PRUEBA DE CORTO CIRCUITO Y CITCUITO ABIERTO EN EN TRANSFORMADORES Objetivo: Realizar la prueba de corto circuito y circuito abierto en un transformador y observar las características de los parámetros medidos para realizar el circuito equivalente del transformador referido tanto en baja como en alta.
Prueba de circuito abierto
La prueba del circuito abierto se lleva a cabo en el lado secundario con el circuito abierto y el voltaje nominal aplicado al lado primario. En palabras simples consiste en poner en circuito abierto el secundario para que no fluya corriente en ese devanado y con esto la corriente del primario será tan pequeña que se puede despreciar la caída de tensión en el devanado primario, por lo que las mediciones que se obtienen con exclusivamente del núcleo y con estas se pueden calcular sus parámetros. Al someter al transformador a las condiciones anteriores se obtiene una corriente de excitación de poco porcentaje con respecto a la corriente completa de carga (menor en transformadores grandes y mayor en transformadores pequeños). El valor del voltaje que se aplica en el primario debe ser el valor nominal, para procurar que el nivel de flujo en el núcleo sea el de condiciones normales de operación. Para fines de conveniencia, el lado de bajo voltaje es considerado como el lado primario de esta prueba. Si en esta prueba se elige el lado primario para ser el devanado opuesto con respecto a la prueba del circuito corto, deberá tenerse cuidado al referir las diferentes impedancias que se midieron al mismo lado del transformador, con el fin de obtener información consistente. La figura contigua muestra el circuito equivalente con la impedancia secundaria del transformador, referida a l lado primario y al lado secundario conTransformador Máquina eléctrica que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, esto es, sin pérdidas, es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño, tamaño, etc. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce o hierro silicio. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, las variaciones de intensidad y sentido de la corriente alterna crearán un campo magnético variable dependiendo de la frecuencia de la corriente. Este campo magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza electromotriz en los extremos del
devanado secundario. Prueba de Polaridad Para realizar el ensayo de polaridad en un transformador monobásico, debemos identificar las respectivas bobinas, primaria y secundaria, a continuación se unen las circuito abierto, es decir: X2=N1N22X1; R2=N1N22R1 Para la configuración que se observa en la figura anterior se tendría que la impedancia de circuito abierto Zca reflejada hacia el lado primario es: R1+jX1+Zφ=R1+jX1+Rc( jXm)Rc+jXm Sin embargo se pueden hacer ciertas consideraciones en cuanto a las pérdidas en los devanados del primario, es decir, como la impedancia de la rama de excitación es bastante grande, la caída de voltaje en la impedancia de dispersión causada por la corriente de excitación, generalmente se puede ignorar y el voltaje de excitación es casi igual al voltaje que se induce en el devanado primario. A su vez, se suele desestimar a la pérdida de potencia debida a la corriente de excitación Ica2R1, puesto que es mu pequeña. Esto provoca que la potencia del circuito presente escasa diferencia con respecto a la potencia del núcleo. Como consecuencia es común ignorar la impedancia de dispersión primaria y aproximar la impedancia de circuito abierto al ser equiparable a la impedancia de magnetización. Zca=Zφ=Rc(jXm)Rc+jXm Con lo anterior el circuito equivalente queda simplificado como se observa en la figura anterior. Los aparatos de medición que se utilizarán serán un voltmetro para medir el voltaje aplicado al lado primario, la corriente de circuito abierto y la potencia. Con las consideraciones mencionadas anteriormente y las tres mediciones anteriores se puede obtener la resistencia del núcleo así como su reactancia con las siguientes expresiones: Rc=Vca2Pca; Sca=VcaIca; Qca=Sca2-Pca2; Xm=Vca2Qca Al realizar las operaciones pertinentes se estaría obteniendo los parámetros del núcleo del transformador, los cuales pueden utilizarse junto con los parámetros obtenidos en la prueba de corto circuito para obtener las pérdidas en el transformador y con esto saber su eficiencia o porcentaje de regulación.
Desarrollo de la prueba Para realizar la prueba se utiliza el siguiente equipo: * Un ampermetro si el transformador es monofásico, o tres si es trifásico. * Un wáttmetro si el transformador es monofásico, o tres si es trifásico. * Un volimetro de valor eficaz. * Un voltmetro de tensión media, tipo rectificador. * Fuente de voltaje alterno. Se describirán dos métodos, uno para transformadores trifásicos y otro para transformadores trifásicos, los diagramas de conexiones para cada caso se observan a continuación.
