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• Benito Camela

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Universidad Autónoma De Nuevo León

FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA Y ELÉCTRICA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS II

Nombre: _______________________________ Matrícula: _______________ Brigada: ________

Semestre: _______________

Universidad Autónoma De Nuevo León

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS II UNIDAD TEMATICA TRANSFORMADORES Práctica # 1 “El Transformador” Objetivo: esta práctica de laboratorio tiene como objetivo para el alumno desarrollar las siguientes competencias:

•

Será capaz de explicar el principio de funcionamiento de los Transformadores.

•

Discutirá la construcción de un Transformador de Distribución.

•

Calculara la relación de Transformación.

Material: •

Transformador Monofásico

•

Voltímetro

•

Autotransformador Variable

•

Terminales

•

Osciloscopio

Introducción

En la actualidad se requiere transportar grandes cantidades de energía eléctrica desde las Centrales de Generación hasta los centros de consumo, esto no podría ser posible sin el desarrollo de los transformadores. Con el desarrollo de la industria, se tuvo la dificultad de trasladar la energía de un lugar a otro, haciendo más evidente, la ineficiencia, de la generación con corriente directa a baja tensión para alimentar los circuitos de alumbrado y de fuerza motriz; esto, hacia sumamente ineficiente la transmisión de grandes bloques de energía. Se vio entonces la necesidad de elevar la tensión en los centros de generación para llevar a cabo la transmisión de energía y reducirla al llegar a los centros consumo con la menor perdida de energía posible. El dispositivo ideal para llevar a cabo este proceso de transformación es el transformador, cambiando con ello, el uso de la corriente directa a corriente alterna, dado que el transformador funciona solo con corriente alterna.

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Partes principales de un transformador Las partes que componen un transformador son clasificadas en cuatro grandes grupos, los cuales comprenden: 1. 2. 3. 4.

Circuito magnético (núcleo) Circuito eléctrico (bobinas) Sistema de aislamiento Tanque, herrajes y accesorios.

Boquillas de Alta tensión

Tanque

Circuito Magnético

Bobinas

Partes del transformador.

Principios de operación del transformador monofásico

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Las fuerzas electromotrices (f.e.m.) se inducen por la variación del flujo magnético. Las espiras y el circuito magnético están en reposo uno con respecto al otro y las f.e.m. se inducen por la variación de la magnitud del flujo con el tiempo.

Transformador monofásico con el secundario en circuito abierto. La f.e.m. inducida en un transformador es proporcional a 4 factores: la frecuencia f, número de espiras N, la

inducción magnética Bm y el área de la sección transversal del núcleo donde se montaran las bobinas. E = 4,44ƒNBmA Por lo anterior, está claro que los volts por vuelta son exactamente lo s mismos para los devanados primario y secundario. Esto significa que, en cualquier transformador, las tensiones inducidas en el primario y secundario están relacionadas una de la otra por la relación del número de vueltas del primario y del secundario, así que: E1 N1 = E2 N2 Relación de transformación La relación de vueltas de primario a secundario N1:N2 las cuales equivalen a la relación de f.e.m. del primario y del secundario E1:E2 esta relación de vueltas, o la relación de tensiones inducidas, es llamada la relación de transformación y es representada por el símbolo “a”, así que: NN1 a= N2

E1 = E2

Dado a que la entrada de tensión del primario V1 y la tensión de carga del secundario V2 son casi iguales a sus tensiones inducidas respectivamente, la relación de las tensiones terminales V1:V2 es frecuentemente llamado la relación de transformación. La verdadera relación de transformación, es constante mientras que la relación V1:V2 cerca del 1 al 8% dependiendo de la carga y del factor de potencia.

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Desarrollo: 1. Armar el siguiente circuito Osciloscopio

Transformador R=2Ω x1

Autotransformador

I exc

H1

1 Osciloscopio X2

H2

2. Aplique un Vca alrededor de 50V al lado de baja del transformador, observe y dibuje las señales que aparecen en el osciloscopio. Forma de Onda de la Corriente de Excitación

Forma de Onda del Voltaje Inducido

3. Arme el siguiente circuito

Transformador x1

Autotransformador

1

X2

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H1

H2

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5. Aplique diferentes voltajes al lado de baja del transformador por medio del autotransformador, mida y registre los voltajes V1 y V2, calcule la relación te transformación.

