El transformador monofasico

El transformador monofasico2015-1

ndice

3.Transformador real.74.Ensayos.8III.Cuadro de datos.11IV.Materiales y Procedimiento.12V.Cuestionario.14VI.Conclusiones.23VII.Recomendaciones.24VIII.Bibliografa.25IX.Anexos.261.Vatmetro analgico262.El autotransformador273.Restato28

El presente informe del segundo laboratorio de maquinas elctrica: El transformador monofsico proporciona toda la informacin sobre la experiencia obtenida al realizar una serie de procedimientos (circuitos especiales: cortocircuito y vacio) con el fin de encontrar una serie de parmetros fundamentales propios del transformador que nos permitan concluir y entender el funcionamiento y comportamiento de todas las propiedades tanto como la relacin real de voltaje como de corriente, potencia, eficiencia y propiedades adicionales que existen en esta maquina esttica.

I. Objetivos.

Determinacin de los parmetros del circuito equivalente de un transformador monofsico para operacin a frecuencia y tensin nominales.

.

Determinacin de las caractersticas de regulacin.

II. Fundamento Terico.

1. Introduccin al transformador monofsico.Untransformadores una mquina esttica decorriente alterno, que permite variar alguna funcin de la corriente comoel 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 magnetismopara volver a transformarla en electricidad, en las condiciones deseadas, en el devanado secundario. a grandes distancias.

Figura 1- Esquema de un transformador COMPONENTES DE LOS TRANSFORMADORESLos transformadores estn compuestos de diferentes elementos. Los componentes bsicos son:

Ncleo: Este elemento est constituido porchapas de acero al silicioaisladas entre ellas.El ncleo de los transformadoresest compuesto por lascolumnas, que es la parte donde se montan los devanados, y lasculatas, que es la parte donde se realiza la unin entre las columnas.El ncleo se utiliza para conducir elflujo magntico, ya que es un gran conductor magntico.

Devanados: El devanado es un hilo de cobre enrollado a travs del ncleo en uno de sus extremos y recubiertos por una capa aislante, que suele ser barniz. Est compuesto por dos bobinas, la primaria y la secundaria. La relacin de vueltas del hilo de cobre entre el primario y el secundario nos indicar larelacin de transformacin. El nombre de primario y secundario es totalmente simblico. Por definicin all donde apliquemos la tensin de entrada ser el primario y donde obtengamos la tensin de salida ser el secundario.

Figura 2- Partes de un Transformador

TIPOS DE NCLEOSExisten 2 tipos de ncleos fundamentales de estructura del transformador ellos son el tipo ncleo y el tipo acorazado, los cuales se detallan a continuacin. Tipo columna: Este ncleo no es macizo, sino que est formado por un paquete de chapas superpuestas, y aisladas elctricamente entre s. Para colocarlas y poder ubicar el bobinado terminado alrededor del ncleo, se construyen cortadas, colocando alternadamente una seccin U con una seccin I. La capa siguiente superior cambia la posicin I con

Figura 3- Vista y corte de un ncleo tipo columna

del ncleo puede tener la mitad de la parte central. Esto vale para las 2 ramas laterales como tambin para las 2 cabezas. Para armar el ncleo acorazado tambin se lo construye en trozos, unos en forma de E y otros en forma de I, y se colocan alternados, para evitar que las juntas coincidan.

Figura 4- Vista de un ncleo tipo acorazado.

2. Transformador ideal.

El transformador monofasico2015-1

6 | PginaUn transformador ideal es un dispositivo sin perdidas, con devanado de entrada y un devanado de salida. Las relaciones entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida, y entre la corriente de entrada y la corriente de salida, estn dadas por dos sencillas ecuaciones.

Figura 5- Smbolo esquemtico de un transformador ideal

En el transformador que se muestra en la figura 2 tiene Np espiras de alambre sobre su lado primario y Ns de espiras de alambre en su lado secundario. La relacin entre el voltaje Vp(t) aplicado al lado primario del transformador y el voltaje Vs(t) inducido sobre su lado secundario es:

Donde a es la relacin de transmisin,La relacin entre la corriente Ip(t) que fluye en el lado primario del transformador y la corriente Is(t) que fluye hacia fuera del lado secundario del transformador es:

Un transformador reductor es aquel cuya tensin secundaria es menor que su tensin primaria. Un transformador elevador es aquel cuya tensin secundaria es mayor que su tensin primaria.

