1. TEMA: Uso de Transformador en Proteus.
2. OBJETIVOS:
-
OBJETIVO GENERAL:
-
Determinar el valor de los elementos fundamentales por medio de fuente
de alimentación, conectando resistencias inductancias y capacitancias ya
sea en conexión serie, paralelo o mixto con voltajes e intensidades
diferentes en el programa de Proteus.
-
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
-
Medir voltajes, corrientes y potencias en AC.
-
Verificar el comportamiento de un transformador.
-
Familiarizarse con el uso de instrumentos de medida de un transformador.
3. MARCO TEÓRICO:
El presente laboratorio se llevara a cabo mediante un programa de software
“Proteus” donde un transformador es un dispositivo eléctrico que permite
aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna,
manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un
transformador ideal (esto es, sin perdidas), es igual a la que se obtiene a la
salida. Las maquinas reales presentan un pequeño porcentaje de perdidas,
dependiendo de su diseño, tamaño, etc. (Curin, 2005)
Estos dispositivos convierten la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de
tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, por medio de interacción
electromagnética. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor,
aisladas entre si eléctricamente y por lo general enrolladas alrededor de un
mismo núcleo de material ferromagnético. La única conexión entre las bobinas
la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo.
Se basan en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos,
en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado,
aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados
se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida
del sistema en cuestión, respectivamente.
Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o
disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la
potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal
(esto es, sin perdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas
reales presentan un pequeño porcentaje de perdidas, dependiendo de su diseño
y tamaño, entre otros factores. (Vera, 2009)
El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de
un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose
en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos o más
bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material
ferromagnético, pero aisladas entre si eléctricamente. La única conexión entre
las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo.
El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas
de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las
bobinas o desvenados se denominan primarios y secundarios según
correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente.
La bobina izquierda se llama “Arrollamiento Primario” y la derecha se llama
“arrollamiento secundario”. El número de vueltas en el arrollamiento primario es
N1 y el del arrollamiento secundario N2. Las rayas verticales entre los
arrollamientos primario y secundario indican que el conductor esta enrollado
alrededor de un núcleo de hierro.
El voltaje del Arrollamiento Primario nos identifica la entrada de voltaje y el
arrollamiento secundario el voltaje de salida, como se muestra en la siguiente
figura:
Figura 1. Representación de un transformador.
3.1 Funcionamiento:
Cuando su bobinado primario se conecta a un generador de corriente
alterna de tensión Vp circula una corriente Ip que creará un flujo magnético
variable a lo largo del núcleo (chapas magnéticas). Si al otro lado del núcleo
se encuentra otra bobina (circuito secundario) cuyos extremos están
conectados a un receptor, se inducirá en ésta una tensión de valor Vs y de
intensidad Is. (Vera, 2009)
Supongamos que se constituye un núcleo de hierro. Si en un extremo del
núcleo de enrolla un cable para formar una bobina A, y por esta circula una
corriente eléctrica, entonces resulta que el campo magnético producido por
esta corriente eléctrica, entonces resulta que el campo magnético producido
por esta corriente (según la ley de Ampere) queda confinado dentro del
núcleo está construido de sustancias llamadas ferromagnéticas, como el
hierro, cobalto, etc.
Si la corriente que circula varía con el tiempo, entonces el campo magnético
producido también variara, y por tanto también cambiara el flujo de este
campo a través del núcleo. Si ahora se enrolla otra bobina, la B, en otra
parte del núcleo, entonces, de acuerdo con la ley de inducción
electromagnética de Faraday sabemos que se inducirá a lo largo de la
segunda bobina. A la bobina A se le llama el primario y a la B el secundario.
Las características de la corriente inducida en B dependen del número de
espiras que hay en cada una de las bobinas. Mientras mayor sea el número
de espiras en el secundario, mayor será el voltaje inducido en él.
Figura 2. Representación del núcleo magnético de un transformador.
La relación entre la fuerza la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplica al
devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el
secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los
devanados primario (Np) y secundario (Ns), según la ecuación:
𝐸𝑝 𝑁𝑝
=
𝐸𝑠 𝑁𝑠
3.2 Relación de Transformación (n):
La relación de transformación (n) de la tensión entre el bobinado primario y
el bobinado secundario depende de los números 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 tensión.
𝑉𝑝 𝑁𝑝
𝐼𝑆
=
=− =𝑛
𝑉𝑠 𝑁𝑠
𝐼𝑃
Donde:
(Vp) es la tensión en el devanado primario o tensión de entrada, (Vs) es la
tensión en el devanado secundario o tensión de salida, (Ip) es la corriente
en el devanado primario o corriente de entrada, (Is) es la corriente en el
devanado secundario o corriente de salida.
Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al
poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se
disminuyen las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los
conductores.
Figura 3. Representación de voltaje e intensidades de un transformador.
Como la potencia eléctrica aplicada en el primario, en caso de un
transformador ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario:
𝑃1 = 𝑃2
𝑉1 ∗ 𝐼1 = 𝑉2 ∗ 𝐼2
El producto de la fuerza electromotriz por la intensidad (potencia) debe ser
constante, con lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por
el primario es de 10 amperios, la del secundario será de solo 0,1 amperios
(una centésima parte) (Curin, 2005)
3.3 Transformador Ideal y relación de transformación:
El transformador ideal es un dispositivo que tiene un devanado de entrada
y un devanado de salida. Y las relaciones entre el voltaje de entrada y el de
salida, corriente de entrada y corriente de salida se llama relación de
transformación.
La razón de transformación (a) de la tensión entre el bobinado primario y el
bobinado secundario depende de los números 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 tensión.
3.4 Tipos de Transformadores:

