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GUÍA N° 2 – PÉRDIDAS, RENDIMIENTO Y REGULACIÓN DEL TRANSFORMADOR 1φFACULTAD CURSO AMBIENTE Ingeniería Máquinas Eléctricas Estáticas y RotativasLaboratorio remotoELABORADO POR Arturo Pacheco Vera APROBADO POR Javier Piérola VERSIÓN 001 FECHA DE APROBACIÓN 14 /09/1. LOGRO GENERAL DE LA UNIDAD DE APREN...

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GUÍA N° 2 – PÉRDIDAS, RENDIMIENTO Y REGULACIÓN DEL TRANSFORMADOR 1ϕ FACULTAD Ingeniería

CURSO Máquinas Eléctricas Estáticas y Rotativas

AMBIENTE Laboratorio remoto

Javier Piérola ELABORADO POR Arturo Pacheco Vera APROBADO POR 001 VERSIÓN FECHA DE APROBACIÓN 14/09/2020

1. LOGRO GENERAL DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE Al final de la unidad el estudiante comprende e identifica las principales características del transformador monofásico ideal y real. Identifica y reconoce los parámetros del circuito equivalente.

2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS DE LA PRÁCTICA    

Identificar el diagrama del circuito equivalente del transformador. Calcular las pérdidas en el cobre y en el hierro que se producen en un transformador. Determinar la eficiencia del transformador. Determinar la regulación de tensión del transformador.

3. MATERIALES Y EQUIPOS Equipo Modelo 8131 8311 8353 8946-2 8951 8221 8990 9063

Descripción Puesto de trabajo Carga resistiva Transformador monofásico Multímetro Juego de cables de conexión Fuente de alimentación Computadora Interfaz de adquisición de datos

Cantidad

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4.PAUTAS DE SEGURIDAD

a.

El laboratorio cuenta con señalética de prohibiciones, seguridad y emergencia, los cuales deben ser respetados por docentes y alumnos. b. Los alumnos deberán llegar puntualmente a la sesión de laboratorio. c. Durante las actividades prácticas no se permitirá:  Descortesías hacia los compañeros, instructores, docentes y personal de apoyo.  Burlas en plena práctica y que se utilice un vocabulario indebido.  Que los alumnos deambulen de un lado para otro sin motivo y que corran dentro del laboratorio. j. Los alumnos deben maniobrar los equipos de acuerdo a las indicaciones del docente y las contenidas en esta guía. m. Todo el grupo de trabajo es responsable por la rotura y/o deterioro del material entregado y/o equipos del laboratorio durante el desarrollo de las prácticas. n. Si algún suministro sufriera daño, el grupo de trabajo responsable deberá reponer dicho suministro, ya que el mismo estuvo bajo su responsabilidad durante el desarrollo de las prácticas. 9.1 Vestimenta y equipos de protección para las prácticas en los laboratorios b. Para los laboratorios de Electrónica General, Máquinas Eléctricas y de Potencia, Control y Automatización, Internet de las Cosas, Sistemas Biomédicos y Mecatrónica, Robótica y CNC, se recomienda como parte de una cultura de identificación y prevención, que los alumnos usen guardapolvo, mientras se esté ejecutando alguna práctica dentro del laboratorio. Para los asistentes el uso de guardapolvo azul será obligatorio. d. Para los laboratorios de Mecatrónica, Robótica y CNC, Control y Automatización y Máquinas Eléctricas y de Potencia, el uso de zapatos de seguridad con suela de alta resistencia eléctrica y punta reforzada obligatorio.

Referencias: Protocolo de Seguridad para los Laboratorios del Departamento Académico de Sistemas y del Departamento Académico de Electrónica (Pág. 8-10 -11).

