UNIVERSIDAD DIEGO PORTALES Facultad de Ingeniera Departamento de
Ingeniera Industrial Electrnica yElectrotecnia Experiencia N8
Transformadores Objetivos Comprender mediante el anlisis prctico
las caractersticas, el funcionamiento y las
ventajasdelosdelostransformadores.Compararlosresultadosobtenidosdeforma
emprica con los obtenidos a travs de la teora vista en clases.
SEGURIDAD FRENTE AL TRABAJO CON ELECTRICIDAD ASPECTOS GENERALES
Cuando se trabajaen unlaboratorio elctrico o cuando se
empleanequipos elctricos o
simplementesetrabajaconelectricidad,elseguirlasprecaucionesadecuadasde
seguridad es ms o tan importante que llevar a cabo mediciones
exactas. Existen peligros potencialmente mortales en ambientes de
laboratorio elctrico,y si
nosesiguenconcuidadoprocedimientosdeseguridad,sepuedeocasionarqueuna
persona o su compaero sea vctima de un accidente serio. El peligro
ms comn y ms serio en laboratorios elctricos es el choque elctrico
o golpe de corriente.
Unaspectofundamentaldelchoqueogolpeelctricoquepuedeserletalesten
funcin de la cantidad de corriente que pasa a travs del cuerpo
humano y del tiempo
deaplicacin.Nodependetansolodelvalordelvoltajeaplicado.Puedesertan
mortal un choque de 100,0 Voltios como uno de 1.000,0 Voltios.
EFECTO DE LA CORRIENTE APLICADA AL SER HUMANO SIN LUGAR A DUDAS, LA
SEGURIDAD SE DEBE TENER SIEMPRE PRESENTE POR PARTE DE TODAS
AQUELLAS PERSONAS QUE POR CUALQUIER RAZN REQUIERAN UTILIZAR
ELECTRICIDAD EN FORMA APLICADA.
Laseveridaddeunchoqueelctricoenunserhumanovaraconlaedad,sexoy
condicin fsica. Sin embargo, en general el nivel de corriente
necesario para ocasionar la muerte a cualquier ser humano es
notablemente bajo.
Elumbraldepercepcindecorrienteenlamayoradelossereshumanosesde1 mili
Ampre (1 mA). Corrientes entre 1mA y 5 mA se sienten con mayor
intensidad pero por lo general no producen un dolor intenso. El
peligro que existe en esta intensidad es debido a la reaccin de
sorpresa que genera en el ser humano y que lo hace moverse a
lugares potencialmente de mayor peligro.
Corrientesmayoresa5mAymenoresa100mAproducenenelcuerpo
contraccionesmuscularesinvoluntariasdegrandolorypuedeeventualmente
ocasionarlamuertepuestoquelapersonaquedasinpodersoltarelconductor
elctrico. Corrientes mayores a 100 mA producen interferencia con el
movimiento coordinado del corazn ocasionando lo que se llama
fibrilacin cardaca, que detiene el bombeo de sangre al cuerpo
humano y sobreviene la muerte en cuestin de minutos si no se
detiene dicho proceso.
Corrientessuperioresa300mAlascontraccionesmuscularessonextremadamente
intensas lo que evita la fibrilacin. Si se detiene el choque por
medio del mtodo
deaplicarrpidamentegrandespulsosdecorriente,esposiblequeelcorazn
reanudesufuncinnormal.Sinembargo,sepuededetenerlarespiracin(sedebe
realizar respiracin artificial) y la persona queda con quemaduras
intensas. RECOMENDACIONES Y CUIDADOS
Elmejormtododeevitaraccidentesesreconocersuscausasyapegarsealos
procedimientos de seguridad establecidos.
Usoyaplicacindeequiposordinariosconconexionescorrectasatierrade
seguridad y protecciones elctricas adecuadas.
Evitarelusodecablesoconductoresdesnudosconalgndeteriorodefecto.
Siempre desconectar la corriente al iniciar una experiencia
elctrica. Evitar trabajar solo. Nunca operar equipos con humedad en
las manos en el piso. Usar siempre zapatos secos. Siempre conectar
al FINAL, el cable la punta de prueba al potencial alto vivo.
