como hacer un laboratorio de electrotecnia

GUÍA PARA REALIZAR UN LABORATORIO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS

PRESENTADO POR ESTUDIANTES EN FORMACIÓN DE INGENIERÍA MECÁNICA EN LA ASIGNATURA DE ELECTROTECNIA.

UNIVERSIDAD DE LA GUAJIRAFACULTAD D INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA MECÁNICARIOHACHA, LA GUAJIRA

2015

Laboratorio de Electrotecnia

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

I. OBJETIVOS GENERAL ESPECIFICO

II. REGLAMENTO Y PRECAUCIONESIII. MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS

EQUIPO DE SEGURIDAD PRÁCTICA

IV. FUNDAMENTO TEÓRICOV. PROCEDIMIENTO

a) PRUEBA DE LA POLARIDAD CON CORRIENTE ALTERNA.b) PRUEBA EN VACÍO.c) PRUEBA DE CORTO CIRCUITO.d) DETERMINACIÓN DE LA RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN.

VI. DISCUSIÓN DE RESULTADOSVII. INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA


INTRODUCCIÓN

Las prácticas de laboratorio son fundamentales en la enseñanza de la ingeniería: comple-mentan las clases teóricas y contribuyen a desarrollar el sentido de observación y el espíritu de síntesis necesario para darle al conocimiento su significado verdadero.

Un transformador que consiste en dos bobinas de alambre enrolladas alrededor de un nú-cleo del transformador. La bobina primaria del transformador está conectada a una fuente de fuerza de CA y la bobina secundaria esta en circuito abierto. La base del funcionamiento del transformador se puede derivar de la Ley de FARADAY.

EIND = dj / dt

En donde j, es el flujo magnético ligado de la bobina, a través de la cual el voltaje se induce. El flujo ligado total j es la suma de los flujos que pasan por cada vuelta de la bobina, sumando tantas veces cuantas vueltas tenga dicha bobina. El flujo magnético total que pasa por entre una bobina no es solo Nj , en donde N es el número de espiras en la bobina, puesto que el flu -jo que pasa por entre cada espira es ligeramente diferente del flujo en las otras vueltas, y de -pende de la posición de cada una de ellas en la bobina. Sin embargo, es posible definir un flu -jo promedio por espira en la bobina. Y la Ley de FARADAY se puede escribir:

EIND = N dj / dt

Si el voltaje de la fuente en la Figura 2.1, es VP (t), entonces ese voltaje se aplica directamen-te a través de las espiras de la bobina primaria del transformador. .Como reaccionara el transformador a la aplicación de este voltaje?. La Ley de FARADAY nos explica que es lo que pasara. Cuando la ecuación anterior se resuelve para el flujo promedio presente en la bobina primaria del transformador, el resultado es:

j = (1/NP) ∫ vp (t) dt

Esta ecuación establece que el flujo promedio en la bobina es proporcional a la integral del voltaje aplicado a la bobina y la constante de proporcionalidad es la reciproca del número de espiras en la bobina primaria 1/NP.

Los transformadores ideales nunca se podrán construir en realidad. Lo que puede construir-se son transformadores reales, dos o más bobinas de alambre, físicamente envueltas alrede-dor de un núcleo ferromagnético. Las características de un transformador real se aproximan mucho a la de un transformador ideal, pero solo hasta un cierto grado.


I. OBJETIVOS

GENERAL

Desarrollar habilidades y destrezas en el montaje de circuitos, medición de instrumentos y cálculos operacionales con transformadores monofásicos.

ESPECÍFICO

Establecer el procedimiento para determinar la polaridad de las terminales de los de-vanados, utilizando: Corriente Alterna.

Determinar la relación de transformación y los parámetros del circuito equivalente mediante las pruebas en vacío y en cortocircuito.

Comprobar las hipótesis, los principios y los modelos desarrollados en las clases de teoría.

Familiarizarse con el uso de equipos e instrumentos de medición, conocer las instruc-ciones de operación y saber interpretar las hojas de especificaciones suministradas por el fabricante.

Aprender a comunicar con claridad, orden y precisión el proceso y los resultados del trabajo realizado.


