Informe 3 - El Transformador Trifasico Tipo Seco

“Año del Buen Servicio al Ciudadano”

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECÁNICA

LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ESTATICAS INFORME 3 LABORATORIO N°3 TRANSFORMADOR TRIFÁSICO TIPO SECO

PROFESOR:

Ing. Chavez Vivar, Javier

INTEGRANTES: Arauco Carhuas, Luis Adrian

20142514I

Condo Diaz Luis Praxides

20145508J

Davila Paredes, Antony Joel

20142583K

Rivera Arango Miguel Angel

20121326I

Pacompia Bustincio, Juan Gabriel

20165519G

Villanueva Flores, Joel Andre

20141236E

LIMA, 05 DE MAYO DEL 2017

INDICE

EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO TIPO SECO ................................................ 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 3 OBJETIVOS ........................................................................................................ 4 FUNDAMENTO TEÓRICO ................................................................................. 4 EL TRANSFORMADOR TRIFASICO ................................................................. 4 GRUPOS DE CONEXIÓN .................................................................................. 7 ENSAYOS DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS .......................... ............. .......................... ............. 8 EQUIPOS A UTILIZAR ..................................................................................... 11 PROCEDIMIENTO ........................................................................................... 13 a) Prueba de Relación de Transformación ....................................................... 13 b )Prueba de vacío ........................................................................................... 13 c) Prueba de Cortocircuito ................................................................................ 14 d) Prueba con carga ......................................................................................... 15 CUESTIONARIO .............................................................................................. 17 CONCLUSIONES ............................................................................................. 42 OBSERVACIONES ........................................................................................... 43 RECOMENDACIONES ..................................................................................... 44

INDICE

EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO TIPO SECO ................................................ 3 INTRODUCCIÓN ................................................................................................ 3 OBJETIVOS ........................................................................................................ 4 FUNDAMENTO TEÓRICO ................................................................................. 4 EL TRANSFORMADOR TRIFASICO ................................................................. 4 GRUPOS DE CONEXIÓN .................................................................................. 7 ENSAYOS DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS .......................... ............. .......................... ............. 8 EQUIPOS A UTILIZAR ..................................................................................... 11 PROCEDIMIENTO ........................................................................................... 13 a) Prueba de Relación de Transformación ....................................................... 13 b )Prueba de vacío ........................................................................................... 13 c) Prueba de Cortocircuito ................................................................................ 14 d) Prueba con carga ......................................................................................... 15 CUESTIONARIO .............................................................................................. 17 CONCLUSIONES ............................................................................................. 42 OBSERVACIONES ........................................................................................... 43 RECOMENDACIONES ..................................................................................... 44

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENÍERIA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESTÁTICAS

EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO TIPO SECO

INTRODUCCIÓN Con la finalidad de poder trasladar la energía eléctrica a grandes distancias y de esa manera poder dar soporte y abastecer de energía eléctrica tanto a la zona industrial como a la urbana se ha visto la necesidad de implementar sistemas de generación y distribución trifásicos por el motivo de que en estos sistemas se traslada la tensión a grandes distancias siendo las pérdidas menores que en un sistema monofásico. Es por ello que en la actualidad, la gran mayoría de los sistemas de distribución y generación de energía son sistemas t rifásicos de CA.

Haciendo referencia a transformadores trifásicos al describir a un sistema trifásico trif ásico los cuales no son más que tres transformadores monofásicos conectados en un mismo núcleo con la diferencia de que al ser trifásico podemos tener distintas formas de conexión para sus devanados tal sería el caso de las conexiones: triangulo-triangulo, estrella-estrella, estrella-triangulo y triangulo-estrella.

3


OBJETIVOS •

Realizar el ensayo de vacío y de cortocircuito en el transformador trifásico (3Ø) para determinar los parámetros del circuito equivalente del transformador.

•

Determinar las pérdidas en el hierro y en el cobre, que ocurren en el transformador.

•

Hallar el rendimiento del transformador.

•

Familiarización con el transformador trifásico, relacionado a las formas de conexión posibles y diferencias entre ellas.

•

Identificación de bornes homólogos (igual polaridad relativa).

•

Pronosticar el comportamiento del transformador trifásico bajo carga, utilizando el circuito equivalente.

•

Determinación de las características de regulación.

FUNDAMENTO TEÓRICO EL TRANSFORMADOR TRIFASICO Actualmente casi todos los sistemas principales de generación y distribución de potencia en el mundo son trifásicos de CA. Para transformar la corriente alterna trifásica se puede hacer uso de tres transformadores monofásicos. En el sistema trifásico estos tres transformadores deben trabajar como una sola unidad. Es lógico preguntarse si no sería posible unir los tres transformadores monofásicos en un solo artefacto trifásico y con ello conseguir economía de material. Imaginémonos tres transformadores independientes. Uniéndolos en un solo transformador trifásico, dejamos sin modificación aquella parte de los núcleos que llevan los arrollamientos y unimos los demás lados de los tres núcleos en un camino magnético común. Tal sistema magnético puede ser comparado con la conexión en estrella de tres circuitos eléctricos.

