Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE-0303 Laboratorio de Electrotecnia I Transformador monofásico (Guía 39) Estudiantes: Estefany Camacho Arias B31293 Francisco Granados B02805 German Rojas Varela B46160 Carlos Ureña Rojas A96365 Grupo: 04 Profesor: Osvaldo Fernández Cascante II semestre 2016
Índice Contenido Índice... 2 Resumen... 1 Objetivos... 1 Nota Teórica... 2 Investigación de aplicaciones... 2 Resultados... 4 Análisis de resultados... 9 Conclusiones... 13 Fuentes de referencia... 15
1 Resumen En el presente laboratorio se estudiará el funcionamiento de un transformador, así como importantes relaciones que se dan entre elementos del transformador como lo es el número de vueltas en las bobinas y los cambios en las valores de las caídas de tensión, así también se tratará de medir la magnitud de la corriente de excitación magnética que se presenta en el transformador. Objetivos Deducir la relación directamente proporcional entre el cociente del número de espiras entre devanados de un transformador monofásico y las tensiones en estos. Ilustrar la relación inversamente proporcional entre el cociente de las corrientes que circulan las bobinas de un transformador monofásico y el cociente del número de espiras, así como el cociente de tensiones entre devanados. Denotar la existencia de la corriente de excitación en el núcleo de un transformador monofásico.
2 Nota Teórica Un transformador en una máquina eléctrica estática que transforma la energía eléctrica recibida en otra energía eléctrica con características diferentes, ya sea con la tensión o la corriente. (Álvarez, 2009). Se debe destacar que este tipo de máquinas eléctricas son tipo estáticas por lo que las pérdidas son mínimas, alcanzando valores de rendimiento de hasta un 98%, así las pérdidas en los sistemas de elevación y disminución de tensión son mínimas. La estructura y composición de un transformador consta de un devanado primario y secundario, donde el primario recibe la tensión y el segundo cede la nueva energía eléctrica al sistema de interés, además se construye en torno a un circuito magnético con núcleo de material ferromagnético, que en general es hierro. (Equipo Ingeniería Eléctrica MIT, 1965). Entre los transformadores más comunes destacan los transformadores elevadores y reductores los cuales se encargan de cambiar los valores de tensión en una línea de alimentación ya sea para elevar o disminuir la tensión respectivamente (Ras, 1994), cuyo aumento o elevación de la tensión se puede deducir mediante la relación expuesta en la ecuación 1. (1) Donde N es el número del embobinado, i, la corriente y ε representa el voltaje. Investigación de aplicaciones Los transformadores son los componentes más grandes, más pesados y regularmente los más caros de un circuito. No obstante, son dispositivos
3 indispensables en muchos tipos de circuitos eléctricos. Los transformadores se encuentran entre las máquinas más eficientes, en ellos no es de extrañar ver eficiencias de 95% o incluso 99%. (Alexander, 2013) El principal uso de los transformadores consiste en unir circuitos con diferentes tensiones de trabajo, esto hace que los transformadores vean mucho uso en centrales de energía (eólica, térmica,nuclear) así como en la industria o incluso en distintas viviendas (Balenzuela, 2016). Los transformadores tienen numerosas aplicaciones, entre ellas: Para aumentar o reducir la tensión o la corriente con el objetivo de volverlas útiles para la transmisión y distribución de potencia. Para aislar una porción de un circuito respecto a otra porción (es decir, transferir potencia son ninguna conexión eléctrica) Como dispositivo de acoplamiento de impedancias para la transferencia de potencia máxima. En circuitos de frecuencia selectiva cuya operación depende de la respuesta a las inductancias. A raíz de esto, existen numerosos diseños especiales de transformadores que cumplen en diferente escala con las aplicaciones descritas anteriormente. En este informe sólo nos enfocaremos en los monofásicos, pero existen también transformadores de distribución, de audiofrecuencia,rectificadores, inversores y muchos más. (Alexander, 2013)
4 Resultados Experimento 39: TRANSFORMADOR MONOFÁSICO Tabla 1. Valores nominales de voltaje en tres devanados. Terminales Voltaje (V) 1 a 2 120 3 a 4 208 5 a 6 120 Tabla 2. Voltajes nominales en terminales de conexión. Terminales Voltaje (V) 3 a 7 104 7 a 8 76 8 a 4 28 3 a 8 180 7 a 4 104 5 a 9 60 9 a 6 60 Tabla 3. Corriente nominal en terminales de conexión. Terminales Corriente (A) 1 a 2 0,5 3 a 4 0,9 5 a 6 1,0 3 a 7 0,3 8 a 4 0,3
5 Tabla 4. Valores de resistencia en los diferentes devanados. Terminales Resistencia (Ω) 1 a 2 9,0 3 a 4 25,5 3 a 7 12,5 7 a 8 9,5 8 a 4 3,7 5 a 6 8,0 5 a 9 3,9 9 a 6 4,2 Figura 1. Transformador con carga en el primario.