V1

V2

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a

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Reporte:

1. Definir conceptualmente ¿Qué es un transformador? 2. Explique por qué se obtienen las formas de onda observadas en la práctica. 3. Deducir matemáticamente como se llega a la ecuación general del transformador 4. ¿De qué parámetros depende el volt/vuelta de un transformador? 5. Definir ¿qué es la relación de transformación y como se representa matemáticamente? 6. ¿Varia la relación de transformación en vacío al variar el voltaje aplicado? 7. ¿Qué sucede si al transformador se le alimenta con una frecuencia diferente a la nominal? 8. ¿De qué depende el flujo magnético que produce la bobina primaria de un transformador? 9. ¿Por qué la densidad máxima de flujo magnético no debe estar muy alejada de la porción lineal de curva de B-H del material – acero eléctrico – del núcleo? 10. Investigue acerca del “Inrush Current” del Transformador

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LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS II Práctica # 2

Prueba de Polaridad en los Transformadores

Objetivo: esta práctica de laboratorio tiene como objetivo para el alumno desarrollar las siguientes competencias: •

Aplicar el procedimiento para la determinación de la Polaridad en Transformadores.

•

Marcado de Terminales de las bobinas de un transformador según su Polaridad Relativa Instantánea.

•

Discutir las conexiones sustractiva y aditiva para Transformadores.

Material: • • •

Transformador Monofásico Voltímetro Terminales

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Introducción Los transformadores monofásicos o bien polifásicos, tienen marcados los terminales con un sistema patrón que designa la POLARIDAD del transformador. Para conectar los arrollamientos del mismo transformador en paralelo, o bien para interconectar dos o más transformadores en paralelo, o bien para conectar transformadores monofásicos para transformación polifásica de tensiones, es necesario conocer la designación de los terminales. La marca de polaridad del transformador designa las direcciones relativas instantáneas de la corriente en los terminales del transformador. Los transformadores en cuanto a la polaridad se dividen en: a) POLARIDAD ADITIVA: Significa que los terminales de un mismo lado tienen subíndices diferentes (H1, X2; H2, X1). Recordando que los subíndices se escogen de modo que cuando H1 es + con respecto a H2 simultáneamente X1 lo será respecto a X2 y las tensiones se suman.

H1

H2

X2

X1

b) POLARIDAD SUSTRACTIVA: Cuando las terminales de un mismo lado poseen subíndices iguales (H1, X1; H2, X2), las tensiones se restan. H1

X1

H2

X2

Polaridad ADITIVA: VH y VX se suman. Polaridad SUSTRACTIVA: VH y VX se restan.

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Desarrollo: 1. Armar el siguiente Circuito.

2. Coloque la marca de polaridad en su terminal de referencia. 3. Aplique un voltaje de referencia al que llamaremos, Va. Va = _________________ Volts 4. Observe el valor de Vm y registre:

Vm=_________________ Volts

5. Obtenga conclusiones. Vm > Va → Polaridad Aditiva Vm< Va → Polaridad Sustractiva

6. Tipo de Polaridad del transformador: _________________

REPORTE: 1.

¿Qué entiende por Polaridad Relativa?

2.

Comente la importancia de conocer la polaridad de un transformador

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LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS II Práctica # 3 Conexiones de Transformadores

Objetivo: Esta práctica tiene como objetivo para el alumno desarrollar las siguientes competencias. • • • •

Conectar tres transformadores monofásicos para formar un banco trifásico. Conectar los devanados del transformador para formar una configuración estrella. Conectar los devanados del transformador para formar una configuración Delta. Se observará las características de las diferentes conexiones trifásicas entre transformadores para poder tomar decisiones a la hora de elegir alguna configuración según convenga en el proyecto.

Material: • • • •

Banco de transformadores Monofásicos de 220/220 V de 1 KVA. Multímetro Terminales Banco de focos de 220 volts.

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Introducción: El cambio de nivel de tensiones y corrientes en los sistemas trifásicos puede realizarse de 2 maneras distintas. Una opción es la que consiste en utilizar un transformador monofásico por cada fase del sistema trifásico ( 3 fases ), de tal manera que se formen circuitos magnéticos independientes. Este sistema es poco económico, ya que emplearían 3 núcleos magnéticos, a lo que es poco práctico por ser necesario incorporar 3 unidades idénticas para realizar la transformación. La segunda opción consiste en emplear un solo núcleo magnético en el que se incorporan todos los devanados necesarios. En ambos casos las conexiones de los devanados se podrán conectar entre sí para formar las siguientes conexiones trifásicas:

Estrella –Estrella Delta – Estrella Delta – Delta Estrella – Delta Delta Abierta

Se debe tomar en cuenta que algunas de las conexiones anteriores originan un desplazamiento de ángulo entre tensiones primarias y secundarias, por ejemplo la conexión Delta- Estrella produce un desfasamiento de 30⁰. La relación de fase de los transformadores triásicos es tal que el ángulo de fase puede ser de 0⁰ o 30⁰ entre el devanado primario y secundario.