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Pero en el sistema trifásico con carga uniforme el conductor neutro resulta superfluo; prescindiendo de él, habremos conseguido economía de cobre. En el sistema magnético al conductor neutro corresponde el tronco central común. El flujo en el hierro del transformador puede ser considerado como directamente proporcional a la tensión y atrasado en fase con respecto a la misma en un ángulo casi igual a 90°. En consecuencia, las tres tensiones primarias deben dar lugar a tres flujos de igual amplitud desfasados entre sí 120°. La suma de estos tres flujos en el tronco común es igual a cero, lo que permite suprimirlo. El núcleo simétrico indicado en la figura no se presta a la fabricación y actualmente se lo reemplaza por el indicado en la siguiente figura:

Tanto los tres bobinados primarios como los tres secundarios se pueden conectar de cualquiera de las dos formas trifásicas conocidas: estrella o triángulo. Estas formas de conexión si bien en teoría se las conoce de la siguiente forma:

5


En la práctica para transformadores trifásicos las conexiones anteriores se hacen de la siguiente forma:

El aspecto de un transformador trifásico en aire sería el siguiente:

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GRUPOS DE CONEXIÓN Las combinaciones básicas que han de ser tenidas en cuenta por lo que se refiere a sus particularidades para los acoplamientos en paralelo, forman esencialmente cuatro grupos. Cada grupo se caracteriza en particular por el desfase que el método de conexión introduce entre la f.e.m. primaria y las homólogas.

En la tabla se detallan los grupos de conexiones normalizados para transformadores de potencia trifásicos. Debe tenerse en cuenta que el esquema

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de conexionado es válido solamente en el caso que los devanados tengan el mismo sentido de arrollamiento.

ENSAYOS DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS Hay pocas diferencias entre los transformadores trifásicos y monofásicos, en lo que respecta a los ensayos a realizar. Por lo pronto, las especificaciones sobre temperatura, aislación, etc., no pueden ser diferentes, pues las normas no hacen distingos sobre el número de fases. Para las caídas de tensión y regulación, también pueden estudiarse como si se tratara de uno monofásico, con solo considerar separadamente cada fase. Ya sabemos cómo se combinan los resultados para hacer un diagrama único, trifásico. De modo que la característica de carga o externa, que da la tensión en los bornes secundarios al variar la carga, se tomara para una fase, pues es igual prácticamente, para las otras. Para determinar el rendimiento aparece la primera diferencia de consideración. En efecto, las perdidas en el hierro son distintas para las tres fases, cuando el núcleo es asimétrico, lo que es común. Y como para calcular el rendimiento había que medir las perdidas en el hierro y en el cobre, ya vemos que habrá alguna diferencia con respecto a los monofásicos. Por lo cual se realizaran los ensayos en vacío y cortocircuito.

ENSAYO DE VACÍO Se utiliza para encontrar las perdidas en el hierro en un transformador, pero en la forma indicada en la siguiente figura.

Se conectan 2 vatimetros monofásicos o uno trifásico, según el conocido método de medición de potencia total trifásica, un voltímetro para verificar la tensión normal, y, opcionalmente, amperímetros para poder determinar la corriente de

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vacío, y con ella, el ángulo de fase en vacío. Si el vatimetro es trifásico dará directamente en su escala la potencia total absorbida por el transformador, pero si se trata de dos monofásicos, hay que tener cuidado con un detalle que recordaremos. En el método de medida de los dos vatímetros, según se estudió en electricidad, se sumaban las indicaciones cuando el desfasaje entre la corriente y la tensión era menor de 60º, pues si ese ángulo era superado, había que retar ambas lectura. En un transformador en vacío, es seguro que el angula de desfasaje supera los 60º, por lo cual hay que tener presente esta circunstancia, restando las lecturas de ambos instrumentos. Finalmente, la potencia total de vacío representa las perdidas en el hierro de todo el transformador, y el ángulo de desfasaje de la corriente de vacío será:

Debiendo tenerse presente que el ángulo cuyo coseno da la última formula, no es el que corresponde a una fase particular, sino que a un intermedio entre las tres fases, ya sabemos que son distintos. Para tener el valor exacto d e cada uno, habría que conectar tres juegos de instrumentos, uno en cada fase, y calcular el ángulo por el método de medida que se conoce y que se vio en la sección correspondiente a los monofásicos.

ENSAYO DE CORTO CIRCUITO Se utiliza para determinar las perdidas en el cobre, pero en este caso no es menester medir las pérdidas en las tres fases, pues como son iguales en todas, basta medir en una fase y multiplicar por tres. Se emplea el esquema que se muestra en la siguiente figura.

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Tal como se vio en ensayo para transformadores monofásicos, hay que aplicar al primario una tensión reducida, que se gradúa de manera de tener en el secundario la carga normal, acusada por el amperímetro.

El vatímetro indica la potencia que absorbe una fase del transformador con secundario en cortocircuito. Las pérdidas totales en el cobre se calculan multiplicando esa lectura por tres. Una vez que conocemos las pérdidas totales en el hierro y en el cobre de nuestro transformador trifásico, para determinar el rendimiento no hay más que conocer la potencia normal secundaria y aplicar la siguiente formula n = W 2 / (W2 + P f + Pc) Donde: W2: es la potencia total trifásica para el secundario, en watt. Pf : son las pérdidas totales en el hierro Pc: pérdidas totales en el cobre Para tener el rendimiento en porcentaje, vasta multiplicar el resultado por 100.

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EQUIPOS A UTILIZAR •

1 Transformador trifásico de 5KVA; 220/380V.

•

1 Autotransformador trifásico de 5KVA.

•

1 Multímetro digital.

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1 Banco de resistencias (focos incandescentes).

