pre-laboratorio practica 3

7/28/2019 Pre-Laboratorio Practica 3

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Repblica Bolivariana de Venezuela

Ministerio del Poder Popular Para la Defensa

Universidad Nacional Experimental Politcnica

De la Fuerza Armada Bolivariana

Ncleo Aragua

Sede Maracay

COORDINACIN DE INGENIERA DE TELECOMUNICACIONES

LABORATORIO

REDES ELCTRICAS II

Pre-Laboratorio

Prctica No. 3

ESTUDIO DEL TRANSFORMADOR

MONOFASICO

Profesor: Alumnos:

Ing. Kathleen Stepas TTe Ricardo Gonzalez

Br Rebeca Soteldo

Maracay 9 de diciembre de 2009


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INTRODUCCIN

Mediante el desarrollo de esta prctica iniciaremos el estudio del

transformador monofsico, con el objetivo fundamental de comprobar el efecto

de la relacin de transformacin sobre las variables del transformador.

El transformador es un dispositivo elctrico que consta de una bobina de

cable situada junto a una o varias bobinas ms, y que se utiliza para unir dos o

ms circuitos de corriente alterna (CA) aprovechando el efecto de induccin

entre las bobinas. La bobina conectada a la fuente de energa se llama bobina

primaria. Las otras bobinas reciben el nombre de bobinas secundarias. Un

transformador cuyo voltaje secundario sea superior al primario se llamatransformador elevador. Si el voltaje secundario es inferior al primario este

dispositivo recibe el nombre de transformador reductor. El producto de

intensidad de corriente por voltaje es constante en cada juego de bobinas, de

forma que en un transformador elevador el aumento de voltaje de la bobina

secundaria viene acompaado por la correspondiente disminucin de corriente.

En fin, el propsito principal de los transformadores es convertir la potencia AC

de un nivel de voltaje en potencia de AC de la misma frecuencia en otro nivel

de voltaje. Los transformadores tambin se usan, para una gran variedad de

propsitos, por ejemplo, muestreo de voltajes, muestreo de corriente y

transformacin de impedancia. Destacando as que cada uno puede estar

constituido por distintos tipos de ncleos y por consiguiente por distintos tipos

de transformadores.

Ahora bien toda informacin es bastante bsica, para lograr comprender elcomportamiento preciso del transformador monofsico, por ello, mediante este

informe de laboratorio, ahondaremos en el material terico y prctico referente

al tema.


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MARCO TERICO

La invencin del transformador, data del ao de 1884 para ser aplicado

en los sistemas de transmisin que en esa poca eran de corriente directa y

presentaban limitaciones tcnicas y econmicas. El primer sistema comercial

de corriente alterna con fines de distribucin de la energa elctrica que usaba

transformadores, se puso en operacin en los Estados Unidos de Amrica.

En el ao de 1886 en Great Barington, Mass., en ese mismo ao, al

proteccin elctrica se transmiti a 2000 volts en corriente alterna a una

distancia de 30 kilmetros, en una lnea construida en Cerchi, Italia. A partir de

estas pequeas aplicaciones iniciales, la industria elctrica en el mundo, ha

recorrido en tal forma, que en la actualidad es factor de desarrollo de los

pueblos, formando parte importante en esta industria el transformador.

El transformador, es un dispositivo que no tiene partes mviles, el cual

transfiere la energa elctrica de un circuito u otro bajo el principio de induccin

electromagntica. La transferencia de energa la hace por lo general con

cambios en los valores de voltajes y corrientes.

El transformador monofsico consta de un devanado primario y otro

secundario.

Transformador De Corriente.

Los transformadores de corriente se utilizan para tomar muestras de corriente

de la lnea y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas

normalizadas de instrumentos, aparatos de medida, u otros dispositivos de

medida y control.

Los valores nominales de los transformadores de corriente se definen como

relaciones de corriente primaria a corriente secundaria. Unas relaciones tpicas

de un transformador de corriente podran ser 600 / 5, 800 / 5, 1000 / 5. Los

valores nominales de los transformadores de corriente son de 5 A y 1 A.


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El primario de estos transformadores se conecta en serie con la carga, y la

carga de este transformador esta constituida solamente por la impedancia del

circuito que se conecta a l.

Los transformadores de corriente se usan para evitar conectar los

ampermetros y bobinas de otros instrumentos directamente a las lneas de alta

tensin, estos transformadores disminuyen la corriente tambin a unas

medidas conocidas como: 100/5, 150/5, 300/5, 600/5

Los transformadores de corriente tienen devanados primarios y

secundarios separados y proyectados de tal manera que su devanado

primario quede en serie con uno de los conductores de la lnea.

