Proyecto Sobre Un Transformador Monofásico 3x4k4e

ELECTRONICA INDUSTRIAL

PROYECTO DE TRANSFORMADOR

YESMAN MENDOZA CCORPUNA

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Una máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir el voltaje o tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, esto es, sin pérdidas, es igual a la que se obtiene a la salida esto es el transformador. Cuando Faraday experimento con los campos magnéticos nunca pensó que daría los primero pasos para la invención de una maquina eléctrica tan importante en nuestras vida, ya que, lo encontramos en la mayoría de los elementos eléctrico y electrónicos que usamos en nuestra vida cotidiana. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.



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         

Alambre esmaltado de 0,35mm para el primario (150 gr). Alambre esmaltado de 1mm para el secundario (180 gr). Núcleo acorazado de laminación 112 (66 chapas). Carrete plástico. Aislante de Mylar (0,10mm). Espaguetis para alambres de 1mm. Tornillos, tuercas y arandelas para prensar. Cable 1,5mm, x3m. Ficha macho 10A, 220V. Grampa.

Borneras:    

Estaño para soldar. Soporte de madera. Cinta aisladora. (Tanto el alambre como las chapas se adquieren por peso, y el Mylar en planchas de 64cm de ancho por el largo deseado.)

Herramientas:         

Pinza pelacables, alicate, destornilladores. Trinchete. Tijeras. Regla. Soldador de estaño. Multímetro digital TOBAX M890G. Multímetro digital MASTECH. Cámara fotográfica digital Canon Calculadora científica



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Objetivo general 

Comprender el principio del transformador Calcular y armar un transformador reductor de 220 Vca a 100 Vca y 100 (W).



Observar cómo la relación de vueltas entre las dos bobinas determina la relación entre la tensión en cada una.



Determinar la influencia que produce el campo eléctrico en las pruebas de aislamiento de los transformadores de corriente.

Objetivos específicos 

Investigar normas internacionales relacionadas con los parámetros aceptables en las pruebas de aislamiento.



Indagar sobre la existencia de estudios relacionados con el tema.



Realizar pruebas de aislamiento tanto en el campo como en el laboratorio para determinar la diferencia de error existente entre ambos.



Elaborar un manual con el procedimiento a seguir en las pruebas de campo.



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Precio

CANTIDAD Alambre de cobre 22kg N° 26m

S/. 15.00

Alambre de cobre 20 kg N° 21m

S/. 14.00

Carrete plástico

S/. 5.00

Núcleo acorazado de laminación 112 (66 chapas).

S/. 17.00

Aislante de Mylar (0,10mm).

S/. 4.00

Tornillos, tuercas y arandelas para prensar

S/. 3.00

Cable 1,5mm, x 3m.

S/. 5.00

PRESUPUESTO TOTAL

S/. 63.00



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 El alambre de cobre multiusos: Está recubierto con una base en resina poliéster Imida y sobre capa poliamidemida conocida popularmente como Barniz Dieléctrico. Existen dos tipos de recubrimiento HS (Capa sencilla) y HD (Capa doble). Los alambres magneto pueden ser redondos, cuadrados o rectangulares. Características básicas: 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. Este alambre es usado en la fabricación de generadores, alternadores, bobinas, motores eléctricos, balastos, lámparas de mercurio, transformadores de potencia, etc. Para conseguir fácilmente el alambre, se puede recurrir a los depósitos de chatarra o segundas, donde se consigue reciclado. El alambre no debe estar ni pelado, ni quemado, ni partido, o a punto de partirse.  Chapas de hierro silicio: Las chapas o láminas de hierro silicio o hierro dulce, vienen con formas de letras (I) y (E) que intercaladas, forman el núcleo del transformador. Estas vienen en grano orientado (de más gauss) o grano no orientado (chapa común). Este material es ideal para evitar las pérdidas por Histéresis magnética y tienen la capacidad de emanarse y desimanarse rápida. PROYECTO DE TRANSFORMADOR


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Dibujo de las chapas para el núcleo del transformador

 Tabla de núcleo de formaletas Medida del área del núcleo en centímetros. Compare el área del núcleo con el más cercano en la tabla, use esta o el área inmediatamente más grande a la que necesita y con el número de vueltas por voltio, calcule las vueltas de alambre del devanado primario y secundario.



