LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS

PRACTICA # 1

Por:

Joaquín Alfonso Foronda Zapata199852368

Juan Camilo Escobar Álvarez 200052659

Juan David Granada Zapata200052872

PROFESOR:

Expedito Granados

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIAFACULTAD DE MINAS

SEDE MEDELLÍN.2004

OBJETIVOS

Verificar o determinar la correcta polaridad de las bobinas de un transformador monofásico de voltaje.

Medir la resistencia de aislamiento.

Determinar la relación de transformación.

MARCO TEORICO

IDENTIFICAR LOS DEVANADOS DE AT Y BT

Con el ohmetro se mide la resistencia de los devanados, los cuales fueron chequeados previamente. El devanado que presente mayor resistencia corresponde al devanado de AT, puesto que este devanado tiene mayor numero de vueltas, y el de menor resistencia corresponde al devanado de BT.

El por que de medir la resistencia, viene dado por el hecho de que la resistencia de un conductor esta dado por r=ρl/a lo que significa que la resistencia es directamente proporcional a su longitud, e inversamente proporcional a su área de sección transversal. Cabe anotar que en la construcción de los transformadores, el conductor del devanado de alta es mas delgado que el conductor par el devanado de baja; además, el devanado de alta tiene un mayor numero de vueltas que el de baja.

EL CONCEPTO DE POLARIDAD.

A diferencia de la corriente directa no hay polaridad positiva o negativa fija en la corriente alterna, de aquí que los transformadores no pueden tener polaridad fija en sus terminales.

La dirección relativa en la cual los devanados primario y secundario de un transformador. se devanan alrededor del núcleo, determina la direcc1on relativa del voltaje a través de los devanados. por ejemplo, si en la figura siguiente, se supone que el voltaje aplicado en cualquier instante tiene dirección de A a B, la dirección del voltaje en el secundario será de c a d de d a c dependiendo de la dirección relativa de los devanados.

Polaridad en un transformador monofásico

a) polaridad aditiva

b) polaridad sustractiva.

Dado que es importante cuando dos o mas transformadores se conectan juntos conocer la dirección relativa del voltaje de cada transformador. se han establecido ciertas convenciones para designar la llamada polaridad de un transformador.

Si una de las terminales del devanado de alto voltaje se conecta al lado adyacente opuesto del devanado de bajo voltaje (por ejemplo de A a C) el voltaje en las terminales restantes (B y D) es, o la suma o la diferencia de los voltajes primario v secundario dependiendo de las direcciones relativas de los devanados, si el voltaje de b a d es la suma, se dice que el transformador tiene polaridad aditiva y si es la diferencia. entonces se dice que tiene polaridad sustractiva.

Para indicar cuando un transformador tiene polaridad aditiva 0 sustractiva, se marcan los conductores como se muestra en la figura siguiente:

Si los devanados de los lados de alto y bajo voltaje están en direcciones opuestas. los voltajes aplicado e inducido tendrán direcciones opuestas y se dice que el transformador tiene ‘polaridad sustractiva”, las terminales h1 y x1 estarán del lado izquierdo cuando se "ve” al transformador del lado de bajo voltaje hacia el lado de alto voltaje,

Si los devanados de los lados de alto v bajo voltaje están en la misma dirección, los voltajes aplicado e inducido tendrán la misma dirección y se dice entonces que el transformador tiene “polaridad aditiva”, la terminal x1 se encontrara del lado derecho cuando se “ve” al transformador del lado de bajo voltaje hacia el lado de alto voltaje.

Cuando se desea conectar en paralelo los secundarios de dos (o mas) transformadores, se conectan en forma similares las terminales que tiene la misma marca de polaridad.

VERIFICACIÓN DE LA POLARIDAD (norma NTC 471)

método del transformador patrón. se conecta en paralelo el devanado de alta tensión del transformador en ensayo con el devanado de alta tensión del transformador patrón de polaridad conocida y con la misma relación de transformación que la del transformador en ensayo, uniendo entre & los terminales correspondientes. análogamente se conectan también los terminales de un lado de los devanados de baja tensión de ambos transformadores, dejando libres los restantes. en estas condiciones se aplica una tensión de valor reducido a los terminales de los devanados de alta tensión y se mide la tensión entre los terminales libres del lado de baja tensión. si el voltímetro indica cero o un valor mínimo, a polaridad de ambos transformadores será la misma.

