INFORME 1 -MAQUINAS

INFORME N°1 EL REACTOR CON EL NÚCLEO DE HIERRO

I.

OBJETIVO Determinar a partir de pruebas experimentales en un reactor con núcleo de hierro. Las características de magnetización de un material ferro magnético. Observación de lazo de Histéresis dinámica y de la forma de onda de la corriente de excitación. Así se presenta un método para efectuar la separación de pérdidas de núcleo.

II.

FUNDAMENTO TEÓRICO Materiales ferro magnéticos Los materiales ferro magnéticos, compuestos de hierro y sus aleaciones con cobalto, tungsteno, níquel, aluminio y otros metales, son los materiales magnéticos más comunes y se utilizan para el diseño y constitución de núcleos de los transformadores y maquinas eléctricas. En un transformador se usan para maximizar el acoplamiento entre los devanados, así como para disminuir la corriente de excitación necesaria para la operación del transformador. En las maquinas eléctricas se usan los materiales ferro magnéticos para dar forma a los campos, de modo que se logren hacer máximas las características de producción de par. Estos materiales han evolucionado mucho con el paso del tiempo lo que implica más eficiencia, reducción de volúmenes y costo, en el diseño de transformadores y maquinas eléctricas. Los materiales ferro magnéticos poseen las siguientes propiedades y características que se detallan a continuación. Propiedades de los materiales ferro magnéticos. Aparece una gran inducción magnética al aplicarle un campo magnético. Permiten concentrar con facilidad líneas de campo magnético, acumulando densidad de flujo magnético elevado. Se utilizan estos materiales para delimitar y dirigir a los campos

magnéticos en trayectorias bien definidas. Permite que las maquinas eléctricas tengan volúmenes razonables y costos menos excesivos. Características de los materiales ferromagnéticos. Los materiales ferromagnéticos se caracterizan por uno o varios de los siguientes atributos: Pueden imanarse mucho más fácilmente que los demás materiales. Esta característica viene indicada por una gran permeabilidad relativa m /m r. Tienen una inducción magnética intrínseca máxima Bmax muy elevada. -Se imanan con una facilidad muy diferente según sea el valor del campo magnético. Este atributo lleva una relación no lineal entre los módulos de inducción magnética(B) y campo magnético. Un aumento del campo magnético les origina una variación de flujo diferente de la variación que originaria una disminución igual de campo magnético. Este atributo indica que las relaciones que expresan la inducción magnética y la permeabilidad (m ) como funciones del campo magnético, no son lineales ni uniformes. Conservan la imanación cuando se suprime el campo. Tienden a oponerse a la inversión del sentido de la imanación una vez imanados. Materiales ferromagnéticos para transformadores: La aleación ferromagnética más utilizada para el diseño de núcleos de transformadores es la aleación hierro-silicio, esta aleación es la producida en mayor cantidad y esta compuesta por hierro esencialmente puro con 1-6% de silicio, dependiendo este porcentaje del fin a que se destine el material. Dando a esta aleación un tratamiento térmico adecuado, se obtiene un material que comparado con el hierro, tiene mejores propiedades magnéticas para campos magnéticos débiles, una resistividad mayor y sufren perdidas totales menores en el núcleo. Esta aleación se lamina en chapas y flejes, principalmente de espesores comprendidos entre 0,35 y 0,635 mm recocidos; en el

lenguaje corriente se le conoce con el nombre de acero al silicio o Chapa magnética. Las chapas de mejor calidad presentan mayor contenido en silicio, entre el 4 y el 5. El silicio eleva la dureza del material, por lo que su porcentaje se determina según el empleo al que se designa la chapa. Para maquinas rotatorias el limite superior es aproximadamente del 4%, teniendo en cuenta el peligro de la fragilidad. También se prefieren chapas de menor contenido de silicio cuando las densidades de funcionamiento son elevadas o cuando se desea una elevada conductividad calorífica. Las perdidas en el núcleo y el coeficiente de envejecimiento aumentan al disminuir el contenido de silicio. La fabricación de la chapa magnética ha llegado a estar normalizada en considerable extensión por lo que los datos magnéticos publicados por diversos fabricantes no se diferencian, calidad por calidad, excesivamente. Aislamiento interlaminar El aislamiento interlaminar se consigue formando una capa de óxido natural sobre la superficie de la chapa magnética laminada plana o aplicando un revestimiento superficial. Evidentemente este tratamiento no reduce las corrientes parásitas en el interior de las chapas. Generalmente se consigue una mejora en la resistencia entre chapas recociendo la chapa bajo condiciones ligeramente oxidantes que aumentan el espesor del óxido superficial y cortando entonces las formas acabadas para los núcleos. Los revestimientos o acabados de aislamiento pueden clasificarse ampliamente en orgánicos o inorgánicos: a) El aislamiento orgánico consiste, en general, en esmaltes o barnices que se aplican a la superficie del acero para proporcionar una resistenciainterlaminar. La chapa magnética laminada plana con revestimiento de tipo orgánico no puede recibir un recocido de distensión sin perjudicar el valor aislante de la capa. Esta, sin embargo, resiste las temperaturas de funcionamiento normales. Algunos aislamientos orgánicos son apropiados sólo en núcleos refrigerados por aire, mientras que otros pueden ser apropiados para núcleos de transformadores tanto del tipo refrigerado por aire como los de baño de aceite. El espesor de este tipo de aislamiento es de

