Universidad de Costa Rica. Facultad de Ingeniería. Escuela de ingeniería eléctrica. IE-0303 Electrotecnia. Informe 3. Grupo 3.

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1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de ingeniería eléctrica IE-0303 Electrotecnia Informe 3 Grupo 3 Estudiantes: Fernando Mora B54701 Diego Velazquez B37483 Álvaro Truque B37026 Profesor: Ing. Osvaldo Fernandez II ciclo, 2016

2 Resumen El reporte elaborado se basa en la práctica de laboratorio El transformador monofásico. En el cual se determinó la relación entre voltaje y la corriente entre las bobinas de un transformador. Comprendiendo las corrientes de excitación, la capacidad en voltamperes y las corrientes de cortocircuito de un transformador. Índice Objetivos 2 Nota teórica 2 Investigación sobre aplicaciones 5 Análisis de resultados 8 Conclusiones 11 Bibliografía 12 Objetivos Determinar la relación de voltaje y corriente de un transformador, utilizando la corriente de excitación, la capacidad en voltamperes y las Corrientes de cortocircuito de un transformador Nota teórica Un transformador, es una máquina eléctrica utilizada (como su nombre lo dice) para transformar la energía eléctrica que recibe, en energía eléctrica que se pueda usar cotidianamente (o en industrias). Como se puede deducir, estos elementos son vitales en el manejo y manipulación tanto de los circuitos, como de los aparatos que requieren de energía eléctrica que se utilizan diariamente. Permite que se dé una manipulación sin que sea riesgosa para el usuario, ya que regula la energía eléctrica de manera que la que esté a disposición de la persona no represente un peligro.

3 Para lograr transformar la energía, el transformador hace uso de la inducción electromagnética de uno o más circuitos a otros con la misma frecuencia. Esto lo que hace es alterar la tensión y la magnitud. Básicamente, el transformador recibe corriente, la procesa y la suministra en la misma naturaleza pero en diferente tensión. Un transformador se compone en principio de dos bobinas sobre un núcleo común de material magnetizable. La bobina de entrada recibe corriente alterna y consecuentemente energía eléctrica. Dicha energía se transmite al núcleo a través de un campo magnético alterno que se genera en el mismo. Debido a que el flujo magnético varía de forma constante tanto en magnitud como en sentido al seguir la frecuencia de la tensión entrante, se induce en la bobina de salida una tensión con dicha frecuencia (Bastian, 2001). La disposición general de un transformador monofásico se muestra a continuación: Figura 1: Partes de un transformador Al no poseer órganos giratorios, los transformadores requieren poca vigilancia y en general el costo de su mantenimiento es bajo. Además, comparado con otras máquinas o aparatos eléctricos, su consumo de KiloWatt por hora es relativamente bajo y su rendimiento es mucho mayor. Por su naturaleza, también es posible lograr un buen aislamiento para tensiones de alta magnitud (Avelino, 2001). Otra característica curiosa de los transformadores, es que son muy eficientes. La razón de esto es que al ser máquinas estáticas (como se explicó antes, no gira) no existen pérdidas

4 mecánicas. Esto da como resultado que un transformador puede llegar a tener una eficiencia hasta de un 98%. El 2% restante son pérdidas debidas a los materiales de los que está hecho el transformador (hierro y cobre la mayoría de las veces). Prueba de conocimientos 1. Si la corriente de corto circuito que pasa por el devanado secundario 9 a 6, fuera 1A c-a. Cuál sería la corriente que pasaría por el devanado primario de 1 a 2 2. Si se pone en corto circuito el devanado secundario de 7 a 8 y el devanado primario de 5 a 6 toma una corriente de 0.5 A c-a a. Calcule la corriente de cortocircuito que pasa por el devanado 7 a 8 b. Porque se deben realizar estas pruebas con mayor rapidez posible? Para conocer el valor de las pérdidas en el cobre del transformador y para obtener los parámetros del circuito equivalente de un transformador. 3. Si se aplica 120V c-a al devanado 3 a 4, indique los voltajes que se obtendrían: a. Devanado 1 a 2: 69,23 V c-a b. Devanado 5 a 9: 34 V c-a c. Devanado 7 a 8: 43,5 V c-a d. Devanado 5 a 6: 69 V c-a 4. Cuál de los devanados del procedimiento 7 disipa más calor? Por qué? El devanado que disipó más calor fue el secundario. Al pasar corrientes alternas por los devanados de los transformadores, se genera un campo magnético alterno al núcleo de

