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Ensayo en Vacío, con Carga y Cortocircuito para Transformadores Monofásicos ...

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Practica De Laboratorio 4 Ensayo en Vacío, con Carga y Cortocircuito para Transformadores Monofásicos Harold Murillo Pérez, David Alejandro Muñoz, José Felipe Jaramillo, Hernán Bravo Universidad Autónoma de Occidente Departamento de Energética y Mecánica Maquinas Eléctricas 1 Pre-Informe de laboratorio No. 4 Cali, 2019 Abstract- In the following laboratory report the characteristics of the ferromagnetic materials obtained their hysteresis curve were studied. It is an experimental fact that, when applying a magnetic field on a material, it is disturbed. Keywords:

II. OBJETIVOS DE LA PRACTICA OBJETIVO GENERAL Fortalezas en la realización del ensayo de vacío, con carga y cortocircuito para transformadores monofásicos

RESUMEN – En el siguiente informe de laboratorio se estudiaron las características de los materiales ferromagnéticos obtenido su curva de histéresis.

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Palabras claves:

I. INTRODUCCIÓN Como hemos visto anteriormente, el transformador está basado en que la energía se puede transportar eficazmente por inducción electromagnética desde una bobina a otra por medio de un flujo variable, con un mismo circuito magnético y a la misma frecuencia. Debido a las perdidas que se producen en los bobinados por el efecto Joule y en el hierro por histéresis y por corrientes de Foucault, el transformador deberá soportar todas las perdidas más la potencia nominal para la que ha sido proyectado. El transformador monofásico se compone de dos bobinados, el primario y el secundario, sin contacto eléctrico entre ellos y devanados sobre un núcleo. Si conectamos el devanado primario a una tensión alterna, la corriente alterna que circula por el provocará un campo magnético alterno, que dará lugar a una tensión de autoinducción en el primario; como el campo también atraviesa el bobinado secundario inducirá en éste una tensión alterna. El comportamiento de un transformador bajo cualquier condición de trabajo puede predecirse con suficiente exactitud si se conocen los parámetros del circuito equivalente. Tanto el fabricante como el usuario del transformador necesitan esta información. Los elementos que intervienen en el circuito equivalente aproximado se pueden obtener con una serie de ensayos muy simples, los ensayos que se utilizan en la práctica para la determinación de los parámetros del circuito equivalente de un transformador son: el ensayo en vacío y el de cortocircuito.

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OBJETIVOS ESPECIFICOS Determinar las pérdidas en el núcleo del transformador monofásico. Determinar la eficiencia del transformador. Determinar la regulación y la eficiencia del transformador para una carga dada. Trazar el diagrama vectorial del transformador bajo carga III. MARCO TEORICO

Perdidas en Transformación Ninguna maquina trabaja sin producir perdidas de potencia, ya sea estática o dinámica, ahora bien, las perdidas en las maquinas estáticas son muy pequeñas, como les sucede a los transformadores, en un transformador se producen las siguientes perdidas:  Perdidas por corrientes de Foucault (PF)  Perdidas por histéresis (PH)  Perdidas en el cobre del bobinado (PCu) Las perdidas por corriente de Foucault (PF) y por histéresis (PH) son las llamadas perdidas en el hierro (PFe) Transformador en Vacío Cuando un transformador está en vacío, la potencia que medimos en un transformador con el circuito abierto se compone de la potencia perdida en el circuito magnético y la perdida en el cobre de los bobinados. Al ser nula la intensidad en el secundario (I2 = 0), no aparece en él perdida de potencia, por otra parte, al ser muy pequeña la intensidad del primario en vacío (I0) con respecto a la intensidad en carga I 2n, las pedidas que se originan en el cobre del bobinado primario resultan prácticamente insignificantes. Las perdidas de potencia en el hierro (PFe) en un transformador en vació se producen por las corrientes de Foucault (PF) y por el fenómeno de histéresis (PH).

Figura 1. Esquemático transformador en vacío Figura 4 Transformador en vacío En donde:

Figura 2. Flujo de un transformador en vacío Transformador en Cortocircuito La prueba se lleva a cabo desde el lado de alta tensión del transformador mientras el lado de baja tensión está cortocircuitado. El voltaje de suministro requerido para circular la corriente nominal a través del transformador es normalmente muy pequeño y es del orden de unos cuantos porcentajes del voltaje nominal y este voltaje del 5 % está aplicado a través de primario. Las pérdidas en el núcleo son muy pequeñas porque el voltaje aplicado es solo unos cuantos porcentajes del voltaje nominal y puede ser despreciado. Así, el vatímetro solo medirá las pérdidas en el cobre. La potencia absorbida en cortocircuito coincide con las pérdidas en el cobre pudiendo despreciarse la rama en paralelo como consecuencia del pequeño valor de la corriente I0 frente a I1n.

