Informe Final (1)

El Reacto con Núcleo de Hierro 2015

INCE

INTRODUCCIÓN................................................................................................................................. I

I. OBJETIS.......................................................................................................................................1

II. FUNDAMENTO TEORICO............................................................................................................2

1. Magnetismo:..........................................................................................................................2

2. Ferromagnetismo:..................................................................................................................3

3. Flujo magnético:.....................................................................................................................4

4. Densidad de fluj magnético:...................................................................................................4

5. Intensidad de campo magnético:...........................................................................................5

6. Permeabilidad magnética:......................................................................................................5

7. Propiedades magnéticas:.......................................................................................................6

8. Reactor de núcleo de hierro:..................................................................................................8

9. Lazo de histéresis:..................................................................................................................8

III. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS...................................................................................10

IV. CUADRO DE DATOS..............................................................................................................12

V. CUESTIONARIO.........................................................................................................................13

VI. CONCLUSIONES......................................................................................................................8

VII. RECOMENDACIONES..............................................................................................................9

VIII. BIBLIOGRAFIA.......................................................................................................................10

IX. ANEXOS................................................................................................................................11

I


INTRODUCCIÓN

El presente informe data acerca de la experiencia realizada con con núcleo de hierro. Este autotransformador a estudiar es unaquina eléctrica estática que se encuentra presente en la vida cotidiana, desde grandes transformadores televisor, radio, estabilizador, entre otros.

Este laboratorio realizado en el LABORATORIO 01 DE ELECTRICIDAD, perteneciente a la FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA de la UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA; a cargo del Ingeniero Floren Acel Huamán Ladera, tiene como finalidad estudiar y observar las características físicas de una máquina eléctrica en particular como es el reactor con núcleo de hierro.

En el 1er capítulo veremos algunos conceptos fundamentales que en el transcurso de la experiencia se irán mencionando y que debemos conocer para poder entender mejor el desarrollo del trabajo, el capítulo 2 nos indica una lista de los materiales e instrumentos utilizados, para luego en el capítulo 3 detallar los datos obtenidos al realizar las mediciones experimentales, que serán utilizados en el capítulo 4 donde realizaremos el desarrollo del cuestionario y finalmente se extraerán las conclusiones respectivas indicando algunas recomendaciones.

En este experimento observaremos las de campo magnético – intensidad de campo magnético).

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I. OBJETIVOS

a. Observar las principales características físicas del autotransformador.

b. Obtener y analizar de histéresis.

c. Observar y analizar de forma experimental el comportamiento de la curva B-H,

característica de un material ferromnético.

2


II. FUNDAMENTO TEORICOia es necesario conocer algunos conceptos previos que nos permitirán conocer el comportamiento básico de las características y funcionamiento del reactor con núcleo de hierro.

1. Magnetismo :

Fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. En la naturaleza existe un mineral llamado magnetita (de este mineral proviene el término de magnetismo) o piedra imán que tiene la propiedad de atraer el hierro, el cobalto, el níquel y ciertas aleaciones de, que son materiales magnéticos.

Sin embargo, todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético.

Figura 1- Ejemplo de magnetización

http://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza

http://es.wikipedia.org/wiki/Material

3


2. Ferromagnetismo :

Los materiales ferromagnéts exhiben un fenómeno de ordenamiento de largo alcance a nivel atómico, que hace que los espines electrones no apareados se alineen paralelamente entre sí, en una región del material llamada dominio. El campo magnético dentro del dominio es intenso, pero en una muestra global el material generalmente no estará magnetizado, debido a que los muchos dominios que lo componen estarán orientados entre ellos de forma aleatoria.

El ferromagnetismo se manifiesta en el hecho de que un pequeño campo magnético impuesto externamente puede originar que los dominios magnéticos se alineen entre sí y entonces se dice que el material está magnetizado. Luego, el campo magnético generado, se puede aumentar por un gran factor que normalmente se expresa como la permeabilidad relativa del material. Hay muchas aplicaciones prácticas de materiales ferromagnéticos, tales como los electroimanes.

Los ferroimanes tienden a permanecer magnetizados en cierta medida después de ser sometido a un campo magnético externo. Esta " cuando se elimina el campo de generación, se llama remanencia del material, y es un factor importante en los imanes permanentes.

3. Flujo magnético :

El flujo magnético (Φ) es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del campo magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre las

líneas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie. La unidad de medida es el weber y se designa por Wb.

