Transformador (Trabajo Final)

Universidad Tecnológica de Panamá Facultad de Ingeniería Eléctrica

Ing. ElectromecánicaLab. De Conversión de energía

Prof. Ing. Matzel Montes

UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁSEDE REGIONAL DE PANAMÁ OESTE

FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

INFORME TÉCNICO DEL PROYECTO

TEMA:

TRANSFORMADOR MONOFÁSICO REAL

PRESENTADO A:

PROF: MATZEL MONTES

PREPARADO POR:ÁVILA, AMADA 8-842-670CERVERA, LUIS 8-835-1524

MORAN, ANDRES 8-847-106OSORIO, CESAR 2-726-1335

FECHA DE ENTREGA:

Jueves, 10 de noviembre de 2011

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INDICE

INTRODUCCION………………………………………………………………………………………….. 3

Objetivo General……………………………………………………………………………….….……..4

Objetivos específicos…………………………………………………………………………………….4

Métodos y Materiales……………………………………………………………………….………….5

I- Construcción del Transformador……………………………………………………………. 6 Carrete………………………………………………………………......................…..6 Núcleo……………………………………………………………………………..………….7 Alambre de cobre………………………………………………………………………..8 Embobinado primario y secundario…………………………………….…..… 8 Aislantes………………………………………………………………………….…………..9

II- Relación de vueltas entre el primario y el secundario…………………..……...10

III- Procedimiento para la obtención del calibre del embobinado……..……….11

IV- Polaridad del Tx……………………………………………………………..........................12 Polaridad sustractiva…………………………………………………………………12 Método utilizado y comprobación……………………………….………….…13

V- Circuito equivalente…………………………………………………………………..…………..14

VI- Regulación de Voltaje……………………………………………………………………………16

Conclusiones……………………………………………………………………………………………….19

Anexos………………………………………………………………………………………………………..20

Bibliografía…………………………………………………………………………………………………24

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INTRODUCCION

Un transformador es un dispositivo que cambia la potencia eléctrica alterna de un nivel de voltaje a potencia eléctrica alterna a otro nivel de voltaje mediante la acción de un campo magnético.

El principio de funcionamiento del transformador, se puede explicar por medio del llamado transformador ideal monofásico, es decir, una máquina que se alimenta por medio de una corriente alterna monofásica. A reserva de estudios con mayor detalle, la construcción del transformador, sustancialmente se puede decir que un transformador está constituido por un núcleo de material magnético que forma un circuito magnético cerrado, y cuyas columnas o piernas se localizan dos devanados, uno denominado “primario” que recibe la energía y el otro el secundario, que se cierra sobre un circuito al cual entrega la energía. Los dos devanados se encuentran eléctricamente asilado entre sí.

El voltaje en un generador eléctrico se induce, ya sea cuando una bobina se mueve a través de un campo magnético o bien cuando el campo producido en los polos en movimiento cortan una bobina estacionaria. En ambos casos, el flujo total es sustancialmente constante, pero hay un cambio en la cantidad de flujo que eslabona a la bobina. Este mismo principio es válido para el transformador, solo que en este caso las bobinas y el circuito magnético son estacionarios (no tienen movimiento), en tanto que el flujo magnético cambio continuamente.

El cambio en el flujo se puede obtener aplicando una corriente alterna en la bobina. La corriente, a través de la bobina, varía en magnitud con el tiempo, y por lo tanto, el flujo producido por esta corriente, varia también en magnitud con el tiempo.

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Objetivo General:

- Afianzar por medio de la experiencia práctica los conocimientos particulares de las características de funcionamiento de los transformadores monofásicos.

- Construir un Tx monofásico real describiendo la teoría de funcionamiento del mismo con sus características particulares y el modelo matemático aproximado.

Objetivos Específicos:

- Calcular la relación de espiras del transformador monofásico por medio de la relación de voltaje y corriente en el primario y en el secundario.

- Determinar correctamente la polaridad en el transformador.- Determinar los parámetros del ckt equivalente del transformador utilizando los

ensayos de corto circuito y circuito abierto.- Determinar la regulación de voltaje del transformador monofásico, sometiéndolo a

cargas variables- Determinar el rendimiento nominal del transformador- Especificar los valores nominales de las características del transformador.

