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Orientación Universidad
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Transformadores . laboratorio, Esquemas y mapas conceptuales de Máquinas Eléctricas

Máquinas eléctricas. Informe transformadores

Tipo: Esquemas y mapas conceptuales

2020/2021

Subido el 21/04/2021

larry-ev
larry-ev 🇵🇪

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BOBINADO DE TRANSFORMADORES
MONOFÁSICOS
Huaringa Damian Gonzalo, Zamora Giron Oscar, Carrasco Rodriguez Anthony, Porras Cavero Ruben, Muñoz Ulfe
Patrick, Espinoza Vidal Larry, Galindo Vizcarra Christian, Raymundo Pacheco Alejandro, Sacramento Atencio
Cristian
Facultad de Ingenieria Electrónica y Eléctrica-UNMSM
Resumen- En el presente informe desmontaremos un
transformador de radio FM/AM para entender mejor
su estructura y la función importante que cumple cada
componente de este con el fin de comprobar todo lo
aprendido de manera teórica. Veremos si las leyes que
se aplican en el funcionamiento de este transformador
arrojan los mismos valores en la práctica y en lo
teórico. Asimismo, sabremos la función de cada
componente y tomar mediciones para posteriormente
reemplazarlas en las diferentes ecuaciones. En el
desmontaje correspondiente extraeremos los aislantes,
conductores, las láminas (forma de E e I) y las bobinas
(tanto del primario como el secundario) para tomar
sus medidas, ver el material ferromagnético del cual
está compuesto, contar las vueltas de las bobinas y
analizar el cumplimiento de la relación que existe entre
estas vueltas del bobinado con el voltaje y la corriente.
Una vez realizado el correcto desembalaje, obteniendo
cada uno de sus componentes y analizado el
funcionamiento de este transformador, se procedió a
simular desde cero este transformador en el software
ANSYS Electronics Suite y ver su comportamiento, el
cual es similar al transformador antes de ser
desarmado.
I. INTRODUCCIÓN
Sabemos que la energía eléctrica se puede transportar tanto
como por medio de conductores y por el vacío, lo primero
ya lo tenemos claro, lo segundo será comprobado en este
informe, describiremos como es que esta energía eléctrica
se transporta por el vacío para luego operar y hallar sus
parámetros en el vacío. Veremos cómo es que la energía
no solo puede transferirse, sino que puede manipularse
como podemos observar en la figura 1. Observamos que
una bobina está conectada a una batería, la otra bobina está
conectada a un galvanómetro. Se acostumbra llamar
primario (entrada) a la bobina conectada a la fuente de
energía o “fuente de poder” y la otra bobina se le llama
secundario (salida). Tan pronto como se cierra el
interruptor del primario y pasa la corriente por su bobina,
también en el secundario se produce una corriente, aunque
no haya conexión material entre las dos bobinas. Sin
embargo, al usar una fuente de poder continua, por el
secundario sólo pasa un breve impulso de corriente, pero
en dirección contraria. Al cambiar la fuente de poder
continua por una alterna, obtendremos una inducción de
voltaje de manera constante en el secundario, obteniendo
así un tipo de dispositivo, el cual se le conoce con el
nombre de transformador. Los transformadores los
encontramos en aparatos de televisión para dar el alto
voltaje necesario para el cinescopio, en los convertidores
para conectar en un estéreo portátil, en los postes de
las líneas de transmisión eléctrica, para reducir el voltaje
proveniente de la compañía eléctrica.
Figura 1. Estructura interna de un transformador
II. OBJETIVOS:
Ver como se da el funcionamiento de un
transformador monofásico, tanto de manera
teórica como práctica.
Encontrar las medidas de un transformador
monofásico que encontramos en algún
equipo electrónico que mayormente usamos
en el día a día.
Efectuar los cálculos respectivos para los
bobinados, sea primario o secundario en un
transformador monofásico conforme a sus
características técnicas.
III. MATERIALES
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BOBINADO DE TRANSFORMADORES

