Práctica 3 Transformador Monofásico: Regulación con cargas R, L y C. PDF

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Transformador Monofásico: Regulación con cargas R, L y C....

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DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Informe Laboratorio PRÁCTICA Nº3 “Transformador Monofásico: Regulación con cargas R, L y C.”

Quezada Espantos Freddy David Universidad de las Fuerzas Armadas “ESPE”, Av. General Rumiñahui s/n Sangolquí-Ecuador, P.O.BOX: 171-5-231B

[email protected],

Asignatura:

Laboratorio de Máquinas eléctricas

NRC:

5091

Docente:

Ing. Carlos Rodríguez

Fecha realización:

21 de denero 2021

ÍNDICE

1. TEMA

3

2. OBJETIVOS

3

3. MARCO TEÓRICO

3

4. EQUIPOS Y MATERIALES

5

5. PROCEDIMIENTO

5

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS

6

7. CONSULTA

7

8. CUESTIONARIO

11

9. CONLUSIONES Y RECOMENDACIONES

15

10. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS

16

12. ANEXOS

17

1. TEMA

“Transformador Monofásico: Regulación con cargas R, L y C.” 2. OBJETIVOS • • • •

Analizar al transformador monofásico en carga. Identificar y familiarizarse con la caja de resistencia variable y los bancos de carga inductiva y capacitiva. Observar la regulación del transformador a diversos niveles de carga R, L y C.

3. MARCO TEÓRICO

Transformador con cargas resistivas, capacitivas e inductivas De acuerdo con el tipo de carga con la cual se implemente a un transformador en el bobinado del secundario, este tendrá algún funcionamiento respectivo, con lo cual la carga puede ser del tipo resistiva, capacitiva e inductiva. (Antiguo, 2018) Transformador con carga resistiva La carga resistiva se presenta en elementos llamados resistores o resistencias, que regulan la intensidad de corriente que circula por el circuito con una determinada diferencia de potencial. Esta carga disipa la potencia eléctrica recibida y la convierte en calor por el efecto Joule.

Figura 1 . Características de carga resistiva con corriente AC (Velasco, s.f.)

Este tipo de carga se comporta de igual manera en corriente AC y en corriente DC. Cabe recalcar que cuando la carga es puramente resistiva, el valor de esta no varía con el tiempo ni con la frecuencia de la señal AC, siempre permanece constante. Transformador con carga capacitiva Los capacitores o condensadores son elementos pasivos que almacenan energía en forma de un campo eléctrico. En corriente AC, utiliza la potencia entregada por la fuente, pero no la consume, y la maneja de forma diferente por cada ciclo de la señal alterna: en el primer semiciclo, en el

positivo, el capacitor se carga y almacena energía, y en el semiciclo negativo, devuelve la potencia a la fuente. Es decir, que con corriente alterna, la carga capacitiva se carga y se descarga con el tiempo. (Velasco, s.f.)

Figura 2 . Características de carga capacitiva con corriente AC (Velasco, s.f.)

De forma análoga, como la resistencia, la carga capacitiva tiene una reactancia, y esta si depende de la frecuencia de la señal, así como de la capacitancia del propio condensador. Un efecto que el capacitor tiene sobre la señal AC es que este evita que haya cambios bruscos en el valor de los voltajes en función del tiempo. Con respecto a sus efectos sobre la corriente, el capacitor desfasa a esta del voltaje en 90° en adelanto. Transformador con carga inductiva Al igual que los capacitores, la carga inductiva, en forma de bobinas o inductores, almacenan energía, pero en este caso, lo hace en forma de un campo magnético. De forma parecida a la carga capacitiva, el inductor no consume potencia. En corriente AC, este crea un campo magnético variable que inducen un voltaje en la bobina que se opone a la fuente, cumpliendo con las leyes de Faraday y Lenz, mismo principio que se lleva a cabo en los devanados del propio transformador.

Figura 3. Características de carga inductiva con corriente AC (Velasco, s.f.)

Asimismo, en lugar de una resistencia (en inductores ideales), se tiene solamente una reactancia inductiva que también varía con los cambios de frecuencia y con la propia inductancia de la bobina, que, a su vez, depende del número de espiras y del flujo magnético. Al contrario que los condensadores, los inductores desfasan a la corriente con respecto a voltaje en 90° en atraso. Los inductores evitan las variaciones bruscas en la corriente a través del tiempo. (Velasco, s.f.)

