos incluyen motores, actuadores, sensores, bobinas
y transformadores. ANSYS Maxwell utiliza el método
de elementos finitos para resolver problemas estáticos,
dominio de la frecuencia y los campos
electromagnéticos y eléctricos variables en el tiempo.
Un beneficio clave de este software es su proceso de
solución automatizada, por la cual el usuario solo
tendrá que especificar la geometría, las propiedades
del material y la salida deseada. En función de estos
parámetros el propio programa se encarga de generar
la malla más adecuada para la solución de nuestro
problema. Este proceso de mallado adaptativo
automático elimina lacomplejidad del proceso de
análisis y permite beneficiarse de un flujo altamente
eficiente de diseño fácil de usar.
B. Análisis del problema en ANSYS Maxwell.
Para el análisis de nuestro problema en ANSYS
Maxwell no hay que introducir ninguna ecuación, el
software ya las lleva internamente. Pero ANSYS
Maxwell solo nos calcula las inductancias propias y
la inductancia mutua
C. Diseño de la geometría y limites del problema.
El software de ANSYS Maxwell nos permite
introducir la geometría como si fuese un software de
diseño. Lo que facilita mucho el problema de
describirla. Primero diseñamos el núcleo y las bobinas
de manera normal, utilizando las medidas que nos
proporcionan él, sobre el núcleo y el hilo de litz,
teniendo en cuenta que las bobinas están separadas
2mm
del
núcleo.
Una vez hecho esto elegimos una pestaña que se llama
"create region" e introducimos los límites de nuestro
problema un prisma de 60mmx 90mm x 27 mm. Esta
pestaña le dice al programa donde tienen que aplicarse
las condiciones de contorno.
Figura 19. Mallado de la capa envolvente
Figura 16. Prueba de vacío
D. Definición de los parámetros del problema.
Figura 17. Prueba de vacío
Primero describiremos cómo se agrega una
excitación a la bobina. Una vez que ya hemos
diseñado nuestras bobinas, lo que necesitaremos para
definir nuestro parámetro será concretar una
superficie que corte transversalmente a cada una de
nuestras bobinas, de manera que la superficie
describa uno de los planos de propagación en la
bobina.
Esto se hace de la siguiente manera. Pulsamos
"Maxwell 3D > Excitations > Assign > Coil Terminal
y nos saldrá la ventana que muestra la continuación:
Figura 20. Definición de parámetros
ANSYS realiza un auto mallado en función de los
parámetros que queramos calcular y el tanto por
ciento de error que podemos tener. Según lo elegido
nuestra malla quedaría como mostramos a
continuación
Figura 18. Mallado del nucleo
En este cuadro de diálogo asignamos un nombre a
nuestro terminal. Para ello, introducimos el valor de
la intensidad que pasa por nuestra superficie. En
segundo lugar, elegimos si nuestro hilo es un sólido
compacto o está formado por varios hilos más
pequeños y, por último, elegimos la dirección de la
intensidad (ANSYS asigna una dirección
automáticamente, si no es la que tenemos en nuestro
problema pulsamos el botón "Swap Direction").
Una vez hecho esto, debe quedar definida como se
muestra a continuación:
Figura 21. Definición de parámetros
Figura 23. Reporte enlace de flujo
Para la definición de la permeabilidad lo único que
tendremos que hacer será elegir el material de cada
volumen y ANSYS le asignará la permeabilidad que
le corresponda. Para ello, pulsamos el segundo botón
del ratón en el nombre del volumen que queramos
asignar un material y pulsamos "Assign Material". Si
realizamos esto se nos abrirá un cuadro de diálogo
donde podemos elegir el material pulsando encima de
él y dándole a "Aceptar".
Figura 24. Reporte Voltage inducido
En el caso de que no se encuentre el material de
nuestro problema, tendremos que añadirlo
manualmente. Para hacer esto, pulsamos "Add
Material" e introducimos el nombre del material, su
permeabilidad relativa y su conductancia por metro
(la conductancia es la inversa de la resistencia
eléctrica).
Figura 22. Introducción del material
En nuestra simulación usamos la opción “clonación
de material” para crear un material con nuestras
especificaciones.
Vl. CONCLUSIONES




Se conoció una diferencia fundamental en la
construcción de transformadores, la cual depende
de la forma del núcleo, el sistema de enfriamiento,
o bien en términos de su potencia y voltaje para
aplicaciones, como por ejemplo clasificar en
transformadores de potencia a tipo distribución.
Se conoció que la razón de transformación del
voltaje entre el bobinado primario y el segundario
depende del número de vueltas que tenga cada uno.
El transformador transfiere la energía eléctrica de
un circuito a otro bajo el principio de inducción
electromagnética. Esta transferencia de energía la
hace por lo general con cambios en los valores de
voltajes y corrientes.
Pudimos deducir que los resultados
numéricos teóricos no esta tan distantes de la
realidad, sino que solo existen pequeñas
diferencias producidas por ciertas perdidas que en
muchas ocasiones no se tienen en cuenta a la hora
de analizar las respectivas respuestas puesto
resultaría muy complicado tener en cuenta esas
pérdidas, además se pudo aplicar la identificación
de la polaridad de los devanados del
transformador, comprobando así los conceptos
teóricos con la práctica.
BIBLIOGRAFÍA




"Transformadores y Bobinas”, Mc Grawhill,
Madrid, España, 2001
"Guía Práctica de Energía y Electrónica" Págs.
154-167, Editorial Cultura, 1995, Madrid España.
Vadez, Carlos J., "Transformadores, Operaciones
y Uso", Editorial Sistes, Madrid, España, 1999.
“Pruebas de control de Transformadores. Editorial
Pauwels.”