Transformadores -Relés e Interruptores magnéticos A

Transcripción

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Transformadores - Relés e
Interruptores magnéticos
Experiencia No9
A)
TRANSFORMADOR
Es una de las más importantes aplicaciones técnicas de la inducción. Se puede encontrar en
todos los tamaños, como transformador de alta tensión, en la transmisión de energía , o como
transformador de baja tensión, prácticamente, en todos los aparatos que se alimentan con la
tensión de la red.
Los transformadores sólo se pueden operar básicamente con corriente alterna. Entre las
funciones que cumplen se encuentran:
Transmisión de energía
Un transformador puede transportar energía, con
pocas pérdidas, de un nivel de tensión a otro.
Adaptación de tensión
Un transformador convierte tensiones, es decir,
transforma tensiones en otras mayores o menores.
Principio del transformador
Por lo general, los transformadores constan de devanados acoplados
magnéticamente.
Se diferencia entre el devanado primario, es decir, el que consume
potencia eléctrica, y el devanado secundario, es decir, el que entrega
potencia eléctrica. Igualmente, de modo análogo se habla de:



Tensión primaria u1 y secundaria u2
Corriente primaria1 y secundaria i2
Número de espiras del devanado primario n1 y del secundario n2
Los transformadores tienen diversas formas. En los pequeños
transformadores monofásicos, como el que se muestra en el ejemplo, ambos devanados se
encuentran arrollados en un sólo lado del núcleo de hierro. Con esto se logra que el flujo
magnético generado por una bobina se transmita casi por completo a la otra bobina. Las líneas
de campo se encuentran prácticamente dentro del núcleo, la dispersión es mínima y el circuito
magnético se cierra a través de los otros lados exteriores.
Si por el devanado primario circula una corriente, debido a la variación del flujo magnético en el
tiempo, en el devanado secundario se inducirá una tensión. La relación entre las dos tensiones
corresponderá a la existente entre el número de espiras de los devanados. Las corrientes, al
contrario, tienen una relación inversamente proporcional a la de los devanados:
Comportamiento
El transformador no se puede considerar de ningún modo como un componente ideal, carente
de dispersión y pérdidas. En la práctica se determinan pérdidas que se manifiestan en el
calentamiento del transformador. Las causas de esto son:
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

