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FACULTAD DE MECÁNICA - ESCUELA DE INGENIERÍA DE MANTENIMIENTO

GUÍA DE LABORA LABORATORIO TORIO DE M MAQUINAS AQUINAS ELÉCTRICAS

Práctica N No o 02 TEMA: “REGULACIÓN DEL TRANSFORMADOR” 1. DATOS GENERALES NOMBRE LLUMAN MARCO

CÓDIGO 8054

FECHA DE REALIZACIÓN: 27 / 05 / 2020 FECHA DE ENTREGA: 1 / 06 / 2020 2. OBJETIVOS 2.1 OBJETIVO GENERAL ▪

Estudiar la regulación del transformador.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ▪ Estudiar la regulación de voltaje del transformador con carga variable. ▪ Estudiar la regulación del transformador con cargas inductivas y capacitivas. 3. EXPOSICIÓN E INSTRUCCIONES 3.1 EXPOSICIÓN Previo al desarrollo de la práctica se han de conocer conceptos fundamentales: Transformador: Se entiende como transformador al dispositivo encargado de elevar o disminuir cierta cantidad de voltaje. Voltaje primario: Se trata de el voltaje suministrado por el devanado principal de un transformador, es decir, aquel que se encuentra conectado ala fuente de voltaje. Voltaje secundario: Este es el voltaje inducido por el voltaje primario del transformador. (Perez.A, 2018)

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Cargas resistivas: En las cargas resistivas, como los elementos de calefacción y la iluminación incandescente, la tensión y la corriente aumentan y disminuyen juntas, en una condición conocida como unidad. Cargas inductivas: Las cargas inductivas, asociadas con la energía que se utiliza para el funcionamiento de motores y para la creación de campos magnéticos, provocan que los cambios en la corriente se retrasen respecto de los cambios en la tensión. Cargas capacitivas: Son opuestas a las cargas inductivas. Las cargas capacitivas incluyen la energía almacenada en materiales y dispositivos, como los condensadores, y provocan que los cambios en la tensión se retrasen respecto de los cambios en la corriente. (Kosow, 1993)

Imagen1: Tipos de cargas Fuente: (Marcelo.J, 2015)

La carga de un transformador de potencia, en una subestación, usualmente varía desde un valor muy pequeño en las primeras horas de la mañana, hasta valores muy elevados durante los periodos de mayor actividad industrial y comercial. El voltaje secundario del transformador variara un poco con la carga, y puesto que los motores, las lámparas incandescentes y los dispositivos de calefacción son muy sensibles a los cambios de voltaje, la regulación del transformador tiene una importancia vital. El voltaje secundario depende también de si el factor de potencia de la carga es adelantado, atrasado o es la unidad. Por lo tanto, se debe conocer la forma en que el transformador se comportara cuando se le somete a una carga capacitiva, inductiva o resistiva. (Lenin.F, 2020) Si el transformador fuera perfecto, sus devanados no tendrían ninguna resistencia. Es más, no requeriría ninguna potencia reactiva (vars) para establecer el campo magnético en su interior. Este transformador tendría una regulación perfecta en todas las condiciones de carga y el voltaje del secundario se mantendría absolutamente constante. Sin embargo, los transformadores reales tienen cierta resistencia de devanado y requieren potencia reactiva para producir sus campos magnéticos. En consecuencia, los devanados primario y secundario poseen una resistencia general R y una reactancia general X. el circuito equivalente de un transformador de potencia que tiene una relación de vueltas de 1 a 1, se puede representar aproximadamente por medio del circuito que aparece en la figura 41-1. Las terminales reales del transformador son P1 P2 en el lado primario y S1 S2 en el secundario. (Lenin.F, 2020)

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Imagen2: Transformador ideal Fuente: (Lenin.F, 2020)

Se supone que el transformador mostrado entre estas terminales, es un transformador perfecto en serie el cual tiene una impedancia R y otras imperfecciones representadas por X. Es evidente que, si el voltaje primario se mantiene constante, el voltaje del secundario variara con la carga debido a R y X. Cuando la carga es capacitiva, se presenta una característica interesante, tal que se establece una resonancia parcial entre la capacitancia y la reactancia X, de modo que el voltaje secundario E2, incluso tiende a aumentar conforme se incrementa el valor de la carga capacitiva. (Lenin.F, 2020) Coeficiente de regulación de voltaje: El Coeficiente de Regulación de Voltaje o la Regulación de Voltaje (RV) es una cantidad que compara el voltaje de salida sin carga (en Vacío) con el voltaje de salida a plena carga y se define por la ecuación. (Perez.A, 2018) 𝑉𝑠 𝑆𝑖𝑛 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 − 𝑉𝑠 𝑎 𝑃𝑙𝑒𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑅𝑣 = ∗ 100% 𝑉𝑠 𝑎 𝑃𝑙𝑒𝑛𝑎 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 Donde: Vs: Voltaje de Salida de una línea de transmisión o voltaje secundario. Para un transformador ideal como se mencionó anteriormente RV = 0%. 4. ACTIVIDADES POR DESARROLLAR 4.1. Observación y reconocimiento de instrumentos y equipos 4.1.1. Equipos de protección personal ▪ ▪ ▪