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 Papel parafinado: Cuando construimos un transformador, la energía se transmite del devanado primario al secundario, a pesar de que estos, no se tocan, pues si se llegaran a tocar, habría corto circuito. El papel parafinado de calibre grueso, se usa para aislar los devanados o rollos de alambre entre sí. Este papel, como su nombre lo dice, tiene un baño de parafina, que lo hace flexible y dúctil. Además lo aísla de la humedad y le da una resistencia al calor, evitando que se cristalice. En caso de no conseguir el papel parafinado, se puede usar papel pergamino o mantequilla grueso, aunque su durabilidad no es la misma.

 Formaletas: La Formaleta es un carrete cuadrado que se usa como soporte para enrollar el alambre y evitar que se disperse, ayudando al buen encajamiento del alambre. Al momento de fabricar un transformador se debe tener en cuenta que la formaleta y las chapas están directamente ligadas, ya que el ancho del centro de las chapas, determina el ancho de la formaleta, y la cantidad de chapas, determinan el largo de la formaleta. Por esta razón es importante, al momento de calcular el área del núcleo del transformador, buscar o construir una formaleta que nos aproxime a esta área y coincida con las chapas que tengamos a la mano. Las Formaletas se consiguen en plástico, cartón y fibra de vidrio (para los transformadores de gran tamaño).



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El transformador: Es un dispositivo que se encarga de "transformar" el voltaje de corriente alterna que tiene a su entrada en otro de diferente amplitud, que entrega a su salida. Se compone de un núcleo de hierro sobre el cual se han arrollado varias espiras (vueltas) de alambre conductor. Este conjunto de vueltas se llaman bobinas y se denominan: • Bobina primaria o "primario" a aquella que recibe el voltaje de entrada y • Bobina secundaria o "secundario" a aquella que entrega el voltaje transformado. La bobina primaria recibe un voltaje alterno que hará circular, por ella, una corriente

Alterna. Esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro. Como el bobinado secundario está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético circulará a través de las espiras de éste. Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del "Secundario", se generará por el alambre del secundario un voltaje (ley de Faraday). En este bobinado secundario PROYECTO DE TRANSFORMADOR


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ELECTRONICA INDUSTRIAL habría una corriente si hay una carga conectada (por ejemplo a una resistencia, una bombilla, un motor, etc.) La relación de transformación del voltaje entre el bobinado "Primario" y el "Secundario" depende del número de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de voltaje. La fórmula que relaciona voltajes con número de vueltas es: El transformador es un aparato que de una corriente alterna de determinada tensión, Permite obtener otra corriente alterna de distinta tensión. En esencia consiste en un núcleo de hierro en el que por una parte se hace un arrollamiento con el alambre por el cual circula la corriente alterna cuya tensión se quiere transformar (primario), y por otra se hace otro arrollamiento, de donde se obtendrá la corriente alterna a la tensión deseada (secundario). El núcleo de hierro constituye un circuito magnético, por el cual las variaciones de flujo se realizan con facilidad. En los sistemas de transmisión de energía eléctrica desde la planta generadora hasta el Consumidor, se desea la corriente mínima práctica (por tanto la diferencia de potencial máxima práctica) de tal modo que la disipación i2R en la línea de transmisión sea la mínima posible, permitiendo así también reducir las secciones de los conductores y en consecuencia su costo. Esto se logra elevando la tensión mediante un transformador elevador. En muchos electrodomésticos los transformadores juegan un papel importante, reduciendo la tensión de la línea a valores manejables por sus componentes y aportando a la seguridad del . Operando sobre la base de la ley de inducción de Faraday, el transformador no tiene un Equivalente en corriente continua.

Principios fundamentales: Se muestra dos bobinas devanadas alrededor de un núcleo de hierro. El devanado primario de Np vueltas, está conectado a un generador de corriente alterna cuya fem está dada por E=Em sen t. El devanado secundario de Ns vueltas, es un circuito abierto en tanto esté abierto el interruptor S, lo cual se supone por el momento. Entonces no existe corriente en el devanado secundario. Despreciamos también los elementos de disipación como la resistencia de ambos devanados.



