zzAREA ELECTRICIDAD Y ELECTRNICA

Asignatura: Ensayo de maquinas

Cdigo: ELSP12

Unidad de Aprendizaje N: 1

Aprendizaje esperado N: 1.2

Laboratorio N 1

ENSAYO DE MAQUINAS

TRANSFORMADOR DE POTENCIA

ALUMNOS:

PRIMERA PARTE

OBJETIVOS DEL LABORATORIO:

1. Conocer las relaciones de voltaje y corriente de un transformador. ( CE. 1.2.1) 2. Estudiar las corrientes de excitacin, la capacidad en vo1tamperes y las corrientes de

cortocircuito de un transformador. (CE. 1.2.1) INTRODUCCIN Los transformadores son probablemente la parte de equipo de mayor uso en la industria elctrica. Varan en tamao desde unidades miniatura para radios de transistores, hasta unidades gigantescas que pesan toneladas y que se emplean en las estaciones centrales de distribucin de energa elctrica. Sin embargo, todos los transformadores tienen las mismas propiedades bsicas, que son las que se vern a continuacin.

Cuando existe una induccin mutua entre dos bobinas o devanados, un cambio en la corriente que pasa por uno de ellos induce un voltaje en el otro. Todos los transformadores poseen un devanado primario y uno o ms secundarios. El devanado primario recibe energa elctrica de una fuente de alimentacin y acopla esta energa al devanado secundario mediante un campo magntico variable. La energa toma la forma de una fuerza electromotriz que pasa por el devanado secundario y, si se conecta una carga a ste, la energa se transfiere a la carga. As pues, la energa elctrica se puede transferir de un circuito a otro sin que exista una conexin fsica entre ambos. Los transformadores son indispensables en la distribucin de potencia en c.a, ya que pueden convertir la potencia elctrica que est a una corriente y voltajes dados, en una potencia equivalente a otra corriente y voltaje dados.

Cuando un transformador est funcionando, pasan corrientes alternas por sus devanados y

se establece un campo magntico alterno en el ncleo de hierro. Como resultado, se producen prdidas en el cobre y en el hierro que representan potencia real (watts) y que hacen que el transformador se caliente. Para establecer un campo magntico se requiere una potencia reactiva (vars) que se obtiene de la lnea de alimentacin. Por estas razones, la potencia total entregada al devanado primario es siempre ligeramente mayor que la potencia total entregada por el devanado secundario. Sin embargo, se puede decir, que aproximadamente en casi todos los transformadores:

a) Potencia del primario (watts) = Potencia del secundario (watts)

b) Volt amperes del primario (VA) = Volt amperes del secundario (VA)

c) VAR del primario = VAR del secundario

Cuando el voltaje del primario se eleva ms all de su valor nominal, el ncleo de hierro (laminaciones) comienza a saturarse y la corriente de magnetizacin (de excitacin) aumenta con gran rapidez.

Los transformadores pueden sufrir cortocircuitos accidentales causados por desastres naturales o motivados por el hombre. Las corrientes de cortocircuito pueden ser muy grandes y, a menos que se interrumpan, queman al transformador en un corto tiempo. El objetivo de este Experimento de Laboratorio es demostrar estos puntos importantes.

INSTRUMENTOS Y EQUIPO

Cantidad Descripcin

1 Mdulo de transformador EMS 8347-2

1 Mdulo de fuente de alimentacin (220/380 V c-a) EMS8829-

2

1 Mdulo de medicin de c-a (250/250/500/500 V) EMS8429-2

1 Mdulo de medicin de c-a(0.25/0.25/0. 25A) EMS8428-2

1 Cables de conexin EMS 8941

1 Ohmmetro

PROCEDIMIENTOS

Advertencia: En este Experimento de Laboratorio se manejan altos voltajes! No haga ninguna conexin cuando la fuente est conectada! La fuente debe desconectarse despus de hacer cada medicin!

1. Examine la estructura del Mdulo EMS 8347-2 de transformador, fijndose especialmente

en el transformador, las terminales de conexin y el alambrado.

a) El ncleo del transformador est hecho de capas delgadas (laminaciones) de acero. Identifquelo.

b) Observe que los devanados del transformador acaban en una tablilla terminal montada en el marco del transformador c) Observe que estos devanados van conecta dos a las terminales de conexin montadas en la cara del mdulo.

