Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III

12ava

edición 68

Transformadores - Relés e

Interruptores magnéticos

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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 Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz)

Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: Forma de la curva SINUS 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 = V

Voltímetro B: tensión secundaria USEC = 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 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 Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz) Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: Forma de la curva SINUS 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.

Monte el siguiente arreglo experimental.

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. Monte el siguiente arreglo experimental. 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?