5 hierro. Esto provoca que se produzcan pérdidas de cobre y de hierro que representan lo que causa que el transformador se caliente y disipe calor. 5. Si se aplica un voltaje de 120 V c-a al devanado 1 a 2 con el devanado 5 a 6 en cortocircuito: a. Cuál sería la corriente de cada devanado? La corriente seria de 0.4 A ya que ambos devanados tienen el mismo número de vueltas. b. Cuántas veces es mejor esta corriente que su valor normal? Es la misma, ya que la relación entre el devanado 1 a 2 y 5 a 6 es 1. c. Cuántas veces es mayor el calor generado en los devanados en estas condiciones que en condiciones normales? La diferencia es el número de vueltas que del devanado. Investigación sobre aplicaciones Un transformador está prácticamente en todo lado, ya que como se explicó anteriormente, es vital para poder emplear la energía eléctrica que se les suministra a los seres humanos, ya sea en sus actividades cotidianas, como en las industrias. Se encuentran transformadores en el alambrado público, en equipo de soldadura, en las luces de las piscinas, en equipos médicos, y en la gran mayoría de las situaciones en las que haya contacto con energía eléctrica que fue suministrada por alguna compañía. Resultados 2. a) y b) Terminales Tensión 1 a V 3 a V 5 a V

6 3 a V 7 a 8 76 V 8 a 4 28 V 3 a V 7 a V 5 a 9 60 V 9 a 6 60 V c) Terminal Corriente 1 a A 3 a A 5 a 6 1 A 3 a A 8 a A 3. Terminal Resistencia (ohms) 1 a a a a a a 6 12

7 5 a a f) Voltaje de sálida Devanado 1 a 2 Devanado 3 a 4 Devanado 5 a 6 Devanado 3 a 7 Devanado 7 a 8 Devanado 8 a 4 Devanado 5 a 9 Devanado 9 a V c-a 208 V c-a 120 V c-a 100 V c-a 75 V c-a 30 V c-a 60 V c-a 60 V c-a 6. a) b) 7. c) 0,4 A c-a 10 V c-a e) 8. c) 0,24 A c-a

8 5 V c-a e) Análisis de resultados Alvaro La primera parte del laboratorio consistía en anotar los valores nominales de las tensiones de cada uno de los tres devanados disponibles en el módulo de transformador. Esto para una futura referencia de si los valores obtenidos concuerdan con los que están estipulados en el módulo. Posteriormente se pedía lo mismo para las demás configuraciones menores dentro de estas tres principales. También se pedía anotar las corrientes, y las resistencias utilizando el ohmímetro en su escala más baja. La idea de esto, igual que se explicó anteriormente, era

9 tener la referencia de cuales son los valores reales de cada magnitud, de manera que al obtenerlos experimentalmente se pudieran comparar. Posteriormente se pedía que se armara un circuito utilizando el módulo de transformadores, un amperímetro y dos voltímetros. Luego se medía, utilizando el voltímetro las tensiones de cada parte que se pedía. Como se puede apreciar en la sección de resultados del informe, los valores de las tensiones medidas en el circuito concuerdan con las que vienen escritas en el módulo. La mayor diferencia entre estas es de unos 2 V, entre la nominal de la terminal 7 a 8 y la medida del devanado 7 a 8. Esto permite llegar a la conclusión de que se hizo correctamente el circuito, y que todo el equipo está en perfectas condiciones, pues el circuito marcó los valores que debía marcar, con algunos porcentajes de error mínimos (el más grande de 7.14%, que fue el caso citado de la tensión entre 8 y 4). Sin duda estos primeros resultados son satisfactorios, ya que además de tener un porcentaje de error aceptable, permiten el correcto estudio de la teoría, ya que todo fue obtenido como debía haberse obtenido, y por lo tanto, no hace falta entrar a analizar posibles causantes de errores considerables en las mediciones. Después se calculó la relación de la cantidad de vueltas entre el devanado 1-2 y el 5-6, y también entre el 1-2 y el 3-4. Esto para su uso posterior. Con un nuevo circuito, esta vez con dos amperímetros y un voltímetro, se midió el voltaje y la corriente. Luego se obtuvo con los dos amperímetros la relación entre las dos corrientes, lo que dio como resultado la misma relación que había entre las vueltas 1-2 y 5-6. Esto permite concluir que la relación que hay entre la cantidad de vueltas de la bobina y la corriente es directamente proporcional. En realidad, esto se confirma al ver que, en los transformadores, lo único que cambia entre una bobina y la otra es la cantidad de vueltas, lo que propicia que cambie la corriente. Por lo tanto, la corriente depende de la cantidad de vueltas, y la relación entre corrientes es la misma que entre la cantidad de vueltas de las bobinas.

