UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

FACULTAD DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA

CURSO:LABORATORIO DE MEDIDAS

ELECTRICASPRACTICA DE LABORATORIO N° 5:

”TRANSFORMADORES DE MEDIDA DE TENSION Y TRANSFORMADORES DE MEDIDA DE INTENSIDAD”

DOCENTE:ING. LUIS A. CHIRINOS.

ALUMNO:CAYO APAZA ISMAEL

CUI: 20030514GRUPO: ‘C’

AREQUIPA – PERÚ 2014

PRÁCTICA DE LABORATORIO N° 5

MULTIPLICADORES DE ESCALA EN INSTRUMENTOS DE TENSION Y DE CORRIENTE

1.- OBJETIVO.- Analizar y demostrar la utilidad práctica de los transformadores de tensión y de corriente en los sistemas de control y medición.

2.- FUNDAMENTO TEORICO.- Desarrollar la teoría que explique la forma de trabajo de los transformadores de medida de tensión y de corriente.

Transformadores de medida de intensidad y transformadores de medida de tensión.

Transformadores de medición son transformadores que convierten corrientes y tensiones de manera proporcional y en fase en corrientes y tensiones medibles y normadas. Ellos pueden alimentar instrumentes de medición, contadores y/o relés de protección. En adición las instalaciones de medición o protección conectadas están aislados de las piezas de la planta bajo tensión.

Transformadores de medida.

Los instrumentos de medidas eléctricas modernos se producen para corrientes no mayores de algunas decenas y centenas de amperes y tensiones del orden de cientos de volt. La aislación de la mayoría de los instrumentos de medida eléctricas se calculan para tensiones de varios de miles de volt. Mientras tanto, con el actual nivel técnico es necesario medir corrientes alternas del orden de miles y decenas de miles de amperes, tensiones de cientos de miles de volt y potencias que alcanzan valores de 500 MVA y más.

Para medir grandes valores de magnitudes eléctricas mediante los habituales instrumentos de corriente alterna es necesario ampliar sus alcances y garantizar la seguridad del trabajo con esos aparatos. La ampliación de los alcances en circuitos de corriente alterna y la garantía de la seguridad de la medición de altas tensiones se logra con ayuda de los transformadores de medida.

Concepto: traducen las intensidades y tensiones de las líneas de A.T. a valores medibles por contadores y protecciones.

Destino y principio de funcionamiento

- Según la estructura y principio de funcionamiento, los transformadores de medidas son semejantes a los habituales transformadores de potencia, sin embargo, se diferencian de estos últimos por el régimen de trabajo, forma constructiva, potencia y dimensiones.

- La parte fundamental del transformador de medida es el núcleo, compuesto de chapas delgadas (0.35 mm) de acero electrotécnico de alta calidad o bien de otras aleaciones especiales, sobre el que se colocan dos devanados aislados uno del otro.

Transformadores de tensión

Los transformadores de tensión son transformadores de pequeña potencia que trabajan prácticamente en vacío. Aíslan la tensión nominal del primario de los circuitos conectados de medida y protección y transforman la tensión a medir en tensiones secundarias aptas para su medida, manteniendo la fidelidad de sus valores absolutos y desfasajes, normalmente siendo esta de 100-110V.

Cada transformador de tensión tiene un arrollamiento primario y uno secundario. Para ciertas aplicaciones pueden tener más de un secundario, pero siempre con un solo núcleo de hierro.

En cuanto al primario existen de un borne referenciado a tierra que es el mas usado actualmente ya que se montan tres y de dos bornes referenciados a otra fase, aunque este tipo ya no se suele utilizar, se usaba cuando se montaban dos transformadores de tensión.

Las construcciones de los transformadores de tensión son de lo más variadas. Según su destino, se producen de un solo alcance o de múltiples alcance, portátiles o estacionarios, para instalación interior o exterior, monofásico o trifásico, de aislación seca para tensiones de hasta 3 kV o en aceite para tensiones mayores de 3 kV. En los transformadores con aislación de aceite, el núcleo con los devanados está ubicado en un tanque de acero lleno de aceite de transformador, las salidas de alta y baja tensión se encuentran en la tapa superior del tanque.

