P9: ENSAYO DE VACÍO Y CORTOCIRCUITO DEL TRANSFORMADOR MONOFÁSICO FUNDAMENTOS DE TECNOLOGÍA ELÉCTRICA

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1 ESCUELA UNIVERSITARIA DE INGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL (BILBAO) Departamento de Ingeniería Eléctrica INDUSTRI INGENIARITZA TEKNIKORAKO UNIBERTSITATE-ESKOLA (BILBO) Ingeniaritza Elektriko Saila ALUMNO P9: ENSAYO DE VACÍO Y CORTOCIRCUITO DEL TRANSFORMADOR MONOFÁSICO ASIGNATURA FUNDAMENTOS DE TECNOLOGÍA ELÉCTRICA TITULACIÓN PROFESOR GRADO EN INGENIERÍA ELECTRÓNICA INDUSTRIAL Y AUTOMÁTICA D. JUAN CARLOS LOSÁÑEZ GONZÁLEZ CURSO 2º GRUPO 01 CURSO ACADÉMICO

2 PRÁCTICA Nº 9: ENSAYO DE VACÍO Y CORTOCIRCUITO DEL TRANSFORMADOR MONOFÁSICO 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS. Un transformador es una máquina eléctrica estática que transfiere energía eléctrica de un circuito a otro, transformando, mediante la acción de un campo magnético variable, un sistema de corriente alterna en otro de la misma frecuencia pero de características de tensión e intensidad diferentes. Un transformador monofásico (básicamente) está formado por un núcleo ferromagnético, sobre el que se enrollan dos devanados de material conductor aislado, generalmente con diferente número de espiras. Entre ambos devanados no existe conexión eléctrica alguna; la relación que se da entre dichos devanados es mediante el flujo magnético alterno que se establece en el núcleo ferromagnético común a ambos bobinados. Uno de los devanados se conecta a la red de alimentación y se denomina devanado primario (con N 1 espiras), el otro devanado se conecta al consumo y se denomina devanado secundario (con N 2 espiras). Las magnitudes eléctricas fundamentales de los transformadores son la tensión e intensidad, tanto en el devanado primario como en el secundario. En el estudio del transformador se utiliza su circuito eléctrico equivalente, que relaciona entre sí las magnitudes fundamentales del transformador. Figura 1. Circuito equivalente del transformador monofásico reducido al primario. Los ensayos en vacío y cortocircuito sirven para determinar los valores de los parámetros del circuito equivalente. Fecha: 26 de febrero de

3 1.1. Ensayo de vacío. El ensayo consiste en dejar abierto uno de los devanados mientras se alimenta con la tensión sinusoidal y frecuencia nominal el otro devanado. Lo habitual es alimentar el devanado de menor tensión nominal, con el fin de reducir la tensión del ensayo. Figura 2. Circuito equivalente del transformador en vacío y diagrama fasorial. Los datos del transformador obtenidos con el ensayo en vacío son la potencia absorbida en vacío por el transformador, que coincide con las pérdidas en el hierro, y los parámetros de la rama en paralelo del circuito equivalente aproximado: B μ1 y G Fe1. También se obtiene la relación de transformación Ensayo de cortocircuito. Consiste en cerrar en cortocircuito uno de los devanados, mientras se alimenta a una tensión reducida el otro devanado; generalmente se alimenta el devanado de mayor tensión nominal, con el fin de no tener que medir intensidades excesivamente altas y obtener más fácilmente la tensión reducida de alimentación. La tensión reducida se obtiene aumentando progresivamente la tensión de alimentación, desde cero hasta que por los devanados circule la corriente nominal. Los aparatos analógicos de medida se construyen para medir corrientes de 5A. Cuando la corriente a medir es mayor se puede optar por realizar el ensayo con una intensidad menor que la nominal o utilizar transformadores de intensidad. Si elegimos una corriente menor que la nominal, para obtener los valores reales de las pérdidas en el cobre y la tensión de cortocircuito; si usamos un transformador de intensidad, podemos manejar una intensidad en su secundario que es un submúltiplo de la que circula por su primario; la relación de transformación en un transformador de intensidad es Ip/Is. Fecha: 26 de febrero de