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Desarrollo: a) Sistema Monofásico

1) Alimente el lado de alta del transformador con 220 volts y la terminal X2 conéctela sólidamente a tierra. Tome las siguientes mediciones:

VH1-H2 =_______________volts

VX1-X2 = _______________volts V X2-X3 =_______________volts VX1 –X3 =_______________volts

Observaciones:

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2) Alimente el lado de alta del transformador con 220 volts y la terminal X2 desconéctela de tierra tal y como se muestra en el dibujo. Tome las siguientes mediciones:

VH1-H2 =_______________volts

VX1-X2= _______________volts V X2-X3 =_______________volts VX1 –X3 =_______________volts

Observaciones:

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b) Sistema Trifásico Conexión Estrella – Estrella (Y – Y) 1.- Arme el siguiente circuito con el banco de transformadores monofásicos:

2.- Conecte una carga Balanceada al lado de baja del transformador con el Neutro del lado de alta conectado sólidamente a tierra, alimente 220V, haga las siguientes mediciones: V H1 – H2 = __________volts V X1 – X0 = __________volts

V H2- H3 = __________volts V X2- X0 = __________volts

VH3 – H1 =__________volts VX3 – X0 =__________volts

3.- Ahora conecte una carga Desbalanceada al lado de baja del transformador con el Neutro del lado de alta conectado sólidamente a tierra, haga las siguientes mediciones:

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

Nota: No olvide conectar el conductor de retorno en el lado de baja, esto se hace uniendo X0 con el punto neutro de la carga.

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4.-Retire la puesta a tierra del neutro del lado de alta, a esto se le llama neutro flotante.

5.- Conecte una carga Balanceada al lado de baja del transformador con el Neutro Flotante en el lado de alta, haga las siguientes mediciones:

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

6.- Ahora conecte una carga Desbalanceada al lado de baja del transformador con el Neutro Flotante en el lado de alta, tal como se muestra en el dibujo, haga las siguientes mediciones:

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

Observaciones:

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Conexión Delta – Estrella (Δ – Y):

1.- Arme el siguiente circuito con el banco de transformadores monofásicos:

2.- Conecte una carga Balanceada al lado de baja del transformador, haga las siguientes mediciones: V H1 – H2 = __________volts

V H2- H3 = __________volts

VH3 – H1 =__________volts

V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

3.-Ahora conecte una carga Desbalanceada al lado de baja del transformador, haga las siguientes mediciones: V H1 – H2 = __________volts

V H2- H3 = __________volts

VH3 – H1 =__________volts

V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

Observaciones:

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Conexión Delta – Delta (Δ – Δ):

1.- Arme el siguiente circuito con el banco de transformadores monofásicos:

2.- Conecte una carga Balanceada al lado de baja del transformador, haga las siguientes mediciones: V H1 – H2 = __________volts

V H2- H3 = __________volts

VH3 – H1 =__________volts

V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

3.- Ahora conecte una carga Desbalanceada al lado de baja del transformador, haga las siguientes mediciones: V H1 – H2 = __________volts

V H2- H3 = __________volts

VH3 – H1 =__________volts

V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

Nota: Como el transformador esta en conexión Δ en el lado de la carga, esta deberá conectarse en Δ. Observaciones:

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Conexión Estrella – Delta (Y – Δ):

1.- Arme el siguiente circuito con el banco de transformadores monofásicos:

2.- Conecte una carga Balanceada al lado de baja del transformador, haga las siguientes mediciones: V H1 – H2 = __________volts

V H2- H3 = __________volts

VH3 – H1 =__________volts

V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

3.- Ahora conecte una carga Desbalanceada al lado de baja del transformador, haga las siguientes mediciones: V H1 – H2 = __________volts

V H2- H3 = __________volts

VH3 – H1 =__________volts

V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

Nota: Como el transformador esta en conexión Δ en el lado de la carga, esta deberá conectarse en Δ. Observaciones:

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Conexión Delta Abierta

1.- Arme el siguiente circuito con el banco de transformadores monofásicos:

2.- Alimente 220 volts al lado de alta y haga las siguientes mediciones: V H1 – H2 = __________volts

V H2- H3 = __________volts

VH3 – H1 =__________volts

V X1 – X2 = __________volts

V X2- X3= __________volts

VX3 – X1 =__________volts

V X1 – X0 = __________volts

V X2- X0 = __________volts

VX3 – X0 =__________volts

Observaciones:

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REPORTE

1. Consiste en la ejecución de esta práctica y agregando sus observaciones. 2. Investigue las características principales de cada conexión vista en la práctica. 3. Investigue acerca de la aplicación de las conexiones Scott y Zig-Zag.