aproximadamente de 2,5m b) El aislamiento inorgánico se caracteriza, en general, por una elevada resistencia y por la capacidad de resistir las temperaturas necesarias para el recocido de distensión. Esta ideado para núcleos de transformadores refrigerados por aire o en baño de aceite. Pérdidas en los núcleos de los Transformadores Las pérdidas en los núcleos de los transformadores pueden dividirse en dos grupos, a saber: a) pérdidas en el cobre; b) pérdidas en el hierro. Las pérdidas en el cobre son debidas a la resistencia. óhmica presentada por el alambre, pérdidas estas que se incrementan cuanto mayor es la corriente que los atraviesa.

Fig. 5 - Pérdidas de potencia por corrientes de Foucault producidas en un núcleo magnético de una sola pieza. Las pérdidas en el hierro (núcleo) pueden subdividirse en dos partes: las pérdidas por histéresis magnética y las pérdidas por corrientes de Foucault o corrientes parasitarias. En el primer caso son debidas a que el núcleo del transformador se encuentra ubicado dentro del campo magnético generado por el mismo y, en consecuencia, se imanta. Pero, ocurre que la corriente aplicada al transformador es alternada y, por tanto, invierte constantemente su .polaridad, variando con la misma frecuencia el sentido del campo magnético. Luego, las moléculas del material que forma el núcleo deben invertir en igual forma su sentido de orientación, lo cual requiere energía, que es tomada de la fuente que suministra la alimentación. Esto representa, por tanto, una pérdida.

En la práctica, para disminuir al máximo las pérdidas por histéresis magnética se recurre al uso de núcleos de materiales capaces de imanarse y desimanarse fácil y rápidamente, tal como el hierro silicio. En cuanto a las pérdidas por corrientes de Foucault o corrientes parasitarias, podremos tener una idea más precisa al respecto si consideramos, la figura 5 , en la cual apreciamos un supuesto núcleo magnético macizo Si consideramos al mismo recorrido por un determinado flujo, como éste es variable, se originarán en dicho núcleo corrientes circulares que se opondrán en todo instante a la causa que las origina. Siendo el núcleo de una sola pieza, la resistencia que ofrecerá a dichas corrientes circulares será baja, lo cual provocará el incremento de tales corrientes. Debido a su efecto contrario a la fuerza magnetizante, debilitará a esta última y, en consecuencia, provocará un incremento en la corriente que circula por el primario. Esto, en si, representa pues, una pérdida en la potencia que disipará el primario, para un correcto funcionamiento del transformador. Para contrarrestar el efecto de estas corrientes parasitarias, es posible llegar a una solución muy interesante, basada en ofrecer máxima resistencia transversal a las mismas. Esto se consigue integrando el núcleo magnético mediante un conjunto de láminas delgadas de hierro, superpuestas una sobre la otra y aisladas entre sí mediante un baño de goma laca o barniz. En la figura 6 podemos apreciar en forma somera el efecto de reducción de las corrientes circulares. Naturalmente, que estas se producen lo mismo, pero debido a que el hierro tiene ya menor sección, el valor alcanzado por las corrientes de Foucault es sensiblemente más reducido, disminuyendo en consecuencia las pérdidas. En la práctica, los transformadores se construyen con gran número de láminas muy delgadas de hierro silicio, aisladas entre sí y fuertemente comprimidas.

Fig. 6 - Núcleo magnético laminado utilizado en los transformadores a fin de reducir las pérdidas de potencia por corrientes de Foucault .

Núcleos y Formas. Para la construcción de transformadores se utilizan núcleos constituidos por chapas de hierro silicio que adoptan diversas formas convencionales. El tipo de chapas utilizado más frecuentemente es el que adopta la forma de E, tal como se puede apreciar en la figura 7 .

