UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

Facultad de Ingeniería Mecánica

Laboratorio de Electricidad y Electrónica de

Potencia

GUIA DE LABORATORIO DE

MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESTÁTICAS

(ML 223)

Preparado por:

Ing. Emilio Asunción Marcelo Barreto

Ing. Bernabé Tarazona Bermúdez

Año 2013

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

Informe final: Este informe se será realizado por el grupo de alumnos que

realizó la experiencia. Sus partes serán las siguientes:

1. Carátula

2. Índice

3. Objetivo

4. Fundamento teórico

5. Solución del cuestionario que se plantea en la guía del laboratorio (los

resultados en cuadros y/o gráficos detallar la forma de cálculo de alguno de

ellos)

6. Conclusiones y recomendaciones (por separado)

7. Bibliografía

8. Hojas de datos tomados en la experiencia

Los informes finales serán entregados una semana después en la hora

de laboratorio

Luego de realizarse las cuatro primeras experiencias, habrá una

sustentación oral sobre las cuatro experiencias realizada por el grupo. La nota

individual que obtenga cada alumno en la sustentación será incrementada en la

nota de las cuatro primeras experiencias

Igualmente luego de realizarse las cuatro últimas experiencias habrá

una sustentación oral sobre las últimas cuatro experiencias del laboratorio. La

nota individual será incrementada en las notas de las cuatro últimas experiencias.

Los puntajes asignados en la calificación en las diferentes partes que

comprenden las experiencias de laboratorio son:

1. Informe final : 07

2. Participación en experiencias y evaluación oral : 03

3. Sustentación oral : 10

Se considera tardanza, el ingreso al laboratorio luego de 15 minutos de

la hora programada. La tardanza en menos un punto la nota del alumno.

La ausencia del alumno de los primeros 30 minutos de la hora

programada será calificada como falta.

Los informes que no fueron entregados en su oportunidad subirán una

penalidad de menos un punto por cada día transcurrido contados desde la fecha

de entrega.

LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ESTATICAS ML 223 PROGRAMA DE EXPERIENCIA POR SEMANA

G/S 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

1

FOR

MA

CIO

N D

E GR

UP

OS

1 2 3 4

REC

UP

ERA

CIO

NES

SUSTEN

TAC

ION

EXA

MEN

ES PA

RC

IALES

5 6 7 8

REC

UP

ERA

CIO

NES

SUSTEN

TAC

ION

SUSTEN

TAC

ION

2 2 3 4 1 6 7 8 5

3 3 4 1 2 7 8 5 6

4 4 1 2 3 8 5 6 7

G: GRUPOS S: SEMANA

EXPERIENCIAS

1. EL REACTOR DE NUCLEO DE HIERRO. 5. TRANSFORMADORES EN PARALELO

2. EL TRANSFORMADOR MONOFASICO. 6. EL AUTOTRANSFORMADOR MONOFÁSICO

3. EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO. 7. EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO EN ACEITE

4. BANCO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS 8. BANCO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS

EN CONEXIÓN TRIFÁSICA Yy , Dd, EN CONEXIÓN TRIFÁSICA Yd , Dy

.

LABORATORIO Nº 01

EL REACTOR DE NÚCLEO DE HIERRO

I. OBJETIVO:

Empleando un transformador como reactor con núcleo de hierro, determinar las

características de magnetización de determinado material ferromagnético.

Observación del lazo de histéresis dinámico y de la forma de onda de la corriente de

excitación. Asimismo se presenta un método para efectuar la separación de pérdidas

en el núcleo.

II. EQUIPO A UTILIZAR:

1 Transformador de 1 kVA, 127/220 V, 60 Hz.

1 Autotransformador variable con capacidad de 3 A.

1 Resistencia variable de 1 A ( 0-4,5Ω)

1 Resistencia de 60 kΩ.

1 Condensador de 20 uF

1 Amperímetro de pinza A.C.

1 Multimetro digital

1 Vatímetro digital

1 Osciloscopio digital.

III. PROCEDIMIENTO:

3.1 OBTENCION DE LA CARACTERISTICA: B-H

Disponer el circuito siguiente:

A W

VReactor

220 V

60 HZ

Fig. 1.1

Antes de energizar el circuito de autotransformador deberá estar en la posición de

tensión de salida cero. Después de comprobar la corrección de las conexiones con la

presencia del profesor, cerrar el interruptor alimentando el autotransformador y

elevar la tensión aplicada hasta un 30% sobre la tensión nominal (127 V).

Comprobar el adecuado funcionamiento de todos los instrumentos y verificar que el

rango de trabajo de cada uno de ellos sea el que conviene.

Reducir la tensión de salida del Autotransformador a cero nuevamente elevarla

progresivamente registrando ahora valores de tensión y corriente, hacer 10

mediciones hasta un 30% sobre la tensión nominal.

Medir aproximadamente el área transversal (Am) y la longitud media (Lm) del

núcleo ferromagnético del reactor.

3.2 OBSERVACIONES DEL LAZO DE HISTÉRESIS Y FORMA DE ONDA

DE LA CORRIENTE DEL REACTOR:

3.2.1 LAZO DE HISTERESIS:

Disponer el circuito siguiente:

A W

V

Reactor

220 V

60 HZ

Fig. 1.2

HorizontalAmplificacion

Osciloscopio

AmplificacionVertical

20 uF 0 - 4.5 ohm

60 k

Variar la tensión de salida del autotransformador a 22, 55, 110 y 143% de a

tensión nominal y observar como variar la forma de la figura sobre la pantalla

del oscilocopio. Hacer un bosquejo aproximado de esta figura para cada caso.

3.2.2 CORRIENTE DEL REACTOR

En el circuito anterior visualizar la señal aplicada a la sonda 2 variando

la tensión desde 0 hasta a 130 % de la tensión nominal del reactor

(127V) considerar 10 puntos.

Asímismo, tomar las lecturas de los instrumentos conectados.