PRIMEROS AUXILIOS Tratar de desconectar a la vctima del equipo
conductor sin colocarse uno mismo en peligro.
Usarcualquierelementoaislanteparaactuaryaquecualquierconexincorporal
momentnea puede ser fatal. Se debe romper el punto de contacto lo
ms rpido posible puesto que la resistencia
delapieldecaerpidamenteconeltiempoylacorrientepuedellegaraalcanzar
valores fatales (100 mA a 300 mA).
Siseproduceunparorespiratorioylavctimaseencuentrainconsciente,sedebe
comenzarrpidamenteaadministrarrespiracinartificial.Esteprocesopuede
durar hasta 8 horas. ndice
Objetivos.................................................................................................................................1
SEGURIDAD FRENTE AL TRABAJO CON ELECTRICIDAD
........................................1 ASPECTOS
GENERALES....................................................................................................1
EFECTO DE LA CORRIENTE APLICADA AL SER HUMANO
......................................1 RECOMENDACIONES Y
CUIDADOS...............................................................................2
ndice
......................................................................................................................................4
Motivacin..............................................................................................................................5
Marco
Terico.........................................................................................................................6
Transformador
........................................................................................................................8
Circuito equivalente del transformador
............................................................................10
Anlisis con carga resistiva Zc = Rx
................................................................................11
Anlisis con carga
capacitiva............................................................................................14
Anlisis con carga
inductiva.............................................................................................15
Clculo de los parmetros del circuito equivalente aproximado del
transformador.........16 Conceptos a tener en
cuenta..............................................................................................18
Cuestionario..........................................................................................................................19
Experiencia Prctica
.............................................................................................................20
I.
Simulacin.....................................................................................................................20
a) Medicin de la Respuesta en
Frecuencia..................................................................20
II. Experimentacin
..........................................................................................................20
a) Identificar y medir la resistencia de los enrollados
..................................................20 b) Medicin de
los Parmetros de un
Transformador...................................................20
c) Ensayos con
Carga....................................................................................................21
Bibliografa
...........................................................................................................................23
Motivacin El transformador no es un elemento misterioso en nuestra
sociedad, su existencia es conocida por la gran mayora de la
poblacin, todos saben qu es pero nadie conoce bien su
funcionamiento,desdepequeoshemosestadoencontactoconestosdispositivos,por
ejemplo con los primeros ataris y consolas de videojuegos en que se
necesitaba conectar la consola aestas misteriosas cajas negras para
luego conectar la caja negraal enchufe de la casa, en ese entonces
desconocamos que se trataba de un transformador capaz de reducir la
tensindenuestraredelctricaalatensinalacualfuncionabanestosartefactos
importados. No obstante la anterior es slo una de las mltiples
aplicaciones que presentan los transformadores, para adentrarnos ms
en el tema se debe sealar que el transformador
esunamquinaelctricaesttica,queoperanicamenteconcorrientealterna,recibiendo
energaaunciertoniveldetensinycorrienteconmuypocasprdidas,elqueopera
basndose en que es posible transferir energa elctrica desde un
circuito elctrico a otro sin
necesidadqueamboscircuitosestnconectadoselctricamente,producindoseel
acoplamiento mediante un campo magntico variable en el tiempo, que
solo es posible con una excitacin alterna, bsicamente esta
constituido por un ncleo de tipo ferromagntico y por enrollados,
unidos al ncleo.
Entrelasdiversasaplicacionessepuedencontar,elusoenelreadelas
comunicacionesdondesonusadosparatransformarimpedanciasdecargasyfuentes,de
maneraqueseaposiblelograrunamximatransferenciadepotenciaalascargas,adems
depermitirelaislamientoconductivoentredistintaspartesdelcircuito.Otraaplicacin
importanteessuusocomotransformadoresdemedida,usadosintensivamenteen
instrumentacinquepermitenmedirgrandesnivelesdetensinycorrientepormediode
instrumentos sensitivos de escala reducida. Marco Terico
Entextosyartculossecitaquelosfenmenoselectrostticosymagnticosse
conocieronenlaantigedadantesdeCristo(escritosdeTalesdeMileto600aosAC,
Scrates,Platn,entreotros).Enelao1600denuestraera,Gilbertresumelos
conocimientos acumulados del magnetismo en su obra "De Magnete".
