Guia De Estudio De Transformadores

REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD PEDAGOGICA EXPERIMENTAL LIBERTADOR INSTITUTO PEDAGOGICO DE BARQUISIMETO "LUIS BELTRAN PRIETO FIGUEROA” DEPARTAMENTO DE EDUCACIÓN TECNICA PROGRAMA DE ELECTRICIDAD INDUSTRIAL

GUIA DE ESTUDIO DE TRANSFORMADORES TRANSFORMADOR El transformador es una máquina empleada para transferir energía eléctrica de un circuito de corriente alterna a otro sin variar la frecuencia. Ésta transferencia va acompañada habitualmente, pero no siempre de un cambio de tensión. Puede recibir energía y devolverla a una tensión más elevada en cuyo caso sería un transformador elevador y viceversa. CARACTERÍSTICAS • No tienen órganos giratorios, por lo tanto no requieren de mayor vigilancia y muchos gastos de conservación. • El coste por kilovatio es bajo. • Rendimiento superior. • Buen aislamiento para muy altas tensiones. • Es de gran utilidad, a él se le debe la extensa difusión que ha alcanzado la corriente alterna. TRANSFORMADOR ELEMENTAL En el cual dos bobinas están eslabonadas por un núcleo magnético laminado; la bobina conectada a la alimentación se llama primaria y la bobina en la cual se induce un voltaje por el principio de inducción y que alimenta a la carga se llama secundaria. La bobina primaria toma la energía eléctrica de la alimentación de CA y la secundaria la recibe por inducción electromagnética para entregarla a unos dispositivos eléctricos conectados a sus terminales. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Inducción mutua Acoplamiento débil: transformador núcleo de aire, poca transferencia de energía. Acoplamiento fuerte: transformador núcleo de hierro, transferencia total de energía. Eslabonamiento de flujo: flujo mutuo φm, flujo primario φ1, flujo secundario φ2, amperes x espiras (I1N1) y (I2 N2) fuerzas magnetomotrices. Depende de el espaciamiento y orientación de las bobinas y la permeabilidad del medio. M Dispersión magnética (líneas a través del aire por reluctancia baja), coeficiente de acoplamiento K = ; L1xL 2 (relación del flujo mutuo y el flujo total o fracción del flujo que eslabona las bobinas). Transformador ideal K = 1, φ1 y φ2 = 0 no hay dispersión, sólo flujo mutuo φm. ACCIÓN TRANSFORMADORA Traslado de energía eléctrica de una bobina a otra por medio de un campo magnético alterno. Las bobinas no están conectadas entre sí, sino que están acopladas magnéticamente. El campo magnético alterno generado en una de las bobinas atraviesa las espiras de otra y produce tensión en ella. BOBINADOS PRIMARIO Y SECUNDARIO El bobinado que produce el campo magnético alterno se denomina primario. El bobinado en el cual el campo magnético alterno induce voltaje se llama secundario. La tensión inducida en el secundario depende de la relación entre las espiras del secundario y el primario.

Elaborada por: Prof. Francia Becerra

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TRANSFORMADOR ELEVADOR Y REDUCTOR Si en el secundario hay más espiras que en el primario el transformador es elevador y el voltaje secundario será más alto que el voltaje primario. Si en el secundario hay menos espiras que en el primario el transformador es reductor y el voltaje secundario será más bajo que el primario. La relación entre el voltaje secundario y el voltaje primario es igual a la relación entre el número de espiras de ambos bobinados. CORRIENTE SECUNDARIA Y PRIMARIA La potencia suministrada por un transformador es igual a la potencia que recibe, suponiendo que el rendimiento sea el 100 %. Expresado así: Ep * Ip = Es * Is . Con esta expresión se puede ver que si el transformador eleva el voltaje, reduce la intensidad. En otras palabras, el transformador modifica la intensidad en sentido contrario al cambio de voltaje. PARTES PRINCIPALES a) El núcleo magnético constituye el circuito magnético que transfiere energía de un circuito a otro y su función principal es la de conducir el flujo activo. Está sujeto por el herraje o bastidor, se construye de laminaciones de acero al silicio (4%) y sus gruesos son del orden de 0,014 pulgadas (0,355 mm) con un aislante de 0,001 de pulgada (0,0254 mm). Material Ferromagnético Son aquellos que se magnetizan fuertemente en la dirección del campo magnético. Tienen valores altos de permeabilidad, incluidos en este grupo están el hierro, el acero, el níquel, el permalloy, cobalto, tungsteno. Es el que se utiliza en las máquinas eléctricas, es el que imanta y conserva el magnetismo. Material Diamagnético Son aquellos que se magnetizan muy débilmente, pero en dirección opuesta, al campo magnetizante. Su permeabilidad es menor que 1. Ejemplo de materiales: cobre, oro, plata, etc. Se dice que no se imanta. Material Paramagnético Son aquellos que se magnetizan muy débilmente en la dirección del campo magnético. La permeabilidad de estos materiales es mayor que 1. ejemplos de materiales: oxígeno, aire, cromo, etc. Se imanta pero, no conserva el magnetismo (instrumentos eléctricos). b) Los bobinados constituyen los circuitos eléctricos de alimentación y carga pueden ser de una, dos o tres fases y, por la corriente y número de espiras, pueden ser de alambre delgado, grueso o de barra. La función de los devanados es crear un campo magnético (primario) con una pérdida de energía muy pequeña y utilizar el flujo para inducir una fuerza electromotriz (secundario). AUXILIARES a) Tanque, recipiente o cubierta. b) Boquillas terminales. c) Medio refrigerante. d) Conmutadores auxiliares. e) Indicadores. TIPOS DE TRANSFORMADORES (Por el tipo de Núcleo) Núcleo o de Columnas. • Las bobinas abarcan parte considerable del circuito magnético. Tiene capas sucesivas de laminaciones ensambladas. • En los monofásicos y trifásicos las bobinas se colocan alrededor del núcleo en forma concéntrica, primero se coloca las bobinas de bajo voltaje (porque requiere menor aislamiento) y después las de alto voltaje. Acorazado. • El circuito magnético abarca una parte considerable de los devanados. Elaborada por: Prof. Francia Becerra