•

3 Condensadores de 20 μF.

•

1 Motor trifásico de 380 V.

•

Medidor de Calidad

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PROCEDIMIENTO a) Prueba de Relación de Transformación Conectar el autotransformador (variac) al lado de baja tensión del

transformador, luego regular el voltaje de salida del autotransformador empezando de 230 y disminuyendo cada 10 voltios hasta 190 voltios, anotar el voltaje en el lado de alta tensión.

b )Prueba de vacío Armar el circuito que se muestra en la figura, conectar el lado de baja (220V) al autotransformador, el que a su vez debe estar alimentado con la energía de la red y dejar abierto los bornes del lado de alta (380 voltios). Conectar un cosfímetro trifásico en el lado de baja con la finalidad de medir el factor de potencia, los dos vatímetros monofásicos se pueden reemplazar por un vatímetro trifásico, para medir las corrientes en cada fase usar la pinza amperimétrica, medir con el multímetro los voltajes de línea en el lado de alta y en el lado de baja.

Una vez armado el circuito de acuerdo a las indicaciones dadas en el párrafo anterior, se debe graduar el voltaje de salida del autotransformador de manera que

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se obtengan en el lado de baja (220V), voltajes iguales al 25%, 50 %, 75% y 100% del voltaje nominal (medida por el multímetro), para cada caso anotar la lectura de todos los instrumentos. Finalmente, la potencia total de vacío representa las pérdidas en el hierro de todo el transformador, y el ángulo de desfasaje de la corriente de vacío será:

Debiendo tenerse presente que el ángulo cuyo coseno de la última fórmula, no es el que corresponde a una fase particular, sino que a un intermedio entre las tres fases, ya sabemos que son distintos. Para tener el valor exacto de cada uno, habría que conectar tres juegos de instrumentos, uno en cada fase, y calcular el ángulo por el método de medida que se conoce y que se vio en la sección correspondiente a los monofásicos.

c) Prueba de Cortocircuito Previamente se deben de calcular las corrientes nominales de alta y baja tensión del transformador trifásico. Con el circuito desenergizado, armar el circuito que se muestra en la figura, conectar el lado de alta(380V) al autotransformador, el que a su vez debe estar alimentado con la energía de la red y dejar cortocircuitado los bornes del lado de baja(220 V). Conectar un cosfímetro trifásico en el lado de alta con la finalidad de medir factor de potencia, si el transformador no tiene conductor neutro, el vatímetro monofásico se pueden reemplazar por un vatímetro trifásico el cual nos dará directamente las pérdidas totales en el cobre (Pcu), para medir las corrientes en cada fase usar la pinza amperimétrica, medir con el multímetro los voltajes de línea en el lado de alta y en el lado de baja:

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  =3

1

Una vez armado el circuito de acuerdo a las indicaciones dadas en el párrafo anterior, hay que aplicar al lado de alta (380V) una tensión reducida, graduando el voltaje de salida del autroansformador, de manera de obtener en dicho lado el 25%,50%, 75% y 100% de la corriente nominal (medida por el amperímetro de pinza), para cada caso anotar la lectura de los instrumentos. Una vez que conocemos las pérdidas totales en el hierro y en el cobre de nuestro transformador trifásico, para determinar el rendimiento no hay más que conocer la potencia normal secundaria y aplicar la siguiente fórmula:

Donde: W2: Es la potencia total trifásica para el secundario, en Watts. PFe: Son las pérdidas totales en el hierro. PCu: Son las pérdidas totales en el cobre.

d) Prueba con carga Acoplamos el interruptor trifásico a la entrada del transformador (lada 220) siguiendo el orden de secuencia establecido (ejemplo RST)

mostrado

esquemáticamente en la figura siguiente. 15


Con el circuito anterior des energizado, conectamos la carga balanceada: 03 resistencias o focos incandescentes iguales conectados en estrella

03

ramas R-C iguales conectados en estrella. Nota: Tomar en cuenta que los focos incandescentes trabajan a 220 voltios, por lo tanto el circuito debe adecuarse de tal manera de asegurar estos 220 Voltios ¿Qué cambios haría? Procedemos a energizar el circuito formado. Ajustar el valor de la resistencia de carga para obtener magnitudes de 25, 50, 75, y 100% de la intensidad nominal secundaria, es decir, con diferentes índices de carga a fin de evaluar posteriormente bajo que índice de carga presenta una mayor eficiencia. Para cada caso medir la corriente y el voltaje de la línea del secundario. Desconectar la carga y medir la tensión del primario para los valores anotados en las diferentes condiciones de carga fijas anteriormente.