Pérdidas en los devanados debidas a la resistencia del alambre de cobre
Pérdidas en el hierro debidas a corrientes parásitas y pérdidas por histéresis, causadas
por la inversión magnética del hierro
Para reducir estas pérdidas, el núcleo del transformador se construye de capas de chapas
individuales, aisladas entre sí.
Esto evita considerablemente la formación de corrientes parásitas. La chapa del transformador
se construye de material magnético suave, con una curva de histéresis angosta.
Las pérdidas resistivas son la causa especial de que la tensión secundaria del transformador
con carga no permanezca constante, sino que descienda. Este fenómeno se aprecia más en
los transformadores pequeños, que poseen devanados de alambre de cobre delgado.
1.-Transformador sin núcleo y con núcleo
Se estudiará la transmisión de energía en un
transformador con y sin núcleo de hierro y se
conocerá el efecto importante que tiene dicho
componente.
Monte el siguiente arreglo experimental.
Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen del instrumento.
Realice los siguientes ajustes:
Forma de la curva SINUS
Frecuencia en 500Hz
Amplitud 1:1 y 100%
Active el botón POWER y observe la luminosidad de la lámpara.
Apague de nuevo el botón POWER del generador de funciones.
Pulse a continuación STEP2, en la animación, y complemente el transformador, como se
indica, con el núcleo de hierro.
Conecte de nuevo el generador de funciones y observe la luminosidad de la lámpara.
1.- ¿Cómo se comporta la lámpara en el devanado secundario de un transformador con y sin
núcleo? responda
2.- ¿En el transformador, qué influencia ejerce un núcleo de hierro sobre la transmisión
de energía? Responda.
2.-Relación de transformación
Se aplicará una tensión alterna al transformador; se
medirá con el voltímetro la amplitud de las tensiones
primarias y secundarias y se calculará la relación de
transformación.
Monte el siguiente arreglo experimental:
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Abra el instrumento virtual voltímetro A pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes:
Rango: 5 V, DC
Display digital
Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz)
Abra el instrumento virtual voltímetro B pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes:
Rango: 2 V, DC
Display digital
Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes
ajustes:
Frecuencia 50Hz
Amplitud 1:1 y 25%
Conecte el generador de funciones accionando el botón POWER.
Lea ambos instrumentos y transfiera los valores:
Voltímetro A: tensión primaria UPRIM =
V
Voltímetro B: tensión secundaria USEC =
V
Varíe el número de espiras del transformador n1 = 400, n2 = 200. La animación STEP2 muestra
la manera de hacerlo.
Lea ambos instrumentos y transfiera los valores:
Voltímetro A: tensión primaria UPRIM =
Voltímetro B: tensión secundaria USEC =
V
V
Calcule:
Tensión primaria/ tensión secundaria: UPRIM / USEC=
Espiras del primario/ espiras del secundario n1 / n2=
1.- ¿Cuál de las afirmaciones de relación de transformación del transformador es correcta?
explique cada una de ellas.
2.- ¿Por qué razón, la tensión de salida es menor que lo esperado de acuerdo con la relación
entre el número de espiras de los devanados? Explique por qué
3.-Transformador con
carga
Se aplicará una carga a un
transformador y se medirá la tensión
del secundario mientras se aumenta
la carga.
Los valores medidos se anotarán en
una tabla y se representaran
gráficamente.
Monte el siguiente arreglo
experimental.
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Abra el instrumento virtual voltímetro A pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes:
Rango: 5 V, DC
Display digital
Abra el instrumento virtual voltímetro B pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes:
Rango: 2 V, DC
Display digital
Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes
ajustes:
Frecuencia 50Hz
Amplitud 1:1 y 40%
Conecte el generador de funciones accionando el botón POWER.
Cargue el transformador con los valores de resistencias indicados en la tabla. En la animación
sólo se muestra el primer caso, esto es, una carga de 100  Los otros casos se obtienen
conectando en serie y en paralelo las dos resistencias de 100  . El valor 9999 representa el
caso a circuito abierto, es decir, sin carga. El valor de 10  se obtiene aproximadamente con la
lámpara.
Lea los valores medidos en el voltímetro B y anótelos en la tabla.
Compare los valores medidos representados en su diagrama con la siguiente selección.
Grafique U vs R, Interprete.
¿Cuál afirmación sobre un transformador es correcta?
A) La tensión de salida disminuye cuando la carga resistiva aumenta.
B) La tensión de salida aumenta cuando la carga resistiva disminuye.
C) La tensión de salida aumenta cuando la carga resistiva disminuye.
Cuestionario sobre el transformador
1.-¿En qué se distinguen el devanado primario y el secundario del transformador?
Responda.
2.-¿Cómo se comportan la tensión y la corriente en un transformador por cuyo devanado
primario circula corriente alterna? Responda.
3.-Los transformadores no son componentes ideales en la práctica mencione los problemas
que presentan.
4.-En un transformador con carga resistiva, ¿Qué ocurre con la tensión?
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Relés Magnéticos
1.-FUNDAMENTO TEÓRICO
En 1837, cuando Samuel Morse pudo hacer funcionar su
telégrafo de registro de señales, desarrollado con
el electroimán creado por J. Henry en 1824, fue el momento
en el que nació el relee. Su nombre se deriva del francés y al
comienzo se utilizó en las comunicaciones para la
retransmisión de mensajes, de modo similar a las estaciones
de relevos (celáis) propias de la época en que el correo era
transportado por diligencias tiradas por caballos.
En la era de los bits y los Bytes se podría pensar que los
relés electromecánicos estarían pasados de moda. Pero en la
realidad, hoy en día se fabrican más relés que nunca antes.
El relé es, en principio, un conmutador que, con una corriente
eléctrica de muy baja potencia, acciona contactos
conmutadores que pueden conectar potencias mayores.
Los relés existen en muchas formas:
 estable o monoestable (regresan a la posición inicial)
 biestables, conocido también como conmutador de control remoto
 con diferentes cantidades de contactos de conmutación
 relees temporizadores (excitación o des excitación con retardo)
 para diferentes tensiones de mando
 para diferentes corrientes de conmutación
Sobre un aislante (verde) y un núcleo de hierro se encuentra
arrollada una bobina. Si al conectar el relé, la corriente circula
por la bobina, se genera un flujo magnético, cuyas líneas
transcurren básicamente a través del núcleo de hierro. El
circuito magnético se cierra a través del hierro exterior y la
armadura que se puede ver arriba. El campo magnético
produce una fuerza de atracción sobre una armadura. En la
armadura se encuentran los contactos de conmutación fijados
con aislante. La armadura es móvil y la fuerza de atracción
magnética la desplaza hacia la bobina con núcleo de hierro.
Los contactos se accionan debido al movimiento de la
armadura, el circuito eléctrico principal se cierra y la lámpara se enciende. De la misma manera
se puede construir un interruptor o un conmutador.
Al suspenderse la corriente de
excitación,
en
los
relees
monoestables, la fuerza de un
resorte procura que el contacto
retorne a su posición inicial.
2.-CONECTAR EL RELÉ
Se aplicará una tensión al
devanado de excitación del relé.
Con el contacto de conmutación
se encenderá una lámpara en el
circuito eléctrico principal. Monte
el siguiente arreglo experimental.
Abra y cierre varias veces la
última conexión y observe lo que
sucede (también dentro del relé).
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¿Qué sucede después de que el relé se conecta a la tensión de alimentación? Responda
detalladamente este proceso
Diodo de vía libre
El devanado de excitación de un relee representa una inductancia. Tras
la carga eléctrica almacenada en la inductancia causa una punta de
tensión negativa.
El diodo de vía libre permite que, tras la desconexión de la batería, la
corriente siga circulando brevemente, disipando la energía
electromagnética acumulada, sin que se presenten las puntas de
tensión. Observe el circuito de conmutación y la forma de la tensión al
conectar y desconectar. Pulsando el botón verde, el circuito se
complementará con un diodo de vía libre.
3.-Punta de inducción
Se conectará y desconectará el relé y se
observará lo que sucede al desconectarlo.
A continuación se repetirá el experimento
con el diodo de vía libre y se advertirá la
diferencia.
Abra y cierre varias veces la conexión con
la alimentación de tensión de 5V y observe
el comportamiento de la lámpara
fluorescente.
Nota: La lámpara se utilizará solamente
como indicador de "alta tensión". La
lámpara se enciende sólo a aprox. 110 V,
por debajo de esta tensión permanece oscura
1.- ¿Cómo se comporta una lámpara de efluvios conectada en paralelo al devanado excitador
del relé? Explique.
2.- ¿Cuál es la razón para que la lámpara conectada en paralelo al devanado de excitación del
relé se ilumine brevemente? Explique.
Incluya el diodo de vía libre y repita el experimento. La animación muestra la manera en que se
debe conectar el diodo por medio de un puente; pulse sobre el botón con el diodo para
observarlo.
3.- ¿Cómo se comporta una lámpara de efluvios conectada en paralelo al devanado de
excitación del relé con diodo de vía libre? Explique.
4.- ¿Cuál es la razón de la ausencia de una punta de inducción al desconectar un relé con
diodo de vía libre?
INTERRUPTOR DE LÁMINAS
FUNDAMENTO TEÓRICO
Los interruptores de láminas constan de dos contactos de muelle, muy cercanos, colocados
dentro de un cuerpo de vidrio. Si el tubito de vidrio se encuentra cerca de un campo magnético,
los contactos adoptan polaridades distintas y se cierran abruptamente. De este modo se
establece la conexión eléctrica entre ambos contactos.
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Los interruptores de láminas se comportan de diferente manera, según sea el modo en que se
acerca el imán al tubo.