Transformadores de intensidad

Los transformadores de corriente se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea 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 típicas de un transformador de corriente podrían ser 600 / 5, 800 / 5, 1000 / 5. Los valores nominales de los transformadores de corriente son de 5 A y 1 A.

El primario de estos transformadores se conecta en serie con la carga, y la carga de este transformador está constituida solamente por la impedancia del circuito que se conecta a él.

Los transformadores de intensidad se producen para cargas nominales de: 0,2 - 0,6 - 0,8 - 1,2 - 2 ohmios, los núcleos de los transformadores pueden ser de columnas o anulares (Toroidales), el devanado o enrollado primario puede ser de espiras múltiples y de una espira, la aislación entre los devanados primario y secundario se produce seca (porcelana, presspán y otros materiales aislantes secos) o de aceite.

Las pinzas de medidas representan en sí una variedad del transformador de intensidad y se utilizan para las mediciones sin corte previo del circuito eléctrico.

Tipos de construcción:

Los tipos de transformadores de corriente son:

Tipo primario devanado: Consta de dos devanados primarios y secundarios totalmente aislados y montados permanentemente sobre el circuito magnético.

Tipo barra: Es similar al tipo primario devanado, excepto en que el primario es un solo conductor recto de tipo barra.

Tipo toroidal (ventana): Tiene un devanado secundario totalmente aislado y montado permanentemente sobre el circuito magnético y una ventana a través de la cual puede hacerse pasar un conductor que proporciona el devanado primario.

Tipo para bornes: Es un tipo especial toroidal proyectado para colocarse en los bornes aislados de los aparatos, actuando el conductor del borne como devanado primario.

Los transformadores de corriente se clasifican de acuerdo con el aislamiento principal usado, como de tipo seco, rellenos de compuestos, moldeados o en baño de líquido.

Circuito equivalente:

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

Dónde: Yo: admitancia de excitación.

Z2: Impedancia de carga.

Zeq: Impedancia equivalente referida al secundario.

La inducción normal máxima en el Fe es muy baja, para trabajar linealmente y producir pérdidas magnéticas despreciables (la corriente de excitación "Io" es muy pequeña).

La impedancia equivalente referida al secundario coincide prácticamente, con la impedancia de dispersión del secundario dado que el primario suele ser solo una barra.

1/a * I1 = Io + IL

Donde: Io = Uo (Zeq2 + ZL) IL

Luego:

1/a * I1 = Uo (Zeq2 + ZL) IL+ IL

1/a * I1 = [Uo (Zeq2 + ZL) +1] * IL

Por lo tanto:

IL/ I1 = 1/ [Uo(Zeq2 + ZL) +1] * 1/a

Obsérvese que la razón de transformación IL/ I1 difiere de 1/a en el coeficiente

1 / [Uo(Zeq2+ ZL) +1].

Como este coeficiente es un número complejo significa que hay un error de ángulo y, también, un error de fase.

Clasificación de los errores:

Los errores en un transformador de corriente varían con la tensión para la carga conectada en bornes de los terminales secundarios y el valor de la corriente secundaria.

A continuación se enuncian dos tipos de normas que especifican la precisión de los transformadores de corriente:

- Norma ASA Americana.- Norma VDE Alemana.- Norma ASA Americana:

Esta norma hace una diferencia en la clase de precisión de los transformadores de corriente para el servicio de medición y protección.

a.1) Clase de precisión para el servicio de medición: Están definidas por los límites de error, en porcentaje de los factores de corrección del transformador para una corriente nominal secundaria del 100%. Los límites en porcentaje se doblan al 10% de corriente nominal, los límites de corriente del 100% se aplican también a la corriente secundaria correspondiente al valor de corriente térmica continua máxima del transformador de corriente

Las clases y límites de precisión definidas en las normas ASA pueden verse en la siguiente tabla.

