El Reactor con Ncleo de Hierro

INDICE

INTRODUCCINII.OBJETIVOS1II.FUNDAMENTO TEORICO21.Magnetismo:22.Ferromagnetismo:33.Flujo magntico:44.Densidad de flujo magntico:45.Intensidad de campo magntico:56.Permeabilidad magntica:57.Propiedades magnticas:68.Reactor de ncleo de hierro:89.Lazo de histresis:8III.MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS10IV.CUADRO DE DATOS12V.CUESTIONARIO13VI.CONCLUSIONES8VII.RECOMENDACIONES9VIII.BIBLIOGRAFIA10IX.ANEXOS11

El Reactor con Ncleo de Hierro2015

INTRODUCCIN

El presente informe data acerca de la experiencia realizada con el reactor con ncleo de hierro. Este autotransformador a estudiar es una mquina elctrica esttica que se encuentra presente en la vida cotidiana, desde grandes transformadores para la alimentacin elctrica en una calle hasta la pequeos trafos que se encuentran en el interior de un televisor, radio, estabilizador, entre otros. Este laboratorio realizado en el LABORATORIO 01 DE ELECTRICIDAD, perteneciente a la FACULTAD DE INGENIERA MECNICA de la UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA; a cargo del Ingeniero Floren Acel Huamn Ladera, tiene como finalidad estudiar y observar las caractersticas fsicas de una mquina elctrica en particular como es el reactor con ncleo de hierro. En el 1er captulo veremos algunos conceptos fundamentales que en el transcurso de la experiencia se irn mencionando y que debemos conocer para poder entender mejor el desarrollo del trabajo, el captulo 2 nos indica una lista de los materiales e instrumentos utilizados, para luego en el captulo 3 detallar los datos obtenidos al realizar las mediciones experimentales, que sern utilizados en el captulo 4 donde realizaremos el desarrollo del cuestionario y finalmente se extraern las conclusiones respectivas indicando algunas recomendaciones.En este experimento observaremos las propiedades fsicas de la mquina elctrica como son el lazo de histresis y la curva B-H (densidad de campo magntico intensidad de campo magntico).

I

I. OBJETIVOS

a. Observar las principales caractersticas fsicas del autotransformador. b. Obtener y analizar el lazo de histresis. c. Observar y analizar de forma experimental el comportamiento de la curva B-H, caracterstica de un material ferromagntico.

II. FUNDAMENTO TEORICO

Para el desarrollo de esta experiencia es necesario conocer algunos conceptos previos que nos permitirn conocer el comportamiento bsico de las caractersticas y funcionamiento del reactor con ncleo de hierro.

1. Magnetismo:Fenmeno fsico por el que los materiales ejercen fuerzas de atraccin o repulsin sobre otros materiales. En la naturaleza existe un mineral llamado magnetita (de este mineral proviene el trmino demagnetismo) o piedra imn que tiene la propiedad de atraer el hierro, el cobalto, el nquel y ciertas aleaciones de estos metales, que son materiales magnticos. Sin embargo, todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de uncampo magntico.

Figura 1- Ejemplo de magnetizacin

2. Ferromagnetismo:

Los materiales ferromagnticos exhiben un fenmeno deordenamiento de largo alcancea nivel atmico, que hace que los espines de los electrones no apareados se alineen paralelamente entre s, en una regin del material llamadadominio. El campo magntico dentro del dominio es intenso, pero en una muestra global el material generalmente no estar magnetizado, debido a que los muchos dominios que lo componen estarn orientados entre ellos de forma aleatoria. El ferromagnetismo se manifiesta en el hecho de que un pequeocampo magnticoimpuesto externamente puede originar que los dominios magnticos se alineen entre s y entonces se dice que el material est magnetizado. Luego, el campo magntico generado, se puede aumentar por un gran factor que normalmente se expresa como lapermeabilidad relativadel material. Hay muchas aplicacionesprcticas de materiales ferromagnticos, tales como los electroimanes.Los ferroimanes tienden a permanecer magnetizados en cierta medida despus de ser sometido a un campo magntico externo. Esta tendencia a "recordar su historia magntica" se llamahistresis. La fraccin de la magnetizacin de saturacin que es retenida cuando se elimina el campo de generacin, se llamaremanenciadel material, y es un factor importante en los imanes permanentes.

Figura 2- Ordenamiento de espines ante la accin de un campo magntico

3. Flujo magntico:El flujo magntico () es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del campo magntico, la superficie sobre la cual acta y el ngulo de incidencia formado entre las lneas de campo magntico y los diferentes elementos de dicha superficie. La unidad de medida es el weber y se designa por Wb.

