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CONTENIDOS PRÁCTICA 2: CIRCUITOS MAGNÉTICOS 2.1. Comprobar las características de materiales ferromagnéticos y su aplicación en circuitos magnéticos. 2.2. Obtener, mediante simulación, la curva de histéresis de un transformador empleando las herramientas computacionales LVSim y Simulink de Matlab. 2.3. Simular circuitos magnéticos mediante el uso del software FEMM. LABORATORIO DE CONVERSIÓN E/M DE ENERGÍA PRÁCTICA N° 02 1. TEMA CIRCUITOS MAGNÉTICOS 2. OBJETIVOS 2.1. Comprobar las características de materiales ferromagnéticos y su aplicación en circuitos magnéticos. 2.2. Obtener, mediante simulación, la curva de histéresis de un transformador empleando las herramientas computacionales LVSim y Simulink de Matlab. 2.3. Simular circuitos magnéticos mediante el uso del software FEMM. 3. MARCO TEÓRICO Los materiales ferromagnéticos presentan imanaciones grandes aún en presencia de campos magnéticos débiles y son los más usuales en aplicaciones tecnológicas como núcleos de transformadores, motores y generadores. Estos materiales además presentan una característica especial, la relación no lineal entre la intensidad del campo magnético H y la densidad de flujo magnético B. El valor de B que se produce en un material ferromagnético debido a una determinada excitación magnética H no es una función lineal, sino que depende del material. Si se introduce una muestra de material ferromagnético en el interior de una bobina y se hace variar H, modificando la corriente que circula por la bobina, se obtiene la figura 1: Fig. 1 Curva de Histéresis El ciclo o curva de histéresis es una representación gráfica de los diferentes estados por los que pasa el material ferromagnético a lo largo del ciclo de trabajo. Si la intensidad de campo H varía entre ±Hmáx, el material ferromagnético describe dentro del plano de estado B-H una gráfica, de modo que los valores que se obtienen aumentando H no coinciden con los obtenidos al hacer disminuir H (histéresis). 4. TRABAJO PREPARATORIO 4.1. Consultar las definiciones de intensidad de campo magnético, densidad de flujo magnético 4.2. Consultar la clasificación de los materiales magnéticos, indicando para cada caso sus características y su respuesta ante un campo magnético externo. 4.3. Consultar el significado de curva de histéresis y el procedimiento para obtenerla (variables a medir, proceso a seguir y circuito ha emplearse). Dibujar la curva de histéresis para 3 tipos de materiales distintos. 4.4. Consultar el significado de magnetismo remanente y fuerza coercitiva. 4.5. Explicar física y matemáticamente los conceptos de reluctancia e inductancia. 4.6. Traer un computador portátil en el que se haya instalado el software FEMM. (http://www.femm.info/wiki/HomePage) 4.7. Resolver el problema 2.15 del capítulo 2 del libro de Gurú (páginas 128 y 129) 5. EQUIPO Y MATERIALES Laboratorio de simulación virtual LVSIM-EMS: https://lvsim.labvolt.com/ o Módulo fuente de alimentación (8821) o Módulo de medición y adquisición de datos (9063) o Módulo de transformador monofásico (8353) o Módulo de transformador monofásico (8341) o Módulo de dinamómetro – Fuente de Alimentación de 4 cuadrantes (8960) Software Simulink – Matlab o Comando: ee_inductor_hysteresis o Comando: ee_transformer 6. PROCEDIMIENTO PARTE A: MODELACIÓN Y SIMULACIÓN CON FEMM 6.1. Se procederá a la modelación y simulación del circuito magnético resuelto en el preparatorio usando el software FEMM. El instructor explicará el funcionamiento del programa, los pasos a seguir para la modelación, simulación y análisis de resultados. 6.2. Determinar, mediante el software FEMM, el flujo magnético, densidad de flujo magnético, intensidad de campo en el núcleo como en los entrehierros. PARTE B: CURVA DE HISTÉRESIS MEDIANTE LVSIM - EMS 6.3. Armar el circuito mostrado en la figura siguiente. Obtener las mediciones de voltajes y corrientes, exportarlas a un archivo de texto. Mediante la herramienta osciloscopio analizar el efecto de la saturación magnética en el comportamiento de las variables del sistema, variando el voltaje de la fuente. 6.4. Importar a Matlab las mediciones obtenidas, en base de la cual realizar el acondicionamiento a las señales y graficar la curva de magnetización del transformador. Datos Técnicos del transformador o SN = 120 [VA] x cada bobina o V1 = 24 [V] x cada bobina o V2 = 120 [V] x cada bobina o N1 = 57 espiras o N2 = 285 espiras 6.5. Repetir el procedimiento (pasos 6.3, 6.4) con diferentes voltajes de excitación (10 puntos) y obtenga la curva de saturación del transformador. La curva de saturación será similar a la siguiente: PARTE B: CURVA DE HISTÉRESIS MEDIANTE SIMULINK - MATLAB 6.6. En la ventana de comandos de Matlab tipear: ee_transformer. Se abrirá el siguiente circuito en Simulink. 6.7. Obtener la curva de histéresis, así como la curva de saturación del transformador con histéresis, para diferentes valores de voltaje de excitación. 7. INFORME 7.1. Comparar y analizar los resultados obtenidos en el trabajo preparatorio de manera analítica con los resultados obtenidos mediante el uso del software FEMM. 7.2. Graficar la curva de histéresis y curva de magnetización del transformador, empleando el software LVSIM- EMS. 7.3. Graficar la curva de histéresis y curva de magnetización del transformador, empleando el software Simulink - Matlab. 7.4. Realizar un análisis comparativo de los resultados obtenidos en 7.2 y 7.3. 7.5. Realizar una descripción del modelo Jiles – Atherton para representar la histéresis de un material magnético. 7.6. Empleando el circuito magnético mostrado en el punto 6.6, cambiar los tipos de modelo para la reluctancia del núcleo (Linear reluctance, Reluctance with single saturation point, Nonlinear reluctance with hysteresis (JA model)), y para cada caso obtener la curva de histéresis. 7.7. Consultar los materiales más utilizados en la fabricación de transformadores y motores con respecto a la permeabilidad magnética. 7.8. Conclusiones y Recomendaciones 7.9. Bibliografía 8. REFERENCIAS Fitzgerald A. E., et al; "Electric Machinery"; 6ta edición; McGraw Hill; USA, NY; 2003 Mora F. J., "Máquina Eléctricas"; 6ta edición; McGraw Hill; España; 2007 Guru B., Hiziroglu H., “Máquinas Eléctricas y Transformadores, Alfaomega, 3era edición. Kosow I.; “Máquinas Eléctricas y Transformadores”; 1 edición Software FEMM. http://www.femm.info/wiki/Download https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/examples/nonlinear-inductor-characteristics.html https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/ref/nonlinearreluctance.html#d120e118957 https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/examples/electrical-transformer-with- hysteresis.html https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/power_hysteresis.html HOJA DE DATOS Práctica Nro. 2 Departamento de Energía Eléctrica Laboratorio de Máquinas Eléctricas INFORMACIÓN GENERAL Realizado por: ………………………………………….... …………………………………………… …………………………………………… …………………………………………… Fecha de realización (dd/mm/aaaa): .……………………… Grupo (## - A/B): ……………………… DATOS APUNTES EN CLASE CIRCUITOS MAGNÉTICOS
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