2. Identifique los tres devanados independientes del transformador marcados en la cara del mdulo:

a) Anote el voltaje nominal de cada uno de los tres devanados:

terminales 1 a 2 = _______V c-a terminales 3 a 4 = _______V c-a terminales 5 a 6 = _______ V c-a

b) Escriba el voltaje nominal entre las siguientes terminales de conexin:

terminales 3 a 7 = ______________ V c-a

terminales 7 a 8 = _____________ V c-a

terminales 8 a 4 = _____________ _ V c-a

terminales 3 a 8 = ____________________ V c-a

terminales 7 a 4 = ______________ V c-a

terminales 5 a 9 = ____________________ V c-a

terminales 9 a 6 = ____________ V c-a

c) Indique la corriente nominal de cada una de las siguientes conexiones: terminales 1 a 2 = ____________ A c-a terminales 3 a 4 = ____________________ A c-a terminales 5 a 6 = __________________ A c-a

terminales 3 a 7 = ____________________ A c-a

terminales 8 a 4 = ____________ Ac-a

3.Use la escala ms baja del ohmmetro y mida y anote la resistencia en c-d de cada uno de los devanados:

terminales1 a 2 =

terminales 3 a 4 =

terminales 3 a 7 =

terminales 7 a 8 =

terminales 8 a 4 =

terminales 5 a 6 =

terminales 5 a 9 =

terminales 9 a 6 = Figura 1

4.-A continuacin medir los voltajes del secundario sin carga, cuando se aplican 220 V C-a al devanado

primario.

a) Conecte el circuito que se ilustra en la Figura 1. b) Conecte la fuente de alimentacin y ajstela a 220V c-a, segn lo indique el voltmetro conectado a las terminales 4 y N. c) Mida y anote el voltaje de salida E2, d) Reduzca a cero el voltaje y desconecte la fuente de alimentacin. e) Repita los procedimientos (b, c y d) midiendo el volta je de salida E2 para cada devanado que se indica

f) devanado 1 a 2 = ---- V c-a

devanado 3 a 4 = V c-a

devanado 5 a 6 = V c-a devanado 3 a 7 = V c-a

devanado 7 a 8 = V c-a

devanado 8 a 4 = ----- V c-a

devanado 5 a 9 = ------- V c-a

devanado 9 a 6 = ------- V c-a

5. a) Concuerdan los voltajes medidos con los valores nominales? _____ Si algunos difieren explique por qu.

b) Puede medir el valor de la corriente magnetizante (de excitaci6n)? Por qu?

6.- Los devanados 1 a 2 y 5 a 6 tienen 1100 vueltas de alambre. El devanado 3 a 4 tiene 1900 vueltas. Calcule las siguientes relaciones de vueltas: devanado 1 a 2 a) ------------------- = ___________ devanado 5 a 6

devanado 1 a 2

b) -------------------_=___ devanado 3 a 4

7.- a) Conecte el circuito que aparece en la Figura 2. Observe que el medidor de corriente I2 pone en cortocircuito el devanado 5 a 6.

b) Conecte la fuente de alimentacin y aumente gradualmente el voltaje hasta que la corriente de cortocircuito I2 sea 0.2 A c-a.

c) Mida y anote I1 y E1

I1 == A c-a El = V c-a

d) Reduzca a cero el voltaje y desconecte la fuente de alimentacin. e) Calcule la relacin de corriente: I1/ I2 = -------------

f) Es igual la relacin de corrientes a la relacin de vueltas? Explique por qu.

Figura 2

8.- a) Conecte el circuito que aparece en la Figura 3. Observe que el medidor de corriente I3 pone en cortocircuito al devanado 3 a 4. b) Conecte la fuente de alimentacin y aumente gradualmente el voltaje hasta que la corriente que pasa por el devanado primario I1 sea 0.2 A c-a. c) Mida y anote I3 y El I3 = _____A c-a El = -----------V c-a d) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentacin. e) Calcule la relacin de corriente: I1/ I3 = ----------

Figura 3.

f) Considere esta relacin de corriente, es la inversa de la relacin de vueltas? ___ Explique por qu.

