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5/10/2018 INFORME 1 -MAQUINAS - slidepdf.com

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INFORME N°1

EL REACTOR CON EL NÚCLEO DE HIERRO

I. OBJETIVODeterminar a partir de pruebas experimentales en un reactor connúcleo de hierro. Las características de magnetización de unmaterial ferro magnético.

Observación de lazo de Histéresis dinámica y de la forma de ondade la corriente de excitación. Así se presenta un método para

efectuar la separación de pérdidas de núcleo.

II. FUNDAMENTO TEÓRICOMateriales ferro magnéticos

Los materiales ferro magnéticos, compuestos de hierro y susaleaciones 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 ymaquinas eléctricas. En un transformador se usan para maximizarel acoplamiento entre los devanados, así como para disminuir lacorriente de excitación necesaria para la operación deltransformador. En las maquinas eléctricas se usan los materialesferro magnéticos para dar forma a los campos, de modo que selogren hacer máximas las características de producción de par.Estos materiales han evolucionado mucho con el paso del tiempo loque implica más eficiencia, reducción de volúmenes y costo, en eldiseño de transformadores y maquinas eléctricas.Los materiales ferro magnéticos poseen las siguientespropiedades y características que se detallan a continuación.

Propiedades de los materiales ferro magnéticos. Aparece una gran inducción magnética al aplicarle un campomagnético.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 variosde los siguientes atributos:Pueden imanarse mucho más fácilmente que los demás materiales.Esta característica viene indicada por una granpermeabilidad relativa m /m r.Tienen una inducción magnética intrínseca máxima Bmax muyelevada. -Se imanan con una facilidad muy diferente según sea elvalor del campo magnético. Este atributo lleva una

relación no lineal entre los módulos de inducción magnética(B) ycampo magnético.Un aumento del campo magnético les origina una variación de flujodiferente de la variación que originaria una disminución igual decampo magnético. Este atributo indica que las relaciones queexpresan la inducción magnética y la permeabilidad (m ) comofunciones 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 másutilizada para el diseño denúcleos de transformadores esla aleación hierro-silicio, estaaleación es la producida enmayor cantidad y estacompuesta por hierroesencialmente puro con 1-6% desilicio, dependiendo este porcentaje del fin a que se destine elmaterial. Dando a esta aleación un tratamiento térmico adecuado,se obtiene un material que comparado con el hierro, tiene mejorespropiedades magnéticas para campos magnéticos débiles, unaresistividad mayor y sufren perdidas totales menores en el núcleo.Esta aleación se lamina en chapas y flejes, principalmente deespesores 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 lachapa. Para maquinas rotatorias el limite superior esaproximadamente del 4%, teniendo en cuenta el peligro de lafragilidad. También se prefieren chapas de menor contenido desilicio cuando las densidades de funcionamiento son elevadas ocuando se desea una elevada conductividad calorífica. Las perdidasen el núcleo y el coeficiente de envejecimiento aumentan aldisminuir el contenido de silicio.La fabricación de la chapa magnética ha llegado a estar

normalizada en considerable extensión por lo que los datosmagnéticos publicados por diversos fabricantes no se diferencian,calidad por calidad, excesivamente.

Aislamiento interlaminar

El aislamiento interlaminar se consigue formando una capa deóxido natural sobre la superficie de la chapa magnética laminadaplana o aplicando un revestimiento superficial. Evidentemente este

tratamiento no reduce las corrientes parásitas en el interior delas chapas. Generalmente se consigue una mejora en la resistenciaentre chapas recociendo la chapa bajo condiciones ligeramenteoxidantes que aumentan el espesor del óxido superficial ycortando entonces las formas acabadas para los núcleos.Los revestimientos o acabados de aislamiento pueden clasificarseampliamente en orgánicos o inorgánicos:

a) El aislamiento orgánico consiste, en general, en esmaltes obarnices que se aplican a la superficie del acero para proporcionaruna resistenciainterlaminar.La chapa magnética laminada plana con revestimiento de tipoorgánico no puede recibir un recocido de distensión sin perjudicarel valor aislante de la capa. Esta, sin embargo, resiste lastemperaturas de funcionamiento normales. Algunos aislamientosorgánicos son apropiados sólo en núcleos refrigerados por aire,mientras que otros pueden ser apropiados para núcleos detransformadores tanto del tipo refrigerado por aire como los debaño de aceite. El espesor de este tipo de aislamiento es de



aproximadamente de 2,5m

b) El aislamiento inorgánico se caracteriza, en general, por unaelevada resistencia y por la capacidad de resistir las

temperaturas necesarias para el recocido de distensión. Estaideado para núcleos de transformadores refrigerados por aire oen baño de aceite.

