Maquinas Elctricas II

Diseo de un Transformador Monofsico

I.

INTRODUCCION.

El diseo y la construccin de transformadores monofsicos es un proceso de clculo mediante el cual se trata de determinar sus dimensiones geomtricas, para as obtener las caractersticas de funcionamiento deseadas por el diseador para la aplicacin en la que el transformador se usar. En el mbito del diseo es importante la secuencia lgica de relaciones, que permiten determinar las dimensiones a partir de las especificaciones y de ciertos valores supuestos en base a experiencia en diseos similares. Finalmente cuando se tiene el prototipo construido se procede al anlisis para ver si su comportamiento coincide con el comportamiento requerido y repeticin del proceso si es necesario corregir el diseo.

Figura1. Transformador monofsico (alzado-corte) El circuito magntico de un transformador monofsico est caracterizado por dos reas o superficies caractersticas: el rea de Ncleo, Ac, que es la superficie de la columna central del transformador, y el rea de Ventana, Av, que es la superficie del hueco o ventana que queda entre la columna central y las laterales; en realidad es la superficie que estar ocupado por los bobinados de primario y secundario, as como por los aislamientos. Las chapas magnticas que se utilizarn tienen forma de E y de I.

II.

MARCO TEORICO.

Un transformador es un dispositivo que transforma la energa elctrica de un nivel de tensin y corriente a otro nivel de tensin y corriente mediante la accin de un campo magntico. Un transformador elemental consiste de un ncleo de hierro laminado sobre el cual se envuelve una bobina de alambre aislado. El ncleo se compone de placas o lminas de acero de silicio, pues la inversin constante del flujo de la corriente alterna produce contra-corrientes en un ncleo de hierro macizo. Por lo tanto, si se empleara un ncleo de hierro macizo, se producira un recalentamiento en el transformador. El laminado tiende a quebrar dichas contracorrientes. En cuanto al funcionamiento del transformador, si se le aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario circulara una corriente por el primario, producindose de ese modo el campo magntico dentro del ncleo de hierro. Este campo magntico variable originar por las leyes de induccin magntica un voltaje en este devanado las espiras del secundario. El sistema magntico estar formado por dos bobinas (una de primario y otra de secundario) arrolladas sobre un carrete y un ncleo ferromagntico formado por chapas magnticas que permitir que el flujo comn a ambas bobinas enlace magnticamente los circuitos de primario y secundario.

Figura2. Chapas magnticas para fabricar el ncleo. Conociendo las dimensiones anteriores, se podr escribir que las reas definidas sern:

Donde D es la profundidad del ncleo y E es la longitud.

Maquinas Elctricas II III. PROCEDIMIENTO Y DATOS.

Se ha adquirido una lmpara de 110w trada desde estados unidos que trabaja a 220 V, se necesita utilizar esta lmpara pero se tiene un sistema elctrico que trabaja a 110 V, para esto disearemos un transformador elevador de 110 a 220V de 110 w de potencia. Lo primero que se calcular es son las dimensiones del ncleo ferromagntico, como la tensin de alimentacin del transformador ser 110 VA y estamos trabajando en un sistema de 60hz por ende se procede a revisar las tablas de la seccin.

Figura4. Medida de las chapas magnticas. Ahora se proceder a calcular el nmero de vueltas para el bobinado primario que se encuentra con la ecuacin

Donde V es la tensin, f es la frecuencia elctrica, A es la seccin (en nuestro caso en pulgadas cuadradas) y Bm son las lneas de fuerza de campo magntico por pulgadas cuadradas; entonces el nmero de vueltas son:

Figura3. Normas para ncleo de un transformador. Ahora que ya tenemos la seccin procedemos a hallar el resto de las dimensiones de la ventana, como la seccin es de 2,18 pulgadas cuadradas lo que se busca es que esta sea una seccin donde el ancho sea el doble del largo por lo tanto el E es igual a 2 pulgadas. Con este dato de E se procede a calcular la longitud de cada parte del ncleo por ende quedara as:

Estas son el nmero de espiras que se necesitan en el primario del transformador, para el secundario ahora en teora se necesitaran el doble de vueltas para elevar la tensin, es decir, 400 vueltas pero usaremos un 3% adicional para compensar la cada de tensin debido a la resistencia de los cables y esto es igual a 412 vueltas. Luego de esto se necesita tener los calibres de los conductores para el transformador, ya teniendo la potencia y las tensiones se encontrara la mxima corriente que pasara por este.

Para el primario

Para el secundario

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Ahora que se tienen las corrientes buscamos en la siguiente tabla los calibres apropiados para el embobinado.