Transformadores elevadores: Este tipo de transformadores nos
permiten, como su nombre lo dice elevar la tensión de salida con
respecto a la tensión de entrada. Esto quiere decir que: a<1

Transformadores variables: También llamados “Variac”, toman una
línea de tensión fija (en la entrada) y proveen de tensión de salida
variable ajustable, dentro de dos valores.

Transformadores de aislamiento: 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.

Transformadores de alimentación: Pueden tener una o varias bobinas
secundarias y proporcionan las tensiones necesarias para el
funcionamiento del equipo. A veces incorpora un fusible que corta su
circuito primario cuando el trasformador alcanza una temperatura
excesiva, evitando que este se queme, con la emisión de humos y gases
que conlleva el riesgo de incendio.

Transformador Reductor: Encargado de reducir la alta tensión a baja
tensión, donde: a>1.

Transformador Trifásico: Existen muchos tipos de transformadores,
de entre los cuales el transformador trifásico tiene una importancia
indudable. Este tipo de transformador se ocupa tanto en generación
cerca de los generadores para elevar la insuficiente tensión de estos.
Así como también en transmisión por líneas de transmisión y en distribución
en donde se transporta la energía eléctrica a voltaje menores hacia
casas, comercio e industria. Un transformador trifásico consta de tres
fases desplazadas en 120 grados, en sistemas equilibrados tienen igual
magnitud. Una fase consiste en un polo positivo y negativo por el que
circula una corriente alterna. Demás está decir que un transformador no
funciona con corriente continua, puesto que para que exista
un voltaje V debe haber una variación del flujo.
𝑉=𝑁∗
𝑑Φ
𝑑𝑡
3.5 Corriente Inrush:
La corriente de inrush o corriente transitoria de magnetización es una
corriente varias veces la corriente nominal que se produce al momento de
conectar el transformador a la red. Puede ser de 10 veces la corriente
nominal hasta 100 veces.
4. INSTRUMENTOS Y DISPOSITIVOS UTILIZADOS
Un instrumento de medición es un aparato que se usa para medir una
magnitud física. La medición es el proceso que permite obtener y comparar
cantidades físicas de objetos y fenómenos del mundo real. Como unidades
de medida se utilizan objetos y sucesos previamente establecidos como
estándares o patrones, y de las mediciones resulta un número que es la
relación entre el objeto de estudio y la unidad de referencia.
 Software “Proteus”:
Es software de automatización
de
diseño
electrónico,
desarrollado
por Labcenter Electronics Ltd., que consta de los dos programas
principales: Ares e Isis, y los módulos VSM y Electra.}
Permite diseñar el plano eléctrico del circuito que se desea realizar
con componentes muy variados, desde simples resistencias, hasta
alguno que otro microprocesador o microcontrolador, incluyendo fuentes