10 Posteriormente, se pedía que se armara un tercer circuito, también con dos amperímetros y un voltímetro. La diferencia era que esta vez se usaban las terminales 1-2 y 3-4. Como se puede apreciar en los resultados, se vuelve a cumplir que la relación entre la cantidad de vueltas de la bobina y la relación entre las corrientes es el mismo valor. Por último, se pedía armar un último circuito, esta vez con un amperímetro y dos voltímetros. Se pudo apreciar que, debido a la conexión del circuito, los valores de la corriente eran realmente bajos, por lo que el medidor no los marcaba. Es por esto que en los resultados se toman como cero. Además, se pudo observar que las tensiones eran exactamente las mismas con E 1 que las de E 2. Fernando Primeramente, se comparan los valores nominales de tensión con los valores prácticos obtenidos al aplicar 120V en la bobina principal. Los cuales son muy similares, siendo el mayor error de cuatro unidades. Se procedió a calcular la relación entre el número de vueltas de las terminales 1 y 2 contra 5 y 6, que es de 1. Lo que es igual a la relación del voltaje, lo que afirma la relación entre vueltas en cada bobina. De forma similar, la relación entre el devanado 1 y 2 contra 3 y 4 es de 0,58 lo cual corresponde al inverso de las corrientes del primario entre el secundario. Con el fin de determinar el efecto de saturación del núcleo en la rama de excitación del transformador se miden voltajes y corrientes en ambas bobinas. Conforme los voltajes aumentan la corriente debe aumentar, sin embargo, la corriente es muy pequeña y aumenta muy poco por lo que las medidas se tomaron como 0. Esto debido a que la reactancia y la resistencia de la rama de excitación tienen valores mucho mayores a las reactancias y resistencias del resto del transformador, causando que las corrientes sean tan insignificantes. Mientras que los voltajes fueron los mismos. Diego

11 Primero se identifican los valores de la caída de voltaje y corriente del módulo transformador para cada terminal. Al armar el primer circuito se colocan 2 voltímetros en distintas terminales, con el fin de medir los valores de caída de tensión. Al comparar ambos datos se observa que los valores son muy parecidos. Al calcular las relaciones entre el número de vueltas de las terminales 1-2 y 5-6, se obtiene un valor de 1. Por lo que se concluye que el número de vueltas de ambas terminales es el mismo. Por otro lado, cuando se comparan los devanados 1-2 y 3-4, se obtiene una relación de 0,578, semejante al inverso entre las corrientes del primario entre el secundario, que es 1,67. Por último, a la hora de determinar el efecto de saturación del núcleo en la corriente de excitación del transformador, se obtiene que la corriente en todos los casos es 0, esto se debe a que está en corto circuito. Mientras que el valor de E1 siempre va a ser igual al de E2. Conclusiones Álvaro Se cumplió con el objetivo de la práctica ya que se pudo determinar los valores de las Fernando corrientes y las tensiones, así como ver las relaciones existentes entre las variables presentes, como la relación que hay entre el número de vueltas y las corrientes. Además, los porcentajes de error fueron mínimos y aceptables, lo que permite concluir que se cumplió satisfactoriamente con el laboratorio. Se logró determinar la relación entre voltaje y corriente en un transformador. Así Diego como comprender la corriente de excitación, la capacidad en voltamperes y las corrientes de cortocircuito de un transformador. Se determinó la relación entre tensiones y corrientes de un transformador. Esta depende directamente del número de vueltas en el primario y secundario. Bibliografía

12 Álvarez, M. (2009) Transformadores: Cálculo fácil de transformadores y autotransformadores. Barcelona: Marcombo S.A. Avelino, P. (2001). Transformadores de distribución. Distrito Federal: Reverté Bastian, P. (2001). Electrotecnia. Madrid: Ediciones AKAL