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GUÍAS DE LABORATORIO

CONVERSIÓN ELECTROMAGNÉTICA

AUTOR:

ING. HELMUTH EDGARDO ORTIZ SUÁREZ

UNIVERSIDAD DISTRITAL “FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS” FACULTAD TECNOLÓGICA

TECNOLOGÍA EN ELECTRICIDAD 2015


Tecnología en Electricidad

Guías de Conversión Electromagnética

LABORATORIO 1 CURVAS DE MAGNETIZACIÓN INICIAL E HISTÉRESIS MAGNÉTICA

1.1 OBJETIVO GENERAL

Al finalizar el desarrollo de este laboratorio se tendrá como resultado la curva de magnetización inicial y la curva de histéresis magnética del material ferromagnético que conforma el núcleo de alguno de los transformadores del laboratorio.

1.2 ELEMENTOS NECESARIOS

Banco de ensayos.

Transformador monofásico.

Circuito Integrador.

Resistencia Shunt.

Amperímetro.

Voltímetro.

Osciloscopio.

Accesorios

1.3 EXPLICACIÓN DE LA PRÁCTICA

1.3.1 Curva de Magnetización Inicial

Se debe construir la curva de magnetización inicial (densidad de flujo magnético (B) contra intensidad de campo magnético (H)) del material que compone el núcleo de uno de los transformadores del laboratorio. Esto a partir de la creación de la curva magnitud de voltaje contra magnitud de corriente, para el transformador en vacío, y de las características eléctricas y geométricas del transformador.

1.3.2 Curva de Histéresis Magnética

Se obtendrá la curva de histéresis magnética (densidad de flujo magnético (B) contra intensidad de campo magnético (H)) del material que compone el núcleo de uno de los transformadores del laboratorio. Esto a partir de la creación de la curva de la integral de voltaje contra corriente para el transformador en vacío y de las características eléctricas y geométricas del transformador.

Esta curva mencionada anteriormente, se visualizara y registrara en un osciloscopio mediante la utilización de un integrador (con el cual se obtendrá la integran del voltaje) y de una resistencia Shunt o la pinza amperimétrica con salida al osciloscopio (con la cual se medirá la corriente)

A continuación se propone una metodología sencilla para realizar el diseño del integrador y de la resistencia Shunt.




1.4 DISEÑO DE ELEMENTOS

1.4.1 Circuito Integrador

Para esta práctica se utilizará un circuito integrador discreto, conformado por un circuito RC serie, como se muestra en la siguiente figura:

Para obtener un integrador a partir de este circuito se debe cumplir la siguiente condición:

R >> Xc, así para ondas sinusoidales,

dttviktvo )()(

Siendo: RC

k1

1.4.2 Resistencia Shunt

Uno de los métodos para poder registrar, en un osciloscopio, una señal proporcional a la corriente de un circuito, teniendo en cuenta que en osciloscopio solo se pueden registrar señales de voltaje, es utilizar una resistencia Shunt. Como se muestra en la siguiente figura:

Para que la resistencia Shunt no modifique las condiciones del circuito en el cual se registrará la corriente, se debe cumplir que:

R shunt << Z carga

con lo cual, i(t) = vo(t) / R shunt

1.5 DIAGRAMAS DE LOS ENSAYOS


En esta prueba se debe medir la amplitud de la corriente a la entrada y la amplitud del voltaje a la salida del transformador.

vi(t) vo(t)

R

C

A

V

R shunt

vi(t)

vo(t)

Carga

i(t)





En esta prueba el osciloscopio debe estar configurado de tal forma que se pueda registrar la entrada del canal 1 contra la del canal 2. Se conecta el osciloscopio para que en el eje X se registre la corriente de entrada y en el eje Y la integral del voltaje a la salida de transformador.

1.6 PROCEDIMIENTO GENERAL DE LA PRÁCTICA

Se debe utilizar un transformador monofásico y a su núcleo tomarle previamente las medidas mostradas en la figura siguiente: Con lo cual se obtiene:

ecA 1 12 AA 123 AeaA

dbal 221 12 ll dcl 3 Por lo cual:

3

311

A

lleq

3,31 AAeqyllleq


a. Realizar el montaje mostrado en la figura del ítem 1.5.1.

