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Laboratorio 3

Conversión de Energía Electromecánica 1

Universidad de El Salvador Facultad de Ingeniería y Arquitectura Escuela de Ingeniería Eléctrica Conversión de Energía Electromecánica I.

Laboratorio 3 “Pruebas industriales sobre Transformadores”. Profesor: Ing. Armando Calderón. Instructor: Amílcar Alexander Barrientos Alumnos:

Carné:

López Beltrán, José René Rosa Pasasin, Abiel Jonathan Sagastume Peñate, Víctor Salomón Ayala Cuchilla, Luis Fernando

LB10016 RP12012. SP11024. AC12005

Ciudad Universitaria, 1 de Junio del 2015. Pruebas industriales sobre Transformadores

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Conversión de Energía Electromecánica 1

INTRODUCCIÓN Los transformadores son máquinas estáticas que transportan energía de un devanado a otro por medio de inducción magnética. Han sido diseñados para transformar tensiones de un nivel a otro, con base en las leyes de Faraday, Ampere y Lenz. Idealmente, la energía que ingresa al transformador es la misma que sale, ya que se asume que no existen pérdidas de ningún tipo, lo cual no es cierto, dado que el mundo físico en el que habitamos está colmado de imperfecciones. Por lo tanto, parte de la energía que ingresa al transformador se pierde en el núcleo por histéresis y corrientes de Foucault, y en los devanados por el efecto Joule, reduciendo la vida útil de dispositivo. Con el fin de conocer estas características muy particulares de un transformador, se han diseñado pruebas o ensayos, que permiten obtener de forma experimental las perdidas en el núcleo y las perdidas en el embobinas, además en base a los datos de placa del transformador y los resultado de las pruebas antes mencionadas se es capaz de detectar cualquier anomalía que pueda presentar el transformador por su uso o por haber sido afectado por una falla del sistema en el que opera. En este laboratorio se presenta la aplicación de tres pruebas industriales muy importantes que se realiza a todo transformador, las cuales son las pruebas de cortocircuito, prueba de vacio y la prueba de DC para la determinación de las resistencias de embobinado. Se hace énfasis en los parámetros de interés de cada prueba, puesto que no son iguales entre sí, así como las conexiones externas en el transformador para llevarlas a cabo. Se presenta el modelo de circuito eléctrico reducido del transformador, el cual facilita el cálculo de los parámetros de interés de cada prueba, entre ellas las pérdidas en el núcleo y en los devanados las cuales se obtienen de las pruebas de vacio y cortocircuito respectivamente. Todas estas pruebas que se han mencionado permiten obtener los parámetros reales del transformador los cuales aproximan los cálculos teóricos (mediante el empleo de estos parámetros) a los resultado reales de operación del transformador, por tanto la buena aplicación y desarrollo de las pruebas permiten obtener los valores característicos reales del transformador ya que de lo contrario al aplicar mal una prueba aparte de poder dañar el transformador o los instrumentos de medición también se obtendrán datos falsos de los parámetros los cuales causaran que los cálculos y análisis del funcionamiento y aplicación de el transformador sean erróneos pudiendo generar fallas severas en el sistema en el cual trabajara el transformador. Es por tanto de vital importancia poder entender cada uno de los pasos en que consiste cada una de las tres pruebas a realizar, ya que aunque son sencillas tienen mucha importancia para conocer el modo real de funcionamiento del transformador.

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OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL. 

Conocer las características de las pruebas industriales más importantes que se llevan a cabo en un transformador y aplicarlas, con el fin de obtener el modelo equivalente del transformador en estudio y poder caracterizar cualitativamente y cuantitativamente los parámetros que este posee.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 

Determinar el valor óhmico de la resistencia de los devanados de un transformador por medio de la prueba de resistencia óhmica de bobinas (prueba de DC), y emplear dichos datos en la prueba en vacío para calcular las pérdidas en el núcleo.



Calcular las pérdidas en el transformador mediante el empleo el modelo aproximado de un transformador en las pruebas en vacío y de cortocircuito, así como también las impedancias respectivas y otros parámetros de interés.

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EQUIPO Y MATERIALES UTILIZADOS EN EL LABORATORIO.      