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Práctica # 4 Ensayo de Vacío y Corto Circuito al Transformador

Objetivo: esta práctica de laboratorio tiene como objetivo para el alumno desarrollar las siguientes competencias. • •

El alumno conocerá las pruebas necesarias para calcular los parámetros del circuito equivalente del transformador. Obtendrá los parámetros del transformador y analizará el funcionamiento del transformador.

Material: • • • • • •

Transformador Monofásico 1 Voltímetro 1 Amperímetro 1 Wattmetro Monofásico Autotransformador Variable Terminales

Introducción Los parámetros del circuito equivalente de un transformador pueden determinarse si se efectúan dos pruebas no destructivas: 1. La prueba de Vacío ( Circuito Abierto ) 2. La prueba de Corto Circuito

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Prueba de Vacío: El objetivo de la prueba de vacío es obtener los valores de los elementos del circuito eléctrico de la rama de excitación.

Procedimiento: 1. Se aplica voltaje V0 a uno de los devanados, con las terminales del otro devanado en circuito abierto. 2. Se mide la corriente I0 que demanda el devanado alimentado. 3. Se mide la potencia P0 que demanda el devanado alimentado.

Se recomienda que el voltaje V0 sea igual al voltaje nominal del devanado, por lo que es preferible que la prueba se realice por el lado de menor tensión, de acuerdo a la siguiente figura:

En esta condición de vacío, se calculan los parámetros de la rama de excitación, Gc y –jBm, que modelan el núcleo de material ferromagnético.

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Obtención de los Parámetros: Calculamos la Admitancia a partir de los valores medidos, Y0 = | I0 / V0 | De la ecuación de la potencia P0 = V0 I0 Fp0 se calcula: FP0 = P0 / V0 I0

Obteniendo el Angulo theta θ0 = cos-1 FP0

Tenemos que la admitancia en forma polar es Y0 = | I0 / V0 | < -θ0 Siemens

Y en forma rectangular Y0 = Gc –jBm Siemens

Tómese en cuenta que los parámetros estarían calculados en el lado de baja tensión, pero con las relaciones de voltajes y corrientes obtenidas, se podrán referir los parámetros al lado de alta tensión. Prueba de Corto Circuito: El objetivo de la prueba de Corto Circuito es obtener los parámetros que modelan los devanados del transformador:

Procedimiento: 1.

Se alimenta a uno de los devanados con un voltaje, que es una porción del nominal, Vcc con el otro devanado en corto circuito. 2. Se mide la corriente Icc que demanda el devanado alimentado, teniendo que Icc = Inominal 3. Se mide la potencia Pcc que demanda el devanado alimentado.

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Se recomienda poner el corto circuito en el devanado de baja tensión. Aplicar el voltaje Vcc en lado de alta tensión, esto es aplicarlos en forma reducida con la ayuda del autotransformador hasta alcanzar la corriente nominal, de acuerdo al siguiente esquema:

En la condición de corto circuito, prácticamente, los elementos del circuito eléctrico del secundario, se verían reflejados al lado del transformador donde se aplica el voltaje:

Obtención de los Parámetros: De la figura anterior observamos lo siguiente: Req11 = R1 + R´2

jXeq11 = jXl1 +jXl2 Zeq112 = Req112 + Xeq112

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De donde a partir de los valores medidos se calcula lo siguiente: Zeq11 = | Vcc / Icc |

FPcc = Pcc / Vcc Icc θcc = cos-1 FPcc

Zeq11 = | Vcc / Icc | < θcc Ω y en forma rectangular: Zeq11 = Req11 +jXeq11 Ω R1 = Req11 / 2 = R´2 Ω

y

R2 = R´2 / a2 Ω

jX11 = jXeq11 / 2 = jXl´2 Ω

y

jXl2 = jXl´2 / a2 Ω

De esta manera quedarían calculados: R1, R2, jXl1, jXl2, Gc y –jBm Todos los parámetros estarían dados en Ω

R1

Xl1

Xl2

Gc

R2

Bm

Desarrollo: 1. Toma de Datos de la placa del Transformador (Valores Nominales): Potencia :_____________kVA

VH:

____________Volts

IH : _____________Amp

VX:

____________Volts

IX : _____________Amp

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a) Prueba de Vacío: Se requiere aplicar el voltaje nominal al lado de “Baja del Transformador” mientras el lado de mayor voltaje esta en circuito abierto. 1. Arme el siguiente Circuito:

I0 P0

X1

H1

CIRCUITO V

V0

TRANSFORMADOR

X2

ABIERTO

H2

2. Por medio del autotransformador, aplique un voltaje en pasos partiendo de cero hasta el voltaje nominal, al estar en la condición de vacío, mida y registre los valores de voltaje, corriente y potencia. Vo =_____________Volts Io = _____________ Amp Po=_____________ Watts

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3. Pasar las mediciones anteriores a %, esto es dividiendo la cantidad medida entre el valor nominal del parámetro a evaluar.