II. REGLAMENTO Y PRECAUCIONES

REGLAMENTOS

Respetar y cuidar todos los activos presentes en el laboratorio.

El estudiante deberá asistir con su respectivo equipo de seguridad.

No debe manipular ningún equipo o instrumento sin asesorarse de su respectivo uso, funcionamiento y normas de seguridad.

El estudiante regularmente inscrito deberá realizar todas las prácticas programadas asistiendo al laboratorio en la hora y fecha que le corresponde.

El estudiante perderá la asignatura en caso de dos (3) o más inasistencias a las prácticas.

Debido a la estructura secuencial de las actividades, no están previstas semanas de recuperación de prácticas perdidas, pero en caso de fuerza mayor justificada, la persona afectada podrá recuperar la práctica en otro grupo de laboratorio ó en un horario tal que el laboratorio esté disponible para tal fin. En tales casos el alumno interesado deberá asistir.

PRECAUCIONES

Familiarizarse con el equipo.

No exceda los voltajes aplicados.

Utilice adecuadamente los instrumentos de medida así como la escala a emplear.

VIII. MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS


EQUIPO DE SEGURIDAD PERSONAL

Guantes Gafas Delantal Botas de seguridad Mascarilla

EQUIPO DE PRÁCTICA

Voltímetro / Amperímetro Voltímetro / Amperímetro (bobina móvil) Vatímetro electrónico Interruptor de 4 polos Módulos de transformadores Fuente ajustable de Corriente Continua

IV. FUNDAMENTO TEÓRICO


TRANSFORMADORES

La invención del transformador, data del año de 1884 para ser aplicado en los sistemas de transmisión que en esa época eran de corriente directa y presentaban limitaciones técnicas y económicas. El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribución de la energía eléctrica que usaba transformadores, se puso en operación en los Estados Unidos de América. En el año de 1886 en Great Barington, Mass., en ese mismo año, al protección eléctrica se transmitió a 2000 volts en corriente alterna a una distancia de 30 kilómetros, en una línea construida en Carchi, Italia. A partir de estas pequeñas aplicaciones iniciales, la industria eléctrica en el mundo, ha recorrido en tal forma, que en la actualidad es factor de desarrollo de los pueblos, formando parte importante en esta industria el transformador.

El transformador, es un dispositivo que no tiene partes móviles, el cual transfiere la energía eléctrica de un circuito u otro bajo el principio de inducción electromagnética. La transferencia de energía la hace por lo general con cambios en los valores de voltajes y corrientes.

La elección correcta de un banco de transformadores no es tarea que se pueda tomar a la ligera, por lo que el conocimiento a fondo de esta máquina es indispensable para todo proyectista eléctrico, por otra parte, poner fuera de servicio un transformador representa un serio problema para las empresas que se ocupan de prestar servicio de electricidad a las comunidades, ya que ello siempre trae consigo un apagón más o menos prolongado de un sector poblacional.

Por lo tanto el trabajo dado a continuación trata de dar una visión general a cerca de los transformadores, su funcionamiento, sus conexiones, etc...

Inducción mutua y autoinducción

En sus primeras experiencias sobre el fenómeno de la inducción electromagnética Faraday no empleó imanes, sino dos bobinas arrolladas una sobre la otra y aisladas eléctricamente. Cuando variaba la intensidad de corriente que circulaba por una de ellas, se generaba una corriente inducida en la otra. Este es, en esencia, el fenómeno de la inducción mutua, en el cual el campo magnético es producido no por un imán, sino por una corriente eléctrica. La variación de la intensidad de corriente en una bobina da lugar a un campo magnético variable. Este campo magnético origina un flujo magnético también variable que atraviesa la otra bobina e induce en ella, de acuerdo con la ley de Faraday-Henry, una fuerza


electromotriz. Cualquiera de las bobinas del par puede ser el elemento inductor y cualquiera el elemento inducido, de ahí el calificativo de mutua que recibe este fenómeno de inducción.