Potencia en el Transformador IdealLa potencia suministrada al transformador por el circuito primario est dada por la ecuacin:

Donde es el ngulo entre el voltaje y la corriente primarios. La potencia siniestrada por el circuito secundario del transformador a sus cargas esta dada por la ecuacin:

Donde es el ngulo entre el voltaje y la corriente secundarios. Puesto que los ngulos del voltaje y la corriente no se afectan en un transformador ideal, . Los devanados primario y secundario de un transformador ideal tiene el mismo factor de potencia.

3. Transformador real.Los transformadores ideales descritos anteriormente, nunca se podrn construir en realidad. Lo que puede construirse son transformadores reales; dos o ms bobinas de alambre, fsicamente envueltas alrededor de un ncleo ferromagntico. Las caractersticas de un transformador real se aproximan mucho a las de un transformador ideal, pero slo hasta un cierto grado.

Figura 5- Transformador real

Circuito equivalente de un Transformador Real

Figura 6- Circuito equivalente real

Donde:

Espiras del primario Tensin aplicada Corriente en el primario Corriente de vaco Corriente magnetizanteCorriente debido a parasitas e histresis Tensin inducida en el primario Corriente de carga Espiras del secundario Tensin inducida Tensin aplicada en la carga Corriente de carga

.

4. Ensayos.

1. 2. 3. 4. 4.1. En el vaco.

Consiste en conectar el primario del transformador a la tensin nominal V1n y el secundario en vaco, es decir, sin carga, I2=0

Figura 7- Transformador en el vaco. Circuito equivalente.

Conectemos un vatmetro al primario. Este no indicar una cierta potencia P que ser la potencia de entrada. Como no sale ninguna potencia, es evidente que toda la entrada se perder.Esta potencia perdida ser la suma de las perdidas en el cobre y las perdidas en el hierro. Perdidas en el cobre (Req y Leq)Por lo que respecta al secundario debido a que est en circuito abierto no estar recorrida por ninguna corriente. Esto nos dice que las perdidas sern nulas. En cuanto al primario: puesto que esta recorrido por una corriente pequea iv las perdidas en el pueden despreciarse.Por tanto podemos afirmar que las prdidas del cobre son despreciables en el ensayo en circuito abierto. Perdidas en el hierro (Lm y Rp)Son debidas fundamentalmente, segn sabemos, a perdidas por histresis y por corrientes de Foucault, aquellas, para un transformador dado, no dependen ms que de la induccin mxima (y por tanto el voltaje aplicado) y de la frecuencia. La variacin de las perdidas en el hierro con el voltaje es pequea, por lo que no incurrimos en gran error si las consideramos constantes para cualquier voltaje. As pues podemos suponer que las prdidas del hierro son las mismas para todas las cargas e iguales a la de la prueba de vaco.

4.2. En cortocircuito.

Coloquemos el secundario del transformador en cortocircuito. Al no tener carga, la impedancia del secundario ser muy pequea, lo cual puede dar lugar a que circule por el transformador una corriente muy elevada que lo destruya.

Figura 8- Transformador en cortocircuito. Circuito equivalente.Para evitar esto lo que haremos ser regular la tensin de entrada, de tal forma que por el primario circule una corriente i1 idntica a la del funcionamiento en carga en el rgimen propuesto.Esta tensin, que denominaremos e1cc, ser evidentemente mucho menor que la de funcionamiento con carga conectada e1, debido precisamente a la menor impedancia que presentara el circuito. Perdidas en el cobre.Puesto que las prdidas en el cobre dependen solamente de las corrientes y estas son las mismas que tendra el transformador trabajando en el rgimen propuesto, la potencia que midamos en este ensayo sern las perdidas en el cobre (efecto Joule) en dicho rgimen. Perdidas en el hierro.Dado que, la tensin en el primario es muy pequea, la induccin ser tambin muy pequea, y por tanto, las perdidas en el hierro sern despreciables.El circuito equivalente ser ahora:

Figura 9- Circuito equivalente del transformador a cortocircuito.

4.3. Con carga

Coloquemos en el secundario del transformador una carga. La impedancia del secundario ahora no ser despreciable.

Figura 10- Transformador con carga. Circuito equivalente.

Al igual que en el ensayo de cortocircuito, se toma las mediciones de los instrumentos, para diferentes valores de las cargas, estos valores ayudarn a calcular la cada de tensin interna, y las eficiencias.

III. Cuadro de datos.

IV. Materiales y Procedimiento.

Material Utilizados

Transformador monofsicoCables

Vatmetro

Autotransformador

MultimetrosAmpermetros

Restato

Procedimiento

A. Ensayo de vaco.

Circuito a implementar

mediciones: V, A, W.

