Transformadores

Instituto Tecnológico de Tijuana

Modulo: Tópicos de ingeniería y tecnología I

Profesor: Jorge Carlos Ríos

Reporte: Transformadores

Especialidad: Ingeniería en nanotecnología

Nombres: Ochoa Rodríguez Martín Fernando

Figueroa Mendoza Francisco

Raygoza López Ernesto Alonso

Tijuana, Baja California a martes 24 de mayo del 2011

El transformador es un dispositivo que se encarga de "transformar" el voltaje de corriente alterna que tiene a su entrada en otra diferente amplitud, que entrega a su salida.

Se compone de un núcleo de hierro sobre el cual se han arrollado varias espiras (vueltas) de alambre conductor.

Este conjunto de vueltas se llaman bobinas y se denominan:

Bobina primaria o "primario" a aquella que recibe el voltaje de entrada y
Bobina secundaria o "secundario" a aquella que entrega el voltaje transformado.

La Bobina primaria recibe un voltaje alterno que hará circular, por ella, una corriente alterna

Esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro. Como el bobinado secundario está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético circulará a través de las espiras de éste.

Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del "Secundario", se generará por el alambre del secundario un voltaje.

En este bobinado secundario habría una corriente si hay una carga conectada (el secundario conectado por ejemplo a un resistor)

La razón de transformación del voltaje entre el bobinado "Primario" y el "Secundario" depende del número de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario. En el secundario habrá el triple de voltaje. La fórmula:

Un transformador puede ser "elevador o reductor" dependiendo del número de espiras de cada bobinado. Si se supone que el transformador es ideal (la potencia que se le entrega es igual a la que se obtiene de él, se desprecian las pérdidas por calor y otras), entonces:

Potencia de entrada (Pi) = Potencia de salida (Ps). Pi = Ps

Si tenemos los datos de corriente y voltaje de un dispositivo, se puede averiguar su potencia usando la siguiente fórmula.

Potencia = voltaje x corriente

P = V x I (en watts)

Aplicando este concepto al transformador y como

P (bobinado primario) = P (bobinado secundario)

La única manera de mantener la misma potencia en los dos bobinados es que cuando el voltaje se eleve, la corriente se disminuya en la misma proporción y viceversa. Entonces:

Inductancia mutua

Cuando el flujo magnético a través de un circuito varía con el tiempo debido a las corrientes variables en el tiempo en circuitos cercanos, se produce una FEM a través de un proceso conocido como inductancia mutua.

Se llama así porque depende de la interacción de dos circuitos.

Coeficiente de acoplamiento

El flujo del acoplamiento depende de la separación y orientación de los ejes de las bobinas y de la permeabilidad magnética del medio donde se encuentran dichas bobinas. La fracción del flujo total que abraza o acopla a las dos bobinas se llama coeficiente de acoplamiento magnético K:

Por ser φ₁₂ ≤ φ₁₁ φ₂₁ ≤ φ₂₂, el valor máximo de K es la unidad.

El coeficiente M se puede expresar en función de las autoinducciones L1 y L2 operando de la forma siguiente, multiplicando por:

que, ordenándola convenientemente, sería:

pero como: y

Tendríamos o .

Razón de vueltas

Una de las principales aplicaciones de los transformadores es elevar y bajar la tensión, esto se consigue con relación al número de vueltas en el devanado primario y en el secundario.

El hecho de que la razón de tensiones sea igual a la razón de vueltas, puede expresarse por la siguiente formula:

dónde:

NP = Número de vueltas en el devanado primario.

NS = Número de vueltas en el devanado secundario.

VP = Voltaje en el devanado primario.

VS = Voltaje en el devanado secundario.

Si un transformador tiene 20,000 vueltas en el devanado primario y 5,000 vueltas en el secundario, y se le aplica un voltaje de CA de 120 Volts en el primario ¿Cuál es el voltaje obtenido en el secundario?

Datos:

NP = 20,000

NS = 5,000

VP = 120 VCA

VS =?

Formula:

Despeje de V_s

Sustitución:

La corriente en el secundario es inversamente proporcional a la razón de vueltas, es decir; un transformador elevador de voltaje puede ser considerado como un transformador reductor de corriente o bien un transformador reductor de voltaje puede ser considerado como un elevador de corriente, esto se puede expresar de la siguiente manera:

Dónde:

N_P = Número de vueltas en el devanado primario.