4. Densidad de flujo magntico:La densidad de flujo magntico, visualmente notada como , es el flujo magntico por unidad de rea de una seccin normal a la direccin del flujo, y es igual a la intensidad del campo magntico. La unidad de la densidad en el Sistema Internacional de Unidades es el Tesla. Matemticamente se describe de la siguiente manera:

Fig 3. Flujo magntico

Donde:

: rea magntica de seccin transversal, tambin denotada con S.: Flujo magntico

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

Donde:: Densidad de flujo mximo que atraviesa por la seccin transversal de la mquina.N: Nmero de espiras de la mquina elctrica.V: Voltaje aplicado a la mquina.f: Frecuencia de trabajo del reactor con ncleo de hierro.

5. Intensidad de campo magntico:El campo H se ha considerado tradicionalmente el campo principal o intensidad de campo magntico, ya que se puede relacionar con unas cargas, masas o polos magnticos por medio de una ley similar a la de Coulomb para la electricidad. Maxwell, por ejemplo, utiliz este enfoque, aunque aclarando que esas cargas eran ficticias. Con ello, no solo se parte de leyes similares en los campos elctricos y magnticos (incluyendo la posibilidad de definir un potencial escalar magntico), sino que en medios materiales, con la equiparacin matemtica de H con E (campo elctrico). La unidad de H en el SI es el amperio por metro (A-v/m) (a veces llamado ampervuelta por metro). En las mquinas elctricas tenemos la siguiente relacin matemtica:

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

6. Permeabilidad magntica:Se denomina permeabilidad magntica a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a travs de s los campos magnticos, la cual est dada por la relacin entre la induccin magntica existente y la intensidad de campo magntico que aparece en el interior de dicho material. La magnitud as definida, el grado de magnetizacin de un material en respuesta a un campo magntico, se denomina permeabilidad absoluta y se suele representar por el smbolo . Matemticamente se escribe:

7. Propiedades magnticas:Las propiedades magnticas macroscpicas de un material lineal, homogneo e istropo se definen en funcin del valor de la susceptibilidad magntica , que es un coeficiente adimensional que expresa la proporcionalidad entre la magnetizacin o imanacin M y la intensidad del campo magntico H de acuerdo con la ecuacin:

Como quiera adems que la induccin magntica B est relacionada con los campos H y M por:

Teniendo en cuenta la primera ecuacin:

Donde representa la permeabilidad magntica del medio o permeabilidad absoluta () y la permeabilidad relativa, que a su vez es igual a ; es la permeabilidad del vaci y que en unidades del SI es igual a . Para el caso de materiales ferromagnticos y tiene un valor muy elevado. La siguiente figura representa algunas formas de curvas de magnetizacin para diversos materiales.

Fig 4. Diagrama B vs H

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

Se estila presentar la curva anterior acompaada de la curva de permeabilidad, como se muestra en la imagen inferior. Ambos en funcin de la intensidad de campo magntico aplicado al material ferromagntico.

Fig 5. Curva de permeabilidad

8. Reactor de ncleo de hierro:Un reactor es un dispositivo que genera inductancia para obtener reactanciasinductivas. Su construccin consiste en una bobina arrollada sobre un ncleode material ferromagntico, este ncleo hace que la bobina al ser recorrido poruna intensidad de corriente alterna (i) obtenga altas inductancias condimensiones reducidas tal como se muestra en la siguiente figura:

Sabemos que:

XL = Reactancia inductivaL: Inductancia: Frecuencia Angular

Fig 6. Reactor de ncleo de hierro

El objetivo es conseguir valores requeridos de XL con dimensiones pequeas y all el ncleo ferromagntico ayuda bastante, pero el ncleo ferromagntico introduce fenmenos adicionales tales como las prdidas por histresis y corrientes parsitas (Foucault) y la variacin de la inductancia en funcin del flujo magntico, por lo que en corriente alterna sinusoidal trae consigo numerosas armnicas, la cual exige mayor anlisis principalmente en los transformadores, ms an cuando trabajan en vaco.

9. Lazo de histresis:

Fig 7. Lazo de histresisCuando a unmaterial ferromagnticose le aplica un campo magntico crecienteBapsuimantacincrece desdeOhasta la saturacinMs, ya que todos losdominios magnticosestn alineados. As se obtiene lacurva de primera imantacin. Posteriormente siBapse hace decrecer gradualmente hasta anularlo, la imantacin no decrece del mismo modo, ya que la reorientacin de los dominios no es completamente reversible, quedando unaimantacin remanenteMR: el material se ha convertido en un imn permanente. Si invertimosBap, conseguiremos anular la imantacin con uncampo magntico coercitivo Bc. El resto del ciclo se consigue aumentando de nuevo el campo magntico aplicado. Este efecto de no reversibilidad se denominaciclo de histresis.