Circuito 1 implementado.

B. Ensayo de cortocircuito.

Circuito a implementar

Mediciones: V, A, W.Medicin en el circuito 2.

C. Ensayo con carga.

Circuito a implementar:

Mediciones: V, A, W.

Variar la resistencia con el restato y apuntar todas las mediciones junto a los datos anteriores en la hoja de datos.

V. Cuestionario.

1) La relacin de los valores tomados en las experiencias efectuadas.

A. Ensayo de vaco.

V1 (V)V2 (V)I1 (A)W (w)Cos

110.3220.50.964250.235

100.8201.50.723200.274

89.81800.504150.331

80.2160.30.36312.50.429

70.7141.30.27100.524

60.7121.30.2067.50.599

50.4100.90.16350.609

40.180.30.1323.50.661

30.160.50.10720.621

20.741.530.08310.582

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B. Ensayo de Cortocircuito.

V (V)W (w)I1 (A)I2 (A)Cos

6.8718.962.655.241.041

5.8913.912.274.521.040

5.2911.022.024.021.031

4.769.141.843.651.043

3.946.231.523.061.040

3.224.221.252.481.048

2.672.751.012.071.019

2.131.730.801.621.015

1.450.760.531.090.988

C. Ensayo con Carga

R ()I1 (A)I2 (A)W (w)V1 (V)

75.50.8771.268150200

111.40.6980.883110200.2

212.70.5270.46870200.7

423.60.4400.23445200.9

3) Del ensayo de vaco, trazar las curvas de factor de potencia Cos (%), potencia consumida P0 (W) y corriente en vaco I0 (A) como funciones de la tensin de alimentacin, asimismo graficar la curva relacin de transformacin.

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4) Del ensayo de cortocircuito, trazar las curvas de factor de potencia Cos cc (%), potencia consumida Pcc (W) y tensin de impedancia Vcc (V) como funciones de la corriente de cortocircuito Icc (A).

5) Utilizando los datos de las dos primeras pruebas hallar el circuito equivalente exacto del transformador para condiciones nominales.

6) V1/aCon el circuito equivalente aproximado trazar el diagrama circular del transformador, es decir, Va VS Ia.

I2.jXeq2

V2

I2I2.Req2

7) Con los datos del ensayo con carga a factor de potencia 1, graficar la curva Va VS Ia, y compararlo con el grfico encontrado en 4.5. Explicar las diferencias.

8) Para las diversas cargas determinar la cada de tensin interna en % segn la expresin:0

Carga ()

75.50.46

111.40.31

212.70.16

423.60.08

9) Calcular la regulacin de tensin para carga nominal con Cos = 0.8 capacitivo.Asimismo calcular la eficiencia del transformador para estas condiciones:

Para la regulacin de tensin utilizaremos la siguiente frmula:

IL ReqV2cossin

4.5 A2.5 220.5 V0.80.6

De los datos obtenemos r:r=0.0413Luego la eficiencia ser:0.729 = 72.9 %

10) Comparar las prdidas en el cobre (IIN)2RT(W) con las prdidas de carga PL (75C) dada por la expresin:

(IIN)2RT(W)(W)

50.62521.639

VI. Conclusiones.

La perdida de la resistencia y la reactancia del transformador son mucho mayores a la prdida del cobre por ello podemos despreciarlos de los clculos de en el ensayo en vaco.

La relacin de transformacin se mantiene constante y no tiene tendencia a cambiar pues el voltaje inducido depende del flujo magntico y este de la corriente. Pero aunque se sature el flujo magntico este va a ser el mismo para ambas bobinas y por tanto el voltaje inducido va a ser el mismo.

Podemos apreciar que nuestro transformador en corto circuito presenta un factor de potencia muy cercano a 1. Lo que nos dice que el efecto resistivo es mayor que el reactivo.

La eficiencia del transformador, que es la relacin entre la cantidad de energa que entrega el transformador (energa til) entre la cantidad de energa que se le entrega al transformador (incluyendo las prdidas), es alta trabajando con valores nominales los cuales aseguran la mxima transferencia de energa.

VII. Recomendaciones.

En la prueba de vaco se observ que se alimentaba por el lado de baja tensin al transformador; esto se hace generalmente en los transformadores de alto voltaje ya que sera muy difcil alimentarlo para pruebas por el lado de alta tensin con voltajes de 2.3 KV., 10 KV, etc. Entonces se concluye que es recomendable hacer la prueba de vaco por el lado de baja tensin para as tambin brindar mayor seguridad.