Guantes de pupos Gafas de seguridad Mandil

4.1.2. Equipos y herramientas • Módulo de fuente de alimentación (0-120V c-a, 0-120V c-d) Laboratorio Máquinas Eléctricas

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• • • • •

Módulo de Medición de c-a (250/250/250V) Módulo de medición de c-d (20/200V) Módulo de transformador Cables de Conexión Simulador de Máquinas Eléctricas LabVolt

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EMS 8426 EMS 8412 EMS 8341 EMS 8941 LVSIM-EMS

4.1.3. INSTRUCCIONES: • • • • • • • • • • • • •

Se leerá detenidamente la presente guía para seguir todos los pasos expuesta en la misma. Verificar que el módulo de la fuente de alimentacion ubicado en el banco de trabajo, que este apagada por medio del interruptor de encendido y apagado. Verificar que los cables o instrumentos estén correctamente aislados y en buen estado. Verificar y Colocar los módulos EMS necesarios en el puesto de trabajo para realizar la práctica. Encender el tablero eléctrico principal Realizar las conexiones según los diagramas descritos en la guía de laboratorio. Solicitar que el instructor revise las conexiones previamente realizadas. Verificar que la perilla de regulación de voltaje de la fuente variable este en 0% Encender la fuente de alimentacion con los voltajes requeridos en la guía de laboratorio. Tomar notas de las mediciones realizadas paso a paso como sugiere la guía de laboratorio. Cada vez que se vaya a realizar nuevas mediciones , siempre apagar la fuente de energía. Una vez terminada la práctica, encerar la fuente de alimentación y apagar la misma. Apagar el tablero eléctrico principal.

4.2. Manejo de instrumentos y equipos Conexión y manejo de instrumentos 1. Conecte el circuito ilustrado en la figura utilizando el módulo de transformador, fuente de alimentación, resistencia y medición de CA

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Imagen3: Circuito a analizar. Fuente: (Lenin.F, 2020)

2. a) Abra todos los interruptores del módulo de RESISTENCIA para tener una corriente de carga igual a 0. b) Conecte la fuente de alimentación y ajústela exactamente a 120V c-a, tomando esta lectura en el voltímetro E1. c) Mida y anote en la tabla la corriente de entrada I1, la corriente de salida I2 y el voltaje de salida E2. d) Ajuste la resistencia de carga ZL a 1200Ω. Cerciórese que el voltaje de entrada se mantiene exactamente a 120V c-a mida y anote I1, I2 y E2. e) Repita el procedimiento para cada valor indicado en la tabla 41-1. d) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación.

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Toma y recolección de datos ZL (Ohms) ∞ 1200

I2 (A c-a) 0.02 0.099

E2 (V c-a) 119.6 117

I1 (A c-a) 0.029 0.118

600 400 300 240

0.193 0.283 0.368 0.451

114.7 112.3 109.9 107.8

0.211 0.300 0.385 0.468

Tabla1: Voltajes y corrientes de salida con carga resistiva. Fuente: Autoría

3. a) Calcule la regulación del transformador utilizando los voltajes de salida en vacío y a plena carga de la tabla anterior. Se hizo uso del software Excel para el cálculo de la relación mencionada, donde se programó la siguiente expresión ya revisada en la literatura: 𝑅𝑣 =

𝑉𝑠 𝑆𝑖𝑛 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 − 𝑉𝑠 𝑎 𝑃𝑙𝑒𝑛𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 ∗ 100% 𝑉𝑠 𝑎 𝑃𝑙𝑒𝑛𝑎 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 Carga Resistiva

Vssin carga(V) Carga homs

119.6 Vsplena carga (V)

RV%

1200

117

2.22

600

114.7

4.27

400

112.3

6.5

300

109.9

8.83

240

107.8

10.95

Tabla2: Regulación de voltaje. Fuente: Autoria

b) ¿Son equivalentes el valor de VA del devanado primario y el del devanado secundario para cada valor de resistencia de carga indicado en la tabla? No Amplié su respuesta. Como se pudo evidenciar durante el transcurso del laboratorio a tratar, esta variación reflejada en la tabla anterior se debe al incremento de cargas resistivas en seria al bobinado secundario, produciendo de esta forma un menor voltaje ne el mencionado.