Transformador monofásico Transformador trifásico método de tres wattmetros con neutro flotante Transformador trifásico método de los tres wattmetros con neutro accesible. Metodología Monofásicos * Seleccione los instrumentos adecuados y arme el circuito que se observa en el diagrama de conexiones correspondiente. * Conecte la fuente al primario y ajuste al valor nominal del transformador. * Tome las mediciones pertinentes. ecuaciones proporcionadas anteriormente calcule los parámetros del núcleo del transformador. Trifásicos. Método de los tres wattmetros * Seleccione los instrumentos adecuados para el transformador al que se le valla a realizar la prueba y construya el circuito que se observa en el diagrama de conexiones correspondiente. * Energice la fuente y ajuste al valor nominal. Tome las lecturas necesarias. * Observar que en estos casos la alimentación se proporciona del lado de baja tensión, si se realiza así, en el lado de alta tensión aparecerán voltajes que pueden ser riesgosos por lo que se recomienda tener cuidado al realizar la prueba. * Una vez tomadas las mediciones, que corresponden a valores trifásicos, se debe tener en cuenta las siguientes consideraciones: * La potencia de fase es un tercio de la medida P1 ϕ=P3ϕ3. * La corriente de fase es igual a la corriente de fase si el embobinado de alimentación está en estrella. * La corriente de fase en caso de que el embobinado esté conectado en delta es I1 ϕ=Ica3. * El voltaje de fase es igual al voltaje entre líneas si el embobinado esta en delta. * El voltaje de fase en caso de que el embobinado esté conectado en estrella es V1 ϕ=Vca3. * Con las adecuaciones anteriores se pueden calcular los parámetros del núcleo del transformador.
EN CORTOCIRCUITO
Corto circuito. En esta prueba se debe considerar que: Se realiza a corriente nominal. Determina los parámetros de la rama serie del circuito equivalente. Se recomienda hacerla en el lado de alta.
corto circui to la corri ente que aparecería en el pri mari o s i s e mantuvies e la tensi ón total excederí a la capaci dad conductora de los devanados , tanto del primario como del s ecundario, que podría deteriorar el ais lamiento a causa del calor des arrollado. Por tanto queda desc artado medir en estas condici ones, así como por no contar con ins trumentos de medición con esc ala apropiada para estas condici ones. P or ello es que es ta prueba s e realiza con una tens ión reduc ida aplicada a uno de los devanados , y cortocircuitando la otra. E s ta prueba se puede realizar también en cualquiera de los devanados, pero nos res ulta más conveniente cortoci rc uitar baja y alimentar por alta, de es ta manera la corri ente será menor y más fácil de medir c on nues tros ins trumentos y la tens ión alta, como s erá reducida, también s erá más fáci l de suminis trar. De es ta manera en ambos devanados c ir cula la corriente nominal. A s í no r ecalentará ning uno de los devanados . A nálog amente al anterior cas o, al s er una tensión reducida la que se aplica, las pérdidas fi jas en el hierro, tanto parási tas como his téres is , s erán mínimas , por lo que la potenci a que mida el vatímetro s erá debido a las pérdidas en el cobr e. De ig ual forma hay que efectuar c orrecci ones en las mediciones porque sabemos que los ins trumentos de medición tienen un determinado cons umo específic o. E ntonces des pués de haber hecho las cor rectas medici ones , aplicamos la matemátic a aprendida en teoría para hallar todos los parámetros del circ uito equivalente de nuestro transformador. En el ensayo en cortocircu ito un devanado del transformador, generalmente el del lado de baja tensión, se cortocircuita. En el otro extremo se aplica una tensión inferior a la nominal, tal que haga pasar por el devanado en cortocircuito la corriente nominal del devanado conectado a la fuente de alimentación.
A continuación se muestra un ejemplo de un transformador al cual se le hicieron las pruebas de circuito abierto o en vació y la prueba de corto-circuito, para determinar los valores de los parámetros de dicho transformador, siendo este de 20 KVA y con voltajes de 8000/240 volts. Las pruebas se realizaron en el lado de alta tensión dándonos como resultados los siguientes valores:
Prueba de circuito abierto
V P = 8000 V I O = 0.214 A P O = 400 W
Prueba de corto-circuito
V C C = 489 V I C C = 2.5 A P C C = 240 W
Con los datos de circuito abierto podemos obtener la potencia aparente en vacío en el núcleo por medio de:
Con los datos de circuito abierto podemos obtener la potencia aparente en vacío en el núcleo por medio de:
S O = V P I O = (8000 V)(0.214 A ) = 1712 VA La potencia reactiva que absorbe el núcleo es:
2
2
= √ (1712 VA) – (400 W) = 1664.61 VA R Con estos valores obtenidos, podemos saber cual es la resistencia del circuito de magnetización por medio de: 2
2
R M = V P / P O = (8000 V) / 400 W = 160000 Ω
Observaciones y/o conclusiones: En la prueba de corto y abierto circuito se observó que se alimentaba por el lado de alta tensión al transformador; esto se hace generalmente para poder así necesitar poca corriente nominal para la prueba ya que por el lado de baja tensión se necesitaría más corriente nominal (a veces más). Entonces se concluye que la prueba de corto circuito es recomendable hacerlo por el lado de alta tensión para así tener una fuente de menor amperaje. Podemos apreciar que nuestro transformador en corto circuito presenta un factor de potencia muy cercano a 1. Lo que nos dice que el ef ecto resistivo es mayor que el reactivo.
BIBLIOGRAFIA CHAPMAN Stephen, Máquinas Eléctricas, 3ra Edición, Editorial Nomos S.A.
Apuntes Ing. Efrain Herrera Maquinas eléctricas de Fitzgerald y el de Pruebas de equipo eléctrico
