Cálculo y elaboración de un transformador

Cálculo y elaboración de un transformador.

ÍNDICE

I. INTRODUCCIÓN

II. DESARROLLO

        A. Materiales a utilizar

        B. Cálculos

        C. Procedimiento de elaboración

        D. Pruebas finales

III. CONCLUSIONES

IV. BIBLIOGRAFÍA

        ANEXOS

I. INTRODUCCIÓN

Un transformador es una máquina eléctrica de corriente alterna,  que permite variar alguna función de la corriente como el voltaje o la intensidad, manteniendo la frecuencia y la potencia, en el caso de un transformador ideal.

Para lograrlo, transforma la electricidad que le llega al devanado de entrada en magnetismo para volver a transformarla en electricidad, en las condiciones deseadas, en el devanado secundario.

La importancia de los transformadores, se debe a que, gracias a ellos, ha sido posible el desarrollo de la industria eléctrica. Su utilización hizo posible la realización práctica y económica del transporte de energía eléctrica a grandes distancias mediante la elevación de voltaje y disminución de corriente, lo cual permite a la corriente eléctrica ser transportada a través de cables de alta tensión sin mayores pérdidas. 

Así mismo, los transformadores también son utilizados como fuentes de alimentación para todo tipo de aparatos electrodomésticos y electrónicos, siendo una máquina eléctrica imprescindible hasta nuestros días.

En la presente práctica se llevará a cabo el cálculo y elaboración de un transformador con el fin de conocer cada uno de los elementos que lo conforman, así como los factores y las limitantes que afectan directamente el diseño y funcionamiento de los mismos.

II. DESARROLLO

Para la presente práctica se decidió elaborar un transformador que sea alimentado con 120 VCA en su devanado primario, y que obtengamos 24 VCA en su devanado secundario, teniendo este último un TAP central.

A. Materiales a utilizar.

Los materiales necesarios para la elaboración de un transformador son los que a continuación se mencionan:

1. Formaleta.

2. Chapas de Hierro silicio (E, I).

3. Alambre magneto barnizado (doble capa).

4. Barniz dieléctrico.

5. Papel parafinado.

6. Termofit.

7. Tornillos.

8. Cinta masking.

9. Brocha

10. Lija.

Así mismo es indispensable tener a la mano: pinzas de corte, tijeras, cautín, estaño, multímetro, calculadora y un trozo de cable.

B. Cálculos.

A continuación se muestran en forma de tabla, y de manera consecutiva, los cálculos necesarios para determinar el tamaño de la formaleta, numero de espiras de los devanados, calibre y cantidad en metros del alambre magneto que se requiere.

De los cálculos realizados en la tabla anterior, obtenemos la cantidad y calibre del alambre magneto que utilizaremos, que en este caso son 67.2 metros de alambre barnizado calibre #25 para el devanado primario y 14.5 metros de alambre calibre #18 para el devanado secundario, los cuales serán devanados en una formaleta de 3x3 centímetros.

C. Procedimiento de elaboración.

El procedimiento de elaboración de un transformador comprende los siguientes pasos, los cuales serán descritos a continuación.

1. Embobinado del devanado primario.

Previo a dar inicio a enrollar el alambre, se debe soldar en la punta un trozo de cable, aislándolo con termofit. Esta será una de las dos terminales del devanado primario. 

El devanado se comienza de abajo hacia arriba y de izquierda a derecha, teniendo cuidado de que no queden espacios entre espiras y de que no queden una sobre otra, esto con el fin de obtener un devanado compacto y disminuir pérdidas, el número de espiras fue determinado en los cálculos previos, siendo 560 vueltas para el devanado primario.

Es recomendable colocar un marcador cada 100 espiras para que, en caso de perder la cuenta, solo se regresa hasta el último marcador colocado.

Al terminar el devanado primario se solda otro trozo de cable y se aísla con termofit. Esta será la segunda terminal de este devanado primario.