Vo = ____________% Io = _____________ % Po=_____________ %

b) Prueba de Corto Circuito 1. Arme el siguiente circuito:

CORTO CIRCUITO ICC

PCC H1

X1

TRANSFORMADOR

Vca

VCC

H2

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X2

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2. Por medio del autotransformador, aplique un voltaje en pasos partiendo de cero hasta que circulen las corrientes nominales en ambos devanados, mida y registre los valores de voltaje, corriente y potencia.

Vcc =_____________Volts Icc = _____________ Amp Pcc=_____________ Watts

3. Pasar las mediciones anteriores a %, esto es dividiendo la cantidad medida entre el valor nominal del parámetro a evaluar.

Vcc = ____________% Icc = _____________ % Pcc=_____________ %

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Reporte: 1. Calcule los parámetros del Circuito Equivalente del transformador R1, R2, jXl1, jXl2, Gc y –jBm.

2. Calcule él % de Impedancia del transformador sometido a la pruebas 3. Calcule las corrientes de corto circuito de lado de alta y baja tensión del transformador sometido a la pruebas. 4. ¿Cual es lado de mayor impedancia? 5. ¿Cómo es el FP del transformador en la condición de vacio?

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Práctica # 5

Transformador con Carga

Objetivo: Esta práctica tiene como objetivo para el alumno desarrollar las siguientes competencias. • • •

Observar el comportamiento del Transformador con Carga. Calcular el Porciento de Regulación de Voltaje. Obtener la Eficiencia del Transformador a los distintos valores de Carga.

Material: • • • • • • • •

Transformador Monofásico 2 Voltímetro 2 Amperímetro 2 Wattmetros 2 Factorimetros Banco de Focos como Carga Resistiva Banco de Inductancia Variable como Carga en atraso Banco de Capacitancia Variable como Carga en adelanto

• Terminales

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Introducción: Cuando un transformador se encuentra sin carga, esto es que en el lado secundario no circula corriente, circula una corriente muy pequeña en el primario, que suele ser del 1 al 3% de la corriente nominal del primario (I1) a esta corriente se le llama de vacío o excitación, esta corriente genera la f.m.m. que produce el flujo mutuo y compensa las pérdidas del núcleo. Para los distintos tipos de cargas el voltaje inducido E1 en el primario es producto del flujo mutuo que es casi igual en magnitud a la tensión aplicada en terminales del primario V1, y difiere de ella solo ligeramente, debido a la pequeña impedancia del primario.

Transformador monofásico con carga en el secundario. Dado a que el valor de V1 es constante, la diferencia entre la f.e.m. inducida E1 y V1 debe ser casi nula, por lo anterior E1 es casi constante, el flujo mutuo Φ también es aproximadamente para todas las cargas nominales y, por lo tanto la f.m.m. que lo produce; lo mismo que las pérdidas en el hierro, deben ser prácticamente normales del transformador. La f.e.m. inducida en el primario, E1, es una f.c.e.m. que se opone a la corriente que entra en el primario Si se aplicamos una carga al secundario, tendremos una corriente I2, cuya magnitud y desfasamiento respecto a la tensión en las terminales de dicho secundario quedará determinada por las características de la carga. De acuerdo a la Ley de Lenz, la dirección de la corriente en el secundario debe ser tal que se oponga a las variaciones del flujo, que establece que una corriente inducida tiene siempre una dirección que se opone a la causa que lo produce. Así es que la corriente en el secundario I2 tiende a reducir el valor del flujo mutuo en el núcleo del transformador. Si este flujo se reduce, el E1 del primario se reduce también, lo que permite que circule más corriente por él, suministrando la energía requerida por el aumento de potencia debida a la carga aplicada al secundario y haciendo que el flujo adquiera de nuevo un valor cercano al inicial. Esta es la sucesión de reacciones que se producen después de aplicar la carga al secundario, que permite al primario absorber de la línea de alimentación la energía requerida por el incremento de potencia exigida por el secundario.

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Desarrollo: Datos de Placa del Transformador (Valores Nominales):

kVA: __________

1.

VH: __________volts

VX: __________A

IH: __________A

IX:__________A

Arman el siguiente circuito.

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2.

Energice el transformador en vacío y registre las condiciones iniciales Primario V1 =

Secundario V2 =

I1 = P1 = FP1 =

3.