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MATERIALES Y MÉTODOS

A continuación presentamos una lista de materiales utilizados para la construcción de un transformador monofásico:

Núcleo de silicio(forma de E e I) Papel prespan Papel aislante Alambre de cobre esmaltado(Nº20 y Nº18) Madera Carrete Tornillos Cautín Estaño Destornilladores

Método En la elaboración de este transformador monofásico lo primero que procedimos a realizar fue medir las dimensiones del núcleo de silicio que íbamos a utilizar, en base a esto procedimos a realizar el carrete con papel cartoncillo utilizando las respectivas medidas y lo reforzado con papel prespan (marquintei). Ya terminado este carrete procedimos a embobinar el lado primario del transformador en el cual utilizamos alambre de cobre esmaltado calibre Nº 18 y colocamos 284 vueltas, terminado este lado primario procedimos a aislar con papel prespan y papel especial. Luego procedimos a embobinar el lado secundario del transformador en el que utilizamos alambre calibre 20 en el que embobinamos 94 vueltas, terminando del embobinar procedimos nuevamente a aislar con papel prespan y papel especial. Ya bien aislado el lado primario y secundario procedimos a colocar en núcleo de silicio con sus respectivas E e I en orden. Terminado esto colocamos el transformador en la base de madera y con tornillos colocamos las conexiones del primario y del secundario.

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I- Construcción del Transformador

Carrete: A partir del núcleo obtuvimos las medidas para la construcción del carrete, este fue hecho de cartoncillo, pegado con goma caliente y reforzado con tape. A continuación presentamos los moldes utilizados para la construcción:

Columna:

Tapas: Se utilizaron dos, una para arriba y otra para la parte de abajo

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7.7 cm

9.5 cm

1.9 cm 1.9 cm

2.39 cm

2.39 cm




Carrete terminado:

Núcleo: El núcleo utilizado es de una aleación de hierro-silicio con el cual se consigue reducir las pérdidas en el núcleo, está formado por chapas en forma de letra de (I) y (E) intercaladas

Letra E Letra IA 11.4 cm 11.4 cmB 7.6 cm -----C 3.8 cm -----D 1.9 cm 1.9 cm

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Con todas las chapas ya intercaladas se obtiene el núcleo completo

Alambre de cobre: es un alambre recubierto con una base en resina poliéster Imida y sobrecapa poliamidemida conocida popularmente como Barniz Dieléctrico. Entre sus características están las siguientes: 200 grados centígrados de resistencia térmica, resistencia a las sobrecargas, maleabilidad ideal para embobinar, resistencia a la abrasión, rigidez dieléctrica en presencia de humedad, resiste el choque térmico, el flujo termoplástico y los solventes.

Las propiedades que presentaremos a continuación ( D, A, ρ) fueron obtenidas de internet, y son para alambre de cobre desnudo.

Embobinado primario:

- Longitud (l): 51.4 m- Diámetro: 1.024 mm- Área (A): 823.55x10-9 m2 - ρ= 1.71x10-8 Ω.m- Calibre: 18 (más adelante se explica cómo se obtiene el calibre)- Resistencia: R= ρl/A

R= 1.07 Ω

Embobinado Secundario:

- Longitud (l): 23.11 m

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4.72 cm

9.5 cm




- Diámetro: 0.8118 mm- Área (A): 517.59x10-9 m2 - ρ= 1.71x10-8 Ω.m- Calibre: 20 (más adelante se explica cómo se obtiene el calibre)- Resistencia: R= ρl/A

R= 0.763 Ω

Aislantes: Después de cada embobinado se le coloca cinta de enmascarar y luego papel aislante

En las soldaduras de los alambres a los cables utilizamos espaguetis termoencojibles para aislarlas

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Cinta de enmascarar

Papel aislante

Espaguetis




II- Relación de vueltas entre el primario y el secundario

La data encontrada en internet para realizar este procedimiento consiste en lo siguiente:- Con el voltaje de la carga y la corriente se saca la potencia en el devanado

secundario- Se obtiene el área transversal del núcleo sacando la raíz cuadrada de la potencia

obtenida en el punto anterior Área= (potencia)^1/2

- Existe una constante (42) que se utiliza en la construcción de Txs. Lo siguiente es dividir esta constante entre el área transversal y eso es igual al número de espiras # espiras/voltio = 42/Área transversal.

- Por ejemplo supongamos un área de 10 cm2, el resultado seria 4.2 vueltas por voltio. Así en el primario que sería de 120 V nos dará: #vueltas= 120x4.2=504 vueltas = Np. El mismo procedimiento para Ns.

Esta fue la data encontrada para tal procedimiento; ahora, en nuestro caso ya teníamos el área transversal del núcleo por lo tanto tuvimos que invertir el procedimiento. A continuación presentamos el procedimiento utilizado. (Lo mejor debe ser que a partir de las características de voltaje, corriente diseñáramos el núcleo.)