4 Figura 3. Circuito para realizar el ensayo de cortocircuito. A la hora de calcular el circuito equivalente se desprecia la rama en paralelo, ya que la corriente que circula por ella es muy pequeña en comparación con la que recorre el resto del circuito (equivalente). Figura 4. Si el ensayo en cortocircuito no se realiza con la intensidad nominal, se calculan la resistencia, reactancia e impedancia del circuito en las condiciones de ensayo y se utilizan, teniendo en cuenta que estos parámetros son fijos, para calcular la tensión y potencia de cortocircuito, por extrapolación, aprovechando la linealidad que presentan las funciones de que dependen los datos. La tensión de cortocircuito representa una pequeña parte de la nominal del transformador y es costumbre representarla como un porcentaje de ella, y puede además expresarse por separado la tensión debida a la carga óhmica del transformador y la debida a la reactancia inductiva. La corriente de falta es la corriente que circularía por el transformador si se presentara el cortocircuito cuando la alimentación conectada fuera la nominal y se obtiene dividiendo la tensión nominal entre la impedancia de cortocircuito. Está claro que esta corriente es muy alta y la potencia disipada por ella destruiría el transformador en poco tiempo, por lo que el ensayo se hace siempre con una tensión mucho menor. Fecha: 26 de febrero de

5 Del ensayo de cortocircuito obtenemos la potencia activa consumida en el transformador (lectura del vatímetro), que coincide con las pérdidas en el cobre, y la tensión de cortocircuito (lectura del voltímetro). Puesto que conocemos los valores de la potencia activa y de la tensión, calculamos la resistencia (Rcc); ya que conocemos también la corriente, es posible calcular la impedancia y, con ellas, la reactancia (Xcc). También se pueden conocer con facilidad las tensiones en la resistencia y en la reactancia (en la realidad no existen estos dispositivos por separado). 2. PRESENTACIÓN DE RESULTADOS. Vamos a realizar dos ensayos, correspondientes a dos montajes totalmente distintos, y los datos obtenidos en cada uno de ellos se tratará de forma independiente, dada su naturaleza Ensayo de vacío. Para el primer ensayo (de vacío) conectamos uno de los devanados a la red eléctrica; habitualmente se conecta el de menor tensión, para manejar tensiones menores, ya que usaremos la tensión nominal, sin embargo, dado que no hay mucha diferencia entre ellas, conectaremos el devanado de 220 V, para ganar en precisión de la medida; utilizamos el regulador para que las medidas correspondan exactamente a la tensión nominal del transformador. Conectaremos un amperímetro en serie con el primario, un voltímetro en paralelo con el primario y otro con el secundario y por último un vatímetro, midiendo la corriente y la tensión del primario. Figura 5. Montaje del ensayo de vacío. El amperímetro ha de tener una escala baja, ya que la corriente será pequeña, por estar el secundario abierto (se supone que el voltímetro tiene una impedancia infinita); por su parte, el vatímetro será especial para potencias muy bajas y factores de potencia muy bajos. Los voltímetros deberán dar las medidas de las tensiones nominales del primario y del secundario. Fecha: 26 de febrero de

6 Tabla 1. Medidas del ensayo de vacío. La lectura del voltímetro del primario nos indica la tensión a la que hemos ajustado la fuente (la nominal, 220 V); junto con la del amperímetro (0,21 A) tenemos que la potencia aparente del montaje es de 46,2 VA. La lectura del vatímetro nos da la potencia activa consumida en el ensayo, que es de 10 W. Con estos datos podemos construir el triángulo de potencias, que nos da el factor de potencia, o el triángulo de intensidades. A partir de las corrientes se pueden calcular tanto la resistencia como la reactancia (inductiva) y la impedancia del transformador. Figura 6. Triángulo de impedancias. Y el factor de potencia se puede calcular en función de las potencias o de las corrientes: Fecha: 26 de febrero de

