UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica, Electrónica y de Telecomunicaciones Perfecta Combinación entre Energía e IntelectoINFORME FINAL PROYECTO DE MAQUINAS ELECTRICAS I ANALISIS, DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN TRANSFORMADOR MONOFASICO Luis Carlos Ramírez Rodríguez 2070163 Presentado a: Ingeniero Juan Manuel Murcia Pacheco Cable de cobre 4. MARCO TEORICO El diseño y cálculo de un transformador consiste en elegir el tipo de núcleo que se va autilizar, elegir el carrete correspondiente, definir los números de espiras de primario y secundario, así como los diámetros de los hilos esmaltados de los dos bobinados. Un transformador elemental consiste de un núcleo de hierro laminado sobre el cual se envuelve una bobina de alambre aislado. Esta bobina puede ser de devanado simple, con empalmes, como un transformador de automóvil, o compuesto de dos bobinas separadas, como se muestra en la siguiente figura y el que este artículo se enfatizará. 1. INTRODUCCION En este informe se analizará y se construirá una máquina que se estudió en el programa del curso Maquinas Eléctricas I, se trata de la elaboración y estudio de un transformador monofásico. A lo largo del proyecto se utilizaran los conceptos ya aprendidos y se mostrara en principio el proceso de cálculos para la determinación de parámetros fundamentales en la construcción, enseguida se ilustrará la construcción física del transformador de acuerdo a los datos ya obtenidos y se estará mostrando con imagines el proceso llevado. 2. OBJETIVOS Plasmar los conceptos ya aprendidos para la elaboración de un modelo real de transformador. Investigar las diferentes técnicas y componentes fundamentales de los trasformadores y su construcción. Afianzar los conceptos acerca de los transformadores monofásicos y realizar las conclusiones pertinentes. 3. MATERILES UTILIZADOS Núcleo de transformador ya utilizado Papel PRESIPAN Barniz dieléctrico Calibrador pie rey destornillador, alicate cinta aislante de pvc Figura 1 una de estas bobinas lleva el nombre de "bobina primaria. y está conectada a la entrada de corriente. Aun cuando se pueden construir núcleos para transformadores con tiras rectas de acero de silicio. produciéndose de ese modo el campo magnético (líneas de fuerzas invisibles) dentro del núcleo de hierro. Esto no quiere decir que se deba seguir siempre exactamente. induce un voltaje en este devanado. fluirá una corriente en el mismo. Por lo tanto. se inducirán 200 voltios en el secundario. desde la cual se toma la energía." y tendrá mayor o menor número de vueltas que el primario. en comparación con el número de vueltas del primario. Sin embargo. La segunda bobina. es el espesor que se obtiene al sobreponer las placas laminadas “B”. el campo magnético. 2. al diseñar un transformador. “C” x “D”. a excepción de una ligera pérdida que se explicará más adelante. El laminado tiende a quebrar dichas contracorrientes.". por las leyes de inducción magnética.Fig. Figura 2. "A. la teoría del funcionamiento de un transformador es la siguiente: El voltaje de la línea envía una corriente por el primario. que pueden obtenerse de un transformador en desuso. que aumenta y disminuye a la par de la corriente alterna. según el caso. deberá compensarse esta situación con un mayor número de vueltas en el primario. Diseño de transformadores El primer paso que se debe tener en cuenta al diseñar un transformador. si se emplea menor cantidad de hierro en el núcleo. La relación entre la superficie del núcleo y el número de vueltas es mantenida de modo que se asegure una densidad magnética prudente en el núcleo. bobina primaria y 200 en la secundaria. si se empleara un núcleo de hierro macizo. pues la inversión constante del flujo de la corriente alterna produce contra-corrientes en un núcleo de hierro macizo. resultan más convenientes.UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. Por ejemplo. se produciría un recalentamiento en el transformador. si han de considerarse las fugas y la eficiencia del transformador. las láminas corrientes de tipo E. El núcleo se compone de placas o láminas de acero de silicio (figura 2). El problema que generalmente confrontan a las personas que quieran crear transformadores es Figura 2 Para resumir. al aplicarse 100 voltios al primario. ya que. con 100 vueltas en la. El voltaje inducido en el secundario es directamente proporcional al número de vueltas de éste." la tabla No. son las dimensiones del núcleo y su relación con una magnitud de voltamperios o "capacidad nominal.1 puede ser usada como guía general." ó "primario" simplemente. la anchura de la sección central. Electrónica y de Telecomunicaciones Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto Como en la anterior figura." o "secundario. se llama "bobina secundaria. no es buena práctica el usar una cantidad excesiva de hierro o cobre. Si se cierra el circuito del secundario mediante el agregado de una carga. Como dicho núcleo también rodea al secundario. y el área de las aberturas. atraviesa las espiras del secundario y. Lo que más se debe tener en cuenta. . mirando la tala 1. con tensión nominal .UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. Tabla 1 5. Las