MONOFÁSICOS

Huaringa Damian Gonzalo, Zamora Giron Oscar, Carrasco Rodriguez Anthony, Porras Cavero Ruben, Muñoz Ulfe

Patrick, Espinoza Vidal Larry, Galindo Vizcarra Christian, Raymundo Pacheco Alejandro, Sacramento Atencio

Cristian

Facultad de Ingenieria Electrónica y Eléctrica-UNMSM

Resumen - En el presente informe desmontaremos un transformador de radio FM/AM para entender mejor su estructura y la función importante que cumple cada componente de este con el fin de comprobar todo lo aprendido de manera teórica. Veremos si las leyes que se aplican en el funcionamiento de este transformador arrojan los mismos valores en la práctica y en lo teórico. Asimismo, sabremos la función de cada componente y tomar mediciones para posteriormente reemplazarlas en las diferentes ecuaciones. En el desmontaje correspondiente extraeremos los aislantes, conductores, las láminas (forma de E e I) y las bobinas (tanto del primario como el secundario) para tomar sus medidas, ver el material ferromagnético del cual está compuesto, contar las vueltas de las bobinas y analizar el cumplimiento de la relación que existe entre estas vueltas del bobinado con el voltaje y la corriente. Una vez realizado el correcto desembalaje, obteniendo cada uno de sus componentes y analizado el funcionamiento de este transformador, se procedió a simular desde cero este transformador en el software ANSYS Electronics Suite y ver su comportamiento, el cual es similar al transformador antes de ser desarmado. I. INTRODUCCIÓN Sabemos que la energía eléctrica se puede transportar tanto como por medio de conductores y por el vacío, lo primero ya lo tenemos claro, lo segundo será comprobado en este informe, describiremos como es que esta energía eléctrica se transporta por el vacío para luego operar y hallar sus parámetros en el vacío. Veremos cómo es que la energía no solo puede transferirse, sino que puede manipularse como podemos observar en la figura 1. Observamos que una bobina está conectada a una batería, la otra bobina está conectada a un galvanómetro. Se acostumbra llamar primario (entrada) a la bobina conectada a la fuente de energía o “fuente de poder” y la otra bobina se le llama secundario (salida). Tan pronto como se cierra el interruptor del primario y pasa la corriente por su bobina, también en el secundario se produce una corriente, aunque no haya conexión material entre las dos bobinas. Sin embargo, al usar una fuente de poder continua, por el secundario sólo pasa un breve impulso de corriente, pero en dirección contraria. Al cambiar la fuente de poder continua por una alterna, obtendremos una inducción de voltaje de manera constante en el secundario, obteniendo así un tipo de dispositivo, el cual se le conoce con el nombre de transformador. Los transformadores los encontramos en aparatos de televisión para dar el alto voltaje necesario para el cinescopio, en los convertidores para conectar en un estéreo portátil, en los postes de las líneas de transmisión eléctrica, para reducir el voltaje proveniente de la compañía eléctrica.

Figura 1. Estructura interna de un transformador

II. OBJETIVOS:

 Ver como se da el funcionamiento de un

transformador monofásico, tanto de manera

teórica como práctica.

 Encontrar las medidas de un transformador

monofásico que encontramos en algún

equipo electrónico que mayormente usamos

en el día a día.

 Efectuar los cálculos respectivos para los

bobinados, sea primario o secundario en un

transformador monofásico conforme a sus

características técnicas.

III. MATERIALES

Figura 2: Transformador de radio

Figura 3: Regla de 20 cm

Figura 4: Cuchilla o cuter

Figura 5: Desarmador

IV. PROCEDIMIENTO

El procedimiento en esta laboratorio está compuesto

del desmontaje de un transformador donde podremos

analizar cada uno de sus elementos, observando el

funcionamiento de este transformador monofásico

junto a su correspondiente aplicación y todas las

leyes que participan en este proceso. Para que al final

podamos determinar medidas específicas del

transformador, y la realización de sus

correspondientes pruebas.

