Informe de laboratorio de conversin electromecnica de la energaExperiencia n1: Transformador Monofsico de Potencia

Informe de laboratorio de conversin electromecnica

Experiencia n1:Transformador Monofsico de Potencia

Integrantes : Felipe BarreraJorge ContrerasFrancisco Cortez Ivn ZamoraSamuel VargasProfesor: Carlos vila Fecha: 06/11/2015

IntroduccinLas mquinas elctricas proporcionan una amplia utilidad en el desarrollo de actividades industriales, ya que pueden cumplir funciones importantes en diferentes procesos gracias al buen aprovechamiento de su uso, generando una aceleracin de los procesos en los cuales no se podran obtener resultados si no se emplearan estas mquinas.Existen muchas mquinas elctricas y son variadas las que estn presentes en las industrias y procesos que funcionan en base a energa elctrica, una de las ms importantes y relevantes es el transformador, mquina elctrica que proporciona muchos beneficios y utilidades representando as una verdadera pieza angular en mbitos elctricos como sistemas de generacin, distribucin, transmisin de energa elctrica.Al considerar el empleo de un trasformador en alguna tarea en especfico se deben tomar todas las medidas necesarias para asegurar el buen funcionamiento y desempeo del mismo, por esta razn es que antes de utilizar un transformador se le deben realizar pruebas, ensayos, mediciones y todo lo que sea necesario para obtener informacin del estado en el cul se encuentra y as decidir si es factible o no, su utilizacin.Dos pruebas muy importantes a las que se debe someter en transformador son las denominados ensayo de cortocircuito y ensayo de vaco, realizando de manera correcta estas dos pruebas se pueden obtener conclusiones muy certeras de lo que ocurre en el transformador, es por ello que el buen manejo de estos ensayos asegura obtener informacin certera de del estado del transformador y as tomar decisiones correctas con respecto a su utilizacin.En este informe se profundiza en el tema de estos dos ensayos mencionados proporcionando toda la informacin y los pasos necesarios para realizar de manera efectiva y segura estos procedimientos tan importantes al momento de destinar un transformador para realizar alguna funcin en particular.

Marco tericoEl transformador es un dispositivo elctrico estrechamente relacionado con las maquinas elctricas el cual tiene por funcin principal convertir energa elctrica ca a un nivel de voltaje a energa elctrica ca a otro nivel de voltaje mediante la accin de un campo magntico. El transformador consta de dos o mas bobinas de alambre conductor enrolladas alrededor de un ncleo ferro magntico. Uno de los devanados del transformador se conecta a una fuente de energa elctrica alterna y el segundo suministrara energa elctrica a las cargas Como los transformadores operan sobre los mismo principios que los generadores y los motores , es decir , utilizan la accin de un campo magntico para realizar el cambio de nivel de voltaje, podemos afirmar que los transformadores se basa en los fenmenos de la excitacin mediante fuentes elctricas variables en el tiempo de materiales ferro magnticos los cuales logran generar diferentes tipos de campos magnticos segn sean las propiedades del fierro de el cual este diseado, al excitar estos materiales se genera el fenmeno de perdidas por histresis , fenmeno provocado por la imantacin (figura 1) de los tomos que componen el respectivo material a ciertos niveles y al momento de llegar al punto mximo de la imantacin adems teniendo en consideracin la forma de onda de la tensin alterna estos tendern a volver a sus lugares de origen generando as la curva como la muestra la figura 2 . Adems existen otras perdidas que son generadas por la excitacin de materiales ferrosos son perdidas por corrientes parasitas o tambin llamadas corrientes de fuga netamente generadas por las caractersticas fsicas del material respecto a su tamao y resistividad del fierro las cuales son reducidas en el transformador empleando el mtodo laminado como muestra la figura 3 Figura 1 Figura 2

