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CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS 2016 UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE INDUSTRIAS ALIMENTARIAS LABORATORIO DE CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS 2014-B PRACTICA: N 4 TEMAS: Maquinas Eléctricas -Transformador Monofásico. GRUPO: JUEVES (7-9)am NOMBRE: JONATHAN CHOQUE CARPIO I.- OBJETIVO:  Conocer el principio de Funcionamiento de un transformador, boninas primarios y secundarios, Determinar el aislamiento en cada devanado, con tierra.  Determinar la polaridad de un transformador.  Determinar la relación de transformación.  Conectar carga al transformador (Inductiva-Capacitiva-Resistiva) y observar el comportamiento. II.- INTRODUCCION

En términos simples, una máquina eléctrica es un dispositivo que permite transformar la Energía Eléctrica en Energía Mecánica o bien transformar la Energía Mecánica en Eléctrica. Recordemos que la energía no se crea ni se destruye si no que se transforma en otro tipo de energía. También existe dentro de las máquinas eléctricas un grupo en el cual no se obtiene como producto otro tipo de energía, es decir ingresa energía eléctrica y se obtiene el mismo tipo de energía, dicho grupo son los transformadores y si bien no alteran el tipo de energía si cambian sus características. Para sintetizar esta parte solo queda decir que existen tres grandes grupos de Máquina Eléctricas: Generadores, Motores y Transformadores.

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CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS 2016 Los transformadores también son empleados para aislar eléctricamente circuitos entre sí; para reducir los valores de tensión para alimentar aparatos que trabajan con un voltaje inferior al nominal; etc. etc.

III.- FUNDAMENTO TEORICO.El transformador es una maquina eléctrica, estática que convierte energía eléctrica de un nivel de voltaje, en energía eléctrica de otro nivel de voltaje, en corriente alterna, manteniendo la frecuencia. -Que es un Transformador y cuál es su principio de funcionamiento? En un transformador, el núcleo tiene dos funciones fundamentales: a. Desde el punto de vista eléctrico –y su principal función- es la vía por que conduce el flujo magnético. A través de las partes horizontales (culata), conduce el flujo magnético siguiendo un circuito prescrito, de una columna a otra. b. Desde el punto de vista mecánico es el soporte de los arrollamientos que en él se apoyan. Para generar el flujo magnético, es decir, para magnetizar el núcleo de hierro hay que gastar energía eléctrica. Dicha energía eléctrica se toma del arrollamiento de entrada.

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CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS 2016

Principio de Funcionamiento.Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario (bobina primaria), circulará por éste una corriente alterna variable en el tiempo que creará a su vez un campo magnético variable en el tiempo y con la misma frecuencia. Este campo magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del devanado secundario, una tensión de salida que varia, con la misma frecuencia. -Relación de Transformación. Un transformador ideal es un artefacto sin pérdidas, con una bobina de entrada y una bobina de salida. Las relaciones entre los voltajes de entrada y de salida, y entre la corriente de entrada y de salida, se establece mediante dos ecuaciones sencillas. Relación de Transformación.La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) .

La razón de la transformación (m) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión.

Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario ó tensión de entrada, (Vs) es la

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CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS 2016 tensión en el devanado secundario ó tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario ó corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario ó corriente de salida. -Polaridad de un transformador. Esta establecido como estandar que las entradas a la bobina primaria del transformador se utilicen las siguientes letras: Para la bobina primaria. H1,H2 para el caso de un transformador monofásico. H1,H2,H3 para el caso de un transformador trifásico. Y en las salidas de la bobina secundaria se establece la siguiente nomenclatura: X1,X2 para el caso de un transformador monofásico. X1,X2,X3 para el caso de un transformador trifásico. Polaridad aditiva.sustractiva.-

Polaridad Cuando se ubica un transformador en el tanque que lo tiene que contener se puede colocar de dos formas diferentes: aditiva y sustractiva. En el caso de polaridad aditiva, es cuando H1 coincide diagonalmente con X1. La mayoria de transformadores disponen de polaridad aditiva.