Losestudioscuantitativosdelmagnetismocomienzancuandoseestablecequela
fuerzaentrepolosmagnticosobedecealaleyinversadeloscuadradosdeladistancia,
similarmente como ocurre con la fuerza entre cargas elctricas.
Pronto se establece que los
polosmagnticos,NorteySur,nopuedensepararsecomomonopolosmagnticos,como
ocurre con las cargas elctricas.
En1820,Oerstedestableceunarelacinentremagnetismoycargasmviles,al
descubrirqueunaagujamagnticapodaserdesviadaporunacorrienteelctrica.Estos
hechos,llevanaAmpreaidearunateoraqueargumentabaquelaspropiedades
magnticasdetodaslassustanciaserandebidasalacirculacindecorrienteselctricas
ultra microscpicas. En la actualidad, se conoce bien que las
propiedades magnticas de las
sustanciassedebenatalescorrientes.EstasseconocencomocorrientesdeAmpreyse
deben principalmente al spin de los electrones.
Losdescubrimientosanteriorespermitenestablecerqueloscamposmagnticos
puedencrearseapartirdecorrienteelctrica.BiotySavartestablecenunarelacinque
permite obtener campos magnticos a partir de corrientes elctricas.
El campo as creado se
conocecomoinduccinmagntica,ylaexpresinmatemticaeslaleydeBiot-Savart,en
honor a sus descubridores, la que establece:
Lafuerzamagnticaqueexperimentaunacargaelctricaenmovimientoconuna
velocidad, est dada por la ecuacin:
Lascorrienteselctricasestnconstituidaspormuchaspartculascargadasen
movimiento a lo largo del conductor. Por tanto, si el conductor se
encuentra sumergido en un campo magntico, todas las partculas que
forman la corriente experimentan una fuerza.
Estafuerzasetraduceenunafuerzanetasobreelconductor.Laexpresindefuerzaque
ejerce un campo magntico sobre un conductor de corriente, se
expresa por:
Laideadequecorrienteselctricas(camposelctricos)producencampos
magnticosinduceapensar,aloscientficosdeaquellapoca,queimanesocampos
magnticos puedan tambin generar campos elctricos. Despus de varios
experimentos sin
xito,apareceFaradayen1840diciendoqueseobservanefectoselctricosapartirdel
campomagnticosiemprequealgoestvariando.Elfenmenoobservadolodenomina
fuerzaelectromotrizinducidaosimplementefem.Lafeminducidaseoriginaentodo
circuitosometidoaunflujomagnticovariableeneltiempo.Estosefectosquedan
formalizadosenlaleydeFaradayyLenz,queestableceque:"lafeminducidapor
variacionesdeflujomagnticotieneunsentidoqueseoponesiemprealacausaquelo
produce", y se expresa matemticamente como: Desdeel punto de vista
terico, se puede obtener el flujo magntico conociendo la fem
inducida, mediante la integracin de la ecuacin anterior:
Transformador La energa elctrica puede ser transferida de un
circuito elctrico a otro, estando los dos circuitos aislados
conductivamente, producindose el acoplamiento mediante un campo
magntico variable en el tiempo. Este acoplamiento magntico se
realiza usando un aparato formado por un ncleo con un mnimo de dos
bobinas. El ncleo puede ser lineal (aire) o
nolineal(ferromagntico).Esteaparato,ademsdetransferirenerga,sirvepara
transformar voltajes, corrientes e impedancias, por esta razn es
llamado transformador. Una de las aplicaciones importantes de los
transformadores seencuentraen el rea de comunicaciones, usados para
transformar impedancias de cargas y fuentes, pretendiendo
lograrunamximatransferenciadepotenciaalascargasyenalgunoscasosproducirun
aislamiento conductivo entre diferentes partes de un sistema. Otra
aplicacin importante de los transformadores es en los instrumentos;
se los usa para medir altos voltajes y corrientes
pormediodeinstrumentossensitivosdeescalareducida.(Transformadoresdevoltajesy
corrientesTT/PPyTT/CC).Tambinsonampliamenteusadosensistemaselctricosde
potencia ya que permiten realizar la transmisin de energa desde las
centrales generadoras
aaltatensinyluegopormediodetransformadoresreducirsutensinhastallegaral
voltaje domiciliario. De acuerdo con las leyes fundamentales del
electromagnetismo en un transformador (ver Figura 1) se cumple: Ley
de induccin de Faraday: tN e = Ley Circuital de Ampre: = R I N
Donde e representa el voltaje inducido, N es el nmero de vueltas
de la espira, es elfl uj o magntico, R es la reluctancia, I es la
corriente por la inductancia (espira) En el transformador ideal se
cumplen las siguientes definiciones de construccin: 1.N1 y N2
representan el nmero de vueltas del enrollado primario y
secundario.
