Tema conferencia: Educación y sistemas de Información Tipo: Resumen extendido

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1 DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE BOBINA TESLA CON TENSIÓN DE OPERACIÓN PICO DE 280kV F. PINILLA, V. PINILLA Tutor del proyecto: S. P. LONDOÑO Universidad Distrital Francisco José de Caldas [Facultad Tecnológica] Bogotá Colombia Tema conferencia: Educación y sistemas de Información Tipo: Resumen extendido Resumen Este artículo presenta el diseño de un prototipo de bobina Tesla con el cual se pretende representar el fenómeno electromagnético, las manifestaciones de la existencia del campo eléctrico y magnético que se presentan en forma de arcos eléctricos. El componente tecnológico de este diseño abarca aplicaciones de conceptos fundamentales de la física, en concordancia con las tensiones que intervienen y las corrientes obtenidas. Se usó Pspice para las simulaciones eléctricas de cada una de las partes de la bobina y para el circuito en su totalidad; otra herramienta utilizada en la simulación es el Comsol basado en el método de elementos finitos con el que se obtienen resultados del comportamiento magnético de la bobina. El trabajo se ha presentado como trabajo de grado para optar al título de Tecnólogo en Electricidad de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. 1. Introducción La bobina de Tesla es un generador electromagnético que produce descargas de alta tensión de elevadas frecuencias con efectos observables, como manifestación de la existencia de campo eléctrico y magnético este experimento ha evolucionado, pero debe mencionarse que a partir de su creación aún se estudian las aplicaciones de los resultados obtenidos en diferentes campos de la ciencias y de la vida cotidiana, lo que convierte este experimento en hito de la historia. El componente educativo de la construcción del dispositivo será desarrollado a partir de su implementación en el laboratorio de alta tensión de la Universidad. Es importante tener en cuenta este estudio ya que mediante el diseño y construcción de este dispositivo se busca realizar un aporte al desarrollo académico de la Universidad, que permita reforzar su conocimiento por medio de la aplicación de conceptos de física, como son la transformación de energía, alta tensión, movimiento de carga, resonancia eléctrica, principios de comunicación entre otros, teniendo en cuenta el desarrollo de un proceso tecnológico como también la introducción de elementos de diseño, simulación, y la construcción del dispositivo. La bobina de Tesla es un transformador resonante que consta de un circuito primario sintonizado con una bobina secundaria. Un transformador de alto voltaje provee la corriente eléctrica necesaria para su funcionamiento (figura 1.). Con ayuda de éste, el condensador se carga dentro del circuito primario; cuando la diferencia de potencial es lo suficientemente alta, el transformador y el condensador rompen la resistencia eléctrica del aire dentro del explosor, creando un arco eléctrico que permite que el condensador se descargue en la bobina primaria. Esta bobina primaria, se encuentra en sintonía con la bobina secundaria. En la parte superior de la

2 bobina secundaria se encuentra una esfera o toroide que actúa como un condensador. Cuando pasa corriente a través de la bobina primaria, esta crea un campo electromagnético que permite que se pueda descargar en la bobina secundaria con el fin de aumentar el voltaje, que al Fuente AC la cual proporciona el potencial eléctrico al transformador de alta tensión. Transformador de alto voltaje que permite convertir el potencial eléctrico proporcionado por la red eléctrica domiciliaria en un potencial eléctrico mayor con el fin de poner en funcionamiento el circuito secundario de la bobina Tesla. Descargador o spark-gap [2] que puede ser estático o dinámico, tiene como función permitir la carga y descarga del circuito primario a alta velocidad. descargarse a tierra crea un fuerte campo electromagnético que incrementa el voltaje en el toroide, lo que normalmente produce que este se descargue en forma de arco eléctrico hacia el aire de su alrededor debido al alto voltaje del orden de cientos de miles de voltios. Para obtener un óptimo funcionamiento es necesario que la bobina primaria y la secundaria estén en resonancia. Esto se logra ajustando los inductores y condensadores del circuito primario y secundario respectivamente. 2. Elementos que componen una bobina Tesla La bobina en esencia está formada por los siguientes elementos fundamentales: Condensador primario. Este elemento almacena toda la carga debida a la tensión proporcionada por el secundario del transformador que se debe acoplar a cada una de las condiciones proporcionadas por este transformador, dependiendo de su tensión de transferencia al secundario permitirá dar las condiciones de diseño del sistema. Una bobina primaria que permite colocar en resonancia el circuito primario con el circuito secundario. Una bobina secundaria que se compone de cientos de vueltas devanadas sobre una base, que se diferencia de la bobina primaria, en el calibre del alambre; en este modelo de bobina primaria y de bobina secundaria encontramos un transformador de núcleo de aire de alta frecuencia. El condensador secundario o también llamado toroide principal, compuesto de material conductor comúnmente aluminio, se encuentra ubicado en la parte superior de la bobina secundaria,