medidas del núcleo. tomadas con un calibrador pie rey se muestran en la siguiente grafica que se adaptó a nuestro caso. Cuando se tiene el núcleo se determina el área del centro de la E. Electrónica y de Telecomunicaciones Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto determinar el número de vueltas y el espesor del alambre necesario para producir un determinado voltaje con un núcleo disponible determinado. Con este dato y dependiendo a las especificaciones que queremos del transformador podemos empezar a diseñar el transformador. PROCEDIMIENTO El primer paso para la construcción de un transformador es conseguir el núcleo donde se va amontar las bobinas respectivas. el área del núcleo en pulgadas cuadradas ( ) Con esta medida y mirando la tabla podemos decir que le transformador se puede diseñar más o menos para una potencia de 75 VA en su salida. Como se puede observar el núcleo está un poco deteriorado por el tiempo que ha estado sin uso el cual nunca ha tenido mantenimiento. Características del transformador Para el proyecto se decidió crear un transformador reductor. Según la gráfica anterior que tiene las medidas reales. esto para determinar aproximadamente que potencia podremos asignarle a la salida de nuestro transformador. donde se será la bobina. Para la práctica se consiguió un núcleo tipo E que prevenía de un trasformador quemado el cual estaba sin uso por obvias razones. Electrónica y de Telecomunicaciones Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto en el primario de 120 v y tensión en el secundario de 50 v. trabajaremos con una tensión nominal a 50VA para evitar la saturación. debido a las perdidas en el hierro. entonces el area será: A= 3. es decir.7=8.3 x 2. Bm= Flujo magnético máximo en Gauss [maxwells/cm2] Para nuestro caso usaremos f = 60 hz Vprim = 120 v A = El área que se utilizara no es precisamente el del núcleo puro. por ende si se el núcleo se aislara con papel aislante podemos sumarle a cada lado un milímetro para efectos de cálculos. f= frecuencia del sistema. ya que el bobinado será arrollado sobre un carrete o un aislante con la idea de asilar el hierro con el cobre de la bobina. como aproximadamente la potencia máxima que se puede trabajar es de 75 VA.UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica.91 cm2 Bm: Para la determinación del flujo a utilizar podemos determinar de la siguiente tabla. Flujo de inducción máximo [Gauss] Hierro común Hierro calidad 13000 15000 10000 13000 Con esta potencia y la tensión de entrada determinamos la corriente nominal del primario Tipo servicio 50 a 60 Hz Con estos parámetros construiremos un transformador de las siguientes características [V] [A] Intermitente Contínuo Como nuestro transformador no va a tener un uso continuo y por las explicaciones anteriores el hierro tratado no es de calidad usaremos un flujo de 10000 gauss Calculo número de vueltas Para el cálculo del número de arrollamientos de las respectivas bobinas del trasfo partimos de la siguiente ecuación: Espiras del primario Aproximadamente . será un transformador 120/50. Basado en lo anterior podemos aplicar la siguiente formula: Donde: Vprim: tensión del devanado primario. Si la potencia de salida es de 50 VA y la tensión nominal secundaria es de 50 V podemos determinar que la corriente nominal en el lado de baja es aproximadamente de 1 A. A= área del núcleo por centímetros cuadrados. Para determinar la corriente nominal del primario partimos del hecho y basado en la experiencia que la potencia de entrada es aproximadamente un 20% mayor que la potencia de salida. 03 1. Electrónica y de Telecomunicaciones Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto SI el transformador fuese una máquina ideal.5 2. Este no es el caso.3 1. para los cálculos se tomaron una Kc de 1. Potencia en el Secundario [VA] 7 10 15 68 75 100 120 180 250 700 1000 Factor de pérdidas en el cobre [adim] 1. D: densidad de corriente.1. Hay que compensar esta pérdida resistiva afectando a los valores anteriores con un coeficiente kc que se obtiene de la tabla siguiente.25 1.025 Las vueltas necesarias en el secundario para cualquier voltaje de salida son: Este valor no es necesario corregirlo por las pérdidas.09 1. Ya teniendo las vueltas de cada devanado el próximo procedimiento consiste en hallar el calibre del conductor en cobre que se utilizarán en las respectivas bobinas.2 ya que se toma la opción más desfavorable.2 y 1.07 1.06 1. Calculo de calibres en cobre Para el cálculo del calibre para ambos devanados nos basaremos en la siguiente formula: Como podemos mirar en nuestro caso. y las fórmulas anteriores estarían correctas.1 1. Scx Espiras del secundario Para determinar las espiras de este devanado es necesario determinar cuántas vueltas por voltio hay en el transformador en general.2 1. La densidad de corriente se puede deducir de la siguiente tabla: Densidad de corriente Tipo trafo [A/mm2] Normal Bobinado a aire Baño de aceite Baño de agua 1 1.UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. debido a que se usó para hallarlas el número de espiras del primario corregido.5 3 Podemos decir que existe en el transformador en general sin importar el devanado .5 Admisible 2 2.05 1. están entre 1. la resistencia interna de sus conductores sería nula.08 1. Ix D Scx = Área del conductor en el respectivo devanado en milímetros cuadrados [mm2] IX: Corriente nominal del debando. 