6 Tabla 5. Voltajes experimentales de salida en terminales aplicando un voltaje de 120V en el primario. Terminales Voltaje (V) 1 a 2 120 3 a 4 208 5 a 6 125 3 a 7 110 7 a 8 80 8 a 4 30 5 a 9 60 9 a 6 55 Tabla 6. Relación entre las vueltas y la tensión los devanados. Devanado Relaciones de vueltas Relación de tensiones (1 a 2)/(5 a 6) 1 0,96 (1 a 2)/(3 a 4) 0,58 0,58 Muestra de cálculo
7 Figura 2. Transformador con terminales de 1 a 2 y de 5 a 6. Tabla 7. Voltaje y corriente en devanado primario con una corriente de 0,4 A en I 2. Voltaje E 1 (V) Corriente I 1 (A) Relación entre corrientes Relación entre # de vueltas 12,5 0,4 1 1 Figura 3. Transformador con terminales de 1 a 2 y de 3 a 4. Tabla 8. Voltaje y corriente en devanado secundario con corriente de 0,4 A en I 1. Voltaje E 2 (V) Corriente I 2 (A) Relación entre corrientes Relación entre # vueltas 10 0,22 0,55 0,58
8 Figura 4. Transformador con dos voltímetros en sus terminales. Tabla 9. Voltajes y corriente de excitación experimental. Voltaje E 1 (V) Corriente I 1 excitación (A) Voltaje E 2 (V) 25 0 30 50 0 60 75 0 85 100 0 110 125 0 145 150 0 160 175 0 195 200 0 210
9 Análisis de resultados Análisis de resultados de Estefany Un transformador es un dispositivo electromagnético que permite aumentar o disminuir el voltaje y la intensidad de una corriente alterna de forma tal que su producto permanezca constante, ya que la potencia que se entrega a la entrada de un transformador ideal, es decir, sin pérdidas, tiene que ser igual a la que se obtiene a la salida. Para lograr esto, transforma la electricidad que le llega al devanado de entrada en magnetismo, para luego, volver a transformarla en electricidad en el devanado secundario, logrando con esto satisfacer las condiciones deseadas. La importancia de los transformadores, se debe a que, gracias a ellos, ha sido posible el desarrollo de la industria eléctrica. Su utilización hace posible la realización práctica y económica del transporte de energía eléctrica a grandes distancias. En el laboratorio se trabajó con un transformador monofásico, en las primeras tablas se registró el valor nominal de voltaje y corriente, que teóricamente atraviesa al transformador en sus diferentes terminales, además de esto con un ohmímetro se midió la resistencia en los diferentes devanados como se observa en la tabla 4. Seguidamente se procedió a montar el circuito presente en la figura 1, a este circuito se le suministro un voltaje de 120V y se procedió a medir los valores de voltaje experimentales en las diferentes terminales, si se comparan los valores experimentales (Tabla 5) con los teóricos (Tabla 1 y 2) se puede observar que los valores son muy cercanos, lo que indica un correcto funcionamiento del transformador. Los resultados obtenidos para los circuitos de la figura 2 y la figura 3, muestran que los devanados presenten una relación a partir del número de vueltas presentes en su estructura. En la figura 2 se trabajó con devanados que presentaban una misma cantidad de vueltas por lo que la relación de corriente presente en ambos fue de 1 igualando así la relación entre el número de vueltas. En el circuito 3 se trabajó con dos devanados diferentes y como se puede observar en las tablas 6 y 8, la relación entre número de vueltas y la relación entre corrientes no difiere, lo que indica que el proceso de transformación se realizó correctamente.