Figura 3 En trminos de ingeniera el mtodo para analizar transformadores monofsicos reales es emplear un modelo equivalente como el de la Figura 4.1 y 4.2 , adems empleando el mtodo de fasores Figura 5 nos permite generar la representacin de todas las perdidas generadas por los fenmenos magnticos y fsicos del transformador referidas a un devanado de referencia mediante la relacin de transformacin ,perdidas las cuales se detallan a continuacin :a) Perdidas resistivas de los devanados b) Perdidas reactivas por el la excitacin del fierro c) Perdidas resistivas del fierro d) Perdidas reactivas por el flujo de dispersin

Figura 4.1

Figura 4.2

Figura 5Luego de reconocer todos los aspectos del transformador procedemos a plear las herramientas que permitirn determinar los valores fsicos que definen cada uno de los parmetros anterior mente mencionados para ello se har uso de los denominados ensayos del transformador los cuales se detallan a continuacin.Ensayo de VacoObtener los parmetros de la rama de magnetizacin, Rfe y Xm. Las condiciones que se deben tomar en cuenta es que el devanado secundario debe estar abierto (Is=0), mientras que la tensin nominal aplicada al primario debe mantener la amplitud y la frecuencia constante.

Ensayo de Corto circuitoSe obtienen los parmetros de la rama serie o impedancia de cortocircuito, Zcc=Rcc+jXcc. La condicin, es que la tensin aplicada o tensin de cortocircuito debe ser aproximadamente un 5 a 8% de la tensin nominal.

La rama de magnetizacin puede ser despreciada, ya que las perdidas en el fierro son mnimas; las corrientes alternas no tienen densidad de corriente uniforme, luego tienden a circular en la periferia, R50 Hz = 1,1 Rcorriente continua.Marco practico 1.1-.Materiales Para esta experiencia los alumnos tuvieron que necesitar los siguientes instrumentos.-Transformador de 1000VA , 220/110V, 50/60Hz ,4,55/9,09A-Restato de 11, 7,5A -Proteccin (Automtico trifsico)InstrumentoModelo Numero

Megohmetro

OsciloscopioTOS-2022B053213

Voltmetro DigitalUTSS112045039

Voltmetro DigitalUTSS1120450241

Ampermetro Anlogo20140689AE1352

Ampermetro Anlogo2013866227M

Puente de wheatstone

Wattmetro resistivo (cos = 1)204111337M

Wattmetro inductivo (cos = 0,2)204110718M

1.2-.ExperienciaMediciones Previas.Medicin de la Aislacin del TransformadorPara ello los alumnos usaron el Megohmetro que es un instrumento para medir el aislamiento entre dos puntos (nodos). Para este experimento fue usado un megohmetro en el que haba que girar rpidamente una manivela para inducir una corriente por un devanado interior y para luego indicar su medicin en forma anloga (con aguja de medicin). Medicin Devanado Baja Masa Medicin Devanado Alta Masa Medicin Devanado Alta Devanado Baja Como conclusin se obtiene que el transformador tiene una excelente aislacin entre sus devanados y la masa.

Medicin de las resistencias de los devanados primario y secundario del transformador.

Para poder medir la resistencia de los devanados los alumnos debieron utilizar el puente de Wheatstone entre los conectores de baja y luego en los conectores de alta, para ambos casos la metodologa de uso que usaron fue la siguiente.-Se ajusta la perilla de Multiplicidad a un valor estimado, para este caso la menor (0.001).-Se coloca la perilla de ajustes en los valores 1999 (recomendacin del equipo) y luego segn el movimiento de la aguja se agrega (hacia la derecha) o disminuye (hacia la izquierda) las perillas de ajuste hasta cuando no exista movimiento de la aguja. Es en este punto donde se lee el valor definitivo de las perillas de ajuste es ste el valor de la resistencia del devanado.Los resultados que se obtuvieron fueron:Resistencia del devanado de alta: 0,699 Resistencia del devanado de baja: 0,169

Ensayo de Vaco del TransformadorSe proceder con el ensayo de vaco, variando la tensin aplicada desde 20[V] hasta 130[V] en el lado del devanado de baja tensin. Se registraron mediciones para tensin en el primario (V1=Vfuente), tensin en el secundario (V2), corriente en el primario (A1) y potencia (W1) consumida.