3.3 SEPARACION DE PÉRDIDAS

Esta parte de la experiencia será solo teórica , porque no se dispone del

alternador sincrónico.

En el circuito mostrado en la figura 1.3, utilizando como fuente de alimentación

un alternador sincrónico de tensión y frecuencia fácilmente controlable.

A W

V

Reactor

V y F

Variables

Fig. 1.3

F

Suministrar la tensión y tomar las lecturas indicadas por los instrumentos para las

cuatro situaciones regulando la tensión y frecuencia de alimentación de tal manera

que para las condiciones 1, 2, 3 y 4 se verifique:

2

1

2

1111 fkfkp eh

2

2

2

2221 fkfkp eh

2

3

2

3331 fkfkp eh

Las cuales, al resolverse como ecuaciones simultáneas, proporcionan los siguientes

resultados (donde a = f2/f1)

1

2

2

21

2

13

2

2

3

2

2

2

2

log

])1()(

)([log

PaaPaP

PaP

22

3

2

2

)1( af

PaPkh

12

2

2

2

32

a

a

f

PaPke

4. CUESTIONARIO

4.1.-La relación de los valores tomados en las experiencias efectuadas

4.2.-Trazar las características B vs H y U vs H y asimismo graficar W vs V explicar

sus tendencias y que significado tiene cada una de ellas.

4.3.-Graficar la pérdidas especificas en el fierro en (vatios 7Kg) a 60Hz, como una

función de la inducción máximas expresadas en Tesla. Explicar la tendencia.

4.4.- ¿Qué es el circuito equivalente en una maquina eléctrica? ¿En que le es

equivalente?

4.5.-Elaborar el circuito equivalente del reactor para su tensión nominal.

4.6.-Explicar el principio de funcionamiento del circuito para la observación del

lazo de histéresis.

4.7.-¿Qué función desempeña el condensador de 20 F y la resistencia de 60K ?

4.8.-Graficar con la frecuencia como abscisa los puntos P/f en donde P es la perdida

total en vacío, A partir de este gráfico determinar las pérdidas totales por corrientes

parasitas y por histéresis en el hierro del núcleo para a tensión nominal y 60Hz.

4.9.-Dar 5 conclusiones a la experiencia y plantear algunas recomendaciones.

LABORATORIO Nº 02

EL TRANSFORMADOR MONOFASICO

1. OBJETIVO

Determinación de los parámetros del circuito equivalente de un transformador

monofásico para operación a frecuencia y tensión nominales.

Pronostico del comportamiento del transformador bajo carga, utilizando el circuito

equivalente.

Determinación de las características de regulación.

2. EQUIPOS A UTILIZAR

1 Transformador monofásico de 3KVA, 220/110V

1 Auto transformador 5 A.

1 Multímetro digital.

1 Vatímetro digital.

1 Amperímetro de pinza.

1 Termómetro 0 – 100ºC o instrumento equivalente.

1 Banco de Resistencias (Focos incandescentes).

2 Condensadores de diferente capacitancia.

1 Motor eléctrico monofásico de 220V/110 V.

3. PROCEDIMIENTO

3.1 OBTENCION DE RESISTENCIAS EN D.C.

Medir las resistencias de cada bobina y anotar la temperatura ambiente.

Corregir los valores a la temperatura normalizada de referencia (75ºC).

3.2 ENSAYO EN VACIO

Utilizar el circuito de la figura 2.1

V

WA

VF220V

60Hz

110/220V

FIGURA 2.1

Ajustando el auto transformador, variar la tensión hasta que el voltímetro

indique el valor nominal (110) voltios.

Mediante el mismo proceso, reducir la tensión desde 120% de la tensión

nominal hasta cero voltios y registrar 10 lecturas de corriente, tensión y

potencia.

3.3 ENSAYO EN CORTOCIRCUITO:

Utilizar el esquema circuital de la figura 2.2

60 HZ

220 V

Fig. 2.2

220/110

A

WA

VF

A partir de cero voltios aumentar gradualmente la tensión hasta lograr la

corriente nominal en el lado de 220 v.

Registrar las lecturas de tensión, corrientes y las pérdidas en carga dada por

el vatímetro en condiciones de corrientes nominales.

Cambiar la corriente primaria en etapas desde 120% hasta 10% de la

corriente nominal y registrar las lecturas de los instrumentos.

3.4 ENSAYO CON CARGA:

3.4.1. Con el circuito anterior desenergizado, conectar a la salida la

resistencia de carga. Excitar el transformador a tensión y frecuencias

nominales.

3.4.2. Ajustar el valor de la resistencia de carga (Focos incandescentes)

para obtener 4 magnitudes lo más cercanas posibles al 25, 50, 75 y

100% de la intensidad nominal secundaria, registrando la intensidad

nominal secundaria y las lecturas de los demás instrumentos.

3.4.3. Desconectar la carga y medir la tensión del primario para los valores

anotados en las diferentes condiciones de cargas fijadas

anteriormente.

3.4.4 Repetir los pasos anteriores conectando en paralelo un motor eléctrico

de 110 voltios.

3.4.5 Repetir los pasos anteriores conectando en paralelo un motor eléctrico

de 110 voltios con un condensador y luego con dos condensadores.

4. CUESTIONARIO:

4.1 La relación de los valores tomados en las experiencias efectuadas.

4.2 Del ensayo de vacío trazar las curvas de factor de potencia Cos θo (%),

potencia consumida Po (W) y corriente en vacío Io (A) como funciones de la

tensión de alimentación, asimismo graficar la curva relación de

transformación.

4.3 Del ensayo de cortocircuito graficar a partir de las lecturas la potencia

consumida Pcc (W), la tensión de impedancia Vcc (V) y el factor de potencia

de cortocircuito Cos θcc (%) como funciones de la corriente de cortocircuito

Icc (A).

4.4 Utilizando los datos de las dos primeras pruebas hallar el circuito equivalente

exacto del transformador para condiciones nominales.