Aplique carga y registre los datos según lo que se indica en las tablas I, II y II de la siguiente forma:

Tabla I Carga Resistiva FP = 1

Tabla II Carga Inductiva FP = 0.9

Tabla III Carga Capacitiva FP =0.9

Nota: Mantener el factor de potencia Constante en cada punto de carga

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Tabla I Carga Resistiva @ FP = 1

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Tabla II Carga Inductiva @ FP = 0.9

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Tabla III Carga Capacitiva @ FP = 0.9

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Fórmulas: Laboratorio de Máquinas Eléctricas II Departamento de Máquinas Eléctricas, FIME - UANL

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Psal % Eficiencia

=

X100 Pent

V2vacio- V2carga %Reg

=[

]X100 V2carga

Transformador: 1φ, KVA = 1000xVxI 3φ, KVA = 1000x√3xVxI

Reporte: 1. Complete la tabla 2. Grafique los datos Eficiencia y % de Voltaje contra la corriente de Carga de cada tabla. 3. Con los parámetros del circuito equivalente de la práctica anterior, calcule la Eficiencia y él % de Regulación a un valor de carga de la tabla y compare sus resultados con lo registrado.

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Práctica # 6

El Motor de Inducción Trifásico

Objetivo: Esta práctica de laboratorio tiene como competencias para el alumno los siguientes putos: • • • •

Dar a conocer el Principio de Funcionamiento de los Motores de Inducción Trifásicos. Discutir la construcción de los Motores de Inducción de Jaula de Ardilla y Rotor Devanado. Observar la puesta en Marcha de los Motores de Inducción de Jaula de Ardilla y Rotor Devanado. Estudiar la placa de Características de un Motor de Inducción.

Material: • • • • • •

Motor de Inducción de Jaula de Ardilla Motor de Inducción de Rotor Devanado Voltímetro Amperímetro Terminales Arrancador trifásico a Tensión Plena de 220 Volts

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Introducción: La importancia de los motores de inducción se debe a su construcción simple y robusta, sobre todo en el caso del rotor de jaula de ardilla, que puede operar en las circunstancias más adversas, dando un excelente servicio con pequeño mantenimiento. Hoy en día se puede decir que más del 80% de los motores eléctricos industriales emplean a los motores de inducción, ya que estos trabajan con una frecuencia de alimentación constante. Sin embargo, históricamente su inconveniente más grave ha sido la limitación para regular su velocidad y de ahí que cuando esto era necesario, en diversas aplicaciones como la tracción eléctrica, trenes de laminación, etc., eran sustituidos por motores de c.c., que eran más idóneos para este servicio. Desde finales del siglo XX y con el desarrollo de la electrónica industrial, con accionamientos electrónicos como inversores y ciclo convertidores, que permiten obtener una frecuencia variable a partir de la frecuencia constante de la red, y con la introducción del microprocesador en la electrónica de potencia, se han realizado grandes cambios, y los motores de inducción se han colocado como accionamientos eléctricos de velocidad variable.

Las máquinas de CA trifásicas de tipo asíncrono (motores de inducción) se caracterizan por el hecho de que la velocidad de giro de su rotor es siempre distinta a la velocidad del campo magnético giratorio, llamada velocidad síncrona. Esto quiere decir que sea cual sea su modo de funcionamiento, nunca pueden desarrollar la velocidad síncrona. Este tipo de máquinas recibe también el nombre de “Máquinas de Inducción” esta denominación se debe al hecho de que, a diferencia de otros tipos de máquinas (como, por ejemplo, las síncronas), no es necesario un sistema de excitación externo, ya que esta corriente se genera como consecuencia de la fem inducida por la acción del estator sobre el rotor. Las máquinas asíncronas pueden clasificarse en función de los siguientes aspectos: Por el número de fases El número de fases hace siempre referencia al bobinado del estator, es decir, al número de fases de la red que se conecta a su estator. En función de este aspecto se clasifican en: − Monofásicas. − Polifásicas (siendo las máquinas trifásicas las más empleadas). Por el tipo de rotor En función de las características constructivas de su rotor, las máquinas asíncronas pueden ser: − Rotor Devanado − Jaula de Ardilla.

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Los motores de rotor devanado, su circuito eléctrico se construye devanando los conductores sobre las ranuras del núcleo magnético del rotor. Por lo general, se trata de un circuito trifásico conectado en estrella cuyos terminales están conectados a unos anillos rozantes, aislados entre sí, colocados sobre la flecha. Estos anillos permiten que, mediante unas escobillas fijas que hacen contacto sobre ellos, se tenga acceso al circuito eléctrico del rotor con el objetivo de modificar sus características de operación mediante la adición de resistencias.

El circuito eléctrico del tipo jaula de ardilla se construye mediante barras de aluminio o cobre ubicadas en las ranuras del núcleo magnético del rotor. Todas estas barras se cortocircuitan entre sí por sus extremos mediante dos anillos, uno para cada extremo de las barras. Este tipo de rotor es mucho más robusto que el rotor bobinado, sin embargo, presenta el gran inconveniente de no permitir el acceso al circuito eléctrico del rotor.

