Práctica No. 4_Características de Vacío y de Cortocircuito del Transformador_2013-1.pdf

Laboratorio Máquinas Eléctricas I Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín Página 1 de 14

FACULTAD DE MINAS DEPARTAMENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y AUTOMÁTICA

MÁQUINAS ELÉCTRICAS I INFORME PRÁCTICA No. 4

Código: 3007757-1

Docente: Edwin Lopera

Fecha: 14-mar-2013

PRUEBAS DE VACIO Y CORTO CIRCUITO

Elaborado por: DIEGO HERNANDEZ MEJIA.

1. RESUMEN

En esta práctica se hizo la prueba de vacío según la norma “NTC 1031: Ensayos para la determinación de pérdidas y corriente sin carga” y la prueba de cortocircuito conforme a la norma “NTC 1005: Determinación de la tensión de cortocircuito” en el transformador seleccionado; todo esto para evidenciar la curva de magnetización, el comportamiento de la corriente dependiendo según la prueba o ensayo que se realice, las pérdidas de potencia ya sea de vacío o de cortocircuito, como también evidenciar las fluctuaciones en las mediciones según variabilidad la señal de entrada, como también llegar a medir la relación de transformación del transformador

seleccionado y el comportamiento de su núcleo y devanados.

Se trabajó con una frecuencia en la señal de la red aproximadamente de 60Hz, con una temperatura ambiente

entre 24°c y 29°c aproximadamente.

2. PROCEDIMIENTO DESARROLLADO

2.1 Se trabaja con el transformador asignado desde la práctica 2 cuyas características son:

Transformador No. 1

Potencia Nominal 1 KVA

Voltaje Nominal devanado de baja

115

Voltaje Nominal devanado de alta

230/460

Tabla 1 descripción de transformador.

Identificación del devanado Voltaje Nominal [V] Corriente Nominal [A]

X1 -X2 115 8,695

H1 - H2 230 2,174

H2 - H4 230 2,174 Tabla 2 descripción de los devanados del transformador.

Se comienza con la primer prueba del trafo la cual es la de vacío para esto y atendiendo a la norma NTC1005 se implementa el montaje que muestra la figura siguiente, para la cual se indica más adelante la forma de conectar

cada instrumento.


Figura 1 .Esquema de general de la prueba de Vacío.

Las características del Unit UT58D se muestran en la figura siguiente:

Figura 2. Precisión del multímetro Unit UTD58D.

Debido q que el fluke es un analizador de redes se configuro para que además de mostrar el voltaje en el devanado también registrara la corriente y de esta forma medir potencias aparentes, factor de potencia armónicos de y demás.

La forma de conexión del fluke 1735 fue de la siguiente forma:

Figura 3. Esquema de conexión monofásica del Fluke 1735.

Con este vatímetro se registró la potencia activa del circuito la forma de conexión del mismo se muestra en la figura siguiente


Figura 4. Esquema de conexión monofásica Vatímetro Polyca.

3.2

Luego de hacer las respectivas conexiones se procedió con la prueba de vacío para esto y por medio de un variac se cambió el voltaje progresivamente desde cero hasta 150 V pasando por 115V debido a que es la tensión nominal del devanado de baja (X1-X2); este lado se escogió porque la tensión nominal es baja y de esta forma más segura además hay buena disponibilidad de fuentes . Con el multímetro UTD58 se midió la corriente que entraba al vatímetro, con este último se registró potencia activa y el fluke registró la tensión en este devanado X1-X2 por ultimo otro multímetro UTD58 registró el voltaje del lado de alta H1-H2 los datos quedaron

así:

Prueba de vacio.