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Según las condiciones anteriores el devanado es una inductancia pura. La corriente en el Primario (corriente magnetizaste, muy pequeña) imag(t), se atrasa respecto a la diferencia de potencial del primario p(t) en 90º. Sin embargo la pequeña corriente alterna en el primario induce un flujo magnético Alternado (t) en el núcleo del hierro, y suponemos que este flujo eslabona las vueltas de los devanados del secundario. Por la ley de inducción de Faraday sabemos que la variación de flujo Produce en el secundario una tensión inducida

Donde El Término

Es La fem por Vuelta,Y Es La Misma Para AmbosDevanados,

Porque los flujos en cada uno son iguales. Invirtiendo los roles, de manera que el secundario pase a ser el primario, obtenemos que



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ELECTRONICA INDUSTRIAL p

La tensión inducida en el primario

(t) y es:

Dividimos ambas expresiones buscando una relación entre ambas tensiones:

Quedando la siguiente expresión llamada relación de transformación, donde Vs y Vp se Refieren a valores eficaces:

Nota: Puesto que 1 y 2 oscilan ambos con la misma frecuencia que la fuente de c.a. la Ecuación da el cociente de las amplitudes o de los valores eficaces de las fems inducidas. Si Ns > Np nos referimos a un transformador elevador, si Np > Ns nos referimos a un Transformador reductor, el cual es el caso de este experimento.



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a).Elección del núcleo: Podemos usar tanto el tipo de núcleo “ F ” como el tipo “ E e I ”. Ver figura:

b). Potencia del Transformador: La potencia del transformador depende de la carga conectada a la misma. Esta potencia está dada por el producto de la tensión secundaria y la corriente secundaria Es decir: Potencia útil = tensión secundaria x corriente secundaria

c). Determinación de la sección del núcleo: La sección del núcleo del transformador está determinada por la potencia útil conectada a la carga. Esta sección se calcula mediante la siguiente fórmula: Sección = 1,1 x


P


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ELECTRONICA INDUSTRIAL Dónde: S: es la sección del núcleo en cm². P: es la potencia útil en Watts. Nota del Autor: Esta expresión empírica ha sido obtenida de la práctica. La sección del núcleo está dada por el producto de los lados “A x B”, ver figura:

S=AXB Dónde: A: es uno de los lados en cm. B: es el otro lado en cm.

d). Determinación del Número de Espiras para cada bobinado: Para la determinación del número de espiras se utiliza la siguiente expresión: N=V/ (f x S x B x 4,4 x 10-8) Para el bobinado primario tenemos:

N1 = V1 / (f x S x B x 4,4 x 10–8) Para el bobinado secundario tenemos: N2 = V2 / (f x S x B x 4,4 x 10–8) Donde: N1: es el número de espiras del bobinado primario. Donde: N2: es el número de espiras del bobinado secundario. PROYECTO DE TRANSFORMADOR


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F: es la frecuencia de la red domiciliaria en Hertz (Hz). V1: es la tensión en el bobinado primario en Voltios (V). V2: es la tensión en el bobinado secundario en Voltios (V). B: Es la inducción magnética en el núcleo elegido en Gauss. Este valor puede variar entre 4.000 y 12 000 Gauss. S: es la sección del núcleo en cm².

10–8: Es una constante para que todas las variables estén en el Sistema M.K.S. La inducción magnética en Gauss está dada por la siguiente expresión B=µxH Donde: B: es la inducción magnética en el núcleo elegido en Weber/m2. µ: es la permeabilidad del acero usado en el núcleo en Weber/A x m. H: es la intensidad del campo magnético en A/m (Amper/metro).

Nota del Autor: Se sugiere utilizar en forma práctica un valor de inducción magnética de:

B=10.000 Gauss

e) Tipo de alambre para el bobinado: La sección de los alambres que se usarán depende directamente de la intensidad de la corriente eléctrica que circula por ella (alambre).



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ELECTRONICA INDUSTRIAL Los alambres usados pueden ser: aluminio ó cobre recocido. Se usa más el cobre que el aluminio por ser este mucho más dúctil, maleable y flexible. El cobre recocido posee sobre su superficie un barniz aislante.

f). Determinación de las corrientes para cada bobinado: Teniendo en cuenta la potencia del transformador y la tensión aplicada podemos hallar la corriente eléctrica. Potencia eléctrica = Tensión aplicada x Corriente eléctrica Despejando la corriente eléctrica de la expresión anterior tenemos que: Corriente = Potencia / Tensión Suponiendo que nuestro transformador posee únicamente dos bobinados. Para el bobinado primario tenemos: I1 =P/V1 Donde: I1: es la corriente eléctrica del bobinado primario. P: es la potencia eléctrica del transformador. V1: es la tensión aplicada en el bobinado primario. Para el bobinado secundario tenemos: I2 =P/V2 Donde: I2: es la corriente eléctrica del bobinado secundario. P: es la potencia eléctrica del transformador. V2: es la tensión aplicada en el bobinado secundario. Nota del Autor: para lo anterior consideramos un transformador ideal (no posee pérdidas) por lo que la potencia en el primario es idéntica en el secundario.

