Ensayos Basicos de Transformadores Monofasicos

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

DE SAN SEBASTIÁN

UNIVERSIDAD DE NAVARRA

PRÁCTICA 1 de LABORATORIO

ENSAYOS BÁSICOS DE TRANSFORMADORES

MONOFÁSICOS

1. OBJETIVO DE LA PRÁCTICA

Sistemas Eléctricos 1999-2000. Ensayos básicos de transformadores monofásicos. 3

El objetivo de esta práctica es que el alumno conozca las características principales de un

transformador. Para ello la práctica se ha dividido en dos partes:

1. Obtención del circuito equivalente del transformador monofásico

2. Análisis del funcionamiento del transformador monofásico en carga.

En la primera parte el alumno deberá obtener los parámetros del circuito equivalente de un

transformador monofásico empleando para tal fin los dos ensayos más utilizados normalmente:

Ensayo de Vacío y Ensayo de Cortocircuito.

En la segunda parte, se trabajará con una determinada carga y se hallarán experimentalmente

las características principales de un transformador monofásico en su funcionamiento normal, es decir,

el rendimiento y el factor de regulación.


2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA

Un transformador es un dispositivo que convierte la potencia eléctrica de AC de una tensión

determinada a otra que puede ser, más alta o más baja que la primera a través de la acción de un

campo magnético. El transformador monofásico se puede representar eléctricamente por medio de su

circuito equivalente aproximado referido al secundario, tal como puede verse en la figura siguiente:

gc - j·bm

R j·X

1ario

TransformadorIDEAL

2ario

n/1

q R y X representan, respectivamente, la resistencia equivalente de los devanados y la

reactancia equivalente del flujo de dispersión referidas ambas al secundario.

q gc representa la conductancia de pérdidas en el hierro y bm la susceptancia magnetizante,

ambas también referidas al secundario.

2.1. OBTENCIÓN DEL CIRCUITO EQUIVALENTE

Como ya se ha comentado anteriormente para determinar los parámetros del transformador,

se recurre habitualmente a la realización de los denominados ensayos de vacío y de cortocircuito.

2.1.1. Ensayo de Vacío

La potencia absorbida por el transformador trabajando en vacío es aproximadamente igual a

las pérdidas en el hierro al aplicar la tensión nominal en el primario y despreciar la pequeñas pérdidas

que puede haber en el cobre. Para efectuar el ensayo de vacío, el transformador se dispone como se

indica en la siguiente figura:


RED TRAFO V2

W

V1

A1

La potencia Po que absorbe el transformador en vacío la indica el vatímetro W. La lectura del

amperímetro A proporciona la corriente I1o absorbida desde el primario y los voltímetros V1 y V2,

indican, respectivamente, la tensión V1o a la que hemos conectado el transformador y la tensión V2o

de circuito abierto en el secundario.

Al realizar el ensayo de vacío, la corriente que circula por el primario se cierra por la

admitancia de vacío Y = gc - j⋅bm. Por tanto, podrá escribirse lo siguiente:

2o2co

2m

2co21oo

o2o1oo2o1o

VgP bgVIn

VnV YVIn

≅+≅

≅≅

Operando sobre estas ecuaciones se puede escribir que:

2c

2

o2

o1om2

o2

oc g

V

Inb

V

Pg −

≅≅

De esta forma queda determinada la admitancia de vacío Y = gc - j⋅bm referida al secundario.

2.1.2. Ensayo de Cortocircuito

Para realizar este ensayo, el primario ha de alimentarse a una tensión reducida de modo que

al poner el secundario en cortocircuito pase por él su corriente nominal. El esquema de un ensayo de

cortocircuito es el representado en la figura siguiente:

RED TRAFOV

A1

A2

W


La potencia Pc indicada por el vatímetro W es la absorbida por el transformador y

corresponde aproximadamente a las pérdidas en el cobre. Esto es válido ya que la corriente que

circula por la impedancia de cortocircuito Z = R+j·X es mucho mayor que la que circula por la

admitancia de vacío Y.