R shunt

R C

Osciloscopio Eje X

Osciloscopio Eje Y

c b a b c

l

c d c

h

e

a = 2c




b. Tomar diferentes medidas de amplitud de voltaje y amplitud de corriente ubicadas entre el 0% y el 110% del voltaje nominal.

c. Construir la gráfica de la función amplitud de voltaje (eje Y) contra amplitud de corriente (eje X).

d. Calcular la curva, de magnetización inicial, densidad de flujo magnético (B) contra intensidad de campo magnético (H), esto sabiendo que:

Vs

VpRT

ileq

nH p

p , y vsAeqn

RTBp

p

Siendo: np = número de espiras del devanado primario del transformador, y = frecuencia angular de la señal de tensión (2f)


a. Realizar el montaje mostrado en la figura del ítem 1.5.2. b. Registrar, con la ayuda del osciloscopio, la curva voltaje en el condensador (eje Y) contra

voltaje en la resistencia shunt (eje X) Se debe tener especial cuidado en solo utilizar un punto de referencia para la medición

con el osciloscopio. c. Calcular la curva, de histéresis, densidad de flujo magnético (B) contra intensidad de campo

magnético (H), esto sabiendo que:

Vs

VpRT

)(tvleqRshunt

nH Rshunt

pp , y, )(tv

Aeqn

CRRTB c

pp

1.7 EJERCICIOS

a. Comprobar el resultado obtenido para eq en el ítem 1.6.

b. Comprobar las ecuaciones de pp ByH dadas en los ítem 1.6.1 y 1.6.2.




LABORATORIO 2 MEDICIÓN DE RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN Y POLARIDAD EN

TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS


Determinar la relación de transformación y la polaridad de los devanados de un transformador monofásico, por medio de métodos normalizados.

Norma de referencia: Norma Técnica Colombiana (NTC) 471. Transformadores. Relación de transformación. Verificación de la polaridad y relación de fase.


Banco de ensayos.


Amperímetro.

Voltímetros (3).

Accesorios


2.3.1 Medición de la relación de transformación

Por medio de mediciones de voltaje en cada uno de los devanados, se encontrará la relación entre espiras o relación de transformación de un transformador monofásico.

2.3.2 Verificación de la polaridad de los devanados

Se utilizará el método diferencial de corriente alterna, especificado por la NTC – 471, para determinar la polaridad de los devanados de un transformador.


2.4.1 Medición de la relación de transformación

Se debe medir la tensión en cada uno de los devanados del transformador.

V1

V2




2.4.2 Verificación de polaridad de los devanados

Se debe realizar la medición de polaridad con cada uno de los devanados del transformador.


2.5.1 Medición de relación de transformación

a. Realizar el montaje mostrado en la figura del ítem 2.4.1. b. La señal de voltaje aplicada al devanado primario (V1) debe ser completamente sinusoidal, sin

componentes DC y tener la frecuencia nominal del transformador bajo prueba. c. Se alimenta el devanado primario con una señal de voltaje (V1) de valor igual a la tensión

nominal del devanado y se registra el valor del voltaje en cada uno de los devanados secundarios (V2)

d. Se repite el procedimiento del punto anterior, por lo menos cuatro veces más, alimentando el transformador con diferentes voltajes, inferiores al voltaje nominal del devanado primario.

e. Se encuentra la media aritmética de la relación entre los voltajes de los diferentes devanados (primario / secundario) y se registra este valor como relación de transformación.

2.5.2 Verificación de la polaridad de los devanados

a. Realizar el montaje mostrado en la figura del ítem 2.4.2. b. La señal de voltaje aplicada al devanado primario (V1) debe ser completamente sinusoidal, sin

componentes DC y tener la frecuencia nominal del transformador bajo prueba. c. Se alimenta el devanado primario con una señal de voltaje (V1) de valor inferior a la tensión

nominal del devanado y se registran los valores de los otros voltajes (V2 y V3) d. Si el voltaje medido entre los devanados (V3) es igual a la suma de los valores individuales de

voltajes en cada devanado (V1 + V2), los devanados están conectados en polaridad aditiva; si es igual a la diferencia de los valores individuales de voltajes en cada devanado (V1 – V2), los devanados están conectados en polaridad sustractiva.

2.6 EJERCICIOS

a. Describir tres procedimientos, diferentes al descrito en este laboratorio, para verificar la

polaridad de los devanados de un transformador.

A

V2 V1

V3




LABORATORIO 3 ENSAYOS DE CIRCUITO ABIERTO Y CORTOCIRCUITO EN

TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS


Determinar el modelo de circuitos de baja frecuencia de un transformador monofásico por medio de los ensayos de circuito abierto y corto circuito. Normas de referencia: NTC 1031. Transformadores. Ensayo para la determinación de pérdidas y corriente sin carga. NTC 1005. Transformadores. Determinación de la tensión de corto circuito.