A=Amperímetro. W=Vatímetro. V=Voltímetro. De acuerdo a lo anterior, si el secundario de un transformador se encuentra en circuito abierto, es suficiente un voltímetro, convenientemente conectado al circuito de alimentación para efectuar medidas directas de Ro y Xo. Las únicas perdidas presentes son aquellas por histéresis, corrientes parásitas en el núcleo y las muy pequeñas en el cobre, debido a la corriente en vacío Io, en la resistencia óhmica del primario.

Figura 3. Flujo de un transformador en corto V1= Tensión aplicada IV. DESCRIPCIÓN DEL DISEÑO REALIZADO PROCEDIMIENTO PARA EL ENSAYO DE LAS EN VACIO PARA TRANSFORMADORES MONOFASICOS

Este método emplea:

Io= Corriente en vacío Po= Pérdidas en el núcleo Mida la resistencia de los devanados del transformador utilizando algunos de los métodos descritos en el experimento anterior. Pérdidas en el cobre: Devanado primario.

Pérdidas en el cobre: Devanado secundario

Total de pérdidas = pérdidas en el cobre primario + pérdidas en el cobre secundario + pérdidas en el núcleo. Potencia de salida total = EI cos f Potencia de entrada total = potencial de salida + total de pérdida en el cobre + pérdidas en el núcleo.

De donde es posible hallar R1 + R2 y X1 + X2

Procedimiento: Procedimiento

1. Conecte el circuito del a figura No. 5.

1. Conecte el circuito del a figura No.4 (consulte la tensión de alimentación).

2. Desconecte de la red el transformador, regulador T1 (variac) sitúe su cursor en posición de cero, para la tensión de salida. Corto circuido T2 con un conductor capaz de resistir por lo menos 125% de la corriente nominal a plena carga.

2. Cierre el interruptor, lea y registre las lecturas de todos los instrumentos. Tome como mínimo 10 lecturas, partiendo del 20% de la tensión del devanado excitando hasta llegar al 110% del valor nominal.

• PROCEDIMIENTO PARA EL ENSAYO DE TENSION DE CORTOCIRCUITO PARA TRANSFORMADORES MONOFASICOS Uno de los devanados del transformador (del lado de alta tensión o del lado de baja tensión) debe ponerse en corto y se aplica al otro devanado una tensión a frecuencia nominal 60 Hz, En caso de que no se puedan alcanzar los valores nominales de corriente, se puede utilizar una corriente no menor del 25 % de In, corrigiendo el valor obtenido. El ensayo debe realizarse sobre la derivación principal.

3. A frecuencia nominal excite el transformador T2 regulando la tensión producida por T1 desde cero, hasta que el amperímetro indique 100% de la intensidad nominal primaria. En las condiciones anteriores, tome las lecturas simultaneas de todos los instrumento.

PROCEDIMIENTO PARA EL ENSAYO DE CARGA PARA TRANSFORMADORES MONOFASICOS

Figura 6. Transformador en carga Procedimiento: Figura 5. Transformador en cortocircuito

Si los valores corregidos de una serie de lecturas simultáneas de los vatímetros y amperímetro son P, V e I, respectivamente, se tiene:

1. Conecte el circuito de la figura 6. 2. Excite el transformador de prueba a frecuencia y tensión nominal 3. Tome las medidas en vacío- manteniendo la tensión primaria constante, ajuste el valor de la resistencia de carga para obtener aproximadamente 25,40, 50, 75, 90, y 100% de la intensidad nominal secundaria, anotando cada vez la lectura de la tensión secundaria V2, así como la lectura de los instrumentos primarios.

V. CÁLCULOS Y RESULTADOS OBTENIDOS

1. Calcule las perdidas en el hierro. 2. Haga un comentario breve sobre la forma de onda de la corriente de excitación. En un transformador conectado en vacío. La corriente que circula por el devanado abierto es nula. Mientras la corriente que circula por el devanado excitado es muy pequeña y denominada corriente de excitación. El flujo en vacío se calcula integrando la tensión en el devanado alimentado. Si la tensión en este devanado varia de forma senoidal en el tiempo, el flujo magnético variara igualmente de forma senoidal en el tiempo. Pero, desfasado 90° con respecto a la forma de onda en tensión. En vacío la única fmm que existe está relacionada con la corriente en vacío (corriente de excitación). Y la relación entre el flujo magnético y la corriente en vacío, está dada a partir de la curva de saturación del material del núcleo (dada por el fabricante). Debido a que la curva de saturación del núcleo no es lineal, se produce una forma de onda distorsionada para la corriente de excitación. La cual puede descomponerse como la suma de nesimos armónicos.