Figura 6: Piezas desmontadas del transformador

Figura 7: Piezas en forma de E desmontadas del

transformador

Figura 8: Piezas en forma de E desmontadas del

transformador

Figura 9: Parte del plástico que contenía los

bobinados

PROCEDIMIENTO PRACTICO

P S = π d 2 4 → d =√ 4 S / π → =√ 4 (0.04)/ π =0.2256 mm Cuyo #de calibre es: AWG= Cálculo de la sección del conductor del secundario S 2 = I (^) 2 D =

3 =0.70 mm 2 Hallando su diámetro: d =√ 4 S / π → d =√ 4 (0.70) / π =0.9440 mm Y corresponde a un #de calibre: AWG= Clasificación Tabla AWG (Calibre de alambre estadounidense) Algunas aplicaciones donde podemos observar el transformador:

  • En los postes para suministrar red eléctrica

Figura

Postes para suministrar red eléctrica

•En los cargadores de celular, laptop y electrodomésticos

Figura 13 Cargadores de celular

V. RESULTADOS Y CUESTIONARIO

1.Explique el funcionamiento del transformador. El principio del funcionamiento del transformador se puede explicar por medio del conocido “Transformador Ideal Monofásico”, que no es más que una máquina que se alimenta por medio de una corriente alterna monofásica. Los transformadores trabajan gracias a un principio físico llamado “Principio de Inducción Electromagnética”, la cual hace que cuando una corriente atraviesa un alambre se cree un campo magnético alrededor de dicho alambre, y de la misma manera, si un alambre está en un campo magnético que está cambiando constantemente, fluirá una corriente por dicho alambre. Un transformador está constituido: por un núcleo de material magnético que forma un circuito magnético cerrado, y sobre sus columnas se localizan dos devanados, uno denominado “primario” que recibe la energía y el otro el “secundario” que se cierra sobre un circuito de utilización al cual entrega la energía. Los dos devanados se encuentran eléctricamente asilado entre sí. La relación de transformación indica el aumento ó decremento que sufre el valor de la tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, es decir, por cada volt de entrada cuántos volts hay en la salida del transformador. La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns). La razón de la transformación (m) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los números 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 tensión. En un transformador, un conductor lleva corriente a un lado creando un campo magnético, que a cambio produce una corriente en el conductor al otro lado del transformador, y una segunda corriente fluye fuera del transformador. Como se observa en la imagen, los alambres (conductores) en un transformador están envueltos en una bobina alrededor de un núcleo el cual se enrolla en varias espiras (vueltas). Los transformadores sólo trabajan con circuitos de CA (Corriente alterna), debido a que la corriente alterna (CA) en el alambre "entrante" cambia constantemente, y el campo magnético creado también cambia. El campo magnético cambiante es lo que fuerza el flujo de corriente en la bobina de "salida “. Los transformadores son dispositivos pasivos que no aportan energía, y en su mayoría funcionan con alta eficacia, transmitiendo cerca del 99% de la energía que reciben, con solo una perdida cerca al 1% de la energía se pierde, entre otras, en el calentamiento del transformador. Como calcular el peso del conductor

enunciado del fenómeno que se ha dado en llamar ley de Lenz: La fem inducida produce una corriente que actúa siempre oponiéndose al cambio que la causó originalmente." EL TRANSFORMADOR IDEAL

Figura 15 Transformador ideal

SIMULACIÓN

A. ANSYS Maxwell.

ANSYS es un software comercial de simulación de

campo electromagnético para los ingenieros

encargados de diseñar y analizar los dispositivos

electromagnéticos y electromecánicos en 2-D y 3-D,

estos incluyen motores, actuadores, sensores, bobinas

y transformadores. ANSYS Maxwell utiliza el

método de elementos finitos para resolver problemas

estáticos, dominio de la frecuencia y los campos

electromagnéticos y eléctricos variables en el tiempo.