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CUESTIONARIO MEDICIÓN DE RESISTENCIA, PRUEBAS DE VACÍO Y CORTOCIRCUITO: 1. ¿A qué se debe la diferencia entre los resultados obtenidos al medir las resistencias de los arrollamientos con el multímetro y con el método empleado? ¿Cuál es más confiable y por qué? Las tablas comparativas se mostraran al final de los cálculos. El método empleado es de la caída de potencial energizado con tensión DC. Se utilizó el método de acuerdo a la norma IEC-60076. Esta norma nos indica que debemos tomar 3 medidas como mínimo en cada bobinado y que la corriente no supere en un 15% a la corriente nominal a fin de evitar calentamientos. Se realizó el ensayo solo en Alta Tensión ya que se encuentra instalado en estrella y nos facilita la medición solo en una bobina con ayuda del neutro. A continuación los cálculos: Devanado RN: Tabla . Ensayo DC en RN

Devanado R-N VDC

V

I

8.1 10.1 12.7 15.5

0.681 0.337 0.352 0.368

2.75 1.332876 1.368888 1.519192

Resistencia en el Devanado RN 3

A 2.5 e t n e 2 i r r 1.5 o c e 1 d d 0.5 a d i 0 s n 0 e t n I

y = 4.0978x - 0.0378

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Voltaje V

Grafico . Corriente vs voltaje en el devanado RN

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Devanado SN: Tabla . Ensayo DC en SN

Devanado S-N

A e t n 3 e i r r o 2 c e d d 1 a d i s 0 n e 0 t n I

VDC

V

I

8.1 10.1 12.7 15.5

0.68 0.337 0.354 0.363

2.753846 1.332876 1.368888 1.519192

Resistencia en el Devanado SN

y = 4.1083x - 0.0372

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Voltaje V

Grafico. Corriente vs voltaje en el devanado SN

Devanado TN: Tabla . Ensayo DC en TN

VDC 8.1 10.1 12.7 15.5

e t n e i r 3 r o c 2 e d A d 1 a d i s 0 n e 0 t n I

Devanado T-N V I 0.69 2.75 0.334 1.334246 0.358 1.367778 0.362 1.519192

Resistencia en el Devanado TN

y = 3.9697x + 0.012

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Voltaje V

Grafico. Corriente vs voltaje en el devanado TN

18


De las gráficas anteriores obtenemos el valor de la resistencia en cada devanado. Tabla. Resistencias por el multímetro y el método DC

Resistencia con el multímetro 0.4 0.5 0.5

Devanado RN SN TN

Resistencia método DC 0.244033 0.243409 0.251908

Se aprecia una diferencia muy grande entre los dos métodos, esto se debe principalmente a la medición directa con el multímetro es incorrecto porque la resistencia mostrada no solo podría ser del bobinado sino de otros elementos q conforman el transformador en su conjunto. Debemos agregar también el mal estado de estos instrumentos de medición, la calibración periódica de estos instrumentos es muy importante. El valor más confiable es con el método DC ya que es el método propuesto por la norma IEC-60076 y se tiene un procedimiento estricto.

2. De la prueba de relación de transformación, graficar la relación de transformación vs voltaje de entrada y explicar los resultados. Tabla . Datos obtenidos en el laboratorio

BT 220.3 210.6 200.5 190 180.3

AT 377.8 362 344.7 327.1 311.3

Tabla . Relación de transformación en cada prueba

VBT 220.3 210.6 200.5 190 180.3

Relación de transformación "n" 1.71493418 1.71889839 1.719202 1.72157895 1.72656683

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A continuación una gráfica que representa a la tabla anterior:

n o i c 2 a m r 1.9 o f s n 1.8 a r t e 1.7 d n 1.6 o i c a 1.5 l e 0 R

Relacion de transformacion vs. Voltaje de entrada y = -1E-07x + 1.72

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

Voltaje de BT

Grafica. Relación de transformación para cada voltaje de entrada

De la gráfica obtenemos el valor de 1.72 como relación de transformación real que se mantiene constante, al comparar este valor con la relación de transformación teórica de 1.727272 podemos comprobar la exactitud de transformación.

3. Tabular las resistencias medidas a los arrollamientos de las bobinas y determinar las resistencias promedios asimismo determinar dichas resistencias referidos a la temperatura de 75° C. ¿Para los cálculos, cuál de las resistencias se utiliza? Las resistencias de los devanados ya han sido calculadas en las preguntas anteriores, en esta pregunta calcularemos la resistencia promedio y la resistencia a una temperatura de operación. Para calcular la resistencia a la temperatura de 75°C aplicamos la siguiente ecuación:

+234.5 ° =×  +234.5 20


Tabla. Resistencia en frio y a 75°C

Devanado AT (380V) RN SN TN Promedio

Resistencia T=25°C

Resistencia T=75°C

0.244033 0.243409 0.251908 0.24645

0.291053 0.290309 0.300445 0.293936

El valor de resistencia en frio es la que obtuvimos en el método de caída de potencial (DC), normalmente las bobinas de un transformador trabaja a una temperatura determinada llamada Temperatura estándar de referencia que en nuestro caso es 75°C por lo tanto es necesario convertir las resistencias a esta temperatura y utilizar estos valores.

4.- Realizar el esquema de conexión para realizar la prueba de circuito

abierto en un transformador, ¿qué condiciones son válidas para realizar la prueba de vacío?

Ilustración. Esquema de conexión para la prueba de circuito abierto.

21


I0 +

A

R1 jX d1

W

V

V1N

V

R2 Ir g

I0 + In b E1 -

-

+ E2 -

jX d2

Vacio

Ilustración. Circuito Equivalente Unifilar para la prueba de circuito abierto.



Las pérdidas de vacío son constantes para una tensión de alimentación cualquiera que sea la carga o el factor de potencia. Las pérdidas en el hierro serán también constantes para una misma tensión de alimentación. Para determinarla hacemos el ensayo de vacío este ensayo las condiciones son

aplicarle al primario una tensión y frecuencia nominal, estando el secundario en circuito abierto. 