Banco de ensayos.


Amperímetro.

Voltímetro.

Vatímetro.

Frecuencímetro.

Accesorios.


3.3.1 Ensayo de circuito abierto

Utilizando los procedimientos descritos en la norma NTC 1031 y midiendo los parámetros eléctricos (voltaje, corriente y potencia de entrada), de un transformador en vacío, se encontrará el modelo de circuitos de su rama de magnetización.

3.3.2 Ensayo de cortocircuito

Utilizando los procedimientos descritos en la norma NTC 1005 y midiendo los parámetros eléctricos (voltaje, corriente y potencia de entrada), de un transformador en cortocircuito, se encontrará el modelo de circuitos de sus devanados.



Se debe medir:

Voltaje eficaz de alimentación – V1 (Vo)

A

V1 W

Vp BT AT




Voltaje medio de alimentación de la onda sinusoidal rectificada (rectificación de onda completa) – Vp

Potencia activa de entrada al transformador– W (Po)

Corriente eficaz de entrada al transformador – A (Io)


Se debe medir:

Voltaje eficaz a la entrada del transformador – V1 (Vcc)

Potencia activa de entrada al transformador – W (Pcc)

Corriente eficaz de entrada al transformador – A (Icc)


Al finalizar el laboratorio se deben encontrar los parámetros del modelo de un transformador monofásico, descritos en la siguiente figura.


a. Realizar el montaje descrito en la figura del ítem 3.4.1. b. La determinación de las pérdidas en vacío debe hacerse con base en una onda sinusoidal. c. La característica distorsionada de la corriente de vacío de un transformador, puede hacer que

la tensión del generador presente una forma distorsionada (no sinusoidal – factor de forma diferente a 1.11) y pérdidas diferentes a las que corresponden a un a onda sinusoidal (para factores de forma mayores a 1.11 las pérdidas disminuyen y para factores menores a 1.11 aumentan), por lo cual se debe medir el valor eficaz y el valor medio para poder corregir las pérdidas sin carga.

Vp

V

Vmedio

VrmsformaF 1

d. Se debe medir la frecuencia de la fuente de alimentación y verificar que su valor este entre el 95% y el 105% del valor nominal de la frecuencia del transformador bajo prueba.

e. Se debe energizar el devanado de menor tensión (recomendable) del transformador sin carga (en vacío), aplicando la tensión nominal.

AT BT

A

V1 W

Rp Xp Rs

Rm

Xs

Xm

a : 1




f. Se toman los valores de voltaje, corriente y potencia expresados en la figura indicada. g. Se corrige el valor de las pérdidas totales sin carga, por medio de la siguiente ecuación:

21

2

PKP

PoPc

,

Siendo:

21

Vp

VK , P1 = Pérdidas por histéresis, y, P2 = Pérdidas por corrientes parásitas.

h. Con este valor corregido se calculan los parámetros del transformador, de la siguiente forma:

IoVoSo

22 PoSoQo

22 QoPcSc

ScPco 1cos

VoScIc /

JBmGmYmoVo

IcYm ̂

BmXmy

GmRm

11

3.5.2 Ensayo de corto circuito

a. Realizar el montaje descrito en la figura del ítem 3.4.2. b. La determinación de las pérdidas en cortocircuito debe hacerse con base en una onda

sinusoidal. c. Se debe medir la frecuencia de la fuente de alimentación y verificar que su valor este entre el

95% y el 105% del valor nominal de la frecuencia del transformador bajo prueba. d. Se coloca en cortocircuito el devanado de menor tensión (recomendable) del transformador

(con un conductor corto y de calibre mayor al del alambre del devanado). e. Se debe energizar el devanado de mayor tensión (recomendable) del transformador. f. Se aumenta lentamente el voltaje (desde cero) hasta obtener en el amperímetro una

medición igual a la de la corriente nominal del devanado primario. El valor de la tensión de cortocircuito está generalmente entre 1% y 15% de la tensión nominal del devanado primario.

g. Se toman los valores de voltaje, corriente y potencia expresados en la figura indicada. h. Cuando se desea determinar la potencia de cortocircuito (Pcc) a una temperatura diferente a

la del ensayo, se convierte así:

TT

TTPccPcc

1

*1*

Pcc = Pérdidas medidas a la temperatura T.




T = Temperatura de los devanados durante el momento del ensayo (ºC) Pcc* = Pérdidas calculadas a la temperatura T*. T* = Temperatura a la cual se desea calcular las pérdidas (ºC) – generalmente 85ºC. T1 = 234.5ºC para el cobre.

