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ENSAYOS DEL TRANSFORMADOR

TRIFÁSICO.

Práctica nº 6

Objetivo: El objetivo de esta práctica es realizar un estudio del transformador trifásico mediante ensayos. Hallaremos el circuito equivalente y podremos conocer su comportamiento en servicio para distintos regímenes de carga. Analizaremos también la relación de transformación y el índice horario en función de la conexión. ESTUDIO TEÓRICO Los transformadores trifásicos nos permiten modificar los niveles de tensión y corriente de los sistemas eléctricos trifásicos. Tienen tres devanados primarios (todos con igual N1) y tres devanados secundarios (de N2 ) y su funcionamiento es igual que el de los trafos monofásicos. Al aplicar un conjunto de tensiones trifásicas en los devanados primarios, la corriente que por ellos circula genera un conjunto de flujos alternos, desfasados entre sí 120º. Utilizaremos un transformador de Sn = 5000 VA Tipos de conexionado Existen tres tipos diferentes de conexionado, de los que dependerá la relación existente entre las corrientes de línea y las de fase:

UL = 3 · Uf UL = Uf UL = 3 · Uf

IL = If IL = 3 · If IL = If Relación de transformación Una característica propia de cualquier transformador trifásico es la relación de transformación que presenta: rt L = UL1 / UL2 rt f = N1 / N2 = Uf 1 / Uf 2

En un transformador trifásico es importante conocer la relación entre las tensiones de línea de primario y de secundario. Dependerá del tipo de conexión realizada porque la relación entre las fases no cambia. La relación de transformación de línea será por tanto proporcional a la de fase dependiendo de la conexión utilizada e incluso serán iguales para una conexión estrella-estrella o triángulo-triángulo. Índices horarios Indica el desfase existente, expresado en grupos de 30º, entre la tensión de fase de un terminal de primario y la tensión de fase del terminal correspondiente del secundario cuando al primario se le aplica un sistema directo de tensiones. Circuito equivalente El estudio teórico del transformador trifásico lo efectuaremos obteniendo el circuito equivalente de una de las fases y trabajando con ella como si se tratase de un sistema monofásico, utilizando la relación de transformación de fase. Las ecuaciones serán las mismas que utilizamos para el trafo monofásico, trabajando siempre con parámetros de fase. Cargas desequilibradas No todos los modos de conexionado empleados en los transformadores trifásicos confieren un correcto comportamiento ante cargas desequilibradas, provocando la aparición de flujos superfluos. Un buen comportamiento ante un desequilibrio de cargas supone la verificación de igualdades entre las f.m.m.’s

REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA ENSAYOS EN VACÍO

1. DETERMINACIÓN DE LA RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN

Datos obtenidos:

- Conexión Y-d: Y UL = 3 Uf IL= If

d IL = 3 If UL= Uf V1 = 380 V V2 = 251 V rtL = U1L / U2L = 3 U1f / U2f= 3 rtf rtf = rtL / 3 N1/N2 = (380/251)/ 3 = 0.874

- Conexión D-z:

D IL = 3 If UL= Uf z IL = If UL= 3 Uf

V1 = 220 V V2 = 382 V rtL = U1L / U2L = U1f / (3 · U2f) = (2 · N1) / (3 · N2) = 2/3 · rtf

rtf = 3 rtL /2 N1 / N2 = 3 · (220/382) / 2 = 0.864

Vemos que nos sale aproximadamente igual, teniendo en cuenta el error que hemos podido cometer al efectuar las mediciones.