Voltaje de vacío devanado de baja

Rms(V) Corriente de

vacío(mA)

Voltaje de vacío devanado de alta

Rms(V) Pérdidas de

vacío(W) Potencia

aparente(VA)

Factor P. Fluke 1735

Factor P. calculado

2,5 16,48 5,0 0 0,041 0,00 0,00

3,6 21,22 7,0 0 0,076 0,00 0,00

10,3 43,70 20,5 0,2 0,450 0,50 0,44

21,6 62,50 43,1 0,8 1,350 0,32 0,59

30 73,40 59,9 1,5 2,202 0,33 0,68

42,9 93,60 85,8 2,5 4,015 0,41 0,62

51,8 109,10 103,5 3 5,651 0,44 0,53

61,9 127,20 123,7 4 7,874 0,43 0,51

72,2 152,20 143,9 6 10,989 0,40 0,55

81 182,70 161,6 7 14,799 0,38 0,47

91,1 235,60 182,1 9 21,463 0,30 0,42

104,5 337,20 208,0 11 35,237 0,22 0,31

112,2 407,00 224,0 13 45,665 0,19 0,28

115 433,00 229,0 13 49,795 0,18 0,26

121,8 513,00 242,0 14 62,483 0,15 0,22

132,5 680,00 263,0 18 90,100 0,13 0,20

141,6 895,00 282,0 20 126,732 0,10 0,16

151,2 1250,00 300,0 30 189,000 0,08 0,16

Tabla 3. Datos de la prueba de vacío, valor nominal en rojo.


Como se puede observar el factor de potencia calculado difiere del medido, consideramos como más preciso el calculado debido a que el factor medido se hizo con el analizador de redes y la corriente que censaba es

pequeña como se puede ver en la tabla, este aparato no es preciso con corrientes pequeñas.

3.3 De la tabla de datos anteriores se grafica la curva de magnetización haciendo uso del software Matlab.

Figura 5 Curva de magnetización.

3.4

Figura 6 V secundario vs V primario.


Se quiere evidenciar con la gráfica de la curva de magnetización el comportamiento del núcleo del transformador frente a la corriente de vacío, que al circular por el devanado lo absorbería el núcleo, esta corriente varía según el

voltaje AC aplicado entre las terminales del devanado.

Esta curva muestra las perdidas en el hierro del núcleo y las perdidas por corrientes parasitas en el núcleo como también la influencia de la temperatura. Se evidencia también una parte parabólica en el comienzo de la curva la cual se vuelve un tramo más adelante una línea recta es decir la zona lineal del comportamiento en el núcleo del transformador hasta aproximadamente 200mA y 80V, ya que de ahí en adelante se comienza a ver el codo de saturación en el material del núcleo. Según la norma para esta prueba se debe llevar el transformador en el devanado de baja máximo hasta el 150% del voltaje nominal de este es decir Vn*1,5 que en este caso seria 172,5V que con lleva a una corriente por este devanado del 15% de su valor nominal, para no afectar el transformador.

Con los datos tomados en la Tabla 3 escogimos los valores de voltaje del primario y los comparamos con los valores de voltaje en el devanado secundario para hallar la relación de transformación de voltaje del

transformador seleccionado.

Nos queda una relación aproximadamente lineal del voltaje de entrada con el de salida que según la línea de

tendencia es:

V2 = 1,9905 V1

Entonces experimentalmente se obtuvo que la relación de transformación sea:

Comparando este valor con la relación de transformación que se puede calcular con las especificaciones que nos

muestra la placa del transformador según los valores nominales de voltaje de cada devanado tenemos que:

Concluimos que la relación que nos da el fabricante en la placa de datos esta aproximada a las condiciones actuales del transformador según esta prueba que se hizo evidenciando la relación de transformación de sus

devanados.

3.5 Para la prueba de corto circuito se procede al montaje que se muestra en la figura siguiente:

Figura 7 .Esquema de general de la prueba de corto circuito.


3.6

Para la prueba de corto circuito se puso en corto el devanado de baja como se muestra en la figura anterior. Esto debido a que es importante regular la corriente que ingresa al lado de alta debido a que esta tiene un valor nominal de corriente inferior al devanado de baja por eso el control se hace desde el lado de alta. Como se ve en la figura anterior se han cambiado de posición algunos elementos de medida en este caso el Fluke 1735 debido a que esta vez la corriente será considerable y se puede medir con este último con una buena estimación. Los datos tomados fueron los siguientes:

Corriente de cortocircuito secundaria(A)

Voltaje de cortocircuito secundario

(V)

Corriente cortocircuito primario (A)

