Diseno de transformadores electricos (1)

Diseño de transformadores eléctricos
José Sánchez, William Narváez
Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad del Atlántico
[email protected]
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magnético generado en el devanado primario
que recibe la energía eléctrica y la transforma
a las condiciones deseadas (de corriente y
voltaje) en el devanado secundario
dependiendo de la configuración realizada.
Abstract—
The operation of the voltage
transformer and the electric current is based on the
principle of electromagnetic induction; The application
of an electromotive force in the primary causes a
magnetic flux in the core of the iron that induces in the
secondary winding a current and a voltage that vary
inversely (if the voltage, the intensity of the current
increases). transformer.
En este reporte se revisarán y evaluarán las
herramientas disponibles (software de
simulación multisim y el propuesto por la guía
de laboratorio no. 3) para el diseño de
transformadores utilizados en circuitos de
corriente directa durante el desarrollo del
curso de electrónica aplicada, para la facultad
de ingeniería mecánica en la universidad del
atlántico.
From the input data (voltage current, frequency and
power) and through the programs suggested in the
guide of this laboratory, you can determine the design
that defines the dimensions, the number of turns and
the wire gauge. A transformer which is formed by two
coils wound around a common core and by a
predetermined number of sheets made of a base of an
iron and silicon alloy (since this alloy increases the
strength of the iron) as seen in this report.
.
II.
I.
MARCO TEORICO
INTRODUCCIÓN
II.I
El transformador se considera como una
maquina estática de corriente alterna que
permite el modificar el voltaje y la intensidad
de corriente como funciones del sistema,
manteniendo la frecuencia y la potencia en el
circuito (para el caso de funcionamiento
ideal).
Transformadores eléctricos
El trasformador puede definirse como una
maquina electromagnética utilizada para
disminuir o aumentar la fuerza electromotriz
(tensión eléctrica o voltaje), también para
aislar un circuito. Su principio de
funcionamiento
es
la
inducción
electromagnética y solo funciona con
circuitos de corriente directa o corriente
pulsante; el transformador eléctrico está
compuesto de dos devanados, denominados
devanado primario y devanado secundario.
El desarrollo de la industria eléctrica se ha
hecho posible gracias a el funcionamiento de
estos equipos, que permiten el transporte de
la energía eléctrica generada de una manera
práctica y económica a grandes distancias,
por medio de la inducción del campo
1
II.II
Devanado primario
II.V
Se llama devanado primario al embobinado
que recibe la fuerza electromotriz de corriente
alterna que se quiere aumentar o disminuir.
II.III
Transformadores de bajada
En este caso, el transformador disminuye la
fem aplicada en el devanado primario e1 y
que es entregada al circuito eléctrico, esta
consideración se define así:
Devanado secundario
𝑁𝑆
𝑁𝑃
< 1 (2)
Se define como la bobina que proporciona
el potencial transformado a una carga
eléctrica en el circuito de corriente alterna.
Los trasformadores pueden clasificarse
según su funcionamiento en el circuito
eléctrico, así:
II.IV
Transformadores de subida
Es el transformador que aumenta la fem que
se aplica en el devanado primario e1, también
se denomina como elevador. En este caso
existe un mayor número de vueltas en el
devanado secundario, esta consideración
está definida como:
𝑁𝑆
𝑁𝑃
Ilustración 2. Transformador de bajada.
II.VI
Transformadores de aislamiento
No modifica la fem necesaria para el
funcionamiento del circuito eléctrico, es
usado para aislarlo.
> 1 (1)
En donde 𝑁𝑠 es el número de vueltas del
devanado secundario, y 𝑁𝑝 se conoce como
el número de vueltas del devanado primario.
Ilustración 3. Transformador de aislamiento.
La relación entre las fuerzas electromotrices
de los devanados del transformador y su
número de vueltas está definida por la
relación aritmética.
Ilustración 1. Transformador de subida.