El fenómeno de la autoinducción, como su nombre indica, consiste en una inducción de la propia corriente sobre sí misma. Una bobina aislada por la que circula una corriente variable puede considerarse atravesada por un flujo también variable debido a su propio campo magnético, lo que dará lugar a una fuerza electromotriz auto inducida. En tal caso a la corriente inicial se le añadirá un término adicional correspondiente a la inducción magnética de la bobina sobre sí misma.

Todas las bobinas en circuitos de corriente alterna presentan el fenómeno de la autoinducción, ya que soportan un flujo magnético variable; pero dicho fenómeno, aunque de forma transitoria, está presente también en los circuitos de corriente continua. En los instantes en los que se cierra o se abre el interruptor, la intensidad de corriente varía desde cero hasta un valor constante o viceversa. Esta variación de intensidad da lugar a un fenómeno de autoinducción de duración breve, que es responsable de la chispa que se observa en el interruptor al abrir el circuito; dicha chispa es la manifestación de esa corriente adicional autoinducida.

Transformadores

Primero que todo que es un transformador?

El Transformador es un dispositivo eléctrico que consta de una bobina de cable situada junto a una o varias bobinas más, y que se utiliza para unir dos o más circuitos de corriente alterna (CA) aprovechando el efecto de inducción entre las bobinas .La bobina conectada a la fuente de energía se llama bobina primaria. Las demás bobinas reciben el nombre de bobinas secundarias. Un transformador cuyo voltaje secundario sea superior al primario se llama transformador elevador. Si el voltaje secundario es inferior al primario este dispositivo recibe el nombre de transformador reductor. El producto de intensidad de corriente por voltaje es constante en cada juego de bobinas, de forma que en un transformador elevador el aumento de voltaje de la bobina secundaria viene acompañado por la correspondiente disminución de corriente.


Los trasformadores se utilizan hasta en casa, en donde es necesario para aumentar o disminuir el voltaje que esta impartido por la compaña que está distribuyendo la electricidad a estas, además sirve para resolver muchos problemas eléctricos.

Relación de corriente.

Si se conecta una carga al secundario del transformador, el voltaje inducido Eg hace que circule una corriente I2 en el devanado secundario.

Debido a la circulación de corrientes, se tiene en el devanado secundario una fuerza magneto motriz (FMM) N2 I2 opuesta a la del primario N1 I1. Es conveniente recordar que el voltaje inducido en el primario E1 es siempre directamente proporcional al flujo 0 y también es igual al voltaje aplicado V1, considerando como antes, todos estos valores como eficaces. Dado que el voltaje aplicado no cambia, el flujo en el núcleo debe ser constante, cualquier incremento en la corriente secundaria, será balanceado por un incremento en la corriente primaria, de manera que el flujo de energización producido por la corriente en el primario tendrá un valor efectivo constante durante la operación del transformador. En los transformadores de potencia de valor relativamente pequeño, se puede decir que prácticamente el flujo que eslabona al devanado primario, es el mismo que eslabona al secundario y de aquí que la corriente de vacío o de energización representa sólo el 2% o 3% de la corriente primaria de plena carga ya se puede decir que los ampere-espira del primario son iguales a los ampere-espira del secundario, es decir:

N1 I = N2 I2


I1=

N2

I2 N1

La aplicación de los circuitos equivalentes.

Cuando los transformadores se usan dentro de una red compleja para estudiar el comprometido por lo que se refiere a la distribución de la carga, las caídas de tensión, el corto circuito, etc. conviene, con relación hasta lo ahora expuesto sobre el funcionamiento del transformador, considerando con lo que se conoce como “El circuito equivalente” que en su forma más completa está constituido por un transformador “ideal” (de relación N1/N2) conectado a las resistencias R0, R1 y R2 y a las reactancias X0, X1 y X2.

Diagrama equivalente de un transformador monofásico.

La resistencia Ro representa el efecto disipativo, debido a las pérdidas en vacío, R1 es la resistencia del devanado primario, R2 la del secundario.

En forma análoga Xo representa el efecto de absorción de la corriente de magnetización, en tanto que X1 y X2 representan los efectos de los flujos dispersos en los devanados primario y secundario.