4.5 Con el circuito equivalente aproximado trazar el diagrama circular del

transformador, es decir, Va vs Ia.

4.6 Con los datos del ensayo con carga a factor de potencia 1, graficar la curva

Va vs Ia, y compararlo con el gráfico encontrado en 4.5 Explicar las

diferencias.

4.7 Para las diversas cargas determinar la caída de tensión interna μ en % según

la expresión:

100(%)2

22 xV

VV

O

O

4.8 Calcular la regulación de tensión para carga nominal con Cos φ = 0.8

capacitivo.

Asimismo calcular la eficiencia del transformador para estas condiciones:

)º75(22 CPPCosIV

CosIV

LONN

ANAN

4.9 Comparar las pérdidas en el cobre (I1N)2 RT(W) con las pérdidas de carga PL

(75ºC) dada por la expresión:

)75235(

)235())((

)235(

)75235(1

2

11

2

1)º75(

tRItP

tRIP NCCNCL

Donde: I1N: Corriente nominal en el primario

Rt: resistencia equivalente en el arrollamiento primario a tºC = R1t +a2 R2t

4.10 Dar 5 conclusiones de la experiencia realizada.

LABORATORIO Nº 03

EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

I. Objetivos

Realizar el ensayo de vacío y de cortocircuito en el transformador

trifásico (3Ø) para determinar los parámetros del circuito equivalente del

transformador.

Determinar las pérdidas en el hierro y en el cobre, que ocurren en el

transformador.

Hallar el rendimiento del transformador.

Familiarización con el transformador trifásico, relacionado a las formas

de conexión posibles y diferencias entre ellas.

Identificación de bornes homólogos (igual polaridad relativa).

Pronosticar el comportamiento del transformador trifásico bajo carga,

utilizando el circuito equivalente.

Determinación de las características de regulación.

II. Equipos a Utilizar

1 Transformador trifásico de 3KVA; 220/380V

1 Autotransformador trifásico (Variac) de 5 KVA

1 Multímetro digital

1 Vatímetro trifásico.

1 Cosfímetro trifásico

1 Amperímetro de pinza.

1 Banco de Resistencias (Focos incandescentes).

3 Condensadores de 20 microfaradios

1 Motor trifásico de 380 V

1 Motor monofásico

III. Procedimiento

Verificar las características físicas del transformador trifásico , sus datos

de placa e identificar sus partes principales.

Medir y anotar las resistencias de los bobinados de los lados de alta y

baja del trasformador.

Medir y anotar las resistencias de aislamiento: AT-BT, AT-Masa, BT-

Masa.

a) Prueba de Relación de Transformación

Conectar el autotransformador (variac) al lado de baja tensión del

transformador, luego regular el voltaje de salida del autotransformador

empezando de 230 y disminuyendo cada 10 voltios hasta 190 voltios, anotar el

voltaje en el lado de alta tensión del transformador.

b) Prueba de Vacío

Armar el circuito que se muestra en la figura, conectar el lado de baja (220 V) al

autotransformador, el que a su vez debe estar alimentado con la energía de la red

y dejar abierto los bornes del lado de alta (380 voltios). Conectar un cosfímetro

trifásico en el lado de baja con la finalidad de medir el factor de potencia, los dos

vatímetros monofásicos se pueden reemplazar por un vatímetro trifásico, para

medir las corrientes en cada fase usar la pinza amperimétrica, medir con el

multímetro los voltajes de línea en el lado de alta y en el lado de baja.

Una vez armado el circuito de acuerdo a las indicaciones dadas en el párrafo

anterior, se debe graduar el voltaje de salida del autotransformador de manera

que se obtengan en el lado de baja (220 V), voltajes iguales al 25%, 50%, 75%

y 100% del voltaje nominal (medida por el multímetro), para cada caso anotar la

lectura de todos los instrumentos.

Finalmente, la potencia total de vacío representa las pérdidas en el hierro de todo

el transformador, y el ángulo de desfasaje de la corriente de vacío será:

Debiendo tenerse presente que el ángulo cuyo coseno da la ultima formula, no es

el que corresponde a una fase particular, sino que a un intermedio entre las tres

fases, ya sabemos que son distintos. Para tener el valor exacto de cada uno,

habría que conectar tres juegos de instrumentos, uno en cada fase, y calcular el

ángulo por el método de medida que se conoce y que se vio en la sección

correspondiente a los monofásicos.

c) Prueba de Cortocircuito

Previamente se deben de calcular las corrientes nominales de alta y baja tensión

del transformador trifásico.

Con el circuito desenergizado , armar el circuito que se muestra en la figura,

conectar el lado de alta (380 V) al autotransformador , el que a su vez debe estar

alimentado con la energía de la red y dejar cortocircuitado los bornes del lado de

baja (220 voltios). Conectar un cosfímetro trifásico en el lado de alta con la

finalidad de medir el factor de potencia, si el transformador no tiene conductor

neutro, el vatímetro monofásico se pueden reemplazar por un vatímetro trifásico

el cual nos dará directamente las pérdidas totales en el cobre (Pcu), para medir las

corrientes en cada fase usar la pinza amperimétrica, medir con el multímetro los

voltajes de línea en el lado de alta y en el lado de baja:

Una vez armado el circuito de acuerdo a las indicaciones dadas en el párrafo

anterior, hay que aplicar al lado de alta (380 V) una tensión reducida, graduando

el voltaje de salida del autotransformador, de manera de obtener en dicho lado el

25%, 50%, 75% y 100% de la corriente nominal (medida por el amperímetro de

pinza), para cada caso anotar la lectura de los instrumentos.

