FACULTAD DE PRODUCCION Y SERVICIOS ESCUELA DE INGENIERIA ELECTRICA
TEMA: LABORATORIO 2 EL CICLO DE HISTERESIS EN EL REACTOR CON NUCLEO DE HIERRO CURSO: LAB. MAQUINAS ELECTRICAS 1 PROFESOR: Ing. LUIS CHIRINOS A.
PERTENECE: ENRIQUEZ CHOQUE DAVID
GRUPO: “A”
2014
EL CICLO DE HISTERESIS EN EL REACTOR CON NUCLEO DE HIERRO 1. OBJETIVOS
Determinar a partir de pruebas experimentales en un reactor con núcleo de hierro, las características de magnetización de determinado material ferromagnético.
Observación del lazo de histéresis dinámico y de la forma de onda de diversos reactores de diferentes características
2. MARCO TEORICO 2.1. Reactor con Núcleo De Hierro
Los reactores o inductores son bobinas en aire o con núcleo ferromagnético que poseen diversas aplicaciones en los sistemas eléctricos. Por ejemplo en media y alta tensión y en los casos en que los transformadores están en conexión triángulo, se los utiliza principalmente para generar centros de estrella y hacer las conexiones a tierra. También se los utiliza para conectar protecciones e instrumentos de medición. Otras aplicaciones en los sistemas de media y alta tensión son en la compensación de capacidad de líneas largas, filtros de onda portadora, compensadores de factor de potencia, etc. En las redes de baja tensión el principal uso de los reactores es como balastos e ignitores para las lámparas de descarga, también se los utiliza en filtros de armónicos y en sistemas de arranque de motores de inducción. En el presente artículo se estudiarán solamente el comportamiento de los reactores en bajas frecuencias, no se analizarán las aplicaciones en comunicaciones, donde se utilizan frecuencias mucho mayores que las industriales, tampoco se estudiará el diseño de los mismos ya que eso es tema de otra asignatura. Desde el punto de vista didáctico, el reactor, por su sencillez, es un buen punto de partida para el estudio de las máquinas eléctricas, en especial las de corriente alterna. Su construcción consiste en una bobina arrollada sobre un núcleo de material ferromagnético, este núcleo hace que la bobina al ser recorrido por una intensidad de corriente alterna (i) obtenga altas inductancias con dimensiones reducidas tal como se muestra en la siguiente figura
EL núcleo ferromagnético introduce fenómenos adicionales tales como las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas (Foucalt) y la variación de la inductancia en función del flujo magnético, por lo que en corriente alterna sinusoidal trae consigo numerosas armónicas, la cual exige más análisis principalmente en los transformadores, más aún cuando trabajan en vacío. 2.2. Pérdidas en el hierro
Si un material ferromagnético es sometido a un flujo variable, se puede observar un calentamiento del mismo, lo que significa que se está disipando potencia en forma de calor, lo que se traduce en una pérdida de energía. Hay dos fenómenos que conducen a esta pérdida de energía: la histéresis magnética y las corrientes parásitas. 2.3. Pérdidas por histéresis
El fenómeno de la histéresis se presenta en muchas situaciones, en general se podría decir que es la oposición que presentan los materiales a cambiar de estado o de condiciones. En el caso especial de los materiales magnéticos, es la resistencia que presentan a cambiar sus condiciones de magnetización, fenómeno caracterizado por el conocido ciclo de histéresis de estos materiales. 2.4. Pérdidas por corrientes parásitas
Toda vez que un material conductor se mueve dentro de un campo magnético, cortando sus líneas de fuerza, o cuando un conductor es atravesado por un campo magnético variable en el tiempo, que es el caso del núcleo de un reactor; en ese conductor se desarrollan corrientes parásitas que provocan pérdidas por efecto Joule en el mismo. Este fenómeno se produce en todas las máquinas eléctricas con núcleos ferromagnéticos y fue estudiado por el físico francés León Foucault (1819-1868) por lo que a dichas corrientes también se las denomina en su honor: “corrientes de Foucault” 2.5. Chapas laminadas en frío y en caliente
