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“Año del Bicentenario del Perú: 200 años de Independencia”UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍAFACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICALABORATORIO N° 2EL TRANSFORMADOR MONOFÁSICOMÁQUINAS ELÉCTRICAS (ML202)GRUPO####### DOCENTE:####### FECHA REALIZADO: 20/11/2021 FECHA DE ENTREGA: 26/11/####### INTEGRANTES:Apelli...

Description

“Año del Bicentenario del Perú: 200 años de Independencia”

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO N° 2 EL TRANSFORMADOR MONOFÁSICO MÁQUINAS ELÉCTRICAS (ML202) GRUPO DOCENTE: FECHA REALIZADO: 20/11/2021

FECHA DE ENTREGA: 26/11/2021

INTEGRANTES:

Apellidos y nombres

Código

Lima – Perú 2021-II

Sección

ÍNDICE I.

Introducción

3

Objetivos

3

III.

Fundamento teórico

3

IV.

Materiales y equipos

9

II.

V. VI. VII. VIII. IX.

Procedimiento

12

Cálculos y resultados

14

Conclusiones

25

Recomendaciones

26

Referencias

27

I.

Introducción En el presente informe se analiza los resultados de los ensayos en vacío, cortocircuito y con carga para un transformador monofásico, asimismo se muestran los cálculos necesarios para la presentación del circuito equivalente.

II.

Objetivos 1. Determinar los parámetros del circuito equivalente de un transformador monofásico a frecuencia y tensión nominales. 2. Pronóstico del comportamiento del transformador bajo carga, utilizando el circuito equivalente. 3. Determinar las características de regulación.

III.

Fundamento teórico El transformador es un dispositivo que permite modificar potencia eléctrica de corriente alterna con un determinado valor de tensión y corriente en otra potencia de casi el mismo valor pero, generalmente con distintos valores de tensión y corriente. Cuando se requiere transportar energía eléctrica, desde las Centrales eléctricas a los centros de consumo, se eleva la tensión (desde unos 15 kV hasta 132, 220 o 500 kV) y se efectúa la transmisión mediante líneas aéreas o subterráneas con menor corriente, ya que la potencia en ambos lados del transformador es prácticamente igual, lo cual reduce las pérdidas de transmisión (R I2 ). En la etapa de distribución se reduce la tensión a los valores normales (380/220 V), mediante los transformadores adecuados. Los transformadores son máquinas estáticas de bajas pérdidas y tienen un uso muy extendido en los sistemas eléctricos de transmisión y distribución de energía eléctrica, poseen dos devanados de corriente alterna arrollados sobre un núcleo

magnético (Fig. 1). El devanado por donde entra energía al transformador se denomina primario y el devanado por donde sale energía hacia las cargas que son alimentadas por el transformador se denomina secundario. El devanado primario tiene N1 espiras y el secundario tiene N2 espiras.

Fig. 1: Principio de funcionamiento de un transformador monofásico Transformador monofásico El bobinado primario con “N1” espiras es aquel por el cual ingresa la energía y el secundario con “N2” espiras es aquel por el cual se suministra dicha energía.

Fig. 2: Esquema de un transformador monofásico tipo columna o núcleo

Fig. 3: Esquema de un transformador monofásico tipo acorazado

Fig. 4: Esquema comparativo de transf. monofásicos con devanados concéntricos En la figura 3 podemos observar un transformador del tipo acorazado, en el cual los dos bobinados se ubican en la rama central, logrando con este sistema reducir el

flujo magnético disperso de ambos bobinados, colocando generalmente el bobinado de baja tensión en la parte interna y el de mayor tensión rodeando a este en la parte externa. Transformador monofásico ideal Para analizar un transformador, vamos a iniciar su estudio suponiendo que el mismo es ideal, por lo que debe presentar las siguientes características: ➔ Las bobinas primaria y secundaria no tienen resistencia óhmica. ➔ Todo el flujo magnético se encuentra en el núcleo de láminas de acero. ➔ El núcleo no tiene reluctancia. ➔ El núcleo no tiene pérdidas por corrientes parásitas ni por histéresis. Ensayo de vacío del transformador monofásico Este ensayo consiste en alimentar al transformador a la tensión asignada por uno de sus devanados, dejando el otro en circuito abierto, y medir la tensión que aparece en ambos devanados y la corriente y la potencia en el devanado por donde se alimenta a la máquina. De las medidas realizadas en este ensayo se pueden deducir la relación de transformación m y los parámetros 𝑅𝐹𝑒 y 𝑋 del circuito equivalente del transformador.