Figura 4

9. A continuacin determinar el efecto de saturacin del ncleo en la corriente de excitacin de un transformador. a) Conecte el circuito que se ilustra en la Figura 4. Observe que las terminales 4 y 5 de la fuente de alimentacin se van a utilizar ahora. Estas terminales proporcionan un voltaje variable de 0-380 V c-a, b) Conecte la fuente de alimentacin y ajstela a 50Vc-a tomando esta lectura en el voltmetro conectado a las terminales 4 y 5 de la fuente de alimentacin. c) Mida y anote la corriente de excitacin, I1, y el voltaje de salida E2 para cada voltaje de entrada que se indique en la tabla 1. d) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentacin

E1 V c-a

I1 mA c-a

E2 V c-a

50 100 150 200 250 300 350

Tabla 1 10. a) Grafique, de acuerdo a valores tabulados en tabla 1, la curva de magnetizacin del transformador, indicando en el eje vertical valores de tensin y en eje horizontal valores de corriente. b) Observe que la corriente de magnetizacin aumenta rpidamente despus de alcanzar cierto

voltaje de entrada.

c) Ha variado la relacin de voltaje entre los dos devanados, debido a la saturacin del

ncleo?_________. Explique porque

11.- Responda las siguientes preguntas:

11.1.- Si la corriente de cortocircuito que pasa por el devanado secundario 9 a 6, fuera 0.5 Ac-a,

Cul sera la corriente que pasara por el devanado primario 1 a 2?

11.2.- Si se pone en cortocircuito el devanado secundario 7 a 8 y el devanado primario 5 a 6 toma

una corriente de 0.25 Ac-a.

a) Calcule la corriente de cortocircuito que pasa por el devanado 7 a 8

b) Por qu se deben realizar estas pruebas con la mayor rapidez posible?

11.3.- Si se aplica 220 (V c-a) al devanado 3 a 4, indique los voltajes que se tendrn en:

a) Devanado 1 a 2 =

b) Devanado 5 a 9 =

c) Devanado 7 a 8 =

d) Devanado 5 a 6 =

11.4.- Cul de los devanados del Procedimiento 7 disipa ms calor?_________Por qu?

11.5.- Si se aplicara un voltaje de 220 V c-a al devanado 1 a 2 con el devanado 5 a 6 en

cortocircuito:

a) Cul sera la corriente de cada devanado? Del procedimiento 7.c) cuando E1 = 23 V c-a.

b) Cuntas veces es mayor esta corriente que su valor normal?

c) Cuantas veces es mayor el calor generado en los devanados en estas condiciones, que

en condiciones normales?

SEGUNDA PARTE

OBJETIVOS DEL LABORATORIO:

l. Estudiar la regulacin de voltaje del transformador con cargas variables. (CE 1.2.2-1.2.3) 2. Estudiar la regulacin del transformador con cargas inductivas y capacitivas. (CE 1.2.2-1.2.3)

INTRODUCCIN

La carga de un gran transformador de potencia, en una subestacin, usualmente vara desde un valor

muy pequeo en las primeras horas de la maana, hasta valores muy elevados durante los perodos de mayor actividad industrial y comercial. El voltaje secundario del transformador variar un poco con la carga y, pues-

to que los motores, las lmparas incandescentes y los dispositivos de calefaccin son muy sensibles a los cam-

bios en el voltaje, la regulacin del transformador tiene una importancia vital. El voltaje secundario depen-

de tambin de si el factor de potencia de la carga es adelantado, atrasado o es la unidad. Por lo tanto, se debe

conocer la forma en que el transformador se comportar cuando se le somete a una carga capacitiva, induc-

tiva o resistiva.

Si el transformador fuera perfecto (ideal), sus devanados no tendran ninguna resistencia. Es ms, no requerira ninguna potencia reactiva (vars) para establecer el campo magntico en su interior. Este trans- formador tendra una regulacin perfecta en todas las condiciones de carga y el voltaje del secundario se man-

tendra absolutamente constante. Sin embargo, los transformadores reales tienen cierta resistencia de deva-

nado y requieren una potencia reactiva para producir sus campos magnticos. En consecuencia, los devana-

dos primario y secundario poseen una resistencia general R y una reactancia general X. El circuito equiva-

lente de un transformador de potencia que tiene una relacin de vueltas de 1 a 1, se puede representar aproxi- madamente por medio del circuito que aparece en la figura 5. Las terminales reales del transformador son P1 P2 en el lado del primario y S1 S2 en el secundario.

Se supone que el transformador mostrado entre estos terminales, es un transformador perfecto (ideal) en serie el cual tiene una impedancia R y otras imperfecciones representadas por X. Es evidente que si el

voltaje del primario se mantiene constante, el voltaje del secundario variar con la carga debido a R y X.

Cuando la carga es capacitiva, se presenta una caracterstica interesante, ya que se establece una reso-

nancia parcial entre la capacitancia y la reactancia X, de modo que el voltaje secundario E2 incluso tiende a

aumentar conforme se incrementa el valor de la carga capacitiva.

