TRANSFORMADORES - RELÉS E INTERRUPTORES MAGNÉTICOS

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 TRANSFORMADORPor 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.

COMPORTAMIENTOEl 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:

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.

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.

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.

¿Cómo se comporta la lámpara en el devanado secundario de un transformador con y sin núcleo? Responda

Con el núcleo, la lámpara se enciende.

¿En el transformador, qué influencia ejerce un núcleo de hierro sobre la transmisión de energía? Responda.

El núcleo de hierro procura un buen acoplamiento magnético entre el devanado primario y el secundario.

La mayor parte de las líneas del campo magnético pasan por el interior del núcleo de hierro.

Gracias al núcleo de hierro, el flujo magnético generado por el devanado primario se conduce a través del secundario.

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.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 = 1,6 VVoltímetro B: tensión secundaria USEC = 0,7 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 = 1,6 VVoltímetro B: tensión secundaria USEC = 0,7 V

Calcule:

Tensión primaria/ tensión secundaria: UPRIM / USEC= 2,0Espiras del primario/ espiras del secundario n1 / n2= 2,0

¿Cuál de las afirmaciones de relación de transformación del transformador es correcta? explique cada una de ellas.

Las tensiones se comportan casi de igual manera que el número de espiras correspondiente.

¿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

Porque el flujo magnético de dispersión hace que disminuya el flujo del devanado secundario.

Porque el núcleo desarmable tiene un entrehierro muy grande, y esto hace que se presente flujo de dispersión.

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.

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.

Compare los valores medidos representados en su diagrama con la siguiente selección. Grafique U vs R, Interprete.

¿Cuál afirmación sobre un transformador es correcta?

La tensión de salida aumenta cuando la carga resistiva disminuye.

CUESTIONARIO SOBRE EL TRANSFORMADOR

¿En qué se distinguen el devanado primario y el secundario del transformador? Responda. El devanado primario consume potencia.

¿Cómo se comportan la tensión y la corriente en un transformador por cuyo devanado primario circula corriente alterna? Responda.

Las tensiones primaria y secundaria se comportan de igual manera que el correspondiente número de espiras de los devanados.

Las corrientes primaria y secundaria se comportan de manera inversa al correspondiente número de espiras de los devanados.

Los transformadores no son componentes ideales en la práctica mencione los problemas que presentan.

Calentamiento debido a las pérdidas. Pérdidas en el hierro del núcleo debido a corrientes parásitas. Pérdidas en los devanados debido a la resistencia del alambre de cobre. Mal acoplamiento entre los devanados debido a la dispersión.

En un transformador con carga resistiva, ¿Qué ocurre con la tensión? La tensión del secundario disminuye.

RELÉS MAGNÉTICOS

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.

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).

¿Qué sucede después de que el relé se conecta a la tensión de alimentación? Responda detalladamente este proceso.

El relé emite un sonido de “clic”. La lámpara se enciende. El inducido con los contactos se mueve.

DIODO DE VÍA LIBRE

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.

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.

¿Cómo se comporta una lámpara de efluvios conectada en paralelo al devanado excitador del relé? Explique.

Se ilumina al momento de desconectar la tensión.

¿Cuál es la razón para que la lámpara conectada en paralelo al devanado de excitación del relé se ilumine brevemente? Explique.

Autoinducción al desconectar la corriente. Disipación de la energía electromagnética almacenada. La tensión es mayor a 110 V por un breve instante.

¿Cómo se comporta una lámpara de efluvios conectada en paralelo al devanado de excitación del relé con diodo de vía libre? Explique.

No se enciende nunca.

¿Cuál es la razón de la ausencia de una punta de inducción al desconectar un relé con diodo de vía libre?

La corriente puede continuar circulando brevemente en el devanado de excitación.

Disipación de la energía electromagnética almacenada en el circuito del 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.

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

¿Cuáles afirmaciones sobre los puntos de conmutación se confirman con el experimento y explique cada una detalladamente?

Si el imán pasa horizontalmente, cerca del interruptor de láminas, aparece un punto de conmutación.

Si un polo pasa cerca del interruptor de láminas, aparecen dos puntos de conmutación.

¿Reacciona el interruptor de láminas con mayor sensibilidad (incluso con distancias mayores) cuando se acerca el imán vertical u horizontalmente? Explique detalladamente

Es más sensible al acercar el imán horizontalmente.

CUESTIONARIO

El polo sur de un imán pasa delante del interruptor de láminas.

¿Cuántos puntos de conmutación aparecen?Dos puntos de conmutación.

¿Qué aplicaciones tiene el interruptor de láminas?Registro de posiciones sin contacto.Miniinterruptores encapsulados que puedan operar en ambientes difíciles.