Un beneficio clave de este software es su proceso de

solución automatizada, por la cual el usuario solo

tendrá que especificar la geometría, las propiedades

del material y la salida deseada. En función de estos

parámetros el propio programa se encarga de generar

la malla más adecuada para la solución de nuestro

problema. Este proceso de mallado adaptativo

automático elimina lacomplejidad del proceso de

análisis y permite beneficiarse de un flujo altamente

eficiente de diseño fácil de usar.

B. Análisis del problema en ANSYS Maxwell.

Para el análisis de nuestro problema en ANSYS

Maxwell no hay que introducir ninguna ecuación, el

software ya las lleva internamente. Pero ANSYS

Maxwell solo nos calcula las inductancias propias y

la inductancia mutua

C. Diseño de la geometría y limites del problema.

El software de ANSYS Maxwell nos permite

introducir la geometría como si fuese un software de

diseño. Lo que facilita mucho el problema de

describirla. Primero diseñamos el núcleo y las

bobinas de manera normal, utilizando las medidas

que nos proporcionan él, sobre el núcleo y el hilo de

litz, teniendo en cuenta que las bobinas están

separadas 2mm del núcleo.

Una vez hecho esto elegimos una pestaña que se

llama "create region" e introducimos los límites de

nuestro problema un prisma de 60mmx 90mm x 27

mm. Esta pestaña le dice al programa donde tienen

que aplicarse las condiciones de contorno.

Figura 16. Prueba de vacío

Figura 17. Prueba de vacío

ANSYS realiza un auto mallado en función de los

parámetros que queramos calcular y el tanto por

ciento de error que podemos tener. Según lo elegido

nuestra malla quedaría como mostramos a

continuación

Figura 18. Mallado del nucleo

Figura 19. Mallado de la capa envolvente

D. Definición de los parámetros del problema.

Primero describiremos cómo se agrega una

excitación a la bobina. Una vez que ya hemos

diseñado nuestras bobinas, lo que necesitaremos para

definir nuestro parámetro será concretar una

superficie que corte transversalmente a cada una de

nuestras bobinas, de manera que la superficie

describa uno de los planos de propagación en la

bobina.

Esto se hace de la siguiente manera. Pulsamos

"Maxwell 3D > Excitations > Assign > Coil Terminal

y nos saldrá la ventana que muestra la continuación:

Figura 20. Definición de parámetros

En este cuadro de diálogo asignamos un nombre a

nuestro terminal. Para ello, introducimos el valor de

la intensidad que pasa por nuestra superficie. En

segundo lugar, elegimos si nuestro hilo es un sólido

compacto o está formado por varios hilos más

pequeños y, por último, elegimos la dirección de la

intensidad (ANSYS asigna una dirección

automáticamente, si no es la que tenemos en nuestro

problema pulsamos el botón "Swap Direction").

Una vez hecho esto, debe quedar definida como se

muestra a continuación:

Figura 21. Definición de parámetros

Para la definición de la permeabilidad lo único que

tendremos que hacer será elegir el material de cada

volumen y ANSYS le asignará la permeabilidad que

le corresponda. Para ello, pulsamos el segundo botón

del ratón en el nombre del volumen que queramos

asignar un material y pulsamos "Assign Material". Si

realizamos esto se nos abrirá un cuadro de diálogo

donde podemos elegir el material pulsando encima de

él y dándole a "Aceptar".

En el caso de que no se encuentre el material de

nuestro problema, tendremos que añadirlo

manualmente. Para hacer esto, pulsamos "Add

Material" e introducimos el nombre del material, su

permeabilidad relativa y su conductancia por metro

(la conductancia es la inversa de la resistencia

eléctrica).

Figura 22. Introducción del material