4. EQUIPOS Y MATERIALES Equipo utilizado: o Fuente de voltaje TF-123 o Fuente de voltaje PS-12 o Voltímetro analógico 120/220 AC o Amperímetro AC de 6 A o Transformador monofásico TT91 o Transformador monofásico TR-13 o Bancos de Resistencias TB-40 y 3 PHASE RHEOSTAT o Bancos de Inductancias TB-41 Y LI 22 o Bancos de Capacitancia TB-42 y LC32 o Vatímetro 150W o Interruptor TO30 5. PROCEDIMIENTO • • • • • • •

• •

Verificar que el interruptor del circuito de carga esté en estado abierto. Realizar las conexiones del diagrama de la Figura 4.1 manteniendo el circuito sin energía. Colocar el selector del resistor variable en su posición de máxima resistencia en terminales, equivalente a mínima corriente. Alimentar al Circuito Primario con un voltaje nominal del transformador de 60V (V1), el mismo que se debe mantener constante a lo largo de todo el experimento. Cerrar el interruptor T 030. Cerrar el interruptor de la carga. Incrementar la carga del transformador variando la perilla del resistor variable de manera que se produzcan incrementos de corriente de 0,5 Amperios (I1), hasta un máximo de 2,5 Amperios. Tomar lecturas de V1, I1, V2 e I2. Apagar la fuente.

Figura 4.1

• • • • • • • • •

Abrir el interruptor de la carga y reemplazar el resistor variable por un banco de capacitancias. Con el selector en la posición cero (0), activar la fuente y cerrar el interruptor de la carga. Incrementar la carga del transformador con el selector de la capacitancia, variando desde la posición 0 hasta la 6. Tomar lecturas de V1, I1, V2, y I2. (verificar en cada medición que el voltaje de entrada sea constante). Abrir el interruptor de la carga y reemplazar el banco de capacitancias por un banco de inductancias. Con el selector en la posición cero (0), activar la fuente y cerrar el interruptor de la carga. Incrementar la carga del transformador con el selector de la inductancia desde la posición 0. Tomar lecturas de V1, I1, V2, y I2. (verificar en cada medición que el voltaje de entrada sea constante). Apagar la fuente.

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS

PRIMARIO I1 P1 A W 1,16 63,60 1,50 87,10 1,88 111,30 2,25 133,80

RESISTOR VARIABLE SECUNDARIO I2 V2 A V 1,02 51,50 1,50 50,90 2,07 50,40 2,25 49,10

P2 W 52,30 76,50 103,60 124,20

Tabla1 Mediciones con Carga Resistiva BANCO DE CAPACITORES I1 A 0,47 0,33 0,30 0,40 0,47 0,64 0,84 1,04

PRIMARIO P1 VA 19,8 15,60 22,00 26,60 37,70 52,00 64,60

P1 W 12,60 12,40

C µF 0 15 30 45 60 75 90 105

I2 A 0,01 0,28 0,57 0,83 0,96 1,24 1,56 1,84

SECUNDARIO V2 V 49,70 49,40 49,10 49,10 49,30 49,90 50,70 51,10

Tabla2 Mediciones con Carga Capacitiva

P2 VA -15,00 -28,90 -42,20 -49,60 -63,60 -81,20 -96,70

P2 W 0,30 0,20

PRIMARIO I1 P1 A VA 0,44 34,8 0,66 49,20 0,93 68,30 1,19 87,10 1,48 106,40 1,76 125,00 2,03 145,00

BANCO DE INDUCTORES SECUNDARIO L I2 V2 mH A V Vacío 0,01 50,80 300 0,28 50,90 150 0,65 51,30 100 1,02 51,40 75 1,40 51,60 60 1,78 51,50 50 2,16 51,50

P2 VA 0,01 13,80 33,70 52,90 72,80 92,80 112,40

Tabla3 Mediciones con Carga Inductiva Con referencia a los resultados obtenidos de esta práctica, se puede observar el comportamiento del transformador, en términos de voltajes de los dos devanados, con los diferentes tipos de carga que fueron aplicados. En los casos de las cargas resistiva e inductiva, el voltaje del devanado secundario siempre es menor que la tensión del devanado primario. Por otro lado, en la carga capacitiva, el resultado es inverso, siendo el voltaje secundario mayor que el primario. Las corrientes en las cargas capacitiva e inductiva resultaron ser muy elevadas. Sin embargo, estas se comportaron diferentes con los valores específicos de estas cargas: esta incrementaba con la elevación de la capacitancia, y de forma análoga, la corriente aumentaba con la disminución de la inductancia.

