Laboratorio de Mquinas Elctricas I 2014A. Apellidos y Nombres: CORNEJO VALENCIA RANDY: CUI: 20010573

Laboratorio de Mquinas Elctricas I 2014A. Apellidos y Nombres: CORNEJO VALENCIA RANDY: CUI: 20010573

GUIA DE LABORATORIO No. 2.

1

TEMA: RELACIN TRANSFORMACIN Y PRDIDAS DE VACIO DEL

TRANSFORMADOR MONOFSICO DE POTENCIA

1. OBJETIVOS

a) Comprobar experimentalmente los conceptos de autoinduccin e inductancia mutua.

b) Determinar experimentalmente la relacin de transformacin.

c) Determinar experimentalmente las perdidas en el hierro de transformador.

d) Determinar experimentalmente los parmetros de vaco del transformador.

2. INTRODUCCIN

Un transformador de potencia monofsico consiste en dos bobinas de alambre arrolladas alrededor de un ncleo de material magntico. La bobina primaria del transformador estar conectada a una fuente de tensin de corriente alterna c.a. y la bobina secundaria estar en condicin de circuito abierto, aunque se le puede conectar una carga elctrica en el devanado secundario. La base del funcionamiento del transformador se puede explicar a travs de ley de Faraday.

Donde:

- es el flujo magntico total ligado o concatenado a la bobina, a travs de la cual se obtiene una tensin inducida. El flujo concatenado () es la suma total los flujos magnticos que pasan por cada espira de la bobina, sumando tantas veces cuantas espiras tenga la bobina en cuestin.

Donde:

N - es el nmero de espiras en la bobina.

- es el flujo magntico que encierra una trayectoria a travs de un medio magntico (hierro, aire, etc). El flujo magntico que pasa por cada espira es ligeramente diferente del flujo en las otras espiras porque depende de la posicin de cada una de ellas en relacin al ncleo.

Sin embargo, es posible definir un flujo promedio por espira en la bobina.

Y la ley de Faraday o la tensin inducida se puedes expresar por la relacin

Si aplicamos tensin alterna al bobina primario desde un fuente, la tensin aplicada resultar

Si consideramos la resistencia de los bobinas despreciables (Rb=0), la tensin aplicada v1(t)=Vm*sen(t) al bobinado 1 se produce la igualdad a la tensin inducida e1(t) en dicha bobina.

Y el flujo magntico alterno se puedes expresar por la siguiente igualdad

Por la ley de Faraday nos explica que al tener un flujo magntico variable en el ncleo tendremos una tensin inducida en el bobinado secundario del transformador, cuando el transformador esta en circuito abierto o en vaco.

Los transformadores ideales no existen y nunca se podrn construir. La ley general de la conversin de energa "toda conversin o transformacin de energa se realiza a travs de prdidas". Lo que se desarrolla y construye son transformadores reales con bobinas de conductores que presentan resistencia al paso de la corriente enrolladas alrededor de un ncleo con ncleo que presentan prdidas. Las caractersticas de un transformador real se aproximan mucho a las de un transformador ideal, pero slo hasta un cierto grado. En estas prcticas de laboratorio experimentaremos y estudiaremos el comportamiento de los transformadores reales.

3. MATERIALES, INTRUMENTOS DE MEDICION UTILIZADOS

INDUCTOR CON NUCLEO DE HIERRO AMPERIMETRO

VOLTIMETRO VATIMETRO

FUENTE DE CC FUENTE DE ALIMENTACION VARIABLE

4. PROCEDIMIENTO

a) Determinacin de la autoinduccin e inductancia mutua:

1.- Montar el circuito de la figura 1 para alimentar una de las bobinas, el lado de110 V conectar al regulador de tensin de corriente alterna (c.a.)

2.- Una vez verificado el montaje del circuito por el instructor, alimentar el circuito con el regulador de tensin haciendo variar lentamente las tensiones desde 0 voltios hasta el valor nominal. Medir y registrar las lecturas de los instrumentos de medicin:

Ica ( A )

Vca ( v )

XL1 ( )

L1 ( h )

0.3

110

366.67

0.972

3.- Luego cambie la fuente de tensin ca y los instrumentos por una fuente de tensin corriente continua (c.c.) y los instrumentos de medicin respectivos.

4.- Una vez verificado el montaje del circuito por el instructor, alimentar el circuito con el regulador de tensin cc ajustando la tensin hasta obtener que valor eficaz de la corriente en el punto 2). Medir y registrar las lecturas de los instrumentos de mediacin de cc.