método de la descarga inductiva. se coloca el voltímetro de corriente continua entre los terminales del devanado de alta tensión y se hace circular corriente continua por este devanadode modo que se produzca una pequeña desviación positiva del voltímetro al cerrar el circuito de excitación. luego se transfieren los dos cables del voltímetro a los dos terminales del devanado de baja tensión directamente opuesto. al abrir el circuito de

excitación de corriente continua se induce una tensión en el devanado de baja tensión lo cual produce una desviación de la aguja del instrumento. si la aguja se mueve en a misma dirección anterior (positiva) la polaridad es aditiva yen caso contrario, la polaridad es sustractiva.

método diferencial de corriente alterna. se conectan entre si, los terminales de los devanados de alta y baja tensión contiguos del lado izquierdo del transformador (mirando desde el lado de baja) se aplica cualquier tensión conveniente de corriente alterna al devanado completo de alta tensión y se efectúan lecturas, primeramente de la tensión aplicada y luego de a tensión entre terminales contiguos del lado derecho de ambos devanados. si esta ultima lectura es de menor valor que la primera, la polaridad es sustractiva y se es de mayor valor que a primera la polaridad es aditiva.

Esquema del circuito utilizado en la determinación de la polaridad con el metodo de la descarga inductiva

Esquema del circuito utilizado en la determinación de la polaridad con el método diferencial con corriente alterna

PRUEBA DE RESISTENCIA DE AISLAMIENTO

La prueba de resistencia de aislamiento en transformadores sirve no solo para verificar la calidad del aislamiento en transformadores, también permite verificar el grado de humedad v en ocasiones defectos severos en el aislamiento. la resistencia de aislamiento se mide por medio de un aparato conocido como "megger" el megger consiste de una fuente de alimentación en corriente directa y un sistema de medición. la fuente es un pequeño generador que se puede accionar en forma manual o eléctricamente .el voltaje en terminales de un megger varia de acuerdo al fabricante y a si se trata de accionamiento manual o eléctrico, pero en general se pueden encontrar en forma comercial megger de 250 volts, 1000 volts y 2500 volts. la escala del instrumento esta graduada para leer resistencias de aislamiento en el rango de 0 a 10,000 megohms.

la resistencia ce aislamiento de un transformador se mide entre los devanados conectados todos entre si, contra el tanque conectado a tierra y entre cada devanado y el tanque con el resto de los devanados conectados a tierra.para un transformador de dos devanados se deben tomar las siguientes medidas:- entre el devanado de alto voltaje y el tanque con el devanado de bajo voltaje conectado a tierra- entre los devanados de alto voltaje y bajo voltaje conectados entre si contra el tanqueestas mediciones se pueden expresar en forma sintetizada como:

alto voltaje vs. tanque + bajo voltaje a tierrabajo voltaje vs. tanque + alto voltaje a tierraalto voltaje + bajo voltaje vs. tanque a tierra

cuando se trata de transformadores con tres devanados las mediciones que se deben efectuar son las siguientes:

alto voltaje ( primario ) vs. tanque con los devanados de bajo voltaje (secundario ) v medio voltaje ( terciario ) a tierra

- medio voltaje ( terciario ) vs. tanque con los devanados de alto voltaje y bajo voltaje a tierra- bajo voltaje ( secundario ) vs. tanque, con los devanados de alto voltaje y medio voltaje a tierra-alto voltaje y medio voltaje juntos vs. tanque con el devanado de bajo voltaje a tierra-alto voltaje + medio voltaje bajo voltaje vs. tanque

Para determinar el valor mínimo a aceptar de resistencia de aislamiento consiste en multiplicar los kv de fase a fase por 25 para saber el— valor mínimo de 20c o sien se puede aceptar 1000 megohms a 20 c para voltajes superiores a 69 kv aplicados durante 1 minuto ( 60 segundos ) .La otra regla

establece que el valor mínimo de resistencia de aislamientodebe ser de 1 megaohm por cada 1000 volts de prueba.