Para algunos estudios, no se requiere considerar los efectos de la saturación del núcleo del transformador y son despreciables, en cambio en otros se requiere de mayor precisión y entonces a Ro y Xo se les atribuyen propiedades no lineales.

Como se mencionó antes, para algunos estudios es conveniente hacer referencia a los valores de tensiones y corrientes referidos a un devanado a un lado del transformador, por lo general, el primario que es el de alimentación. En estos casos el esquema equivalente se simplifica a un circuito “T”.

CIRCUITO EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR REFERIDO AL LADO PRIMARIO.

La resistencia y reactancia secundarias se refieren al devanado primario de acuerdo con las relaciones:

R21 = R2 (N1)2

N2

X21 = X2 (N2)2


N2

En forma análoga la resistencia y reactancia primaria se pueden referir al secundario.

Determinación las constantes del transformador.

Los valores reales de resistencia y reactancia de los devanados de un transformador, se pueden obtener de pruebas de laboratorios mediante mediciones y algunos cálculos relativamente simples y que son la base de los valores usados en los circuitos equivalente son la base de los valores usados en los circuitos equivalentes. Algunos de estos valores o parámetros del transformador obtenidos para el transformador pueden no existir físicamente, pero pueden ayudar a comprender la operación del transformador.

La prueba de corto circuito en el transformador.

La prueba de corto circuito consiste en cerrar o poner en corto circuito, es decir, con una conexión de resistencia despreciable, las terminales de uno de los devanados y alimentar el otro con un voltaje reducido (aplicado en forma regulada_ de un valor reducido de tensión que representa un pequeño porcentaje del voltaje del devanado por alimentar, de tal forma, que en los devanados circulen las corrientes nominales. En esta condiciones se miden las corrientes nominales y la potencia absorbida.

Debido a que la tensión aplicada es pequeña en comparación con la tensión nominal, las pérdidas en vacío o en el núcleo se pueden considerar como despreciables, de manera que toda la potencia absorbida es debida a las pérdidas por efecto joule en los devanados primario y secundario.

Diagrama para la prueba de cortocircuito de un transformador monofásico.

Wattmetor que indica la potencia de pérdidas por efecto de circulación de las corrientes en los devanados primario y secundario.

Conexión de corto circuito entre las terminales del devanado.

Voltaje de alimentación de valor reducido, de manera que se hagan circular las corrientes I1, I2 de valor nominal en cada devanado.


El voltaje aplicado (Vc) es regulado y se varía como se indicó antes, hasta que circule la corriente de plena carga en el primario. De los valores medidos se obtiene “la impedancia total” del transformador como:

Dónde:

I1 = Corriente nominal primaria.

Vcc = Voltaje de corto circuito aplicado en la

Prueba.

Zt = Impedancia total interna referida a devanado primario. Esta impedancia se conoce también como impedancia equivalente del transformador.

Perdida en los devanados a plena carga.

Debido a que el flujo es directamente proporcional al voltaje, el flujo mutuo en el transformador bajo las condiciones de prueba de corto circuito es muy pequeño, de manera que las pérdidas en el núcleo son despreciables. Sin embargo, la corriente que circula a través de la resistencia de los devanados produce las mismas pérdidas en estos, que cuando opera en condiciones de plena carga, esto se debe a que en ambos devanados e hace circular la corriente nominal.

En el circuito para la prueba de corto circuito, si el wattmetor se conecta en el devanado primario o de alimentación, entonces se “miden” las pérdidas en los devanados ya que no ha otras pérdidas consideradas, de este valor que se toma de las pérdidas, se puede calcular “la resistencia equivalente” del transformador como:

RT Pcc

(I1)2


Zg Vcc

I1

Dónde:

Pcc = Pérdidas en los devanados y que se obtienen de la lectura del Wattmetro.

Se deben tener siempre en mente, que el valor de la resistencia Rt, no es la suma aritmética de las resistencias en los devanados primario y secundario. Es un valor que se determina del circuito equivalente y por tal motivo se le denomina "“la resistencia equivalente del transformador”.