Finamente, para proteger el devanado primario, se cubre con una capa de cinta masking, posteriormente un trozo de papel parafinado y sobre este último otra capa de cinta masking. De esta manera nuestra formaleta queda lista para comenzar a enrollar el devanado secundario.

2. Embobinado del devanado secundario.

Para la presente práctica se elabora un transformador con salida de 24VCA con TAP central. Por lo tanto el embobinado se realiza utilizando dos alambres a la vez, esto nos permitirá obtener posteriormente el punto medio o TAP central. 

El número de espiras del devanado secundario fue calculado en 121, sin embargo como se enrollan dos alambres a la vez, el número de espiras se divide entre 2. Por lo anterior se enrollan 60 espiras dobles en la presente práctica.

El alambre se hace firme en las muescas de la formaleta y se da inicio a enrollar las espiras en el mismo sentido que las espiras de devanado primario (de izquierda a derecha).

Al finalizar el embobinado secundario, los extremos se afirman en las muescas de la formaleta y se corta el alambre.

Posteriormente se coloca una capa de cinta masking para mantener firme el devanado mientras se realiza la identificación de los extremos de cada bobina y se obtiene el TAP central.

Para obtener el TAP central, utilizamos el multímetro para identificar los extremos de cada bobina (al haber enrollado dos alambres a la vez, nuestro devanado cuenta con dos bobinas independientes). El TAP central es la unión del extremo final de una bobina con el extremo inicial de la otra.

Separamos las puntas de las bobinas en las muescas de la formaleta para proceder a remover el barniz dieléctrico con ayuda de una lija. Posteriormente se solda un trozo de cable a cada terminal y se aísla con termofit.

Una vez terminado el devanado secundario se coloca una capa de papel parafinado y sobre esta última otra capa de cinta masking. Nuestro embobinado está listo para montarle el núcleo.

3. Aislamiento de las chapas de hierro silicio (utilizando pintura en aerosol).

El núcleo del transformador no es sólido, si no que se compone de un conjunto de láminas de Hierro silicio con forma de “E” e “I”. El objetivo de estas láminas es para evitar corrientes parásitas como las “Corrientes de Focault”. En la práctica estas últimas se traducen en calor, que no es algo deseable en este tipo de máquinas eléctricas.

Para ayudar a evitar las corrientes de Focault, se aplica una delgada capa de pintura en aerosol a una sola cara de cada una de las chapas que utilizaremos.

4. Ensamble del núcleo.

Una vez que el barniz aplicado a las chapas de hierro silicio se encuentre seco, se procede a armar el núcleo, para lo cual se colocan las chapas en forma de “E” alternativamente de un lado y del otro de la formaleta, hasta que no quepa ni una más. Para colocar las últimas chapas, a veces es necesario el uso de un martillo para lograr acomodarlas.

Habiendo terminado de colocar las chapas “E”, se procede a colocar las chapas en forma de “I” en cada espacio generado entre las chapas “E”.

Para finalizar el ensamble del núcleo se utiliza un martillo para acomodar cada uno de los lados del transformador, hasta que todas las chapas se encuentren en su lugar y los lados estén perfectamente rectos.

Para dar mayor solidez al núcleo, se colocan tornillos en las esquinas de las chapas, para evitar posibles vibraciones durante la operación. Nuestro transformador se encuentra terminado, listo para ser probado.

D. Pruebas finales.

Para probar nuestro transformador, ocuparemos un circuito de protección que nos permita efectuar las mediciones correspondientes de forma segura. Este circuito de protección consta de un foco de 100W conectado en serie con el transformador. En caso de que alguno de los embobinados se encuentre en mal estado o cortocircuitado, podremos identificarlo (en caso de corto-circuito en el transformador, el foco encenderá, sin más consecuencias para el operador ni para el propio transformador). 

A continuación se muestra el diagrama de conección del circuito de seguridad descrito previamente.