Fig. 5: Esquema de transformador en vacío

Fig. 6: Circuito equivalente durante el ensayo de vacío

Fig. 7: Diagrama fasorial del ensayo de vacío

En la Fig. 5 se muestra el circuito que permite realizar el ensayo de vacío de un transformador monofásico cuando se lo alimenta por el primario. Es evidente que si el ensayo se realiza alimentando al transformador por el primario (Fig. 5), la máquina se encuentra en el estado de marcha en vacío. Por lo tanto, las magnitudes medidas durante este ensayo serán las siguientes: 𝑉 1𝑁 − 𝐼0 − 𝑃0 − 𝑉20 En consecuencia, la expresión de la relación de transformación 𝑚 es: 𝒎 = 𝑽𝟏𝑵/𝑽𝟐𝟎 El circuito equivalente aproximado del transformador para el ensayo de vacío, se muestra en la Fig. 6, pues la corriente en el secundario 𝐼2 es nula. En la Fig. 7 se muestra el diagrama fasorial del transformador de vacío. El factor de potencia, 𝑐𝑜𝑠(𝜑0 ), durante el ensayo de vacío se obtiene de la siguiente manera: 𝑃0 = 𝑉1𝑁 𝐼0 𝑐𝑜𝑠(𝜑 )

→

𝑐𝑜𝑠(𝜑0 ) =

Del diagrama fasorial de la Fig. 7 se deduce que: 𝐼𝐹𝑒 = 𝐼0 𝑐𝑜𝑠(𝜑 ) 𝐼𝜇 = 𝐼0 𝑠𝑒𝑛(𝜑 )

𝑃𝑜 𝑉1𝑁 𝐼0

Finalmente, aplicando la Ley de Ohm para el circuito equivalente de la Fig. 6 se obtienen estas expresiones para calcular los parámetros de la rama en paralelo del circuito equivalente: 𝑅𝐹𝑒 = 𝑉1𝑁 /𝐼𝐹𝑒 𝑋𝜇 = 𝑉1𝑁 /𝐼𝜇

Ensayo de cortocircuito del transformador monofásico Este ensayo consiste en cortocircuitar uno de los devanados del transformador y alimentarlo por el otro con una tensión reducida de forma que por él circule su corriente asignada. En este ensayo se miden la tensión, la corriente y la potencia en el devanado por donde se alimenta la máquina. De las medidas realizadas en este ensayo se pueden obtener los parámetros, Rcc y Xcc, de la rama en serie del circuito equivalente aproximado del transformador (Fig.7).

Fig. 7: Esquema de ensayo de cortocircuito En la Fig. 7 se muestra el circuito que permite realizar el ensayo de cortocircuito de un transformador monofásico cuando se lo alimenta por el primario. En este ensayo el transformador se debe alimentar mediante una fuente de tensión alterna variable. Habrá que ir variando la tensión suministrada por esta fuente hasta conseguir que la corriente alcance su valor asignado. Es conveniente dejar al transformador funcionando de esta manera un cierto tiempo antes de realizar las

medidas. De esta forma la máquina alcanza su temperatura de funcionamiento y las medidas no se realizan con la máquina en frío. Hay que tener en cuenta que la resistencia Rcc varía con la temperatura y hay que medirla a la temperatura a la que va a funcionar normalmente el transformador. En el ensayo de cortocircuito la tensión del primario es pequeña (𝑉 1𝐶𝐶 raramente supera el 15% de la tensión asignada 𝑉1𝑁) por lo que la corriente de vacío es mucho más pequeña que cuando el transformador está conectado a su tensión asignada, la cual ya era de por sí bastante pequeña. Esto quiere decir que durante este ensayo se puede despreciar totalmente la corriente de vacío con lo que el circuito equivalente aproximado se reduce al representado en la Fig. 8.