Fig. 7 - Izquierda: Forma de laminación de núcleo tipo "E", cerrado , empleada en la construcción de transformadores. Derecha: Forma de intercalación de las chapas a fin de reducir el entrehierro y aumentar el rendimiento magnético. Este núcleo tiene la particularidad de aprovechar casi al máximo el flujo magnético, evitándose las pérdidas por dispersión. La forma

correcta de armar un transformador , particularmente un transformador de potencia - consiste en montar las chapas, en forma invertida, una con respecto a la siguiente, según se observe en dicha figura 7 . De esta forma se evita el entrehierro o espacio de aire que tanto contribuye a disminuir la permeabilidad magnética del circuito, lo cual se traduce en una pérdida en la intensidad o densidad del campo magnético, que. en caso de unidades de potencia, resulta un inconveniente. En este tipo de núcleo se efectúa el bobinado de primario y secundario en forma de "galleta", montándose sobre la barra central de la forma como puede observarse en la figura 8 . La disposición más usual y conveniente es la de disponer el primario próximo al núcleo, bobinándose sobre éste los restantes devanados. Tratándose de transformadores de potencia, la sección del núcleo es factor primordial para determinar la potencia que ha de disiparse. Para el caso de transformadores con una disipación máxima de 300 vatios, puede calcularse la sección del núcleo de hierro necesario mediante la fórmula :

donde A es la sección en centímetros cuadrados, y 1,16 un valor constante, Además de considerar la sección del núcleo, es necesario también tener en cuenta las dimensiones de la ventana, la superficie ocupada por los bobinados, etcétera.

Fig. 8 - Construcción típica de un transformador de potencia.

III. EQUIPOS Y/O INTRUMENTOS A UTILIZAR 1.- reactor con núcleo de hierro 2.- auto transformador variable 3.-resistencia de 60 KΩ. 4.-reóstato de 4.5 Ω. 5.- condensador de 20uf. 6.- amperímetro de c.a. 2A. 7.- voltímetro de 220 V a.c. 8.- Watímetro de 120 W. 9.- osciloscopio con acceso vertical y horizontal. 10.-puntas de pruebas para el osciloscopio. 11.- multímetro

IV.

PROCEDIMIENTO

1. “Obtención de la característica B-H” 2. armar el circuito siguiente:

NOTA: Antes de energizar el circuito, el auto transformador deberá estar en posición de salida de cero voltios después de comprobar la corrección de conexiones, cerrar el interruptor S1. Alimentando el auto transformador y elevar la tensión aplicada hasta un 50% sobre la tensión nominal. Comprobando el adecuado funcionamiento de todos los instrumentos y elegido los rangos convenientemente, reducir la tensión a cero. Nuevamente elevar la tensión en forma progresiva registrando valores de tensión y corriente. Hacer mediciones hasta un 20% sobre la tensión nominal.

OBSERVACIÓN DEL LAZO DE HISTÉRIZIS Y LA FORMA DE ONDA DE LA CORRIENTE EN EL REACTOR.

Lazo de Histéresis: Disponer del siguiente circuito. NOTA: Variar la tensión de salida del auto transformador a 20, 40, 60, 100, 120 % de la tensión nominal y observar como varia la forma de la figura sobre la pantalla del osciloscopio. Hacer un bosquejo aproximado de esta figura para cada caso.

CORRIENTE DEL REACTOR En el circuito anterior aplicar las placas y tierra hasta un 30% sobre la tensión nominal. Así mismo tomar las lecturas sobre los instrumentos conectados.

1er CIRCUITO:

I(amp) 0.32 0.59 0.67 0.76 0.84 0.91 1.07 1.26 1.45 1.64

P(W) 2 1 3 4 6 8 11 16 22 29

V(vol.) 44.8 80.3 90.1 100.3 110.4 119.6 139.2 159.8 179.4 199.4

1.88

39

220.3

2.19

49

240.8

2do CIRCUITO

Las tensiones salida a 20, 40, 60, 100, 120 % de la tensión nominal son 22,3 44, 66, 110, 132 V respectivamente.

22.3 44.17 66.7 88.1

V.

Amplif. vertical(V)

Amplif. Horizontal(V)

0.16 0.32 0.4 0.8

0.56 0.8 1.12 1.48

CUESTIONARIO 1. Trazar la curvas V vs I, W vs V. Explique sus tendencias. De la grafica N°1 se puede observar que a medida que va aumentando la corriente, la variación de voltaje (∆V) se da en menor proporción que la variación de corriente (∆I), acentuándose mejor lo dicho a medida que la corriente se va haciendo cada vez más grande en consecuencia el voltaje tiende a mantenerse constante.