El proceso de fabricación y el posterior mecanizado de las chapas influye en sus propiedades magnéticas, en efecto, si las etapas finales del proceso de laminación se realiza con las chapas frías, lo que requiere más energía para la deformación de las mismas, su estructura cristalina queda dispuesta en una dirección preferencial, coincidente con el sentido de la laminación. Estas chapas se denominan de grano orientado o simplemente laminado en frío y poseen alta permeabilidad y muy bajas pérdidas, siempre y cuando se las magnetice en la dirección del laminado. No en todas las máquinas eléctricas el flujo recorre a las laminaciones en una misma dirección, por ejemplo en las máquina rotativas esto ocurre excepcionalmente, pero en los transformadores y reactores, el flujo sigue la dirección de las columnas y de los yugos, por ese motivo se prestan a la utilización de este tipo de chapas, obteniéndose una considerable
mejora en sus prestaciones. Para evitar que flujo magnético al pasar de una columna al yugo o viceversa, circule transversalmente a la laminación, estas uniones se realizan cortando las chapas a 45° lo que minimiza el problema y es un signo inequívoco de que se están utilizando chapas de grano orientado. 2.6. Ciclo de histéresis dinámico
El ciclo de histéresis analizado es obtenido con corriente continua o con una corriente alterna de una frecuencia suficientemente baja, para que las corrientes parásitas inducidas en el núcleo sean despreciables. Si se traza un ciclo de histéresis con corriente alterna de algunos pocos Hertz o a frecuencias industriales, las corrientes parásitas no serán despreciables y la fuerza magneto motriz necesaria para establecer un determinado valor de flujo será la requerida por la histéresis más la necesaria para vencer la fuerza magneto motriz generada por las corrientes parásitas. En efecto las corrientes parásitas actúan como secundarios en cortocircuito, generando fuerzas magneto motrices que se oponen a la variación del flujo, por lo tanto se necesitarán corrientes o campos magnéticos H mayores para vencer esas fuerzas magneto motrices generadas por las corrientes de Foucault, y el ciclo de histéresis resulta más ancho, figura 17, y se denomina ciclo de histéresis dinámico.
El área encerrada por el ciclo de histéresis dinámico en el plano B-H representa la suma de las pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas de todo el núcleo y por unidad de volumen del mismo.
3. ELEMETOS A UTILIZAR
1 Autotransformador de 0-220v
1 Transformador de 220/110v de 500VA
1 Amperímetro analógico
1 Voltímetro analógico
1 vatímetro monofásico
4. ACTIVIDADES
Ensayo de las características de excitación. Tomar el bobinado de B.T. (110v) y armar el circuito de la figura 1.Depues de verificar las conexiones del circuito energizar utilizando un autotransformador, incrementar la tensión de alimentación desde 0 hasta el 120% de la VN (tensión nominal) ,tomando 10 juegos de valores de tensión, corriente y potencia que serán tabulados
5. CUESTIONARIO 5.1. Tabular todos los valores registrados en la experiencia y calcular el factor de potencia paraca cada caso (V, I, P, S, Q, factor de potencia, etc.) Tabla N° 1 Valores Hallados En Los Ensayos
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
VOLTAJE(V)
CORRIENTE(mA)
10.5 20.4 30.6 40.6 50.5 60.8 70.3 80.2 90.2 100.7 110.1 120.4 130.7 140.3
46.04 63.4 79.87 98.1 119.3 147.5 180.6 226.7 297.8 396.2 510.5 676.3 872.4 1080
POTENCIA ACTIVA(W) 0.215 0.728 1.47 2.36 3.51 4.78 6.32 8.09 10.41 13.5 17.4 22.2 28.54 38.7
POTENCIA APARENTE(VA) 0.48342 1.29336 2.444022 3.98286 6.02465 8.968 12.69618 18.18134 26.86156 39.89734 56.20605 81.42652 114.02268 151.524
POTENCIA REACTIVA(VAR) 0.43297794 1.06901641 1.95252235 3.20835998 4.8965608 7.5879262 11.0113844 16.2822917 24.7623768 37.5439441 53.4449255 78.3418034 110.393116 146.498575
ANGULO DE POTENCIA(Ø) 63.59 55.75 52.95 53.63 54.33 57.8 60.16 63.58 67.2 70.22 71.97 74.18 75.5 75.2
FACTOR DE POTENCIA 0.44474784 0.56287499 0.60146758 0.59253903 0.58260646 0.53300624 0.49778752 0.4449617 0.38754264 0.33836842 0.30957521 0.27263845 0.25030108 0.25540508
5.2. Trazar Las Curvas V Vs I ;W Vs I Explicar Sus Tendencias Y Cual Es El Significado De Cada Una De Ellas
GRAFICA 1: al tener un núcleo ferromagnético de un transformador, si se le aplica una excitación magnética H que en nuestro caso es proporcional a la corriente de entrada surgirá una inducción B que será proporcional al voltaje. Es decir si aumentamos la excitación magnética progresivamente desde cero (aumentando la intensidad) se representara una curva de magnetización, GRAFICA 2: representa una función creciente a mayor potencia mayor será la corriente que requiera el reactor y el fenómeno que aparecerá será joule 5.3 ¿Qué es un circuito equivalente de un transformador eléctrico de potencia? Y ¿Por qué es importante?