2
𝑒𝑠
𝑒𝑝
La eficiencia del transformador (ɳ) definida
como la relación entre la potencia de salida y
la potencia de entrada del sistema, se
determina según la ecuación 7.
𝑁
= 𝑁𝑆 (3)
𝑃
Esta relación en función de la razón del
número de espiras en cada uno de los
devanados del transformador nos indica
cuantas veces varía la magnitud de la fem
aplicada en el devanado primario y entregada
al circuito eléctrico del sistema.
II.VII
ɳ=
𝑃𝑆
(100)
𝑃𝑒
(8)
En donde PS es la potencia de salida y Pe es
la potencia de entrada del transformador.
Una vez aclaradas estas consideraciones
para el cálculo de transformadores reales, se
puede definir el cálculo para determinar la
potencia y la intensidad de corriente en este
sistema, así:
Transformador ideal
La consideración a tener en cuenta para
este caso de estudio en los sistemas de
transporte de energía, es que no existen
pérdidas durante el aumento o la disminución
del voltaje, toda la potencia que ingresa al
devanado primario se transmite al devanado
secundario en el transformador.
𝑃𝑆 =
ɳ ∗ 𝑃𝑒
100
(9)
𝑃𝑆=𝑒𝑠𝐼𝑠 (5) en (9), tenemos que:
Las ecuaciones 4 y 5 definen la condición
ideal del sistema, demostrando el balance
que debe existir entre las variaciones de
voltaje y corriente para los devanados del
transformador.
𝐼𝑠 =
ɳ ∗ 𝑒𝑒 𝐼𝑒
100 ∗ 𝑒𝑠
(10)
IS se define como la intensidad de corriente
de salida del transformador, Ie es la
intensidad de corriente a la entrada, ee y es
son el voltaje de entrada y el voltaje de salida
del sistema respectivamente.
𝑃𝑆 = 𝑃𝑃 (4)
𝑃𝑆 = 𝑒𝑠 𝐼𝑠 (5)
𝑒𝑠 𝐼𝑠 = 𝑒𝑃 𝐼𝑃 (6)
II.IX
II.VIII
Aplicaciones
Transformador real
Este tipo de dispositivos eléctricos son
utilizados en la industria para diferentes
aplicaciones, tales como equipos de
soldadura eléctrica (SMAW o MMA);
relevadores o relés; en sistemas de
transmisión de energía eléctrica a bajo costo,
como transformadores de subida.
La potencia que se entrega en el devanado
secundario es menor que la obtenida en el
primario, debido a las pérdidas que se
presentan en el núcleo y los devanados del
transformador. Los fenómenos físicos que
generan las pérdidas de potencia en el
sistema son la histéresis y el efecto Joule o
corrientes de Foucault. Se tiene que:
Para circuitos electrónicos son utilizados los
transformadores de bajada, que permiten un
aumento de la intensidad de corriente
necesaria para la carga eléctrica y la
disminución de la fuente de voltaje para el
funcionamiento del sistema.
𝑒𝑠 𝐼𝑠 < 𝑒𝑃 𝐼𝑃 (7)
3
III.
MARCO PRÁCTICO
En esta experiencia de laboratorio realizada
en base al material de la guía propuesta por
el instructor de la asignatura, se realiza un
diseño práctico del transformador con la
ayuda de los programas de simulación:



multisim 14.0.
calculo simplificado de transformadores.
calculo de transformador ()
El trasformador del circuito electrónico (T1 )
será utilizado para alimentar una carga
eléctrica (10 Ω) en el software de simulación
multisim con un voltaje de 120 V para el
devanado primario y una frecuencia de 60 Hz
en el sistema, como puede observarse en la
Ilustración .
Ilustración 6. Valores de voltaje y corriente en el circuito
Para la simulación realizada y con los valores
de voltaje, corriente y frecuencia que se
presenta en el sistema se procede a realizar
el diseño del transformador en los programas
de simulación sugeridos por la guía de
aprendizaje No. 3, tal como se puede analizar
en la ilustración 7.