La impedancia equivalente de un transformador se puede expresar en términos de la resistencia y reactancia equivalente como:

de tal forma, que la reactancia equivalente del transformador se calcula como:

Estos valores están por lo general referidos al devanado de alto voltaje, debido a que se acostumbra poner en corto circuito el devanado de bajo voltaje, es decir las mediciones se hacen en el devanado de alto voltaje. Esto es por lo general el método normal de prueba. Las razones principales para esto:

La corriente nominal en le devanado de alto voltaje es menor que la corriente nominal en el devanado de bajo voltaje. Por lo tanto, son menos peligrosas y por otra parte es más fácil encontrar instrumentos de medición dentro del rango.

Debido a que el voltaje aplicado es por lo general menor que el 5% del valor del voltaje nominal del devanado alimentado, se obtiene una lectura del vóltimeto con una de flexión apropiada para el rango de voltajes que se miden.

Regulación del transformador.

La regulación de un transformador se define como al diferencia entre los voltajes secundarios en vacío y a plena carga, medidos en terminales, expresada esta diferencia como un porcentaje del voltaje a plena carga. Para el cálculo del voltaje en vacío se debe tomar en consideración el factor de potencia de la carga.


POTENCIA Y RENDIMIENTO DE LOS TRANSFORMADORES MONOFASICOS Y TRIFASICOS.

La potencia de los transformadores.

Como se sabe, la potencia en corriente alterna monofásica está dada como el producto de la tensión por la corriente y por el factor de potencia, de acuerdo a la expresión.

P = VI cos 9

Esta fórmula expresa la “potencia real” que se mide en watts, el producto del voltaje (solo) por la corriente da la denominada potencia aparente.

P = VI

Las normas para transformadores cuando hablan de potencia nominal, se refieren a una potencia que es el producto de la corriente por el voltaje en vacío. La potencia nominal es por lo tanto una “potencia aparente” que es la misma, ya sea que se considere el devanado primario o el devanado secundario. La razón de esta definición que es sólo convencional, se debe al hecho de que se caracteriza a la máquina desde el punto de vista del dimensionamiento. Las prestaciones de una máquina eléctrica están limitadas por el calentamiento de sus componentes, las cuales está causadas por las pérdidas que tiene. En particular, en un transformador se tienen las pérdidas en el núcleo y al pérdidas en los devanados.

Para el núcleo magnético, las pérdidas dependen de la inducción magnética B, la cual es proporcional a la tensión inducida, en los devanados, las pérdidas son proporcionales al cuadrado de la corriente.

La prueba de corto circuito del transformador, permite obtener las pérdidas a plan carga con los devanados, a parir de éstas se pueden calcular para cualquier otro valor de carga.

La llamada prueba de “circuito abierto” en el transformador, permite obtener el valor de las llamadas pérdidas en vacío o pérdidas den el núcleo, que como se mencionó, consisten de dos partes, las pérdidas por histéresis y las pérdidas por corriente circulantes.


En la prueba de circuito abierto, el devanado que se alimenta es por lo general el de bajo voltaje, debido a que resulta el más conveniente par a la medición.

La eficiencia en los transformadores.

En general, la eficiencia de cualquier máquina eléctrica, se calcula como:

Eficiente

Pot. Salida

=

Pot. Salida

Pot. EntradaPot. Salida + Pérdidas

En virtud de que la capacidad de un transformador está basada en su potencia de salida, esta ecuación se puede escribir como:

Eficiente =

KVA salida x FP

KVA salida por FP Perd. Núcleo + perd. devanados

Eficiencia diaria de los transformadores.

Dependiendo de la aplicación de los transformadores, con frecuencia se usan para operar las 24 horas por día, aun cuando la carga no sea continua en el período total de operación. En estas condiciones un transformador tiene dos conceptos de eficiencia, una global para condición de plena carga y otro para distintas cargas al día, es decir, la llamada eficiencia diaria. Esta eficiencia diaria se expresa como la relación de la energía de salida a la energía de entrada durante el período de 24 horas.

V. PROCEDIMIENTO


A. PRUEBA DE LA POLARIDAD CON CORRIENTE ALTERNA.

Paso 1.Arme el circuito de la Figura 2.2. Conecte el devanado de 220V a la terminal L1 y neutro (N) de la fuente de alimentación.