7. CONSULTA •

Consultar los efectos de las cargas Resistiva, Inductiva y Capacitiva en circuitos eléctricos de AC.

Cargas resistivas Un resistor es un mecanismo que resiste el flujo de la electricidad. Al hacerlo, parte de la energía eléctrica es disipada como calor. La corriente eléctrica y el voltaje en una carga resistiva se dicen estar "en fase" uno con otro, es decir, ambas tienen el mismo ciclo y pasan por los mismos puntos en el mismo momento. Como el voltaje se eleva o cae, la corriente también se eleva y cae con éste.[1] En un circuito resistivo puro recorrido por una corriente alterna, la intensidad y la tensión están en fase (φ = 0), esto es, cambian de polaridad en el mismo instante en cada ciclo, siendo por lo tanto el factor de potencia es 1. [2]

Cargas capacitoras Un capacitor almacena energía eléctrica. Las dos superficies conductivas están separadas por un aislante no conductivo. Cuando una corriente eléctrica es aplicada a un capacitor, los electrones de la corriente se acumulan en la placa adjuntada a la terminal a la cual es aplicada la corriente eléctrica. Cuando la corriente es retirada, los electrones fluirán de regreso a través del circuito para alcanzar la otra terminal del capacitor. Los capacitores son utilizados en motores eléctricos, radio circuitos, fuentes de poder y muchos otros circuitos. La capacidad de un capacitor para almacenar energía eléctrica es llamada capacitancia (C). La unidad principal de medida es el faradio, pero la mayoría de los capacitores están medidos en microfaradios. La corriente lleva el voltaje de un capacitor. El voltaje a través de las terminales comienza a cero voltios mientras la corriente está a su máximo. A medida que la carga se desarrolla en la placa del capacitor, el voltaje se eleva y la corriente cae. A medida que un capacitor se descarga, la corriente se eleva y el voltaje cae. En este caso, la corriente está adelantada respecto de la tensión 90º. [1] Un factor de potencia adelantado significa que la corriente se adelanta con respecto a la tensión, lo que implica carga capacitiva. Potencia reactiva negativa.[3]

Cargas inductivas Un inductor puede ser cualquier material conductor. Cuando un cambio de corriente pasa a través de un inductor, éste induce un campo magnético alrededor de este mismo. Girando el inductor en una bobina incrementa el campo magnético. Un principio similar ocurre cuando un conductor es colocado en un campo magnético cambiante. El campo magnético induce una corriente eléctrica en el conductor. Ejemplos de cargas inductivas incluyen transformadores, motores eléctricos y bobinas. Dos series de campos magnéticos en un motor eléctrico opuestos uno con otro, forzan al árbol del motor para que gire. Un transformador tiene dos inductores, uno primario y uno secundario. El campo magnético en el devanado primario induce una corriente eléctrica en el devanado secundario. Una bobina almacena energía en un campo magnético que induce cuando un cambio de corriente pasa a través de éste y libera la energía cuando la corriente es retirada. La inductancia (L) es medida en henrios. El cambio de voltaje y corriente en un inductor están fuera de fase. A medida que la corriente se eleva al máximo, el voltaje cae, En este caso, la corriente está retrasada respecto de la tensión 90º[1] Un factor de potencia atrasado significa que la corriente se retrasa con respecto a la tensión, lo que implica carga inductiva. Potencia reactiva positiva.[3]

•

Consultar las características de regulación para un transformador.