2. ENSAYO DE VACÍO

Las pérdidas de vacío son constantes para una tensión de alimentación cualquiera que sea la carga y al factor de potencia. Las pérdidas en el hierro serán también constantes para una misma tensión de alimentación. Para determinarlas hacemos el ensayo de vacío. Este ensayo consiste en aplicar al primario del transformador la tensión nominal, estando el secundario en circuito abierto. Al mismo tiempo debe medirse la potencia absorbida Po (W) y la corriente de vacío Io (A), de acuerdo con el esquema. Utilizamos en este caso conexión triángulo-triángulo y aumentamos la tensión del autotransformador hasta 220V que es la tensión de primario nominal. Resultados obtenidos: Po = 95 W Io = 0.95 A V1n = 220 V cos0 = 0.26 Como las pérdidas R1Io2 en vacío son despreciables (debido al pequeño valor de Io), la potencia absorbida en vacío coincide prácticamente con las pérdidas en el hierro. Comprobamos que se cumple la relación entre los valores: Po = 3 · V1n · Io · cos0 = 3 · 220 · 0.95 · 0.26 = 94.2 95 W En este caso las dos componentes de Io valen: cos 0 = 0.26 0 = 74.787º If = IL / 3 = 0.95 / 3 = 0.548 A IFe = Iof cos 0 = 0.548 · 0.26 = 0.142 A I = Iof sen 0 = 0.548 · 0.96 = 0.529 A De donde pueden obtenerse ya, los valores de los parámetros RFe y X : U1n f = U1n L porque la conexión es en triángulo RFe = U1n f / IFe = 220 / 0.142 = 1549.3 X = U1n f / I = 220 / 0.529 = 415.88

3. ASIMETRÍA DE LAS CORRIENTES DE VACÍO Conexión del transformador estrella-estrella. La corriente que circula en vacío por las columnas del transformador no es simétrica, debido a la diferencia de las longitudes de las columnas del transformador. La de la 2ª fase será menor debido a que su reluctancia es menor y se requiere menor corriente de magnetización. Resultados obtenidos: I1 = 1.49 A I2 = 1.03 A I3 = 1.43 A ENSAYO DE CORTOCIRCUITO En este ensayo se cortocircuita el devanado secundario y se aplica al primario una tensión que se va elevando gradualmente desde cero hasta que circula la corriente nominal del transformador por los devanados (ensayo normalizado). Se obtienen las pérdidas en el cobre y el resto de los parámetros del circuito equivalente. La conexión es estrella-estrella.

Además habrá que tener en cuenta que la tensión de cortocircuito será proporcional a la corriente a la que se haya efectuado el ensayo. La tensión aplicada necesaria en esta prueba representa un pequeño porcentaje respecto a la nominal por lo que el flujo en el núcleo es pequeño, siendo en consecuencia despreciables las pérdidas en el hierro. Datos medidos: I1n = 7.65 A Vcc = 11.2 V Pcu = 124.7 W coscc = 0.84 De las medidas efectuadas, se puede obtener: Pcu = Pcc porque es un ensayo normalizado Pcc = 3 · V1cc · I1n · cos cc = 3 · 11.2 · 7.65 · 0.84 = 124.7 W Los datos son valores de línea. Los paso a valores de fase para trabajar con ellos: Y UL= 3 Uf U1f = 11.2/ 3 = 6.47 V

If = IL If = 7.65A

Zcc = Vccf / I1n = 6.47 / 7.65 = 0.85 Rcc = Zcc · c = 0.85 · 0.84 = 0.714 Xcc = Zcc · sen cc = 0.85 · 0.54 = 0.461 VRcc = Vccf · cos cc = 6.47 · 0.84 = 5.435 V VXcc = Vccf · sen cc = 6.47 · 0.54 = 3.51 V cc = Vcc/V1n · 100 = 11.2 / 380 · 100 = 2.95 % Rcc = VRcc/V1n · 100 = 5.435 / 220 · 100 = 2.47 % Xcc = VXcc/V1n · 100 = 3.51 / 220 · 100 = 1.6 % Con los resultados obtenidos obtenemos el circuito equivalente del transformador ensayado:

I1 I2’ Io Rcc Xcc IFe I V1 V’2 RFe X

I1n f = 7.65 A I2’ = I2n f / rtf = 7.5 / 0.87= 8.62 A Iof = 0.548 A IFe = 0.142 A I = 0.529 A RFe = 1549.3 X = 415.9 V1nf = 220 V V2’ = V2nf · rtf = 220 · 0.87 = 191.4 V Rcc = 0.714 Xcc = 0.461

ENSAYO EN RÉGIMEN DE CARGA CON COS = 1 Acoplamos una carga trifásica adecuada en el secundario del transformador, y le aplicamos tensión de forma progresiva hasta llegar a la nominal, 380V. Este ensayo nos permitirá obtener el rendimiento del transformador, la relación entre la potencia consumida por la red y la potencia cedida a la carga.