Fig. 8: Circuito equivalente de ensayo de cortocircuito El hecho de que ahora la corriente de vacío se pueda despreciar significa que las corrientes secundaria y primaria guardan exactamente una proporción igual a la relación de transformación 𝑚. Como por el primario circula la corriente asignada, 𝐼1𝑁 , esto conlleva el que también por el secundario circula su corriente asignada, 𝐼2𝑁 .

IV.

Materiales y equipos Físico

Proteus

Interruptor

termo

magnético

bipolar

2x20A, 10 kA Autotransformador variable 6A

Transformador monofásico 220/127 V, 1 kVA

Multímetros

Resistencia de 60 kΩ

Reóstato de 4.5 Ω

Condensador 20uF

Osciloscopio

Cables Conexión.

de

V.

Procedimiento ● Verificar las características físicas del transformador trifásico, sus datos de placa e identificar sus partes principales. ● Medir con el multímetro y anotar las resistencias de los bobinados de los lados de alta y baja del transformador, asimismo anotar la temperatura ambiente. ● Medir y anotar las resistencias de aislamiento: AT-BT, AT-Masa, BT-Masa.

5.1. OBTENCIÓN DE LA RESISTENCIA EN D.C.

5.2. ENSAYO DE LA RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN.

5.3. ENSAYO EN VACÍO.

5.4. ENSAYO EN CORTOCIRCUITO.

5.5 ENSAYO CON CARGA.

VI.

Cálculos y resultados

6.1. Tabla de datos para la obtención de las resistencias en DC.

6.2. Tabla de datos obtenidos del ensayo en la relación de transformación.

6.3. Tabla de datos obtenidos del ensayo en vacío.

6.4. Tabla de datos obtenidos del ensayo en cortocircuito.

6.5. Tabla de datos obtenidos del ensayo con carga.

VII.

Cuestionario.

7.1. ¿A qué se debe la diferencia entre los resultados obtenidos al medir las resistencias de los arrollamientos con el multímetro y con el método empleado? ¿Cuál es más confiable y por qué? La diferencia radica en que el método empleado, a diferencia del multímetro, es que no se encontrarán resistencia alguna en este instrumento. Debido a la cantidad de datos que nos ofrecen podemos decir que la opción más confiable es medir por el método dc.

7.2. De la prueba de relación de transformación, graficar la relación de transformación vs Voltaje de entrada y explicar los resultados.

7.3. Tabular las resistencias medidas a los arrollamientos de las bobinas (lados de alta y de baja) y determinar las resistencias promedios (lados de alta y de baja), asimismo, determinar dichas resistencias referidos a la temperatura de 75° ¿Para los cálculos, cuál de las resistencias se utiliza?

7.4. Del ensayo de vacío trazar las curvas de factor de potencia Cos θo (%), potencia consumida Po (W) y corriente en vacío Io (A) como funciones de la tensión de alimentación, asimismo graficar la curva relación de transformación

7.5. Del ensayo de cortocircuito graficar a partir de las lecturas la potencia consumida Pcc (W), la tensión de cortocircuito Vcc (V) y el factor de potencia de cortocircuito Cos θcc (%) como funciones de la corriente de cortocircuito Icc (A)

7.6. Utilizando los datos de las dos primeras pruebas hallar el circuito equivalente exacto del transformador para condiciones nominales.

7.7. Con el circuito equivalente aproximado trazar el diagrama circular del transformador, es decir, Va vs Ia

7.8. Con los datos del ensayo con carga a factor de potencia 1, graficar la curva Va vs Ia, y compararlo con el gráfico encontrado en 4.5 Explicar las diferencias.

7.9. Para las diversas cargas determinar la caída de tensión interna μ en % según la expresión:

7.10. Calcular la regulación de tensión para carga nominal con Cos φ = 0.8 capacitivo. Asimismo calcular la eficiencia del transformador para estas condiciones:

7.11. Comparar las pérdidas en el cobre (I1N)2 RT (W) con las pérdidas de carga PL (75ºC) dada por la expresión: Dónde: I1N: Corriente nominal en el primario Rt: resistencia equivalente en el arrollamiento primario a tºC = R1t +a2 R2t

7.12. Comparar los valores obtenidos con los valores indicados en el protocolo de Pruebas del transformador, indicar % de error y explicar las posibles causas de la diferencia.