Una vez realizada la conexión del circuito de seguridad, se procede a energizar el transformador con 120 VCA provenientes del tomacorriente.

Estando energizado y habiendo comprobado que no existe cortocircuito, se procede a medir el voltaje de salida del transformador. En este caso se obtuvo una medida de 24.9 VCA en los extremos del devanado secundario.

De igual manera se mide el voltaje de los extremos hacia el TAP central, obteniendo un valor de 12.2 VCA.

De esta forma se comprueba que el transformador realizado cumple con los resultados esperados. Cabe mencionar que la mínima diferencia de voltaje que se aprecia en las mediciones respecto a los cálculos, son debidas a que durante el proceso de cálculo, se consideraron las pérdidas de voltaje que ocurren durante la rectificación con un arreglo de diodos rectificadores.

III. CONCLUSIONES

Como resultado de la elaboración de un transformador, es posible concluir que, debido a que el funcionamiento de los transformadores se basa en la inducción electromagnética, existe una relación directa entre el número de vueltas del devanado primario, el número de vueltas del devanado secundario y el área de sección transversal del núcleo.

Los cálculos para la elaboración de un transformador son tan precisos que nos permiten conocer la cantidad exacta de material que ha de utilizarse, permitiéndonos administrar eficientemente los recursos con los que se cuenta. Por otro lado, es importante recalcar que estos cálculos se realizan siempre tomando en cuenta la corriente y voltaje RMS, siendo estos los valores efectivos que generan la potencia en un transformador.

En la tabla de grosores de alambre magneto AWG podemos obtener las características principales de cada calibre disponible, así como elegir el adecuado de acuerdo a las corrientes determinadas en los cálculos respectivos. Esto es muy importante en virtud que una mala elección de calibre nos dará como resultado sobrecalentamiento y en el peor de los casos un transformador quemado.

Al comparar el transformador realizado en la presente práctica con un transformador comercial que supuestamente tiene las mismas capacidades de voltaje y corriente, se observa una notable diferencia en las dimensiones del núcleo así como en el calibre de los devanados. Esto se debe a que los fabricantes al por mayor buscan ahorrar material para disminuir costos, sin embargo esto tiene como consecuencia transformadores de baja calidad que se quemarán si se les hace trabajar a plena carga. Por lo anterior siempre es mejor construir un transformador que comprarlo hecho.  

Finalmente, durante la realización de este proyecto pudimos darnos cuenta que cuando la teoría se lleva a la práctica, aparecen limitantes que no siempre se contemplan en los cálculos como los tamaños de las formaletas y los grosores de las chapas, los cuales se encuentran en dimensiones comerciales estandarizadas. Sin embargo la toma de decisiones es parte de lo que distingue a un buen ingeniero de otros, y la muestra está en que los resultados obtenidos en la presente práctica fueron totalmente satisfactorios. 

IV. BIBLIOGRAFÍA

A. “Calculo simplificado de transformadores de pequeña potencia”. http://www.electronica2000.com/colaboraciones/rolandorivas/instrucciones.pdf

B. “Construcción de un transformador casero”. http://construyasuvideorockola.com/transformador_casero_01.php

C. “Diseño de transformadores”. http://www.813am.qsl.br/artigos/teoria/PT_Singer_P2.pdf

D. “Corrientes de Foucault Medida de conductividad eléctrica por inducción electromagnética”. http://www.uv.es/martined/tecweb/Foucault.pdf

E. “Conceptos de electrotecnia para aplicaciones industriales”. http://www.sapiensman.com/electrotecnia/transformador_electrico1.htm

F. “Tabla de grosores AWG (American Wire Gauge)”. http://www.lcardaba.com/articles/awg.htm

ANEXO UNO

TABLA DE EQUIVALENCIAS DE GROSORES AWG

ANEXO DOS

TABLA DE MEDIDAS ESTÁNDAR DE FORMALETAS PARA TRANSFORMADORES 
DE BAJA POTENCIA