Si llamamos V1c, I1c, I2c y Pc a los valores indicados por los instrumentos de medida V1, A1,

A2, y W dispuestos en el circuito, se podrá escribir lo siguiente:

RIP XRIn

V

InI ZIn

V

2c2c

22c2

c

c1

c1c2cccc2c

c1

≅+≅

≅≅

Operando sobre estas expresiones se obtiene:

2

2

c2c

c12

c2

c RIn

VX

I

PR −

≅≅

Con esto, queda determinada la impedancia de cortocircuito Z=R+j·X referida al secundario.

2.2. ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO EN CARGA

En un transformador en carga, se aplica generalmente al primario la tensión nominal y la

tensión de secundario es función de la carga que tiene acoplada. Las principales características de un

transformador en funcionamiento, que permiten la elección entre varios, son, como ya debería saber

el alumno, el Factor de regulación y el Rendimiento.

2.2.1. Factor de Regulación

El factor de regulación, r, es una medida de la variación que experimenta la tensión del

secundario cuando disminuye la carga, con factor de potencia fijo, desde circuito abierto hasta plena

carga o nominal. Cuanto menor sea el factor de regulación de un transformador, mejor será su

funcionamiento. Según la definición, el factor de regulación es igual a:

N2

2o2

V

VVr

−=

siendo V2o la tensión de circuito abierto, V2 la tensión para una carga determinada y V2N la tensión

nominal de secundario del transformador ( Ver apuntes de la asignatura ). En forma aproximada,

utilizando el circuito equivalente se puede escribir:


)sencos(r xr ϕε+ϕεα=

donde

N2

N2x

N2

N2r

N2

2

V

XI

V

RI

carga) de (Indice I

I

=ε=ε

=α

2.2.2. Rendimiento

Otro factor importante a la hora de elegir un transformador es el rendimiento. El rendimiento

se define como el cociente entre la potencia que el transformador transfiere a la carga conectada en el

secundario y la que se suministra al transformador, siendo esta última la suma de la potencia

suministrada a la carga más la potencia perdida en el transformador. Así, se puede escribir:

perdaargc

aargc

generada

aargc

PP

P

P

P

+==η

donde la potencia perdida en un transformador es la suma de las pérdidas en el cobre y en el hierro.

Mientras que las pérdidas en el hierro son prácticamente constantes (dependen de la tensión

del primario y esta es constante), las pérdidas en el cobre dependen de la corriente de secundario

suponiendo que R no cambia con la temperatura. Por tanto:

CuN22

N2

2

N2

222Cu PRI

I

IRIP α=

==

Por otra parte la potencia proporcionada por el transformador a la carga se puede expresar,

teniendo en cuenta que la tensión en el secundario no es muy diferente de la nominal, como sigue:

ϕα=ϕ

≅ϕ= cosScos

I

IIVcosIVP N

N2

2N2N2222

Por consiguiente el rendimiento η será:

ηα ϕ

α ϕ α≅

+ +S

S P PN

N CuN hN

cos

cos 2

o bien

α+α+ϕ

ϕ≅η

hNCuNN

N

PPcosS

cosS


3. ESQUEMAS EXPERIMENTALES

3.1. ESQUEMA DEL ENSAYO DE VACÍO

RED

220 VTRAFOV1

A1

V2

Po= I1o=

V1o= V2o=

I1o

Ref.

-V1o

200 W

3.2. ESQUEMA DEL ENSAYO DE CORTOCIRCUITO

RED

125 VA2TRAFO

Varivolt A1

V1

V1C=

I1C=

I2C=

Ref.

I1C

-V1C

Ensayo de Cortocircuito

Medidas del Ensayo Parámetros del Ensayo

V1c (V) nc

I1c (A) Z2 (Ω)

I2c (A) R2 (Ω )

ϕ ( ° ) X2 (Ω)

Pc (W)

Ensayo de Vacío

Medidas del Ensayo Parámetros del Ensayo

V1o (V) no

I1o (A) Y2 (Ω-1)

V2o (V) gc2 (Ω-1)

P0 (W) bm2 (Ω -1)