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5. FUNDAMENTO BÁSICO

REGULACIÓN DEL TRANSFORMADOR MONOFÁSICO La carga de los transformadores de potencia varían constantemente, ocurriendo la mayor variación en los periodos de mayor actividad industrial y comercial, esto provoca que el voltaje en los secundarios de los transformadores varíen de acuerdo con la carga y el factor de potencia, dependiendo si está en atraso, en adelanto o si es la unidad. Ya que todos los equipos eléctricos y electrónicos son muy sensibles a los cambios de tensión que pudiesen causarles daños es muy importante tener una buena regulación de voltaje, por lo que es muy importante conocer las características de los elementos constructivos de transformadores y líneas de transmisión, además de su comportamiento ante carga capacitiva, inductivas o resistivas. Caída de tensión en un transformador: Dado que existen resistencias y reactancias intercaladas en serie con los bobinados del transformador, cuando circule una corriente de carga por los bobinados la tensión del secundario se verá reducida. La caída de tensión será entonces la diferencia algebraica entre la tensión eficaz del secundario en vacío (U20) y la que aparece cuando el transformador trabaja en carga (U2). u = U20 – U2 A menudo es más conveniente expresar esta caída de potencial en términos de porcentaje referidos a la tensión de vació. A este valor se le denomina coeficiente de regulación ξ.

U20 - U2

ξ=

X 100

U2

En las figuras 1 y 2 se observan los valores en caso de vacío y carga del transformador de acuerdo a sus circuitos equivalentes reducidos y en los cuales se han agrupado las resistencias y reactancias de dispersión:

Fig. 1 Circuito equivalente reducido de un transformador en vacío

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Fig. 2 Circuito equivalente reducido de un transformador en carga La tensión en el primario es:

U1 = U21 + R1eq I1 + j X1eq I1 Siendo el diagrama fasorial el de la figura 3

Fig. 3 Diagrama fasorial de un transformador con carga de acuerdo al circuito equivalente reducido

Si la tensión primaria se mantiene constante la tensión en el secundario estará dada por:

U21 = U1 - R1eq I1 - j X1eq I1

entonces

U2 = U21/a

Si graficamos la variación de la tensión en el secundario del transformador en función de la carga del mismo, vemos que a medida que el factor de potencia de la carga se hace más inductivo la regulación empeora (Mayor caída de tensión). En cambio, si el factor de potencia fuera capacitivo, podría incluso mejorar la tensión secundaria, tal como se muestra en la figura 4.

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Fig. 4 Variación de la tensión con la carga Debemos tener en cuenta que las cargas presentan características inductivas, el caso de características capacitivas se presenta en aquellos casos en que un transformador de media o alta tensión tenga poca carga y los cables alimentadores sean subterráneos y presenten efectos capacitivos. RENDIMIENTO DEL TRANSFORMADOR MONOFÁSICO En un transformador, tenemos dos tipos de pérdidas, las del hierro o fijas y las del cobre variables con la carga (corriente). De acuerdo a ellas el rendimiento en función del factor de carga está dado por la siguiente expresión:

Las curvas típicas de rendimiento en función de la carga o del factor de carga son las que se muestran en la figura 5.

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Vemos que la curva crece, pasa por un valor máximo y luego decrece. El valor máximo se produce para un estado de carga que se puede obtener, derivando la expresión del rendimiento con respecto al factor de carga e igualando a cero. Su valor se produce cuando las pérdidas fijas (en el hierro) son iguales a las pérdidas variables (en el cobre), o sea:

pFe = f2 Cηmax. pCuN con lo cual el factor de carga está dado por:

Como en el caso del transformador el circuito equivalente es un modelo que se aproxima mucho a la realidad y sus parámetros se pueden determinar con facilidad y exactitud, aún en unidades de gran potencia, es preferible determinar el rendimiento a partir del mismo, que es la forma indicada en las normas y por lo tanto se denomina “convencional”. El rendimiento se puede expresar como:

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6. PROCEDIMIENTO (DESARROLLO DE LA PRÁCTICA) En esta sección, usted armará un circuito que incluye un transformador conectado a una carga resistiva, luego ajustará los instrumentos de medición requeridos para estudiar las pérdidas del transformador, la eficiencia y la regulación de tensión. 6.1 En el transformador modelo 8353, mida las resistencias internas de los bobinados: R12 (Ω) R34 (Ω) R56 (Ω) R78 (Ω)

Tabla N°1 6.2 Conecte el equipo como se muestra en la figura 5.