Pérdidas en los núcleos de los Transformadores

Las pérdidas en los núcleos de los transformadores puedendividirse 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. óhmicapresentada por el alambre, pérdidas estas que se incrementancuanto mayor es la corriente que los atraviesa.

Fig. 5 - Pérdidas de potencia por corrientes de Foucaultproducidas en un núcleo magnético de una sola pieza.

Las pérdidas en el hierro (núcleo) pueden subdividirse en dospartes: las pérdidas por histéresis magnética y las pérdidas por

corrientes de Foucault o corrientes parasitarias. En el primer casoson debidas a que el núcleo del transformador se encuentraubicado dentro del campo magnético generado por el mismo y, enconsecuencia, se imanta. Pero, ocurre que la corriente aplicada altransformador es alternada y, por tanto, invierte constantementesu .polaridad, variando con la misma frecuencia el sentido delcampo magnético. Luego, las moléculas del material que forma elnúcleo deben invertir en igual forma su sentido de orientación, locual 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 materialescapaces de imanarse y desimanarse fácil y rápidamente, tal comoel hierro silicio.

En cuanto a las pérdidas por corrientes de Foucault o corrientesparasitarias, podremos tener una idea más precisa al respecto si

consideramos, la figura 5 , en la cual apreciamos un supuestonúcleo 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 lasorigina. Siendo el núcleo de una sola pieza, la resistencia queofrecerá a dichas corrientes circulares será baja, lo cual

provocará el incremento de tales corrientes. Debido a su efectocontrario a la fuerza magnetizante, debilitará a esta última y, enconsecuencia, 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 funcionamientodel transformador.

Para contrarrestar el efecto de estas corrientes parasitarias, esposible llegar a una solución muy interesante, basada en ofrecermáxima resistencia transversal a las mismas. Esto se consigueintegrando el núcleo magnético mediante un conjunto de láminasdelgadas de hierro, superpuestas una sobre la otra y aisladasentre sí mediante un baño de goma laca o barniz. En la figura 6

podemos apreciar en forma somera el efecto de reducción de lascorrientes circulares. Naturalmente, que estas se producen lomismo, pero debido a que el hierro tiene ya menor sección, el valoralcanzado por las corrientes de Foucault es sensiblemente másreducido, disminuyendo en consecuencia las pérdidas. En lapráctica, los transformadores se construyen con gran número deláminas muy delgadas de hierro silicio, aisladas entre sí yfuertemente comprimidas.



Fig. 6 - Núcleo magnético laminado utilizado en lostransformadores a fin de reducir las pérdidas de potencia por

corrientes de Foucault .

Núcleos y Formas.

Para la construcción de transformadores se utilizan núcleosconstituidos por chapas de hierro silicio que adoptan diversasformas convencionales. El tipo de chapas utilizado más

frecuentemente es el que adopta la forma de E, tal como se puedeapreciar 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 elentrehierro y aumentar el rendimiento magnético.

Este núcleo tiene la particularidad de aprovechar casi al máximo elflujo magnético, evitándose las pérdidas por dispersión. La forma



correcta de armar un transformador , particularmente un

transformador de potencia - consiste en montar las chapas, enforma invertida, una con respecto a la siguiente, según se observeen dicha figura 7 . De esta forma se evita el entrehierro o espacio

de aire que tanto contribuye a disminuir la permeabilidadmagnética del circuito, lo cual se traduce en una pérdida en laintensidad o densidad del campo magnético, que. en caso deunidades de potencia, resulta un inconveniente.

En este tipo de núcleo se efectúa el bobinado de primario ysecundario en forma de "galleta", montándose sobre la barracentral de la forma como puede observarse en la figura 8 .

La disposición más usual y conveniente es la de disponer elprimario próximo al núcleo, bobinándose sobre éste los restantesdevanados. Tratándose de transformadores de potencia, lasección del núcleo es factor primordial para determinar lapotencia que ha de disiparse.

Para el caso de transformadores con una disipación máxima de300 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 valorconstante,

Además de considerar la sección del núcleo, es necesario tambiéntener en cuenta las dimensiones de la ventana, la superficieocupada 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 variable3.-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 deberáestar en posición de salida de cero voltios después de comprobarla corrección de conexiones, cerrar el interruptor S1. Alimentandoel auto transformador y elevar la tensión aplicada hasta un 50%sobre la tensión nominal.Comprobando el adecuado funcionamiento de todos losinstrumentos y elegido los rangos convenientemente, reducir latensión a cero.