225ºC para el aluminio. i. Con este valor corregido se calculan los parámetros del transformador, de la siguiente forma:

IccVccScc

22 PccSccQcc

22** QccPccScc

**cos 1

SccPcccc

IccSccVcc /**

JXeqqZccIcc

VccZ Reˆ*

3.6 EJERCICIOS

a. Describir cómo funciona un voltímetro de valores promedio (medios) b. Describir cómo determinar las pérdidas individuales por histéresis (P1) y por corrientes

parásitas (P2) c. Teniendo los factores de Req y Xeq ¿cómo se determinan los parámetros Rp, Rs, Xp y Xs?.




LABORATORIO 4 REGULACIÓN DE VOLTAJE Y EFICIENCIA EN TRANSFORMADORES

MONOFÁSICOS


Para los transformadores monofásicos del laboratorio, determinar siguientes curvas las curvas características:

Eficiencia contra potencia.

Regulación de voltaje contra potencia.

Eficiencia contra factor de potencia.

Regulación de voltaje contra factor de potencia.


Banco de ensayos.


Amperímetro.

Voltímetro.

Vatímetro.

Accesorios.


4.3.1 Regulación de voltaje

Se deben construir las curvas de regulación de voltaje contra potencia y contra factor de potencia utilizando tres puntos para cada curva. Los puntos a utilizar son: ‐ Contra potencia: aproximadamente 100%, 60% y 20% de la potencia nominal para un factor de

potencia de 0.95 en atraso. ‐ Contra factor de potencia: aproximadamente 0.6 (‐), 0.95 (‐) y 0.7 (+) para la potencia nominal.

4.3.2 Eficiencia

Se deben construir las curvas de eficiencia contra potencia y contra factor de potencia utilizando tres puntos para cada curva. Los puntos a utilizar son: ‐ Contra potencia: aproximadamente 100%, 60% y 20% de la potencia nominal para un factor de

potencia de 0.95 en atraso. ‐ Contra factor de potencia: aproximadamente 0.6 (‐), 0.95 (‐) y 0.7 (+) para la potencia nominal.


Para la medición de la regulación de voltaje y la eficiencia en un transformador se utiliza el mismo montaje; en el cual se debe medir:

Voltaje de entrada al transformador y,

Voltaje de salida del transformador (el cual debe ser constante).




Potencia activa de entrada al transformador y,

Potencia activa de salida del transformador. O en su defecto,

Corriente de entrada al transformador y,

Corriente de salida del transformador.

Esto último para poder calcular potencia aparente de entrada y salida del transformador.

Previo al ensayo se deben calcular las impedancias (cargas) que se conectarán al devanado secundario del transformador, para que estas consuman cada una de las potencias a los factores de potencia indicados en los ítem 4.1.1 y 4.1.2.


Se debe tener en cuenta que los dos procedimientos que se describen a continuación, 4.5.1 y 4.5.2, se deben ejecutar de forma paralela.

4.5.1 Regulación de voltaje

a. Realizar el montaje descrito en la figura del ítem 4.4. b. La determinación de la regulación de voltaje debe hacerse con base en una onda sinusoidal. c. Para obtener la curva de regulación de voltaje contra potencia, se colocan, una a una, las

cargas calculadas para que el transformador entregue las potencias indicadas en el ítem 4.1.1 al factor de potencia determinado.

d. Para obtener la curva de regulación de voltaje contra factor potencia, se colocan, una a una, las cargas calculadas para que estas consuman la potencia determinada a los factores de potencia indicadas en el ítem 4.1.1.

e. Se ajusta la tensión de entrada al transformador de tal forma que se obtenga la tensión nominal en su devanado secundario.

f. Con cada carga, conectada al voltaje nominal, se mide: Voltaje en el devanado primario y voltaje en el devanado secundario.

g. Con las cinco parejas de datos obtenidas se calcula la regulación de voltaje para cada carga de la siguiente forma:

100(%)

aVs

aVsVpV

h. Con estas cinco regulaciones de voltaje se realizan las curvas mencionadas.