Icc ( A )

Vcc ( v )

R1 ( )

0.3

0.17

0.567

5.- Montar el circuito de la figura 2 para alimentar una de las bobinas, el lado de110 V conectar al regulador de tensin de corriente alterna (c.a.).

6.- Una vez verificado el montaje del circuito por el instructor, alimentar el circuito con el regulador de tensin haciendo variar lentamente las tensiones desde 0 voltios hasta el valor nominal. Medir y registrar las lecturas de los instrumentos de mediacin:

Ica (A)

Vca (v)

Inductancia (h)

Primario

0.29

110

L1

Secundario

0

224

L12

7.- Luego cambie la fuente de tensin ca y los instrumentos por una fuente de tensin corriente continua (c.c.) y los instrumentos de medicin respectivos.

8.- Una vez verificado el montaje del circuito por el instructor, alimentar el circuito con el regulador de tensin cc ajustando la tensin hasta obtener que valor eficaz de la corriente en el punto 2). Medir y registrar las lecturas de los instrumentos de mediacin de cc.

Primario

Secundario

Icc ( A )

2.5

0

Vcc ( v )

1.6

0

R

b) Determinacin de la polaridad de los devanados (del bobinado)

9.- Montar el circuito de la figura 3 para alimentar una de las bobinas, el lado de110 V conectar al regulador de tensin de corriente alterna (c.a.).

10.- Una vez verificado el montaje del circuito por el instructor, energizar el circuito con el regulador de tensin ca ajustando la tensin hasta llegar al valor nominal de tensin del lado de BT. Medir y registrar las lecturas de los instrumentos de mediacin de ca.

V1

V2

V3

110

220

116

Como V3 es menor, se cumple que

V3= V2-V1, es del tipo sustractivo indica que son de la misma polaridad

c) Determinacin experimental de la relacin de transformacin mtodo directo:

11.- Montar el circuito de la figura 2 para alimentar una de las bobinas, el lado de110 V conectar al regulador de tensin de corriente alterna (c.a.). Incluir un voltmetro en la lado primario, lado de alimentacin.

12.- Una vez verificado el montaje del circuito por el instructor, energizar el circuito con el regulador de tensin c.a. ajustando la tensin hasta llegar al valor nominal de tensin del lado de BT. Medir y registrar las lecturas de los instrumentos de mediacin de c.a.

Vca1( V )

Vca2 ( v )

110

225

Calcular la relacin de transformacin a=225/110= 2.0454545

13.- Montar el circuito de la figura 4 para alimentar una de las bobinas, el lado deBT conectar al regulador de tensin de corriente alterna (c.a.).

14.- Una vez verificado el montaje del circuito por el instructor, energizar el circuito con el regulador de tensin c.a. ajustando la tensin hasta llegar al valor nominal de tensin del lado de BT. Luego reducir este valor hasta llegar a 0 V. Medir y registrar un juego de 10 lecturas de los instrumentos de mediacin de c.a. en la siguiente tabla.

#

Vol. 1

Amperimetro

Vatmetro

Vol. 2

Div.

Ci

A

Div.

Cv

W

1

120

10

1A

0.49

10

5/120

25

248

2

110

10

1

0.47

10

5/120

19

225

3

100

10

1

0.29

10

5/120

15

205

4

90

10

1

0.22

10

5/120

12

183

5

80

10

1

0.17

10

5/120

9

163

6

70

10

1

0.14

10

5/120

6

142

7

60

10

1

0.12

10

5/120

5

122

8

50

10

1

0.10

10

5/120

3

101

9

40

10

250mA

0.076

10

5/120

2

80

10

30

10

250mA

0.062

10

5/120

1

60

15.- Tenga en cuenta este transformador de potencia para trabajar en los siguientes ensayos de corto circuito, en desempeo bajo carga, autotransformador, paralelo de transformadores, etc. (marcar el trafo)

5. CUESTIONARIO PARA LA DISCUSION DE RESULTADOS

5.1. Explique, porque no existe inductancia con corriente continua?

Por definicin: La inductancia es una medida de la capacidad de un dispositivo para almacenar energa en forma de un campo magntico.