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Partes Principales de los Motores de Inducción Al igual que todas las máquinas rotativas, las máquinas asíncronas constan fundamentalmente del estator, rotor y un entrehierro de separación. Estator El bobinado del estator realiza la función de inductor, creando el campo magnético giratorio. El núcleo del estator está constituido por un paquete de laminaciones magnéticas de baja perdidas y alta permeabilidad con ranuras donde se alojara el devanado del estator. Los conductores eléctricos empleados son cobre electrolítico con aislamiento. La carcasa es la envolvente del motor, el tamaño de la carcasa es definida por los HP y la velocidad del motor.

Rotor El bobinado del rotor es el inducido. Se construye del tipo rotor bobinado o jaula de ardilla con las características indicadas en el apartado anterior.

Rotor Devanado

Rotor Jaula de Ardilla

El rotor bobinado debe ser construido para el mismo número de polos que el estator. En e. caso de rotor de jaula de ardilla, la influencia del campo creado por el estator hace que en e. rotor surja espontáneamente el mismo número de polos que en el estator. Laboratorio de Máquinas Eléctricas II Departamento de Máquinas Eléctricas, FIME - UANL

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Funcionamiento del motor asíncrono El devanado trifásico del estator está formado por grupos de espiras correspondientes a tres fases, las cuales se encuentran distribuidas en un arco de 2π/a ( a= circuitos paralelos ) en la periferia del estator, este devanado puede ser conectado en Delta o Estrella según las buenas prácticas de diseño. Cuando a las tres fases del estator se las alimenta con un sistema trifásico equilibrado de tensiones, por sus espiras circulará un sistema de corrientes trifásicas equilibradas i1(t), i2(t), í3(t) que, según el teorema de Ferraris, van a provocar la aparición de un campo magnético rotativo que gira a velocidad constante, llamada velocidad síncrona, nS.

Principio de funcionamiento del motor asíncrono trifásico. Debido a este campo magnético giratorio, se van a inducir unas fuerzas electromotrices en los devanados del rotor. Como estos bobinados están cortocircuitados (mediante los anillos en la jaula de ardilla o uniendo los principios entre sí y finales entre sí en el rotor devanado), van a circular por ellos unas corrientes que, como se encuentran dentro de un campo magnético, provocarán según la Ley de Laplace la aparición de fuerzas y pares que hacen girar al rotor a una velocidad nR de igual sentido que la velocidad nS. Del propio principio de funcionamiento se deduce que la velocidad final del rotor nR nunca podrá llegar a ser igual a nS (ya que la ley de Faraday exige que exista una velocidad relativa entre el campo magnético giratorio y el conductor), aunque, tal y como se justificará más adelante, va a ser muy próxima. Cuando el rotor gira a nR, la velocidad relativa entre el rotor y el campo rotativo del estator es la velocidad de deslizamiento (nDESLIZAMIENTO), lo que provoca que la frecuencia de las fuerzas electromotrices y corrientes del rotor sea: 𝑓𝑟 =

𝑝⦁𝑛 𝑑𝑒𝑠𝑝𝑙𝑎𝑧𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝⦁𝑠⦁𝑛𝑠 = = 𝑠⦁𝑓𝑒 120 120

En la situación de vacío, esto es, sin carga acoplada al eje del rotor, la velocidad del rotor es próxima a la del campo magnético, es decir, nDESLIZAMIENTO es próxima a cero. En las situaciones de carga esta velocidad será algo mayor, pero también cercana a cero. Por tanto, la frecuencia de las corrientes del rotor es baja, lo que dará lugar a bajas pérdidas del hierro en el rotor de la máquina.

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Procedimiento: 1. Observar y discutir la construcción de los motores de inducción 2. Comentar las diferencias en construcción entre el motor de inducción jaula de ardilla y rotor devanado 3. Discutir y Observar el arranque de los motores jaula de ardilla y rotor devanado

Jaula de Ardilla •

Conecte el motor al arrancador a tensión plena

•

Aplique el voltaje nominal para poner en marcha al motor sin carga y mida la corriente de arranque con un amperímetro (Inrush) :__________________A

•

Compare la corriente de arranque con la corriente nominal mostrada en la placa de datos

•

Mida la velocidad de giro en la flecha del motor: ________________RPM

•

Desenergize y haga una inversión en 2 terminales y arranque nuevamente. Que sucede?__________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________

•

Aplique el voltaje nominal para poner en marcha al motor bloqueando la flecha ( simulando la aplicación de carga ) y mida la corriente de arranque con un amperímetro con la función “Inrush” :__________________A

