LAB. MÁQUINAS ELECTRICAS
LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS Tema: REACTOR CON NÚCLEO DE HIERRO Docente: JOSÉ MIGUEL PUICAN Alumnos: JUNCO RENTERA VICTOR NINANYA CHUQUIVILCA FRANK TURPO ZEVALLOS ALEXANDER VELITA ESPINOZA ERICK VERGARA JOHAN
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REACTOR CON NÚCLEO DE HIERRO Objetivos:
Determinar a partir de pruebas experimentales en un reactor con núcleo de hierro, las características de magnetización de un material ferromagnético. Observación de lazo de Histéresis Dinámica y de la forma de onda de la corriente de excitación. Así mismo se presenta un método para efectuar la separación de pérdidas en el núcleo.
Fundamentos: Magnetismo: El magnetismo es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión
sobre otros materiales. En la naturaleza existe un mineral llamado magnetita o piedra imán que tiene la propiedad de atraer el hierro, el cobalto, el níquel y ciertas aleaciones de estos metales, que son materiales magnéticos. Ferromagnetismo: El ferromagnetismo es un fenómeno físico en el que se produce ordenamiento magnético de todos
los momentos magnéticos de una muestra, en la misma dirección y sentido. Un material ferromagnético es aquel que puede presentar ferromagnetismo. La interacción ferromagnética es la interacción magnética que hace que los momentos magnéticos tiendan a disponerse en la misma dirección y sentido. Ha de extenderse por todo un sólido para alcanzar el ferromagnetismo. Flujo magnético: El flujo magnético Φ es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del campo
magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre las líneas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie. La unidad de medida es el weber y se designa por Wb.
Densidad de flujo magnético: La densidad de flujo magnético, visualmente notada como , es el flujo magnético por
unidad de área de una sección normal a la dirección del flujo, y es igual a la intensidad del campo m agnético. La unidad de la densidad en el Sistema Internacional de Unidades es el Tesla. Matemáticamente se describe de la siguiente manera:
=
∅
Intensidad magnética : El campo H se ha considerado tradicionalmente el campo principal o intensidad de campo
magnético, ya que se puede relacionar con unas cargas, masas o polos magnéticos por medio de una ley similar a la de Coulomb para la electricidad. Maxwell, por ejemplo, utilizó este enfoque, aunque aclarando que esas cargas eran ficticias. Con ello, no solo se parte de leyes similares en los campos eléctricos y magnéticos (incluyendo la posibilidad de definir un potencial escalar magnético), sino que en medios materiales, con la equiparación matemática de H con E (campo eléctrico). La unidad de H en el SI es el amperio por metro (A-v/m) (a veces llamado ampervuelta por metro). En las máquinas eléctricas tenemos la siguiente relación matemática:
. = .
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LAB. MÁQUINAS ELECTRICAS Donde:
: Longitud media del reactor con núcleo de hierro. : Corriente que circula por la bobina. Permeabilidad magnética: Se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de sí los campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la inducción magnética existente y la intensidad de campo magnético que aparece en el interior de dicho material. La magnitud así definida, el grado de magnetización de un material en respuesta a un campo magnético, se denomina permeabilidad absoluta y se suele representar por el símbolo . Matemáticamente se escribe:
=
Reactor de núcleo de hierro
Un reactor es un dispositivo que genera inductancia para obtener reactancias inductivas. 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: Sabemos que:
= X L = L:
Reactancia inductiva
Inductancia
: Frecuencia Angular A mayor L corresponde mayor XL, y a menor L corresponde menor X L El objetivo es conseguir valores requeridos de XL con dimensiones pequeñas y allí el núcleo ferromagnético ayuda bastante. Pero, el núcleo ferromagnético introduce fenómenos adicionales tales como las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas (Foucault) 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 mayor análisis principalmente en los transformadores, más aún cuando trabajan en vacío. Lazo de histéresis
Cuando un material ferromagnético, sobre el cual ha estado actuando un campo magnético, cesa la aplicación de éste, el material no anula completamente su magnetismo, sino que permanece un cierto magnetismo residual (imanación remanente BR). Para desimantarlo será precisa la aplicación de un campo contrario a la inicial. Este fenómeno se llama HISTERESIS magnética, que quiere decir, inercia o retardo. El área que encierra esta curva representa la energía perdida en el hierro del núcleo. Es por ello que conviene que la gráfica sea los más delgada posible (lo ideal es que sea lineal), esto es una característica de los materiales blandos.