Ilustración 4. Transformador de circuitos electrónicos.
Se presentan los siguientes resultados de
simulación en el programa:
Ilustración 7. calculo simplificado de transformadores
El programa calculo simplificado de
transformadores propone el diseño del
transformador del circuito con las siguientes
dimensiones y consideraciones:
Ilustración 5. Ondas de voltaje en XSC1.
4
Ilustración 8. Diseño 1
corriente medida en la salida del devanado
secundario en el software de simulación
multisim, como puede observarse en la
ilustración 11.
Ilustración 9. Diseño 1
Ilustración 10. Diseño 1
Se presenta el diseño del núcleo del
transformador, así como la sección del
alambre utilizado en el devanado principal y
secundario del transformador con las
dimensiones que se pueden observar en las
ilustraciones 8, 9 y 10.
Ilustración 11. Diseño 2
Ambos programas de simulación para el
diseño de transformadores de circuitos
electrónicos presentan información detallada
sobre la construcción de los devanados del
transformador (calibre del alambre y numero
de vueltas que debe tener) en base a su
modelo matemático y sus consideraciones.
El programa de diseño No. 2, cálculo del
transformador por el colombiano Jaider
Martínez, presenta una interfaz amigable y a
su vez sugiere el diseño del transformador de
voltaje con solo dos variables de entrada del
sistema, como por ejemplo: voltaje de
entrada del transformador y la intensidad de
5
I.
simplificar la labor de diseño de las
dimensiones del transformador necesario
para el circuito eléctrico (dependiendo de su
aplicación en el sistema), así como también
del calibre del alambre utilizado y su número
de vueltas en cada uno de los devanados
(primario y secundario).
CONCLUSIONES
La utilidad de los programas utilizados como
herramienta para el diseño de los
transformadores de sistemas de transporte
de energía o circuitos electrónicos
(dependiendo de su aplicación), se basa en
el ahorro de cálculos que puede presentar a
la hora de realizar el diseño de estos equipos.
El diámetro del alambre se calcula en función
de la intensidad de corriente que puede
soportar el conductor, el software de
simulación No. 2 presenta información
detallada
sobre
estos
valores
estandarizados, así como también de la
sección del núcleo central del transformador
en función de la dimensión calculada.
Se debe tener presente que, en todo sistema
eléctrico o electrónico real se presentaran
perdidas como consecuencia de los
fenómenos físicos: histéresis, efecto Joule o
corrientes de Foucault; debido a esto la
potencia que ingresa al sistema, será mayor
que la entregada por el devanado secundario
en el transformador.
Ambos programas de simulación para el
cálculo del transformador pueden utilizarse,
teniendo en cuenta las variaciones que
presentan en cuanto al diseño del
transformador para las consideraciones del
circuito electrónico analizado en este informe.
Las diferencias presentadas en cada uno de
los programas de simulación varían entre sí,
debido al modelo matemático utilizado para
I.
REFERENCIAS
[1]
Construyasuvideorockola.com, “Construcción de un transformador casero,” 2017. [Online].
Available: http://construyasuvideorockola.com/transformador_casero_01.php#.
[2]
Construyasuvideorockola.com, “Como calcular el transformador para su amplificador,”
2017. [Online]. Available: http://construyasuvideorockola.com/transformador.php.
[3]
Unidad
1,
“Transformador
eléctrico.”
[Online].
http://www.academico.cecyt7.ipn.mx/FisicaIV/unidad1/transformador.htm.
Available:
[4]
Endesa, “Funcionamiento de los transformadores,” 2016. [Online].
http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptosbasicos/funcionamiento-de-los-transformadores.
Available:
[5]
Construyasuvideorockola.com, “Proyectos electronicos - Fuente de alimentación,” 2017.
[Online]. Available: http://construyasuvideorockola.com/proyectos_fuentes.php.
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