Tabla 1. Límites del factor de corrección del transformador de corriente para el servicio de medición.

Clase de Límites del factor de corrección del transformador Límites del factor de

precisión 100% de la corriente nominal

10% de la corriente nominal

potencia (inductivo) de

Mínimo Máximo Mínimo Máximo la línea que se mide

1.2 0.988 1.012 0.976 1.024 0.6 - 1.0

0.6 0.994 1.006 0.988 1.012 0.6 - 1.0

0.3 0.997 1.003 0.994 1.006 0.6 - 1.0

Tabla 2. Cargas normalizadas para el transformador de corriente normalizadas con el secundario de 5 A.

 5A.Designación

Características de la Impedancia normalizada de la carga secundaria en ohms

de la carga carga normalizada y F.P y V*A secundarios normalizados de la carga

Resistencia Inductan- Para 60 Hz y corriente Para 25 Hz y corriente

ohm cia mH secundaria de 5 A secundaria de 5 A

Impedancia V*A F.P Impedancia V*A F.P

ohm ohm

B-0.1 0.09 0.116 0.1 2.5 0.9 0.0918 2.3 0.98

B-0.2 0.18 0.232 02 5 0.9 0.1836 4.6 0.98

B-0.5 0.45 0.58 0.5 12.5 0.9 0.459 11.5 0.98

B-1 0.5 2.3 1 25 0.9 0.617 15.4 0.81

B-2 1 4.6 2 50 0.9 1.234 30.8 0.81

B-4 2 9.2 4 100 0.9 2.468 61.6 0.81

B-8 4 18.4 8 200 0.9 4.936 123.2 0.81

Nota: Los valores de resistencia y de la inductancia, indicadas corresponden a transformadores de corriente con el secundario de 5 A. Para otros valores nominales pueden deducirse las cargas correspondientes de la tabla 2. La resistencia y la inductancia varían inversamente con el cuadrado de la variación de corriente nominal. Por ejemplo para un transformador con el secundario de 1 A la carga tendría 25 veces la resistencia e inductancia mostrada en la tabla 2.

Por lo tanto para especificar completamente un transformador de corriente para el servicio de medición debe comprender las categorías de precisión de tabla 1, seguidas por la designación de la carga indicada en tabla 2.

a.2) Clase de precisión normalizada para protecciones: Las normas ASA han establecido las clasificaciones de precisión de los transformadores de corriente para el servicio de protecciones, que consta de 3 factores: el límite de error de relación porcentual, la clase de funcionamiento del transformador y el valor nominal de la tensión en los bornes del secundario.

- Límite de error porcentual: Los porcentajes máximos de error en la relación de transformación son de 2.5 y 10%. Esta es la clase de precisión normalizada.

- Valor nominal de tensión en bornes del secundario: Los valores establecidos de tensión en el secundario son: 10, 20, 50, 100, 400, y 800, correspondiente a cargas normalizadas USA de 100 A.

- Clase de funcionamiento: Se designa con la letra L o H.

L (baja impedancia): Indica un transformador de corriente que es capaz de funcionar con cualquier tipo de carga conectada hasta, incluso, una carga que produzca la clase de precisión de la tensión de bornes del secundario a 20 veces la corriente nominal secundaria, para una gama de corrientes que van desde la nominal hasta 20 veces la corriente secundaria nominal, sin exceder la clase de precisión del límite de error porcentual.

H (alta impedancia): Indica un transformador de corriente que es capaz de producir cualquier tensión de bornes del secundario hasta, inclusive, la clase de precisión de la tensión con cualquier corriente secundaria para la gama de 5 a 20 veces la corriente nominal secundaria, sin exceder la clase de precisión del límite de error porcentual.

Por lo anterior para especificar completamente un transformador de corriente para el servicio de protección, se debe designar por su clase de precisión, tipo y tensión máxima secundaria. Estos valores definen completamente su comportamiento.