7 Se observa alguna ligera diferencia entre los resultados del cálculo, según los datos utilizados, pero el error es mínimo. Finalmente, calculamos la relación de transformación, dividiendo la tensión del primario (aplicada) entre la tensión del secundario Ensayo de cortocircuito. Para realizar el ensayo de cortocircuito se conectará el devanado de mayor tensión a la red (con una tensión mucho más baja que la nominal), con el fin de que la corriente que hemos de medir no sea excesivamente alta; debemos conocer el valor de la intensidad nominal del primario, para lo que dividiremos la potencia aparente nominal (1.100 VA) entre la tensión nominal (220 V), obteniendo 5 A. No debemos superar esta intensidad en el primario al realizar el ensayo, pues correría peligro el transformador. Realizamos el montaje igual que el del ensayo de vacío, pero sustituimos el voltímetro del secundario por un cortocircuito. Figura 7. Montaje para el ensayo de cortocircuito. Aunque el esquema teórico del montaje es igual, debemos usar un amperímetro que sea capaz de medir la intensidad nominal (5 A), un voltímetro que sea capaz de medir con buena precisión una tensión inferior a 10 V y un vatímetro que soporte esta misma corriente y sea capaz de medir con esta tensión. Conectamos el primario a una fuente regulable de tensión alterna y vamos incrementándola, mientras vigilamos el amperímetro, hasta conseguir que circule por el primario la intensidad nominal (5 A). En estas condiciones la potencia en el circuito del Fecha: 26 de febrero de

8 secundario es nula, ya que la tensión en el cortocircuito es, por definición, nula, por lo que la potencia medida en el primario corresponde a la suma de las pérdidas; ya que la tensión aplicada es tan baja, podemos despreciar la potencia en la rama en paralelo (pérdidas en el hierro), por lo que sólo nos quedan las pérdidas en el cobre. Tabla 2. Medidas del ensayo de cortocircuito. Trasladamos las medidas al circuito equivalente reducido (la resistencias del primario y equivalente del secundario se conectan en serie y la reactancia del primario y la equivalente del secundario también, mientras que la rama en paralelo se desprecia) y calculamos sus valores. Figura 8. Circuito equivalente del transformador en cortocircuito. Podemos calcular las tensiones que se presentan en bornes de la resistencia y de la reactancia (ambas ficticias, ya que no existen componentes separados que asuman estas funciones), teniendo en cuenta que, por estar conectados en serie, la corriente a través de ellas es la misma. Fecha: 26 de febrero de

9 Y con estos datos construimos el diagrama fasorial, que incluye la corriente que circula por los dos elementos (por estar en serie) y las tensiones en cada una de las partes (resistencia y reactancia), desfasadas 90º entre ellas. Figura 9. Diagrama fasorial del corriente y tensiones en cortocircuito. Las pérdidas en el cobre suponen la potencia activa, medida por el vatímetro en el ensayo de cortocircuito (27 W), y la tensión de cortocircuito es la que se ha medido con el voltímetro (6,30 V); ambas se expresan en porcentajes. La corriente de falta es la que se presentaría en caso de conectar el montaje en cortocircuito a la tensión nominal; puesto que conocemos la impedancia y la tensión nominal, sabemos que la corriente crece proporcionalmente con la tensión; calculamos la intensidad en el primario y en el secundario. Dado que la intensidad nominal del primario era de 5 A, este valor se encuentra dentro del rango de medida del amperímetro (en el límite), por lo que no será necesario usar un transformador de intensidad ni medir con corrientes por debajo del nominal, con el inconveniente de extrapolar las medidas obtenidas a la hora de conocer los valores de las pérdidas en el cobre y la tensión de cortocircuito. Fecha: 26 de febrero de

10 3. CUESTIONARIO Qué datos aparecen en la placa de características del transformador? Tensión nominal del primario (220 V), tensión nominal del secundario (110 V) y potencia máxima (aparente, V.A.) Cuáles serían las pérdidas si el transformador trabajara a mitad de carga? Las pérdidas en el hierro (constante) y las pérdidas en el cobre, proporcionales a la intensidad, por lo tanto la mitad de las pérdidas en el cobre medidas en el ensayo de cortocircuito (10+27/2=23,5 VA) Determinar la caída de tensión (analítica o gráficamente) y el rendimiento (Boucherot) para la intenisdad nominal y factor de potencia=0,8 inductivo. El índice de carga (C) es 1, o sea 100%, ya que realizaremos los cálculos para la intensidad nominal. Puesto que el factor de potencia es 0,8 inductivo, conocemos el coseno de φ. Calculamos la impedancia (Z) como el cociente entre la tensión y la intensidad, ambas conocidas, si trabajamos con los parámetros referidos al primario. La caída de tensión para la intensidad nominal con fdp de 0,8 es del 10%. La potencia absorbida es la potencia total, suma de la potencia útil más las pérdidas en el cobre y en el hierro Cuáles serían los parámetros del transformador referidos al secundario? Para obtener los parámetros referidos al secundario, dividimos todos los valores de f.e.m. y tensión por la relación de transformación m, multiplicamos por m el valor de la intensidad y dividimos por el cuadrado de m los valores de resistencia, reactancia e impedancia. Fecha: 26 de febrero de