Tabla de datos para una tensin Nominal de 110 Volts.Fuente (V)Wattmetro en el primario (W)Ampermetro en el primario (A)Voltmetro en el secundario (V)

13031,60,7259

12027,20,54239

11022,80,42219

10019,20,34197

90160,27179

8012,80,24159

70100,2138

607,60,18119

505,60,1699

4040,1477

201,60,1140

Forma de Onda de la seal usando el Osciloscopio

En el circuito anterior, se les pidi insertar un restato de baja resistencia (11), en serie con el bobinado primario. Luego utilizando un osciloscopio en los terminales del restato se observaron la tensin, para valores de tensin de la fuente de 30%, 60% y 100% del nominal.

30%

60%

100% Ensayo de Corto circuito del Transformador

Se proceder con el ensayo de corto circuito, variando la corriente aplicada desde 1[A] hasta 4.5[A]. Se registraron mediciones para tensin en el devanado de Alta (Vfuente), corriente en el lado de A.T (A1), corriente de corto circuito (A2) y potencia (W1) consumida.

Tabla de datos para una corriente Nominal de 1.05 Amperes.Ampermetro en el primario (A)Voltaje de la fuente (V)Wattmetro (W)Voltmetro en el primario (mV)Ampermetro Secundario (A)

11,72,5172

23,25343,9

34,8712,5496

46,5525668

4,57,430769

Determinacin de Parmetros del TransformadorPara ello usamos la teora aprendida en el curso de conversin electromecnica de la energa y el cual se vio al principio de este informe, usando los datos del laboratorio.En los siguientes circuitos equivalentes fue tomado en cuenta como primario al lado de baja tensin y por consecuencia el secundario es el lado de alta tensin.La relacin de transformacin es A = 220/110V = 2Ensayo en Cortocircuito Rcc = P/I= 1,4815 Zcc = V/I = 1,644 Xcc = ( Zcc Rcc ) = 0,7127 Ensayo en vacio Rfe = V/P = 530,702 Ife = V/Rfe = 0,2073 A Iu = (I-Ife) = 0,3653 A Xu = V/Iu = 301,122

Circuito Equivalente Referido a Baja Tensin. Rfe = 530,702 Xu = 301,122

Rcc = Rcc*a = 5,926 Xcc = Xcc*a = 2,8508

Circuito Equivalente Referido a Alta Tensin. Rfe = Rfe/a = 132,676 Xu = Xu/a = 75,2805

Rcc = 1,4815 Xcc = 0,7127

Valores de [p.u.]Para calculas los valores por unidad usamos como base los valores nominales de tensin, corriente e impedancia en cada lado.

Sb = 1000 VAVb = 110 VVb = 220 VIb = 4,55 AIb = 9,09 AZb = 110V/4,55A = 24,1758 Zb = 220V/9,09A = 24,2024

[Rfe] = Rfe/ Zb = 21,9518

[Xu] = Xu/Zb = 12,45

[Rcc] =Rcc/ Zb = 0,0612 [Rcc]=[Rcc]*a =0,2448

[Xcc] = Xcc/Zb = 0,02945 [Xcc] = [Xcc]*a = 0,11779

1.3-.DatosForma de Onda de la seal usando el Osciloscopio

En el circuito anterior, se les pidi insertar un restato de baja resistencia (11), en serie con el bobinado primario. Luego utilizando un osciloscopio en los terminales del restato se observaron la tensin, para valores de tensin de la fuente de 30%, 60% y 100% del nominal.

Forma de Onda al 30 % de la fuente.

Forma de Onda al 60 % de la fuente.

Forma de Onda al 100 % de la fuente.