RELACIÓN DE VOLTAJES DEL TRANSFORMADOR

si en la figura el voltaje de la fuente es vp(t) dicho voltaje queda aplicado directamente al primario del transformador. ¿cómo reaccionará el transformador ante la aplicación de este voltaje? la ley de faraday conduce a la respuesta, el flujo promedio presente en el arrollamiento primario es

Esta ecuación establece que ci flujo promedio del arrollamiento es proporcional a la integral del voltaje aplicado, y que la constante de proporcionalidad es el inverso del número de espiras del arrollamiento primario.este flujo está presente en la bobina primaria del transformador. ¿qué efecto tendrá sobre la bobina secundaria? el efecto depende de la cantidad de flujo que alcance la bobina secundaria. no todo ci flujo producido en el primario corta también al secundario; algunas l(neas de flujo cierran su trayectoria a través del aire. La parte del flujo que atraviesa solamente una de las bobinas del transformador se denomina flujo disperso. por lo tanto, ci flujo de la bobina primaria puede dividirse en dos componentes: un flujo mutuo que permanece en el núcleo y liga los dos devanados del transformador, y un pequeño flujo disperso que atraviesa el devanado primario y cierra su trayectoria por el aire, sin alcanzar al devanado secundario.

donde ΦP = flujo promedio total del primario

ΦM = componente del flujo que liga las bobinas primaria y secundaria ΦLP = flujo de dispersión del primario

de igual manera, puede establecerse una división similar para el flujo del devanado secundario,

donde ΦS = flujo medio total del secundario ΦM =componente del flujo que liga a las bobinas primaria y secundaria ΦLS = flujo de dispersión del secundario

por lo tanto, al aplicar la ley de faraday al circuito primario resulta

A los dos términos de la expresión anterior puede llamárseles ep(t) y elp(t), respectiva- mente. por lo tanto, la ecuación puede ser reescrita como

aplicando también la ley de faraday al secundario del transformador, resulta

el voltaje primario debido al flujo mutuo está expresado como

y el voltaje secundario debido al flujo mutuo es

nótese de estas dos relaciones que

por consiguiente,

La ecuación anterior indica que los voltajes primario y secundarlo causados por el flujo mutuo están en la misma relación con el número de espiras del transformador. como en un transformador bien diseñado φm>>φlp >> φls , la relación entre los voltajes totales del primario y secundario de un transformador es aproximadamente.

Entre más pequeño sea el flujo disperso del transformador, mas se aproxima esta relación de voltajes a la del transformador ideal.

MEDICIÓN DE LA RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN

método del voltímetro. consiste en aplicar una tensión alterna sinusoidal de conocido al devanado de mayor tensión, midiendo esta tensión y, la que aparece en el devanado por medio de voltímetros y transformadores apropiados. la relación de las dos tensiones medidas será la relación de transformación.

Los voltímetros deben leerse simultáneamente debe hacerse una segunda lectura intercambiando los voltímetros; se tomará el promedio de las dos lecturas para compensar el error de los instrumentos

El ensayo del transformador de potencial debe ser tal, que sitúe los dos voltímetros aproximadamente en la misma lectura, de otro modo a compensación del error por intercambio de los instrumentos no es satisfactoria y es necesario ampliar una conexión apropiada de los mismos.

El ensayo debe hacerse con no menos de cuatro tensiones y escalonamiento de aproximadamente el 10%, el valor promedio debe tomarse como valor verdadero.

Si los valores tomados difieren en más del 1% las medidas deberán repetirse con otros voltímetros.

Cuando se debe medir la relación a varios transformadores de especificaciones nominales iguales, el trabajo puede ser simplificado aplicando el sistema enunciado a una unidad y luego comparando los restantes con ésta como patrón, de acuerdo al método del transformador patrón.

método del transformador patrón. consiste en comparar la tensión del transformador ensayo con la de un transformador patrón calibrado, cuya relación es ajustable en pequeños escalones. con este método, el

transformador en ensayo y el patrón se conectan en paralelo y se aplica tensión a sus devanados de alta tensión, mientras los devanados de baja se hallanconectados a un detector sensible cuya indicación se lleva a cero ajustando la relación del transformador patrón. en este punto, las relaciones de ambos transformadores son iguales.

método del divisor patrón. se deriva un potenciómetro de resistencia entre los terminales de los devanados del transformador, los cuales se conectan como se muestra en la siguiente figura.

Entre el punto variable del potenciómetro y uno de los terminales de los devanados se conecta un detector D, adecuado. Cuando el detector indica cero la relación de las resistencias r1/r2, representa a relación de formaciónNota: Se obtienen resultados más exactos usando el puente que tenga corrección de ángulo de fase.

