LABORATORIO Nº 03
ANÁLISIS DE LA INDUCTANCIA EN UN REACTOR
1.
OBJETIVO
❑ Analizar el ciclo de histéresis en el núcleo de hierro del reactor nuclear.
❑ Identificar las pérdidas energéticas asociadas al fenómeno de histéresis.
❑ Evaluar la influencia del campo magnético aplicado y la remanencia magnética.
2.
TEORIA
El ciclo de histéresis
El ciclo de histéresis representa la relación entre la inducción magnética (B) y la intensidad del
campo magnético (H) en un material ferromagnético. En un núcleo de hierro, este ciclo describe cómo
el material se magnetiza y desmagnetiza cuando se aplica un campo magnético alterno. Las áreas
encerradas en el ciclo indican las pérdidas energéticas en forma de calor, que son críticas en el diseño
de reactores.
Cuando un material ferromagnético se somete a un campo magnético, sus dominios
magnéticos se alinean progresivamente en la dirección del campo. A medida que se incrementa la
intensidad del campo (H), la magnetización (B) aumenta hasta alcanzar un punto de saturación. En
este estado, la mayoría de los dominios están alineados y un aumento adicional de H apenas influye
en B.
Al reducir el campo magnético, el material no vuelve inmediatamente a su estado original, lo
cual genera un desplazamiento en la curva de histéresis. Esta diferencia se debe a la remanencia
magnética (Br), que es la capacidad del material para mantener parte de su magnetización aun cuando
H es igual a cero. Para desmagnetizar completamente el núcleo, es necesario aplicar un campo
magnético inverso, conocido como campo coercitivo (Hc).
Las pérdidas en el ciclo de histéresis son proporcionales al área encerrada por la curva,
representando energía disipada en forma de calor. Estas pérdidas son un factor importante en el
diseño de transformadores y reactores, ya que influyen en la eficiencia energética del sistema.
Un reactor es un componente pasivo que consiste principalmente en una bobina, cuya función
principal es ofrecer oposición al cambio de corriente. Esta oposición se manifiesta como reactancia
inductiva (Xᴸ) cuando el reactor se somete a corriente alterna.
Un reactor es un dispositivo electromagnético que consiste en una bobina de alambre
enrollada generalmente sobre un núcleo de aire o hierro. Su propósito es limitar o filtrar la corriente
alterna, sin perder mucha energía como calor, ya que idealmente no disipa potencia real sino que
almacena energía en forma de campo magnético.
Cuando se aplica una corriente alterna a una bobina, se induce una fuerza electromotriz (FEM)
contraria al cambio de corriente, según la Ley de Faraday. Esta oposición se llama reactancia inductiva,
la cual depende de la frecuencia de la corriente.
La inductancia (L) se mide en Henrios (H) y está relacionada con el diseño físico del reactor:
La reactancia inductiva se calcula con la fórmula:
La corriente en un circuito puramente inductivo se atrasa 90° con respecto al voltaje. Además, la
potencia real en un inductor puro es cero, ya que la energía se almacena y se devuelve al circuito.
A. Aplicaciones Comunes de los Reactores
1. Reactores en Serie: Se colocan en serie con cargas inductivas para limitar la corriente de
arranque o proteger contra sobretensiones.
2
2. Reactores en Derivación (Shunt): Se usan para filtrar armónicos o corregir el factor de
potencia en combinación con capacitores.
3. Reactores de Fase o Desfase: Utilizados en sistemas trifásicos para equilibrar fases o generar
un desfase específico en ciertos motores.
3.
EQUIPOS Y ELEMENTOS A EMPLEAR
❑ Fuente de corriente alterna (AC)
❑ Reactor trifásico (bobina con valor conocido o a medir)
❑ Multímetro digital
❑ Osciloscopio (opcional)
❑ Vatímetro (opcional)
❑ Cables de conexión
❑ Amperímetro y voltímetro Transformador variable
4.
PROCEDIMIENTO
1.
2.
3.
4.
5.
5.
Se conectó el reactor en serie con una fuente de corriente alterna.
Se midió el voltaje aplicado al reactor y la corriente que circula por él.
Se registraron los valores para diferentes frecuencias (si se aplicaron).
Se calculó la reactancia inductiva y la inductancia experimental.
Se compararon con los valores teóricos conocidos.
CUESTIONARIO
5.1. ¿Qué representa la curva de histeresis?
3
La curva de histéresis representa la relación entre la inducción magnética (B) y la intensidad del campo
magnético (H) en un material ferromagnético, como el hierro, cuando este es sometido a un ciclo de
magnetización y desmagnetización.
5.2. ¿Qué es un circuito magnético?
Un circuito magnético es un camino cerrado por el cual fluye el flujo magnético (Φ), de manera similar
a cómo la corriente eléctrica circula por un circuito eléctrico. En un circuito magnético, el flujo es
generado por un campo magnético (H) aplicado sobre un material ferromagnético, como el hierro.