N_S = Número de vueltas en el devanado secundario.

I_P = Corriente que circula en el devanado primario.

I_S = Corriente que circula en el devanado secundario.

Transformador de subida y bajada

En un trasformador de subida el voltaje del secundario es más alto que el voltaje del primario, mientras en un trasformador de reducción el voltaje del secundario es más bajo. Ya que a=E_P/E_S, un transformador de elevación tiene a<1, mientras que para un trasformador de reducción a>1. Si a=1, la relación de vueltas del transformador es unitaria y el voltaje del secundario es igual al voltaje del primario.

Suponga que un transformador tiene 500 vueltas en su primario y 1000 vueltas en su secundario.

1. Determine el número de vueltas

La relación de vueltas es a=E_P/E_S =500/1000=0.5.

Este es un transformador de subida 1:2.

Transformador de aislamiento

Los transformadores son máquinas eléctricas las cuales constan de dos bobinas o devanados, llamados primario y secundario, los cuales están acoplados en forma electromagnética, sin que exista unión física entre ambos devanados. Esta construcción tiene inherente el aislamiento entre el primario y el secundario, por lo tanto básicamente todo transformador es aislado, pero realmente lo importante es su aislamiento a los ruidos.

Este tipo de aislamiento tiene ciertas consideraciones especiales.

Proporciona aislamiento galvánico entre el primario y el secundario, de manera que consigue una alimentación o señal "flotante". Suele tener una relación 1:1. Se utiliza principalmente como medida de protección, en equipos que trabajan directamente con la tensión de red. También para acoplar señales procedentes de sensores lejanos, en resistencias inesianas, en equipos de electromedicina y allí donde se necesitan tensiones flotantes entre sí.

Un Transformador de Aislamiento permite que la tierra sea restablecida cerca del sistema de cómputo. En realidad, el neutro está sólidamente referenciado a tierra a través de la unión y no a través de cualquier capacidad distribuida que pueda existir en la carga. Cualquier ruido de Modo Común que aparezca en el secundario tiene su corriente cortocircuitada a tierra a través de la unión neutro-tierra del transformador.

De lo anterior podemos concluir que cualquier tipo de voltaje desarrollado en la unión es por lo tanto extremadamente bajo.

Como se observa también de la figura 34, un terminal del secundario, la pantalla y el núcleo están unidos a tierra, proporcionando un solo punto de unión. Es muy claro que si el Transformador está montado en un chasis metálico haciendo parte de un Acondicionador, el chasis está unido a este punto de tierra.

Lo que realmente se hace al diseñar un Acondicionador de voltaje es tratar de hacer que la tierra y cualquier otro punto de referencia relacionada con esta, tengan la impedancia más baja posible la una con respecto a la otra. Con lo anterior obtenemos un punto "limpio" y único de referencia de tierra para cualquier cosa conectada al Acondicionador.

Tipos de transformador

Tipos de transformadores. Se denomina con este nombre al aparato eléctrico cuya función es convertir la corriente alterna de alta tensión y débil intensidad en otra de baja tensión y gran intensidad, o viceversa.

Según sus aplicaciones estos se clasifican en:

· Transformador de aislamiento: Suministra aislamiento galvánico entre el alambre primario y el secundario, por lo cual proporciona una alimentación o señal "flotante". Su relación es 1:1.

· Transformador de alimentación. Estos poseen uno o varios alambres secundarios y suministran las tensiones necesarias para el funcionamiento del equipo. A veces incorporan fusibles no reemplazables, que apagan su circuito primario en caso de una temperatura excesiva, evitando que éste se queme.

· Transformador trifásico. Poseen un trío de bobinados en su primario y un segundo trío en su secundario. Pueden adoptar forma de estrella (Y) o triángulo. A pesar de tener una relación 1:1.

· Transformador de pulsos: Esta destinado a funcionar en régimen de pulsos debido a su rápida respuesta.

· Transformador de línea o flyback: Estos son transformadores de pulsos. Con aplicaciones especiales como televisores con TRC (CRT) para generar la alta tensión y la corriente para las bobinas de deflexión horizontal. Entre otras propiedades, frecuentemente proporciona otras tensiones para el tubo.