A

Vp W

A

WVs Carga




4.5.2 Eficiencia

a. Realizar el montaje descrito en la figura del ítem 4.4. b. La determinación de la regulación de voltaje debe hacerse con base en una onda sinusoidal. c. Para obtener la curva de eficiencia contra potencia, se colocan, una a una, las cargas

calculadas para que el transformador entregue las potencias indicadas en el ítem 4.1.2 al factor de potencia determinado.

d. Para obtener la curva eficiencia contra factor potencia, se colocan, una a una, las cargas calculadas para que estas consuman la potencia determinada a los factores de potencia indicadas en el ítem 4.1.2.

e. Se ajusta la tensión del transformador de tal forma que se obtenga la tensión nominal en su devanado secundario.

f. Con cada carga conectada al voltaje nominal se mide: Potencia activa de entrada y potencia activa de salida. Para disminuir la cantidad de vatímetros utilizados, se puede suponer que el factor de potencia a la entrada es igual que a la salida del transformador, por lo cual en lugar de medir potencias activas se pueden medir potencias aparentes.

i. Con las cinco parejas de datos obtenidas se calcula la eficiencia para cada carga de la siguiente forma:

Sp

Ssó

Pp

Ps (%),,100(%)

j. Con estas cinco eficiencias se realizan las curvas mencionadas.

4.6 EJERCICIOS

a. Determinar teóricamente bajo qué condiciones se obtiene la máxima eficiencia del

trasformador, y comparar este resultado con las curvas obtenidas en la práctica. b. Determinar teóricamente para que factor de potencia (cuando se alimenta una carga que

consume la potencia nominal del transformador) se obtiene regulación de voltaje de 0%, y comparar este resultado con las curvas obtenidas en la práctica.




LABORATORIO 5 CONEXIÓN DE AUTOTRANSFORMADORES


Aprender a conectar transformadores monofásicos convencionales como autotransformadores, determinando como se produce la distribución de voltajes, corrientes y potencias en los devanados del transformador y en las cargas.


Banco de ensayos.


Amperímetro.

Voltímetro.

Accesorios.


Se conectará un transformador monofásico convencional como autotransformador (elevador y reductor) y por medio de mediciones de voltaje y corriente se determinará la distribución de voltajes, corrientes y potencias en los devanados del transformador y en la carga. El autotransformador se energizará a su voltaje nominal y la carga debe consumir la potencia nominal del autotransformador.


Autotransformador Elevador.

Autotransformador Reductor.

V

A

V

A

Carga

A

V

A

V Carga




Se conectará el transformador convencional como autotransformador (elevador y reductor) y se medirá:

Voltaje de entrada al autotransformador.

Voltaje de salida del autotransformador.

Voltaje de cada uno de los devanados.

Corriente de entrada al autotransformador.

Corriente de salida del autotransformador.

Corriente que circula por cada uno de los devanados.


Para cada uno de los montajes descritos en las figuras del ítem 4.4: a. Ajustar la tensión de la fuente a la tensión nominal del devanado primario del

autotransformador. b. Hacer las mediciones indicadas en el ítem 4.4. c. Determinar la distribución de voltajes, corrientes y potencias en los devanados del

autotransformador, en la carga y en la fuente. d. Comparar estos resultados con los resultados teóricos obtenidos previamente.

5.6 EJERCICIOS

a. ¿Cuál es la máxima relación de transformación que se tiene en autotransformadores

utilizados en los sistemas de potencia? b. ¿Por qué esta restricción? c. ¿Qué cuidados se deben tener con el aislamiento eléctrico de un transformador convencional

al conectarlo como autotransformador?




LABORATORIO 6 CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS


Aprender a realizar y a identificar (mediante mediciones de voltaje) los diferentes tipos de conexiones de un transformador trifásico.


Banco de ensayos.

Transformador trifásico.

Amperímetro.

Voltímetro.

Accesorios.


Para la realización de estos ensayos, se debe conocer la polaridad de cada devanado de cada fase y la polaridad de las fases entre sí.

6.3.1 Conexión de transformadores trifásicos

Cada grupo de trabajo debe conectar satisfactoriamente un transformador trifásico, con una conexión y secuencia determinada, las cuales serán asignadas por el profesor el día del laboratorio.

6.3.2 Identificación de la conexión de un transformador trifásico

Cada grupo identificará la conexión de un transformador trifásico mediante mediciones de voltaje, conexión que será realizada por el profesor el día del laboratorio.


6.4.1 Conexión de transformadores trifásicos

a. Preguntar al profesor la secuencia y el tipo de conexión a realizar. b. Realizar los diagramas fasorial y de conexiones de este transformador. c. Hacer la conexión del transformador trifásico, teniendo en cuenta la polaridad de los

devanados y los diagramas realizados en el punto anterior. d. El profesor determinará si la conexión realizada es la correcta.

6.4.2 Identificación de la conexión de un transformador trifásico

a. El profesor conectará el transformador trifásico de alguna forma específica.




b. Los estudiantes deben determinar la secuencia y el tipo de conexión mediante mediciones de voltaje. Pueden utilizar cualquier método conocido para esta labor, por ejemplo, método gráfico (explicado en el anexo) o el método numérico (descrito en las normas ICONTEC).