Multímetro PHILIPS. Un amperímetro de tenazas FLUKE. Medidor de potencia corriente y voltaje POWER GUIDE 4400. Conectores. 1 transformador monofásico de 5kVA. 1 fuente de C.A. y C.D. variable.

En la figura 1 y 2 siguientes se muestra el Equipo Utilizado para realizar práctica de laboratorio:

Figura 1. Equipo utilizado en la práctica de laboratorio.

Figura 2. Amperímetro de gancho y transformador de 5KVA utilizado en la práctica.

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DESARROLLO DE LA PRÁCTICA I.

PRUEBA EN VACÍO.

1. Implementar el circuito de la siguiente Figura 1. Conectar, por medio de dos pinzas, el analizador de calidad de energía Power Guide 4400 a los bornes del devanado primario del transformador. Conectar la pinza amperimétrica alrededor de una de las líneas de alimentación del devanado primario, respetando la dirección de la corriente en éste, señalizada en la pinza por medio de una flecha.

Figura 3. Conexión realizada para la prueba en vacío. 2. Conectar el devanado primario del transformador de prueba al banco de transformadores del laboratorio. Energizar el circuito a un nivel de tensión de 120 Vrms. 3. Encender el analizador de calidad de energía Power Guide 4400 y registrar los parámetros de voltaje de vacío, corriente de vacío y potencia real de vacío, en el menú Medidor, carpeta Standard, opción Energía. Voltaje [V] Corriente [A] Potencia [W] 119.1

0.100

0.235

Tabla 1. Parámetros en vacío en el devanado secundario. 4. Para la realización de esta prueba se debe de considerar quitarse cualquier objeto de metal como anillos o relojes ya que se puede resultar dañado si por accidente se toca algún borne del transformador energizado en especial los bornes de alta tensión. II.

PRUEBA DE CORTOCIRCUITO.

1. Implementar el circuito de la siguiente Figura 2. Cortocircuitar, por medio de un cable, los bornes del devanado secundario del transformador. Para la realización de esta prueba se utilizara el analizador de calidad de energía Power Guide 4400 solo para obtener los datos en el primario, ya que no es capaz de medir la cantidad de corriente de corto circuito que se producirá en el secundario, para esta medición se utilizara un amperímetro de gancho que es capaz de medir hasta 100 amperios.

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2. Figura 4. Circuito armado para la prueba de cortocircuito. 3. Conectar el devanado primario del transformador de prueba al banco de transformadores del laboratorio. Energizar el circuito a un nivel de tensión de 120 Vrms. 4. Con el amperímetro de gancho medir y registrar la lectura de la corriente de cortocircuito que circula en el devanado secundario. Voltaje del primario [V] Corriente de cortocircuito en el secundario [A] 120

47. 2

Tabla 2. Parámetros de cortocircuito en el devanado primario. Nota: la realización de esta prueba no se pudo ejecutar tal y como lo describen los numerales anteriores debido a la falta del equipo adecuado para su ejecución, es debido a esta causa que en la tabla 2 solo se muestran dos datos, la tensión a la que se sometió la bobina del primario y la corriente de corto circuito que se produjo en el secundario. Para el cálculo de la impedancia se realizaran algunas aproximaciones las cuales se exponen en la siguiente sección. III.

RESISTENCIA ÓHMICA DE BOBINAS.

1. Implementar el circuito de la Figura 4a. Conectar los bornes del devanado primario del transformador de prueba al equipo DL 180C, seleccionando la fuente de DC.

(a)

(b)

Figura 5. Conexionado para la prueba óhmica de bobinas: para el devanado primario (a) y para el devanado secundario (b). 2. Encender el equipo DL 180C, variar la corriente suministrada al circuito hasta que el amperímetro indique una corriente aproximada de 2 amperios lo que corresponde Pruebas industriales sobre Transformadores

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a un 100 % de la corriente nominal del devanado primario, y registrar los parámetros de voltaje y corriente en DC. 3. Implementar el circuito de la Figura 4b. Conectar los bornes del devanado secundario del transformador de prueba al equipo DL 180C, seleccionando la fuente de DC. 4. Ahora se debe realizar los mismos pasos detallados en el numeral 2, variando la tensión hasta obtener una corriente circulante de aproximadamente 2 amperios con la deferencia que ahora será hecho en el devanado secundario. Voltaje [VDC] Corriente [ADC] Devanado primario

17.89

2.036

Devanado secundario

0.6613

2.081

Tabla 3. Parámetros en DC en cada devanado. 5. En esta prueba también se debe de tener mucho cuidado con no tocar ninguno de los bornes del transformador cuando se encuentra energizado.