El ensayo de vacío se realiza alimentando el devanado del B.T porque normalmente su tensión de régimen está comprendida en las escalas de los aparatos de medida empleados. Además, existe menos peligro para el operador a trabajar con B.T.





Las pérdidas 2 en vacío son despreciables (debido al pequeño valor de I), la potencia absorbida en vacío coincide prácticamente con las pérdidas en el hierro.

22


5. Realizar el esquema de conexiones para realizar la prueba de Cortocircuito en un transformador, que condiciones son válidas para realizar la prueba de Cortocircuito. Se mide desde el lado de AT (menor corriente) aplicando una tensión que se va elevando gradualmente desde cero hasta que circula la corriente nominal IN en plena. La tensión aplicada necesaria para la prueba representa un pequeño porcentaje respecto a la tensión nominal en plena carga (3-5 % del Vn).

6.- Determinar los parámetros que representan el transformador real, las perdidas en el mismo y la eficiencia en el transformador trifásico. PROCEDIMIENTO La potencia registrada en el circuito que permite realizar la prueba de vacío en los transformadores trifásicos es igual a:

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Es igual a:

Luego, con los valores obtenidos de P 0, Vt e I0, evaluando previamente V 0, obtendremos los valores de los parámetros R p y X m , para lo cual haremos uso del circuito equivalente exacto del transformador trifásico en vacío, por fase, esto es:

24


Tabla. Lectura de los medidores en la prueba de vacío.

VBT

VAT

IBT

WTOTAL

rs

st

tr

RS

ST

TR

r

s

t

TOATL

220

218.8

218.4

377.7

376.6

330.3

1.34

1.215

1.015

0.081

211

210.4

209.5

363.3

632.6

364.8

0.971

0.911

0.751

0.071

200.8

200.1

199.5

345.2

345

346.8

0.731

0.7

0.569

0.062

185.9

185.3

185.1

320.7

320.1

321.8

0.52

0.512

0.389

0.052

176.6

175.8

174.4

303.2

303.7

304.6

0.436

0.423

0.313

0.047

Aplicando las formulas mencionadas para el cálculo de los parámetros del transformador trifásico por prueba de vacío en el primario (BT).



De la prueba de Corto circuito y prueba DC, se obtiene: R1=0.14268 Ω

X1=0.150 Ω

25

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENÍERIA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESTÁTICAS Tabla. Calculo de los parámetros del transformador trifásico de prueba de vacio.

VBT(Volt) (promedio)

IBT(Ampere) (promedio)

WTOTAL Po (Kw)

P f+h(fase) (w)

Θ(rad)

cos(θ)%

Vt(Volt)

Rp(Ω)

Xm(Ω)

219.067

1.190

0.081

26.798

1.467

10.357

219.049

1790.816

185.070

210.300

0.878

0.071

23.557

1.442

12.822

210.284

1877.427

241.588

200.133

0.667

0.062

20.603

1.415

15.490

200.119

1944.030

303.845

185.433

0.474

0.052

17.301

1.372

19.734

185.420

1987.451

399.308

175.600

0.391

0.047

15.645

1.340

22.837

175.587

1970.954

461.654



EFICIENCIA DEL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO

26


Tabla. Calculo de las eficiencias para las distintas cargas realizadas.

PRUEBA

V2N

I2N

fdp

Pfe

Pcu

n%

3 focos

234.855

1.363

0.990

117.456

3.990

72.288

6 focos

237.371

2.348

1.000

119.986

15.645

80.429

9 focos

239.393

2.537

1.000

122.039

34.451

79.511

7.- Del ensayo de vacío trazar las curvas del factor de potencia cos0(%). Potencia consumida Po (W) y corriente del trasformador trifásico.

Figura. Variación de la corriente en función del Vpromedio.

Vpromedio Vs Corriente 1.000

0.878

0.900

) t l o 0.800 V ( o i 0.700 d e m0.600 o r p 0.500 V

0.667

0.474 0.391

0.400 0.300 170.000

180.000

190.000

200.000

210.000

220.000

Corriente promedio(Ampere)

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENÍERIA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESTÁTICAS Figura. Variación del fdp en función del Vpromedio.

Vpromedio Vs cos(θ)% 24.000

22.837

22.000

19.734

) t l o 20.000 V ( o 18.000 i d e 16.000 m o r 14.000 p V

15.490 12.822

12.000 10.000 170.000

180.000

190.000

200.000

210.000

220.000

cos(θ)%

Figura. Variación de la Potencia (Po) en función del Vpromedio.

Vpromedio

Vs WTOTAL Po (Kw) 0.071

0.075 0.070 ) t l o 0.065 V ( o 0.060 i d e 0.055 m o r 0.050 p V

0.062 0.052 0.047

0.045 0.040 170.000

180.000

190.000

200.000

210.000

220.000

WTOTAL Po (Kw)

8. Del ensayo de cortocircuito graficar a partir de las lecturas de la potencia consumida Pcc(W), la tensión de impedancia Vcc(v), como funciones de la corriente de cortocircuito Icc(A). A continuación se mostrara los valores ya promediados de corriente de cortocircuito, de voltaje de cortocircuito y las pérdidas de cobre. Tabla. Mediciones realizadas en el laboratorio

Icc(A) 2.54 3.83 5.36 7.57

Vcc(V) 2.53 3.88 5.4 7.73

Pcc(kW) 0.543 0.624 0.832 1.05

28


Vcc vs Icc 10 8 )

A ( c c V

6 4 2 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

Icc(A)

Gráfico de voltaje y corriente de cortocircuito

Se observa una dependencia lineal entre la corriente de cortocircuito (Icc) y el voltaje de cortocircuito (Vcc), esta dependencia lineal es corroborada por la teoría.