6.5 EJERCICIOS

e. Realizar los diagramas fasorial y de conexiones para 4 diferentes tipos de conexión de los

transformadores trifásicos (dos conexiones con secuencia par y dos conexiones con secuencia impar).

f. Averiguar cómo se aplica el método numérico y las ecuaciones necesarias para la identificación de la conexión de transformadores trifásicos.




LABORATORIO 7 ENSAYOS DE CIRCUITO ABIERTO Y CORTOCIRCUITO EN

TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS


Determinar el modelo de circuitos de baja frecuencia de un transformador monofásico por medio de los ensayos de circuito abierto y corto circuito.


Banco de ensayos.


Amperímetro.

Voltímetro.

Vatímetro.

Frecuencímetro.

Accesorios.



Utilizando los procedimientos descritos en la NTC 1031 y midiendo los parámetros eléctricos (voltaje, corriente y potencia de entrada), de un transformador en vacío, se encontrará el modelo de circuitos de su rama de magnetización.


Utilizando los procedimientos descritos en la NTC 1005 y midiendo los parámetros eléctricos (voltaje, corriente y potencia de entrada), de un transformador en cortocircuito, se encontrará el modelo de circuitos de sus devanados.


Al finalizar el laboratorio se deben encontrar los parámetros del modelo de un transformador trifásico, descritos en la siguiente figura (se muestra modelo por fase).

A continuación se realizarán los diagramas de los ensayos de circuito abierto y cortocircuito, tomando como ejemplo un transformador con conexión D (AT) – Y (BT).

Rp Xp Rs

Rm

Xs

Xm

a : 1





Se debe medir:

Voltaje eficaz de alimentación de cada una de las tres fases – V1F.

Voltaje medio de alimentación de cada una de las fases – VPF.

Potencia activa trifásica de entrada al transformador – W (Po)

Corriente eficaz de entrada al transformador en cada una de las líneas – A (Io)


Se debe medir:

Voltaje eficaz a la entrada del transformador de cada una de las tres líneas – V1L.

Potencia activa trifásica de entrada al transformador – W (Pcc)

Corriente eficaz de entrada al transformador en cada una de las líneas – A (Icc).

A

A

A

W

V1f VPf

BT AT

BT

BT

AT

AT

W

A

A

A

WV1L

V1L

AT BT

AT

AT

BT

BT

W






a. Realizar el montaje descrito en la figura del ítem 7.4.1. b. La determinación de las pérdidas en vacío debe hacerse con base en una onda trifásica

sinusoidal balanceada. c. La característica distorsionada de la corriente de vacío de un transformador, puede hacer

que la tensión del generador presente una forma distorsionada (no sinusoidal – factor de forma diferente a 1.11) y pérdidas diferentes a las que corresponden a un a onda sinusoidal (para factores de forma mayores a 1.11 las pérdidas disminuyen y para factores menores a 1.11 aumentan), por lo cual se debe medir el valor eficaz y el valor medio de las tensiones aplicadas a los devanados para poder corregir las pérdidas sin carga..

3

3*)( 1111

CBA VVVV

3

3*)( PCPBPAP

VVVV

Vp

V

Vmedio

VrmsformaF 1

d. Se debe medir la frecuencia de la fuente de alimentación y verificar que su valor este entre el 95% y el 105% del valor nominal de la frecuencia del transformador bajo prueba.

e. Se debe energizar el transformador sin carga (en vacío) a la tensión nominal del devanado primario (baja tensión – recomendado).

f. Se toman los promedios de los valores de voltaje y corriente expresados en la figura indicada.

1VVo

3OCOBOA III

Io

g. En la práctica se debe medir la potencia trifásica por medio del método de los tres vatímetros o método Aaron, pero, por limitaciones del laboratorio, se medirá la potencia de una fase y se multiplicará por tres (se asume sistema perfectamente balanceado).

h. Se corrige el valor de las pérdidas totales sin carga, por medio de la siguiente ecuación:

21

2

PKP

PoPc

,

Siendo: 2

1

Vp

VK , P1 = Pérdidas por histéresis, y P2 = Pérdidas por corrientes parásitas.

i. Con este valor corregido se calculan los parámetros por fase del transformador, de la siguiente forma:

3/,,3/ PcPofIoIofVoVof

IofVofSof




22PofSofQof

22 QofPcfScf

ScfPcfof 1cos

VofScfIcf /

JBmGmYmofVof

IcfYm ̂

BmXmy

GmRm

11

7.5.2 Ensayo de corto circuito

a. Realizar el montaje descrito en la figura del ítem 7.4.2. b. La determinación de las pérdidas en cortocircuito debe hacerse con base en una onda

trifásica sinusoidal balanceada. c. Se debe medir la frecuencia de la fuente de alimentación y verificar que su valor este entre el

95% y el 105% del valor nominal de la frecuencia del transformador bajo prueba. d. Se coloca en cortocircuito el devanado secundario (baja tensión – recomendado) del

transformador (con un conductor corto y de calibre mayor al del alambre del devanado secundario)

e. Se debe energizar el devanado de mayor tensión (recomendado) del transformador. f. Se aumenta lentamente el voltaje (desde cero) hasta obtener en el amperímetro una

medición igual a la de la corriente nominal del devanado primario. El valor de la tensión de cortocircuito está generalmente entre 1% y 15% de la tensión nominal del devanado primario.

g. Se toman los valores promedios de voltaje y corriente expresados en la figura indicada.

3

)( 111 CBACC

VVVV

3CCCBCCACC III

Icc

j. En la práctica se debe medir la potencia trifásica por medio del método de los tres vatímetros o método Aaron pero, por limitaciones del laboratorio, se medirá la potencia de una línea y se calculará la potencia trifásica (se asume sistema perfectamente balanceado – ver ejercicios).

h. Cuando se desea determinar la potencia de cortocircuito (Pcc) a una temperatura diferente a la del ensayo, se convierte así:

TT

TTPccPcc

1

*1*

Pcc = Pérdidas medidas a la temperatura T.




T = Temperatura de los devanados durante el momento del ensayo (ºC) Pcc* = Pérdidas calculadas a la temperatura T*. T* = Temperatura a la cual se desea calcular las pérdidas (ºC) – generalmente 85ºC. T1 = 234.5ºC para el cobre.

225ºC para el aluminio. j. Con este valor corregido se calculan los parámetros por fase transformador, de la siguiente

forma:

3/**,3/, PccPccfIccIccfVcVccf

IccfVccfSccf

22PccfSccfQccf

22** QccfPccfSccf

**cos 1

SccfPccfccf

IccfSccfVccf /**

JXeqqZccfIccf

VccfZ Reˆ*

7.6 EJERCICIOS

a. A partir de la potencia que mide uno de los vatímetros de la figura del ítem 7.4.2, ¿Cómo se

calcula la potencia trifásica consumida por el transformador en cortocircuito? (El sistema es balanceado). Ojo, no se multiplica por tres ya que el vatímetro no está midiendo la potencia de una fase.




ANEXO MÉTODO GRÁFICO PARA DETERMINAR LA SECUENCIA Y EL TIPO DE

CONEXIÓN DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS


Con este método gráfico (también denominado método del reloj) se puede determinar la secuencia y el tipo de conexión de transformadores trifásicos, mediante mediciones de voltaje.


Banco de ensayos.


Voltímetro.

Accesorios.


Se tiene un transformador trifásico y se pretende comprobar, mediante mediciones de voltaje, que el tipo y la secuencia de conexión son los especificados en la placa de características.


El transformador trifásico se debe tratar como una caja negra de la cual sólo se conoce la marcación de sus terminales (bornes) y por ende se puede identificar cual es el devanado de AT y cual el de BT. Para el ejemplo propuesto se identifican con letras mayúsculas (X, Y, Z) los terminales de los devanados de AT y con letras minúsculas (x, y, z, n) terminales de los devanados de BT.


a. Realizar el montaje descrito en la figura del ítem 8.4. b. Ubicar y conectar un punto común entre las devanados primario y secundario (para el

ejemplo se conectan los terminales X – x, se establece esta unión como punto de referencia).

TR

AN

SF

OR

MA

DO

R

X

Y

Z

x

y

z

n




c. Energizar el devanado que se haya asignado como primario (devanado de AT para este ejemplo) con una fuente trifásica balanceada garantizando el no sobrepasar la tensión nominal del devanado (para este ejemplo se energiza con tensión de línea de 50V).

d. Medir todas las tensiones entre los diferentes terminales del transformador trifásico.

(Para el ejemplo estas tensiones son:)

VXY = 50V VYZ = 50V VXZ = 50V

VXy = 33V VXz = 33V VXx = 0V

VYx = 50V VYy = 80.2V VYz = 80.2V

Vxy = 33V Vyz = 33V Vxz = 33V

Vxn = 19V Vyn = 19V Vzn = 19V

VZx = 50V VZy = 59.5V VZz = 80.2V

e. Dibujar estas tensiones en un diagrama fasorial.