Fig. 5 Transformador monofásico con carga 6.3 Conecte el circuito a la fuente de alimentación variable, bornes 4-N 6.4 Conecte el puerto USB de la Interfaz de adquisición de datos y control a un puerto USB de la computadora. Conecte la alimentación para el módulo Interfaz de adquisición de datos. 6.5 Encienda la computadora, luego ejecute el software LVDAC-EMS. 6.6 En LVDAC-EMS, fije el ajuste Gama de la entrada de corriente I1 en alta. Configure los conmutadores de la carga resistiva de modo que el valor de la resistencia de la carga sea infinito.

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6.6 Fije el parámetro de tensión de la fuente regulable en 48 V. 6.7 En LVDAC-EMS abra la ventana aparatos de medición. Haga los ajustes necesarios para medir tensión y corriente de entrada y tensión y corriente de salida. 6.8 Ajuste otros dos medidores para medir las potencias activas de entrada y de salida.

E1 (V)

I1 (A)

E2 (V)

I2 (A)

P1 (W)

P2 (W)

Ppérd=(P1-P2)

Tabla N°2 Pérdidas del Transformador, rendimiento y regulación de tensión 6.9 Disminuya la resistencia de la carga conectada al secundario de modo que la corriente secundaria aumente como máximo a 1 A, en pasos de aproximadamente 0,2 A. RCARGA (Ω)

E1 (V)

I1 (A)

E2 (V)

I2 (A)

P1 (W)

P2 (W)

Ppérd=(P1-P2)

η (%)

440 400 367 338 314 293 275 259 244 232 220 210

Tabla N°3 Dónde:

η (%)= (P2/P1) x 100%

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6.10 Para cada paso registrará en la tabla de datos los valores de tensión, corriente y potencia activa en

el primario y en el secundario del transformador, luego exportará los datos a una hoja electrónica de cálculo y calculará las pérdidas de potencia y la eficiencia del transformador. 6.11 En LVDAC-EMS, abra la ventana tabla de datos, configure la tabla de datos para registrar tensión, corriente y potencia activa en el primario y secundario del transformador, que aparecen en la ventana aparatos de medición. En la ventana tabla de datos, haga clic en el botón guardar datos. 6.12 Apague la fuente de alimentación variable. 6.13 En la ventana tabla de datos, guarde los datos registrados y luego expórtelos a una hoja electrónica de cálculo (Excel). En el Excel, añada un nuevo parámetro a los resultados: Las pérdidas del transformador Ppérd. Para calcular estas pérdidas, reste la potencia activa del secundario P2 (es decir, la potencia activa que el transformador entrega a la carga) de la potencia activa del primario P1 (es decir, la potencia activa que la fuente de alimentación c.a. suministra al transformador).

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7. ENTREGABLES 7.1 Desarrolle el informe de laboratorio de acuerdo al formato indicado. 7.2 Trace un gráfico de las pérdidas Ppérd del transformador en función de la corriente secundaria (I2). 7.3 Trace un gráfico de la eficiencia (η) del transformador en función de su corriente secundaria (carga) (I2). 7.4 Trace la curva de regulación de tensión del transformador, es decir trace un gráfico de la tensión secundaria (E2) del transformador en función de su corriente secundaria (I2). 7.5 Explique porque la corriente en el primario no es cero durante la operación sin carga. 7.6 También explique porque la potencia activa en el primario no es cero, a pesar de que no se Suministra potencia a la carga.

7.7 Responda concretamente a las siguientes preguntas: 7.7.1 ¿Qué es la corriente de excitación en un transformador 1ϕ? 7.7.2 ¿Cuál es la diferencia entre pérdidas en el cobre y las pérdidas en el núcleo de un transformador 1ϕ? 7.7.3 ¿Cuál es la relación entre las pérdidas de potencia y la corriente de carga, de un transformador? 7.7.4 ¿Puede en un transformador 1ϕ ser la eficiencia del 100%? 7.7.5 ¿Cómo se define la regulación de tensión en un transformador? 7.7.6 Dar 5 observaciones, 5 conclusiones y 5 recomendaciones.

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8. FUENTES DE INFORMACIÓN COMPLEMENTARIA www.ingenieros.es/files/Proyectos_1/RENDIMIENTO de TRANSFORMADO https://eltransformadorelectrico.blogspot.com/2016/06/regulacion-de-un-transformador.html https://www.youtube.com/watch?v=SQkIGSiRDAA

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