· Transformador con diodo dividido: Su nombre se debe a que está constituido por varios diodos menores en tamaño, repartidos por el bobinado y conectados en serie, de modo que cada diodo sólo tiene que soportar una tensión inversa relativamente baja. La salida del transformador va directamente al ánodo del tubo, sin diodo ni triplicado.

· Transformador de impedancia: Usado como adaptador de antenas y líneas de transmisión, era imprescindible en los amplificadores de válvulas para adaptar la alta impedancia de los tubos a la baja de los altavoces.

· Transformador Electrónico: Se caracteriza por ser muy utilizados en la actualidad en aplicaciones como cargadores para celulares. Utiliza un Corrector de factor de potencia de utilización imprescindible en los circuitos de fuente de alimentaciones conmutadas en lugar de circuitos.

Según su construcción existen diversos tipos como son:

· Transformador de grano orientado, Auto transformador. El primario y el secundario constituyen un bobinado único. Pesa menos y es más barato que un transformador y por ello se emplea habitualmente para convertir 220V a 125V y viceversa y en otras aplicaciones equivalentes.

· Transformador toroidal. Son más voluminosos, pero el flujo magnético se confina en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas por corrientes de Foucault.

· Transformador de grano orientado. El núcleo se conforma por una placa de hierro de grano orientado, que se envuelve en sí misma, siempre con la misma dirección, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales. Las pérdidas son escasas pero es de alto costo. Estos tipos son los más utilizados, pero existen otros diversos modelos según el tipo de aplicación a la cual son destinados.

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Magnetismo y electromagnetismo

Instituto Tecnológico de Tijuana

Ingeniería en Nanotecnología

= Magnetismo y electromagnetismo =

Materia.- Tópicos de Ingeniería y Tecnología I

Maestro.- Jorge Carlos Ríos

Alumnos.-

Francisco Figueroa Mendoza

Martin Fernando Ochoa Rodríguez

Ernesto Alonso Raygoza López

5 de abril del 2011

Campo Magnético.

El campo magnético es una región de espacio en la cual una carga eléctrica puntual de valor q, que se desplaza a una velocidad , sufre los efectos de una fuerza que es perpendicular y proporcional tanto a la velocidad v como al campo B. Así, dicha carga percibirá una fuerza descrita con la siguiente igualdad.

Donde F es la fuerza, v es la velocidad y B el campo magnético, también llamado inducción magnética y densidad de flujo magnético.

El módulo de la fuerza resultante será

La existencia de un campo magnético se pone de relieve gracias a la propiedad localizada en el espacio de orientar un magnetómetro (laminilla de acero imantado que puede girar libremente). La aguja de una brújula, que evidencia la existencia del campo magnético terrestre, puede ser considerada un magnetómetro.

Electromagnetismo

En 1820 el físico danés Hans Christian Oerted descubrió que entre el magnetismo y las cargas de la corriente eléctrica que fluye por un conductor existía una estrecha relación.

El electromagnetismo se utiliza tanto en la conversión de energía mecánica en energía eléctrica (en generadores), como en sentido opuesto, en los motores eléctricos.

Cuando una corriente (sea alterna o continua) viaja por un conductor (cable), genera a su alrededor un efecto no visible llamado campo electromagnético.

Este campo forma unos círculos alrededor del cable como se muestra en la figura. Hay círculos cerca y lejos al cable en forma simultánea.

El campo magnético es más intenso cuanto más cerca está del cable y esta intensidad disminuye conforme se aleja de él hasta que su efecto es nulo. Se puede encontrar el sentido que tiene el flujo magnético si se conoce la dirección que tiene la corriente en el cable y con la ayuda de La ley de la mano derecha

Este efecto es muy fácil visualizar en corriente continua

La fórmula para obtener el campo magnético en un conductor largo es:

Donde:

B: campo magnético

m: es la permeabilidad del aire

I: corriente que circula por el cable

d: distancia desde el cable

Si hubiera N cables juntos el campo magnético resultante sería:

Donde N: número de cables.

El campo magnético en el centro de una bobina de N espiras circulares es:

Donde: R es el radio de la espiral

Es importante mencionar que una corriente en un conductor genera un campo magnético y que un campo magnético genera una corriente en un conductor. Sin embargo, las aplicaciones más conocidas utilizan corriente alterna.

Por ejemplo:

Las bobinas, donde la energía se almacena como campo magnético. Los transformadores: Donde la corriente alterna genera un campo magnético alterno en el bobinado primario, que induce en el bobinado secundario otro campo magnético que a su vez causa una corriente, que es la corriente alterna de salida.