Norma VDE Alemana:

A diferencia de las normas ASA, en estas normas no se hace un tratamiento diferenciado entre transformadores de corriente para medida y protección. La única diferencia entre ellos es la clase de precisión y el índice de sobrecorriente.

Las clases de precisión para protecciones son 1 y 3 para transformadores de hasta 45 KV y 1 para 60 KV hacia arriba.

En la clase 1 se garantiza esta precisión para corrientes entre 1 y 1,2 veces la corriente nominal, y para cargas secundarias entre el 25% y 100% la nominal con F.P 0,80.

En la clase 3 se garantiza esta precisión para corrientes entre 0,5 y 1 veces la nominal, y para cargas entre el 50 y 100% la nominal con F.P 0,8.

Finalmente, el índice de sobrecorriente, se define como el múltiplo de la corriente primaria para el cual el error de transformación se hace igual a 10% con la carga nominal.

Causa de errores:

Los errores en un transformador de corriente son debidos a la energía necesaria para producir el flujo en el núcleo que induce la tensión en el devanado secundario que suministra la corriente a través del circuito secundario. Las ampervueltas totales disponibles para proporcionar la corriente al secundario son iguales a los ampervueltas del primario menos los ampervueltas para producir el flujo del núcleo.

Un cambio en la carga secundaria altera el flujo requerido en el núcleo y varía los ampervueltas de excitación del núcleo; el flujo de dispersión en el núcleo cambia las características magnéticas del mismo y afecta a los ampervueltas de excitación.

Precauciones de seguridad:

El devanado secundario siempre debe estar cortocircuitado antes de desconectar la carga. Si se abre el circuito secundario con circulación de corriente por el primario, todas las ampervueltas primarias son ampervueltas magnetizantes y normalmente producirán una tensión secundaria excesivamente elevada en bornes del circuito abierto.

Todos los circuitos secundarios de los transformadores de medida deben estar puestos a tierra; cuando los secundarios del transformador de medida están interconectados; solo debe ponerse a tierra un punto. Si el circuito secundario no esta puesto a tierra, el secundario, se convierte, de hecho, en

la placa de media de un condensador, actuando el devanado de alta tensión y tierra como las otras dos placas.

Conexiones trifásicas

Es practica universal utilizar un transformador de corriente por fase, tres transformadores de corriente para un sistema trifásico, en este caso los secundarios se conectan en estrella con el nutro sólidamente a tierra, tal como se ilustra en la siguiente figura.

Si el circuito de potencia es un circuito de 3 hilos sin hilo neutro, la suma instantánea de las tres corrientes de línea que circulan por los primarios hacia la carga, y por lo tanto, la suma de las corrientes del secundario también debe ser nula si los tres transformadores son iguales. En consecuencia puede suprimirse la conexión entre el neutro de los secundarios conectados en estrella y el de los amperímetros, señalada en la figura con línea de trazos. En cambio, esta conexión es necesaria cuando el circuito tiene un hilo neutro. También se puede utilizar la siguiente conexión de la siguiente figura.

Los amperímetros Aa y Ac estén directamente en serie con los dos transformadores de corriente, y por lo tanto, indican las intensidades de las corrientes que circulan por las líneas A y C. La primera ley de Kirchhoff aplicada al nudo n, da como relación entre las corrientes de los secundarios.

ia+ ib+ ic= 0

Como ia e ic son proporcionales a las intensidades de las corrientes de línea de los primarios iA e iC respectivamente, la intensidad ib que señala el amperímetro Ab es proporcional también a la intensidad iB de la corriente del primario si es nula la suma de intensidades de las corrientes de primario, como debe ocurrir si el circuito de potencia es un circuito de 3 hilos.

3.- ELEMENTOS A UTILIZAR:

- Voltímetro y amperímetro AC.

- Carga resistiva y inductiva.

- Transformador de tensión y de corriente.