10 Por último se llevó a cabo la construcción del circuito presente en la figura 4, a este se la debía determinar el efecto de saturación del núcleo en la corriente de excitación, como se puede observar en la tabla 9, no se obtuvo ningún valor para la corriente de excitación en ninguno de los diferentes voltajes, esto debido a que la corriente era tan pequeña que los instrumentos de medición no se prestaron para la toma de datos. Análisis de resultados de German Para el presente laboratorio al trabajar con un sistema que incluía un transformador se pudo observar como los voltajes varían al trabajar en diferentes terminales, permitiendo conocer y dejando al descubierto lo práctico que es trabajar con un sistema con el del transformador, de igual manera tal y como se muestran en las tablas 1,2,3,4 y 5 los valores de corrientes y resistencias también son variables dependiendo de las terminales con que se esté trabajando. Otro aspecto importante recae en la relación entre los voltajes del transformador, ya que son de suma importancia para las aplicaciones que se le quieren adjudicar, dichas relaciones para el presente laboratorio se calcularon en torno a las relaciones de número de vueltas y las tensiones en los embobinados Como parte final del laboratorio se nos presenta la situación de analizar la corriente de excitación magnética en el transformador, corriente que los instrumentos empleados en la medición no detectaron, dejando al descubierto que la corriente es tan pequeña que no se puede medir a no ser de utilizar instrumentos muy especializados y con una gran delicadeza y afinidad para llevar a cabo la determinación de la magnitud de la corriente de excitación. Análisis de resultados de Francisco En la práctica de esta semana se trabajo con dispositivos electromagnéticos conocidos como transformadores, los cuales se caracterizan por su habilidad de modificar el voltaje o la intensidad de una corriente alterna de manera que su producto (la Potencia) sea constante. Es decir modificar estos valores sin que hacerlo represente una pérdida de potencia, lo cual es el escenario ideal. Cabe recalcar que las máquinas reales siempre presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores.
11 El transformador funciona con base a la energía eléctrica alterna a ciertos niveles de tensión, convierte la energía eléctrica alterna a ese nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Por lo general un transformador se compone de dos bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. Durante la práctica se trabajó con un transformador monofásico,y como se aprecia en las primeras 4 tablas del reporte de resultados, lo primero que se hizo fue registrar los valores de corriente y voltaje que, en teoría, atraviesan las diferentes terminales del transformador. También se midieron las diferentes resistencias de las bobinas del transformador utilizando un ohmímetro (Tabla 4). Una vez realizadas las mediciones sobre el transformador en sí, se procedió a conectarlo a un circuito (Figura 1) al cual se le suministró un voltaje de 120V para poder medir sus valores de voltaje experimental en cada terminal. Comparando los resultados teóricos del inicio de la práctica (Tablas 1 y 2) con lo que se obtuvo experimentalmente en la Tabla 5, notamos que los valores son muy aproximados, con pequeñas diferencia. Es posible achacar estas mínimas diferencias al equipo y las condiciones utilizadas que están expuestos a variables que no se toman en cuenta en un escenario ideal como lo es el cálculo teórico. Aún así, los resultados tan cercanos nos permiten afirmar que el transformador está mostrando el comportamiento esperado. Luego de obtener estos resultados se procedió a conectar el transformador a dos nuevos circuitos, que se ilustran en las Figuras 2 y 3. Con el fin de establecer una relación entre el número de vueltas en cada bobina y su relación de corriente. Como en la figura 2 se trabajó con bobinas de igual número de vueltas, la relación fue de 1 en la corriente, proporcional a la relación de vueltas (Tabla 6). La tablas 6 y 8 nos
12 muestran también la relación entre las vueltas de alambre conductor de las bobinas utilizadas y la relación entre las corrientes en el circuito de la Figura 3 el cual tenía valores diferentes de número de vueltas en sus bobinas. Al haber una mínima diferencia puede apreciarse la validez de la ecuación (1). Para finalizar la práctica debíamos determinar el efecto de la saturación del núcleo en la corriente de excitación, sin embargo los valores obtenidos fueron tan bajos que los instrumentos de medición no pudieron mostrarlos correctamente, por lo que no se pudo reportar un resultado. Análisis de resultados de Carlos De acuerdo con Tablas 1 y 2, se observan los valores nominales de tensión en los tres devanados y las diferentes terminales de conexión y de la misma manera, se presentan los valores nominales de corriente en las terminales señaladas en Tabla 3, así como los valores de resistencia para los devanados en cuestión en Tabla 4. De esta manera, al ensamblar el circuito de Figura 1, se obtuvo lecturas