Una vez que conocemos las pérdidas totales en el hierro y en el cobre de nuestro

transformador trifásico, para determinar el rendimiento no hay más que conocer

la potencia normal secundaria y aplicar la siguiente fórmula:

Donde:

W2 : Es la potencia total trifásica para el secundario, en Watts

PFE : Son las pérdidas totales en el hierro

PCU : Son las pérdidas totales en el cobre

d) Prueba con Carga:

Acoplamos el interruptor trifásico a la entrada del transformador (lado 220 V)

siguiendo un orden de secuencia establecido (Ejemplo: RST) mostrado

esquemáticamente en la figura siguiente:

Con el circuito anterior desenergizado, conectamos la carga balanceada:

03 resistencias ó focos incandescentes iguales conectadas en delta.

03 resistencias focos incandescentes iguales conectadas en estrella.

03 ramas R-C iguales conectadas en delta

Nota: Tomar en cuenta que los focos incandescentes trabajan a 220

voltios, por lo tanto el circuito debe adecuarse de tal manera de asegurar estos

220 Voltios ¿Qué cambios haría?

Procedemos a energizar el circuito formado. Ajustar el valor de la resistencia de carga

para obtener magnitudes de 25, 50, 75, y 100% de la intensidad nominal secundaria, es

decir, con diferentes índices de carga a fin de evaluar posteriormente bajo que índice

presenta una mayor eficiencia. Para cada caso medir la corriente y voltaje de línea del

secundario.

Desconectar la carga y medir la tensión del primario para los valores anotados en las

diferentes condiciones de cargas fijas anteriormente.

índice de Carga ( ) (V) (V)

0,25

0,50

0,75

1,00

.

IV. Cuestionario

Prueba de vacío y cortocircuito:

1. Realizar el esquema de conexiones para realizar la prueba de Circuito Abierto en

un transformador, que condiciones son validas para realizar la prueba de vacío

2. Realizar el esquema de conexiones para realizar la prueba de Cortocircuito en un

transformador, que condiciones son validas para realizar la prueba de

Cortocircuito.

3. Determinar los parámetros que representan el transformador real, las pérdidas en

el mismo y la eficiencia del transformador trifásico.

4. Del ensayo de vacío trazar las curvas del factor de potencia Cos θ (%); Potencia

consumida P0 (W) y corriente en vacío I0 (A) en función de la tensión de

alimentación.

5. Del ensayo de cortocircuito graficar a partir de las lecturas la potencia

consumida PCC (W), la tensión de la impedancia VCC (V) como funciones de la

corriente de cortocircuito ICC (A)

6. Calcular la regulación de tensión para una carga nominal con Cos θ = 0.91

inductivo. Asímismo calcular la eficiencia del transformador para estas

condiciones:

Ensayo con carga:

1) Elaborar una síntesis de los pasos realizados para la implementar la conexión

trifásica requerida (Dy5).

2) Con los datos del ensayo con carga a factor de potencia 1, graficar la curva V vs

I.

3) Para las diversas cargas resistivas dispuestas, construir el circuito monofásico

equivalente y determinar: La regulación de tensión

4) La eficiencia del transformador para estas condiciones:

5) Comparar las pérdidas en el cobre con las pérdidas de carga

(75°C) dada por la expresión:

Donde:

6) Grafique la curva índice de carga vs. Rendimiento. ¿Qué puede notar?, Sustente

su repuesta y desarrolle la expresión analítica adecuada.

7) ¿Qué particularidades tiene la conexión usada?

8) Elabore un diagrama fasorial total, tomando en cuenta los desfasajes entre fases

originados por el tipo de conexión usada.

9) Para las condiciones de la carga usada y en base a su análisis anterior, diga usted

si sería favorable usar otro tipo de conexión, de ser así indique cual sería y que

ventajas y desventajas obtendría respecto al caso ensayado.

10) Haga un estudio teórico empleando el circuito equivalente exacto (con la rama

de excitación), indicar los porcentajes de variación. ¿Es viable despreciar dicha

rama en la práctica?

11) Dar 5 conclusiones a la experiencia.

LABORATORIO Nº 04

BANCO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS EN CONEXIÓN TRIFÁSICA: Yy, Dd

I. OBJETIVOS

Analizar y evaluar el comportamiento en forma experimental de las

conexiones tipo Yy y Dd de dos bancos trifasicos.

Realizar el ensayo de cortocircuito y de circuito abierto de un banco

trifasico y calcular el valor de sus parametros respectivamente.

Determinar el circuito equivalente y verificar el reparto de carga trifásica.

II. MATERIALES Y EQUIPO NECESARIO

3 transformadores monofásicos de 1 KVA, 220/127

2 Multímetros Digitales.

1 Vatímetro monofásico

1 Vatímetro trifásico

1 Cosfímetro trifásico

1 Autotransformador trifásico

3 Resistencias variables (Focos incandescentes)

3 Condensadores de 20 µF

1 Motor eléctrico trifásico.

III. PROCEDIMIENTO

1. Verificar el funcionamiento correcto de los instrumentos de medida antes

de realizar los ensayos

2. Medicion de resistencias en corriente continua: Con la ayuda del

multimetro medir las resistencias en corriente continua de cada

arrollamiento de los transformadores a la temperatura de ambiente.

3. Verificar que la relación de transformación de cada transformador

monofásico sean del mismo valor.

4. Realizar la prueba de cortocircuito de cada transformador monofásico y

determinar la polaridad (puntos homólogos) del primario y secundario de

cada transformador.

5. Verificar las relaciones de transformacion de cada transformador

utilizado.

6. Implementar el circuito de la figura 1 para formar un banco trifasico en

conexión Yy luego medir en la salida las tensiones en cada fase del

sistema y comprobar con lo que se dice en la teoria.

7. Implementar el circuito de la figura 2 para formar un banco trifasico en

conexión Dd luego medir en la salida las tensiones en cada fase del

sistema y comprobar con la parte teorica.

1era Parte: Conexión Yy FIGURA 1. 2da Parte: Conexión Dd

U

V

W

u

v

w

ACOPLAMIENTO ESTRELLA ESTRELLA Y Y

U

V

W

u

v

w

ACOPLAMIENTO TRIANGULO TRIANGULO D d

FIGURA 2.