4.- PROCEDIMIENTO DE EJECUCION:

4.1.- Verificar los valores óhmicos de los transformadores de tensión, su relación de transformación y su exactitud de su aplicación utilizando una fuente de tensión variable con un voltímetro conectado en el secundario del transformador y comparar estos resultados.

4.2.- Registrar la resistencia del devanado secundario del transformador de intensidad, la relación de transformación y aplicar a un circuito de potencia para registrar la intensidad de línea a un circuito monofásico, comparar los resultados con los registros obtenidos por la lectura directa utilizando un amperímetro, registrar 5 valores.

5.- CUESTIONARIO:

5.1.- Dibuje y describa el circuito equivalente exacto del transformador de medida de tensión, graficando el diagrama fasorial de operación un instrumento de medición en cada tramo e indicar las ventajas y desventajas de su aplicación.

El circuito equivalente de un banco trifásico de transformadores puede trazarse conectando los circuitos equivalentes de las unidades de acuerdo con las conexiones del banco. Por ejemplo, en la figura 2a puede verse el circuito equivalente de un banco estrella-estrella y en la figura 2b un circuito equivalente de un banco triángulo. En la figura 2, las Y representan las admitancias en circuito abierto o de excitación y las Z las impedancias en cortocircuitos o equivalentes.

Figura 5.1.1.- Circuitos equivalentes trifásicos; a) Conexión estrella-estrella, y b) Conexión triángulo-triángulo.

Diagrama fasorial con carga

Para estudiar el comportamiento del transformador bajo carga, recurrimos al diagrama vectorial. Se dispone de un sistema de tres bobinados que se conectan a las tres ramas de una red trifásica, luego tendremos tres ff.ee.mm inducidas en esos bobinados, las que estarán a 120° entre sí. Para simplificar el diagrama consideraremos una sola fase para el trazado completo, y simplificaremos las otras dos. La figura 6 muestra el diagrama vectorial de un transformador trifásico bajo carga óhmica. Para otros tipos de carga, ya sabemos cuáles son las diferencias que se tienen en la dirección del vector corriente secundario.

Figura. 5.1.2. - Diagrama vectorial del transformador trifásico con carga.

Ventajas:

- Conexión más económica para transformadores de alta tensión que de pequeña potencia.

- Pueden conectarse neutros a los dos bobinados, tanto con la tierra, como para una distribución equilibrada con cuatro cables. Una de las conexiones más sencillas para poner "en fase", en el funcionamiento en paralelo.

- Debido al tamaño relativamente grande de los conductores, la capacidad electrostática entre las espiras es elevada, de manera que los esfuerzos debidos a las ondas producidas por sobretensiones momentáneas que afectan a los enrollamientos, se disminuyen considerablemente.

- Si una fase en cualquier bobinado funciona defectuosa, las dos fases restantes pueden funcionar resultando una transformación monofásica. La carga que podría suministrar seria del 58 por ciento de la potencia normal trifásica.

Desventajas:

- Los neutros negativos son muy inestables, a menos que sean sólidamente conectados a una toma de tierra.

- Las unidades trifásicas o baterías de polaridad opuesta no pueden funcionar en paralelo, a no ser que la conexión de las fases del primario o del secundario de un transformador o batería se invierta.

- Una avería en una fase hace que una unidad trifásica no pueda trabajar en una distribución de tres fases hasta que se repare. La construcción de los enrollamientos es más dificultosa y su coste, más elevado. Especialmente cuando es para corrientes altas.

5.2.- ¿Qué ventajas tiene el transformador de medida de tensión acorazado?

Transformador trifásico de tipo acorazado:

- La diferencia de un transformador trifásico de tipo núcleo y de otro de tipo acorazado, está en que en un transformador trifásico de tipo acorazado las tensiones están menos distorsionadas en las salidas de las fases. Lo cual hace mejor al transformador trifásico de tipo acorazado.

- Este tipo de núcleo acorazado, tiene la ventaja con respecto al llamado tipo columna, de reducir la dispersión magnética.