Perdidas de cortocircuito(W)

Potencia aparente(VA)

Factor de potencia

Factor de potencia

0,146 0,5 0,27 0,00 0,073 0,000 0,000

0,296 0,9 0,58 0,10 0,266 0,330 0,375

0,382 1,2 0,75 0,10 0,458 0,800 0,218

0,622 1,9 1,24 0,20 1,182 0,741 0,169

0,789 2,4 1,57 0,30 1,894 0,761 0,158

1,015 3,0 1,97 2,00 3,045 0,722 0,657

1,300 4,0 2,64 4,00 5,200 0,726 0,769

1,552 4,6 3,25 5,50 7,139 0,701 0,770

1,714 5,1 3,50 6,50 8,741 0,713 0,744

2,083 6,2 4,24 9,50 12,915 0,707 0,736

2,195 6,5 4,45 10,50 14,268 0,703 0,736 Tabla 4. Datos de la prueba corto circuito, valor nominal en rojo.

3.7

Vcc [V] 0,5 3 4,6 5,1 6,2 6,5

Pcc [W] 0 2 5,5 6,5 9,5 10,5

Tabla 5. Pcc en función de Vcc

Figura 8. Pcc en función de Vcc

0

2

4

6

8

10

12

0 2 4 6 8

Pcc

[W

]

Vcc [V]

Pcc vs Vcc

Pcc vs Vcc


Casi se puede apreciar la dependencia cuadrática de Pcc.

Vcc [V] 0,5 0,9 1,2 1,9 2,4 3 4 4,6 5,1 6,2 6,5

Icc [A] 0,27 0,58 0,75 1,24 1,57 1,97 2,64 3,25 3,5 4,24 4,45

Tabla 6. Icc en función de Vcc

Figura 9. Icc en función de Vcc

Los datos se pueden modelar como si se comportaran linealmente. Utilizando la siguiente ecuación se obtienen las perdidas nominales en el cobre, donde el último dato corresponde al más cercano a la corriente nominal del

devanado:

Icc [A] Pccn [W]

0,146 0

0,296 2,71

0,382 1,63

0,622 1,23

0,789 1,14

1,015 9,22

1,300 11,24

1,552 10,84

1,714 10,51

2,083 10,40

2,195 10,35 Tabla 7. Icc en función de Vcc

0

1

2

3

4

5

0 2 4 6 8

Icc

[A]

Vcc [V]

Icc vs Vcc


De Las pruebas anteriores se tiene que:

Voltaje V Corriente A Potencia W FP

Prueba de vacío 115 0,433 13 0,26

Prueba de corto circuito. 6,5 2,195 10,5 0,74 Tabla 8. Resultados nominales prueba de corto y de vacio.

La prueba de vacío se hizo en el devanado de baja por tanto estos valores están referidos a ese lado y se

denotaran con el subíndice L. La resistencia de pérdida del núcleo referida al devanado de baja es

La reactancia de magnetización referida al devanado de baja es

Para referir los valores anteriores al devanado de alta (subíndice H) se procede así:

De la gráfica de V alta vs V de baja por medio de una regresión lineal se estima la relación de transformación

a=1.9905 luego:

Ahora de la prueba de corto circuito y teniendo en cuenta que se efectuó en el lado de alto voltaje:

Criterio de máxima eficiencia

Refiriendo estos parámetros al lado de bajo voltaje:

Para establecer el circuito equivalente exacto:


Figura 10. Circuito equivalente exacto para el transformador #1.

Figura 11. Valores circuito equivalente exacto para el transformador #1.

Figura 12. Circuito equivalente desde el lado de baja.

R Baja

Rm

jXm

jX Baja R Alta jX Alta

N1 N2

0.275

1017.3

275.1

2

0.252 1.09 1

N1 N2

0.275

1017.3

275.1

2

0.252j 0.275 0.252j


.

Figura 13. Circuito equivalente desde el lado de alta.

3. RESPUESTAS DEL CUESTIONARIO

3.1 Explique cómo se puede conocer la potencia y el voltaje nominales del transformador ensayado mediante las Pruebas de Vacío y de Cortocircuito.