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Equipo e instrumentos a utilizar: - Reactor de nucleo de hierro. - Auto transformador variable. - Resistencia de 60 KΩ - Reóstato de 4.5Ω - Condensador de 20 μF - Amperímetro AC. De 2 A. - Voltímetro AC de 220 V. - vatímetro de 120 W. - Osciloscopio con acceso vertical y horizontal. - Multímetro digital. - Llaves cuchilla.
Procedimiento: 1.
Obtener las características B.H
Armar el circuito siguiente:
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Lazo de histéresis:
Armar el siguiente circuito:
Nota: variar la tensión de salida del auto transformador a 20, 40, 60, 100 y 120% de la tensión nominal y observar como varía la forma de la figura sobre la pantalla del osciloscopio. Hacer un bosquejo aproximado de esta figura para cada caso. Diagrama del lazo de histéresis:
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Corriente del reactor
En el circuito anterior aplicar a las placas y tierra la tensión hasta un 30% sobre la tensión nominal. Así mismo tomar las lecturas sobre los instrumentos conectados.
Cuestionario: 1.
Trazar las curvas V vs I, W vs V. Explicar sus tendencias. Tabla 1
V 11.03 22.73 33.27 44.71 55.11 66.7 77.4 88.2 99.1 110.9 121.6 132.2
I(A) 0.07
P(w) 0
0.07
0
0.06
1
0.07
2
0.08
3
0.1
4
0.11
5
0.15
7
0.21
9
0.32
12
0.49
15
0.74
21
V vs I 0.8 0.7 0.6 ) A (
0.5
e t n e i r r o c
0.4 0.3 0.2 0.1 0 0
20
40
60
80
100
120
140
voltaje (v)
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P(w) vs V 140 120 ) v (
100
e j a t l o v
80 60 40 20 0 0
5
10
15
20
25
potencia (watios)
2.
Elaborar un circuito equivalente del reactor para una tensión de 110 V.
Reactor:
Circuito equivalente:
Para nuestro caso: con V(t) = 110 V
Usando los siguientes datos de la tabla 1:
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LAB. MÁQUINAS ELÉCTRICAS V = 110.9 ; I = 0.32 ; P(w) = 12 Ahora con estas cantidades, podemos determinar la susceptancia de magnetización y la permeancia con las siguientes expresiones:
̅ =
12 = = 0.975 × 10− 110.9 0.32 = = = 0.288 110.9 = √ = 0.287
3.
Diga usted porque se denomina a lo realizado en la pregunta anterior “circuito equivalente”.
-
El circuito equivalente de una maquina eléctrica es la representación circuital de ella y está formado por parámetros que representan las características eléctricas de dicha máquina y que ayudan a simplificar el análisis teórico de su comportamiento. Los parámetros son escogidos de tal manera que se relacionan directamente con una propiedad o aspecto de la máquina que se desea representar, pero el circuito no puede representar a la máquina en todos sus aspectos. Este circuito equivalente representa todas las consideraciones necesarias para el modelamiento eléctrico del reactor, tales como: Los parámetros eléctricos de excitación V e Ic. La resistencia interna de la bobina. Los componentes de la corriente de excitación.
-
La componente de pérdidas Ir y la componente de magnetización tal que cumplan: Las oposiciones a e , que son:
= +
La oposición a , o sea la resistencia de pérdidas en el hierro: r o su conductancia equivalente g. La oposición a , o sea, la reactancia magnetizante o su susceptancia equivalente b 4.
Explicar el principio de funcionamiento del circuito para la observación de lazo de histéresis.
El circuito utilizado para observar el lazo de histéresis funciona obteniendo la diferencia de potencial entre los extremos de la capacitancia en el amplificador vertical. Esta diferencia de potencial será p roporcional (tendrá la misma forma de onda), a E (voltaje inducido en el reactor), el cual es a su vez proporcional al flujo inducido B. Por otro lado el amplificador horizontal recibirá el potencial que existe entre los extremos de la resistencia variable, la cual es proporcional a la corriente que pasa por e l reactor; esta corriente es además directamente proporcional a la intensidad de flujo magnético. De esta manera se obtiene entre las placas vertical y horizontal una diferencia de potenciales proporcionales a B y H, de manera que el osciloscopio traza la forma del lazo de histéresis. 5.
Describa ¿Por qué varia el lazo de histéresis al variar la tensión, sucedería lo mismo al variar la fr ecuencia? Explique.
Al variar la tensión cambia el nivel de excitación (H) por ejemplo al aumentar la tensión aumenta la densidad magnética (H), lo cual aumenta el área del lazo de histéresis.
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Ahora si variamos la frecuencia el área del lazo de histéresis también varía porque el área representa a las perdidas por histéresis, la cual se calcula con la siguiente ecuación: =
: ℎé. : . : ñ . : , 1.6 1 2 .
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