La regulación de voltaje (RV%) en los transformadores reales existe debido a las inductancias presentes representando las propiedades del núcleo, estas generan diferencias entre los voltajes de entrada y de salida, aparte de las relaciones existentes entre los devanados, además de acuerdo a la carga usada el voltaje de salida varía, aun cuando el de entrada se mantiene igual. Para ser capaces de medir estas diferencias entre voltajes, se generó la regulación de voltaje, comparándolos de la siguiente manera:

Normalmente se busca reducir al máximo el resultado de esta operación, debido a que así se puede usar de manera óptima al transformador, el cual como ya se sabe, se busca que cumpla las condiciones de un transformador ideal, en donde 𝑅𝑉% = 0% “La variación de la tensión en el secundario depende esencialmente de dos variables, de la corriente absorbida por la carga y de su factor de potencia. Para obtener la regulación de tensión en un transformador se requiere entender las caídas de tensión que se producen en su interior” (Hernandez, 2013) Con lo cual podemos referenciarnos al diagrama fasorial, este diagrama representa las relaciones entre fasores de tensión e impedancias del circuito usado, la relación más directa se muestra en el circuito de transformador equivalente aproximado:

Ilustración 6- Circuito equivalente aproximado. (Jimenez, 2010)

Siempre se toma de referencia al Vs (voltaje secundario) de nuestro transformador. Por ende, este posee ángulo igual a cero. De allí se obtienen las demás relaciones, observemos que ocurre si la corriente de salida posee atraso.

Ilustración 7. - Diagrama fasorial, corriente en atraso. (Jimenez, 2010)

Aquí se puede observar como el voltaje primario (Vp) posee una magnitud muchísimo mayor que el secundario (Vs). En el cual, la regulación de voltaje sería mayor. El siguiente diagrama expone la situación entre voltajes al poseer una corriente de salida o secundaria en adelanto:

Ilustración 7. - Diagrama fasorial voltaje con salida de corriente (Jimenez, 2010)

De manera muy clara encontramos que el voltaje primario (Vp) representó una magnitud mucho menor, los valores varían de acuerdo al ángulo de la corriente y por ende, la impedancia involucradas en el circuito. Esto representaría un valor menor en RV% (regulación de voltaje). Con ello nos damos cuenta que este valor es manipulable, depende directamente del factor de potencia y su posición, ya sea de adelanto o atraso en el circuito.

8. CUESTIONARIO

PRIMARIO I1 P1 A W 1,16 63,60 1,50 87,10 1,88 111,30 2,25 133,80

PRIMARIO I1 P1 A VA 0,47 0,33 19,8 0,30 15,60 0,40 22,00 0,47 26,60 0,64 37,70 0,84 52,00 1,04 64,60

I2 A 1,02 1,50 2,07 2,25

RESISTOR VARIABLE SECUNDARIO V2 P2 η V W % 51,50 52,30 82,2327 50,90 76,50 87,8301 50,40 103,60 93,0818 49,10 124,20 92,8251

BANCO DE CAPACITORES SECUNDARIO C I2 V2 µF A V 0 0,01 49,70 15 0,28 49,40 30 0,57 49,10 45 0,83 49,10 60 0,96 49,30 75 1,24 49,90 90 1,56 50,70 105 1,84 51,10

RV % -12,6214 -11,5914 -10,7143 -8,3503

P2 VA -15,00 -28,90 -42,20 -49,60 -63,60 -81,20 -96,70

S [VA] 52,30 76,50 103,60 124,20

RV % 0,00 0,61 1,22 1,22 0,81 -0,40 -1,97 -2,74

fp 1 1 1 1

fp 0 0 0 0 0 0 0 0

PRIMARIO I1 P1 A VA 0,44 34,8 0,66 49,20 0,93 68,30 1,19 87,10 1,48 106,40 1,76 125,00 2,03 145,00

•

BANCO DE INDUCTORES SECUNDARIO L I2 V2 mH A V Vacío 0,01 50,80 300 0,28 50,90 150 0,65 51,30 100 1,02 51,40 75 1,40 51,60 60 1,78 51,50 50 2,16 51,50

S2 VA 0,01 13,80 33,70 52,90 72,80 92,80 112,40

RV % 0 -0,196 -0,975 -1,167 -1,550 -1,359 -1,359

fp 0 0 0 0 0 0 0

Realizar un gráfico con las características de regulación del transformador monofásico para las cargas Resistiva, Inductiva y Capacitiva.