Como estas dos pruebas se obtiene información sobre la curva de magnetización. En la prueba de vacío, tiene se tiene información sobre el voltaje nominal de un transformador el cual se encuentra generalmente cercano al punto donde se satura el núcleo o codo de saturación, donde se cumple que ante una gran variación del voltaje, la corriente permanece casi constante, y solo se analizan los datos de voltaje y corriente de vacío para determinar el voltaje nominal del devanado y adicionalmente con esta prueba se determina fácilmente el cálculo de la relación de transformación. Luego para determinar el valor de la corriente nominal del devanado, se realiza la prueba de corto y dicha corriente estará ubicada de forma similar al voltaje nominal solo que para este caso a pequeñas variaciones de la tensión se incrementa excesivamente la corriente, normalmente se hace desde el primario midiendo la corriente de corto en el secundario, adicionalmente la tensión de corto que provoca esta corriente nominal está entre el 1 y 5 por ciento de la tensión nominal del devanado al que se está conectando el voltaje de corto. Finalmente se multiplican los valores de voltaje nominal y corriente nominal para cada devanado y así se obtendría la potencia. Es importante aclarar que en las dos pruebas se debe tener las precauciones y

consideraciones, correspondientes para evitar problemas y datos erróneos

3.2 Consulte al menos una norma sobre transformadores que dé recomendaciones sobre la magnitud de la corriente de vacío de un transformador.

Según la norma la recomendación para la corriente de vacío debe ser una pequeña fracción no mayor del 10%

de la corriente nominal del devanado

3.3 ¿Qué importancia tiene la forma de onda de la fuente utilizada en el ensayo de vacío?

Teóricamente se establece que la corriente de vacío ( o) esta determinada como

Donde

Ahora xm esta asociada al flujo, están en fase y tienen la misma forma de onda

De donde se obtiene que es sensible a la forma de onda del voltaje de alimentación V (t). Además tenemos

que depende de la curva de magnetización la cual dependiendo de la forma de onda utilizada puede saturar

1.09

4030.6

1090.1

j

1j 1.09 1j


en diferente medida el núcleo del transformador y elevar el voltaje manteniendo aproximadamente la corriente

aproximadamente constante; por último la corriente esta ligada a .

Finalmente obtenemos que la corriente de vacío depende de la forma de onda de la fuente de donde por cada

forma de onda habrá una diferente e inclusive en algunos casos se pueden inducir armónicos en el sistema

culpa de la corriente de vacío que depende de la fuente de alimentación

3.4 ¿Cuáles pueden ser las causas para que la corriente de vacío de un transformador sea demasiado alta o se aumente después de una reparación?

la Corriente de vacío es la suma de la corriente por perdidas magnéticas y la corriente necesaria para el establecimiento del flujo magnético, después de hecha la reparación del Trafo y al realizar la prueba de vacío, la corriente de vacío se puede ver afectada por varios factores que modifiquen las Corrientes antes mencionadas

como:

La afectación del aislamiento lo que hace que aumente la corriente necesaria para establecer un flujo

magnético, además que aparecerían corrientes parasitas mucho más intensas.

De refrigeración, esto puede hacer que el núcleo se recaliente lo que aumentaría las perdidas por

histéresis.

3.5 Obtenga teóricamente las curvas solicitadas en esta práctica relacionadas con las Pruebas de Vacío y de

Cortocircuito.

PRUEBA DE VACIO TEORICA

V0 I0 P0 V2 Zm

1 0,000948906 0,000948906 1,9905 1053,84548

10 0,009489057 0,094890571 19,905 20 0,018978114 0,379562285 39,81 30 0,028467171 0,854015141 59,715 40 0,037956229 1,51824914 79,62 50 0,047445286 2,372264281 99,525 60 0,056934343 3,416060565 119,43 70 0,0664234 4,649637991 139,335 80 0,075912457 6,07299656 159,24 90 0,085401514 7,686136271 179,145 100 0,094890571 9,489057125 199,05 115 0,109124157 12,54927805 228,9075 110 0,104379628 11,48175912 218,955 120 0,113868686 13,66424226 238,86 130 0,123357743 16,03650654 258,765 140 0,1328468 18,59855197 278,67 150 0,142335857 21,35037853 298,575 Tabla 9. Parámetros teóricos de prueba de vacío.