El rea incluida en la curva de histresis es proporcional a la energa disipada en forma de calor en el proceso irreversible de imantacin y desimantacin. Si este rea es pequea, las prdidas de energa en cada ciclo ser pequea, y el material se denomina magnticamente blando.

Fig 8. Ciclos de histresis para materiales ferromagnticos duros y blandos

III. MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOSMATERIAL A UTILIZARDESCRIPCIN

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

Autotransformador variable con capacidad de 3 A

Resistencia de 60 K

Restato de 4.5

Condensador de 20 uF

Ampermetro de 2 A A.C. (YEW)

Voltmetro de 150 V A.C. (H-B)

Vatmetro de 120 W (YEW)

Osciloscopio con dos puntas de prueba con acceso vertical y horizontal.

Sondas de osciloscopio, 2 pares

IV. CUADRO DE DATOS

Aqu va la hoja de datos firmada

V. CUESTIONARIO

1

Experiencia 1: OBTENCIN DE LA CARACTERSTICA B-HA. B. Datos del reactor:N=500 espirasf= 60Hz (frecuencia)Lm = 0.4408 (Longitud Media)Am = 0.0016 (rea Media)Lectura con los instrumentos de medicin.V(v)I(A)W2(w)

10.630.010.04

19.870.010.08

29.630.020.24

40.260.030.50

50.180.040.84

60.70.051.27

71.00.061.77

90.70.093.40

111.20.125.57

130.70.179.28

141.60.2213.00

161.20.3221.54

166.30.3625

Formulas a usar:

C. Lectura del autotransformador.A(amperios)V(voltios)

0.0110.3

0.0119.8

0.02529.6

0.03540.0

0.0450.0

0.0560.02

0.05570.3

0.07589.8

0.105110.2

0.155129.7

0.2140.7

0.315160.2

0.355165.3

Tabla de resultados:A(amperios)V(voltios)W(watts)HB

0.0110.630.0410.510.631.01

0.0119.870.081519.871.32

0.0229.630.242129.631.41

0.0340.260.5031.540.261.27

0.0450.180.844250.181.19

0.0560.71.2752.560.71.15

0.0671.01.7763711.12

0.0990.73.4094.590.70.98

0.12111.25.57126111.20.88

0.17130.79.28178.5130.70.73

0.22141.613.00231141.60.61

0.32161.221.54336161.20.47

0.36166.325378166.30.44

Grafica. W vs V

Grafica. B vs H ()

Grafica. vs H

Experiencia 2: OBSERVACIN DEL LAZO DE HISTRESIS Y DE LA FORMA DE ONDA DE LA CORRIENTE DE EXCITACIN DEL REACTOR1) V= 30.15 v, I= 0.025 A2) V= 70.9 v, I= 0.055 A

Fig 10. Segundo lazo de histresisFig 9. Primer lazo de histresis

3) V= 140.9 v, I= 0.19 A3) V= 180.7 v, I= 0.485 A

Fig 12. Cuarto lazo de histresisFig 11. Tercer lazo de histresis

Qu es el circuito equivalente de una mquina elctrica? En qu le es equivalente? El circuito equivalente de una maquina elctrica es la representacin circuital de ella y est formado por parmetros que representan las caractersticas elctricas de dicha mquina y que ayudan a simplificar el anlisis terico de su comportamiento. Los parmetros son escogidos de tal manera que se relacionan directamente con una propiedad o aspecto de la mquina que se desea representar, pero el circuito no puede representar a la mquina en todos sus aspectos.Como se ha indicado anteriormente a cada mquina se le asocia un circuito equivalente, que segn el tipo de mquina puede ajustarse en mayor o menor medida a la mquina que representa. Se puede decir que para el caso de los transformadores los circuitos equivalentes representan casi fielmente a la mquina con un pequesimo error. Sin embargo cuando se trata motores de induccin (tambin llamados motores asncronos, 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 caractersticas no son tan exactos, pero es lo ms representativo que se puede tener de este tipo de mquinas para poder estudiarlos mediante un circuito a base de bobina y resistencias. El circuito clsico de un motor de induccin es el representado en la figura 13.

Figura 13. Circuito equivalente clsico de un motor de induccin

Elaborar el circuito equivalente del reactor para su tensin nominal.