En Corriente continua no existe inductancia debido a que cuando circula por la bobina sta genera un campo magntico mientras circule corriente por ella; o sea, se comporta como un imn. Adems, se producen unos retrasos en la corriente en los instantes de la conexin y desconexin, que hace que se tarde un cierto en alcanzar los valores permanentes. (Esto es debido al efecto de autoinduccin; las variaciones de corriente dan lugar a que se genere una f.e.m. cuya polaridad es siempre tal que se opone a que la corriente aumente o disminuya ley de Lenz). A nivel resistivo, todo se limita a la resistencia hmica del hilo; por ello, en la prctica, a veces se dice que la bobina en corriente continua se comporta como si fuera un hilo conductor.

Cuando la bobina recibe corriente alterna, adems de la resistencia puramente hmica determinada por el hilo, aparece otro factor de oposicin a la circulacin de la c.a. que se denomina reactancia inductiva, que se representa por XL y se mide en . Esto es debido al efecto de autoinduccin, que se da de forma continua y con una rapidez determinada por la frecuencia.

La reactancia es el valor resistivo que normalmente se tiene en cuenta en las bobinas; de hecho, en la bobina ideal (o pura) se supone una resistencia hmica (la del hilo) de 0 .

El valor de reactancia de una bobina depende de su valor de inductancia y de la frecuencia de la corriente alterna aplicada. Se basa en la frmula: XL = 2 - f - L = L

5.2. Defina el concepto de auto inductancia (o inductancia propia) y la inductancia mutua y como se calcula estas constantes.

La auto inductancia o cociente de autoinduccin de un circuito constituye un coeficiente caracterstico de dicho circuito que describe como es el flujo magntico que lo atraviesa debido a la corriente que circula por el. Se designa por L y tiene la expresin:

Se llama inductancia mutua al efecto de producir una fem en una bobina, debido al cambio de corriente en otra bobina acoplada. La fem inducida en una bobina se describe mediante la ley de Faraday y su direccin siempre es opuesta al cambio del campo magntico producido en ella por la bobina acoplada (ley de Lenz )

La inductancia mutua M se puede definir como la proporcin entre la fem generada en la bobina 2, y el cambio en la corriente en la bobina 1 que origina esa fem

5.3. Como de define el factor de acoplamiento magntico. Calcule este factor para nuestro transformador.

El valor de la tensin inducida en una bobina es proporcional a la corriente de la bobina que la induce y al denominado coeficiente de induccin mutua, representado con la letra M, que viene dado por la expresin:

Donde K es el coeficiente de acoplamiento que vara entre 0 (no existe acoplamiento) y 1 (acoplamiento perfecto) y L1 y L2 las inductancias de las dos bobinas. Por lo tanto, la tensin total en una bobina L1 por la que pasa una corriente I1 acoplada magnticamente con otra bobina L2 por la que pasa una corriente I2 vendra dada por la expresin:

Con el propsito de determinar experimentalmente: el coeficiente k de acoplamiento, la razn n de vueltas de un transformador utilizaremos los diagramas y las frmulas que a continuacin se muestran.

Implementando el diagrama anterior se miden los voltajes V1 y V2 del transformador, con un generador conectado a V1 (el primario)

Implementando el diagrama anterior se miden los voltajes V3 y V4 del transformador, con el generador conectado a V3 (el secundario) Una vez obtenidos estos datos, se utilizan las siguientes frmulas:

Si el coeficiente de acoplamiento k del transformador es cercano a la unidad (1), la razn de vueltas es simplemente V2/V1. Nota: V1, V2, V3 y V4 se pueden medir con un multmetro u osciloscopio.

Para nuestro transformador, el factor de acoplamiento esta dado por:

5.4. En que casos se requiere saber al polaridad de los devanados de los transformadores y como se designan estos terminales.

La polaridad reviste una gran importancia en la conexin de los transformadores, sobre todo si estos han de ser conectados en paralelo, en bancos o Y- porque un error equivale a un cortocircuito parcial o completo, con desastrosas consecuencias.

Colocndose enfrente del lado de baja tensin del transformador, se unen las conexiones adyacentes, de alta y baja tensin de la parte izquierda. Aplicar cualquier valor conveniente de tensin de c.a. a todo el devanado de alta tensin y tomar lecturas primero de la tensin aplicada y luego de la tensin entre los terminales adyacentes de alta y baja tensin de la parte derecha. Si la ltima lectura es menor que la primera, la polaridad es sustractiva. Si es mayor que la primera, la polaridad es aditiva.

