1 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA En este tema aprenderemos la teoría del transformador monofásico y parámetros eléctricos y experimentaremos las mediciones de las tensiones nominales primario y secundario con ayuda del multitester ,también veremos las mediciones con el vatímetro ya con ello mediremos la potencia ,voltaje y corriente de un circuito con resistencia de carga teniendo en cuenta que Una máquina eléctrica es un dispositivo que transforma la energía eléctrica en otra energía, o bien, en eléctrica pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético [1]. El siguiente informe, presenta de forma práctica los métodos que existen para determinar los parámetros de un Transformador Monofásico de dos devanados, estos métodos son: •Prueba de Vacío •Prueba de Cortocircuito. En donde al realizar cada de corriente, voltaje y potencia. prueba se realizaron las mediciones las pérdidas de potencia en un transformador real, son un tema muy crítico y complicado, dichas pérdidas han sido estudiadas por años y años, llegando a la conclusión de que es imposible no tener pérdidas en un transformador; es por esto que ahora lo que se pretende lograr es reducir las pérdidas lo máximo posible. un transformador real tiene perdidas por diferentes circunstancias, no solo por una, y sin embargo todas se manifiestan en forma de calor, es decir si un transformador tiene pérdida de potencia esta pérdida se transformara en calor, este es el principio de la conservación de energía. con el fin de tratar de reducir las pérdidas de potencia lo máximo posible, sea estudiado cuales son las causas por las que se producen estas pérdidas y así hacer algo al respecto y tomar una medida adecuada y oportuna que permita una solución al problema; esta solución claramente no será una solución totalmente exitosa, pero lograra una mejora muy considerable. debido a las pérdidas de potencia es que cada transformador, debe tener su factor de potencia establecido por el fabricante, para así poder ver cuál es un transformador con bajas perdidas y cual es un transformador con altas perdidas, para así poder adquirir uno de estos según las circunstancias que se necesiten. UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA 2.1 OBJETIVO GENERAL: Determinar perdidas de potencia en el hierro y perdidas de potencia en el cobre en el transformador monofásico. 2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS Realizar la prueba de vacío por el lado de B.T. Realizar la prueba de cortocircuito por el lado de B.T. Obtener parámetros del circuito equivalente del transformador. Determinar la relación de transformación en el transformador. Afianzar los conocimientos adquiridos sobre determinación de pérdidas de potencias en el transformador. 2 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA 3.1¿Qué es un transformador? Un transformador es una máquina formada por dos bobinas, alrededor de un núcleo, llenas de cable enroscado y a cada vuelta del cable se le llama espira, de tal manera que según el número de espiras que tengamos enrollado en nuestro núcleo de la bobina, obtendremos más o menos tensión. Si se tratase de un transformador trifásico, este tendría 3 bobinas. Una de las bobinas será la primaria o inductora y la otra será la secundaria o inducida. De esta manera, si tenemos una tensión de entrada de 230 v (como es la red española) y la bobina secundaria tiene 100 veces el número de