Datos medidos: U1linea = 381 V U2 linea = 246V I2 = 8.4 A P2 = 3600 W Determinación del rendimiento: De los ensayos anteriores tenemos Po = 95 W y Pcc = 124.7 W Sn = 3 * V2nf I2nf I2nf = Sn / 3·V2nf = 5000/ (3 *220) = 7.57 A Triángulo: I2nL = I2nf · 3 = 7.57 · 3 = 13.11 A P2 = 3 · V2L · I2L · cos 2 cos 2 = P2 / (3 · V2L · I2L) = 3600 / (3·246·8.4) cos 2 1 porque es una carga resistiva C = I2f / I2nf = (8.4/3) / 7.57 = 0.64

= P2 / (P2 + (V1/V1n)2 Po + C2 Pcc) = 3600 / [3600 +(381/380) 2 ·95 + (0.64)2 ·124.7] = 3600 / 3746.58 = 0.961

= 96.1 % Rendimiento máximo: Po = Pccn * C2 Copt = (Po/ Pccn) = (95 / 124.7) = 0.873 P2n = 3 · V2L · I2nL · cos 2 = 3 · 220 · 13.11 · 1 5000 W

= P2 / (P2 + (V1/V1n)2 Po + C2 Pcc) = 5000 / [5000 +(381/380) 2 ·95 + (0.873)2 ·124.7] = 5000 / 5190.54 = 0.963

max = 96.3 %

A B C Ao Bo Co

a b c ao bo co a’ b’ c’ ao’ bo’ co’

A B C Ao Bo Co

a b c ao bo co a’ b’ c’ ao’ bo’ co’

A B C Ao Bo Co

a b c ao bo co a’ b’ c’ ao’ bo’ co’

ÍNDICES HORARIOS Habrá que determinar mediante un osciloscopio el desfase existente entre la tensión de la fase “A” de primario y la tensión de la fase “a” de secundario. Mostramos a continuación las conexiones que hemos tenido que realizar para obtener los índices horarios que nos pedían.

1. Conexión Y-y 0:

2. Conexión Y-y 6:

3. Conexión Y-d 1:

L1 L2 L3 l1 l2 l3

L1 L2 L3 l1 l2 l3

L1 L2 L3 l1 l2 l3

A B C Ao Bo Co

a b c ao bo co a’ b’ c’ ao’ bo’ co’

A B C Ao Bo Co

a b c ao bo co a’ b’ c’ ao’ bo’ co’

A B C Ao Bo Co

a b c ao bo co a’ b’ c’ ao’ bo’ co’

4. Conexión Y-d 11:

5. Conexión Y-d 5:

6. Conexión Y-z 1:

L1 L2 L3 l1 l2 l3

L1 L2 L3 l1 l2 l3

L1 L2 L3 l1 l2 l3

ESTUDIO DE DESEQUILIBRIO DE CARGAS Vamos a observar los desequilibrios que pueden aparecer en las corrientes del transformador al conectar en su secundario una carga monofásica. Aplicaremos el ensayo para tres modos de conexión: estrella-estrella, triángulo-estrella, estrella-zigzag.

Datos obtenidos: Y-y: IL1 = 1.47 A IL2 = 7.6 A IL3 = 6.25 A I2 = 5.87 A D-y: IL1 = 5.72 A IL2 = 7.74 A IL3 = 2.33 A I2 = 3.27 A Y-z: IL1 = 2.84 A IL2 = 4.64 A IL3 = 7.43 A I2 = 6.25 A En cada uno de los casos hemos aumentado la corriente hasta que al menos en una de las fases del primario se alcanzase la intensidad nominal (7.6 A).