La identificacin de estos puntos llamados homlogos resulta inmediata si se puede ver la forma en que se han bobinado ambos inductores. Sin embargo en los circuitos prcticos reales esta situacin no es factible por lo que debe determinarse, tomando como referencia el extremo de la bobina, cual de los dos extremos de la otra es el homlogo de la anterior

5.5. Porque es necesario realizar la prueba para determinar la relacin de de transformacin.

Es necesario debido que en un transformador al vaco (sin carga), las fuerzas electromotrices inducidas (E1 y E2) guardan un relacin directa, por lo que tambin se necesita determinar la relacin de transformacin con E1 y E2.

De lo cual la relacin de transformacin no solo permite obtener una relacin de tensin entro los devanados, si no que permiten obtener los valores de voltaje, corriente y nmero de vueltas en los bobinados (N1 y N2) si se conocen el valor de K y uno o ms de los otros parmetros.

5.6. Porque se prefiere realizar la prueba de vaco por el lado de BT. Fundamente sus respuestas.

Esta prueba se puede efectuar alimentando indiferentemente el bobinado primario o secundario del transformador, Debido a que el devanado no utilizado esta libre sin carga, Tal eleccin est en funcin de la tensin de alimentacin disponible. Para la regulacin de la tensin es bueno utilizar un variador de tensin con induccin

Bsicamente por el hecho de seguridad. Si bien es cierto que en un transformador de potencias el riesgo an sigue siendo alto, es mucho menor comparado con energizar por el lado de AT.

Desarrollando un poco la idea. Sea un transformador de 220/110V, es posible energizar por el lado de AT, pues 220V es una tensin comercial, accesible para todo el pblico, pero esto tan solo incrementa el riesgo exponencialmente, pues energizar con 220V puede ser mortal.

Se podra pensar que el valor de la resistencia del lado de AT o del lado de BT podra interferir con la prueba, pero como se concluy ya en el curso de teora esto es irrelevante para este ensayo, demostrado en el circuito equivalente.

Energizar entonces por el lado de AT o BT ser irrelevante en aspectos de precisin de la medicin; ya sea que energicemos el lado de AT con 200V y obtengamos 100V en el lado de BT, o el caso inverso, energicemos el lado de BT con 100V y obtengamos una lectura de 200V en el lado de AT, el resultado ser, salvo mnimas diferencias, el mismo.

Notemos que para transformadores de potencia es un requerimiento de seguridad energizar por BT, debido a los altos niveles de tensin usados y aun as, no se suele energizar el lado de BT de un transformador de 33kV a su tensin nominal, sino a una fraccin de la misma.

5.7. Tabular todos los valores registrados en la experiencia de vaco y calcular el ngulo de desfase entre la tensin corriente de vaco, resistencia de prdidas de vaco y reactancia de magnetizacin.

Se colocan medidores de voltaje (VCA), corriente (ICA) y potencia trifsica (PCA) al realizar esta prueba, para determinar la resistencia por prdidas elctricas en el ncleo y la reactancia de magnetizacin, utilizando las siguientes ecuaciones:

Para determinar la admitancia del transformador, se utilizan las lecturas obtenidas en la prueba para voltaje (VCA e ICA), y con la lectura de potencia (PCA), se determina el factor de potencia, con esto se puede determinar la parte real e imaginaria de la admitancia que representa los valores del ncleo del circuito equivalente.

Donde GC representa la conductancia de las prdidas por corrientes parsitas e histresis y BM, es la suceptancia de ncleo, entonces los valores de RC y XM, se obtienen por.

Vol. 1

Amp.

Vatmetro

W

Vol. 2

Yca

cos phi

phi

120

0.49

25

248

0.00408

0.999972

0.42876335

110

0.47

19

225

0.00427

0.999979

0.3713197

100

0.29

15

205

0.0029

0.9999593

0.51693544

90

0.22

12

183

0.00244

0.999944

0.6063643

80

0.17

9

163

0.002125

0.999933

0.6632503

70

0.14

6

142

0.002

0.9999429

0.6122908

60

0.12

5

122

0.002

0.99992654

0.69448960

5.8. Trazar o graficar la curva caractersticas de V vs I y W vs U en escala adecuada o en papel milimetrado

5.9. Calcular los parmetros de la rama de magnetizacin del transformador a tensin nominal y dibuje el circuito equivalente. Expresar esta rama magnetizacin en trminos de impedancia y admitancia de vaco. Trazar el diagrama vectorial en vaco con sus valores eficaces, ngulos de desfase a escala respectiva.