Fig 14. Circuito del reactor

Fig 15. Circuito equivalente del reactor

Explicar el principio de funcionamiento del circuito para la observacin del lazo de histresis.

El circuito utilizado para observar el lazo de histresis funciona obteniendo la diferencia de potencial entre los extremos de la capacitancia en el amplificador vertical. Esta diferencia de potencial ser proporcional (tendr 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 recibir 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 adems directamente proporcional al a intensidad de flujo magntico (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 histresis.

Qu funcin desempea el condensador de 20 F y la resistencia de 60 K?

La resistencia nos sirve como limitador de corriente ya que el osciloscopio trabaja con pequeas corrientes y el condensador y la resistencia nos permite crear el desfasaje necesario para poder presentar en el osciloscopio el lazo de histresis. La resistencia de 60K 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.

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 tericas de un material ferromagnticos.

Como se puede observar en la grafica vs H tiene el comportamiento que encontramos en las tablas de datos experimentales, lo que nos lleva a concluir que debido al efecto de saturacin, la permeabilidad magntica de un material ferromagntico alcanza un mximo y luego declina.

Al observar las curvas de histresis obtenidas, se puede concluir que a mayor corriente el tamao de la curva aumenta significativamente, de igual manera las magnitudes magnticas medidas dependen directamente de la corriente. Tambin se demuestra que las curvas de histresis nos indican la magnetizacin del material, con su densidad de campo remanente e intensidad de campo coercitivo.

VII. RECOMENDACIONES

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

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

Se recomienda una previa lectura de las caractersticas 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 potencimetro a un valor un poco ms alto del que nos indica en la gua, en nuestro caso hasta 6.4 ohmios, para que la curva de histresis se note mejor en el osciloscopio.

VIII. BIBLIOGRAFIA

Mquinas elctricas 1 prcticas / Jordi de la Hoz Casas / pgina 18-22.

Problemas resueltos de mquinas elctricas / Guillermo Ortega Gomes/ pgina 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://es.wikipedia.org/wiki/Campo_magn%C3%A9tico

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

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

IX. ANEXOS

1. Osciloscopio digitalUnosciloscopioes un instrumento de visualizacin electrnico para la representacin grfica de seales elctricas que pueden variar en el tiempo. Es muy usado en electrnica de seal, frecuentemente junto a un a un analizador de espectro.En la actualidad los osciloscopios analgicos estn 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 seal es previamente digitalizada por un conversor analgico digital. Al depender la fiabilidad de la visualizacin de la calidad de este componente, esta debe ser cuidada al mximo.La principal caracterstica de un osciloscopio digital es la frecuencia de muestreo, la misma determinara el ancho de banda mximo que puede medir el instrumento, viene expresada generalmente en MS/s (millones de muestra por segundo).Estos osciloscopios aaden prestaciones y facilidades al usuario imposibles de obtener con circuitera analgica, como los siguientes:

2. El autotransformadorEl autotransformador puede ser considerado simultneamente como un caso particular del transformador o del bobinado con ncleo de hierro. Tiene un solo bobinado arrollado sobre el ncleo, pero dispone de cuatro bornes, dos para cada circuito, y por ello presenta puntos en comn con el transformadorEn la prctica se emplean los autotransformadores en algunos casos en los que presenta ventajas econmicas, sea por su menor costo o su mayor eficiencia. Pero esos casos estn limitados a ciertos valores de la relacin de transformacin, como se ver en seguida. No obstante. Es tan comn que se presente el uso de relaciones de transformacin prximas a la unidad, que corresponde dar a los autotransformadores la importancia que tienen, por haberla adquirido en la prctica de su gran difusin.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 derivacin en el punto intermedio B. Por ahora llamaremos primario a la seccin completa A D y secundario a la porcin B D, pero en la prctica puede ser a la inversa, cuando se desea elevar la tensin primaria.

3. Vatmetro analgicoElvatmetroes un instrumento que nos permite medir en vatios laenerga elctricao la tasa de suministro de esta energa, es decir mide lapotencia elctrica.Tambin podemos medir el poder de audiofrecuencia y la frecuencia de utilidad.Losvatmetros analgicosson unos instrumentos electrodinmicos. Estn compuestos por la fusin de un voltmetroy unampermetro. Losvatmetrosms comunes estn conformados por un par de bobinas fijas (bobinas de corriente), conectada en serie con el circuito y una bobina mvil (bobina potencial), conectada en paralelo y es la que lleva la aguja que indica la medicin de la energa elctrica.

En los laboratorios educativos se emplean otro tipo devatmetroque est conformado dos bobinas de tensin (bobina de presin) y una bobina actual.