- Primero establecimos el voltaje de entrada(120 V) y el de salida(40 V)- Con el núcleo ya establecido, sacamos el área transversal A=17.94 cm2

lo sigue es obtener el valor de vueltas/voltios; N/V = 42/17.94 = 2.34 vueltas/ voltios.

- Np= 2.34 x 120 = 281 vueltas- Ns= 2.34 x 40 = 94 vueltas

La relación de vueltas a=Np/Ns nos da a= 2.98

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III- Procedimiento para obtener el calibre de cada embobinado

Como A=√ potencia

Entonces sacamos la Pmax =A2 = 17.942 = 321.84 W que es la máxima potencia a la que se puede llegar con este núcleo.

- El voltaje del primario seria 120 por lo tanto con la potencia y el voltaje sacamos la corriente. ip= P/V = 321.84/120 = 2.68 A y como se puede ver en la tabla AWG que presentamos en los anexos, se puede utilizar un calibre 18.

- En el embobinado secundario haciendo el mismo análisis, con una Vs = 40 V nos da un calibre de 14 el cual soporta la corriente de 8.04 A. Pero en el emboninado secundario utilizamos fue un calibre de 20, explicamos porque.

Como podemos observar el cálculo lo realizamos con la potencia máxima que se puede trabajar en el núcleo esto nos da para el primario calibre 18 y para el secundario calibre 14. Después que enrollamos el primario, nos percatamos q no había suficiente espacio para el embobinado secundario con un calibre 14. Como teníamos a mano un calibre más delgado (calibre 20) y vimos que la corriente que soportaba era de 2 A utilizamos ese calibre.

Lo recomendado fuera: obtener la corriente del secundario, este valor lo da la carga, ya con esta corriente podemos elegir el calibre y después sacar la potencia del secundario (esta potencia no puede ser mayor a la potencia del núcleo P= A2). Como esta potencia esta potencia debe ser igual a la del primario y con el voltaje del primario (120 V) sacamos la corriente y así obtenemos el calibre.

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IV- Polaridad Del Transformador Monofásico

La polaridad de un transformador puede ser de formas: Polaridad Aditiva Polaridad Sustractiva (utilizada para nuestro Tx)

Polaridad AditivaEsta polaridad aditiva en un transformador monofásico (que es el transformador utilizado para este proyecto), la obtenemos enrollando o embobinando tanto el devanado primario como el devanado secundario en el mismo sentido, puede ser en sentido a las manecillas del reloj o al contrario, pero las dos tienen que estar en el mismo sentido.Esto hace que los flujos de las dos bobinas giren en el mismo sentido y se sumen.

Esta figura representa la conexión de un transformador monofásico aditivo. La H1 tiene que estar diagonal con X1.

Polaridad Sustractiva:La polaridad sustractiva fue la polaridad que utilizamos para la realización de nuestro transformador monofásico.La polaridad sustractiva la desarrollamos de la siguiente manera.

En el devanado primario que es el lado de alto voltaje procedimos a embobinar 284 vueltas con alambre esmaltado Nº18 a favor de las manecillas del reloj.

En el devanado secundario que es el lado de bajo voltaje procedimos a embobinar 94vueltas con alambre Nº20 en contra a las manecillas del reloj, que es la contrario al lado de alto voltaje.

Esta forma de embobinar hace que los flujos de los bobinados giren en sentido opuesto y se resten.

Esta figura representa la forma de la conexión que obtuvimos en nuestro transformador, y la forma en que tiene que estar H1 con respecto a X1, al igual que H2 y X2.

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Método utilizado y comprobación

Para la polaridad de nuestro transformador, nos basamos en el método de polaridad sustractiva, anteriormente explicado.

En el laboratorio fuimos capaces de comprobar el método sustractivo y la polaridad nos dio exactamente igual a la vista en la figura

Lo que hicimos para comprobar esta polaridad fue lo siguiente:

Con una fuente variable de corriente directa colocamos el positivo en H1 y el negativo en H2. Luego con un multímetro análogo puesto en Vdc, colocamos la punta de prueba positiva en X2 y el común en H2 y al aumentar rápidamente la intensidad de la fuente, la punta de medición se movió hacia atrás al invertir las puntas de pruebas y repetir el proceso el multímetro nos midió adecuadamente comprobando la polaridad sustractiva.