Observamos que la conexión que nos permite que por el secundario circule más intensidad es la última, la conexión estrella-zigzag. El desequilibrio en este caso no es muy grande. Sin embargo, observamos que en el primer caso (conexión estrella-estrella), hay una gran diferencia entre la intensidad que circula por la primera fase del primario (que es casi exclusivamente la intensidad de vacío) y las otras dos; con neutro en ambos devanados, al sobrecargar una fase en el secundario, aumentará proporcionalmente la corriente en la fase del devanado de la misma columna del primario y por tanto, provocará un caída de tensión mayor en un conductor de línea que en los otros dos. La segunda conexión, la de triángulo-estrella, nos permite una intensidad en el secundario muy baja.

Podemos sacar como conclusión que la conexión que tiene peor respuesta ante un desequilibrio de cargas es la de estrella-estrella. Hemos comprobado la gran influencia que tiene en conexionado cuando nos encontramos en una situación en la que se produce un desequilibrio en la carga conectada al secundario, y habrá que tenerlo en cuenta a la hora de construir un transformador, porque repercutirá en la seguridad de los aparatos conectados al sistema.

Esquema de la conexión estrella-estrella

CUESTIONES

1. ¿Por qué existe una asimetría en las corrientes de vacío?

Un trafo trifásico tiene la siguiente geometría:

Se ve que en la columna central el flujo tiene menos recorrido, lo que dará lugar a una asimetría en dicha columna central. Esto produce un desequilibrio en las corrientes de vacío de las tres fases, pero su efecto en carga es prácticamente despreciable

2. ¿Qué tipos de conexiones existen? ¿para qué sirven?

Hemos visto ya en el resumen teórico que hay tres tipos de conexiones: estrella, triángulo y zig-zag. De la conexión dependerá la relación entre las tensiones e intensidades de línea y las de fase, y por tanto, la relación de transformación de línea del trafo. Además mediante las conexiones también determinamos el sistema de tensiones, si es de secuencia directa o inversa, y si existen desequilibrios.

3. ¿A qué es debido el ruido que genera un transformador?

El ruido es producido por las chapas, que vibran debido al campo magnético

4. ¿Se pueden obtener diferentes relaciones de transformación con un

transformador trifásico? ¿Y con un monofásico? Explícalo.

La relación de transformación de fase no cambia, será siempre N1/N2. Pero como con las conexiones cambian las relaciones entre línea y fase, en un trafo trifásico podremos tener diferentes relaciones de transformación (de línea) dependiendo del conexionado. En un trafo monofásico solo tenemos un devanado primario y un secundario, con lo que no es posible hacer combinaciones.

5. Si formamos un transformador trifásico a partir de tres transformadores

monofásicos iguales y lo alimentamos con un sistema trifásico equilibrado de secuencia directa, ¿obtendremos a la salida siempre un sistema equilibrado de tensiones de secuencia directa?.

No necesariamente. Si alimentamos una carga desequilibrada, hay conexionados que no responden adecuadamente. Además, si cambiamos la conexión podemos cambiar de secuencia directa a inversa y viceversa. Por lo tanto, la salida depende fundamentalmente de las conexiones realizadas.

CONCLUSIONES En esta práctica hemos estudiado como se comporta el transformador monofásico ante diferentes regímenes de carga. Hemos realizado los ensayos de vacío y cortocircuito para hallar los valores del circuito equivalente del trafo estudiado y hemos visto su alto rendimiento trabajando en carga. Además hemos manejado los diferentes tipos de conexionado y las características de cada uno, así como su influencia en la relación de transformación y ante un desequilibrio de cargas. Durante esta práctica hemos aprendido a manejar satisfactoriamente el transformador monofásico, y hemos podido comprobar sus diferencias y similitudes con el anteriormente estudiado trafo monofásico.