Pcc vs Icc 1.2 1

) 0.8 W k 0.6 ( c c 0.4 P 0.2 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

Icc(A)

Gráfico de potencia y corriente de cortocircuito

Si aumenta la corriente de cortocircuito (Icc), también incrementa la potencia consumida (Pcc) en los devanados del transformador. El hecho de suministrar la corriente nominal al transformador simula las condiciones de trabajo a plena carga para el que fue diseñado.

29


9. Calcular la regulación de tensión para una carga nominal con cosθ=0.91 inductivo. Asimismo calcular la eficiencia del transformador para estas condiciones.



Regulación de tensión para cosӨ=0.91

 ( ) ( )    ӨӨ    ӨӨ        % = +      Entonces reemplazando:

%=.% Eficiencia



 cosӨ   =  cosӨ+  +  =85.6%

30


ENSAYO DE CARGA: 1. Elaborar una síntesis de los pasos realizados para la implementar la conexión trifásica requerida (Dy5). Para el ensayo con carga se ha energizado directamente de la red a través del “menneke” del transformador a la carga.

Cuando la carga era el motor, no se usó el neutro del secundario del trafo. Para ello se une con los cables la salida u-v-w del trafo a las terminales del motor Cuando la carga fueron los focos, se usó la línea neutra para conseguir los 220V. Para ello se une la línea neutra del trafo a un punto común del banco de focos y luego se une la línea relativa de los focos (u-v-w) al punto común.

2.

Con los datos del ensayo con carga a factor de potencia 1, graficar la curva V vs I. Corriente en funcion de la tension de salida

4 ) A3.5 ( a g r 3 a c 2.5 a l e 2 d e t 1.5 n 1 e i r r 0.5 o C 0 396

397

398

399

400

401

402

403

Voltaje en la carga (V) 1 foco por linea 2 focos por linea 3 focos por linea Motor, Banco de condensadores y Carga resistiva a fdp=0.71 Motor trifasico a fdp=0.1

31


Cuando la carga es pequeña, la corriente es baja y las tensiones de fase tienden a separarse (en valor) y su valor es un poco mayor (1 o 2 V) mientras que cuando hay más carga, las tensiones se acercan más en valor, y las corrientes tienden a ser un poco diferentes (0.1A) entre sí.

3. Para las diversas cargas resistivas dispuestas, construir el circuito monofásico equivalente y determinar: La regulación de tensión En el circuito monofásico equivalente la conexión en el primario delta se reemplaza por estrella y se trabaja por fase, luego recalculamos la relación de transformación del circuito 1 Ø equivalente.

Así para esta conexión Dy5 en el primario dividimos la tensión entre raíz cuadrada de tres, para obtener la tensión de fase, mientras que la corriente se mantiene.

231 √ 3 →′=0.5775 ′ = ,, = 400 √ 3 Prueba de cortocircuito en el primario o baja tensión.

.

 = √  = .√  =38.8788  32


= = 12.52   = 3 = 1003 3 = 334.3333   =  = 334.12.35333 2 →  = 2.1329   =  = 38.12.857882 →  = 3.1053   =2.2569  →  ̅ =3.1053 ⌊46.618° La impedancia esta vista desde el primario o baja tensión, reflejando al lado de alta tensión o al secundario.

6 18° →  =9.3111⌊46.618°  =  = 3.1053⌊46. 0.5775 Entonces el circuito equivalente aproximado será:



Cuando la carga son 3 focos, un foco por cada línea Tomando el voltaje V 2 de salida, como referencia

 = 0.99 →  = 8.1096°  =  + ̅  ̅ →  =231.5175 ⌊0°+ (0.456 ⌊8.1096°∗9.3111⌊46.618°)    =234.8548 ⌊0.645°  33


  234.8548231.5175 % =  = 231.5175 → %=1.4415% 



Cuando la carga son 6 focos, 2 focos por cada línea Tomando el voltaje V 2 de salida, como referencia

 = 1 →  = 0°  =  + ̅  ̅ →  =231.5175 ⌊0°+ (0.903⌊0°∗9.3111⌊46.618°)    =237.3712 ⌊1.4752°    237.3712231.5175 % =  = 231.5175 → %=2.5284%



Cuando la carga son 9 focos, 3 focos por cada línea Tomando el voltaje V 2 de salida, como referencia

 = 1 →  = 0°  =  + ̅  ̅ →  =230.6514⌊0°+(1.34⌊0°∗9.3111⌊46.618°)    =239.3931 ⌊2.1709°    239.3931230.6514 % =  = 230.6514 → %=3.79%

4. La eficiencia del transformador para estas condiciones: Para calcular la eficiencia del transformador necesitamos calcular las perdidas en el hierro, de la prueba de vacío o circuito abierto en el lado de baja tensión o el primario del transformador:

1 = 1√ 3 = 226.√ 33 → 1 = 130.6544  34


 =  = 1.295  , = 3 = 1093 → ,=36.3333

, = 36.3333 → =2.1284×10− Ω−  = 1  130.6544  = 1 = 130.1.2695544 =9.9116 ×10− Ω− =9.6804 ×10− Ω− La admitancia esta vista desde el primario o baja tensión, reflejando al lado de alta tensión o al secundario.