Nuevamente elevar la tensión en forma progresiva registrandovalores de tensión y corriente. Hacer mediciones hasta un 20%sobre la tensión nominal.

OBSERVACIÓN DEL LAZO DE HISTÉRIZIS Y LA FORMA DEONDA 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 formade la figura sobre la pantalla del osciloscopio. Hacer un bosquejoaproximado 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:



2do CIRCUITO

I(amp) P(W) V(vol.)0.32 2 44.8

0.59 1 80.3

0.67 3 90.1

0.76 4 100.3

0.84 6 110.40.91 8 119.6

1.07 11 139.2

1.26 16 159.8

1.45 22 179.4

1.64 29 199.4

1.88 39 220.3

2.19 49 240.8



Las tensiones salida a 20, 40, 60, 100, 120 % de la tensión nominal son22,3 44, 66, 110, 132 V respectivamente.

V. CUESTIONARIO1. Trazar la curvas V vs I, W vs V. Explique sus tendencias.

De la grafica N°1 se puede observar que a medida que vaaumentando 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 vezmás grande en consecuencia el voltaje tiende a mantenerseconstante.

Amplif.vertical(V)

Amplif.Horizontal(V)

22.3 0.16 0.56

44.17 0.32 0.8

66.7 0.4 1.1288.1 0.8 1.48



En forma análoga podemos argumentar para la grafica N°2teniendo como base que el aumento en el consumo de corrienteprovoca un incremento en el consumo de potencia y voltajerespectivamente observándose esto hasta un valor determinadode la potencia en el cual el voltaje se mantiene prácticamenteinvariante.

2. Elaborar un circuito equivalente del reactor para unatensión de 110 voltios.

Para una tensión de 110V se obtiene de la grafica los valores deI y W:

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60

V vs I

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40 50 60

W vs V



I= 0.25A , W=6.5w

Utilizando las siguientes formulas:

2

2

2 ; gW

I

b E

W

geFE

Y reemplazando los valores correspondientes

mSmSb

mg

45.38)537.0(5.6

25.0

537.0110

5.6

2

2

2

En esta ocasión asumiremos que las pérdidas debido alalambrado es cero

0 R Quedando el ckto equivalente como sigue:

3. Diga usted porque se denomina a lo realizado en la preguntaanterior “circuito equivalente”. Un reactor puede ser representado mediante un circuitoeléctrico 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 eficaces2do 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 +Im4ta las oposiciones a Ir e Im, que son:

- la oposición a Ir, o sea la resistencia de pérdidas en el

hierro. r o su conductancia equiv: g =r

1

- la oposición a Im, o sea, la reactancia magnetizante Xm

o su suceptancia equivalente: b = Xm

1

4.- Explicar el funcionamiento del circuito para la observación deLazo 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 completadel ciclo.

- Conectamos las salidas verticales (eje Y) de cada canal al losextremos del condensador.

- Luego, análogamente conectamos las salidas horizontales decada canal a los extremos del reóstato.

- Debemos tomar como punto común (digamos tierra), el nodoque está entre el condensador y el reóstato.

- Ya que la caída de potencial en el condensador esta relacionadocon 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 decampo magnético aplicado y la representación en ordenadas delvoltaje de salida del condensador es proporcional a la densidad

de flujo magnético, los cual nos da el ciclo de histéresis delmaterial.

Es importante ver que una de las señales, la quecorresponde a B, tiene un comportamiento sinusoidal, mientrasque la otra (la que corresponde a H) no, lo que hace que en sucomposición no obtengamos una tíıpica curva de Lissajous. Así

que simplemente con conocer unos pocos datos fáciles dedeterminar, 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 elvoltaje ya que al variar éste también varía el flujo magnético,entonces necesariamente debe variar el campo magnético y laintensidad de campo magnético.

Si variamos la frecuencia no debería variar ya que elvoltaje en el condensador y la resistencia no dependen de ella yaque el voltaje máximo de la onda senoidal no varía al variar lafrecuencia.



VI. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONESUna observación importante acontecida en la experiencia seria la

del uso de los materiales, tal es el caso de las resistenciasutilizadas ya q estas debieron ser resistencias relativamente altasa lo que en potencia se refiere, debido a esto se tiene que tomarlas medidas pedidas, de una manera ágil, rápida porque de locontrario las resistencias se sobrecalentarían alterando su valoróhmico 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 porhistéresis aumentan

VII. BIBLIOGRAFIA:

M.I.T. Circuitos magnéticos y transformadores

Transformadores –Enrique ras

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