COMPORTAMIENTO rv 2,0

-150,00

-100,00

-50,00

0,0 0,00

50,00

100,00

150,00

-2,0

RV%

-4,0 Resistiva -6,0

Capacitores Inductiva

-8,0 -10,0 -12,0 -14,0

Realizamos una gráfica en la que incluimos las tres cargas, y como podemos observar, la que varía bastante es la resistiva, ya que, al no existir potencia reactiva, en la gráfica aparece desplazado •

Analizar la regulación general y con cada una de las cargas R, L y C.

COMPORTAMIENTO rv 0,0 -2,00,00

50,00

100,00

150,00

RV%

-4,0 -6,0

Resistiva

-8,0 -10,0 -12,0 -14,0

COMPORTAMIENTO rv 1,5 1,0 0,5 -100,00

RV%

-150,00

-50,00

0,0 -0,50,00

-1,0

Capacitores

-1,5 -2,0 -2,5 -3,0

COMPORTAMIENTO rv 0,0 0

50

100

150

RV%

-0,5 -1,0

Inductiva

-1,5 -2,0

Carga Resistiva Con este tipo de carga la variación de la regulación de voltaje tuvo un comportamiento en su mayoría lineal, esto, en términos de sus valores, mientras mas se reducía la carga (R), más aumentaba la regulación de voltaje. Cuando se reduce la carga resistiva, la intensidad aumenta y, como no existe un desfase de la corriente respecto a la tensión, entonces el voltaje secundario tiende a reducir proporcionalmente.

Carga Capacitiva Cuando se suministró un capacitor al circuito, el comportamiento se mantuvo estable por un tiempo y luego se redujo de forma exponencial hasta volver a colocarse en un valor estable. El comportamiento dentro del circuito capacitivo es de reducción de regulación de voltaje conforme se reduce la carga, denotando cómo reacciona el voltaje secundario al adelantar la corriente respecto a la tensión.

Carga inductiva Esta carga tiene un comportamiento peculiar, creando una reducción de regulación de voltaje al reducir la carga, para después aumentar drásticamente y con ello, volver a reducirse. Se considera un ligero error al aumento generado por el cambio de valores en inductancia, el equipo generó error. Es así como se grafica la regulación de voltaje cuando se posee una corriente con un desfase en atraso en relación con la tensión suministrada.

•

Determinar y graficar la Potencia Reactiva y el factor de potencia con los datos obtenidos en cada medición

PRIMARIO I1 P1 A W 1,16 63,60 1,50 87,10 1,88 111,30 2,25 133,80

PRIMARIO I1 P1 A VA 0,47 0,33 19,8 0,30 15,60 0,40 22,00 0,47 26,60 0,64 37,70 0,84 52,00 1,04 64,60

I2 A 1,02 1,50 2,07 2,25

RESISTOR VARIABLE SECUNDARIO V2 P2 η V W % 51,50 52,30 82,2327 50,90 76,50 87,8301 50,40 103,60 93,0818 49,10 124,20 92,8251

BANCO DE CAPACITORES SECUNDARIO C I2 V2 µF A V 0 0,01 49,70 15 0,28 49,40 30 0,57 49,10 45 0,83 49,10 60 0,96 49,30 75 1,24 49,90 90 1,56 50,70 105 1,84 51,10

RV % -12,6214 -11,5914 -10,7143 -8,3503

P2 VA -15,00 -28,90 -42,20 -49,60 -63,60 -81,20 -96,70

S [VA] 52,30 76,50 103,60 124,20

RV % 0,00 0,61 1,22 1,22 0,81 -0,40 -1,97 -2,74

fp 1 1 1 1

fp 0 0 0 0 0 0 0 0

PRIMARIO I1 P1 A VA 0,44 34,8 0,66 49,20 0,93 68,30 1,19 87,10 1,48 106,40 1,76 125,00 2,03 145,00

BANCO DE INDUCTORES SECUNDARIO L I2 V2 mH A V Vacío 0,01 50,80 300 0,28 50,90 150 0,65 51,30 100 1,02 51,40 75 1,40 51,60 60 1,78 51,50 50 2,16 51,50

S2 VA 0,01 13,80 33,70 52,90 72,80 92,80 112,40

RV % 0 -0,196 -0,975 -1,167 -1,550 -1,359 -1,359

fp 0 0 0 0 0 0 0

9. CONLUSIONES Y RECOMENDACIONES Conclusiones: -

Para crear una medida e interpretación correcta de los valores obteni...