Esquema del circuito utilizado en el método del divisor patrón

PROCEDIMIENTO

Identificación de bobinas de alta y de baja tensión

BORNERA

Lo primero que hicimos fue probar la continuidad para descubrir cuales eran las bobinas.Hay continuidad entre a y b, c y e, d y f. por lo tanto entre estos bornes están las bobinas.Con el òhmetro procedimos a medir las resistencias para determinar cuales bobinas eran para el alto voltaje y cuales eran para el bajo voltaje.Entre a y b: 0.9ΩEntre c y e: 0.2ΩEntre d y f: 0.1Ω

Por lo tanto entre a y b tenemos un devanado de alto voltaje, entre c y e tenemos un devanado de bajo voltaje, y entre d y f también tenemos un devanado de bajo voltaje.

Cuando ya sabemos cuales son los devanados de alto voltaje y bajo voltaje podemos determinar la polaridad de estos.

Para ello aplicamos el método diferencial de corriente alterna según la norma 471,Alta vr = 3.1 vol fluke 12Baja vt = 2.5 vol fluke 77 Invirtiendo los voltímetros para eliminar errores tenemosAlta vr= 3.1 vol fluke 77Baja vt = 2.5 vol fluke 12 Como tenemos que vr es mayor que vt tenemos una paridad sustractiva.

Invertimos los voltímetros para analizar un posible error de medida en los instrumentos pero nos damos cuenta que no existe o por lo menos es muy pequeño , ya que las medidas son muy parecidas en los respectivos casos.

Ahora para el otro devanado hacemos lo mismoAlta vr = 3.2 vol fluke 12Baja vt = 2.54 vol fluke 77 Invirtiendo los voltímetros para verificar errores tenemosAlta vr= 3.17 vol fluke 77Baja vt = 2.54 vol fluke 12 Como tenemos que vr es mayor que vt tenemos una paridad sustractiva.

Relación de transformación

Voltímetro en el lado de alta 5.04vol f12Voltímetro en el lado de baja 2.02 vol f77

Invirtiendo los voltímetros tenemos:

Voltímetro en el lado de alta 5.05vol f77Voltímetro en el lado de baja 2.01 vol f12Como las medidas no presentan diferencia grande procedemos a incrementar el voltaje con pasos aproximados de un 10 % y tomamos las medidas.+10 alta 6.06vol Baja 2.04+10 alta 6.73 Baja 2.677+10 alta 7.35 Baja 2.929+10 alta 8.14 Baja 3.23

Resistencia de aislamiento

Para realizar esta prueba se utilizo la norma NTC 317a y carcasa: 264 MΩ

c y carcasa: 127 MΩ

d y carcasa: 146 MΩ

a y c 235 MΩ

a y d 264 MΩ

c y d 20 MΩ

CARACTERISTICAS DE LOS INSTRUMENTOS UTILIZADOS

Fluke 12Este es un multímetro que mide voltaje, resistencia y continuidad, además es auto rango

Voltaje mínimo entre cualquier terminal y tierra 600 V rmsPantalla 3 3/4-dígitos, 4,000 conteos, 4 actualizaciones / segundoTemperatura de funcionamiento -10 °C a 50 °CTemperatura de almacenamiento -30 °C a 60 °C indefinidamente (a - 40 °C durante 100 /horas)Coeficiente de temperatura 0.1 x (precisión especifica)/°C (<18 °C o >28 °C)Humedad relativa 0 % a 90 % (-10 °C a 35 °C) 0 % a 70 % (35 °C a 50 °C)Tipo de pila 9 V, NEDA 16040 IEC 6F22

Duración de la pila 650 horas continuas si es alcalina 450 horas continuas si es de zinc ycarbónChoques, vibraciones Choque de 1 metro. Según MIL-T-28800D para un medidor de clase3Dimensiones (HxWxL) 1.35 x 2.75 x 5.55 pulgadas (3.46 x 7.05 x 14.23 cm)Peso 10 onzas (286 gramos)Seguridad Diseñado para protección de clase II según UL 3111, ANSI/ISA-S82, CSAC22.2 número 231 y VDE 0411, y la categoría III de sobrevoltaje de IEC 1010.Normas de EMI Satisface la parte 15 de FCC, clase B y VDE 0871B.

Fluke 77

Este es un multímetro que mide voltaje, resistencia, corriente y continuidad, además es auto rango.