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V- Procedimiento de la determinación de los parámetros para la obtención del

circuito equivalente

Primero que todo un circuito equivalente se refiere a la forma más simple de

un circuito que conserve todas las características eléctricas del circuito original, que es

más complejo. De esta forma, un circuito equivalente contiene elementos pasivos y

lineales. Sin embargo, también se usan circuitos equivalentes más complejos para

aproximar el comportamiento no lineal del circuito original. Estos circuitos complejos

reciben el nombre de macromodelos del circuito original

El procedimiento para la obtención de un circuito equivalente es sencillo siempre y

cuando contemos con un watímetro pero en nuestro caso no teníamos watímetro cuando

estábamos realizando las diferentes clases de pruebas en nuestro transformador sique lo

que procedimos hacer fue una prueba de circuito abierto donde dejamos el lado

secundario del transformador abierto y le suministramos voltaje, en esta parte de la

prueba tomamos varias mediciones las cuales son:

Primario Secundario

50 V 18.6V

30V 11.5V

En esta misma parte medimos una corriente de 0.02A para el voltaje de 30V como se

puede ver cuando no hay carga no se necesita mucha corriente y la potencia que

proporciona el trasformador es realmente baja. A todo esto es muy pero muy importante

hacer las pruebas ce corto circuito y de circuito abierto con fuentes variables de voltaje y

corriente, esto debido a que las pruebas son mucho más fácil y puede hacerse una gran

variación de datos, además la parte más importante de usar una fuente variable es que

cuando se está haciendo la prueba de corto circuito es recomendable hacerla como poco

voltaje ya que podemos dañar los embobinados si la corriente de corto circuito es muy

grande y de allí la gran ventaja de las fuentes variables ya que con esta podemos meter

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




un voltaje pequeño y tener una corriente de corto circuito no tan grande en nuestro caso

el voltaje con que fue diseñado fue de 120V y si usáramos este voltaje para esta prueba es

nos daría un alto riesgo de quemar las bobinas.

Siguiendo con el tema de la prueba de circuito abierto esta se realiza para obtener la

magnitud de la impedancia de excitación, pero aunque hicimos diferentes pruebas y

calculamos los voltajes y las corrientes en circuito abierto no podemos calcular el factor de

potencia esto debido a que la potencia no la podemos calcular de forma práctica solo

teoría al hacerlo de forma teórica el factor de potencia nos daría uno algo que no es

verdad (nos da uno porque potencia es IV y el factor de potencia el coseno inverso de la

potencia entre la IV sique esto nos da uno) la forma ideal era teniendo el watímetro o

también podíamos buscar el factor de potencia con un fasímetro, esto no quiere decir que

sea imposible también se puede tratar de buscar la inductancia con algún multímetro que

tenga esa función o haciendo algún tipo de circuito donde se pueda calcular la impedancia

con los análisis de circuito. En cuanto al corto circuito pudimos medir el voltaje y la

corriente en corto circuito, la corriente de corto circuito nos dio 0.48mA y el voltaje de

corto circuito 29.5V todo esto cuando aplicamos un voltaje de 30 voltios en el primario.

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VI- Procedimiento para la determinación de la regulación de voltaje del

transformador

La carga de los transformadores de potencia varían constantemente, ocurriendo la mayor

variación en los periodos de mayor actividad industrial y comercial, esto provoca que el

voltaje en los secundarios de los transformadores varían de acuerdo con la carga y el

factor de potencia, dependiendo si esta en atraso, en adelanto o si es la unidad. Ya que

todos los equipos eléctricos, electrónicos, motores, lámparas son muy sensibles a los

cambios de tensión que pudiesen causarles daños es muy importante tener una buena

regulación de voltaje, por lo que es muy importante conocer las características de los

elementos constructivos de transformadores y líneas de transmisión, además de su

comportamiento ante carga capacitiva, inductivas o resistiva.

El Coeficiente de Regulación de Voltaje o la Regulación de Voltaje (RV) es una cantidad

que compara el voltaje de salida sin carga (en Vacío) con el voltaje de salida a plena carga

y se define por la ecuación.

Ya establecido esto tenemos que tomar en cuenta que para hacer la regulación de voltaje

hay que tomar en cuenta la caída de voltaje de todos los elementos del circuito

equivalente de nuestro transformador por eso necesitamos sacar nuestro circuito

equivalente, cuando tenemos el circuito equivalente esto lo hacemos por medio de una

ecuación del diagrama fasorial de allí sacamos los voltajes para nuestra regulación de

voltaje. Como ya explicamos en la parte de circuitos equivalentes nos resulto muy difícil

sacar el factor de potencia esto es sumamente necesario porque la regulación de voltaje

depende del factor de potencia.