3 y a través del circuito secundario permite realizar las descargas. La frecuencia de resonancia aunque no es un elemento material o de construcción de la bobina Tesla, hace parte fundamental de su estructura ya que por medio de ella se determinan los dos tipos de circuitos; esta frecuencia está determinada por los valores de inductancia y capacitancia de cada uno de los elementos almacenadores de energía como lo explicado a continuación: Primera Fase: Estudio bibliográfico a partir con el que se logró contextualizar el Donde L es inductancia de resonancia, C capacitancia de resonancia, Lp inductancia primaria, Ls inductancia secundaria, Cp capacitancia primaria, Cs capacitancia secundaria. El valor de la frecuencia de resonancia para que los dos circuitos estén sintonizados al mismo tiempo depende principalmente del valor del producto de la inductancia y la capacitancia del circuito primario y secundario. 3. Características Generales del Prototipo: Como hemos observado anteriormente encontramos que la bobina Tesla está constituida por diferentes elementos de los que depende su funcionamiento. Se escogió un método de diseño basado en el transformador, con el que se obtuvieron cada una de las variables eléctricas y físicas de la bobina Tesla, pero básicamente el modelo de ésta contiene las partes de la Tabla 1. Para efectos de la realización de diseño de la bobina de Tesla de este proyecto, se han desarrollado tres etapas fundamentalmente: trabajo y la selección de cada uno de los elementos, con las características apropiadas para el diseño y construcción de la bobina de Tesla. Segunda Fase: Realización de los cálculos y diseño preliminar de la bobina y cada una de sus partes: En esta fase se utilizó Pspice para realizar las simulaciones del modelo diseñado. Tercera Fase: Realización de los cálculos teóricos preliminares: Se escogió el método mediante el cual se hizo el diseño. Para nuestro caso el método escogido está basado en la alimentación de la bobina Tesla que tiene como elemento principal un

4 transformador de media tensión, de ignición o quemador de aceite, debido a que sus características de tensión y corriente hacen que sea especial para la construcción del dispositivo. 4. Pruebas realizadas al transformador Las pruebas realizadas al transformador se escogieron según la norma NTC 380 transformadores eléctricos, ensayos eléctricos y generalidades, Tabla Prueba de resistencia de los devanados: Se realizó para determinar el valor de la resistencia de los devanados del transformador. Se varió la tensión de entrada en una secuencia ascendente hasta llegar a 165V de corriente directa. Para hallar los valores de la resistencia de los devanados se utilizó el método de la caída de tensión, que es observar la caída de tensión en cada devanado y también registrar la corriente que pasa por el devanado, obteniendo los datos de tensión y corriente que se encuentran en el devanado por medio de la ley de Ohm se puede calcular el valor de la resistencia en el devanado. 4.2 Prueba de circuito abierto: Se dejó abierto un devanado del transformador mientras el otro se excitó aplicando el voltaje del transformador de 120V, la prueba se realizó en bajo voltaje pues no se contó con fuentes de alto voltaje en el laboratorio. Con el resultado de esta prueba se logró determinar las pérdidas en el núcleo por corrientes de Foucault y por corrientes de magnetización, obteniendo el siguiente valor: 4.4 Prueba de cortocircuito: Con esta prueba hallamos los valores de la resistencia de los devanados y las reactancias de dispersión en los mismos. Se estableció un cortocircuito a través de un devanado y excitando el otro con una fuente de voltaje alterna a la frecuencia de especificación del transformador que es de 60 Hz. Con mucho cuidado se aplicó el voltaje para que cada devanado condujera una corriente especificada. En cada devanado la corriente asegura la simulación adecuada del patrón del flujo de dispersión asociado con el devanado correspondiente. Puesto que el cortocircuito restringe la potencia de salida a cero, la potencia de entrada al transformador es baja. En los resultados obtenidos de la prueba se logró determinar la reactancia de dispersión y la resistencia de los devanados, datos que fueron encontrados a partir de las pruebas, los cuales son: 4.5 Prueba de relación de transformación: Definida como la relación entre el número de espiras de los devanados (N1y N2), que es equivalente a la relación de los voltajes existentes en los devanados (V1 y V2) estando el