-

Ya que los datos de los valores obtenidos provienen de una simulación de programa de computadora los resultados que tenemos son ideales, y debido a ello no presenta un margen de error notable.

7.13. Para el ensayo con carga y tomando como referencia los voltajes suministrados por la red, las corrientes medidas por el amperímetro y el circuito equivalente aproximado del transformador, plantear y resolver el circuito respectivo. Determinar las potencias consumidas por cada carga y su respectivo factor de potencia. Comparar, los resultados obtenidos al resolver el circuito, con los medidos por los respectivos instrumentos (vatímetro y cosímetro), indicar % de error y las posibles causas de los mismos.

-

Ya que los datos de los valores obtenidos provienen de una simulación de programa de computadora los resultados que tenemos son ideales, y debido a ello no presenta un margen de error notable.

VIII.

Conclusiones

● En el ensayo de carga, se puede apreciar que la caída de voltaje Va es proporcional a la corriente cuando hacemos conexión de las lámparas incandescentes (cosƟ=1) pero esta cambia cuando le añadimos un motor en paralelo esto debido a que vamos a tener cosƟ variable, por tratarse ya de un sistema no lineal.

● Se comprobó que la caída de tensión es proporcional a la corriente que pasa por el sistema, resultando igual en el diagrama fasorial, para una carga con factor de potencia igual a la unidad. ● Se puede observar que la admitancia equivalente (Yeq) no influye en la caída de tensión para el cálculo de la regulación del transformador, solo en la repartición de la corriente a través de la carga. ● A medida que el voltaje de trabajo, en el primario, se aproxima al voltaje nominal (120v), la caída de tensión se reduce, esto debido a que el transformador fue diseñado para trabajar a condiciones óptimas a este nivel de voltaje. ● Los errores de la potencia se deben a que la resistencia se calienta muy rápido y esto provoca que la potencia aumente. ● La eficiencia del transformador es muy alta por eso es que no se especifica el req% en la placa. ● Para la prueba de vacío, a medida que se disminuye el voltaje de entrada, la corriente de vacío y la potencia de vacío disminuían en cambio el factor de potencia aumentaba.

IX.

Recomendaciones

● Se recomienda que al momento de hacer la medición de la resistencia DC del arrollamiento se haga por el método de la caída de potencia, ya que al medir de frente con el multímetro la resistencia la diferencia es enorme. ● Tener cuidado con los valores de corriente para el ensayo de cortocircuito. Si es posible, medir los valores de la intensidad antes de conectarlos al vatímetro, para así ponerlo en 5 o 25 A y de esa forma, tomar una medición más precisa.

● Para la experiencia del ensayo con carga, tener mucho cuidado al momento de medir corrientes. Una corriente muy alta podría destruir el reóstato. Por ello se recomienda emplear reóstatos de valor elevado, pese a que son mucho más grandes, nos dará una experiencia satisfactoria. ● Para obtener las resistencias en DC, se recomienda hacerlo al principio ya que se necesita que las bobinas del transformador se encuentren a temperatura ambiente. ● Al momento de hacer la prueba de vacío es recomendable hacer en el lado de baja tensión. ● En el ensayo de carga se recomienda utilizar dos resistencias en paralelo como máximo ya que la corriente que soporta la resistencia variable puesta en 24 ohmios es menos de 4 amperios así mismo trabajaremos la carga por el lado de alta para tener menor amperaje. Por dicho lado.

X.

Referencias Guadalupe, E. Guía de Laboratorio de Máquinas Eléctricas (ML – 202). Perú: Universidad Nacional de Ingeniería - FIM. Rodriguez, Miguel(2012). Transformadores. Universidad de Cantabria. Extraido de https://personales.unican.es/rodrigma/PDFs/Trafos.pdf 14 de mayo de 2021 E. E. Staff del M.I.T. (1965). Circuitos Magnéticos y Transformadores. España: Editorial Reverté.

Transformadores. Universidad Tecnológica Nacional (Argentina). Extraido

de

https://frrq.cvg.utn.edu.ar/pluginfile.php/6735/mod_resource/content/1/7_transformad or.pdf el 14 de mayo de 2021...