espiras de la primaria, su tensión será de 23000v. También ocurre que como la relación es P=I*V (potencia -vatios- igual a intensidad de corriente (amperios) por tensión voltios-), en un transformador ideal la potencia en ambas bobinas sería la misma, por lo que la intensidad de corriente en la bobina principal, si son 10A, en la bobina secundaria serán 0,1A. El mayor logro de los transformadores es que puedes cambiar voltaje y amperaje de salida a voluntad y con más seguridad. Antes solo se podían elevar mediante capacitores y resistencias. Si quieres saber más, puedes aprender qué es un transformador por si no te ha quedado del todo claro. ¿Para qué sirve un transformador monofásico? Ya sabemos que podemos conseguir alta tensión y baja intensidad disminuyendo el rozamiento en el transporte y por tanto las pérdidas de energía por calor. Esto es lo que posibilita hacer un transporte de energía a largas distancias y con pequeñas pérdidas. Esta energía para llegar a nuestras casas se tiene que volver a transformar para su uso. Aun así, los transformadores monofásicos también se pueden usar para estabilizar la tensión en un aparato y, cuando en una bobina se llega a la tensión nominal, el núcleo se satura y el secundario se mantiene. 3 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA 3.2 ENSAYO EN VACIO O A CIRCUITO ABIERTO el ensayo de vacío es un método utilizado para determinar diversos parámetros de las máquinas eléctricas mediante pruebas realizadas sin carga aplicada. En el caso de un transformador permite determinar la impedancia de vacío en la rama de excitación del mismo. El ensayo de vacío es esencial a la hora de caracterizar un transformador, puesto que la impedancia de vacío es uno de los parámetros fundamentales de su circuito equivalente. Un transformador trabaja en vacío cuando el circuito secundario está abierto. En estas condiciones, el primario es recorrido por una corriente alterna de pequeña intensidad, del orden del 5% de la corriente nominal. Esta corriente tiene dos componentes, una suministra las pérdidas en el hierro y la otra proporciona la f.m.m. necesaria para magnetizar el núcleo. La potencia absorbida por el transformador trabajando en vacío corresponde casi exactamente a las pérdidas en el hierro. Como la corriente que circula por el secundario es nula, no aparecen en él pérdidas en el hierro. 4 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA 3.3 ensayo en cortocircuito La prueba se lleva a cabo desde el lado de alta tensión del transformador mientras el lado de baja tensión está cortocircuitado. El voltaje de suministro requerido para circular la corriente nominal a través del transformador es normalmente muy pequeño y es del orden de unos cuantos porcentajes del voltaje nominal y este voltaje del 5 % está aplicado a través de primario. Las pérdidas en el núcleo son muy pequeñas porque el voltaje aplicado es solo unos cuantos porcentajes del voltaje nominal y puede ser despreciado. Así, el vatímetro solo medirá las pérdidas en el cobre. Para llevar a cabo el ensayo de cortocircuito en un transformador: Desconectar totalmente el transformador. Cortocircuitar las fases de baja tensión. Alimentar desde el lado de alta tensión con una tensión pequeña hasta que la corriente por el secundario alcanza su valor nominal. Medir la tensión, corriente y potencia de entrada. El vatímetro indica las pérdidas totales en el cobre. 