de alimentación, generadores de señales y muchos otros componentes
con prestaciones diferentes. Los diseños realizados en Isis pueden ser
simulados en tiempo real, mediante el módulo VSM, asociado
directamente con ISIS.
Figura 4. Representación del software “Proteus”.
5 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA:
5.1 Activar el programa Proteus:
5.2 Crear un proyecto llamado Lab 3.1.
5.3 Agregar un componente TRANSFORMER.
5.4 Seleccionar el componente TRAN-2P2S.
5.5 Agregar el componente ALTERNATOR
5.6 Agregar el componente VOLTIMETER
Figura 5. Representación de los elementos en Proteus.
5.7 Modificar el factor de acoplamiento.
𝐹𝐴 =
𝑉2 𝑁2
𝐼1
=
=−
𝑉1 𝑁1
𝐼2
𝑉1 = 120 [𝑣]
𝑉2 = 12 [𝑣]
𝐹𝐴 =
12
120
𝐹𝐴 = 0,1
5.8 Modificar el factor de acoplamiento.
𝐹𝐴 =
𝑉2 𝑁2
𝐼1
=
=−
𝑉1 𝑁1
𝐼2
𝑉1 = 12 [𝑣]
𝑉2 = 120 [𝑣]
𝐹𝐴 =
120
12
𝐹𝐴 = 10
No permite ya que el factor de acoplamiento debe ser:
0 ≤ 𝐹𝐴 ≤ 1
5.9 Modificar los valores de las inductancias del primario y del secundario,
teniendo en cuenta un factor de acoplamiento a 1.
-
Medir las formas de onda en el primario y en el secundario
𝑉1 2
𝐿1 = ( ) ∗ 𝐿2
𝑉2
𝑉1 = 12 [𝑣]
𝑉2 = 120 [𝑣]
12 2
𝐿1 = (
) ∗1
120
𝐿1 = 0,01 𝐻
Figura 6. Representación del transformador 2P2S.
5.10
Agregar Transformador de toma intermedia 2P3S
𝑉1 2
𝐿1 = ( ) ∗ 𝐿2
𝑉2
𝑉1 = 120 [𝑣]
𝑉2 = 12 [𝑣]
120 2
𝐿1 = (
) ∗1
12
𝐿1 = 25 𝐻
Figura 7. Representación del transformador 2P3S.
5.11 Agregar Transformador 1P2S
𝑉1 2
𝐿1 = ( ) ∗ 𝐿2
𝑉2
𝑉1 = 120 [𝑣]
𝑉2 = 12 [𝑣]
𝐿1 = (
120 2
) ∗1
5 + 12
𝐿1 = 50 𝐻
Figura 8. Representación del transformador 1P2S.
6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES:
 Un transformador elevador de voltaje, posee pocas espiras en su bobina
primaria, y posee muchas más espiras en su bobina secundaria.
 Un transformador reductor de voltaje, posee muchas espiras en su bobina
primaria, a diferencia de su bobina secundaria.
 Se desea obtener valore más exactos en las medidas indirectas, se tiene que
aplicar correctamente las fórmulas que propone la teoría de ajustes de
mínimos cuadrados y regresión de graficas
RECOMENDACIONES
 Escoger el número de cifras significativas convenientes para que el proceso
de medición y obtención de datos tenga éxito.
 Antes de realizar cualquier tipo de medición en Proteus, primero se debe
analizar la particularidad que tienen cada uno de los transformadores.
 Usar de manera correcta las fórmulas tato de medias directas como indirectas.
7 BIBLIOGRAFÍA:

Electricidad básica. Escrito por Osman Vera, Jorge Artega (Vera, 2009)

Electricidad elemental. Escrito por Carlos Curin, Brigida Santander (Curin,
2005)

Mike, the grid, 2015, https://thegrid.rexel.com/en-us/knowledge/electricistawiki-espanol/w/wiki/702/tipos-de-breaker-y-sus-aplicaciones

D.C, tec-mex, 2017, http://tec-mex.com.mx/identificacion/msr.html
8 ANEXOS: