Facultad de Ingeniería. Escuela de Eléctrica. Asignatura: Teoría Electromagnética.

Transcripción

1 Tema: Aplicaciones prácticas de circuitos magnéticos. I. Objetivos. Facultad de Ingeniería. Escuela de Eléctrica. Asignatura: Teoría Electromagnética. Analizar la relación del número de vueltas en los devanados de un transformador. Determinar la relación de transformación a partir de mediciones de tensión. Verificar la forma de la señal de entrada y de salida en un transformador. Verificar la deformación de la muestra de la señal de corriente en un transformador. Analizar el comportamiento de en una máquina rotativa de inducción en función de la corriente aplicada en el devanado de campo. II. Introducción. Se denomina transformador a un dispositivo electromagnético que permite aumentar o disminuir la tensión o la intensidad de una corriente alterna de forma tal que, su producto permanezca constante (ya que la potencia que se entrega a la entrada de un transformador ideal, esto es, sin pérdidas, tiene que ser igual a la que se obtiene a la salida). 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. Estas bobinas o devanados se denominan primario y secundario. La representación esquemática del transformador es la siguiente: 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). Ep/Es=Np/Ns Es=Ep*(Ns}/{Np) El principal elemento de toda red de potencia eléctrica es el generador y por lo tanto es muy importante su estudio en condiciones de vacío y bajo carga. Como sabemos la Energía Eléctrica que usamos en nuestros hogares debe poseer dos características principales: GUÍA 7 Pág. Pág. 1

2 Frecuencia de 60 Hertz. Un nivel de voltaje de acuerdo a su uso. Estas condiciones deben de ser cumplidas por el generador, especialmente la frecuencia, ya que el voltaje cambia de nivel de acuerdo al punto en el cual nos encontremos en la red de potencia. La frecuencia depende de la velocidad a la cual se mueve el generador y del número de polos de la máquina guardando una relación expresada en la siguiente fórmula: Donde: fe: frecuencia eléctrica. P: número de polos. ns: velocidad síncrona. f E = ns P 120 De la expresión anterior se observa que hay diversidad de máquinas las cuales realizarían el mismo objetivo, por ejemplo, se pueden obtener 60 Hertz con una máquina de dos polos a 3600 r/min, de igual forma se lograría con una de 12 polos a 600 r/min. El tipo utilizado dependerá del tipo de primotor usado para mover el generador. El otro punto importante es el voltaje y se rige por la siguiente expresión: E A = K Φ w Donde K es una constante de proporcionalidad del motor que depende de los materiales, φ es el flujo que depende a su vez de la corriente de campo y w es la velocidad de la máquina. III. Equipos y Recursos. No. Descripción Cantidad 1 Bobina de 2.2mH (o transformador de baja potencia Vp= 120Vac) 2 2 Núcleo ferromagnético (transformador de baja potencia Vp= 120Vac) 1 3 Fuente de tensión Vac variable 1 Fuente de tensión Vdc variable (para alimentar el devanado de 4 1 campo) 5 Resistencia variable de 0 a 16Ω (Starter) SO3213-6B 1 6 Medidor RMS SO5127-1L 1 7 Osciloscopio de doble traza 1 8 Amplificador de aislamiento LM Cable BNC-BNC 1 10 Máquina de Vdc como promotor SE2662-5A 1 11 Máquina síncrona trifásica SE2662-5Q Módulo de luminarias de prueba de 220Vac 1 13 Accesorios y acoples para motores N/A 14 Cables de conexión X GUÍA 7 Pág. Pág. 2

3 IV. Procedimiento. Parte I. Relación del número de vueltas en un transformador. 1. Anote los datos de placa del transformador (o bobinas) a utilizar durante la práctica. En caso de que el transformador no tenga datos, deberá consultar al respecto los niveles de tensión a utilizar durante la práctica, los cuales dependen del transformador disponible. Anote los datos, en la tabla 1, a continuación: Datos del transformador (o bobinas) Tabla Conecte el circuito que se muestra en la figura 1. Conecte el devanado primario del transformador entre L1 y N de la fuente de alimentación de Vac, según se muestra en la figura 1. Figura 1. Relación de Transformación. 3. A partir de los datos de placa medidos anteriormente, y de los valores de tensiones mostrados en la tabla 2, conecte directamente el devanado primario del transformador a la fuente de Vac variable, y proceda a medir la tensión inducida en el devanado secundario del transformador en condición de vacío (sin carga conectada), para cada uno de los datos mostrados. Esto le servirá para obtener la relación de transformación para los diversos valores de la tabla 2, en condición de vacío. 4. Nota: En caso de ser necesario, y dependiendo de los datos de placa del transformador, deberán cambiarse los valores de tensión sugeridos en la tabla 2, de tal forma de obtener una muestra de diez datos de medición, sin sobrepasarse de la tensión nominal del transformador. Pregunte al instructor al respecto de cualquier cambio posible. GUÍA 7 Pág. Pág. 3

