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• Víctor Núñez

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN

LAB. MÁQUINAS ELÉCTRICAS 1

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN FACULTAD DE INGENIERÍA DE PRODUCCIÓN Y SERVICIOS PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELÉCTRICA CURSO: LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS I GUIA DE LABORATORIO

Determinar el circuito equivalente del transformador mediante los ensayos de vacío y cortocircuito I. OBJETIVO: Determinar mediante los ensayos correspondientes, los parámetros del circuito eléctrico equivalente de un transformador monofásico. II. MARCO TEÓRICO: Es un dispositivo que se encarga de "transformar" la tensión de corriente alterna que tiene a la entrada en otra diferente a la salida. Este dispositivo se compone de un núcleo de hierro sobre el cual se han arrollado varias espiras (vueltas) de alambre conductor. Este conjunto de vueltas se llaman bobinas y se denominarán: "primario" a la que recibe la tensión de entrada y "secundario" a aquella que dona la tensión transformada.

La bobina "primaria" recibe una tensión alterna que hará circular, por ella, una corriente alterna. Esta corriente inducirá un flujo magnético en el núcleo de hierro. Como el bobinado "secundario" está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético circulará a través de las espiras de éste. Al haber un flujo magnético que atraviesa las espiras del "secundario" se generará por el

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alambre del secundario una tensión. Habría corriente si hubiera una carga (si el secundario estuviera conectado a una resistencia, por ejemplo). La razón de la transformación de tensión entre el bobinado "PRIMARIO" y el "SECUNDARIO" depende del número de vueltas que tenga cada uno. El transformador ideal Un transformador ideal es una máquina sin pérdidas, con una bobina de entrada y una bobina de salida. Las relaciones entre las tensiones de entrada y de salida, y entre la intensidad de entrada y de salida, se establece mediante dos ecuaciones sencillas. La figura muestra un transformador ideal. El transformador tiene NP espiras de alambre sobre su lado primario y NS de espiras de alambre en su lado secundario. La relación entre la tensión VP (t) aplicada al lado primario del transformador y la tensión VS(t) inducido sobre su lado secundario es VP(t) / VS(t) = NP / NS = a En donde a se define como la relación de espiras del transformador. La relación entre la corriente ip(t) que fluye en el lado primario del transformador y la corriente is(t) que fluye hacia fuera del lado secundario del transformador es NP * iP(t) = NS * iS(t) iP(t) / iS(t) = 1 / a En términos de cantidades fasoriales, estas ecuaciones son VP / VS = a IP / IS = 1 / a

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Nótese que el ángulo de la fase de VP es el mismo que el ángulo de VS y la fase del ángulo IP es la misma que la fase del ángulo de IS. La relación de espiras del transformador ideal afecta las magnitudes de las tensiones e intensidades, pero no sus ángulos. El transformador real. Para entender el funcionamiento de un transformador real, refirámonos a la figura. Esta nos muestra un transformador que consiste en dos bobinas de alambre enrolladas alrededor de un núcleo del transformador. La bobina primaria del transformador está conectada a una fuente de tensión de ca y la bobina secundaria está en circuito abierto.

Cuando una fuente de potencia de CA se conecta a un transformador fluye una corriente en su circuito primario, aun cuando su circuito secundario esté en circuito abierto. Esta corriente es la corriente necesaria para producir un flujo en el núcleo ferromagnético real. Consta de dos componentes: I.

La corriente de magnetización im , que es la corriente necesaria para producir el flujo en el núcleo del transformador.

II.

La corriente de pérdidas en el núcleo ih  e , que es la corriente necesaria para compensar las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas.

La corriente de magnetización en el transformador no es sinusoidal. Los componentes de más alta frecuencia en la corriente de magnetización se deben a la saturación magnética en el núcleo del transformador. INGENIERÍA ELÉCTRICA

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Una vez que la intensidad máxima de flujo alcanza el punto de saturación en el núcleo, un pequeño aumento en la intensidad pico de flujo requiere un aumento muy grande en la corriente de magnetización máxima. La componente fundamental de la corriente de magnetización retrasa la tensión aplicada al núcleo en 90°. Los componentes de más alta frecuencia en la corriente de magnetización pueden ser más bien grandes, comparados con la componente fundamental. En general, cuanto más se impulse un núcleo de transformador hacia la saturación, tanto más grandes se volverán los componentes armónicos. III. ELEMENTOS A UTILIZAR: 

01 Transformador monofásico de 500 VA, 220/110 V



01 Multímetro digital



01 Amperímetro 0-5 A



01 Voltímetro de 0-300 V



01 Vatímetro monofásico



Conductores eléctricos varios



01 Variac monofásico

IV. ACTIVIDADES: a) Armar el siguiente circuito

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Figura 1.- Ensayo en vacío

a) Registrar los valores de los instrumentos, cuando la tensión en V2 es la nominal (110 V). Io(mA)

Vo(V)

Wo(W)

Rpf(  )

Xm(  )

Zm(  )

134.6

220

28.08

1723.64

5115.84

1634.47

 Calculo de Rpf(  ):

Rpfe

V02 2202    1723.64 P0 28.08

 Cálculo de Xm(  ):

Q  S 2  P 2  9.4608VAR

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Xm 

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V02 2202   5115.84 Q0 9.4608

 Finalmente, calculo Zm(  ):

Zm 

V0  1634.47 | I0 |

b) Armar el siguiente circuito.