Hablamos de polaridad sustractiva cuando el terminal H1 esta colocado de forma adyacente al terminal de salida X1. Existen pocos transformadores con este tipo de polaridad. Los transformadores mayores de 200 KVa son de polaridad sustractiva.

- Datos nominales de un transformador. Potencia nominal, KVA - Tensión de AT, kV - Tensión de BT, kV - Corriente nominal en AT. Amp. - Corriente nominal en BT. Amp. - Factor de potencia, cosϕ - Frecuencia, Hz - Esquema de conexión - Número de fases - Tensión de cortocircuito -Pérdidas en transformadores.En los transformadores las pérdidas de potencia y energía se deben dos principales factores, pérdidas originadas en el hierro y perdidas de cobre.

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CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS 2016 a) Pérdidas en el fierro (Ph).Son pérdidas que se deben a las características de diseño y a la calidad de los materiales empleados en su fabricación. Este tipo de pérdidas son permanentes y tienen lugar mientras el transformador esté conectado a la red. La magnitud de estas pérdidas depende del tamaño o potencia del transformador. Este tipo de pérdidas las define el fabricante y las presenta en las especificaciones del equipo. El constante cambio de magnetización del núcleo de hierro origina pérdidas. Estas pérdidas pueden minimizarse eligiendo tipos de chapa finas de unos 0.3mm de espesor, asiladas entre si (apiladas, en un núcleo de hierro macizo se producirán perdidas por corrientes parasitas excesivamente grandes que motivan altas temperaturas))con un bajo coeficiente de pérdidas. Además, como el campo magnético varía respecto al tiempo, en el hierro se originan tensiones que dan orígenes a corrientes parásitas. Dichas pérdidas son causadas por el fenómeno de histéresis ( Núcleo ) y por las corrientes de foucoult (corrientes parasitas), las cuales dependen del voltaje de la red, de la frecuencia y de la inductancia a que está sometido el circuito magnético. La potencia pérdida en el núcleo permanece constante, ya sea en vacío o con carga. Se alimenta el transformador al vacío, la potencia absorbida en ese momento corresponde exactamente a las pérdidas en el hierro. En efecto por ser nula la intensidad de corriente en el bobinado secundario no aparecen en el pérdidas de potencia. Por consiguiente se puede afirmar que el total de la potencia absorbida por un transformador funcionando al vacío bajo a voltaje nominal, representa el valor de la potencia pérdida en el hierro del circuito magnético. b) Pérdidas en el cobre (Pc).- Es la suma de las potencias pérdidas en los bobinados de un transformador, funcionando bajo carga nominal. El valor de esta potencia depende de la intensidad de corriente que circula en devanados del transformador tanto en el devanado primario como en el secundario, la cual varía mucho desde el funcionamiento en vacío a plena carga. Son pérdidas que se deben al efecto Joule es decir por la corriente que circula en devanados del transformador. Estas pérdidas dependen del nivel de carga que tenga el transformador en su operación. Se determina por la siguiente relación:

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CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS 2016 La variación del valor de la potencia pérdida en el cobre es proporcional al cuadrado de la intensidades de corriente de carga y a la resistencia de los bobinados. Pcu = I12 x r1 + I22 x r2 Donde: Pcu = Pérdidas en los bobinados del transformador. I1 = Intensidad en el bobinado primario. I2 = Intensidad en el bobinado secundario. r1 = Resistencia del bobinado primario. r2 = Resistencia del bobinado secundario. Otra forma de determinar las pérdidas en los bobinados de un transformador es mediante la prueba de cortocircuito. Para lograr esto se alimenta el bobinado primario bajo un voltaje de valor tal, que estando cerrado en cortocircuito el bobinado secundario, sean recorridos ambos bobinados por intensidades de corriente iguales a sus valores nominales respectivos. La potencia absorbida por el transformador en estas condiciones corresponde exactamente a las pérdidas totales en el cobre del conjunto de los dos bobinados. En efecto las pérdidas de potencia “totales” es el resultado de la pérdidas en el núcleo (Ph) más las pérdidas en el cobre de los bobinados (Pcu). Pérdidas totales = Ph + Pc Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores. Aplicaciones.-Tipos de Transformadores a).- Según aplicaciones: Según su función, según el tipo de tensiones, elevador, reductor, etc. b).- Según su construcción: Tipo de refrigerante, autotransformador, medio interior, exterior, tipo de refrigerante. -Potencia de un transformador, eficiencia. - Detección fallas. IV.- MATERIAL Y EQUIPO A UTILIZAR El siguiente equipo es necesario para realizar la experiencia. 1.- Fuente variable CA. 2.- Amperímetro de CA. 3.- Voltímetro de CA. 4.- 2 Focos incandescentes, (100w, 50w o 25w). 5.-Conectores. 6.- Multímetro (Digital). 7.- Vatímetro CA