tensiones para las terminales especificadas en Tabla 5 al pasar una tensión de 120 V. En este sentido, las variaciones entre los valores nominales y experimentales varía entre 2 y 6 unidades, por tanto se observa una correspondencia entre el comportamiento (ideal) esperado y la realidad que acontece en una máquina real, es decir, que hay pérdidas y la potencia no se conserva enteramente. de En el caso de los cocientes entre número de vueltas para los devanados y la tensión en las bobinas, se aprecia su relación en Tabla 6, en la cual se nota el cumplimiento de la ecuación 1. La variación de centésimas entre los embobinados de los extremos del circuito representado en Figura 1, se atribuye a las pérdidas que se sufren en equipos reales, no obstante es clara la tendencia a la unidad para ambos cocientes, así como en el caso de la relación exacta que surge entre los devanados más a la izquierda, que tiende a media unidad aproximadamente para ambos cocientes. Por otra parte, con el propósito de observar la relación entre el cociente del número de vueltas y las corrientes que circulan por los devanados se presenta la relación entre corrientes en las Tablas 2 y 3, cuyos circuitos se ven representados en las
13 figuras con la misma numeración. De esta manera, observa nuevamente la correspondencia de las relaciones descritas por la ecuación 1, con una variación de 5% entre los cocientes para corrientes y número de vueltas. Finalmente, se trabajó con el circuito de Figura 4 y se realizó lecturas de tensión entre los devanados, así como para la corriente total en el vacío, en el núcleo, llamada corriente de excitación del transformador, que resulta de la suma de la corriente de magnetización y la corriente por pérdidas en el núcleo (Chapman, 1993), no obstante, debido a las limitaciones del equipo, no se obtuvo lecturas para este parámetro debido a su baja magnitud. Conclusiones Conclusiones de Estefany Se concluye que existe una relación directamente proporcional entre el número de vueltas de los devanados presentes en un transformador monofásico y la tensión que circula por ellos. Se concluye que existe una relación inversamente proporcional entre el cociente de las corrientes que circulan por un transformador y los cocientes del número de vueltas y las tensiones presentes en los devanados del mismo. Se concluye que los instrumentos utilizados en el laboratorio no son ideales para la medición de una corriente de excitación, esto debido a los datos obtenidos durante el desarrollo del laboratorio. Conclusiones de German Se concluye que en cada una de las terminales que posee el transformador las caídas de voltaje, la resistencias y los cambios de corriente son diferentes dependiendo de la combinación de terminales que se elijan. Se concluye que el transformador depende de una relación entre el número de vueltas del embobinado primario y secundario, así como también de la relación entre los voltajes que se generan en cada embobinado.
14 Se concluye que la corriente de excitación magnética existe en el transformador, pero los instrumentos utilizados no permitieron medirla y conocer su magnitud. Conclusiones de Francisco Se concluye que el equipo utilizado en la práctica no es el adecuado para medir los bajos valores que reflejan la corriente de excitación. Se recomienda un equipo que pueda medir valores más bajos con exactitud. Se demostró la relación proporcional,en un transformador, entre el cociente del valor N (Número de vueltas) de bobinas conectadas y el de las tensiones que pasa a través de ellas. Se demostró también una relación de proporcionalidad inversa entre los valores mencionados en el punto anterior y el valor del cociente de las corrientes que circulan a través de las bobinas Conclusiones de Carlos Se demostró la relación directamente proporcional entre el cociente del número de vueltas entre dos bobinas ensambladas en un transformador monofásico y la tensión que circula por las mismas. Se evidenció la relación inversamente proporcional entre el cociente de las corrientes que circulan los devanados de un transformador monofásico y los cocientes del número de vueltas y las tensiones que pasan por estos. Se señala la existencia de una corriente de excitación en el núcleo del transformador, no obstante para obtener lecturas de este parámetro se requiere de equipo especializado.
15 Fuentes de referencia Alexander, Charles K. Fundamentos de circuitos eléctricos. 5ta edición Editorial McGraw Hill, México D.F., México, 2013 Álvarez, P. Transformadores: Cálculo fácil de transformadores y autotransformadores, monofásicos y trifásicos de baja tensión. Ediciones técnicas MARCOMBO, Barcelona,España,2009. Balenzuela, G. Técnico electricista 9 - Transformadores: Curso visual y práctico. Editorial RedUsers, 2016 (recuperado de: https://issuu.com/redusers/docs/tecnico_electricista) Chapman, S. Máquinas eléctricas. McGraw-Hill, 1993. E.E STAFF MIT. Circuitos magnéticos y transformadores. Barcelona, España,1965. Editorial Reverté, Ras, E. Transformadores de potencia, de media y de protección. Ediciones técnicas MARCOMBO, Barcelona,España,1994.