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DESARROLLO DE LOS CÁLCULOS I.

PRUEBA EN VACÍO.

Utilizando los conocimientos teóricos de transformadores y los resultados obtenidos en las pruebas de laboratorio se obtiene lo siguiente: Se sabe que 𝑃𝑜 ≅ 𝑃𝐹𝐸 . Entonces se tiene que cos⁡(∅𝑜 ) = 𝑉

𝑃𝑜

𝑛1 ∗𝐼𝑜

cos⁡(∅𝑜 ) =

0.235 = 0.01973 119.1 ∗ 0.1

Por tanto: ∅𝑜 = 𝑐𝑜𝑠 −1 (

0.235 ) = 1.551⁡𝑟𝑎𝑑 = 88.87º 119.1 ∗ 0.1

Ahora se pueden encontrar tanto la corriente de perdidas de Foucault y la corriente de magnetización: Ic = Io cos(∅𝑜 ) = 0.1 ∗ cos(88.87º) = 1.97209⁡mA Im = Io sen(∅𝑜 ) = 0.1 ∗ sen(88.87º) = 99.9806⁡mA Después la resistencia y la inductancia se obtienen de la siguiente manera: 𝑟𝑐𝐻 =

𝑉𝑜𝑐 119.1⁡𝑉 = = 60.3928⁡𝑘Ω⁡⁡ 𝐼𝑐 1.97209⁡mA

𝑋𝑚𝐻 =

𝑉𝑜𝑐 119.1⁡𝑉 = = 1.19123⁡𝑘Ω 𝐼𝑚 99.9806⁡mA

Finalmente la impedancia por perdidas en el núcleo correspondiente al esquema del circuito que se muestra a la derecha es: 𝑍𝑐𝐻 = (60.3928 + 𝑗1.19123)𝑘Ω Notar que se utiliza el sufijo “H” para enfatizar que la prueba se realizo en el lado de alta tensión y por tanto la resistencias esta referida a ese lado del transformador, también se debe de recordar que la impedancia encontrada compete al modelo aproximado del transformador y no al modelo exacto. Pruebas industriales sobre Transformadores

Laboratorio 3 II.

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PRUEBA DE CORTOCIRCUITO.

Para el cálculo de los parámetros en esta prueba se utilizan los datos de la tabla 2 y también la siguiente aproximación: 𝐼𝑠𝑐 ≅ 𝐼𝑁 ⁡⁡⁡𝑦⁡⁡𝑟𝑑𝑐𝐻 ≅

|𝑆| 𝐼𝑛2

En base a las suposiciones anteriores se puede suponer el circuito de la figura 6:

Figura 6. Circuito aproximado para el cálculo de los parámetros de resistencia en el embobinado y la inductancia del flujo de dispersión

Notar que al igual que se hizo en la prueba anterior los resultados estarán referenciados al lado de alta tensión del transformador. En base a las aproximaciones hechas anteriormente se tiene lo siguiente: 𝑟𝑠𝑐𝐻 ≅

5⁡𝑘𝑉𝐴 = 2.2443⁡Ω 47.22

Ahora utilizando los datos de la tabla 2 se puede calcular la magnitud de la impedancia: 𝑍𝑠𝑐𝐻 =

𝑉𝑠𝑐 120⁡𝑉 = = 2.5424⁡Ω 𝐼𝑠𝑐 47.2

Finalmente se determina la inductancia como se muestra a continuación: 2 2 𝑋𝑠𝑐𝐻 = √𝑍𝑠𝑐𝐻 − ⁡ 𝑟𝑠𝑐𝐻 = √2.54242 − 2.24432 = 1.19443⁡Ω

Por tanto la impedancia de corto circuito referenciada al primario es: 𝑍𝑐𝐻 = (2.5424 + 𝑗1.19443)Ω Es importante aclarar que pese a las aproximaciones realizadas en el cálculo de la impedancia de cortocircuito los valores que se han obtenido se encuentran en un rango aceptable y por tanto para motivos didácticos de aprendizaje se pueden aceptar como válidos, pero en una aplicación rigurosa de estos parámetros es necesario realizar la prueba tal como se detallo de la sección anterior. Pruebas industriales sobre Transformadores

Laboratorio 3 III.