2.Lospuntoscolocadosenlosterminales,sonllamadosmarcasdepolaridady
significan que si una corriente variable en el tiempo entra por el
terminal punteado, inducen en los dos enrollados voltajes que
tienen la misma polaridad relativa al de las terminales punteadas.
3.Terminal punteado o de polaridad es aquel marcado con un punto:
Enuntransformadoridealnohayprdidasdepotencia,lapotenciaqueentraes
igualalaquesale.Elsignomenosindicaquelaenergacirculaendireccionesopuestas,
esto es un enrollado la recibe y el otro la entrega. Adems la
relacin entre voltajes y corrientes de entrada y salida es:
Elsignonegativoindicaquelascorrientessondediferentesignoenunmismo
instante.
Otrapropiedadimportantedeuntransformadorideal,seencuentraanalizandolafigura
N 2, que se encuentra ms adelante, en que se ha conectado a la
salida una resistencia RL, entonces se tiene:
UnaresistenciaRLconectadaalenrollado2parecetenerunvalorR'L,cuandose
ve del lado 1. En general, para una impedancia ZL se tiene:
EltrminoZ'LesllamadovalordeZLreferidoalprimario.Laraznentreel nmero
de vueltas del primario y secundario se denomina "relacin de
transformacin". Circuito equivalente del transformador
Eltransformadortcnicooreal(verfiguraN 2)presentaunaseriedefenmenos
queloapartandeltransformadoridealyseproducenporlassiguientescausasfsicasy
estn representadas en el modelo con los siguientes smbolos:
a.Resistencia hmica de los alambres de los devanados: R1 y R2
b.Sisequierequeeltransformadortengaunarespuestaparejaparatodafrecuencia,
debera presentar una inductancia infinita de entrada, como esto en
la prctica no se consigue, el transformador est limitado para bajas
frecuencias: Lh.
c.Eneltransformadortcnicohayflujosmagnticosquesecierranatravesandoslo
uno de los devanados, estos flujos se representan mediante
inductancias de fuga de los devanadosy afectan las respuestas del
transformador en altas frecuencias: L1y L2. d.Capacidades
distribuidas de los devanados, las que producen resonancias
indeseadas y afectan las respuestas en altas frecuencias: C1, C2.
e. Prdidasenelncleodebidasahistresisyacorrientesparsitas,limitanla
respuesta en altas frecuencias: Rh.
Lasconsideracionesanterioresdanorigenalsiguientecircuitoequivalentedeun
transformador. Aplicando la propiedad de transformacin de
impedancias en el transformador de la figura N 2, se obtiene el
modelo circuital de la figura N 3. En dicho esquema se aprecia que
ya no existe el circuito del transformador como tal, sino que
aparecen aplicadas las distintas relaciones de voltajes y
corrientes (impedancias). En el circuito de la figura N 3 se
cumplen las siguientes ecuaciones: El anlisis directo de este
circuito lleva a ecuaciones complejas difciles de interpretar, sin
embargo, esta dificultad se puede obviar si se toma en cuenta que
en la mayora de los transformadores se cumple que: 1.C1 y C2 son
muy pequeos y tiene influencia a frecuencias muy superiores a las
de audio (20 Hz a 20 Khz.). 2.Las prdidas en el ncleo son muy
pequeas comparadas con el flujo de energa a travs del
transformador, por lo tanto, Rh se puede considerar inexistente
(Rh, Z = ). 3.En general, se tiene que la impedancia de carga es
mucho mayor que la resistencia hmica de los devanados, y las
inductancias de los devanados L1 y L2 mucho menores que Lh, es
decir: R1 y R2