3ta Parte: Prueba con carga

Implementar el sistema de la figura 3, donde el banco de transformadores

monofásicos está en conexión trifásica Dd0 y realizar las pruebas cuando la

carga trifásica está formada por:

Caso 01: 03 Lamparas incandescentes conectadas en delta y en estrella.

Caso 02: 01 Motor eléctrico trifásico.

Caso 03: 03 Condensadores conectados en delta y estrella.

Caso 04: 01 Carga R-L-C desbalanceada en delta y estrella.

Realizar las mediciones de potencia, factor de potencia, y todas las corrientes

y voltajes tanto de línea como de fase.

FIGURA 3

Repetir el paso anterior, pero ahora deberá conectar los transformadores

monofásicos en:

- Conexión trifásica D-d invirtiendo polaridad del secundario de manera que

los voltajes del primario y secundario estén desfasados 180° (Conexión

Dd6).

- Conexión trifásica en delta abierto ó conexión V.

- Conexión trifásica Y-y de manera que los voltajes del primario y secundario

estén en fase (Conexión Dd0).

- Conexión trifásica Y-y invirtiendo polaridad del secundario de manera que

los voltajes del primario y secundario estén desfasados 180° (Conexión

Yy6)

VARIAC

TRIFÁSICOVATÍMETRO

TRIFÁSICO

COSFIMETRO

TRIFÁSICO

CARGA

TRIFÁSICO

IV. CUESTIONARIO

1. ¿Qué tipos de conexiones trifásicas de transformadores monofásicos

existen? ¿para qué sirven?

2. ¿A qué es debido el ruido que genera un transformador?

3. ¿Se pueden obtener diferentes relaciones de transformación con un transformador trifásico? ¿Y con un monofásico? Explícalo.

4. ¿Qué requisitos deben cumplir los transformadores monofásicos para

formar la conexión trifásica?

5. ¿Por qué existe una asimetría en las corrientes de vacío?

6. Si formamos un transformador trifásico a partir de tres transformadores monofásicos iguales y lo alimentamos con un sistema trifásico equilibrado de secuencia directa, ¿obtendremos a la salida siempre un sistema equilibrado de tensiones de secuencia directa?.

7. Indique las ventajas y desventajas de los bancos monofásicos en

conexión trifásica respecto a los transformadores trifásicos.

8. ¿En qué casos es conveniente usar la conexión Yy y Dd?

9. ¿Qué diferencias relevantes se encontraron al trabajar con la conexión Yy0 y Yy6?

10. ¿Qué diferencias relevantes se encontraron al trabajar con la conexión Dd0 y Dd?

11. Enumera algunas de las normas de seguridad a tener en cuenta en los ensayos de transformadores.

12. En qué casos se utiliza la conexión Delta abierto?

LABORATORIO Nº 05

PARTE A:

TRANSFORMADORES MONOFASICOS EN PARALELO

1. OBJETIVOS:

Verificar el reparto de carga en dos transformadores de distinta tensión de

cortocircuito funcionando en paralelo.

2. EQUIPOS A UTILIZARSE:

2 Transformadores monofásicos de 1KVA; 220/110 V

1 Autotransformador variable de 1.3 KVA; 220 V; 0-20 A

1 Multímetro digital

1 Amperímetro de pinza

1 Vatímetro trifásico

1 Resistencia variable 0-10 A 220 Ω

1 Resistencia 0-15 Ω, 5 A

3.1.- Verificación de la polaridad de los transformadores.

FIGURA 1

Conectar los circuitos de acuerdo con las figura 1 y determinar las polaridades

y relación de transformación de c/u de los transformadores monofásicos de acuerdo

con el método de los 3 voltímetros y utilizando las siguientes ecuaciones:

a = V1 / V2

V3 = V1 + V2 la polaridad es aditiva

V3 = V1 - V2 la polaridad es sustractiva

Transformador

Serie No

V1

voltios

V2

voltios

V3

voltios

a = relación de

transformación

Polaridad Observaciones

3.2.- Medir la tensión de cortocircuito de ambos transformadores conforme

se muestra en la figura 2

3.3.- Conectar los 2 transformadores monofásicos en paralelo de acuerdo con la

figura 3 teniendo en consideración la polaridad de c/u de ellos .

3.4.- Con R2 en cortocircuito, ajustar el valor de RL hasta lograr que uno de los

Transformadores entregue su corriente nominal. En estas condiciones medir

la corriente de carga y las corrientes de c/u de los transformadores en los lados

de 220 y 110 voltios . Aumentar luego el valor de R2 hasta lograr un reparto

equitativo de la carga y medir la caída de tensión en R2 ; las corrientes de

carga y de c/u de los transformadores.

3. CUESTIONARIO

4.1.- Construir el diagrama fasorial correspondiente a la situación registrada 3.1.

¿Pudo colocarse R2 en el lado 110 V?

4.2.- ¿Cuál será el reparto de carga si los transformadores tienen además su relación

de transformación distinta?

4.3.- ¿Se mantendrá el equilibrio entre las corrientes si se modifica el factor de

potencia de la carga?. Aplicar el caso de una carga a f.d.p. 0.8 inductivo.

4.4.- ¿Con que aproximación se verificó el cálculo teórico del reparto de la carga?

Explicar las discrepancias.

4.5.- ¿Cuál es el factor de potencia del transformador 1 con respecto al secundario si

el f.d.p. de la carga es 0.85?

4.6.- ¿Qué sucedería si los transformadores se conectan en paralelo con la polaridad

opuesta?

5.- CONCLUSIONES

PARTE B TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS EN PARALELO

I. OBJETIVO:

Verificar el reparto de carga en dos transformadores trifásicos funcionando en

paralelo.