g). Densidad de Corriente eléctrica: Definimos densidad de corriente eléctrica como la corriente eléctrica que atraviesa un conductor por unidad de superficie. PROYECTO DE TRANSFORMADOR


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ELECTRONICA INDUSTRIAL D = I/S Donde: D: es la densidad de corriente eléctrica. I: es la corriente eléctrica que circula por un conductor. S: es la sección transversal del conductor.

h). Determinación de la sección transversal del conductor para cada bobinado: Despejando la sección de la expresión anterior tenemos que: S = I/ D Para la sección del bobinado primario tenemos que: S1 =I1 /D Para la sección del bobinado secundario tenemos que: S2 = I2 /D La densidad de corriente se obtiene de la siguiente tabla: Densidad (A/mm2)

Corriente (Amper) 0.005

2.5

0.007-319

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Observando la tabla anterior vemos que a medida que aumenta la corriente eléctrica aumenta también la densidad de corriente eléctrica. El valor de Densidad se obtiene haciendo el cociente entre la Capacidad máxima de corriente del alambre y la sección del mismo.



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 Disponemos el carrete sobre un eje montado sobre un rodamiento cuyo eje es sujeto por una morsa. Al eje se le añade una manivela de modo de felicitar el bobinado.  En uno de los huecos que posee el carrete para tal efecto, se sujeta un extremo del alambre que será uno de los bornes del arrollamiento primario. Luego se comienza a bobinar disponiendo las espiras yuxtapuestas cuidando de no dejar espacio entre las mismas y arrollando en forma prolija.

 Una vez finalizada la primera capa se dispone sobre la misma una cinta aislante de Mylar, alternando a cada lado del carrete el extremo en donde se une la cinta de forma que el espesor del bobinado resultante sea uniforme a cada lado del carrete. Hecho esto sobre la misma se continúa bobinando.



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ELECTRONICA INDUSTRIAL  Se repite el procedimiento como tantas capas tenga el primario hasta lograr el número de espiras requeridas. Una vez alcanzado ese número se dispone fuera del carrete el extremo que representará el segundo borne del primario, y se cubre esa última capa nuevamente con una cinta aislante de Mylar. Siguiendo el mismo procedimiento planteado se realiza el bobinado del secundario, teniendo en cuenta que a mitad del número de espiras total del secundario se dispone de un borne adicional y luego se continúa bobinando.

 Una vez finalizados los arrollamientos se aísla el conjunto con una nueva cinta de Mylar y se recubren los terminales con espaguetis. Dicho esto se completa el bobinado en sí del transformador y se procede ahora a montar sobre el carrete el núcleo laminado.



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ELECTRONICA INDUSTRIAL  El núcleo está constituido por varias láminas compuestas por dos piezas de hierro al silicio, una en forma de E y otra en forma de I las cuales se van introduciendo de manera alternada

en el carrete

con el objetivo de lograr que el conjunto una vez prensado sea más estable.

 Una vez colocadas todas las chapas se prensa el conjunto con 4 tornillos. Ahora el transformador en sí está terminado, sólo resta montarlo sobre una base y agregarle terminales que facilitarán la conexión a la red y a la carga.



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Transformador Concluido:



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Las pérdidas de potencia en el transformador se deben a dos tipos de pérdidas principales:

1) Pérdidas en el cobre Las pérdidas en el cobre son provocadas por el paso de la corriente por la resistencia propia de los conductores en el devanado. Debido a que para un conductor la resistencia está dada por: R= .(l/s), donde l es la longitud, s es la sección, y es la resistividad del material. En un transformador, l resulta ser grande al tener gran cantidad de espiras, y s generalmente es pequeño, por lo que R se ve incrementada.

a) Determinación de pérdidas en el Cobre: En este caso es necesario otro ensayo de laboratorio llamado Ensayo de cortocircuito . Este se lleva a cabo mediante la medición de la potencia efectiva consumida por el transformador, intercalando un vatímetro en la alimentación al primario del mismo, mientras que el arrollamiento secundario se encuentra en cortocircuito. Para este ensayo, se alimenta al transformador con una tensión reducida en bornes del 1rio (tensión de cortocircuito en gral. denominada Uk, menor a la tensión nominal de alimentación) de modo que la corriente circulante por el secundario sea la corriente nominal bajo carga. Además se debe tener en cuenta la temperatura a la que están sometidos los devanados puesto que esta modifica (eleva) la resistencia eléctrica de los mismos. La potencia leída en el instrumento (vatímetro) corresponderá a la potencia perdida en el cobre, si consideramos que puesto que en cortocircuito la corriente es la nominal, y se alimenta al transformador con una tensión reducida, de modo que las pérdidas en el hierro son despreciables frente a las perdidas en el cobre, (las perdidas en el hierro dependen de la tensión al cuadrado).