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El núcleo tiene forma de un ocho y el flujo pasa por su parte central dividiéndose después en dos partes iguales, que siguen por los dos brazos exteriores.

El transformador es un dispositivo que: a) Transfiere energía eléctrica de un circuito a otro sin cambio de frecuencia. b) Lo hace bajo el principio de inducción electromagnética. c) Tiene circuitos eléctricos aislados entre sí que son eslabonados por un circuito magnético común. Características a) No tienen órganos giratorios, por lo tanto no requieren de mayor vigilancia y muchos gastos de conservación. b) El costo por kilovatio es bajo. c) Rendimiento superior. d) Buen aislamiento para muy altas tensiones. e) Es de gran utilidad, él se le debe la extensa difusión que ha alcanzado la corriente alterna. DEFINICIONES GENERALES LEY DE LENZ El sentido de la corriente inducida es tal que el campo magnético, que ella crea, tiende a oponerse a la variación del flujo a través del circuito. Cuando el flujo disminuye la corriente inducida circula en el sentido inducido. Cuando el flujo aumenta, la corriente inducida circula en el sentido negativo. EFECTO FARADAY La masa de un producto liberado en un electrodo es proporcional a la cantidad de corriente. La variación de un campo magnético origina una corriente eléctrica. CORRIENTE INDUCIDA Es la corriente eléctrica que se produce en una espira cuando en sus cercanías se mueve un imán. Las corrientes inducida se originan por la variación del flujo del campo magnético a través del área del circuito cerrado de la espira. La duración de la corriente inducida, es igual a la variación del flujo. LEY FUNDAMENTAL DE LA INDUCCIÓN O LEY DE FARADAY La fuerza electromotriz inducida, es directamente proporcional al flujo de inducción que atraviesa el circuito y al número de espiras que forman el circuito e inversamente proporcional al tiempo en que se produce la variación del flujo de inducción. OERSTED Es la intensidad del campo magnético en un punto cuando se ejerce la fuerza de un N sobre la carga de un Weber colocada en dicho punto. INDUCTANCIA (L) Propiedad o característica que tiene un elemento conductor, o un circuito, de oponerse a las variaciones de corriente. INDUCTANCIA MUTUA (M) Un cambio de flujo de una bobina, debido al cambio de la corriente, produce en la otra bobina una fem inducida. Esto se denomina inducción mutua. Es el fenómeno por el cual se producen corrientes inducidas en un circuito cerrado que está en las proximidades de un campo magnético variable, creado por otro circuito. AUTOINDUCTANCIA (L) Elaborada por: Prof. Francia Becerra

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En una misma bobina, si cambia la corriente se produce una fem inducida en sí misma. Es la razón de la fuerza electromotriz inducida en el circuito, y la variación de la intensidad de corriente en cada unidad de tiempo en el mismo circuito. FLUJO MAGNÉTICO

ϕ

DENSIDAD DE FLUJO B

Totalidad de líneas de fuerza que entrar o salen de un polo magnético. Líneas por unidad de área o líneas por cm2 relación del flujo mayor con el área de la sección recta del polo. Unidad de densidad de flujo = 1 Gauss 1 Gauss = 1 línea / cm2

Unidades CGS B= Maxwell/cm2 = líneas / cm2 = Gauss

MKS B = weber / m2 = Teslas

ϕ = Maxwell o líneas S = cm2

ϕ = φ = weber S = m2

(UNIDAD DE FLUJO MAGNETICO ADOPTADO EN EL SIMPOSIUN DE MUNICH 1956, COMISION ELECTRONICA)