5 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA Descripción 1 Multímetro Digital 1 Vatímetro Marca y Observación modelo UT3O permite C cambiar el rango de las escalas de tensión, corriente y resistencia MAT EIX PX110 no sólo se clasifica en vatios, sino también en v y A 1 Pinza amperimétrica UNI-T UT204A medición de corriente, en conductores Sin descone Ctar el Circuito eléctrico 8 Cable para conexión GPT N°16 Rojo y negro 6 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA 1 Transformador monofásico Elect ro volt TMA N Transformador 1 MODULO N° 1 COS_ ELSA Selector para seleccionar el voltaje deseado. Y salida de voltaje. 1 BORNERA HECHA EN VIDRIO Pack 4X BAN ANA Se inserta Las Conexiones 3 PORTA FUSIBLES CAR TUC HO, monofásico de potencia 1KVA, voltaje primario 220V, secundario 113V. 7 8 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA 5.1PRUEBA DE VACIO: Identifique el bobinado de B.T. del transformador y conecte el vatímetro por los métodos ya conocidos. Una vez conectado el circuito, varié los valores de regulador en voltios (55V, 70V, 82V, 95V, 105V, 113V, 117V). Mida la corriente el valor nominal del voltaje primario, mida la tensión secundaria. DATOS OBTENIDOS EN LA EXPERIENCIA 55.8V 70V 141mA 5.3w 82V 105v 113v 117v 186mA 252mA 398mA 573mA 795mA 915mA 8.1w 20.2w 25.3w 27.8w 11.1w 95v 15.5w UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA 5.2 PRUEBA DE CORTO CIRCUITO El regulador de voltaje deberá estar en la posición de cero v, y a partir de allí, una vez conectado el circuito obtenga las corrientes de 8.85 A. A la corriente medida le corresponderá una “tensión de cortocircuito” determinada y una “potencia de cortocircuito” determinada en el valor respectivo de corriente nominal (8.85 A). le corresponderá los valores de potencia y de cortocircuito nominal. DATOS OBTENIDOS EN LA EXPERIENCIA: 𝐕𝐜𝐜𝟏 5.1V 𝐏𝐜𝐜𝟏 42.5W 𝐈𝐜𝐜𝟏 8.74A 9 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA 10 evidencias de las mediciones en la experiencia VOLTAJE 55V 70V 82V MEDICION DE LA INSTALACION DEL TRANSFORMADOR DATOS OBTENIDOS EN EL VATIMETRO UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA 95V 105V 113V 117V 11 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA La experiencia se desarrolló en dos partes: En ensayo en vacío y en cortocircuito. Para el ensayo en vacío se conectó el circuito con ayuda de los cables GPT N° 16 en B.T. y se midió con el vatímetro en el primario la tensión, la corriente de vacío y las pérdidas en el hierro. Para el ensayo en cortocircuito de forma similar se realizaron las conexiones, pero en el secundario se cortocircuitó, luego se procedió a regular la tensión hasta obtener la corriente de 8.85 A y con el vatímetro se procedieron a realizar las mediciones correspondientes. 12 13 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA VALORES APLICADOS DE TENSION VS LA CORRIENTE DE EXCITACIÓN V1 vs Io (mA) Io(mA) 1000 915 900 795 800 700 573 600 500 398 Valores Y 400 Линейная (Valores Y) 252 300 141 200 186 100 0 0 20 40 60 80 100 120 140 V1 ¿Qué significado le da el grafico y la función determinada en la prueba de vacío? la gráfica demuestra que, si sigue aumentando la corriente, el núcleo del transformador llega a la saturación magnética, es decir pierde las características magnéticas oponiéndose al crecimiento del flujo magnético y es una función no lineal. . 