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CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS 2016 V.- PROCEDIMIENTO. PROTOCOLO DE PRUEBAS Realizar un protocolo de pruebas de tal modo que se cumplan los objetivos propuestos y se puedan responder las preguntas en el informe, recuerde que si usted considera necesario respaldar los pasos a seguir con la teoría lo puede hacer, también recuerde que en el protocolo de pruebas es preciso ubicar los diagramas de conexión.

1.- Dibuje la placa de características de los transformadores de la práctica y explique cada uno de los datos que aparecen especificados: Datos Placa: Potencia nominal, KVA:

350 VA 220 AT

- Factor de potencia, cosϕ:

_

- Frecuencia, Hz:

_

- Tensión de BT, kV

110 V

- Esquema de conexión:

_

- Corriente nominal en AT. Amp. - Corriente nominal en BT. Amp.

_

- Número de fases:

2

_

- Tensión de cortocircuito:

_

- Tensión de AT, kV

2.- Comparar los resultados de medición del circuito y encuentre su relación de transformación, la potencia, el factor de potencia, compare los datos de la placa con los datos experimentales obtenidos.

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CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS 2016 Datos Placa: Potencia nominal, KVA: - Tensión de AT, kV - Tensión de BT, kV

220 115

- Corriente nominal en AT. Amp. - Corriente nominal en BT. Amp.

0,612 1,062

- Factor de potencia, cosϕ: - Frecuencia, Hz: - Esquema de conexión: - Número de fases:

-

- Tensión de cortocircuito:

-

60 1

Determinación de la Relación de Transformación de un Transformador: Asociar los terminales del transformador para obtener 110/220 V como la figura: a).-Alimentar el transformador con 110V b).-Montar el circuito conforme a la figura y medir los valores de V1, I1, V2 e I2 para todas las cargas.

R 100

Vp 220

Vs 115

Ip 0,612

Is 1,062

W 136

Nº Carga

V1 (V)

V2 (V)

V1/ V2

I1(A)

I2(A)

I1 /I2

Relación de Transformación

1 2 3

220 140 110

106 66 46

2.075 2.12 2.39

1.56 1.87 1.94

2,99 3,7 3.84

0.52 0.51 0.51

2 2 2

Potencia de un transformador: Potencia en un transformador ideal.La potencia suministrada al transformador por el circuito primario se expresa por medio de la ecuación

En donde ð p es el ángulo entre el voltaje y la corriente secundaria. La potencia que el circuito secundario

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CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS 2016 Pp = Vp * Ip * cos ðp

suministra a sus cargas se establece por la ecuación: Ps = Vs * Is * cos ð s En donde ð s es el ángulo entre el voltaje y la corriente secundarios. Puesto que los ángulos entre el voltaje y la corriente no se afectan en un transformador ideal, ð p=ð s=ð .

De donde, la potencia de salida de un transformador ideal es igual a su potencia de entrada. Determinar la potencia de un transformador y el cos ðp .La potencia activa de un transformador se consigue con los valores nominales: Pp = Vp * Ip * cos ðp (Watts) La potencia aparente es

Nº V1 (V) Carga 1 220

V2 (V) 106

S= Vp* Ip (VA)

I1(A) 1,55

I2(A) 2,99

Pp (Watts) 350

S (VA) 341

Cos ð 1.03

La transferencia de energía eléctrica entre el primario y secundario se hace a través del campo magnético variable que aparece en el núcleo, no hay conexión eléctrica entre los dos bobinados. 3.- Mostrar en un esquema los bornes de alta y baja tensión, la polaridad, la relación de transformación y la resistencia de los devanados del transformador.