4 Tensión sugerida (Vp) Relación de Transformación a partir de Tensiones Tensión inducida (Vs) Relación de Transformación (a=vp/vs) 50 Tabla Desarme el circuito de prueba. 6. Arme el circuito que se muestra en la figura 2. Incluya la resistencia variable con un valor aproximadamente igual a la mitad de su valor máximo. Figura 2. Circuito para observar formas de onda de las señales de entrada y salida. 7. Conecte el canal I del osciloscopio con el amplificador de separación tal y como se muestra en la figura 2, esto para observar las señales en los puntos indicados. Deberán observarse tres señales en total: La señal de la tensión en el devanado primario, la señal de la tensión en el devanado secundario y la muestra de corriente en R. GUÍA 7 Pág. Pág. 4

5 3. Ajuste el amplificador de separación LM6113 con los siguientes parámetros: OUT-MODE: CHOP TRIGGER: D. CHOP-FRECUENCY: HIGH MODE CH: D 4. Alimente la bobina de la izquierda con un valor de tensión nominal de Vac, que establezca la circulación de una corriente de Io =1.8A. 5. Energice el osciloscopio y proceda a verificar las formas de onda de: La tensión aplicada en el devanado primario, la tensión en el devanado secundario y la muestra de corriente en R. Observe y dibuje el comportamiento de las ondas visualizadas para los valores de Io según la tabla, mientras se va reduciendo la tensión aplicada hasta cero. Complete la tabla de datos 3 y obtenga las gráficas para el valor mínimo de Io= 0.8A, y el valor máximo de Io= 1.6A. Sólo dibujará las gráficas del valor máximo y el mínimo de corriente. Io (A) Vp (V) Vs (V) Tabla 3. NOTA: Recuerde reducir el voltaje de la fuente y apagarla antes de realizar cualquier cambio al circuito. Parte II. Aplicación: Motor y generador eléctrico. 1. Conecte las máquinas rotativas, tal como se muestra en la figura 3. Conecte la carga eléctrica entre U1 y neutro, mientras que V1 y W1 quedarán sin carga conectada. Como carga eléctrica puede conectar una luminaria de 220Vac. Consulte con el instructor en caso de que tenga dudas acerca de la conexión. Figura 3. Sistema de máquinas rotativas acopladas: motor-generador. Nota: El primotor y el devanado de campo del generador funcionan con fuentes independientes de Vdc. La máquina síncrona genera Vac entre sus terminales. GUÍA 7 Pág. Pág. 5

6 2. Proceda a medir el voltaje generado entre las terminales U1 y neutro en función de la corriente de campo. La velocidad de giro del sistema será de 1800 rpm. Complete la tabla de datos 4. I de campo (Adc) Tabla 4. V U1-N V. Análisis de Resultados. 1. Dibuje las gráfica de la relación del Vs vrs. Vp, en función de los datos obtenidos en la tabla Presente las formas de onda obtenidas en el circuito de la figura 2. Explique acerca de los resultados obtenidos. 3. Para el sistema motor-generador, explique como se relaciona la velocidad de giro del generador en función de la velocidad de giro del primotor. 4. Dibuje la gráfica del voltaje generado en función de la corriente de campo del sistema motor-generador. VI. Discusión Complementaria. 1. Investigue los siguientes conceptos: Acción transformadora, acción motora y acción generadora. 2. Explique de manera breve, como funciona un motor eléctrico de Vdc. VII. Bibliografía. o Edminister, Joseph A. Electromagnetismo. Schaum- Mcgrawhill. o Hayt, William: Teoría Electromagnética. Mc-GrawHill, México o William H. Hayt & Jack E. Kemmerly. Análisis de Circuitos en Ingeniería, 5ta edición / 3ra edición en Español McGraw-Hill o Gourishankar. Conversión de Energía Electromecánica. Ediciones Algfaomega. GUÍA 7 Pág. Pág. 6