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Pero bueno no todo tiene que ser que no se puede hacer lo que hicimos para calcular

nuestra regulación de voltaje en nuestro transformador fue lo siguiente (hay que dejar en

claro que la forma correcta o más bien la forma más precisa de calcular la RV de voltaje de

un transformador es por medio fasorial porque se toma en cuenta el factor de potencia

del transformador y muy bien las caídas de voltaje) lo que se nos ocurrió hacer es una

regulación de voltaje con el voltaje de circuito abierto y con el voltaje de la mínima

resistencia que usamos en nuestra experimentación que ente caso vendría siendo la de

171.43Ω

RV=Vsc−VpcVsc

RV=44.6−44.244.6

Esto nos da una regulación de 0.9 hay que decir que en Vsc tomamos el voltaje de circuito

abierto el cual era 44.6V y para Vpc tomamos el voltaje de la resistencia de 171.43 que era

de 44.2V

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Prueba de cargas

Carga Resistiva

V(V) I(A) R(Ω)

44.5 36.9mA 1200

44.4 109mA 400

44.2 0.24 171.34

Carga capacitiva

V(V) I(A) Carga(Ω)

44.1 35mA 1200-j1205.64

44 105.5mA 400-j401.95

44 0.22 171.5-j171.24

Carga inductiva

V(V) I(A) Carga(Ω)

44 37.6mA 1200+j1206.4

43 111.4mA 400.5+j401.97

44 0.24 171.5+j172.34

Estas pruebas fueron hechas con los módulos que están en el laboratorio solo que las

cargas capacitivas e inductivas fueron transformadas a impedancias

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Conclusiones

1- Durante la experiencia se observó que el número de vueltas depende tanto del voltaje que se le quiera aplicar al devanado como también del área transversal del núcleo.

2- Se puede decir que los transformadores de potencia son de mucha ayuda para la sociedad ya que estás sirven para obtener el voltaje que se desea utilizar, ya sea para elevar o reducir el voltaje.

3- A falta de un carrete de plástico, utilizamos como segunda opción, cartoncillo el cual al final logro cumplir las expectativas en cuanto a su resistencia. Dichas medidas se obtuvieron en base al núcleo.

4- Entre cada embobinado utilizamos tape para aislar los devanados, también utilizamos una capa de papel aislante. Este papel aislante sirve para evitar toda humedad en los devanados y contacto entre ellos.

5- Como se esperaba, el alambre del embobinado primario obtuvo la resistencia más grande ya que es de mayor longitud.

6- El método para enrollar las bobinas primaria y secundaria, a favor de las manecillas y en contra de las manecillas de reloje respectivamente, hace que los flujos de los bobinados giren en sentido opuesto y se resten. Este método es conocido como polaridad sustractiva

7- La fuerza magneto motriz varia con la corriente ya que F= Ni y como la corriente es una corriente variable la F, pero en esto hay que tomar la Histéresis.

8- La regulación de voltaje de un transformador también se puede hacer por medio del voltaje sin carga y el voltaje de la mínima carga que va a funcionar el transformador.

9- El circuito equivalente de un transformador sirve para sacar la regulación de voltaje más aproximada a lo que va a pasar cuando está funcionando el transformador.

10- Para hacer un transformador se necesita o se debería saber para qu se va usar para hacer bien las especificaciones.

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Anexos

Tabla AWG

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Calibre Mils circulares Diámetro mm Amperaje

7 20,818 3.67 44.2

8 16,509 3.26 33.3

9 13,090 2.91 26.5

10 10,383 2.59 21.2

11 8,234 2.30 16.6

12 6,530 2.05 13.5

13 5,178 1.83 10.5

14 4,107 1.63 8.3

15 3,257 1.45 6.6

16 2,583 1.29 5.2

17 2,048 1.15 4.1

18 1.624 1.02 3.2

19 1.288 0.91 2.6

20 1,022 0.81 2.0

21 810.1 0.72 1.6

22 642.4 0.65 1.2

23 0.509 0.57 1.0

24 0.404 0.51 0.8

25 0.320 0.45 0.6

26 0.254 0.40 0.5

27 0.202 0.36 0.4

28 0.160 0.32 0.3

29 0.126 0.28 0.29

30 0.100 0.25 0.22




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Colocando las E e I

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Chapas De Silicio en forma de E e I




BIBLIOGRAFÍA

1- Máquinas eléctricas y transformadoras, Kosow.2- http://construyasuvideorockola.com/transformador.php 3- http://construyasuvideorockola.com/transformador_casero_01.php

~ 24 ~

http://construyasuvideorockola.com/transformador_casero_01.php

http://construyasuvideorockola.com/transformador.php

Documents

Transformador (Trabajo Final)