4.- Determinación de la polaridad de un transformador?. a).- Efectuar las siguientes conexiones (Método del autotransformador):

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CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS 2016

Esquema de conexión para determinar polaridad método del autotransformador. b) Energice el sistema y tome lecturas del voltaje, las cuales pueden conducir a dos alternativas. - Si el voltaje Vx tiene un valor igual a V1 + V2 , entonces las marcas serán: Diagonales. La polaridad es aditiva. - Si el voltaje Vx tiene un valor igual a V1 − V2, , entonces las marcas serán:polaridad sustractiva. 4.- Mostrar en una tabla la cual se muestre las diferentes medidas de aislamiento que se realizaron en el laboratorio.

Nº 1

H1-C ( Ω) ∞

X1-C ( Ω) ∞

H1-X1 ( Ω) ∞

Medida de devanados: Resistencia del Primario Np :

2,4 Ω

Resistencia del Secundario Ns:

1.0 Ω

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CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS 2016 VI.- RESULTADOS

Medidas de aislamiento No hay continuidad porque lo que se mide es el brillo de los cables, que es el esmalte con el cual a sido barnizado. Entre el primario (cable mas delgado) y el secundario (cable mas grueso) no debe haber continuidad. Tiene el esmalte para protegerlo y tiene un papel que se llama pescado, que es un papel con una película de esmalte afuera. Tampoco debe haber continuidad entre la carcasa y el primario, y la carcaza y el secundario, ni entre devanados , si hay continuidad significa que esta malogrado.

Medidas de Devanados Se mide el primario H1-H2 (cable mas delgado) y el secundario X1-X2 (cable mas grueso) con el multitester. El primario es mayor por lo tanto su sección es mal delgada y el secundario es menor por lo tanto su sección es mas gruesa, ya que es un transformador reductor.

PRIMARIO

SECUNDARIO

VII.- CONCLUSIONES.

 Se conoció el principio de funcionamiento del transformador monofásico  Se determinó la polaridad, la relación de transformación en un transformador.  Se determinó la polaridad del transformador monofásico

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CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS 2016 VIII.- REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.

http://www.frba.utn.edu.ar/html/Electrica/archivos/Apuntes_EyM/Capi tulo_7_Transformador.pdf

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http://ocw.uc3m.es/ingenieria-electrica/circuitos-magneticos-ytransformadores/temas/tema-3-transformadores-monofasicos CUESTIONARIO

1.-¿La relación de transformación es constante o varía con la carga? Explique. La relación de trasformación es utilizado en tensiones nominales se debe observar que las pérdidas en el hierro son constante para cualquier carga mientras que las perdidas Joule dependen del cuadrado del módulo de la corriente que circula por el transformador, siendo estas las perdidas variables con el tipo de carga. 2.-¿Es posible determinar la polaridad del transformador usando tensión continua? Explique. Si es posible determinar polaridad del transformador con el siguiente método: Ensayo de polaridad por respuesta inductiva. Haciendo pasar corriente continua a través del devanado de alta tensión, se conecta el voltímetro de c.c. de alta tensión en bornes de los terminales del mismo devanado, de manera que se obtenga una pequeña desviación positiva de la aguja cuando se cierre el circuito de excitación. Entonces se transfieren las dos conexiones del voltímetro directamente a través del transformador a los terminales opuestos de baja tensión. La interrupción de la corriente deexcitaci ón de c.c. induce una tensión en el devanado de baja tensión y provoca una desviación en el voltímetro. Si la aguja se mueve en el mismo sentido que antes, la polaridad es aditiva. Si la aguja se mueve en sentido opuesto, la polaridad es sustractiva 3.-¿Qué importancia tiene la polaridad de las bobinas de un transformador? Es importante los cambios de polaridad en las bobinas de un transformador para asi observar el comportamiento al sustractivo o aditivo de voltaje a las bobinas de acuerdo a sus conexiones. 4.-En una subestación cómo es posible tener la misma regulación de tensión para diferentes cargas que se presentan en el día?. En una instalación normal, los generadores de la central eléctrica suministran voltajes de 26.000 voltios; voltajes superiores no son adecuados por las dificultades que presenta su aislamiento y por el riesgo de cortocircuitos y sus consecuencias.