 =  × →  =3.3056⌊77.59 ° ×10− Ω−  = 7.0983×10− Ω−

Como las cargas resistivas tienen una corriente de carga muy pequeña, se “despreciara” la corriente que para por la rama Shunt, por lo que la tensión

del primario reflejada

 será la misma que se calculó en la regulación.  35


El analizador de calidad nos da la potencia útil trifásica, así que calcularemos las perdidas trifásicas. 

Cuando la carga son 3 focos, un foco por cada línea



Cuando la carga son 6 focos, 2 focos por cada línea



 = 320      = 3  =3×7.0983×10− ×234.8548 →  = 117.4558   = 3  =3×0.456 × .. →  = 3.9895  320  =  + + = 320+117.4558+3.9895 → =72.49%

 = 633      = 3  =3×7.0983×10− ×237.3712 →  = 119.9863   = 3  =3×0.903 × .. →  =15.6446   =  + + = 633+119.9633 863+15.6446 → =82.35% Cuando la carga son 9 focos, 3 focos por cada línea

 = 934      = 3  =3×7.0983×10− ×239.3931 →  = 122.0391   = 3  =3×1.34 × .. →  =34.4506   =  + + = 934+122.0934 391+34.4506 → =85.65%

5. Comparar las pérdidas en el cobre con las pérdidas de carga PL (75ºC) dada por la expresión:

36


6. Grafique la curva índice de carga vs Rendimiento. ¿Qué puede notar?, Sustente su respuesta y desarrolle la expresión analítica adecuada. Según el grafico, cuando el índice de carga es bajo, es decir la carga resistiva requiere poco corriente en comparación con la nominal, la eficiencia es baja, debido a que la potencia útil es baja y las perdidas en el hierro son relativamente grandes para esa carga. Mientras la corriente de carga aumenta, crece la potencia útil y las perdidas en el hierro se quedan casi fijas, las perdidas en el cobre aumentan poco para estas cargas y por ello la eficiencia crece también. Rendimiento del trafo en funcion del indice de carga 100

) % 80 ( o t 60 n e i m i 40 d n e 20 R 0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

indice de carga (A/A) Focos

Motor

Todas las cargas

Por otro lado, el motor requiere mayor corriente, pero la potencia útil que desarrolla es tan baja que se parece a las perdidas en el cobre, que son más grandes debido a que

hay más corriente, haciendo que el transformador

desarrolle su eficiencia más baja. Teóricamente el transformador desarrolla su máxima eficiencia cuando

=

 ,, , que es α=0.3297 a más del 85%, muy cerca de la operación del trafo cuando se conectan en paralelo el banco de condensadores el motor y los 9 focos.

37


7. ¿Qué particularidades tiene la conexión usada? Esta conexión no tiene problemas con los componentes de tercer armónico de tensión, puesto que estos dan lugar a una corriente circulante en el lado conectado en triangulo. No motiva flujos por el aire en caso de cargas desequilibradas (c.c.) ni traslados de neutros (sobretensiones). Se utiliza como transformador elevador en redes de A.T. El empleo de la conexión en estrella en la parte de alta tensión permite poner a tierra el punto neutro, con lo que queda limitado el potencial sobre cualquiera de las fases a la tensión simple del sistema. Con referencia al índice horario, el desfasaje entre el primario y el secundario es de 150° En este grupo de conexión puede haber carga monofásica, ya que por el lado de tensión superior la corriente solo pasa a través del ramal del brazo cargado. También se usa mucho esta configuración en transformadores de distribución, colocando la estrella al lado de baja tensión. Esto permite alimentar cargas trifásicas y monofásicas (entre fase y neutro)

8. Elabore un diagrama fasorial total, tomando en cuenta los desfasajes entre fases originados por el tipo de conexión usada. Para la conexión Dyn5 usando el neutro, se dibujara el diagrama fasorial de la carga de 3 focos, 1 foco por cada línea.

38


El fasor de color verde son las tensión en el primario, el fasor de color rojo es del secundario sin la caída de tensión, y el fasor de color violeta es de la carga, en el diagrama se ve que existe un desfase de 150° y la caída de tensión por la resistencia del transformador es muy pequeña, casi imperceptible, en el diagrama se exageró, los ángulos varían hasta menos de 1°, auqui si aumentas la carga hay más caída de tension y el ángulo cambia hasta 2 o 3 grados.