V vs I 300 250 200 150 100 50 0 0

10

20

30

40

50

60

En forma análoga podemos argumentar para la grafica N°2 teniendo como base que el aumento en el consumo de corriente provoca un incremento en el consumo de potencia y voltaje respectivamente observándose esto hasta un valor determinado de la potencia en el cual el voltaje se mantiene prácticamente invariante.

W vs V 300 250 200 150 100 50 0 0

10

20

30

40

50

60

2. Elaborar un circuito equivalente del reactor para una tensión de 110 voltios. Para una tensión de 110V se obtiene de la grafica los valores de I y W:

I= 0.25A

,

W=6.5w

Utilizando las siguientes formulas: 2

W I  g  FE2 ; b   e   g 2 E W  Y reemplazando los valores correspondientes 6.5 g  0.537m 1102 2

 0.25  2 b    (0.537mS )  38.45mS  6.5  En esta ocasión asumiremos que las pérdidas debido al alambrado es cero R0 Quedando el ckto equivalente como sigue:

3. Diga usted porque se denomina a lo realizado en la pregunta anterior “circuito equivalente”. Un reactor puede ser representado mediante un circuito eléctrico equivalente la cual debe ser representar exactamente

todas las consideraciones previstas en el funcionamiento del reactor, tales como. 1er parámetros eléctricos de excitación V e Ie eficaces 2do la resistencia interna de la bobina R 3ra las dos componentes de la corriente de excitación: - la componente de perdidas Ir y la componente de magnetización Im tal que cumplan : Ie= Ir +Im 4ta las oposiciones a Ir e Im, que son: - la oposición a Ir, o sea la resistencia de pérdidas en el 1 hierro. r o su conductancia equiv: g = r - la oposición a Im, o sea, la reactancia magnetizante Xm 1 o su suceptancia equivalente: b = Xm 4.- Explicar el funcionamiento del circuito para la observación de Lazo de Histéresis Para obtener el lazo de histéresis en el osciloscopio, configuramos y conectamos de la siguiente manera: - Comprobamos que ninguno de los dos canales está en posición AC ó GD. - Mostrar las señales de los dos canales - Ajustar la base de tiempos a fin de obtener una traza completa del ciclo. - Conectamos las salidas verticales (eje Y) de cada canal al los extremos del condensador. - Luego, análogamente conectamos las salidas horizontales de cada canal a los extremos del reóstato. - Debemos tomar como punto común (digamos tierra), el nodo que está entre el condensador y el reóstato. - Ya que la caída de potencial en el condensador esta relacionado con el flujo magnético, entonces también esta relacionado con la densidad de flujo magnético

- Entonces la representación en abscisas de la caída de potencial en la resistencia del primario es proporcional a la intensidad de campo magnético aplicado y la representación en ordenadas del voltaje de salida del condensador es proporcional a la densidad de flujo magnético, los cual nos da el ciclo de histéresis del material. Es importante ver que una de las señales, la que corresponde a B, tiene un comportamiento sinusoidal, mientras que la otra (la que corresponde a H) no, lo que hace que en su composición no obtengamos una tíıpica curva de Lissajous. Así que simplemente con conocer unos pocos datos fáciles de determinar, podemos conocer el campo magnético que se ha inducido con el circuito primario,

5.- Describa porque varía el lazo al variar la tensión, ¿sucedería lo mismo al variar la frecuencia? Explique. El lazo de histéresis varía cuando modificamos la el voltaje ya que al variar éste también varía el flujo magnético, entonces necesariamente debe variar el campo magnético y la intensidad de campo magnético. Si variamos la frecuencia no debería variar ya que el voltaje en el condensador y la resistencia no dependen de ella ya que el voltaje máximo de la onda senoidal no varía al variar la frecuencia.

VI.

OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES Una observación importante acontecida en la experiencia seria la del uso de los materiales, tal es el caso de las resistencias utilizadas ya q estas debieron ser resistencias relativamente altas a lo que en potencia se refiere, debido a esto se tiene que tomar las medidas pedidas, de una manera ágil, rápida porque de lo contrario las resistencias se sobrecalentarían alterando su valor óhmico y hasta pueden llegar a malograrse. Algunas conclusiones importantes podrían ser que:  A medida que aumentamos la corriente , el voltaje tiende a ser constante esto se da en un punto denominado saturación  Al incrementar el voltaje de entrada las perdidas por histéresis aumentan

VII. BIBLIOGRAFIA: M.I.T. Circuitos magnéticos y transformadores Transformadores –Enrique ras