II. EQUIPOS A UTILIZARSE:

2 transformadores trifásicos de 5KVA; 220/110 V

1 Autotransformador trifásico

1 Vatímetro trifásico

1 multímetro digital

1 Amperímetro de pinza

3 Resistencias variables 0-10 A 220 Ω

1 Resistencia 0-15 Ω, 5 A

III. PROCEDIMIENTO

Conectar el circuito de la figura 3

110 V 220 V

CARGA

TRIFASICA

D Y

D Y

La alimentación se realiza a través del autotransformador trifásico hasta lograr una

tensión de 220 voltios entre líneas en la carga trifásica y tomar valores de corriente y

potencia para diferentes cargas .

IV.- CUESTIONARIO

4.1.- Hallar el circuito equivalente para cada transformador trifásico en condiciones

nominales.

4.2.- ¿Qué ventajas/desventajas tienen los bancos de transformadores monofásicos

con respecto a los transformadores trifásicos?

.

4.4.- ¿Cómo es el reparto de carga en transformadores trifásicos puestos en paralelo?

Explicar comprobando con los obtenidos en el laboratorio.

V.- CONCLUSIONES

LABORATORIO N° 06

EL AUTOTRANSFORMADOR MONOFÁSICO

I. Objetivos

Realizar la prueba de vacío y de cortocircuito en el Autotransformador

monofásico (1Ø) para determinar los parámetros del circuito equivalente del

autotransformador.

Determinar las pérdidas en el hierro y en el cobre, que ocurren en el

autotransformador.

Hallar el rendimiento del autotransformador.

Pronosticar el comportamiento del autotransformador monofásico bajo carga,

utilizando el circuito equivalente.

Determinación de las características de regulación.

II. Equipos a Utilizar:

2 Autotransformadores variables con capacidad de 2KVA c/u.

1 Vatímetro digital.

1 Bobina L=112.86 m Hr; ri=13.2Ω; A=3.5 Amp.

1 Condensador de 20µF.

1 Elemento resistivo (Foco de 300 watts).

1 Multímetro digital.

1 Juego de cables para Conexión.

1 Amperímetro de Pinza de 40 Amp.

III. Procedimiento

Verificar las características físicas del autotransformador monofásico, anotar

sus datos de placa e identificar sus partes principales, anotar Temperatura

ambiente.

Medir y anotar las resistencias de los bobinados de los lados de alta y baja del

autotransformador.

Medir y anotar las resistencias de aislamiento: AT-BT, AT-Masa, BT-Masa.

Conectar los bornes de entrada del Autotransformador N° 2 (El que se va a

analizar) a la red de 220 voltios y regular su tensión de salida a un voltaje de 150

voltios.

Conectar los bornes de entrada del autotransformador N° 2 a la red de 220

voltios y dejando abiertos los bornes de salida del autotransformador 2, tomar la

lectura de los instrumentos de medición: tensión, corriente y potencia.

Conectar el Autotransformador N° 1 a la red de 220 voltios y regular su tensión

de salida a 220 voltios, luego conectarlo a los bornes de entrada del

autotransformador N° 2

Conectar el vatímetro digital entre los bornes de salida del Autotransformador

N° 1 y los bornes de entrada del autotransformador N° 2, luego cortocircuitando

los bornes de salida del autotransformador N° 2, regular el voltaje de salida del

autotransformador N° 1, de manera que circule la corriente nominal en el

primario del autotransformador N° 2, tomar la lectura de los instrumentos de

medición: tensión, corriente y potencia.

Sin modificar nada en el Autotransformador N° 2, realizar la prueba de carga,

para esto instalamos el vatímetro a la salida del Autotransformador (El que se

analiza), y a la salida de este conectamos primero la carga resistiva (foco),

segundo la carga capacitiva (condensador) y por último la carga inductiva, para

cada carga tomar las lecturas de los instrumentos de medición: tensión, corriente

y potencia.

Repetir los pasos anteriores cuando a la salida del Autotransformador N° 2 sea

110 voltios y después cuando sea 50 voltios.

IV CUESTIONARIO:

4.1 La relación de los valores tomados en las experiencias efectuadas.

4.2 Del ensayo de vacío trazar las curvas de factor de potencia Cos θo (%),

potencia consumida Po (W) y corriente en vacío Io (A) como funciones de la

tensión de alimentación, asimismo graficar la curva relación de

transformación.

4.3 Del ensayo de cortocircuito graficar a partir de las lecturas la potencia

consumida Pcc (W), la tensión de impedancia Vcc (V) y el factor de potencia

de cortocircuito Cos θcc (%) como funciones de la corriente de cortocircuito

Icc (A).

220 V

AUTO TRASFORMADOR

MONOFASICO

VARIAC.

Monofasico

VATÍMETRO DIGITAL

MONOFÁSICO

LN

U

I

T

N° 1

N° 2

4.4 Utilizando los datos de las dos primeras pruebas hallar el circuito equivalente

exacto del autotransformador para condiciones nominales.

4.5 Con el circuito equivalente aproximado trazar el diagrama circular del

autotransformador, es decir, Va vs Ia.

4.6 Con los datos del ensayo con carga a factor de potencia 1, graficar la curva

Va vs Ia, y compararlo con el gráfico encontrado en 4.5 Explicar las

diferencias.

4.7 Para las diversas cargas determinar la caída de tensión interna μ en % según

la expresión:

100(%)2

22 xV

VV

O

O

4.8 Calcular la regulación de tensión para carga nominal con Cos φ = 0.8

capacitivo.

Asimismo calcular la eficiencia del autotransformador para estas

condiciones:

)º75(22 CPPCosIV

CosIV

LONN

ANAN

4.9 Comparar las pérdidas en el cobre (I1N)2 RT(W) con las pérdidas de carga PL

(75ºC) dada por la expresión:

)75235(

)235())((

)235(

)75235(1

2

11

2

1)º75(

tRItP

tRIP NCCNCL

Donde:

I1N: Corriente nominal en el primario

Rt: Resistencia equivalente en el arrollamiento primario a tºC = R1t +a2 R2t

LABORATORIO N° 07

TRANSFORMADOR TRIFÁSICO EN ACEITE

I. Objetivos

Realizar la prueba de vacío y de cortocircuito en el transformador

trifásico (3Ø) en aceite para determinar los parámetros del circuito

equivalente del transformador.