Arriba: Se encuentran presentes dos campos para dos puntos de
conmutación. En la mitad del tubo los contactos permanecen abiertos.
Abajo: El campo se encuentra en la mitad del tubo. El interruptor de láminas
sólo tiene un punto de conmutación.
EXPERIMENTO DE INTERRUPTOR DE LÁMINAS
Se observará el funcionamiento de un interruptor
de láminas. Para esto se montará un circuito
eléctrico con una lámpara, que se encenderá y
apagará por medio de un interruptor de láminas
cuando un campo magnético actúe sobre el
interruptor.
Saque de su soporte los dos imanes
permanentes. Pase uno de los imanes cerca del
interruptor
de
láminas
y
observe
el
comportamiento del interruptor cuando se pasa el
imán en diferentes posiciones, como se describe a
continuación:
Vertical: polo norte hacia abajo
Vertical: polo sur hacia abajo
Horizontal: polo norte hacia la izquierda
Horizontal: polo sur hacia la izquierda
1.-¿Cuáles afirmaciones sobre los puntos de conmutación se confirman con el experimento y
explique cada una detalladamente?
A) Si un polo pasa cerca del interruptor de láminas, aparece un punto de conmutación.
B) Si el imán pasa horizontalmente, cerca del interruptor de láminas, aparece un punto de
conmutación.
C) Si el imán pasa horizontalmente, cerca del interruptor de láminas, aparecen dos puntos
de conmutación.
D) Si un polo pasa cerca del interruptor de láminas, aparecen dos puntos de conmutación
2.-¿Reacciona el interruptor de láminas con mayor sensibilidad (incluso con distancias
mayores) cuando se acerca el imán vertical u horizontalmente? Explique detalladamente
5.-CUESTIONARIO
El polo sur de un imán pasa delante del interruptor de láminas.
1.- ¿Cuántos puntos de conmutación aparecen?
2.- ¿Qué aplicaciones tiene el interruptor de láminas?
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Transformadores -Relés e Interruptores magnéticos A

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