3.3. ESQUEMA DEL FUNCIONAMIENTO EN CARGA

RED

220 VTRAFO V2V1

A1

PL

ZL

A2

1000 W

Funcionamiento en Carga

V1 (V) I1 (A) V2 (V) I2 (A) PL (W) ZL (Ω ) cos ϕ RL (Ω ) XL (Ω)

Indice de Carga Carga Factor de Regulación Rendimiento

α = I2 / I2N cos ϕ Medidas Analítico Ph a VN Ph a V1

PARAMETROS DEL TRANSFORMADOR a 50 Hz

Valores Nominales del Transformador

SN (VA)

V1N (V) I1N (A)

V2N (V) I2N (A)

n ε

PhN (W) εr

PCuN (W) εx

Parámetros Referidos al Primario

Y1 (Ω-1) Z1 (Ω)

gc1 (Ω-1) R1 (Ω)

bm1 (Ω-1) X1 (Ω)

Parámetros Referidos al Secundario

Y2 (Ω-1) Z2 (Ω)

gc2 (Ω-1) R2 (Ω)

bm2 (Ω-1) X2 (Ω)


4. MATERIAL Y EQUIPO NECESARIO

4.1. ENSAYO DE VACÍO

1 Transformador

3 Polímetros (2 Voltímetros y 1 Amperímetro)

1 Vatímetro 0-200W

1 Osciloscopio

4.2. ENSAYO DE CORTOCIRCUITO

1 Transformador

3 Polímetros (1 Voltímetros y 2 Amperímetros)

1 Varivolt

1 Osciloscopio

4.3 FUNCIONAMIENTO EN CARGA

1 Transformador

4 Polímetros (2 Voltímetros y 2 Amperímetros)

1 Vatímetro 0-1000 W

1 Impedancia Inductiva

5. PROCEDIMIENTO

5.1. DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS DEL TRANSFORMADOR.

5.1.1. Ensayo de Vacío

1. Montar el circuito según el esquema correspondiente

2. Aplicar la tensión de red en el primario.

3. Tomar las medidas de los instrumentos.

4. Conectar el osciloscopio y representar las ondas de tensión y corriente en el primario.


5.1.2. Ensayo de Cortocircuito

1. Montar el circuito según el esquema correspondiente y colocar la rueda del varivolt en la

posición 0.

2. Conectar el esquema a 125 VAC. Por medio del varivolt regular la tensión en el primario y

observar la corriente que circula por el amperímetro colocado en el secundario. Incrementar,

moviendo lentamente la rueda del varivolt, la tensión del primario hasta que por el secundario

circule la corriente nominal del transformador.

3. Una vez lograda dicha corriente, anotar las medidas de los instrumentos.

4. Conectar el osciloscopio de manera que mida el desfase ϕ entre la tensión y la corriente de

primario del transformador. Anotar el valor de dicho desfase. Calcular Pc = V1c·I1c·cos ϕ

5.2. FUNCIONAMIENTO EN CARGA

1. Montar el circuito según el esquema correspondiente y conectar la carga requerida.

2. Tomar las medidas de los instrumentos.

6. RESULTADOS Y MEDICIONES

6.1. DETERMINACIÓN DE PARÁMETROS

6.1.1. Ensayos de Vacío y Cortocircuito

1. Completar las Tablas Parámetros del Ensayo a partir de las medidas obtenidas en cada ensayo,

utilizando las expresiones correspondientes a cada ensayo.

2. Representar en el ensayo de vacío las formas de onda de la tensión y corriente de primario.

3. Rellenar la tabla correspondiente a los valores nominales del transformador y a los parámetros

referidos tanto al primario como al secundario.


6.2. FUNCIONAMIENTO EN CARGA

Obtener el valor de la impedancia empleada en el ensayo y calcular el factor de regulación y

el rendimiento del transformador en esas condiciones. ( Ver tablas correspondientes al ensayo )

NOTA: Tener en cuenta la tensión aplicada en el primario al calcular las Pérdidas en el

Hierro.

6.3. PARÁMETROS DEL TRANSFORMADOR

Utilizando los resultados obtenidos en los ensayos de vacío y cortocircuito rellenar la tabla

Parámetros del Transformador a 50 Hz.

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