5.3.- Describa los tipos de transformadores de medida de intensidad.

Tipo de Transformador de intensidad.- Existen tres tipos de TC según su construcción:

a) Tipo devanado primario.- Este como su nombre lo indica tiene mas de una vuelta en el primario. Los devanados primarios y secundarios están completamente aislados y ensamblados permanentemente a un núcleo laminado. Esta construcción permite mayor precisión para bajas relaciones.

b) Tipo Barra.- Los devanados primarios y secundarios están completamente aislados y ensamblados permanentemente a un núcleo laminado. El devanado primario, consiste en un conductor tipo barra que pasa por la ventana de un núcleo.

c) Tipo Boquilla (Ventana o Bushing).- El devanado secundario está completamente aislados y ensamblado permanentemente a un núcleo laminado. El conductor primario pasa a través del núcleo y actúa como devanado primario.

Y uno de los más comunes también es el de devanado toroidal en núcleo ferromagnético.

5.4.- Describa la operación de transformador de intensidad cuando opera en regímenes de sobrecorriente considerando su clase de aislamiento.

Los transformadores de intensidad permiten saber en qué estado está el sistema. Estos equipos son una interfaz entre el sistema de potencia y los relés de protección. Reducen las señales de intensidad de corriente y tensión, respectivamente, a valores adecuados que pueden ser conectados a las entradas de los relés de protección.

Los elementos de sobrecorriente controlados por torsión, incluso un elemento de un instantáneo, un tiempo definido y un tiempo inverso para cada fase, secuencia negativa y corrientes residuales de tierra proporcionan una protección minuciosa de sobrecorriente en cada entrada de devanado.

5.5.- ¿Por qué razón el secundario del transformador de intensidad cuando esta insertado en un circuito debe mantenerse en corto circuito?

Debe mantenerse en corto circuito el secundario para que pase por el otro lado del transformador la corriente nominal.

6.- OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES:

- Los transformadores de corriente se utilizan para tomar muestras de corriente de la línea y reducirla a un nivel seguro y medible, para las gamas normalizadas de instrumentos, aparatos de medida, u otros dispositivos de medida y control.

- Todos los circuitos secundarios de los transformadores de medida deben estar puestos a tierra; cuando los secundarios del transformador de medida están interconectados; solo debe ponerse a tierra un punto. Si el circuito secundario no está puesto a tierra, el secundario, se convierte, de hecho, en la placa de media de un condensador, actuando el devanado de alta tensión y tierra como las otras dos placas.

- Concluimos que los transformadores de tensión son transformadores de pequeña potencia que trabajan prácticamente en vacío.

- El tipo de núcleo más eficaz es el tipo acorazado, gracias a su forma, las tenciones en el transformador tipo acorazado presentan menos distorsiones en las salidas de las fases.

- El transformador trifásico es una maquina muy útil y con un campo de aplicación bastante grande y casi total dentro de la electrónica y la electricidad, ya que tiene una amplia gama de configuraciones en su conexión y diferentes métodos de disposición en la construcción de la parte física.

- Observamos que la parte fundamental del transformador de medida es el núcleo, compuesto de chapas delgadas (0.35 mm) de acero electrotécnico de alta calidad o bien de otras aleaciones especiales, sobre el que se colocan dos devanados aislados uno del otro.

7.- BIBILOGRAFIA

- http://www.ritz-international.com/index.php?id=481

- http://www.ecured.cu/index.php/Transformadores_de_medida

- http://patricioconcha.ubb.cl/transformadores/transformadores_de_medida.htm

- http://ocw.uc3m.es/ingenieria-electrica/circuitos-magneticos-y-transformadores/practicas-de-laboratorio/practica-3-obtencion-del-circuito-equivalente-de-un-transformador

- http://patricioconcha.ubb.cl/transformadores/pagina_n1.htm

- http://www.monografias.com/trabajos93/de-transformadores-trifasicos/de-transformadores-trifasicos.shtml

- http://html.rincondelvago.com/transformador.html