desaparezcan, como se indicó para la medición de la resistencia en frío en la NTC 375. El tiempo que transcurre desde el instante de corte para cada medición de resistencia debe registrarse. Los ventiladores y el agua de enfriamiento deben apagarse durante el corte para la medición de resistencias. Las bombas de aceite pueden apagarse o mantenerse funcionando durante el corte para la medición de resistencias. La temperatura promedio de un devanado debe determinarse por la siguiente fórmula: Donde: T = temperatura promedio del devanado correspondiente a la resistencia en caliente R, en grados Celsius To =temperatura a la cual se midió la resistencia en frío, en grados Celsius Ro = resistencia en frío, medida de acuerdo a la NTC 375, en ohmios R = resistencia en caliente, en ohmios Tk = 234,5 °C para cobre, y 225,0 °C para aluminio Nota 1. El valor de Tk puede ser tan alto como 230,0 °C para algunas aleaciones de aluminio 4. ¿A qué se le denomina resistencia efectiva en AC? 5. ¿Qué es el porcentaje de impedancia de cortocircuito o tensión de cortocircuito de un transformador? Impedancia a la tensión de un transformador (Tensión de cortocircuito de un transformador). Tensión requerida para hacer circular la corriente nominal a través de uno de los devanados especificados de un transformador cuando el otro devanado está en cortocircuito, con los devanados conectados como para operación a tensión nominal. Esta se expresa usualmente en por unidad, o porcentaje de la tensión nominal del devanado en que se mide la tensión VI. ANÁLISIS DE LAS SIMULACIONES Y DATOS OBTENIDOS Toma de datos en Vacío.

Figura 7. Forma de onda corriente de excitación

3. ¿Cómo se calcula la elevación de temperatura de un devanado a partir de sus resistencias? La elevación de temperatura promedio de un devanado debe ser la temperatura promedio del devanado menos la temperatura ambiente. Tabla 1,Toma de datos en Vacío.

La temperatura promedio de los devanados debe determinarse por el método de la resistencia. Cuando resulte imposible emplear el método de la resistencia (por ejemplo, con bobinas de resistencia extremadamente baja) se pueden usar otros métodos. Después del corte, pueden tomarse las lecturas tan pronto como sea posible, permitiendo que transcurra el tiempo suficiente para que los efectos inductivos

Toma de datos en Cortocircuito.

Figura . Circuito equivalente en vacío 2

P=I Rm Tabla 2,Toma de datos en Cortocircuito.

Toma de datos en Carga.

Rm=

Po I2

Rm=

23.4 0.2034 2

Rm=565.6 Ω Io = IRm + IXm Tabla 3,Toma de datos en Carga.

VII.CONCLUSIONES

2 2 IXm= √ Io − IRm

Ensayo en corto:

VIII. RESULTADOS Ensayo de vacío:

Figura10. prueba de corto Vcc=9.5v

Figura8 . prueba de vacío

I2nom=2.3ª

Pcc =Vcc∗I 2 nom∗cosΦ 110 Znom= =24.44Ω 4.5 Vcc =8.6 %= Zcc =8.2 2

R cc=

2 9.5 2 =4.13 Ω Vcc = Pcc 21.85

Figura 9. Curva de imanación

Figura 11. Circuito equivalente en corto circuito Ensayo en carga:

Manizales, 2016. [ONLINE] disponible https://www.ucm.es/data/cont/media/www/pag17833//Materiales%20magnéticos%202015-16.pdf

Figura10. prueba con carga

Figura 11. Circuito equivalente en carga

Icarga Inom kcarga∗Snom ἠ= 2 kcarga∗Snom + Po + kcarga ∗Pcc Kcarga=

Tabla 4. Eficiencia del trasformador con diferentes cargas

IX. REFERENC IAS [1] Ferromagnetismo - Wikipedia, la enciclopedia libre. 2019. Ferromagnetismo - Wikipedia, la enciclopedia libre. [ONLINE] disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Ferromagnetismo. [Accedido 24 August 2019]. [2] Reverté (1981). Circuitos Magnéticos y Transformadores. Buenos Aires. [3] Juan C. Fernández (2004)- Departamento de Física – Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires – http://www.fi.uba.ar [4]https://www.ucm.es/data/cont/media/www/pag17833//Materiales%20magn%C3%A9ticos%202015-16.pdf [5] FIUBA | Facultad de Ingeniería - UBA. 2019. FIUBA | Facultad de Ingeniería - UBA. [ONLINE] disponible en: http://www.fi.uba.ar. [Accedido 25 August 2019]. [6] Laboratorio de Materiales Magnéticos Ciclo de histéresis de materiales ferromagnéticos, Universidad Católica de

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