•

Ahora conecte un inversor éntrela fuente de voltaje y el motor, energize y varié la frecuencia en el inversor, mida y registre lo siguiente: Frecuencia aplicada: _______________Hz RPM en la flecha del motor: ____________RPM

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Rotor Devanado •

Conecte el motor al arrancador a tensión plena

•

Aplique el voltaje nominal para poner en marcha al motor, dejar en circuito abierto el rotor El motor se pone en marcha?______________________ Mida el voltaje inducido en el rotor: R1-R2:_______________V R2-R3:_________________V

R3-R1:______________V

•

Ahora cortocircuite la terminales de rotor R1,R2 y R3. Aplique el voltaje nominal para poner en marcha al motor sin carga y mida la corriente de arranque con un amperímetro (Inrush) :__________________A

•

Mida la velocidad de giro en la flecha del motor: ________________RPM

•

Conecte las terminales de rotor R1,R2 y R3 al reóstato, este debe de estar en la posición de start . Aplique el voltaje nominal para poner en marcha al motor sin carga y mida la corriente de arranque con un amperímetro (Inrush) :__________________A

•

Mida la velocidad de giro en la flecha del motor: ________________RPM

•

Compare las corrientes de arranque de los puntos anteriores. Que observa? _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________________

•

Mida la velocidad de giro en la flecha del motor: ________________RPM

•

Desenergize y haga una inversión en 2 terminales y arranque nuevamente. Que sucede?_________________________

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Reporte: 1. Explique con sus palabras el principio de funcionamiento del motor de inducción trifásico. 2. Realice un esquema que contenga los objetivos de las partes principales del motor de inducción. 3. ¿La velocidad de giro de un motor asíncrono de 60 Hz cambia de sentido cuando se hace la inversión de dos fases de la alimentación del motor? 4. En un motor asíncrono trifásico de rotor bobinado, ¿los anillos rozantes tienen la misión de permitir introducir la corriente continua al rotor? 5. Investigue el significado de la información que se muestra en la siguiente placa de Datos.

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Práctica # 7

Identificación de Terminales al Motor de Inducción Trifásico

Objetivo: Esta práctica tiene como objetivo para el alumno desarrollar las siguientes competencias. •

El alumno conocerá la identificación de Terminales según NEMA para los Motores Trifásicos de Inducción.

•

Aplicara el procedimiento para la re-identificación de Terminales de un Motor de Jaula de Ardilla con 9 Terminales en conexión Estrella.

•

Conocerá el procedimiento para la re-identificación de terminales de un motor de jaula de ardilla con 9 terminales en conexión Delta.

Material: •

Motor de Inducción de Jaula de Ardilla 220/440 Volts, 9 Terminales en Conexión Estrella

•

Voltímetro

•

Amperímetro

•

Autotransformador Variable trifásico.

•

Terminales

•

Cinta “Masking Tape”

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Introducción: Identificación terminales del NEMA para motores de inducción y generadores síncronos.

Manera de identificar los nueve terminales (sin designación) de un motor trifásico para doble tensión de servicio. La primera operación consiste en averiguar si el motor en cuestión está conectado en Estrella o en Delta. Para ello se efectúa una prueba de continuidad entre cada uno de los nueve terminales y todos los demás. Esta prueba, que se lleva a cabo fácilmente con Óhmetro, tiene por objeto determinar el número de circuitos interiores que componen el arrollamiento primario. Si se encuentra cuatro circuitos independientes —tres de dos terminales y uno de tres terminales— el motor estará conectado en estrella; si sólo se encuentran tres circuitos de tres terminales cada uno, el motor estará conectado en triángulo. Supongamos ahora que nos hallamos en el primer caso, puesto que la prueba acaba de acusar la presencia de cuatro circuitos. Evidentemente, el circuito con tres terminales será el que forma el centro de la estrella, y los otros tres circuitos de dos terminales constituirán los extremos de la misma. Se procederá de acuerdo con las etapas siguientes.

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Desarrollo: Motor de 9 terminales, conexión en estrella.

1. Encontrar continuidad entre terminales.

2. Una vez encontrada la estrella interna, identificar según su diagrama

Estrella Interna

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3. Ajuste la fuente de CA trifásica variable a un Voltaje de referencia,

VR.

Voltaje de referencia, VR : _____________ V

4. Conectar la Estrella Interna a la fuente trifásica tal como se muestra a continuación.

5. Traer un par de terminales donde se halló continuidad y una de estas terminales conéctela en 7 y la otra conéctela al voltímetro, tal como se muestra en la figura.

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6. Energice y mida los voltajes V1 y V2

7. Analizar mediciones y obtener conclusiones.

Si V1 = V2>VR

Tenemos:

T7→T4 T8→T5 T9→T6

Si V1 = V2