11 3.5. Cómo influiría el alimentar el transformador a la misma tensión, pero a 60 Hz? Ya que la reactancia inductiva depende de la frecuencia (proporcionalmente), si se aumenta hasta 60 Hz. la intensidad en vacío disminuirá (sólo la correspondiente a la reactancia Xµ) e igualmente descenderá la intensidad debida a las pérdidas del cobre, en su componente debida a la reactancia Xcc Qué crees que sucedería si el ensayo de cortocircuito se hiciera a la tensión nominal del transformador? Si se hiciera a la tensión nominal del transformador, la corriente, tanto en el primario como en el secundario, aumentaría de forma proporcional (tanto la tensión como la intensidad se multiplican por la tensión nominal y se dividen por la tensión de cortocircuito), y la potencia lo haría en proporción al cuadrado de este cociente. Según los resultados obtenidos en los ensayos, la potencia A qué es debido el ruido que emite el transformador cuando funciona? El flujo magnético generado por el paso de la corriente es oscilante y provoca la deformación del núcleo (aunque muy pequeña) al mismo ritmo que cambia el campo y estas deformaciones se trasmiten el exterior en forma de sonido. Este fenómeno se conoce como magnetostricción Puede el campo magnético del transformador generar interferencias en circuitos cercanos? La única fuente de interferencias cuando el transformador está funcionando es el flujo de dispersión, el flujo magnético que sale del núcleo Para qué se utiliza el transformador de intensidad? Qué datos aparecen en su placa de características? Cómo no se debe dejar nunca el secundario de un transformador de intensidad, en cortotircuito o a circuito abierto y por qué? El transformador de intensidad se utiliza para poder medir corrientes que están fuera del rango de medida del amperímetro del que disponemos; es un transformador normal, en el que se aprovecha que la intensidad del secundario es la del primario, dividida por el factor de transformación. En su placa de características aparece la relación de transformación y la carga del secundario. La medida de intensidad con un transformador de este tipo es similar a un ensayo en cortocircuito, donde el corto del secundario lo hace el amperímetro. Nunca se debe dejar con el secundario a circuito abierto, pues, como en el ensayo en vacío, la tensión del circuito que alimenta el primario se presentaría en éste (su impedancia es muy alta), haciendo que se multiplicara (por el mismo factor que se divide la intensidad) en el secundario, representando un peligro potencial. Fecha: 26 de febrero de

12 4. CONCLUSIONES. El ensayo de vacío y cortocircuito que realizamos con un transformador tiene como fin calcular las pérdidas de este componente. Como siempre, nos encontramos con pérdidas en el cobre, debidas al efecto Joule, y pérdidas en el hierro, éstas como consecuencia de las corrientes parásitas de Foucault y del ciclo de histéresis del núcleo. Hemos podico apreciar cómo la potencia medida en el vatímetro coincide con las pérdidas en el hierro, durante el ensayo de vacío, mientras que lo potencia medida por el vatímetro en el ensayo de cortocircuito refleja el valor de las pérdidas en el cobre, despreciando en este caso la corriente debida a las pérdidas en el hierro, porque se suponen mucho menores. Cabe destacar que las pérdidas en el hierro son siempre (mientras se mantiene el primario del transformador sometido a la tensión nominal) constantes, mientras que las pérdidas en el cobre son función de la corriente, resultando proporcionales a ella, de forma que el total de las pérdidas es función de la corriente, pero no se mantiene una proporción constante con ella. Fecha: 26 de febrero de

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