I. Se ubica en el origen del plano cartesiano el punto de referencia (X‐x). ‐ Tensión VXY: Centro en X‐x, se traza una circunferencia cuyo radio se la magnitud de la

tensión medida (50V) (circunferencia roja continua). Se ubica el punto Y sobre la cualquier lugar en la circunferencia trazada.

II. Tensión VXZ: Centro en X‐x, se traza una circunferencia cuyo radio sea la magnitud de la tensión medida (50V) (circunferencia roja continua). ‐ Tensión VYZ: Centro en Y, se traza una circunferencia cuyo radio sea la magnitud de la

tensión medida (50V) (circunferencia azul continua). ‐ Se generan dos intersecciones de las circunferencias trazadas hasta el momento. El punto

donde está ubicado Z corresponde a una de estas dos intersecciones. Se escoge la que genere fasores (VXY, VYZ, VZX) de secuencia positiva.

III. Tensión VXy: Centro en X‐x, VXY, VYZ, VZX se traza una circunferencia cuyo radio sea la magnitud de la tensión medida (33V) (circunferencia verde a trazos). ‐ Tensión VYy: Centro en Y, se traza una circunferencia cuyo radio sea la magnitud de la

tensión medida (80V) (circunferencia amarilla continua). ‐ Tensión VZy: Centro en Z, se traza una circunferencia cuyo radio sea la magnitud de la

tensión medida (60V) (circunferencia azul a trazos). ‐ En la intersección de las tres circunferencias (verde a trazos, amarilla continua y azul a

trazos) se encuentra ubicado y. IV. Tensión VXz: Centro en X‐x, se traza una circunferencia cuyo radio sea la magnitud de la tensión

medida (33V) (circunferencia verde a trazos). ‐ Tensión VYz: Centro en Y, se traza una circunferencia cuyo radio sea la magnitud de la

tensión medida (80V) (circunferencia amarilla continua). ‐ Tensión VZz: Centro en Z, se traza una circunferencia cuyo radio sea la magnitud de la

tensión medida (80V) (circunferencia amarilla continua). El resultado obtenido al aplicar este método se presenta en la figura A1.

V. Método del diagrama fasorial. ‐ Se dibujan los fasores correspondientes a las tensiones de línea (VXY, VYZ, VZX, Vxy, Vyz, Vzx),

partiendo del mismo origen.




‐ Se determina la secuencia de conexión a partir de la diferencia angular entre tensiones de línea similares (ángulo medido siguiendo secuencia positiva) primario – secundario (por ejemplo VXY – Vxy). Para el ejemplo la diferencia angular (VXY – Vxy) es 150°. La secuencia de conexión es 5. Como el devanado secundario tiene conexión en Y (se identifica porque se tiene punto neutro en este devanado) la conexión del transformador es DYn5.

El diagrama fasorial obtenido se presenta en la figura A2.

VI. Método del reloj. ‐ Se dibuja una circunferencia y se segmenta en 12 partes iguales, cada segmento debe tener un

arco que abarque 30°. Similar a un reloj en el que se indica cada hora. ‐ Se dibujan los fasores correspondientes a las tensiones de línea (VXY, VYZ, VZX, Vxy, Vyz, Vzx),

ubicando los fasores de tal forma que tanto el inicio como el fin del fasor se ubiquen sobre la circunferencia. Al ubicar los fasores, los inicios y finales deben quedar ubicados sobre las divisiones de los segmentos.

‐ Se identifican los puntos de inicio y fin de cada uno de los seis fasores (por ejemplo, para el fasor VXY el punto de inicio será X y el final Y).

‐ Se determina la secuencia de conexión a partir de la diferencia de horas (horas medidas siguiendo secuencia positiva – avance normal de un reloj) primario – secundario (por ejemplo X – x).

En el ejemplo la diferencia de horas (X – x) es 5, lo cual equivale a la secuencia de conexión (5). Como el devanado secundario tiene conexión en Y (se identifica porque se tiene punto neutro en este devanado) la conexión del transformador es DYn5.

El diagrama de reloj obtenido se presenta en la figura A3.

8.6 DIAGRAMA DE CONEXIÓN DEL TRANSFORMADOR IDENTIFICADO

Habiendo identificado el tipo y secuencia de conexión (DYn5 para el ejemplo propuesto) se procede a construir el diagrama de conexión, este se presenta en la siguiente figura:

AT BT

AT

AT

BT

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Y

Z

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y

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