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2) Pérdidas en el hierro a. Pérdidas por histéresis La histéresis es la tendencia de un material a conservar una de sus propiedades, en ausencia del estímulo que la ha generado. En electrotecnia se define la histéresis magnética como el retraso de la inducción respecto al campo que lo crea. Se produce histéresis al someter al núcleo a un campo creciente, los imanes elementales giran para orientarse según el sentido del campo. Al decrecer el campo, la mayoría de los imanes elementales recobran su posición inicial, sin embargo, otros no llegan a alcanzarla debido a los rozamientos moleculares conservando en mayor o menor grado parte de su orientación forzada, haciendo que persista un magnetismo remanente que obligue a cierto retraso de la inducción respecto de la intensidad de campo.

3) Determinación de pérdidas en el Cobre: En este caso es necesario otro ensayo de laboratorio llamado Ensayo de cortocircuito . Este se lleva a cabo mediante la medición de la potencia efectiva consumida por el transformador, intercalando un vatímetro en la alimentación al primario del mismo, mientras que el arrollamiento secundario se encuentra en cortocircuito. Para este ensayo, se alimenta al transformador con una tensión reducida en bornes del 1rio (tensión de cortocircuito en gral. denominada Uk, menor a la tensión nominal de alimentación) de modo que la corriente circulante por el secundario sea la corriente nominal bajo carga. Además se debe tener en cuenta la temperatura a la que están sometidos los devanados puesto que esta modifica (eleva) la resistencia eléctrica de los mismos. La potencia leída en el instrumento (vatímetro) corresponderá a la potencia perdida en el cobre, si consideramos que puesto que en cortocircuito la corriente es la nominal, y se alimenta al transformador con una tensión reducida, de modo que las pérdidas en el hierro son despreciables frente a las perdidas en el cobre, (las perdidas en el hierro dependen de la tensión al cuadrado).



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 Es un dispositivo eléctrico a base de dos bobinas que comparten electrones por medio de inductancia ósea que la bobina electrizada induce los electrones de la segunda bobina a que fulla la corriente.  El transformador, es un dispositivo que no tiene partes móviles, el cual transfiere la energía eléctrica de un circuito u otro bajo el principio de inducción electromagnética. La transferencia de energía la hace por lo general con cambios en los valores de voltajes y corrientes.

 Un transformador elevador recibe la potencia eléctrica a un valor de voltaje y la entrega a un valor más elevado, en tanto que un transformador reductor recibe la potencia a un valor alto de voltaje y la entrega a un valor bajo.  La invención del transformador, data del año de 1884 para ser aplicado en los sistemas de transmisión que en esa época eran de corriente directa y presentaban limitaciones técnicas y económicas. El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribución de la energía eléctrica que usaba transformadores, se puso en operación en los Estados Unidos de América. En el año de 1886 en Great Barington, Mass., en ese mismo año, al protección eléctrica se transmitió a 2000 volts en corriente alterna a una distancia de 30 kilómetros, en una línea construida en Cerchi, Italia. A partir de estas pequeñas aplicaciones iniciales, la industria eléctrica en el mundo, ha recorrido en tal forma, que en la actualidad es factor de desarrollo de los pueblos, formando parte importante en esta industria el transformador.

1.  Los transformadores se ha podido resolver una gran cantidad de problemas eléctricos, en los cuales si no fueran por estos, sería imposible resolver . Se conoció una ciencia fundamental en la construcción de transformadores, las cuales depende de la forma del núcleo el sistema de de enfriamiento, o bien en términos de su potencia y voltaje para apliciones, como por ejemplo clasificar en transformadores de potencia a tipo distribución. Se conoce que la razón de transformación del voltaje entre en bobinado primario y el secundario depende del número de vueltas que tenga cada uno.



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 Que el personal involucrado en la operación del generador eléctrico, conozca adicionalmente la importancia que este equipo representa para la seguridad y confiabilidad del Sistema Eléctrico de Potencia.  Que los alumnos confirmen que lo visto en las clases es la base para el entendimiento de lo que se realiza en la vida laboral. Que traten de aprender lo más que se pueda, ya que todo ello les será posteriormente de mucha utilidad.



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Proyecto Sobre Un Transformador Monofásico 3x4k4e

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