De la Tabla anterior, Se tiene los datos para V1=110 y Salida V2 =220

6. INVESTIGACION COMPLEMENTARIA

6.1. Investigue y calcule la composicin de armnicos de la corriente de excitacin de los transformadores en vaco.

La Corriente de Excitacin es: Iex = I = im + iFE

Para nuestro Transformador es: Iex = 0.4899-69.134 rms

6.2. Investigue que es la corriente de insercin en los transformadores de potencia y que problemas ocasiona

En el momento de la energizacin, aparece una corriente de magnetizacin transitoria que puede tomar valores iguales a varias veces la corriente nominal, es la corriente de inserccion, o corriente INRUSH. La magnitud de la corriente depende principalmente del valor instantneo del voltaje que alimenta al transformador en el momento exacto en que ocurre la energizacin.

La corriente IINRUSH se caracteriza por tener un alto contenido de armnicos, principalmente de segundo orden, debido a la caracterstica no lineal del ncleo.

Para evitar que la proteccin diferencial opere por la corriente IINRUSH, los RMM cuentan con filtros de armnicos que estiman la cantidad de corriente segunda armnica presente en la corriente de energizacin, si esta supera un valor establecido como parmetro de calibracin, se bloquear el disparo de la proteccin

7. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES

Las mediciones de resistencias en los enrollados del transformador obtenidas en las pruebas realizadas, son caractersticas propias de su construccin ya que resultaron ser bastante bajas lo cual es lgico, ya que as las prdidas en el transformador son mnimas.

Un transformador a circuito abierto, las prdidas en el hierro se harn notar ms, ya que dependen nicamente de la induccin, y por tanto del voltaje aplicado al primario. A mayor voltaje en el primario, mayor induccin provocando mayor corrientes parasitas

Un transformador a circuito abierto, la corriente en el secundario es cero y en el primario es una corriente pequea, provocando perdidas en el cobre despreciables, ya que son proporcionales a la corriente en los devanados

Como se ve en los valores de corriente de magnetizacin son muy altos, esto se debe a que el transformador es de muy mala calidad. Lo que produce prdidas muy grandes yun prdida de flujo aun ms de lo normal.

La ejecucin de la experiencia fue sencilla pero bastante didctica, porque mostr fcilmente la forma de operacin y trabajo de un transformador as como la influencia de cada uno de sus parmetros.

Se pudo observar el esbozo de la grafica de V vs I en un transformador, luego de tomar cada uno de los registros. En la prueba de vacio

Se Pudo determinar la rama de magnetizacin del trnaformador. Y la polarizacin del transfromador

Se verific la teora de puntos en los bobinados del transformador empleado durante la experiencia

Se pudo verificar la ausencia de una fem inducida cuando se alimenta un bobinado con tensin continua, aspecto ya desarrollado en las primeras partes de este informe.

Las perdidas que existen en un transformador son perdidas en el cobre, perdidas por corrientes parasitas, perdidas por histresis y por flujo disperso

Observaciones:

La Prctica de laboratorio fue sencilla y aun teniendo que tomar 10 lecturas, fue realizada sin demoras ni problemas no dejando de ser muy didctica.

No se pudo tomar medidas ms precisas debido a las limitaciones de instrumentos de laboratorio.

Emplear equipos calibrados adecuadamente.

Realizar medidas de los conductores empleados, puesto que el circuito equivalente presenta una impedancia relativamente pequea, es necesario descontar las impedancias de los conectores para poder obtener valores ms precisos y exactos.

Inhabilitar los factores que pueden perjudicar las lecturas de los elementos analgicos, como: movimiento de las mesas, sobretensiones (mejorar las mesas de los laboratorios), etc.

8. BIBLIOGRAFIA

http://www.nichese.com/imped-trans1.html

http://www.unicrom.com/tut_medir_coeficiente_acoplamiento_razon_vueltas_transformador.as

http://www.tuveras.com/transformador/eltransformador.htm

http://patricioconcha.ubb.cl/transformadores/materiales_ferromagneticos.htm

http://www.monografias.com/trabajos82/perdidas-transformador-monofasico/perdidas-transformador-monofasico.shtml

http://inggilberto.com/CORRIENTE%20DE%20EXCITACION.htm

Mquinas Elctricas, Sexta Edicin de Jess Fraile Mora

Circuitos Elctricos, Sexta Edicin, de Dorf Svoboda

Vol. 1Amp.WVol. 2|Yca|Cos(phi)Phi (rad)Angulo|Yca|

Gc - j.BmRc - j.Xm

1100.4919220

0.004454550.356215211.2065869.13210.00445 69.130.0016 - j0.0042630.2083 - j240.2492