Para mayor seguridad en el laboratorio es importante no excederse de la corriente nominal ya que es relativamente alta y con un descuido puede provocar algn accidente; por ello tambin es recomendable realizar con rapidez las medidas cuando se est trabajando con corrientes cercanos a la corriente nominal para disminuir riesgos.

En la prueba de corto circuito se observ que se alimentaba por el lado de alta tensin al transformador; esto se hace generalmente para poder as necesitar poca corriente nominal para la prueba ya que por el lado de baja tensin se necesitara ms corriente nominal (a veces ms). Entonces se concluye que la prueba de corto circuito es recomendable hacerlo por el lado de alta tensin para as tener una fuente de menor amperaje.

Es recomendable medir con exactitud los valores de resistencia de las diferentes combinaciones con el restato ya que existen algunas salidas de resistencias con valor variable que son producidos por un mal contacto interiormente u otra causa interna.

VIII. Bibliografa.

E.E. STAFF. MIT. Circuitos Magnticos y Transformadores. Editorial Revert. Argentina ( 2003 )

FITZGERALD, KINGSLEY, UMANS. Mquinas Elctricas .Editorial MacGraw-Hill .( 6 Edicin )

THEODORE WILDY Mquinas Elctricas y Sistemas de Potencia. Universidad Labal. Mxico (6 Edicin) (2007).

Slabos y materiales de enseanza del curso de Mquinas Elctricas ; semestres 2010, 2011 y 2012, profesores: Emilio Marcelo Barreto; Javier Franco Gonzlez, Lima: UNI.

Manual de Laboratorio de Maquinas Elctricas ML 202.

IX. Anexos.

1. Vatmetro analgicoElvatmetroes un instrumento que nos permite medir en vatios laenerga elctricao la tasa de suministro de esta energa, es decir mide lapotencia elctrica.Tambin podemos medir el poder de audiofrecuencia y la frecuencia de utilidad.Losvatmetros analgicosson unos instrumentos electrodinmicos. Estn compuestos por la fusin de un voltmetroy unampermetro. Losvatmetrosms comunes estn conformados por un par de bobinas fijas (bobinas de corriente), conectada en serie con el circuito y una bobina mvil (bobina potencial), conectada en paralelo y es la que lleva la aguja que indica la medicin de la energa elctrica.

En los laboratorios educativos se emplean otro tipo devatmetroque est conformado dos bobinas de tensin (bobina de presin) y una bobina actual.

2. El autotransformadorEl autotransformador puede ser considerado simultneamente como un caso particular del transformador o del bobinado con ncleo de hierro. Tiene un solo bobinado arrollado sobre el ncleo, pero dispone de cuatro bornes, dos para cada circuito, y por ello presenta puntos en comn con el transformadorEn la prctica se emplean los autotransformadores en algunos casos en los que presenta ventajas econmicas, sea por su menor costo o su mayor eficiencia. Pero esos casos estn limitados a ciertos valores de la relacin de transformacin, como se ver en seguida. No obstante. Es tan comn que se presente el uso de relaciones de transformacin prximas a la unidad, que corresponde dar a los autotransformadores la importancia que tienen, por haberla adquirido en la prctica de su gran difusin.La figura siguiente nos muestra un esquema del autotransformador. Consta de un bobinado de extremos A y D, al cual se le ha hecho una derivacin en el punto intermedio B. Por ahora llamaremos primario a la seccin completa A D y secundario a la porcin B D, pero en la prctica puede ser a la inversa, cuando se desea elevar la tensin primaria.

3. Restato

Elrestatoorestatoes una de las dos funciones elctricas del dispositivo denominado resistencia variable, resistor variable o ajustable. La funcin restato consiste en la regulacin de la intensidad de corriente a travsde la carga, de forma que se controla la cantidad de energa que fluye hacia la misma; se puede realizar de dos maneras equivalentes: La primera conectando el cursor de la resistencia variable a la carga con uno de los extremos al terminal de la fuente; la segunda, conectando el cursor a uno de los extremos de la resistencia variable y a la carga y el otro a un borne de la fuente de energa elctrica, es decir, en una topologa, con la carga, de circuito conexin serie.Los restatos son usados en tecnologa elctrica (electrotecnia), en tareas tales como el arranque demotoreso cualquier aplicacin que requiera variacin deresistenciapara el control de la intensidad de corriente elctrica.