9. Para las condiciones de la carga usada y en base a su análisis anterior, diga usted si sería favorable usar otro tipo de conexión, de ser así indique cual sería y que ventajas y desventajas obtendría respecto al caso ensayado. La conexión Yy por ejemplo es un tipo de conexión que más inconvenientes tiene, a pesar de que sea menos costosa; si la carga es desbalanceada se producen flujos alternos en las columnas que van en fase, es decir, pulsan al unísono, lo que da lugar a tensiones homopolares que provocan un desequilibrio de las tensiones de fase tanto del primario como del secundario. Además de ello existen terceros armónicos de tensión. La conexión Dd se utiliza en transformadores de B.T. ya que se necesitan más espiras/fase de menor sección. Se comporta mejor frente a cargas desequilibradas. Otra ventaja es que puede trabajar en el secundario en Delta abierto. En nuestro caso el trafo es de 5kVA que debe alimentar cargas de 380V y 220V, el inconveniente es que no tiene conexión a una línea neutra. La conexión Dy útil para transformadores de distribución y para transformadores de potencia para elevar la tensión por las ventajas que tiene. Para nuestro ensayo es ideal ya que podemos trabajar con 380V, 220V y además que podemos poner una carga desbalanceada

10. Haga un estudio teórico empleando el circuito equivalente exacto (con la rama de excitación), indicar los porcentajes de variación. ¿Es viable despreciar dicha rama en la práctica? Como ya se ha calculado anteriormente los parámetros del transformador y también la tensión en el primario tomando como referencia la corriente y la tensión de salida. En esta tabla se presenta el voltaje en el primario reflejado aproximado

39


Con 3 focos

Con 6 focos

Con 9 focos

I2

0.456 A

0.903 A

1.34

V2

231.5175 V

231.5175 V

230.6514 V

234.8548 V

237.3712 V

239.3931 V

Con 3 focos

Con 6 focos

Con 9 focos

I2

0.456 A

0.903 A

1.34 A

I0’

0.7708 A

0.7749 A

0.7768 A

I1’

1.0258 A

1.317 A

1.6987 A

V2

231.5175 V

231.5175 V

230.6514 V

237.9287

240.4482 V

242.4662 V

 

 

La corriente de vacío se ve reflejado al secundario, si quisiéramos saber en el lado del primario dividimos por la relación de transformación del trafo, que en promedio es

I0 = 1.34 A. Es un valor que se acerca bastante al que se

obtiene en la prueba de vacío. 40


Ahora veremos para las cargas resistivas el porcentaje de error que se obtuvo con el circuito monofásico equivalente.

 

Con 3 focos

Con 6 focos

Con 9 focos

C. Aproximado

234.8548 V

237.3712 V

239.3931 V

C. Exacto

237.9287

240.4482 V

242.4662 V

Error (%)

1.3%

1.29%

1.28%

Las cargas resistivas operaban con corrientes relativamente pequeñas a comparación de la nominal. Eso hace que el error sea más grande, según la t abla el error baja cuando aumenta la carga. En general se dice que se desprecia si el error es menor del 1% pero considero que para sistemas de potencia, en donde se trabaja a plena carga, el error sería menor del 1% y en consecuencia podríamos eliminar la rama Shunt para efectos del cálculo.

41


CONCLUSIONES 















Para obtener valores confiables de las resistencias en las bobinas se procede a realizar el método de caída de potencial con tensión DC descrito en la Norma IEC-60076. La relación de transformación se mantiene constante, con la única consideración de que el voltaje de entrada no debe sobrepasar los valores nominales. El ensayo de cortocircuito se realiza alimentando al transformador en el lado de A.T para que la corriente a medir con los instrumentos de medición registren un valor razonable de corriente, además la tensión de alimentación será solo un porcentaje de la nominal. El ensayo de vacío se realiza alimentando al transformador en el lado de B.T para que la tensión esté comprendida en las escalas de los aparatos de medición empleados. Además existe menos peligro para el operador al trabajar con B.T. Al momento de calcular los parámetros para el circuito equivalente del transformador trifásico, reducimos el sistema trifásico a monofásico con la intención de facilitar los cálculos, al momento de trabajar en monofásico, el voltaje, potencia varían como se explicó en los cálculos realizados. Las pérdidas en vacío son despreciables (debido al pequeño valor de I), la potencia absorbida en vacío coincide prácticamente con las pérdidas en el hierro. Es posible aproximar los transformadores a un circuito equivalente aproximado sin considerar la rama de excitación, ya que la corriente que pasa por la rama shunt es demasiado pequeña. los valores de los parámetros de cortocircuito dependen de la corriente que circula por ellos, esta es la razón por la que las normas de ensayos exigen que la corriente sea la nominal o a plena carga (ocurre lo mismo para los parámetros de vacío, dependen del voltaje aplicado).

42

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENÍERIA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESTÁTICAS 

Se comprueba el gran efecto de la temperatura sobre las perdidas en el bobinado de cobre.



La regulación es pequeña en condiciones cercanas a la nominal.



La prueba con carga nos permite realizar la regulación del transformador.





El transformador trifásico ensayado, funciona con mayor eficiencia cuando trabaja a las condiciones para las que fue diseñado (valores nominales). Del ensayo de cortocircuito se determinó que hay una dependencia lineal entre la corriente de cortocircuito (Icc) y el voltaje de cortocircuito (Vcc), esta dependencia lineal es estudiada en la teoría.

OBSERVACIONES

•

Al momento de realizar el ensayo de cortocircuito, los instrumentos de medida no marcaban los voltajes en las fases, debido a que en el ensayo de cortocircuito la tensión de alimentación es muy pequeña.

•

Se tuvo que realizar el ensayo con carga en estrella porque los focos trabajan con 220 voltios.

•

El transformador configurado para trabajar como delta-estrella es el más seguro cuando se manipula voltajes altos.

•

Es importante mencionar que el factor de potencia se calculó a partir de la potencia activa consumida (medida con el vatímetro) y la potencia aparente

43

Informe 3 - El Transformador Trifasico Tipo Seco

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