Voltaje máximo entre cualquier terminal y tierra 600 V rmsPantalla 3 3/4-dígitos, 4,000 conteos, 4 actualizaciones / segundoCoeficiente de temperatura 0.1 x (precisión especifica)/°C (<18 °C o >28 °C)Humedad relativa 0 % a 90 % (-10 °C a 35 °C) 0 % a 70 % (35 °C a 50 °C)Tiempo de respuesta del display digital: Vac: <2 s, Vdc: <1 s <1.5 sTemperatura de operación: 0°C hasta 50°CTemperatura de almacenaje: - 40°C hasta 60°CAltitud de almacenaje: 12000 metrosAltitud de operación: hasta 2000 metrosTipo de Batería: 9 V, NEDA 1604 o 6F22 o 006P, o NEDA 1604A o 6LR61Vida de la Batería: 2000 hrs con alcalina y 1600 hrs con carbón zincPeso: 340 g

CUESTIONARIO

1. Es necesario determinar la polaridad de los bornes o terminales de un transformador? Por qué?

Se hace necesario, para cuando vamos realizar conexiones en un transformador o varios, teniendo en cuenta que los devanados de un solo transformador, o diversos transformadores se pueden conectar ya sea en serie o en paralelo para obtener una variedad de voltajes.

2. Qué tensión se obtiene si se alimenta a un transformador de tensión de 13.2KV/ 120V, con una tensión de 50 V por el lado de: a) AT, b) BT.

En este transformador la relación de transformación es

= 110, y como sabemos .

si aplicamos 50V en el lado de alta entonces: VP= 50V, reemplazando en las ecuaciones anteriores y despejando el voltaje en el secundario se obtiene que:

Si aplicamos 50V en el lado de baja entonces VS =50V, entonces el voltaje inducido en el lado primario es :.

3. Qué ocurre en el transformador asignado en el laboratorio, si se presenta un corto circuito en el lado de BT, estando energizado con la tensión nominal?

Si el devanado de baja tensión se cortocircuita, la corriente crecería abruptamente lo cual llevaría a un sobre calentamiento de los conductores dañando inicialmente el aislamiento del transformador y luego quemaría los conductores y las bobinas por consiguiente.

4. Qué sucede si se conectan dos transformadores monofásicos, si uno de ellos tiene la polaridad incorrectamente determinada a) En paralelo b) En serie.

a) Dos transformadores monofásicos funcionarán en paralelo si sus bobinas tienen idéntico voltaje e igual polaridad instantánea. Si se conecta con la polaridad incorrecta, lo que se obtendrá es un cortocircuito, estaría cortocircuitando las dos fuentes .b) Para la conexión en serie emplean las bobinas que tengan polaridad instantánea opuesta. Si se conectan al contrario, los voltajes inducidos se opondrán entre si, dando voltaje de salida cero.

5. Qué importancia tiene la resistencia de aislamiento en un transformador de tensión?

Evita que no se induzcan voltajes entre devanados, entre bobinas y carcaza. Para evitar la disrupción eléctrica, que posiblemente distorsionara el funcionamiento eléctrico del transformador.

.

CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES

Los ensayos de polaridad sirven para la conexión en paralelo y serie de

transformadores

La medición de relación de transformación se hace a tensión nominal o menor y a frecuencia nominal o mayor

El conductor del devanado de alta es más delgado que el conductor del lado de baja; además, el devanado de alta tiene un mayor numero de vueltas que el de baja.

Para determinar la polaridad del transformador, el voltaje aplicado debe ser de un valor pequeño; ya que la resistencia del devanado es muy pequeña, y la bobina se comporta después del cierre del circuito como un corto, por lo que la corriente que circularía seria muy alta.

En la medición de la resistencia de aislamiento, debemos tener presente en no conectar el megger entre dos terminales del mismo devanado, dado que esto dañaría inmediatamente el aislamiento de los mismos

BIBLIOGRAFIA

KOSOW Irving L, MÁQUINAS ELÉCTRICAS Y TRANSFORMADORES, Editorial Reverté S.A., España, Segunda Edición, Pág. 593-646.

normas icontec 471: TRANSFORMADORES, RELACIÓN DE TRANSFORMACIÓN, VERIFICACIÓN DE POLARIDAD Y RELACIÓN DE FASE.

HAENRIQUEZ HARPER, ABC DE LAS MAQUINAS ELECTRICAS,

NORMAS ICONTEC 317 . RESISTENCIA DE AISLAMIENTO EN TRANSFORMADORES