41 mm2.5 4 6.5 3. que para los de una sola capa y con buena refrigeración.02 mm para la bobina secundaria . esta selección se inclina por los valores más bajos.518 mm2 y diámetro 0. En nuestro caso como el bobinado es de aire y el bobinado es de capas se tomara como la densidad de corriente de 1. pero como este no es comercial se escoge realizar el arrollado primario con el cable calibre #20 AWG con sección transversal 0. Para el uso de carretes en el proceso de bobinado es necesario que este tenga las medidas exactas del brazo central del núcleo. Observando dicha tabla nos puede servir el calibre # 21 AWG con área 0. en nuestro caso como era un transformador ya usado el uso de carretes especiales para este nos fue imposible conseguirlo ya que no se consiguió. Electrónica y de Telecomunicaciones Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto Aceite forzado Mejor 2. CONSTRUCCION DEL TRANSFORMADOR Como ya se había mencionado la primera parte de la construcción del transformador es adquirir el núcleo con el que se va a trabajar. se adquirió un núcleo ya usada y que se mostró en la primera parte del trabajo.5 3. Por lo anterior se procedió a crear nuestro propio carrete a base de una guía de madera. la cual se aisló utilizando papel aislante PREISPAN como se muestra en los dibujos Los valores de D resultan inferiores para arrollamientos dispuestos en varias capas. En otro sentido.UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. buscamos en la tabla de conductores AWG en cobre un cable donde el área sea igual o mayor al dato hallado. Por tanto: Como no se vende cable con áreas específicas.81 mm Para el devanado secundario se procedió de igual manera EL calibre inmediatamente mayor es el calibre #18 AWG con sección transversal 0.82 mm2 y diámetro 1.5 [A/mm2]. en el lado opuesto de la bobina.Mimecánicapopular. Las láminas se colocan alrededor de la bobina en posición alternada. OBSERVACIONES Realizadas algunas pruebas al transformador sé vio que la relación de tensiones no es exactamente a la prevista.htm . Al final hay algunas imágenes de todo el proceso de elaboración del transformador. esto se puede asimilar a que la construcción de la maquina se hizo manualmente.com/electrotecni a/problemas14. por lo tanto el error cometido es bastante significativo.com http://www. presentándose algunos inconvenientes que se pudieron solucionar. estando el primer devanado completamente aislado se procedió a realizar las 250 vueltas del segundo devanado. teniendo mucho cuidado a la uniformidad del enrollado. las láminas se colocan en una posición alternada hasta obtener la altura necesaria. A continuación. El proyecto presente se llevó a buenos términos. la parte central de la segunda lámina se inserta en la abertura del núcleo. www. BIBLIOGRAFIA. Esto se realiza con colocar la parte central de la lámina en forma de E en la abertura del núcleo. Cuando se ha terminado de bobinar este devanado se envuelve en papel aislante y se proceden las láminas del núcleo. y si el espesor de las bobinas no caben en las ventanas del núcleo es necesario comprimir estar por medio de una prensa. De esta manera.UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. La no utilización de carretes especiales hace que el proceso de construcción se haga bastante tedioso.sapiensman. aquí el núcleo se le vuelve a colocar su guía de madera y se procede a comprimir la bobina hasta que sus lados quepan en las ventanas del núcleo. Luego se empalma una lámina recta contra los bordes de la lámina en forma de E. 8. Electrónica y de Telecomunicaciones Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto Teniendo nuestro carrete listo se procedió a bobinar las 600 vueltas del devanado primario con calibre # 20. En ambos casos se dejara un cable al principio y otro al final. 7. Se afianzo los conocimientos ya adquiridos sobre el tema de las maquinas estáticas. Nota: Si en el momento de empezar a introducir las láminas. Bobinado secundario Cuando se terminó a bobinar el devanado primario se procedió a aplicarle una capa de barniz dieléctrico y se envolvió con una capa de papel preispan para aislar este del devanado secundario. 9. con el objetico de crear los contactos exteriores. CONCLUSIONES Se aprendió el proceso de fabricación del transformador implementando algunos concepto ya establecidos El proceso de fabricación manual de los trasformadores es muy tedioso lo que se justifica la utilización de poleas especiales para le bobinado. en el lado opuesto a donde se colocó la lámina en forma de E anterior. Transformador recién embobinado Midiendo las medidas del transformador Colocando las laminas Laminas del transformador Trasformador terminado .UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica. Electrónica y de Telecomunicaciones Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto Implementos utilizados. Electrónica y de Telecomunicaciones Perfecta Combinación entre Energía e Intelecto .UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER Escuela de Ingenierías Eléctrica.