UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES

FACULTAD DE INGENIERÍA

ELECTROTECNIA GENERAL “A” (65.03)

CURSO 2

TRABAJO PRÁCTICO Nº 3

ENSAYO DE UN TRANSFORMADOR MONOFÁSICO

Sistema Eléctrico

U

If

Sistema Eléctrico

U

I

fTRANSFORMADOR

2

1

N

N a

P PTRANSFORMADOR

Pp

Nota: El transformador es una máquina eléctrica reversible, de ahí la doble flecha en el flujo de potencia

-

+

U2

I2

E2

R2

+

-

CARGA

Circuito magnético

N1

N2~U1

+

I1

E1

-

R1

+

-

d1d2

Sentido del flujo de potencia

•Determinar el rendimiento y la regulación a partir de un ensayo directo.

Objetivos del ensayo:

•Determinar las pérdidas en el hierro y en el cobre.

•Determinar los parámetros del circuito equivalente.

Para lograr lo anterior haremos trabajar al transformador en tres condiciones bien definidas:

dos que representan situaciones extremas para la máquina: vacío y cortocircuito

y una tercera condición (intermedia)entre las dos anteriores: carga

R1X1 R21 X21

Rp Xm

RC

U1

-

+

I21

I1

I10

ImIp

+

-

U21

Circuito equivalente exacto referido

Mediante el circuito eléctrico equivalente podemos representar al transformador, analizar su comportamiento,simular situaciones(por ej. fallas ) mediante una computadora y sacar conclusiones sin someter altransformador real a ninguna solicitación que pueda deteriorarlo.

Tengamos presente que, como todos los modelos que en Ingeniería “representan” algo real, tienen sus limitaciones, aquí estamos representando un elemento alineal (recordar que el Fe del núcleo del transformador es un material alineal) mediante un circuito eléctrico lineal.

Nota:

La corriente que toma el transformador en estas condiciones o corriente de vacío I0 es del 3 al 5% (pudiendo llegar hasta 10% ) de la corriente nominal In por ello pueden despreciarse las caídas de tensión en R1 y X1 .

De este modo el circuito equivalente simplificado para el ensayo de vacío quedará así:

Además como el secundario está abierto, puedo eliminar R21 y X21.

Ensayo en Vacío

¿Qué obtendremos en este ensayo?

Obtendremos PFe Rp , Xm y a (relación de transformación)

Condiciones del Ensayo:Este ensayo se realiza a tensión nominal y sin carga en el secundario (secundario abierto)

R1 X1 R21 X21

Rp Xm

I10

I10

Rp Xm

U10

I10

-

+ +

-

U21Ip Im

Datos del transformador a Ensayar (obtenidos de su Chapa de Características):

Tensión primaria nominal = U1 n = 220 V

Tensión secundaria nominal = U2 n = 380 V

Corriente primaria nominal = I1 n = 22,73 A

Corriente secundaria nominal = I2 n = 13,76 A

Potencia nominal = S n = 5 kVA

~2,3 A~100 W

Transformador a ensayar

I10 P10

N

WAVariacTablero

220 V-50 Hz

L1

R

U U1n

U

U10 U20

L2

Secuencia Operativa:

Se cerrará L1 y se elevará la tensión por medio del autotransformador variable hasta su valor nominalluego se leerán los valores de P10, I10, y mediante L2, U10 y U20 .

Circuito para el ensayo en vacío

U10 = Un

Ip

Im

I10

10

Se trazará el Diagrama fasorial del transformador en vacío:

20

10

U

U a 0 10p cosI I 0 10 m senI I

m

10m I

U X

p

10p I

U R

1010

10 0 IU

P cos

Con los valores medidos y las expresiones que se detallan se obtendrán los parámetros buscados:

estimación de valores a obtener y definición de alcances de instrumentos a utilizar en el ensayo de vacío

I10 = 10% I1n I10 = 0,1 . 22,73 A = 2,273 A Alcance Amp. = 2,5 A

U1 0 = U1 n = 380 V

U2 0 = U2 n = 220 V

Alcance Volt. = 380 V

colocaremos un voltímetro adicional a la salida del autotransformador para regular con mayor precisión la tensión de alimentación del transformador:

U1 0 = U1 n = 380 V Alcance Volt. Adicional 380 V

P0 1 a 2 % de Sn P0 0,02 . 5000 W = 100 W ¿ Alcances Wattímetro?

cos10 0,2 10 80º

Ensayo en Cortocircuito

podemos clasificar el cortocircuito de un transformador en:

Cortocircuito en servicio: es una falla de la máquina que debe evitarse pues se produce a tensión nominal y por ende la corriente de cortocircuito si no es interrumpida a tiempo(t<1seg) por los elementos de protección, puede alcanzar valores del orden de 10 a 20 veces la corriente nominal, lo que ocasionaría la destrucción del transformador.

Ensayo en condiciones de cortocircuito: alimentamos el transformador con una tensión de valor reducido (Ucc) tal que haga circular por los arrollamientos primario y secundario sus respectivas corrientes nominales.

¿Qué parámetros buscamos obtener en este ensayo?

Buscamos las resistencias representativas de las pérdidas Joule y las reactancias representativas del flujo disperso en los arrollamientos primario y secundario.

La tensión que aplicaremos al transformador será un valor reducido de U1 (entre el 5 y el 10 % de la tensión nominal) que llamaremos U1cc ( tensión de cortocircuito primaria) debido a ello las pérdidas en el hierro que son proporcionales al cuadrado de la tensión aplicada (recordar PFe Bmáx2 , y Bmáx Umáx) serán muy pequeñas, por tanto se puede despreciarse RP .

De la misma forma, como el flujo max es proporcional a la tensión ( U = 4,44 N.f max) y esta es reducida podemos despreciar Xm .

En el Trabajo Práctico realizaremos un ensayo en condiciones de cortocircuito.

I1cc

R1 X1 R21 X21

U1cc

-

+

El circuito equivalente simplificado para el ensayo en condiciones de cortocircuito queda así:

En este ensayo el transformador al tener su arrollamiento secundario en cortorcircuito NO ENTREGA POTENCIA UTILsolo mediremos la potencia consumida por el transformador que será igual a las perdidas Joule en el cobre de sus arrollamientos.

¿por qué esto es así?

El valor de perdidas Joule obtenido en el ensayo será igual a las que tendrá el transformador cuando ENTREGUE SU POTENCIA NOMINAL A UNA CARGA conectada en el secundario.

Circuito para el Ensayo en condiciones de Cortocircuito

~11 V

VariacTablero220 V-50 Hz

L1

U

Transformador aensayar

~14 AA

I2CC

~23 A

~5 A~200W

WA

I1CC P1CC

Transformador deintensidad

U U1CC

L2

Secuencia Operativa:

Estando L1 abierta y el cursor del autotransformador en la posición de tensión de salida igual a cero volt,se cierra L1 y girando lentamente el cursor del autotransformador se elevará la tensión hasta leer en el amperímetro el valor de la corriente nominal.Se leerán I1 cc , I2 cc , U1 cc y P2 cc .

U1CC << U1n

I1CC = I1n

2211

2211 ) (R Z X X R

cc 1

cc 1

I

U Z

P2cc 1

cc 121 1

I R R

cc 1 cc 1

cc 1 cc 1 IU

P cos

Con los valores medidos y las expresiones que se detallan se obtendrán los parámetros buscados:

Se trazará el Diagrama fasorial del transformador en cortocircuito:

I1 ccR1 j I1 ccX1

I1 ccR21

j I1 ccX21

1cc

cc

estimación de valores a obtener y definición de alcances de instrumentos a utilizar en el ensayo de cortocircuito

U1CC = 5 % U1 n = 0,05 . 220 V = 11 V Alcance Volt. Adicional 15 V

colocaremos un voltímetro adicional a la salida del autotransformador para regular con mayor precisión la tensión de alimentación del transformador y para medir U1CC :

I1CC = I1 n = 22,73 A Como no disponemos de amperímetros con ese alcance intercalaremos un transformador de corriente con una relación de transformación 50/10 de modo que podamos utilizar un amperímetro con alcance igual a 5 A.