14 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA VALORES APLICADOS DE TENSION VS POTENCIA DE PERDIDAS EN EL NUCLEO. V1 vs Pfe 30 27,8 25,3 25 20,2 Pfe(W) 20 15,5 15 Pfe 11,1 Линейная (Pfe) 8,1 10 5,3 5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 v1(V) ¿Qué significado le da el grafico y la función determinada en la prueba de vacío? En un transformador ideal, la potencia de salida es igual a la potencia de entrada. Dado que el secundario está en circuito abierto, no sale ninguna potencia, es evidente que toda la potencia en la entrada se perderá. esta potencia perdida será la suma de las pérdidas en el cobre y las pérdidas en el hierro. Las pérdidas en el cobre serán despreciables, ya que en el secundario no recorre ninguna corriente, y en el primario la corriente es pequeña. Entonces, dicha grafica representa las pérdidas de potencia en el núcleo del transformador en función al voltaje aplicado al mismo, y es una función no lineal. *SIGNIFICADO: de acuerdo con las corrientes dadas las tensiones y las potencias van aumentando de manera directa con respecto a la corriente. ¿Qué porcentaje de pérdidas de potencia le arroja sus mediciones en la prueba de vacío (referencia: potencia nominal del transformador) 𝑃𝑐𝑢 = 𝑃𝑓𝑒 = 25.3w 25.3𝑥113 = 28.58% 100 El porcentaje de pérdida de potencia con respecto al valor nominal (S=1000VA) es de 28.58%. UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA ¿Cuál es su tensión secundaria nominal en vacío de acuerdo a sus mediciones? La tensión secundaria nominal es: 𝑉2𝑁 = 221.6𝑉 ¿Qué porcentaje de pérdidas de potencia en cortocircuito le arroja sus mediciones efectuadas (respecto a la potencia nominal)? Potencia nominal: 1KVA:1000VA El porcentaje de pérdida de potencia con respecto al valor nominal (S=1000VA) es de 2.19% primero comprobaremos si el ensayo de cortocircuito sea hecho por la corriente nominal: 𝑉𝑁 = 113𝑉 𝐼𝑁 = 𝑆𝑁 1000𝑉𝐴 = 𝑉𝑁 113𝑉 𝐼𝑁 = 8.849𝐴 La pérdida de cobre a la potencia nominal será entones: 2 𝑃𝑐𝑢 = 𝑅𝑐𝑐 𝑥𝐼1𝑁 = 0.55 𝑥8.852 𝑃𝑐𝑢 = 𝑃𝐹𝑒 = 43𝑤 43𝑥5.1 = 2.19% 100 ¿En porcentaje (referido al nominal) cuál es su tensión de cortocircuito? 𝑽𝑪𝑪 = 𝑽𝑪𝑪𝟏 ∗ 𝑽𝑪𝑪 = 𝟓. 𝟏 ∗ 𝟏𝟎𝟎 (𝒆𝒏 %) 𝑽𝟏𝑵 𝟏𝟎𝟎 (𝒆𝒏 %) 𝟐𝟐𝟎𝒗 𝑽𝑪𝑪 = 𝟐. 𝟑𝟏% Según los cálculos realizados la tensión de cortocircuito es aproximadamente el 2.31% de la tensión nominal. ¿Cuál es la razón por la cual se dice que los parámetros: ¿resistencia de cortocircuito, reactancia de cortocircuito e impedancia de cortocircuito son lineales? Porque van aumentando de manera directa con respecto a la corriente. 15 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA Vacío:220v, 2A, 150 W (medidos en el lado de B.T) Cortocircuito: 10V, 26.32A, 75W (medidos en el lado de A.T). Calcule: a) componentes de las corrientes de vacío 𝑰𝑷 = 𝑰𝟎 . 𝒄𝒐𝒔∅𝟎 … … . (𝑰) 𝒄𝒐𝒔 ∅𝟎 = 𝒄𝒐𝒔 ∅𝟎 = 𝑷𝑭𝒆 𝑽𝟏𝑵 . 𝑰𝟎 𝟏𝟓𝟎𝑾 𝟐𝟐𝟎𝒙𝟐𝑨 𝒄𝒐𝒔 ∅𝟎 =0.34 ∅𝟎 = 𝑨𝒓𝒄𝑪𝒐𝒔(𝟎. 𝟑𝟒) ∅𝟎 = 𝟕𝟎. 𝟏𝟐° Reemplazando en I: 𝑰𝒑 = 𝟐𝒙𝟎. 𝟑𝟒 𝑰𝒑 = 𝟎. 𝟔𝟒𝑨 Corriente de magnetización: 𝑰𝒎 = 𝑰𝟎 𝒙𝑺𝒆𝒏∅𝟎 𝑰𝒎 = 𝟐𝒙𝑺𝒆𝒏(𝟕𝟎. 𝟏𝟐 𝑰𝒎 = 𝟏. 𝟖𝟖𝑨 16 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA b) parámetros del circuito equivalente del transformador referido al devanado primario y referido al devanado secundario. P.C.A: V=220v I =2A P= 150w Prueba de circuito abierto: 𝑐𝑜𝑠𝜑0 = 𝑃𝐹𝑒 𝑉1𝑁 𝑥 𝐼0 𝑐𝑜𝑠𝜑0 = 150𝑤 220𝑥 2 𝑐𝑜𝑠𝜑0 = 0.34 𝜑0 = 70.12° Resistencias de pérdidas (Rp) 𝑅𝑝 = 𝑉1𝑁 𝐼0 . 𝑐𝑜𝑠∅0 𝑅𝑝 = 220 2𝑥0.34 𝑅𝑝 = 323Ω Reactancia de magnetización(Xu) 𝑋𝑢 = 𝑋𝑢 = 𝑉1𝑁 𝐼0 . 