1. Núcleo Magnético:
•
Material ferromagnético (hierro, acero, ferrita) que guía el flujo magnético.
2. Flujo Magnético (Φ):
•
Es el equivalente magnético de la corriente eléctrica. Se mide en Weber (Wb) y representa
la cantidad de líneas de campo magnético.
3. Campo Magnético (H):
•
Es la fuerza que genera el flujo magnético a través del núcleo. Se mide en A/m (amperios
por metro).
4. Reluctancia (ℜ):
•
Es la oposición al flujo magnético dentro del circuito, análoga a la resistencia en un circuito
eléctrico. Se calcula como:
5.3 ¿Cómo se obtiene la curva de histeresis en laboratorio?
Procedimiento para obtener la Curva de Histéresis:
1. Montaje Experimental:
o
Se utiliza un núcleo de hierro conectado a una bobina primaria (para generar el campo
magnético) y una bobina secundaria (para medir la inducción magnética).
o
La bobina primaria se conecta a un generador de corriente alterna que permite variar la
intensidad del campo magnético (H).
2. Aplicación del Campo Magnético (H):
o
Se incrementa progresivamente la corriente en la bobina primaria para generar un
campo magnético en el núcleo.
o
El campo magnético alterno provoca la magnetización y desmagnetización del material.
4
3. Medición de la Inducción Magnética (B):
o
La bobina secundaria, al estar enrollada sobre el mismo núcleo, detecta los cambios en
el flujo magnético (Φ) y permite calcular la inducción magnética (B).
4. Trazado de la Curva:
o
Se grafican los valores de BBB en función de HHH mientras el campo magnético varía
en ambos sentidos (positivo y negativo).
o
El resultado es un lazo cerrado, conocido como ciclo de histéresis.
5.4 ¿De las tres curvas, cual es la que representa mayores pérdidas?
La curva ancha es la que representa mayores pérdidas energéticas, ya que el área encerrada es más grande.
Esto significa que, en cada ciclo de magnetización y desmagnetización, más energía se disipa en forma de
calor.
❑ La curva estrecha (verde) representa materiales con bajas pérdidas.
❑ La curva intermedia muestra un comportamiento moderado.
❑ La curva ancha (roja) representa materiales con altas pérdidas energéticas, dado que el área
encerrada es mayor.
5.5. ¿Qué tipo de perdidas existen en un reactor?
Tipo de Pérdida
Causa
Método de Reducción
Histéresis
Magnetización cíclica
Materiales de baja coercitividad
Corrientes
Parásitas
Inducción de corrientes en el Laminación del núcleo
núcleo
Efecto Joule
Resistencia en los devanados
Cables de
aluminio)
baja
resistencia
(cobre,
5.6. ¿Qué es tensión de línea y tensión de fase?
5
5.7. Datos obtenidos en laboratorio
Tensiones del tranformador:
V_BOBINA1
378v
379v
381v
T1
T2
T3
V_BOBINA2
116v
118.5v
119v
N
3.2
3.1
3.2
V_fase
L1-N
L2-N
L3-N
V
220.4
218
218.8
Tensiones de línea y fase:
V_linea
L1-L2
L2-L3
L3-L4
V
377
375
378
5.7. ¿Cómo se verifica el fenómeno de la inducción?
El fenómeno de la inducción magnética se puede verificar de varias maneras en el laboratorio. En un
contexto de reactores y sistemas eléctricos, la inducción magnética hace referencia a la capacidad de un
material para generar un campo magnético interno cuando se le aplica un campo magnético externo.
Usando un Solenoide y una Aguja Magnética
Un experimento sencillo para verificar la inducción magnética implica el uso de un solenoide (un cable
enrollado) y una aguja magnética:
1. Montaje del Solenoide:
o
Se enrolla un alambre de cobre (conectado a una fuente de corriente) en una bobina,
formando un solenoide.
o
Se conecta a una fuente de corriente alterna o continua.
2. Colocación de la Aguja Magnética:
o
Colocamos una aguja magnética cerca del solenoide. La aguja se alinea con el campo
magnético generado por el solenoide.
3. Observación:
6
o
Al encender la corriente, la aguja magnética se alinea con el campo del solenoide. Esto
demuestra cómo el campo magnético externo induce un campo magnético en el
solenoide.
4. Medición del Campo Magnético:
o
Usando un medidor de campo magnético o un sensor de inducción magnética, se mide
la intensidad del campo magnético dentro del solenoide. El valor medido se comparará
con el valor teórico esperado.
6.
CONCLUSIONES
o
La práctica de laboratorio de Maquinas Eléctricas I la inductancia de un reactor depende
directamente del diseño físico del componente y del número de espiras.
El estudio del ciclo de histéresis y la inducción magnética en el núcleo de hierro de un reactor
nuclear permite entender las pérdidas energéticas involucradas. Minimizar estas pérdidas,
especialmente las por histéresis y corrientes parásitas, es crucial para mejorar la eficiencia del
reactor y optimizar su rendimiento energético.
o
7