4. Densidad de flujo magnético :

Figura 2- Ordenamiento de espines ante la acción de un campo magnético

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/solids/magperm.html#c1

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/magnetic/elemag.html#c5

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/solids/ferro.html#c6


http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/magnetic/elemag.html#c4



http://es.wikipedia.org/wiki/Weber_(unidad)

http://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADnea_de_campo

http://es.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9tico

http://es.wikipedia.org/wiki/Magnetismo

4


La densidad de flujo magnético, visualmente notada como , es el flujo magnético por unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo, y es igual a la intensidad del campo magnético. La unidad de la densidad en el Sistema Internacional de Unidades es el Tesla. Matemáticamente se describe de la siguiente manera:

¿ ∅Am

Donde:

Am : Área magnética de sección transversal, también denotada con S.Ø : Flujo magnético

En las maquinas eléctricas, tenemos la relación de la densidad de flujo con el voltaje aplicado para generar dicha densidad. Esta es:

V=4.44Nf AmBmax

Donde:

Bmax: Densidad de flujo máximo que atraviesa por la sección transversal de la máquina.

N: Número de espiras de la máquina eléctrica.

V: Voltaje aplicado a la máquina.

f: Frecuencia de trabajo del reactor con núcleo de hierro.

5. Intensidad de campo magnético :

El campo H se ha considerado tradicionalmente el campo principal o intensidad de campo magnético, ya que se puede relacionar con unas cargas, masas o polos magnéticos por medio de una ley similar a la de Coulomb para la electricidad. Maxwell, por ejemplo, utilizó este enfoque, aunque aclarando que esas cargas eran ficticias. Con ello, no solo se parte de leyes similares en los campos eléctricos y magnéticos (incluyendo la posibilidad de definir un potencial escalar magnético), sino que en medios materiales, con la equiparación matemática de H con E (campo eléctrico). La unidad de H en el SI es el amperio por metro (A-v/m) (a veces llamado ampervuelta por metro).

En las máquinas eléctricas tenemos la siguiente relación matemática:

Fig 3. Flujo magnético

http://es.wikipedia.org/wiki/Potencial_escalar_magn%C3%A9tico

http://es.wikipedia.org/wiki/Potencial_escalar_magn%C3%A9tico

http://es.wikipedia.org/wiki/Im%C3%A1n_(f%C3%ADsica)#Polos_magn.C3.A9ticos

5


H .lm=N .i

Donde:lm : Longitud media del reactor con núcleo de hierro.i: Corriente que circula por la bobina

6. Permeabilidad magnética :

Se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de sí los campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la inducción magnética existente y la intensidad de campo magnético que aparece en el interior de dicho material. La magnitud así definida, el grado de magnetización de un material en respuesta a un campo magnético, se denomina permeabilidad absoluta y se suele representar por el símbolo . Matemáticamente se escribe:

μ= BH

7. Propiedades magnéticas :

Las propiedades magnéticas macroscópicas de un material lineal, homogéneo e isótropo se definen en función del valor de la susceptibilidad magnética χm, que es un coeficiente adimensional que expresa la proporcionalidad entre la magnetización o imanación M y la intensidad del campo magnético H de acuerdo con la ecuación:

M= χmH [ A /m]

Como quiera además que la inducción magnética B está relacionada con los campos H y M por:

B=μ0(H+M )[Teslas ]

Teniendo en cuenta la primera ecuación:


http://es.wikipedia.org/wiki/Magnitud

http://es.wikipedia.org/wiki/Intensidad_de_campo_magn%C3%A9tico

http://es.wikipedia.org/wiki/Inducci%C3%B3n_magn%C3%A9tica


6


B=μ0 (H+ χmH )=μ0 (1+ χm )H=μ0μrH=μ H

Donde μ representa la permeabilidad magnética del medio o permeabilidad absoluta (μ=μ0μr) y μr la permeabilidad relativa, que a su vez es igual a 1+ χm ; μ0 es la permeabilidad del vació y

que en unidades del SI es igual a 4 πx 10−7H /m. Para el caso de materiales ferromagnéticos μr≫1 y χm tiene un valor muy elevado. La siguiente figura representa algunas formas de curvas de magnetización para diversos materiales.

Se observa que el acero fundido posee mejores cualidades magnéticas que el hierro fundido ya que para la misma excitación magnética H se consiguen inducciones más elevadas, lo que supone un volumen menor de material. La permeabilidad magnética () del material puede evaluarse a partir de la curva puesto que está definida por:

μ= BH

Se estila presentar la curva anterior acompañada de la curva de permeabilidad, como se muestra en la imagen inferior. Ambos en función de la intensidad de campo magnético aplicado al material ferromagnético.

Fig 4. Diagrama B vs H

7


Fig 5. Curva de permeabilidad

8


8. Reactor de núcleo de hierro :

Un reactor es un dispositivo que genera inductancia para obtener reactancias inductivas. Su construcción consiste en una bobina arrollada sobre un núcleo de material ferromagnético, este núcleo hace que la bobina al ser recorrido por una intensidad de corriente alterna (i) obtenga altas inductancias con dimensiones reducidas tal como se muestra en la siguiente figura:

Sabemos que:

X L=ωL

XL = Reactancia inductiva

L: Inductancia

ω: Frecuencia Angular

El objetivo es conseguir valores requeridos de XL con dimensiones pequeñas y allí el núcleo ferromagnético ayuda bastante, pero el núcleo ferromagnético introduce fenómenos adicionales tales como las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas (Foucault) y la variación de la inductancia en función del flujo magnético, por lo que en corriente alterna sinusoidal trae consigo numerosas armónicas, la cual exige mayor análisis principalmente en los transformadores, más aún cuando trabajan en vacío.

9. Lazo de histéresis :

Cuando a un material ferromagnético se le aplica un campo magnético creciente Bap su imantación crece desde O hasta la saturación Ms, ya que todos los dominios magnéticos están alineados. Así se obtiene la curva de primera imantación. Posteriormente si Bap se hace decrecer gradualmente hasta anularlo, la imantación no decrece del mismo modo, ya que la reorientación de los dominios no es completamente reversible, quedando una imantación remanente MR: el material se ha convertido en un imán permanente. Si invertimos Bap, conseguiremos anular la imantación con un campo magnético coercitivo Bc.

El resto del ciclo se consigue aumentando de nuevo el campo magnético aplicado. Este efecto de no reversibilidad se denomina ciclo de histéresis.

Fig 6. Reactor de núcleo de hierro

Fig 7. Lazo de histéresis

http://personales.upv.es/jquiles/prffi/magnetismo/ayuda/hlpferromagnetismo.htm

http://personales.upv.es/jquiles/prffi/magnetismo/ayuda/hlpimantacion.htm

http://personales.upv.es/jquiles/prffi/magnetismo/ayuda/hlpferromagnetismo.htm

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El área incluida en la curva de histéresis es proporcional a la energía disipada en forma de calor en el proceso irreversible de imantación y desimantación. Si este área es pequeña, las pérdidas de energía en cada ciclo será pequeña, y el material se denomina magnéticamente blando.

Fig 8. Ciclos de histéresis para materiales ferromagnéticos duros y blandos

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III. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS

MATERIAL A UTILIZAR DESCRIPCIÓN

Reactor de núcleo de hierro con sus datos de placas. Aquí se usa la entrada de 115v del transformador de 220/115 V

Autotransformador variable con capacidad de 3 A

Resistencia de 60 KΩ

Reóstato de 4.5 Ω

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Condensador de 20 uF

Amperímetro de 2 A A.C. (YEW)

Voltímetro de 150 V A.C. (H-B)

Vatímetro de 120 W (YEW)

Osciloscopio con dos puntas de prueba con

acceso vertical y horizontal.

Sondas de osciloscopio, 2 pares

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IV. CUADRO DE DATOS

Aquí va la hoja de datos firmada

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V. CUESTIONARIO

Experiencia 1: OBTENCIÓN DE LA CARACTERÍSTICA B-H

A. Lectura con los instrumentos de medición.

V(v) I(A) W2(w)10.63 0.01 0.0419.87 0.01 0.0829.63 0.02 0.2440.26 0.03 0.5050.18 0.04 0.8460.7 0.05 1.2771.0 0.06 1.7790.7 0.09 3.40

111.2 0.12 5.57130.7 0.17 9.28141.6 0.22 13.00161.2 0.32 21.54166.3 0.36 25

B. Lectura del autotransformador.

Datos del reactor:

N=500 espiras

f= 60Hz (frecuencia)

Lm = 0.4408 (Longitud Media)

Am = 0.0016 (Área Media)

Formulas a usar:

H= ¿Lm

B= V4,44. f . N . Am

µ= BH

A(amperios) V(voltios)0.01 10.30.01 19.8

0.025 29.60.035 40.00.04 50.00.05 60.02

0.055 70.30.075 89.80.105 110.20.155 129.7

0.2 140.70.315 160.20.355 165.3

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Tabla de resultados:

Grafica. W vs V

0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800

5

10

15

20

25

30

W vs V

W

A(amperios)

V(voltios)