5 transformador en vacío. Esta misma relación se aplica a las corrientes que circulan por los devanados (I1 e I2) estando el transformador con carga. Polaridad y relación de transformación Se aplicó una tensión cerca de 120 VAC en el devanado de alta tensión, obteniéndose una relación de transformación de: desde el circuito primario, en donde la tensión pico alcanzada por el condensador es de 14.1kV mientras que la bobina primaria es de 13kV aproximadamente, esto quiere decir que en 4ms la tensión de carga del condensador, que tiene una forma de senosoidal pura, con un periodo de 16.6ms, está siendo descargada en la bobina primaria, la cual esta recibiendo un ciclo de descargas a 1ms, momento en el cual se produce la sintonización de los dos circuitos. 4.6 Resultados Las simulaciones eléctricas de tensión y corriente se obtuvieron a partir del circuito representado en la Figura 2, relacionada antes. Con el circuito se determinó el comportamiento de la tensión en el secundario. Encontramos la tensión pico en el circuito secundario, el valor de la señal de tensión es de 259kV aproximadamente en un tiempo de 4ms, encontrando así que los valores obtenidos teóricamente con los valores dados en el simulador tienen un error relativo cercano del 7.5%, la forma de onda tiene un comportamiento amortiguado en el momento que el circuito se carga y se descarga en pequeños instantes de tiempo cercanos a 1ms. En la figura 5 encontramos el comportamiento pico de la corriente del circuito primario, el valor obtenido teóricamente en comparación con los valores arrojados por el simulador tiene un error relativo cercano al 10%, al igual que la onda de tensión descargada sobre la bobina primaria, en ella encontramos que la onda de corriente tiene la misma forma y que su periodo de descarga se realiza también en 1ms aproximadamente. En la Figura 4 encontramos el comportamiento de la onda de tensión vista En la figura 6 encontramos el pico de corriente en el secundario, el valor de corriente se encuentra en 4.8 A en un

6 instante de 4 ms, instante en el cual el circuito primario y el circuito secundario se encuentran en sus valores más altos de descarga; el error relativo encontrado fue de 10% con respecto a los valores teóricos obtenidos y su forma de onda es de tipo amortiguada debido al tipo de circuito que se encuentra en resonancia. 4.7 Referencias En la figura 7 encontramos la frecuencia de resonancia del circuito primario y del circuito secundario, aquí podemos observar claramente que se producen dos picos en la frecuencia de resonancia, esto tiene que ver básicamente con el acoplamiento del circuito primario y secundario, aunque los dos circuitos se encuentran acoplados magnéticamente a la misma frecuencia de resonancia, en el momento de funcionamiento siempre va a haber un circuito que tenga una capacidad de desempeño mayor que el otro circuito; esto se debe al nivel de acoplamiento del transformador de núcleo de aire formado por la bobina primaria y secundaria, encontramos que entre más grande sea el factor de acoplamiento los valores de frecuencia de resonancia entre ambos circuitos cambiarán de forma proporcional, mientras que si el factor de acoplamiento K es bajo tenemos que disminuirá notoriamente. A partir del diseño teórico de cada una de los elementos que conforman el prototipo, y teniendo en cuenta su dimensionamiento físico y los valores obtenidos con respecto a los componentes, se realizó la construcción de cada una de las partes a implementar, con el fin de completar su construcción total. [1]. Cortés, D. et al. Diseño y construcción parcial de una bobina Tesla. Manizales Colombia, Trabajo de grado. Universidad Nacional de Colombia. Departamento de Ingeniería Eléctrica, electrónica y computación. [2]. Bedoya, Duvier. Roldan, francisco. Diseño y construcción de un espinterómetro para un generador de impulso de alta tensión. Scientia et technica. U.t.p. Año xi, no 28. Pereira - Colombia, [3]. Bassi, h. Et al simulación del efecto corona y ensayos de rigidez dieléctrica. Santiago de Cali, Trabajo de grado. Universidad autónoma de occidente. Programa de ingeniería eléctrica. [4]. Roth, a. Técnica de alta tensión. Barcelona, labor, [5]. Grupo de investigación CLASSIC TESLA COIL OF BART ANDERSON [6]. Grupo de investigación TESLA TECHNOLOGY RESEARCH COMPANY PROFILE [7]. Centro NEVADA LIGHTNING LABORATORY