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4. a) Repita el procedimiento 2 utilizando Módulos 8321 de INDUCTANCIA en lugar de la carga de resistencia. b) Anote las mediciones obtenidas en la tabla siguiente. ZL (Ohms) ∞

I2 (A c-a) 0.002

E2 (V c-a) 119.5

I1 (A c-a) 0.029

1200

0.097

117.9

0.122

600

0.191

116.3

0.216

400 300 240

0.283 0.374 0.461

114.9 113.5 111.9

0.307 0.398 0.484

Tabla3: Voltaje y corriente a la salida con carga inductiva. Fuente: Autoria

5. a) Repita el procedimiento 2 utilizando Módulos 8321 de CAPACITANCIA en lugar de la carga de resistencia. b) Anote las mediciones obtenidas en la tabla siguiente. ZL (Ohms) ∞

I2 (A c-a) 0.002

E2 (V c-a) 119.5

I1 (A c-a) 0.029

1200

0.100

120.8

0.080

600

0.202

122

0.180

400

0.306

123.2

0.284

300 240

0.412 0.520

124.3 125.4

0.390 0.497

Tabla4: Voltajes y corrientes de salida bajo carga capacitiva. Fuente: Autoria

6. A continuación, trazará la curva de regulación del voltaje de salida E2 en función de la corriente de salida I2 para cada tipo de carga del transformador. a) En la gráfica siguiente, marque los valores de E2 obtenidos para cada valor de I2 de la tabla de datos con carga resistiva.

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RESISTIVO Voltaje en la carga E2 V

122 120

118 116 114 112 110 108 106 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Corriente en la carga I2 A

Figura1: Tendencia de los datos recopilados en la Tabla1 Fuente Autoria.

b) Repita el procedimiento (a) para las cargas inductivas y la capacitiva. Escriba el nombre de cada línea trazada.

Voltaje en la carga E2 V

INDUCTIVO 120 118 116 114 112 110 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Corriente en la carga I2 A Figura2: Tendencia de los datos recopilas en la Tabla3. Fuente: Autoria

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CAPACITIVO Voltaje en la carga E2 V

126

125 124 123

122 121 120

119 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Corriente en la carga I2 A Figura3: Tendencia d ellos datos recopilados en la Tabla4. Fuente: Autoria

c) Comparación entre las tres graficas obtenidas anteriormente. 128 126

Voltaje de carga E2 V

124 122 120

118

RESISITIVO

116

INDUCTIVO

114

CAPACITIVO

112 110 108 106 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Corriente de carga I2 A Figura4: Comparativa entre las diferentes curvas de tendencias obtenidas. Fuente: Autoria

5. OBSERVACIONES 1. Explique por qué el voltaje de salida aumenta cuando se utiliza carga capacitiva. El voltaje a la salida en el transformador se elevaba al instalar en el un capacitor debido a que esta almacena energía y la libera posteriormente elevando así la propiedad mencionada.

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Imagen4: Capacitor. Fuente: Website-Capacitor.

2. Un transformador tiene una impedancia muy baja (R y X pequeñas). a) ¿Qué efecto tiene esto en la regulación? Como se revisó en la literatura y como se evidencio en la tabulación de datos, la regulación del transformador se encuentra relacionada con el voltaje del devanado primario y el voltaje de salida en el devanado secundario. Si se tiene una baja impedancia será una ventaja para la regulación del transformador debido a que mientras menor sea su impedancia mas se acerca al estado de un transformador ideal o lo que es igual muy el voltaje entregado por el devanado primario será muy próximo al voltaje de salida en el devanado secundario. b) ¿Qué efecto tiene esto en la corriente de cortocircuito? Por otra parte, el que el transformador posea una impedancia muy baja es una desventaja debido a que mientras más cerca este a cero este valor, existirá una alta probabilidad de que se produzcan cortocircuitos en la instalación, por lo que a menor impedancia mayor será el daño de un transformador ante un cortocircuito. 3. A veces los transformadores de gran tamaño no poseen propiedades óptimas de regulación. Se diseñan así, a propósito, para que se pueda usar con ellos interruptores de tamaño razonable. Explíquelo. Este fenómeno es muy concurrente en las estaciones de transformación, estos transformadores se diseñan con una mala regulación de voltaje es decir con una alta impedancia, debido a que como se explico en el inciso anterior a menor impedancia mayor será el daño en el transformador, por lo que se eleva la impedancia y se hace mas resistente al transformador ante un cortocircuito lo que permite el uso de interruptores de menor tamaño ya que no deben soportar grandes arcos de tensión, reduciendo así los costos

4. ¿Es aproximadamente igual el calentamiento de un transformador cuando la carga es resistiva, inductiva o capacitiva, para el mismo valor nominal de VA? ¿Por qué?