W(watts) H B µ

0.01 10.63 0.04 10.5 10.63 1.010.01 19.87 0.08 15 19.87 1.320.02 29.63 0.24 21 29.63 1.410.03 40.26 0.50 31.5 40.26 1.270.04 50.18 0.84 42 50.18 1.190.05 60.7 1.27 52.5 60.7 1.150.06 71.0 1.77 63 71 1.120.09 90.7 3.40 94.5 90.7 0.980.12 111.2 5.57 126 111.2 0.880.17 130.7 9.28 178.5 130.7 0.730.22 141.6 13.00 231 141.6 0.610.32 161.2 21.54 336 161.2 0.470.36 166.3 25 378 166.3 0.44

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Grafica. B vs H (µ)

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

20

40

60

80

100

120

140

160

180

B vs H

B

Grafica. µ vs H

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

µ vs H

µ

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Experiencia 2: OBSERVACIÓN DEL LAZO DE HISTÉRESIS Y DE LA FORMA DE ONDA DE LA CORRIENTE DE EXCITACIÓN DEL REACTOR

1) V= 30.15 v, I= 0.025 A 2) V= 70.9 v, I= 0.055 A

3) V= 140.9 v, I= 0.19 A 3) V= 180.7 v, I= 0.485 A

Fig 11. Tercer lazo de histéresis Fig 12. Cuarto lazo de histéresis

Fig 9. Primer lazo de histéresis Fig 10. Segundo lazo de histéresis

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¿Qué es el circuito equivalente de una máquina eléctrica? ¿En qué le es equivalente?

El circuito equivalente de una maquina eléctrica es la representación circuital de ella y está formado por parámetros que representan las características eléctricas de dicha máquina y que ayudan a simplificar el análisis teórico de su comportamiento. Los parámetros son escogidos de tal manera que se relacionan directamente con una propiedad o aspecto de la máquina que se desea representar, pero el circuito no puede representar a la máquina en todos sus aspectos.

Como se ha indicado anteriormente a cada máquina se le asocia un circuito equivalente, que según el tipo de máquina puede ajustarse en mayor o menor medida a la máquina que representa. Se puede decir que para el caso de los transformadores los circuitos equivalentes representan casi fielmente a la máquina con un pequeñísimo error. Sin embargo cuando se trata motores de inducción (también llamados motores asíncronos, con o sin el rotor en jaula de ardilla) el circuito que se puede construir bien desde los ensayos normalizados o bien desde la placa de características no son tan exactos, pero es lo más representativo que se puede tener de este tipo de máquinas para poder estudiarlos mediante un circuito a base de bobina y resistencias. El circuito clásico de un motor de inducción es el representado en la figura 13.

Figura 13. Circuito equivalente clásico de un motor de inducción

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Elaborar el circuito equivalente del reactor para su tensión nominal.

Explicar el principio de funcionamiento del circuito para la observación del lazo de histéresis.

Fig 15. Circuito equivalente del reactor

Fig 14. Circuito del reactor

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El circuito utilizado para observar el lazo de histéresis funciona obteniendo la diferencia de potencial entre los extremos de la capacitancia en el amplificador vertical. Esta diferencia de potencial será proporcional (tendrá la misma forma de onda), a E (voltaje inducido en el reactor), el cual es a su vez proporcional al flujo inducido B. Por otro lado el amplificador horizontal recibirá el potencial que existe entre los extremos de la resistencia variable, la cual es proporcional a la corriente que pasa por el reactor; esta corriente es además directamente proporcional al a intensidad de flujo magnético (recordar que H = N*I/lm). De esta forma se obtiene entre las placas vertical y horizontal una diferencia de potenciales proporcionales a B y H, de manera que el osciloscopio traza la forma del lazo de histéresis.

¿Qué función desempeña el condensador de 20 μF y la resistencia de 60 KΩ?

La resistencia nos sirve como limitador de corriente ya que el osciloscopio trabaja con pequeñas corrientes y el condensador y la resistencia nos permite crear el desfasaje necesario para poder presentar en el osciloscopio el lazo de histéresis. La resistencia de 60KΩ se utiliza para cerrar el lazo en paralelo (de esta forma existe una corriente circulante y una diferencia de potencial medible en la capacitancia), pero sin modificar mucho la corriente que circula por el reactor (ya que la resistencia es muy grande simulando circuito abierto). La capacitancia se utiliza para ajustar el desfasaje entre los potenciales que ingresan al osciloscopio.

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VI. CONCLUSIONES

Se obtuvieron buenos datos aproximados en la primera experiencia realizada ya que al observar las curvas B-H y -H obtenidas con estos datos, se asemejan a las curvas teóricas de un material ferromagnéticos.

Como se puede observar en la grafica µ vs H tiene el comportamiento que

encontramos en las tablas de datos experimentales, lo que nos lleva a concluir que

debido al efecto de saturación, la permeabilidad magnética μ de un material

ferromagnético alcanza un máximo y luego declina.