Paso 2.Energice la fuente y ajuste el voltaje en el primario del transformador a 220V.

Paso 3.

Mida el voltaje de los devanados primario y secundario conectados en serie y anote el resul -tado. La medición se realiza entre el neutro y el borne del secundario sin conexión (entre P2 y S2).

VALIMENTACION (entre P1 y P2) = __________ Voltios.

VPRUEBA (entre S2 y P2) = __________ Voltios.

Paso 4.

Desarme el circuito de prueba.

B. PRUEBA EN VACÍO (circuito secundario abierto)”.


Paso 1.

Arme el circuito de la Figura 2.3.

Figura 2.3: “Prueba en vacío”

Paso 2.

Cierre SW1 y energice la fuente de alimentación, ajuste el voltaje aplicado a 220V, tenga mu -cho cuidado de usar el devanado primario de 220V nominales.

VPRIMARIO = __________ Voltios VSECUNDARIO = __________ Voltios.

Paso 3.

Mida el valor de la corriente de magnetización IM y anote el resultado.

IM = __________ Amperios.

Paso 4. Mida la potencia consumida en vacío.

POC = __________ Watts.

Paso 5.

Regrese el ajuste del voltaje a cero y desconecte la fuente.


Nota: Asegúrese de desconectar la fuente de alimentación del circuito y además, de re-gular el voltaje de la fuente de alimentación a cero voltios, de lo contrario podría da-ñar el transformador en la prueba de cortocircuito.

C. PRUEBA DE CORTO CIRCUITO.

Paso 1.

Para esta prueba utilizara el mismo circuito de la prueba anterior, solamente que en esta ocasión colocara un conector en el lado secundario del transformador de modo de cortocir -cuitar el secundario.

Paso 2.

Energice la fuente y ajuste la fuente con mucho cuidado hasta obtener la corriente nominal primaria a un valor de ISC = 0.7 Amperios (o un valor especificado por el Docente).

Paso 3. Mida el voltaje aplicado al primario bajo la condición de cortocircuito.

VSC = __________ Voltios.

Paso 4. Mida la corriente en la condición de cortocircuito.

ISC = __________ Amperios.

Paso 5. Mida la potencia en la condición de cortocircuito.

PSC = __________ Watts.

Paso 6.

Apague la fuente.

D. DETERMINACIÓN DE LA RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN.

Paso 1.

Con el circuito que actualmente tiene elaborado (prueba de corto circuito), coloque un medi-dor en el lado secundario del transformador conectado como amperímetro.


Paso 2.

Encienda la fuente con los ajustes de la prueba de corto circuito y mida la corriente por cada devanado:

I1 = __________ Amperios I2 = __________ Amperios.Paso 3. Rescriba los valores de voltaje obtenido en la prueba de circuito abierto.

VPRIMARIO = __________ Voltios VSECUNDARIO = __________ Voltios.

Paso 4. Apague la fuente y ordene la mesa de trabajo.

VI. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Parte I.1. Basándose en los resultados obtenidos, explique de .que forma determina la polaridad de los devanados de un transformador mediante excitación de CC?2. Basándose en los resultados obtenidos, explique de .que forma determinar la polaridad de los devanados de un transformador mediante excitación de CA?

Parte II.3. Determine los parámetros del circuito equivalente del transformador, usando los datos obtenidos en la prueba de vacío y en cortocircuito.4. Dibuje el diagrama del circuito equivalente del transformador referido al primario, inclu-yendo los valores de parámetros determinados. Redibuje el circuito equivalente referido al secundario y señalizarlo con cantidades en P.U.5. Determine la relación de transformación en función de las corrientes y en función de los voltajes.

VII. INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA


a. Explique cómo se señalizan las terminales de transformadores de distribución con polaridad aditiva y con polaridad substractiva.

b. Investigue sobre el efecto de la saturación del núcleo de un transformador al aplicar sobretensión al primario. Explique el efecto de la saturación sobre la operación del transformador.

c. Elabore a escala y utilizando papel milimetrado, el diagrama fasorial para la condi-ción de vacío y para la condición de cortocircuito del transformador analizado duran-te la práctica.


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