Las corrientes nominales primarias estn normalizadas entre 5/6000

Amperios.

La corriente nominal secundaria es casi siempre 5 Amperios.

Soporta temperaturas excesivas y esfuerzos electrodinamicos que

pueden aparecer debido a sobre tensiones.

Circuito equivalente.

El circuito equivalente de un transformador de corriente es el siguiente:

Donde: Yo: admitancia de excitacin.

Z2: Impedancia de carga.

Zeq: Impedancia equivalente referida al secundario.

Para determinar estos parmetros se puede realizar a travs de dos pruebas,

las cuales son: Prueba de Vaco y Prueba de Cortocircuito.


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a.- Prueba de Vaco:

Consiste en aplicar una tensin nominal V1 en cualesquiera de los

enrollados del transformador, con el otro enrollado abierto, se le aplica al lado 1

voltaje y frecuencia nominal, registrndose las lecturas de la potencia de

entrada en vaco P0 y la corriente en vaco I1. Es obvio que los nicos

parmetros que tienen que ser considerados en la prueba de vaci son Rm y

jXm, la impedancia de dispersin, R1 +jX1, no afecta a los datos de prueba.

Usualmente, la tensin nominal se aplica al enrollado de baja tensin. La figura

1, muestra el circuito de prueba utilizado.

Figura 1: Circuito Equivalente para la condicin en Vaco

Nuestros parametros nos quedan:

0

21

P

VRm

; Ec.1

m

mI

VX

1

; Ec.2

Es vlido mensionar que Im se calcula con la ecuacin 3

m

mR

VII 121

; (Ec.3)


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b.- Prueba de cortocircuito:

Esta prueba se realiza a voltaje reducido, hasta que circule una

corriente nominal por el circuito. En este caso no se toma la rama de

magnetizacin, esto es debido a que solo se requiere un pequeo voltaje para

obtener las corrientes nominales en los embobinados debido a que dicha

impedancias son limitadas por la impedancia de dispersin de los

embobinados, por lo tanto la densidad de flujo en el ncleo ser pequea en la

prueba de cortocircuito, las prdidas en el ncleo y la corriente de

magnetizacin ser todava ms pequea. La tensin reducida Vcc, llamada

frecuentemente tensin de impedancia, se soluciona para que la corriente de

cortocircuito Icc no ocasione dao en los enrollamientos. Se escoge

usualmente Icc como la corriente de plena carga (nominal). Usualmente esta

prueba se hace por el lado de alto voltaje (para que la corriente sea mas

pequea).

Figura 2: Circuito equivalente para la condicin de cortocircuito

La potencia del cortocircuito es la perdida total en el cobre del

transformador. Debido al efecto pelicular, Pcc puede ser mayor que las

perdidas hmicas en el cobre.

De la figura 2, obtenemos lo siguiente:


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cc

cceq

I

VZ

; (Ec.4)

2

cc

cceq

I

PR

; (Ec.5)

22cccceq RZX ; (Ec.6)

Zeq, Xeq y Req son conocidas por impedancia equivalente, reactancia

equivalente y resistencia equivalente, respectivamente.

Si V1 = V2, podemos decir que:

221

eqXXX

; (Ec.7)

Deber notarse nuevamente que los parmetros estn en funcion del

enrrollamiento en el que se toman las lecturas de los instrumentos.

Ya que la resistencia equivalente Req es la suma de R1y R2 se deduce

que:

1'2 RRR eq ; (Ec.8)

Caractersticas De Funcionamiento De Los Transformadores Monofsicos De

Dos Enrollados.

La regulacin y la eficiencia son las dos caractersticas de mayor

importancia en el funcionamiento de los transformadores. Los cuales son

usados en sistemas de potencia para la transmisin y distribucin de energa.


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Factor de Regulacin:

La regulacin de voltaje es una medida de la variacin de tensin de

salida de un transformador, cuando la corriente de carga con un factor de

potencia constante varia de cero a un valor nominal. Considrese los dos

embobinados del transformador mostrado en la figura 4-a. La carga esta

conectada al lado2 y la fuente de voltaje al lado 1.Supongamos que el

transformador esta entregando a la carga una corriente nominal a un voltaje

nominal y con un factor de potencia especfico. La fuente de voltaje es

ajustada para obtener voltaje constante a este valor y la carga es desconectada

del transformador, el voltaje de salida del transformador cambiar; la diferencia

entre los valores del voltaje de salida cuando est sin carga, y el nominal a

plena carga, expresada como una fraccin del valor nominal, es definida como

la regulacin del voltaje nominal del transformador a un factor de potencia

especfico. La ecuacin 9 representa el factor de regulacin en porcentaje.