Determinar las pérdidas en el hierro y en el cobre, que ocurren en el

transformador.

Hallar el rendimiento del transformador.

Familiarización con el transformador trifásico refrigerado con aceite,

relacionado a las formas de conexión posibles y diferencias entre ellas.

Identificación de bornes homólogos (igual polaridad relativa).

Pronosticar el comportamiento del transformador trifásico bajo carga,

utilizando el circuito equivalente.

Determinación de las características de regulación.

II. Equipos a Utilizar:

1 Transformador trifásico Dy5 ; de 5KVA, 460/220V.

1 Autotransformador trifásico (Variac).

1 Multímetro digital.

1 Vatímetro trifásico.

1 Cosfímetro trifásico.

1 Amperímetros de pinza.

Carga Resistiva (Focos incandescentes).

06 Condensadores de 20 microfaradios.

01 Motor Eléctrico trifásico.

III. Procedimiento

Verificar las características físicas del transformador trifásico en aceite, anotar

sus datos de placa e identificar sus partes principales, anotar Temperatura

ambiente.

Medir y anotar las resistencias de los bobinados de los lados de alta y baja del

trasformador.

Medir y anotar las resistencias de aislamiento: AT-BT, AT-Masa, BT-Masa.

a) Prueba de Relación de Transformación

Conectar el autotransformador (variac) al lado de baja tensión del

transformador, luego regular el voltaje de salida del autotransformador

empezando de 230 y disminuyendo cada 10 voltios hasta 190 voltios, anotar el

voltaje en el lado de alta tensión del transformador.

b) Prueba de Vacío

Alimentar el lado de baja tensión con 220 voltios y dejar abierto los bornes de

alta tensión de acuerdo a la siguiente figura:

Anotar las lecturas indicadas por los instrumentos de medición, ya que con estos

valores se determinará los parámetros de vacío.

c) Prueba de Cortocircuito

Previamente calcular las corrientes nominales de alta y de baja tensión del

transformador trifásico.

Con el circuito del ensayo desenergizado , conectar el lado de alta tensión del

transformador al autotransformador trifásico (Variac) y regular este último a un

voltaje tal que se obtenga la corriente nominal en el lado de alta tensión,

asimismo, cortocircuitar los bornes de baja tensión de acuerdo a la figura

mostrada.

El ensayo de cortocircuito necesario para determinar las pérdidas en el cobre, se

realiza aplicando la tensión de cortocircuito a uno de los devanados,

manteniendo cortocircuitado el otro.

Tal como se vio en ensayo para transformadores monofásicos, hay que aplicar al

primario una tensión reducida, que se gradúa de manera de tener en el

secundario la carga normal, acusada por el amperímetro. El vatímetro indica la

potencia que absorbe una fase del transformador con secundario en cortocircuito.

Las pérdidas totales en el cobre se calculan multiplicando esa lectura por tres.

Y una vez que conocemos las pérdidas totales en el hierro y en el cobre de

nuestro transformador trifásico, para determinar el rendimiento no hay más que

conocer la potencia normal secundaria y aplicar la siguiente fórmula:

Donde:

W2 : Es la potencia total trifásica para el secundario, en Watts

PFE : Son las pérdidas totales en el hierro

PCU : Son las pérdidas totales en el cobre

d) Prueba con Carga:

Acoplamos el interruptor trifásico a la entrada del transformador siguiendo un

orden de secuencia establecido (Ejemplo: RST) mostrado esquemáticamente en

la figura siguiente:

Con el circuito anterior desenergizado, conectamos la carga balanceada:

- 03 resistencias iguales conectadas en delta.

- 03 resistencias iguales conectadas en estrella.

- 03 ramas R-C iguales conectadas en delta

Procedemos a energizar el circuito formado. Ajustar el valor de la resistencia de carga

para obtener magnitudes de 25, 50, 75, y 100% de la intensidad nominal secundaria, es

decir, con diferentes índices de carga a fin de evaluar posteriormente bajo que índice

presenta una mayor eficiencia. Para cada caso medir la corriente y voltaje de línea del

secundario.

Desconectar la carga y medir la tensión del primario para los valores anotados en las

diferentes condiciones de cargas fijas anteriormente.

índice de Carga ( ) (V) (V)

0,25

0,50

0,75

1,00

Realizar las pruebas que se indican en el párrafo anteior para tres cargas

desbalanceadas.

Para las diferentes posiciones de los Taps del transformador realizar las pruebas que se

indican en el párrafo anterior.

IV. Cuestionario

Prueba de vacío y cortocircuito:

1. Determinar los parámetros que representan el transformador real, las pérdidas en

el mismo y la eficiencia del transformador trifásico.

2. Del ensayo de vacío trazar las curvas del factor de potencia Cos θ (%); Potencia

consumida P0 (W) y corriente en vacío I0 (A) en función de la tensión de

alimentación.

3. Del ensayo de cortocircuito graficar a partir de las lecturas la potencia

consumida PCC (W), la tensión de la impedancia VCC (V) como funciones de la

corriente de cortocircuito ICC (A)

4. Calcular la regulación de tensión para una carga nominal con Cos θ = 0.91

inductivo. Asímismo calcular la eficiencia del transformador para estas

condiciones:

Prueba con carga:

1) Explicar el significado de cada una de las características de placa de este tipo de

transformadores.

2) Describir cada una de las partes de este tipo de tranasformadores.

3) Detallar los usos de este tipo de transformadores.

4) Explicar la utilidad de los Taps en este tipo de transformadores.

5) Con los datos del ensayo con carga a factor de potencia 1, graficar la curva V vs

I.

6) Para las diversas cargas resistivas dispuestas, construir el circuito monofásico

equivalente y determinar: La regulación de tensión

7) La eficiencia del transformador para estas condiciones:

8) Comparar las pérdidas en el cobre con las pérdidas de carga

(75°C) dada por la expresión:

Donde:

9) Grafique la curva índice de carga vs. Rendimiento. ¿Qué puede notar?, Sustente

su repuesta y desarrolle la expresión analítica adecuada.