Es la representación de un transformador en forma circuital de modo que este contenga todos los parámetros que representan todas sus características eléctricas y son importantes porque ayudan a simplificar el análisis teórico de su comportamiento. Además al resolver este circuito equivalente tendremos respuestas inmediatas muy parecidas a que si trabajáramos con el transformador 5.4 Por qué el área y la forma del lazo de histéresis de los reactores son diferentes para una misma tensión aplicada. Describir la variación del lazo de histéresis con la tensión aplicada
Son distintos ya que cada material posee distintas propiedades ya sean magnéticas o eléctricas,
además dependerá mucho a la temperatura que este se encuentre cada
reactor. En nuestro caso la curva de magnetización la construimos con diferentes tensiones y corrientes aplicadas al reactor para luego trazar nuestro ciclo de histéresis
5.3. Por qué los circuitos equivalentes de los transformadores de potencia son diferentes a los transformadores de medida para la misma tensión de servicio
Ya que Los transformadores de medida en el secundario trabajan con corrientes pequeñas mientras tanto los transformadores de potencia trabajan con potencias altas, además
los transformadores de corriente cuentan con usos más limitados, por ende sus componentes son más pequeños que en los transformadores de potencia
6. OBSERVACIONES Y CONCLUCIONES
En la zona de saturación no opera ninguna maquina eléctrica
Esta experiencia nos permitió llegar a una mejor comprensión de un tema tan Importante como es el ciclo de histéresis de un material ferromagnético.
El fenómeno de la histéresis se presenta en muchas situaciones, en general se podría decir que es la oposición que presentan los materiales a cambiar de estado o de condiciones. Al tener un núcleo ferromagnético de un transformador, si se le aplica una excitación magnética H que en nuestro caso es proporcional a la corriente de entrada surgirá una inducción B que será proporcional al voltaje. Pudimos observar en la gráfica que las tensiones empleadas son proporcionales a las corrientes halladas es decir a más tensión más corriente con lo cual se puede hallar la curva de magnetización de dicho reactor
7
Se comprobó que una bobina crea sobre dicho material magnético una intensidad de campo H, el cual induce en ese material magnético una inducción de valor B. Cada material tiene su propio lazo de histéresis característico por eso es necesario hacer las pruebas con cada uno de ellos Lo importante es que con el ciclo de histéresis podemos saber que material nos conviene o no más a la hora de realizar una aplicación determinada Si en el trasformador hay menor espacio entre placas esto significa que será más eficiente y habrá menor perdida. La relación entre B y H en los materiales ferromagnéticos no es lineal debido a la saturación magnética.
BIBLIOGRAFÍA - J. Edminister – Circuitos Eléctricos - Stephen J. Chapman – Maquinas Eléctricas - http://html.rincondelvago.com/maquinas-electricas_3.html - Lobosco, Orlando y Dias, José (1989). Selección y Aplicación de Motores Eléctricos. España: Editorial Marcombo - http://personales.upv.es/jquiles/prffi/magnetismo/ayuda/hlphisteresis.htm - www.monografias.com
- Circuitos Eléctricos; DORF SVOBODA