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El calentamiento de un transformado va a variar dependiendo de la carga, debido a que como hemos visto anteriormente cada uno de estos elementos pasivos provocan un aumento o una disminución en el voltaje, sabiendo que la potencia del transformador se mantiene constante y esta es igual al voltaje por la intensidad, al variar uno de estos parámetros el otro lo hará de igual manera. En el caso de la carga resistiva e inductiva, estas reducían el voltaje por lo que la intensidad de corriente debe aumentar generando así mayor fricción entre las partículas y elevando la temperatura del transformador. Por otra parte, con el capacitor ocurre totalmente lo contrario, este eleva el voltaje por lo que genera una disminución en la corriente eléctrica provocando así un incremento en la temperatura menor.

6. CONCLUSIONES • Se determino que las cargas presentes en el bobinado secundario de un transformador generan una variación en el voltaje secundario, esta variación depende del tipo de carga agregada a dicho bobinado pudiendo ser esta de tres tipos, resistiva, inductiva y capacitiva. • Se estableció que al conectar una carga resistiva al devanado secundario del transformador se produjo una pérdida de voltaje en relación con el voltaje de salida sin la presencia de esta carga, dicha disminución va desde 2.2% con 1200 Homs hasta 10.95% con 240 Homs esto indica que existe dicho porcentaje de diferencia entre el voltaje sin carga y el voltaje con la carga completa en el devanado secundario. • Se determino que de igual manera que en las cargas resistivas, las cargas inductivas producen una disminución en el voltaje de salida de la bobina secundaria provocando una disminución de hasta el 6.79%. • Se determino que, a diferencia de las cargas resistivas e inductivas, la carga capacitiva origina un aumento en el voltaje de salida del bobinado secundario, debido a que son elementos pasivos los cuales almacenan energía y la portan posteriormente. • Se determino que un transformador cuya impedancia es muy baja es mas propenso a sufrir graves daños ante la presencia de un cortocircuito, debido a que las perdidas de voltaje serian mínimas y por ende la corriente eléctrica se elevaría debido a su potencia constante tanto a la entrada como a la salida. • Se estableció que los transformadores con una impedancia elevada son de comunes en la industria actual debido a que esto ayuda a mejorar su resistencia a grandes arcos eléctricos es decir mejora su resistencia a los cortocircuitos, permitiendo hacer uso de interruptores de menor tamaño con requerimientos de resistencia a arcos eléctricos menores, y por ende abaratando los costos en la instalación. • Se observo que es posible utilizar los capacitores para corregir el voltaje de salida debido a su capacidad de elevar dicho voltaje por el fenómeno mencionado anteriormente. Laboratorio Máquinas Eléctricas

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7. RECOMENDACIONES • Se recomienda el uso de los correctos implementos de protección como guantes, mandil entre otros al momento de realizar la practica de forma presencial y no en el simulador. • Tras lo analizado en la practica se recomienda un buen balance entre la impedancia presente en el transformador y el uso al que se va a destinar al mismo, debido a que este parámetro nos define que tan apto es para resistir sin recibir daños las corrientes con las que va a operar. • Se recomienda que previo a la desconexión y conexión de cualquier cableado de la instalación a analizar se desconecte la fuente de alimentación para de esta manera evitar cualquier tipo de accidente. • Se recomienda tener en consideración que los valores en Homs reflejados en cada una de las bases tanto resistivas, inductivas como capacitivas, son su resistencia ya transformada en unidades Homs es decir para el calculo de su equivalente no se considera el tipo de carga que es, (ya conocemos que la equivalente entre capacitores y resistencias difiere), para estos tres casos se realizara de la misma manera, obteniendo la suma de sus inversos e invirtiendo este valor final.

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8. BIBLIOGRAFÍA

Kosow, I. L. (1993). Máquinas eléctricas y transformadores. . Pearson Educación. Lenin.F, M. (2020). Practica de laboratorio "POLARIDAD DEL TRANSFORMADOR". Riobamba. Marcelo.J. (2015). Los transformadores. (DOCPLAYER) ...