𝑠𝑒𝑛∅0 220 2𝑥𝑠𝑒𝑛 (70.12°) 𝑋𝑢 = 117Ω 220v 𝟑𝟐𝟑𝛀 𝟏𝟏𝟕𝛀 17 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA P.C C: 10V, 26.32A, 75W V=10v I =6.32A P= 75w Prueba de corto circuito: Hallando el ángulo de F.P en cortocircuito: 𝑷 𝒄𝒐𝒔𝝋 = 𝑽𝒙𝑰 𝒄𝒐𝒔𝝋 = 𝟕𝟓𝒘 𝟏𝟎𝒙𝟐𝟔. 𝟑𝟐 𝒄𝒐𝒔𝝋 = 𝟎. 𝟐𝟖 𝝋 = 𝟕𝟑. 𝟐𝟕° Impedancia de cortocircuito: 𝒁= 𝒁= 𝑽 𝑰 𝟏𝟎 = 𝟎. 𝟑𝟕 𝟐𝟔. 𝟑𝟐 Resistencia de cortocircuito: 𝑹= 𝑹= 𝑷 𝑰𝟐 𝟕𝟓 = 𝟎. 𝟏𝟎𝛀 𝟐𝟔. 𝟑𝟐𝟐 Reactancia de cortocircuito: 𝑿𝒄 = 𝒁𝒄𝒄𝒙𝒔𝒆𝒏𝝋 𝑿𝒄 = 𝟎. 𝟑𝟕𝒙𝒔𝒆𝒏𝟕𝟑. 𝟐𝟕 = 𝟎. 𝟑𝟓𝛀 𝟎. 𝟏𝟎𝛀 V=10v 𝟎. 𝟑𝟓𝛀 18 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA Marca o razón social del fabricante. Número de serie dado por el fabricante. Año de fabricación Clase de transformador Numero de fases Diagrama fasorial Frecuencia nominal Potencias nominales, de acuerdo al tipo de refrigeración Tensiones nominales, numero de derivaciones Corrientes nominales Impedancia de cortocircuito Peso total en kilogramos Grupo de conexión Diagrama de conexiones 19 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA Transformador con flujos de dispersión y flujo mutuo. Aunque el flujo de dispersión es una pequeña fracción del flujo total que crea un devanado, afecta el rendimiento del transformador. Es posible modelar un devanado como si constara de dos devanados: uno responsable de crear el flujo de dispersión hacia el aire y el otro de circundar el núcleo. En la figura 14 se describe una disposición hipotética de los devanados en la forma descrita para un transformador de dos devanados. Como puede observarse, los dos devanados que envuelven al núcleo satisfacen las condiciones de un transformador ideal. 20 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA Circuito equivalente en la prueba de vacío en B.T: Voltaje 113v corriente 0.795A potencia 25.3W Prueba de circuito abierto: 𝒄𝒐𝒔𝝋𝟎 = 𝒄𝒐𝒔𝝋𝟎 = 𝑷𝑭𝒆 𝑽𝟏𝑵 𝒙 𝑰𝟎 𝟐𝟓. 𝟑𝒘 𝟏𝟏𝟑𝒙 𝟎. 𝟕𝟗𝟓 𝒄𝒐𝒔𝝋𝟎 = 𝟎. 𝟐𝟖 𝝋𝟎 = 𝟕𝟑. 𝟕𝟒° Resistencias de pérdidas (Rp) 𝑹𝒑 = 𝑽𝟏𝑵 𝑰𝟎 . 𝒄𝒐𝒔∅𝟎 𝑹𝒑 = 𝟏𝟏𝟑 𝟎.𝟕𝟗𝟓𝒙𝟎.𝟐𝟖 𝑹𝒑 = 𝟓𝟎𝟕𝛀 Reactancia de magnetización(Xu) 𝑽𝟏𝑵 𝑿𝒖 = 𝑰𝟎 . 𝒔𝒆𝒏∅𝟎 𝑿𝒖 = 𝟏𝟏𝟑 𝟎. 𝟕𝟗𝟓𝒙𝒔𝒆𝒏 (𝟕𝟑. 𝟕𝟒°) 𝑿𝒖 = 𝟏𝟒𝟖𝛀 113v 𝟓𝟎𝟕𝛀 𝟏𝟒𝟖𝛀 21 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA Circuito equivalente en la prueba de cortocircuito en B.T. 𝐕𝐜𝐜𝟏 5.1V 𝐏𝐜𝐜𝟏 42.5W 𝐈𝐜𝐜𝟏 8.74A Hallando el ángulo de F.P en cortocircuito: 𝒄𝒐𝒔𝝋 = 𝒄𝒐𝒔𝝋 = 𝑷 𝑽𝒙𝑰 𝟒𝟐. 𝟓𝒘 𝟓. 𝟏𝒙𝟖. 𝟕𝟒 𝒄𝒐𝒔𝝋 = 𝟎. 𝟗𝟓 𝝋° = 𝟏𝟖. 𝟏𝟗° Impedancia de cortocircuito: 𝒁= 𝒁= 𝑽 𝑰 𝟓. 𝟏 = 𝟎. 𝟐𝟖 𝟖. 𝟕𝟒 Resistencia de cortocircuito: 𝑹= 𝑹= 𝑷 𝑰𝟐 𝟒𝟐. 𝟓 = 𝟎. 𝟓𝟓𝛀 𝟖. 𝟕𝟒𝟐 Reactancia de cortocircuito: 𝑿𝒄 = 𝒁𝒄𝒄𝒙𝒔𝒆𝒏𝝋 𝑿𝒄 = 𝟎. 𝟐𝟖𝒙𝒔𝒆𝒏𝟏𝟖. 𝟏𝟗° = 𝟎. 𝟎𝟖𝛀 𝟎. 𝟓𝟓𝛀 V=5.1v 𝟎. 𝟎𝟖𝛀 22 UNIVERSIDAD NACIONAL SAN LUIS GONZAGA DE ICA o Se pudo aprender más sobre la determinación de las pérdidas de potencia en el transformador monofásico. o Se aprendió a medir las pérdidas en el hierro y el cobre con ayuda del módulo de ensayo. o Analizando las pérdidas de un transformador real en este ensayo, podemos ver que estas pérdidas siempre estarán presentes ya sea en gran cantidad o en poca pero ahí estarán. Sin embargo, las pérdidas en un transformador se las puede reducir considerablemente tomando las medidas necesarias. o También se debe tomar en cuenta que para tomar una medida que disminuya las pérdidas en el transformador, debemos analizar muy bien, debemos poner en la balanza lo positivo y lo negativo que se produce al cambiar algo, y ver si nos conviene o no tomar dicha medida. o Toda máquina eléctrica tiene pérdidas de potencia, ya sea estática o dinámica. A diferencia de un transformador ideal, el transformador real tiene perdidas tanto en el circuito magnético como en el circuito eléctrico. 23