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CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS 2016 Este voltaje se eleva mediante transformadores a tensiones entre 138.000 y 765.000 voltios para la línea de transporte primaria (cuanto más alta es la tensión en la línea, menor es la corriente y menores son las pérdidas, ya que éstas son proporcionales al cuadrado de la intensidad de corriente). En la subestación, el voltaje se transforma en tensiones entre 69.000 y 138.000 voltios para que sea posible transferir la electricidad al sistema de distribución. La tensión se baja de nuevo con transformadores en cada punto de distribución. La industria pesada suele trabajar a 33.000 voltios (33 kilovoltios), y los trenes eléctricos requieren de 15 a 25 kilovoltios. 5.-Un trasformador monofásico ideal convierte de 220V a 24V de corriente alterna, ¿Qué relación de transformación tiene el transformador? ¿Qué corriente habrá en el secundario si por el primario pasan 1,35A? 

Hallando la relación de transformación(m) Vp=220V Vs= 24V

𝒎= 𝒎=

𝑽𝒑 𝑽𝒔

𝟐𝟐𝟎𝑽 𝟐𝟒𝑽

𝒎 = 𝟗. 𝟏𝟔 La relación de transformación es de 9.16 

Hallando la corriente del devanado secundario Vp=220V Vs= 24V Ip=1.35A Is=? 𝑽𝒑 𝑰𝒔 = 𝑽𝒔 𝑰𝒑 𝟐𝟐𝟎𝑽 𝑰𝒔 = 𝟐𝟒𝑽 𝟏. 𝟑𝟓𝑨 𝐼𝑠 = 12.38 𝐴 La corriente del devanado secundario es de 12.38A

6.-Un transformador monofásico ideal tiene 2000 espiras en el arrollamiento primario y 50 espiras en el arrollamiento secundario. ¿Qué tensión aparece en el secundario si aplicamos una tensión de 15 KV en el primario? Determina si es un transformador reductor o elevador. Numero de espiras arrollamiento primario (Np)= 2000 Numero de espiras arrollamiento secundario (Ns) = 50 Tensión del secundario (Vs) =?

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CIRCUITOS Y MAQUINAS ELECTRICAS 2016 Tensión del primario (Vp) = 15KV 𝑵𝒑 𝑽𝒑 = 𝑵𝒔 𝑽𝒔 2000 15𝑘𝑉 = 50 𝑉𝑠 𝑉𝑠 = 0.38𝐾𝑉 La tensión que aparecerá en el devanado secundario es de 0.38KV 7.-Queremos transformar los 230V de una instalación moderna en 127V para un receptor antiguo, para ello utilizamos un transformador reductor doméstico. ¿Qué relación de transformación habremos de utilizar? ¿Qué corriente consumirá el primario del trafo si el receptor consume 2A? 

Hallando la relación de transformación(m) Vp=230V Vs= 127V 𝒎= 𝒎=

𝑽𝒑 𝑽𝒔

𝟐𝟑𝟎𝑽 𝟏𝟐𝟕𝑽

𝒎 = 𝟏. 𝟖𝟏 La relación de transformación es de 1.81 

Hallando la corriente del devanado secundario Ip=?? Is=2A 𝑽𝒑 𝑰𝒔 = 𝑽𝒔 𝑰𝒑 230𝑉 2𝐴 = 127𝑉 𝐼𝑝 𝐼𝑝 = 1.1𝐴 La corriente del devanado secundario es de 1.1A

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