Equivalencias: 1 weber = 108 Maxwell (líneas de campo magnético). 1 Teslas = 104 Gauss = 1 weber / m2 UNIDAD CIRCUITO ELECTRICO

CIRCUITO MAGNETICO

Presión

Voltio (E) E=IR

Gilbert (F) F=ϕR

Intensidad

Amperio (I)corriente I=E/R

Maxwell (ϕ) flujo ϕ= F/R

Resistencia

Ω (ohmio) R R=E/I

R reluctancia R=F/ϕ

Resistencia Específica Resistividad (ρ) o Reluctividad R=KL/A

Reluctividad ® R = V L / A (v)

WEBER (MKS) Es la masa magnética que situada a un metro de distancia de otra igual a ella en el vacío la atrae o la repele con la fuerza de 107 N. TESSLA (MKS) Es el campo de inducción magnética que ejerce la fuerza de un newton sobre la carga de un coulombio que se mueve con una velocidad constante de un metro sobre segundo. GAUSS (CGS) Es el campo de inducción magnética que ejerce la fuerza de una DINA sobre la carga de un stat coulombio que se mueve con la velocidad constante de un centímetro por segundo. MAXWELL (CGS) Es el flujo magnético producido por un campo de un gauss que atraviesa una superficie de un centímetro cuadrado colocada perpendicularmente al campo. HENRIOS (Hr) (MKS) Elaborada por: Prof. Francia Becerra

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Es la inductancia mutua entre dos circuitos cuando en uno se induce la fuerza electromotriz de un voltio y en el otro la corriente varía en un amperio cada segundo. EFECTO CALÓRICO DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA O EFECTO JOULE Es el desprendimiento de calor asignado por el paso de la corriente a través del conductor. LEY DE JOULE El campo eléctrico que actúa sobre un conductor acelera los electrones dentro de la resistencia y en su movimiento estos chocan contra los átomos metálicos, los cuales intensifican su movimiento de agitación térmica dando lugar a un calentamiento. Entonces, la cantidad de calor desprendida por una corriente eléctrica que atraviesa un conductor es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad, a la resistencia del conductor y al tiempo. Q = 0,24 * I2 * R * t Q: calorías - gramo 0,24: equivalente mecánico del calor expresado en cal / joule PROPIEDADES MAGNÉTICAS MÁS COMUNES Y CLASIFICACIÓN DE LOS MATERIALES RELUCTANCIA Es la oposición que ofrece un material al paso de las líneas magnéticas. Su símbolo es la letra R. No tiene unidades de medida. RELUCTIVIDAD Es la reluctancia específica o la reluctancia por cm3. en los materiales no magnéticos su valor es 1. su símbolo es la letra V, que se lee nu y no tiene unidades de medida. PERMEANCIA Es la capacidad de un material para servir de soporte a las líneas magnéticas. Su valor es el recíproco de la reluctancia. Su símbolo es la letra P, no tiene unidades de medida. PERMEABILIDAD Es la medida de la factibilidad con que las líneas magnéticas pueden pasar a través de un material. Numéricamente es igual al recíproco de la reluctancia. La permeabilidad de los materiales no magnéticos es 1. su símbolo es la letra µ , que se lee miú, unidad de medida sin nombre. RETENTIVIDAD Es la capacidad de un material para retener el magnetismo después de retirar la fuerza magnetizante. Esta propiedad es muy útil en el funcionamiento de generadores eléctricos. DISPERSIÓN MAGNÉTICA Realmente no existe un aislador para el magnetismo, es imposible confinar el flujo en un camino definido en la misma forma que se puede confinar una corriente eléctrica en un conductor. Al tratar con corrientes eléctricas, podemos dirigirlas donde queramos que fluya mediante el uso de conductores, o interponiendo malos conductores o aisladores podemos impedir que fluya. El aire es un aislador espléndido de la electricidad, pero no existe mal conductor o aislador para el magnetismo. El aire es un conductor para el magnetismo, aunque no tan bueno como el hierro. Por lo tanto, aún cuando en un núcleo de hierro se desarrolla un flujo de líneas de fuerza es probable que haya alguna dispersión de líneas a través del aire debido a que en el mismo hay una reluctancia relativamente baja. Un circuito de hierro rodeado por aire es análogo a un circuito eléctrico de cobre no aislado, sumergido en agua impura. Habrá una fuga de corriente eléctrica de dicho circuito a través del agua, para el caso de la segunda analogía, así como hay algo de dispersión de flujo magnético a través del aire para el primero. Debida a ésta dispersión no todas las líneas desarrolladas por la FMM de una bobina pueden ser confinadas en el hierro de un circuito magnético. Elaborada por: Prof. Francia Becerra

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