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RESISTENCIA ÓHMICA DE BOBINAS.

Para el cálculo de resistencia de la bobina primaria se prosigue de la siguiente forma utilizando los resultados de las pruebas se tiene que: 𝑅𝑑𝑐1 =

𝑉𝑑𝑐1 17.89⁡𝑉 = = 8.79⁡Ω 𝐼𝑑𝑐1 2.036⁡𝐴

Se observa que el resultado anterior se obtiene aplicando directamente la ley de Ohm, ya que con la corriente directa las perdidas son solamente debido a las resistencias. Para el cálculo de la resistencia de la bobina secundaria se precede de forma semejante a la anterior, obteniendo lo siguiente:

𝑅𝑑𝑐2 =

𝑉𝑑𝑐2 0.6613⁡𝑉 = = 0.318⁡Ω 𝐼𝑑𝑐2 2.081⁡𝐴

Como era de esperarse en los dos casos las resistencias son muy pequeñas lo cual es típico del comportamiento de un bobina o inductor al se excitado con corriente directa. A continuación se muestra el esquema del modelo aproximado del transformador que se estudio en el laboratorio:

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CONCLUSIONES 

Se noto que en el transformador existen básicamente dos tipos de pérdidas: las pérdidas en el cobre de los embobinados, las cuales se obtiene de la prueba de cortocircuito y las pérdidas en el núcleo, las cuales se obtienen de la prueba de circuito abierto; mediante estas dos pruebas y los cálculos correspondientes se puede determinar el circuito equivalente del transformador, referidos ya sea al primario o al secundario, lo que facilita considerablemente los cálculos realizados con el transformador.



Un hecho importante de la determinación de los valores de la impedancia en el lado del secundario y primario es la realización del cálculo de regulación de voltaje, ya que estos parámetros son los que determinan el valor de este importante dato de operación del transformador.



Puede atribuirse muchos de los errores en la obtención de los parámetros del transformador así como de los cálculos que se derivan de estos (como lo son la determinación de los valores de eficiencia, regulación de voltaje, etcétera) a errores en la toma de datos durante la realización de las pruebas descritas en este documento, es por eso que se debe ser cuidadoso y asegurarse que todas las mediciones y conexiones se realizan de la forma apropiada para que los resultados sean totalmente satisfactorios y permitan realizar diseños cálculos certeros.



La prueba de resistencia óhmica de bobinas, en apariencia es menos importante que las de cortocircuito y circuito abierto, en realidad es una de las más importantes, sino la más importante, ya que con esta prueba pueden detectarse falsos contactos entre los bornes de las bobinas, pues al estar sometidas a tensiones altas, un falso contacto provocaría arcos eléctricos o chispazos, despidiendo gases, los cuales pueden entrar en ignición e incendiarían el aceite refrigerante del transformador, cuyas consecuencias serían fatales.



Con el modelo reducido del circuito eléctrico del transformador, los cálculos de las impedancias y de otros parámetros se simplifican. Para la prueba en vacío, la impedancia homónima se simplifica a solamente la del núcleo, que es una red en paralelo, y para la prueba de cortocircuito, una red serie, compuesta por las impedancias de los devanados. Básicamente, la prueba en vacío se emplea para hallar las pérdidas por efecto Joule en los devanados, mientras que la prueba de cortocircuito se emplea para encontrar las pérdidas por histéresis y corrientes de Foucault en el núcleo permitiendo caracterizar completamente el transformador.

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ANEXOS Se muestran un par de imágenes de los pasos más relevantes de la práctica de laboratorio.

Imagen A. Fotos de la pantalla del medidor de POWER GUIDE 4400 utilizado para la medición de la corriente, tensión y potencia en la prueba de circuito abierto.

Imagen B. Foto de la medición de la corriente de cortocircuito en el embobinado de baja tensión del transformador.

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