100*,2

,2arg,2

%

nominal

nominalasinc

V

VVR

; (Ec.9)

Como generalmente, la corriente de excitacin ser pequea comparada

con la corriente nominal de un transformador de ncleo de hierro, la rama en

derivacin consiste de Rm y Xm puede no considerarse para clculos de

regulacin de voltaje. Este circuito equivalente simplificado referido al lado 2 se

muestra en la siguiente Figura 3-b.

Como el transformador est entregando la corriente nominal IL2 a un

factor de potencia COS (L), el voltaje de carga es V2. El correspondiente

voltaje de entrada es V1 / a referido al lado 2. Cuando la carga se remueve,

manteniendo el voltaje de entrada constante se observara en la figura 4.b que

el voltaje en los terminales de carga, cuando IL2 = 0, es V1 / a, luego la

ecuacin 10 representa el factor de regulacin de voltaje, en porcentaje, no

considerando la rama de magnetizacin.


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100*

2

21

%V

Va

V

R

; (Ec.10)

Donde:

222,21 eqeqI jXRIVa

V

; (Ec.11)

Los trminos V2, IL2 son los valores nominales

Figura 3-a: Transformador de ncleo de hierro de dos enrrollados alimentandouna carga inductiva (ZL2).

Figura 3-b:Circuito equivalente aproximado referido al lado 2 del transformador

ilustrado en 3a.


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Rendimiento:

Supongamos el transformador de ncleo de hierro exhibido en la fgura

3-a. Supngase que el voltaje de la salida se mantiene constante al valor

nominal y el transformador formado con factor de potencia COS (L), est

entregando a la carga, una corriente IL2 (no es necesariamente el valor

nominal). Las prdidas en el transformador son los que se tienen en el ncleo

debido a la histresis, a las corrientes parsitas y las hmicas en las

resistencias de los enrollamientos. Por Pc se presentan las prdidas en el

ncleo; como las prdidas en el ncleo son dependientes de la densidad de

flujo y la frecuencia puede considerarse que Pc permanece constante en el

tiempo si el voltaje de salida y la frecuencia se mantienen constantes en el

tiempo. Las prdidas hmicas en los enrrollamientos, estn en funcin de la

corriente. A cualquier corriente IL2, las prdidas hmicas totales en el

transformador son I2L2 Req2; estas prdidas son llamadas prdidas en el cobre,

luego la ecuacin 12, representa el rendimiento del transformador.

100*%PrdidassalidaPotenciade

salidaPotenciade

; (Ec.12)

100*cos

cos

222,2,2

2,2

%

eqIcLI

LI

RIPIV

IV

; (Ec.13)

Si IL2 es la corriente nominal, entonces se obtiene la eficiencia nominal

del transformador.

La razn de voltajes entre el devanado primario y secundario es igual a la

razn de transformacin a.


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Potencia nominal

Esta es la potencia aparente Pa = VA, representa la potencia mxima que

puede proporcionar el transformador, cuando el factor de potencia de la carga

sea igual a uno y es la mxima potencia que puede proporcionar sin que el

calentamiento en rgimen de trabajo, debido a las perdidas en el hierro por

corrientes parsitas y en el arrollamiento por el efecto Joule, sobrepase al

calculado en el diseo.

Este tipo de potencia se refiere a la tensin nominal V y a la corriente nominal I

del transformador, es decir a los valores de tensin y de corriente para los que

ha sido diseado.

Qu interpretacin se le puede dar a la grfica de tensin inducida vs.

Corriente de vaco?

Dicha grfica nos refleja la relacin de proporcionalidad que existe entre ambas

variables, ya que a medida que la tensin inducida aumenta la corriente en el

vacio aumenta, producindose una exponencial.

10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.11

Tensin de vacio (V)

Corrientedevacio(A)

Voltaje de vacio versus Corriente de vacio. Experiencia 1


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Explique la aplicacin del convenio del punto para las corrientes y

tensiones en un transformador monofsico.

El convenio de puntos consiste en colocar un punto en cada devanado, esto es

para indicar la polaridad para cada uno de estos; es decir, se colocan puntos al

lado de cada bobina de manera tal que si entran corrientes en ambas

terminales o salen por estos puntos los flujos producidos por ambas corrientes

se sumarn; para aplicar este convenio basta con seleccionar arbitrariamente

un terminal de cada bobina y se coloca un punto en el mismo luego por medio

de la Ley de la mano derecha se determina la direccin del flujo en esa bobina

y se determina que terminal de la otra le corresponder una corriente de

manera tal que se sumen los flujos.