Instrumentos y Equipos

Mdulo de transformador EMS 8347-2

Mdulo de fuente de alimentacin(0-220 V c-a) EMS 8829-2

Mdulo de medicin de c-a(250/250 V) EMS 8429-2

Mdulo de medicin de c-a(0.25/ 0.25 A) EMS 8428-2

Mdulo de resistencia EMS 8319-2

Mdulo de inductancia EMS 8328-2

Mdulo de capacitancia EMS 8338-2

Cables de conexin EMS 8941

PROCEDIMIENTO

Advertencia: En este experimento de Laboratorio se manejan altos voltajes! No haga ninguna conexin cuando la fuente est conectada! La fuente debe desconectarse despus de hacer cada medicin!

Figura 6

1.- Conecte el circuito ilustrado en la Figura 6, utilizando los mdulos EMS de transformador, fuente

de alimentacin, resistencia y medicin de CA.

2. a) Abra todos los interruptores del Mdulo de Resistencia para tener una corriente de carga igual a cero.

b) Conecte la fuente de alimentacin y ajstela exactamente a 220Vc-a, tomando esta lectura en el voltmetro E1

c) Mida y anote en la Tabla 41-1, la corriente de entrada I1, la corriente de salida I2 y el voltaje de

salida E2.

d) Ajuste la resistencia de carga RL a 4400 ohms. Cercirese de que el voltaje de entrada se

mantiene exactamente a 220Vc-a, Mida y anote I1 I2 y E2. e) Repita el procedimiento (d) para cada valor indicado en la Tabla 41-1.

f) Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentacin.

ZL (ohms) I2 (mA c-a) E2 ( V c-a) I1 (mA c-a)

4400

2200

1467

1100

880

Tabla 2

3.- a) calcule la regulacin del transformador utilizando los voltajes de salida en vaco y a plena

carga anotados en la tabla 2.del transformador

b) Son equivalentes el valor de VA del devanado primario y del secundario para cada valor de

resistencia de carga indicado en la tabla? Fundamente su respuesta.

4.- a) Repita el procedimiento 2 utilizando Mdulos EMS 8328-2 de inductancia en lugar de la

carga de Resistencia.

b) Anote las mediciones obtenidas en la tabla 3.

ZL (Ohms) I2 (mA c-a) E2 (V c-a) I1 (mA c-a)

4400

2200

1467

1100

880

Tabla 3

5.- a) Repita el procedimiento 2, utilizando el Mdulo EMS 8338-2, de capacitancia, en lugar de la

carga de Resistencia.

b) Anote sus mediciones en la tabla 4.

ZL (Ohms) I2 (mA c-a) E2 (V c-a) I1 (mA c-a)

4400

2200

1467

1100

880

Tabla 4

6.- A continuacin trazar la curva de regulacin del voltaje de salida E2, para cada tipo de carga

del transformador.

a) Marque los valores de E2 obtenidos para cada valor de I2, en la tabla 2

b) Trace una curva continua que pase por los puntos marcados. Indique esta curva como

carga resistiva.

c) Repita el procedimiento (a) para las cargas inductivas (Tabla 3) y la capacitiva (Tabla

4). En estas curvas deber escribir carga inductiva y carga capacitiva

7.- Responda las siguientes preguntas:

7.1.- Explique por qu el voltaje de salida aumenta cuando se utiliza una carga capacitiva.

7.2.- Un transformador tiene una impedancia muy baja (R y X pequeas):

a) Qu efecto tiene esto en la regulacin?

b) Qu efecto tiene esto en la corriente de cortocircuito?

7.3.- A veces los transformadores de gran tamao no poseen propiedades ptimas de regulacin.

Se disean as, a propsito, para que se pueda usar con ello los interruptores de tamao

razonable. Explquelo

7.4.- Es aproximadamente igual el calentamiento de un transformador cuando la carga es

resistiva, inductiva o capacitiva, para el mismo valor nominal de VA?________ Por qu?

INFORME FINAL:

Entregue un informe la prxima clase, de acuerdo a la siguiente pauta:

Portada institucional (con ttulo de la experiencia, nombre de asignatura, docente, fecha de realizacin, e integrantes).

Introduccin y objetivos.

Equipos utilizados (listado)

Descripcin del trabajo efectuado en cada etapa.

Esquemas de circuitos.

Tablas y grficos (si corresponde) con valores obtenidos.

Observaciones y comentarios referidos a los valores obtenidos.

Desarrollo de clculos de acuerdo a requerimientos.

Desarrollo de preguntas planteadas en la gua de laboratorio.(Prueba de Conocimientos)

Conclusiones tcnicas.