Al observar las curvas de histéresis obtenidas, se puede concluir que a mayor corriente el tamaño de la curva aumenta significativamente, de igual manera las magnitudes magnéticas medidas dependen directamente de la corriente. También se demuestra que las curvas de histéresis nos indican la magnetización del material, con su densidad de campo remanente e intensidad de campo coercitivo.

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VII. RECOMENDACIONES

Es recomendable que antes de usar el osciloscopio probar el estado de las sondas pasivas, con ayuda de una función por defecto del osciloscopio, para que así no tengamos una lectura de datos variante.

Se recomienda precaución al usar los materiales para implementar el circuito ya que trabajamos con corriente considerablemente mediana.

Se recomienda una previa lectura de las características de las resistencias y condensadores, ya que sabemos que estos materiales fueron usados en anteriores laboratorios y que posiblemente existe un desgaste alterando sus propiedades.

Se recomienda variar la resistencia del potenciómetro a un valor un poco más alto del que nos indica en la guía, en nuestro caso hasta 6.4 ohmios, para que la curva de histéresis se note mejor en el osciloscopio.

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VIII. BIBLIOGRAFIA

Máquinas eléctricas 1 – prácticas / Jordi de la Hoz Casas / página 18-22.

Problemas resueltos de máquinas eléctricas / Guillermo Ortega Gomes/ página 22.

http://www.mitecnologico.com/Main/DensidadFlujoMagnetico

http://www.google.com/images?um=1&hl=en&biw=1280&bih=843&tbs=isch%3A1& sa=1&q=flujo+magnetico&aq=f&aqi=&aql=&oq


http://www.lawebdefisica.com/apuntsfis/domaniom/electromagnetismo.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Permeabilidad_magn%C3%A9tica

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IX. ANEXOS

1. Osciloscopio digital

Un osciloscopio es un instrumento de visualización electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Es muy usado en electrónica de señal, frecuentemente junto a un a un analizador de espectro.

En la actualidad los osciloscopios analógicos están siendo desplazados en gran medida por los osciloscopios digitales, entre otras razones por la facilidad de poder transferir las medidas a una computadora personal o pantalla LCD.

En el osciloscopio digital la señal es previamente digitalizada por un conversor analógico digital. Al depender la fiabilidad de la visualización de la calidad de este componente, esta debe ser cuidada al máximo.

La principal característica de un osciloscopio digital es la frecuencia de muestreo, la misma determinara el ancho de banda máximo que puede medir el instrumento, viene expresada generalmente en MS/s (millones de muestra por segundo).

Estos osciloscopios añaden prestaciones y facilidades al usuario imposibles de obtener con circuitería analógica, como los siguientes:

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2. El autotransformador

El autotransformador puede ser considerado simultáneamente como un caso particular del transformador o del bobinado con núcleo de hierro. Tiene un solo bobinado arrollado sobre el núcleo, pero dispone de cuatro bornes, dos para cada circuito, y por ello presenta puntos en común con el transformador

En la práctica se emplean los autotransformadores en algunos casos en los que presenta ventajas económicas, sea por su menor costo o su mayor eficiencia. Pero esos casos están limitados a ciertos valores de la relación de transformación, como se verá en seguida. No obstante. Es tan común que se presente el uso de relaciones de transformación próximas a la unidad, que corresponde dar a los autotransformadores la importancia que tienen, por haberla adquirido en la práctica de su gran difusión.

La figura siguiente nos muestra un esquema del autotransformador. Consta de un bobinado de extremos A y D, al cual se le ha hecho una derivación en el punto intermedio B. Por ahora llamaremos primario a la sección completa A D y secundario a la porción B D, pero en la práctica puede ser a la inversa, cuando se desea elevar la tensión primaria.

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3. Vatímetro analógico

El vatímetro es un instrumento que nos permite medir en vatios la energía eléctrica o la tasa de suministro de esta energía, es decir mide la potencia eléctrica. También podemos medir el poder de audiofrecuencia y la frecuencia de utilidad.

Los vatímetros analógicos son unos instrumentos electrodinámicos. Están compuestos por la fusión de un voltímetro y un amperímetro. Los vatímetros más comunes están conformados por un par de bobinas fijas (bobinas de corriente), conectada en serie con el circuito y una bobina móvil (bobina potencial), conectada en paralelo y es la que lleva la aguja que indica la medición de la energía eléctrica.

En los laboratorios educativos se emplean otro tipo de vatímetro que está conformado dos bobinas de tensión (bobina de presión) y una bobina actual.

http://www.electronicabasica.net/amperimetro/

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