Al conectar el primario de un transformador una fuente de tensin senoidal, la corriente fluye por el circuito, aun cuando el secundario este abierto. Esta corriente es la requerida para producir un flujo en un ncleo ferromagntico real. La corriente de vaco ser la suma de la corriente de magnetizacin y la corriente de prdidas en el ncleo. La corriente de magnetizacin no es sinusoidal y esto se debe a lo no linealidad de la permeabilidad del fierro, en el momento que el pico del flujo alcanza el punto de saturacin en el ncleo, donde un pequeo incremento en el flujo pico requiere un incremento muy grande en la corriente pico de magnetizacin. Si el voltaje primario est dado por Vp= Vm*cos(wt)y el flujo resultante ser:

Esto implica que las componentes de ms alta frecuencias de la corriente de magnetizacin se deben a la saturacin magntica del ncleo del transformador. La componente fundamental de la corriente de magnetizacin atrasa al voltaje aplicado en 90Las componentes de ms alta frecuencias de la corriente de magnetizacin pueden ser bastante mayores con respecto a la frecuencia fundamental. En general cuanto ms fuerte sea el proceso de saturacin el ncleo, mayores sern las componentes armnicas.

La otra componente de la corriente de vaco en un transformador es la corriente requerida para suministrar potencia al proceso de histresis y a las prdidas del ncleo (corrientes de Foucault) suponga que el flujo en el ncleo es sinusoidal puesto que las corrientes parasitas en el ncleo son proporcionales a t/, sern mayores cuando el flujo pasa por 0 [wb]. Por lo tanto la corriente de perdidas es mxima cuando el flujo pasa por cero.La corriente de prdidas en el ncleo no es lineal debido a los efectos no lineales de la histresis. La componente fundamental de la corriente de prdidas del ncleo est en fase con voltaje aplicado. Teniendo en cuenta todos estos factores, es posible as obtener la grfica de la corriente de prdidas en el transformador, que equivale a decir:

Forma de Corriente de Magnetizacin

Corriente de vaco.

Correccin de error de los instrumentosA continuacin se muestran los valores obtenidos para el ensayo en vaco y corto, sumndole el error de cada aparato respectivamente.

Ensayo vacio.Fuente (V)Wattmetro en el primario (W) con errorAmpermetro en el primario (A) con errorVoltmetro en el secundario (V)

13031,60.0010,70.01259

12027,20.0010,540.01239

11022,80.0010,420.01219

10019,20.0010,340.01197

90160.0010,270.01179

8012,80.0010,240.01159

70100.0010,20.01138

607,60.0010,180.01119

505,60.0010,160.0199

4040.0010,140.0177

201,60,1140

Ensayo CortoAmpermetro en el primario (A)Voltaje de la fuente (V)Wattmetro (W)Voltmetro en el primario (mV)Ampermetro Secundario (A)

10.011,72,50.0011720.01

20.013,250.001343,90.01

30.014,8712,50.0014960.01

40.016,55250.0016680.01

4,50.017,4300.0017690.01

La tabla que viene a continuacin hace una comparacin entre los datos de corriente en la rama de magnetizacin, medidos en el experimento y los datos calculados, y su respectivo porcentaje de error: VacoVoltaje de entradaCorriente ampermetroCorriente calculada

1300.70.446

1200.540.420

1100.420.410

1000.340.375

900.270.33

800.240.300

700.20.26

600.180.23

500.160.187

400.140.151

200.110.072

CortoAmpermetro en el primario (A)Voltaje de la fuente (V)Voltaje Calculado (V)

11,71.37

23,22.75

34,874.25

46,556.50

4,57,47.38

ConclusinLa realizacin de estos dos ensayos es muy importante porque si se ejecutan de manera correcta, se pueden predecir valores que presentar el transformador cuando sea conectado a una red elctrica, tambin se debe destacar que para realizar estos ensayos es decisivo emplear correctamente los instrumentos de medida expuestos en este informe. Gracias al buen desarrollo de estos ensayos se obtienen parmetros importantes, en el caso del ensayo en vaco del transformador se recopilan datos que describen como vara una magnitud tan significativa como es la potencia elctrica que se disipa en el circuito magntico del transformador debido a la presencia de corrientes parsitas y a histresis Por su parte en el ensayo de cortocircuito se obtuvieron datos de diferentes mediciones a diferentes niveles de tensin aplicados en el bobinado primario que describen de manera acertada como la relacin entre esta variacin de voltaje y los valores de la potencia que se disipa en las espiras de cobre que componen los bobinados del transformador, obteniendo as las prdidas por efecto joule que se disipan en forma de calor y el valor resistivo del transformador.