Figura 14. Voltaje de vacío vs corriente de vacío.

Figura 15. Potencia de vacío vs voltaje de vacío.

Figura 16. Voltaje de vacío vs voltaje en el primario

0

50

100

150

200

0 0.05 0.1 0.15V

1

Io

V1 vs Io

0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200

Po

V1

Po vs V1

0

50

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200

V2

V1

V2 vs V1


PRUEBA DE CORTO CIRCUITO

Icc Vcc Pcc Ze

0,15 0,1120014 0,01680021 0,74667597

0,25 0,18666899 0,04666725 0,35 0,26133659 0,09146781 0,45 0,33600419 0,15120188 0,55 0,41067178 0,22586948 0,65 0,48533938 0,3154706 0,75 0,56000698 0,42000523 0,85 0,63467457 0,53947339 0,95 0,70934217 0,67387506 1,05 0,78400977 0,82321025 1,15 0,85867736 0,98747897 1,25 0,93334496 1,1666812 1,35 1,00801256 1,36081695 1,45 1,08268015 1,56988622 1,55 1,15734775 1,79388901 1,65 1,23201535 2,03282532 1,75 1,30668294 2,28669515 Tabla 10. Parámetros teóricos de Prueba de corto-circuito.

Grafico 14. Corriente de corto-circuito vs voltaje de corto-circuito.

Grafico 15. Potencia de corto circuito vs voltaje de corto circuito.

4. CONCLUSIONES Y ANÁLISIS DE RESULTADOS.

Tener siempre presente los valores nominales de corrientes y voltajes del transformador en sus devanados ya que estas pruebas exigen en algunos momentos el funcionamiento del transformador para verificar en los ensayos su confiabilidad.

Evidenciar y tener en cuenta que en la prueba de cortocircuito a pequeños cambios del voltaje en la

fuente grandes cambios en la corriente entre los devanados.

0

0.5

1

1.5

2

0 0.5 1 1.5

Icc vs Vcc

Icc vs Vcc

0

1

2

3

0 0.5 1 1.5

Pcc vs Vcc


Con la prueba de vacío evidenciamos el comportamiento real del transformador en su núcleo debido a sus pérdidas por histéresis, corrientes parasitas y también sus pérdidas por calentamiento con la curva de

magnetización con el voltaje de entrada de la fuente y la corriente de vacío en este mismo devanado.

Es siempre lo más recomendable por el valor nominal de sus corrientes hacer la prueba de vacío conectando la fuente por el lado de baja del transformador, ya que este maneja 8,7A en su valor nominal y también tener en cuenta que el valor máximo de voltaje en la fuente debe ser hasta el 150% del voltaje

nominal del devanado en cuestión.

La relación de transformación del transformador en nuestra practica con nuestros datos medidos en el laboratorio resultó ser muy aproximada a la relación de transformación que podemos deducir de la placa del transformador ya que según los datos que nos suministra la placa conforme a los valores nominales de voltajes de cada devanado nos muestra que es 2 y según las mediciones realizadas obtuvimos que era

.

Todas las gráficas correspondientes a los cálculos experimentales (resistencias, voltaje, corriente,

potencia y curva de magnetización) de este laboratorio son congruentes a la forma teórica vista en clase o

de las cuales se tenían conocimientos previos.

5. BIBLIOGRAFIA

[1] http://www.omicron.at/es/products/app/power-transformer/

[2] http://www.rendong.cn/Uploadfile/200909/200997101031.pdf

[3] http://212.175.131.171/IEC/iec60044-2%7Bed1.2%7Den_d.pdf

[4] http://www.sbbc.com.sa/en/sbcbok/IEEE/C57-12-70-2000-Transformer-Standard/IEEE%20C57-12-90-

1999.pdf

[5] Norma Técnica Colombiana 471. Transformadores. Relación de transformación, Verificación de la

polaridad y relación de fase.

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