10) Elabore un diagrama fasorial total, tomando en cuenta los desfasajes entre fases

originados por el tipo de conexión usada.

11) Para las condiciones de la carga usada y en base a su análisis anterior, diga

usted si sería favorable usar otro tipo de conexión, de ser así indique cual sería y

que ventajas y desventajas obtendría respecto al caso ensayado.

12) Dar 5 conclusiones a la experiencia.

LABORATORIO N° 08

BANCO DE TRANSFORMADORES MONOFASICOS EN

CONEXIÓN Dy,Yd

I. OBJETIVOS:

Analizar y evaluar el comportamiento en forma experimental de las

conexiones tipo Dy e Yd de dos bancos trifasicos.

Realizar el ensayo de cortocircuito y de circuito abierto de un banco

trifasico y calcular el valor de sus parametros respectivamente.

Determinar el circuito equivalente y verificar el reparto de carga trifásica.

II. EQUIPOS A A UTILIZARSE:

1 autotransformador trifásico 220 voltios - 15 A

3 Transformadores monofasicos (220v-127v)

1 carga trifásica resistiva (Focos incandescentes) 220 voltios,

1 vatímetro trifásico 220 voltios ; 5/25 A

1 vatímetro monofásico

1 cosfímetro trifásico

1 amperímetro de pinza digital

1 multímetro digital

1 Motor eléctrico trifásico a 220 v

3 condensadores de igual capacidad.

III. PROCEDIMIENTO:

1. Verificar el funcionamiento correcto de los instrumentos de medida antes

de realizar los ensayos

2. Medicion de resistencias en corriente continua: Con la ayuda del

multimetro medir las resistencias en corriente continua de cada

arrollamiento de los transformadores a la temperatura de ambiente.

3. Verificar que la relación de transformación de cada transformador

monofásico sean del mismo valor.

4. Realizar la prueba de cortocircuito y de vacío de cada transformador

monofásico, asimismo determinar la polaridad (puntos homólogos) del

primario y secundario de cada transformador.

5. Verificar las relaciones de transformacion de cada transformador

utilizado.

6. Implementar el circuito de la figura 1 para formar un banco trifasico en

conexión Dy luego medir en la salida las tensiones en cada fase del

sistema y comprobar con lo que se dice en la teoria.

7. Implementar el circuito de la figura 2 para formar un banco trifasico en

conexión Yd luego medir en la salida las tensiones en cada fase del

sistema y comprobar con la parte teorica.

1era Parte: Conexión Dy

FIGURA 1.

2da Parte: Conexión Yd

FIGURA 2.

3era Parte: Prueba de Vacio Armar el circuito que se muestra en la Figura 3 Variar la tensión de alimentación del banco trifásico de 0 a 220 voltios en el lado Delta, mientras el lado Y permanece en circuito abierto y tomar diferentes medidas simultáneas de tensión, corriente y potencia.

D Y

U

V

W

AUTOTRAFOTRIFASICO

N

u

v

w

VA

TIM

ET

RO

V

A

FIGURA 3 4ta Parte: Prueba de Cortocircuito Conectar el circuito de la figura 4 y utilizando el autotransformador trifásico alimentar con tensión reducida del orden de 5-12% de la tensión nominal de c/u de las fases, de tal manera que circulen las corrientes nominales del banco y tomar diferentes medidas simultáneas de tensión, corriente y potencia.

FIGURA 4

V

A

AUTO TRAFO 3 Ø

VA

TIM

ET

RO

TR

IFA

SIC

O

U

V

W

u

v

w

A

5ta Parte: Prueba con carga

Implementar el sistema de la figura 5 y realizar las pruebas cuando la carga

trifásica está formada por:

Caso 01: 03 Lamparas incandescentes conectadas en delta y en estrella.

Caso 02: 01 Motor eléctrico trifásico.

Caso 03: 03 Condensadores conectados en delta y estrella.

Caso 04: 01 Carga R-L-C desbalanceada en delta y estrella.

Realizar las mediciones de potencia, factor de potencia, y todas las corrientes

y voltajes tanto de línea como de fase.

FIGURA 5

IV. CUESTIONARIO

1. Elaborar para los circuitos de las figuras 1 y 2 , así como del ensayo con

carga el diagrama fasorial en cada secuencia de fases indicando las

tensiones de linea, de fase y corrientes obtenidas a partir de los

cálculos.

2. Calcular a partir del ensayo de cortocircuito los parámetros a la

temperatura garantizada por norma tomando como tensiones de

cortocircuito valores entre el 5-12% de la tension nominal y tabular estos

valores en una tabla.

3. ¿Qué aplicaciones importantes tienen en este caso las conexiones tipo

Dy e Yd ?

4. ¿Qué ventajas importante tiene la conformacion de un banco trifasico a

partir de transformadores monofasicos y dar un ejemplo aplicativo?

5. ¿Hay un cambio significante en los resultados si en nuestro sistema de

alimentación con carga despreciamos la corriente de excitación?

6. ¿Es correcto decir que el factor de potencia en el ensayo de vacío es

igual a la unidad? Fundamente su respuesta.

7. Del ensayo de cortocircuito elaborar una gráfica de las pérdidas que se

producen en los devanados vs la tensión de cortocircuito para puntos en

el rango establecido de (5-12%) del voltaje nominal e indicar para que

tensiones se producen más pérdidas.

8. ¿Por qué no es necesario calcular las pérdidas en el fierro determinadas

en el ensayo de vacío para la temperatura garantizada por norma?

9. Para el ensayo con carga ¿que influencia se tiene al trabajar con una

carga con factor de potencia: unitario, en adelanto y en atraso?.

10. Desarrollar el fundamento teórico para los tipos de conexiones a través

de un banco monofasico.