De este transformador se utiliz solo el ncleo as que se empez a retirar lmina por lmina este para sacar el embobinado antiguo, este fue un proceso fcil pero largo debido a la cantidad de lminas que constituyen el ncleo. Luego de este proceso se realiz la parte del bobinado con una bobinadora, esta facilit el trabajo ya que se termin mucho ms rpido que si se hubiera hecho manualmente, pero se deba tener cuidado con la velocidad de que se hiciera uniformemente de un lado al otro, cuando se termin la primera capa se coloc la siguiente encima debido a que los alambres vienen con un esmalte que asla bajas corrientes, para el secundario si se aslo con una cinta especial y se procedi a embobinar el secundario similarmente al primario. Cuando se termin el embobinado se aslo el secundario para que no hiciera corto circuito con el ncleo ni con la carcasa de este. A continuacin se muestra a cada integrante del grupo embobinando los devanados primario y secundario del transformador.

Figura5. Tabla de calibres para cables de embobinado. Debido a que los transformadores no funcionan con una eficacia del 100% se asume un incremento en la corriente del primario del 10% para que se entregue la potencia requerida en el secundario el cual ser el que alimente a la lmpara, es decir, la corriente en el primario ser de 1,1 A; entonces pala el primario se necesitaran 200 vueltas de alambre de calibre nmero 19 y para el secundario 412 vueltas de alambre de calibre nmero 23. Despus que se realizaron los clculos tericos se procedi a realizar el montaje del transformador, lo primero fue la bsqueda del ncleo y uno de las grandes dificultades fue encontrar uno con las mismas dimensiones del calculado, as que lo que se hizo fue buscar el ms cercano a este, en nuestro caso se encontr un ncleo con dimensiones muy aproximadas, casi las mismas de un transformador antiguo.

Maquinas Elctricas II Ahora procedemos a realizar los clculos de circuito equivalente mediante las pruebas de circuito abierto y corto circuito Prueba Prueba corto circuito circuito abierto Tensin(V) 221 5,5 Corriente(mA) 160 500

IV.

CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES.

Potencia(W)

3,5

0,5

A la hora de armar el transformador monofsico segn lo que se dise se debe tener en cuenta varios aspectos importantes, uno de esos aspectos es a la hora de embobinar tanto el primario como el secundario; el embobinado se debe hacer de un lado a otro, de tal manera que al terminar el nmero de vueltas calculadas para cada lado del transformador, la bobina quede de manera uniforme, esto con el fin de dejar una tolerancia de distancia entre en el embobinado y las lminas del ncleo para garantizar que el transformador funcione correctamente y evitar un corto circuito con las lminas del ncleo. Adicionalmente cuando se va a embobinar un transformador en donde la corriente mxima nominal que circulara es pequea, no importa si los cables de las bobinas tanto del primario estn encima unos de otros, de igual manera con el secundario puesto que el mismo cable tiene un esmalte que funciona como un aislante porque el calibre del cable usado para las bobinas soporta la corriente mxima nominal que maneja el transformador. Ahora bien, cuando se construyen transformadores de mayor capacidad ( mayor corriente, voltaje, potencia) los cables del embobinado no pueden ir unos encima de otros puesto que el aislamiento no resistir la corriente mxima nominal, causando puntos calientes en el transformador y eso es algo que se quiere evitar; para eso cuando ya se forma la primera capa del embobinado, es decir, cuando ya no se pueden dar ms vueltas en el carrete se le coloca un aislante y se continua con el proceso de embobinado. Para resumir entre capa y capa de embobinado debe haber un aislante, hasta culminar las vueltas respectivas tanto del primario como del secundario del transformador.

Figura6. Circuito Equivalente del Transformador. Circuito abierto ,

Corto circuito =79,5

V.

AGRADECIMIENTOS

Eficiencia Vin=113V Iin=1,058A Vout=220V Iout=0,503A

Nuestros agradecimientos a la empresa Jorge Len Bedoya cia. en donde se llev a cabo todo el desarrollo del transformador y adems, agradecimientos a Joe Fabin Martnez y Ricardo Manjarres que fueron las personas encargadas de velar por nuestra seguridad dentro de las instalaciones y de guiar al grupo a lograr el objetivo de realizar el transformador.

Regulacin (a un factor de potencia de 1) Rv =

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VI.

REFERENCIAS

CHAPMAN, Stephen. Mquinas Elctricas. 4 Ed. McGraw Hill. Diseo y fabricacin de un transformador monofsico, realizado en febrero del 2010, consultado el 16 de septiembre del 2011 http://www.tecnun.es/asignaturas/SistElec/Practicas/ Trabajo_09_10.pdf Construya su Propio Transformador - Parte I - El Diseo, realizado en abril de 1950, consultado el 16 de septiembre del 2011 http://www.mimecanicapopular.com/verhaga.php?n= 18 Transformador, realizado el 10 de septiembre del 2011, consultado el 16 de septiembre del 2011 http://es.wikipedia.org/wiki/Transformador#Funciona miento