Dispositivos electromagnéticos.

Cinta Magnética: Está formada por una cinta de material plástico recubierta de material ferromagnético, sobre dicha cinta se registran los caracteres en formas de combinaciones de puntos, sobre pistas paralelas al eje longitudinal de la cinta. Estas cintas son soporte de tipo secuencial, esto supone un inconveniente puesto que para acceder a una información determinada se hace necesario leer todas las que le preceden, con la consiguiente pérdida de tiempo.

Tambores Magnéticos: Están formados por cilindros con material magnético capaz de retener información, Esta se graba y lee mediante un cabezal cuyo brazo se mueve en la dirección del eje de giro del tambor. El acceso a la información es directo y no secuencial.

Disco Duro: Son en la actualidad el principal subsistema de almacenamiento de información en los sistemas informáticos. Es un dispositivo encargado de almacenar información de forma persistente en un ordenador, es considerado el sistema de almacenamiento más importante del computador y en él se guardan los archivos de los programas.

Disquete o Disco flexible: Un disco flexible o también disquete, es un tipo de dispositivo de almacenamiento de datos formado por una pieza circular de un material magnético que permite la grabación y lectura de datos, fino y flexible (de ahí su denominación) encerrado en una carcasa fina cuadrada o rectangular de plástico. Los discos, usados usualmente son los de 3 ½ o 5 ¼ pulgadas, utilizados en ordenadores o computadoras personales, aunque actualmente los discos de 5 ¼ pulgadas están en desuso.

Electroimanes para Tracción y Traslado

Equipos Electromagnéticos

Histéresis Magnética

En física se encuentra, por ejemplo, histéresis magnética si al magnetizar un ferromagneto éste mantiene la señal magnética tras retirar el campo magnético que la ha inducido. También se puede encontrar el fenómeno en otros comportamientos electromagnéticos, o los elásticos.

La histéresis magnética es el fenómeno que permite el almacenamiento de información en los imanes de los discos duros o flexibles de los ordenadores: el campo induce una magnetización en el pequeño imán, que se codifica. Esta codificación permanece en ausencia de campo, y puede ser leída posteriormente, pero también puede ser invertida aplicando un campo en sentido contrario.

Para poder conocer el ciclo de histéresis de un material, se puede utilizar el magnetómetro de Köpsel, que se encarga de proporcionarle al material ferromagnético los cambios senoidales de la corriente eléctrica para modificar el sentido de los imanes.

Curva de histéresis de magnetización.

En electrotecnia se define la histéresis magnética como el retraso de la inducción respecto al campo que lo crea.

Se produce histéresis al someter al núcleo a un campo creciente, los imanes elementales giran para orientarse según el sentido del campo. Al decrecer el campo, la mayoría de los imanes elementales recobran su posición inicial, sin embargo, otros no llegan a alcanzarla debido a los rozamientos moleculares conservando en mayor o menor grado parte de su orientación forzada, haciendo que persista un magnetismo remanente que obligue a cierto retraso de la inducción respecto de la intensidad de campo.

Las pérdidas por histéresis representan una pérdida de energía que se manifiesta en forma de calor en los núcleos magnéticos. Con el fin de reducir al máximo estas pérdidas, los núcleos se construyen de materiales magnéticos de características especiales.

La pérdida de potencia es directamente proporcional al área de la curva de histéresis.

Inducción electromagnética

La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday quien lo expresó indicando que la magnitud del voltaje inducido es proporcional a la variación del flujo magnético.

Por otra parte, Heinrich Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.

La ley de inducción de Faraday establece que la Fuerza Electromotriz inducida en un circuito es igual a menos la derivada del flujo magnético con respecto del tiempo.

Matemáticamente se puede expresar como:

Donde:

= Fuerza electromotriz en voltios

Φ = Flujo magnético en weber

t = Tiempo en segundos

Y el signo (−) es debido a la Ley de Lenz.

La inducción electromagnética es el principio fundamental sobre el cual operan transformadores, generadores, motores eléctricos, la vitrocerámica de inducción y la mayoría de las demás máquinas eléctricas.

De forma más general, las ecuaciones que describen el fenómeno son:

Bibliografía

http://www.utchvirtual.net/recursos_didacticos/documentos/fisica/electromagnetismo.pdf

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