Figura 2.- Ensayo de cortocircuito

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c) Regular el autotransformador variable desde cero voltios hasta conseguir que en ambos arrollamientos circule la corriente nominal del transformador (más o menos 5% V nominal). d) Registrar los valores de los instrumentos para esta Corriente nominal. Icc(A)

Vcc(V)

Wcc(W)

Rcc(  )

Xcc(  )

Zcc(  )

1.608

7.2

6.2

2.3978

3.7814

4.4776

 Calculo de Rcc(  ): RCC 

WCC 6.2   2.3978 2 I CC 1.6082

 Calculo Zcc(  ):

ZCC 

VCC 7.2   4.4776 | I CC | 1.608

 Calculo Xcc(  ): X CC  ZCC 2  RCC 2  3.7814

V.- CUESTIONARIO: 1. ¿Qué es la relación de transformación y cómo puede determinarse experimentalmente? La relación de transformación es el número de vueltas del devanado primario dividido por el número de vueltas de la bobina secundaria; la relación de transformación proporciona el funcionamiento esperado del transformador y la tensión correspondiente requerida en el devanado secundario.

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En el gráfico anterior se ilustran los parámetros de N1, N2, E1, E2, I1 e I2. De lo anterior se resume que la relación de transformación se determina con: K= N1/N2 = E1/E2 = I2/I1 2.

Haga la definición correcta de: la corriente de vacío, la corriente por pérdidas en el

fierro del núcleo y la corriente de magnetización, dibuje el diagrama fasorial de estas corrientes.  Corriente de Vacío: También llamada corriente de excitación, es la corriente necesaria para producir un flujo en el núcleo ferromagnético real.  Corriente por pérdida en el Núcleo: Es la corriente necesaria para compensar las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas.  Corriente de Magnetización: Es la corriente necesaria para producir el flujo en el núcleo del transformador.

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3. ¿Cuál es la ventaja de realizar la prueba de circuito abierto en el lado de bajo voltaje? Porque al recorrer por la bobina de bajo tensión una corriente pequeña, las pérdidas pueden despreciarse, y siempre en el lado del circuito abierto no pasará corriente es decir que las pérdidas serán nulas. Caso contrario, al haber más voltaje habrían más pérdidas en el lado de bajo voltaje. Otra razón para realizar la prueba en este lado es la disponibilidad de fuentes de bajo voltaje en cualquier instalación de pruebas y son más fáciles de trabajar. 4.

¿Por qué se prefiere ejecutar la prueba de cortocircuito en el lado de alto voltaje?,

analizar por qué en sistemas de potencia esta prueba es importante. Porque teniendo la misma potencia aparente, al aplicar la carga en el lado de bajo voltaje se generaría una corriente muy alta, que podría ser peligrosa incluso podría destruir el circuito. En cambio si se tiene en el lado de la alta tensión, al despejar la corriente sale una corriente más baja, la mitad, pues el voltaje es el doble, y esto trae más seguridad para el armado del circuito. 5. Dibuje el circuito equivalente del transformador ensayado en laboratorio con sus respectivos valores (R1, R2, X1, X2, Xm y Rpf).

R1=1.1989 

Rpf=1723.64 

R1 

R2=0.2997  X2=0.5597 

X1=2.2388 

Rcc 2.3978   1.1989 2 2

Xm=j5115.84 

R2 

Rcc 2.3978   0.2997 2 2 a 2  22

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X1 

Xcc 4.4776   2.2388 2 2

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X2 

Xcc 4.4776   0.5597 2  a2 2  22

6. ¿Qué significa “criterio de diseño óptimo” en transformadores? Es el criterio que busca la forma de obtener un abasto seguro de energía eléctrica, al menor costo posible, para obtener un máximo de economía, el criterio del diseñador debe dirigirse a suministrar un transformador de tal modo diseñado que la instalación inicial, la conservación y los gastos por operación representan un costo mínimo. VI. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES  Para el ensayo de circuito abierto, es más beneficioso trabajar energizando la bobina de bajo voltaje para tener menos pérdidas. Mientras que para el ensayo de cortocircuito, es más beneficioso trabajar energizando la bobina de alto voltaje, para reducir las corrientes y así prevenir accidentes que podrían ocurrir al trabajar con corrientes demasiado elevadas.  Una gran cantidad de pérdidas se generan en el material ferromagnético y en el cobre.  Los valores de las resistencias e impedancias en el ensayo del corto circuito son bajísimas, al ser corto circuito es simplemente la resistencia que ofrece el alambre al paso de la corriente. En cambio en circuito abierto las resistencias son altísimas, tal como si no pasara corriente. VII.-BIBLIOGRAFÍA  Máquinas eléctricas / Stephen J. Chapman ; revisión técnica José Demetrio Martínez, Juan Yedra Morón Bogotá [etc.] : McGraw-Hill, 1987

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 https://www.academia.edu/6888834/SISTEMAS_EL%C3%89CTRICOS_DE_POTEN CIA_Laboratorio_3_PRUEBAS_DE_VAC%C3%8DO_Y_CORTOCIRCUITO_EN_T RANSFORMADORES_Especialidad_Electrotecnia_Industrial_Secci%C3%B3n_C145-A_Integrantes  https://geekygadgetutoriales.wordpress.com/2013/07/27/electronica-basica-circuitoabierto-y-corto-circuito/

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