P1CC 4% Sn = 0,04 . 5000 W = 200 W

Alcances wattímetro : U = 50 V (elegimos el menor alcance de tensión disponible, recordar que la tensión aplicada 11V)

I = 5 A (aquí como en el amperímetro, intercalamos el transformador de corriente )

¿cuál es el valor de Kw ?

cos 1CC 0,8 1CC 37º

220 V

VariacTablero220 V-50 Hz

L1

U

~23 A

~5 A~5000W

WA

I1C P1C

Transformador deintensidad

Transformador aensayar

RC

I 2C

A

14 A

U U1C

L2

Secuencia OperativaCon L1 cerrada se conectará la carga Rc y manteniendo el valor de U1c = U1n se leerán los valores de I1c , P1c ,

U1c, y U2c.

Se efectuarán lecturas para distintos valores de Rc hasta carga nominal.

Ensayo en Carga

Tipo de carga a conectar: Resistiva pura

c 1 c 1

c 1 1c IU

P cos

c 2c 2c 2 I U P 2

cc 1

c 1cc 1Cu I

I P p

p p p FeCu tot ¿de donde obtenemos el valor de PFe para éste ensayo?

100

P

p - P

c 1

tot1c cal 100

P

P

c 1

c 2med

c 2c 1

2 U- a

U U

Con los valores medidos y las expresiones que se detallan se obtendrán los parámetros:

Construcción del Diagrama Fasorial para un estado de carga

I10

I21c U21cR21I21c

j X21I21c

R1I1c

j X1I1c

E1 = E21

U1

I1c

1c

10

En la escala elegida, se trazan U21c= aU2c e I21c= I2c/a (recordar: a es la relación de transformación) que estarán en fase por ser la carga resistiva pura.Se suma en fase con U21c, la caída de tensión R21.I21c , y en cuadratura jX21.I21c, obteniéndose E1 = E21.Con ángulo 10 en atraso respecto de E1 se traza I10. I1c se obtiene de la suma de I10 con I21c.

En fase con I1c se traza R1.I1c , y en cuadratura jX1.I1c, obteniéndose U1. Como verificación, el ángulo 1c de desfasaje entre U1 e I1c obtenido del fasorial debe coincidir con el valorobtenido mediante el cálculo.

Si tengo dos trafos y uno tiene menores pérdidas que el otro ¿cómo se reflejará esa diferencia en el circuito equivalente?

Regulación:

¿Por qué las pérdidas en el hierro son constantes en la gráfica de rendimiento?

1

2

3

4

5

6

10 100 1000

Pn (kVA)

( %)

¿Qué nos indica la regulación de un transformador?

La regulación indica cuanto varía la tensión en bornes cuando variamos la carga

¿Por qué nos es útil ?

Así podremos saber si el transformador que ensayamos cumple con dicha condición

•Una de las condiciones que debe cumplir un sistema eléctrico es que la tensión no debe variar más allá de un determinado valor (± 5 %) porque las de las cargas deben funcionar a su tensión nominal (para la cual fueron proyectadas y construidas).

Potencia Nominal de un Transformador: es la potencia que el transformador puede entregar cuando las restantes condiciones son las nominales, sin que la sobreelevación de temperatura sobrepase el valor límite.

Régimen Nominal: es el conjunto de condiciones de funcionamiento para los cuales ha sido diseñada y construida una máquina eléctrica comprende la potencia, tensión, corriente, frecuencia, tipo de servicio, clase de aislación, nivel de ruido, altitud sobre el nivel del mar, etc, nominales.

Rendimiento:

Característica Externa: U2 f(I2)

Característica Externa: U2 f(cos) para carga constante (I2 = cte)

capacitivo

Rendimiento del transformador a factor de potencia constante

Bibliografía:Guía de Trabajos Prácticos Electrotecnia General “A” (45.01)Apuntes de la Cátedra Electrotecnia General “A” (65.03)Ingeniería de la Energía Eléctrica Tomo II (Máquinas) autor Ing. Marcelo Sobrevila Máquinas Eléctricas autores M. Kostenko L. Piotrovski Vol. I

Muchas Gracias por su Atención