Cuando se escriben las ecuaciones de voltaje se usan los puntos para definir el

signo de los voltajes mutuamente inducidos. Si las ambas corrientes entran (o

salen) por el mismo punto los voltajes poseen igual signo de lo contrario sern

de signos opuestos.

En teora, Depende la relacin de transformacin de la carga conectada?

No, la relacin de transformacin solo depende nicamente del nmero de

espiras o vueltas que presente la bobina. En otras palabras:

Si se considera el siguiente circuito:


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De este, obtendremos las siguientes ecuaciones:

1

21

1

2111

2111

Lj

Mj

MjLj

MjLj

IVI

IVI

IIV

De igual manera, se tiene:

221

22

1

1

221

21

2212

LjL

Mj

L

M

LjLj

MjMj

LjMj

IIV

IIV

IIV

Pero como el acoplamiento es perfecto:

212

21

LLM

1LL

M

Y en consecuencia:

111

2

221

221

1

1212

nL

L

LjL

LLj

L

LL

VV

IIV

V

donde12

/LLn

Si hacemos referencia a temas de Fsica acerca de la inductancia, se puede

saber que la misma es proporcional al cuadrado del nmero de vueltas N, o

sea:

2KNL .

Donde M es la inductancia mutua


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Por lo tanto, las autoinductancias de primario y secundario son

respectivamente:

L1 = KN12 y L2= KN2

2

As:

1

221

22

1

2

N

N

KN

KN

L

Ln

Por lo que n se denomina relacin de vueltas del transformador; el mismo es elinverso de la relacin de transformacin (a), y por lo que se observa en la

demostracin, es independiente de la carga que se le pueda conectar al

circuito.


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Desarrollo Analtico

Calcular I1, I2, I3

Zp1= a2 . Z ; a = -1/4 ; Z = 20 + 10j

Zp1=

. (20 + 10j) =

+

j

Zp2 = a2. Z ; a = 2 ; Z =

= 5

Zp2 = 4 ( 5 )

Zp2 = 20

I1 ( 10 + 20 + 20j +

+

j) = V

I1 =

= 2.67 -33.4 A

=a ; I2 = I1 . -a

I2 = ( 2.67 < -33.4 )*(-1/4)

I2 = 0.667< 146.5 A

1= a ; I3 = I1 . a a = 2 I3 = 2. ( 2.67 < -33.4 )

I3 = 5.34 < -33.4 A


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SIMULACIN

Experiencia 1

La primera parte de la prctica consiste en realizar el montaje del circuito de la

figura 1 mostrada, el cual estar conformado por un variac, un transformador,

un vatmetro y un multmetro. En donde primeramente el transformador se

alimentar por el lado de baja tensin.

Figura 1

Seguidamente se proceder a subir la tensin del Variac, tomando como

consideracin que la corriente de baja tensin no debe alcanzar valores

mayores a 1A. Sucesivamente se procedern a anotar en una tabla las

lecturas de las tensiones en ambos devanados del transformador, as como

tambin la corriente del lado de baja tensin y la potencia absorbida por eltransformador en vaco.


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0% del valor nominal de tensin

100% del valor nominal de tensin

Experiencia N 2

La segunda parte consistir en modificar el montaje, en este caso se alimentar

el transformador por el devanado de alta tensin y as mismo se conectar un

ampermetro entre los terminales del devanado de baja de tensin. El montaje

se puede observar en la figura 2. Luego se encender el variac y al igual que

antes se deber aumentar la tensin hasta alcanzar el valor nominal del

transformador. Se proceder a tabular las lecturas de corriente del devanado

de alta y baja tensin, y registrar el voltaje aplicado y la potencia consumida.

Figura 2


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20 % del valor nominal de corriente

80% del valor nominal de corriente

Luego siguiendo el mismo contexto de trabajo se desconectar el ampermetrodel devanado de baja tensin y se conectar una carga resistiva variable

(dcada de resistencia). Se variar la carga hasta que esta consuma

aproximadamente su corriente mxima permitida. Se anotar en una tabla los

valores obtenidos de corriente y primaria y secundaria del transformador,

voltaje primario y secundario del transformador y potencia de entrada. As

como tambin se verificar la Ley de la conservacin de la energa

comparando la potencia entregada al transformador con la potencia consumidapor la carga.


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Con un 25% del valor nominal de tensin

Con un 75% del valor nominal de tensin

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