Transformador monofásico

por | Jun 12, 2019 | instalaciones-electricas | 0 Comentarios

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Introducción:

La electricidad es un conjunto de fenómenos físicos fundamental en la vida cotidiana del ser humano. Sin embargo, la electricidad que llega a los usuarios necesita ser regulada para alimentar cada uno de los dispositivos que requieran de energía. En consecuencia, el transformador es una maquina eléctrica que facilita la conversión entre tensiones y corrientes manteniendo la misma potencia. Además, el transformador facilita el transporte de la electricidad. De esta forma se aumenta los niveles de tensión disminuyendo las perdidas por el efecto joule. ¿Quieres aprender a dimensionar una instalación eléctrica? sigue nuestra guia paso a paso.

A continuación se encuentran los datos de la práctica realizada para el transformador monofásico disponible en el laboratorio. Este es de marca Eisler Engineering C, de 5KVA, 240-480/120-240V.cEn primer lugar, se efectuaron las medidas de aislamiento y continuidad entre los bornes para determinar cuales pertenecen a la misma bobina. Además, fue necesario identificar los devanados de alta y baja tensión, incluida su polaridad relativa. Finalmente, se determinó el modelo equivalente del transformador, a través de las pruebas de vacío y corto circuito.

Marco teórico:

Prueba de circuito abierto transformador:

prueba circuito abierto transformador

En esta prueba se deja abierto el circuito del devanado secundario del transformador y en el devanado primario se conecta una tensión plena. Al observar el circuito equivalente del transformador, se puede percibir que R_p y jX_p son muy pequeñas comparadas con R_N y jX_M, por lo que la caída de tensión se ve representada en R_N y jX_M.

Primero se mide tensión, corriente y potencia de entrada del transformador. Segundo, se calcula con estos datos el factor de potencia, la magnitud y el ángulo de la admitancia. Después con el ángulo de fase se calcula la suceptancia y conductancia.

G_{N}=frac{1}{R_{N}} qquad B_{m}=frac{1}{X_{m}} qquad Y_{E}=G_{N}-JB_{N}

La admitancia equivalente (magnitud) es la suma de la suceptancia y de la conductancia, estos se puede calcular con base en el voltaje y corriente de prueba.

Y_{E}=frac{I_{cab}}{V_{cab}}

El ángulo de admitancia se puede calcular con base al factor de potencia. El factor de potencia siempre esta en retraso en un transformador, por lo que el ángulo de la corriente siempre esta en retraso con respecto a la de la tensión:

F_{p}=cos{theta}=frac{P_{cab}}{S_{cab}}=frac{P_{cab}}{V_{cab}I_{cab}}
theta=cos^{-1}bigg (frac{P_{cab}}{V_{cab}I_{cab}}bigg )qquad Y_{E}=frac{I_{cab}}{V_{cab}}angle-theta

Prueba de corto circuito transformador:

En esta prueba se cortocircuita el segundo devanado y se pone una fuente variable en las entradas del primer devanado, la cual se va elevando desde cero hasta que se llegue a la corriente nominal, se mide tensión, corriente y potencia, tal como se puede ver en la figura 3.

La tensión aplicada es tan baja con respecto a la nominal, que hace que el flujo sea pequeño, volviendo así despreciables las pérdidas en el hierro. Al ignorarla, la tensión cae sobre los elementos ubicados en serie.

Partes de un transformador:

Armazon: Es conocido como núcleo magnético puesto que es fabricado con materiales ferromagnéticos con permitividades magnéticas altas, entre estos encontramos aleaciones de acero al silicio. 

Bornes de alta y baja tensión:  Es donde se conectan los conductores de alta y baja tensión, actualmente la normatividad es rigurosa en cuanto a los niveles de aislamiento,  así es fácil identificar los terminales.

Medio refrigerante: La temperatura es algo indeseable en la operación de cualquier maquina eléctrica. No solo afecta el rendimiento de esta, también puede afectar el esmalte del embobinado dañando la. Actualmente existen dos tipos de transformadores, tipo seco como el del diagrama y en aceite.

Devanados o bobinas: Son los enrollamientos de cobre que rodean el núcleo ferromagnético. Hoy en día se les clasifica como primario y secundario, también son conocidos como lado de alta y de baja.

Tanque o cuba: Es el lugar que contiene los embobinados permitiendo que esten sumergidos en el aceite refrigerante. Sin embargo no debe ser solo un contenedor. Además debe tener aletas con radiadores y ondulaciones.

Cambiador de taps: Posee las conexiones eléctricas para el control de válvulas de sobrepesión y relees de protección. Sin embargo no se debe operar bajo carga.

Relé de sobrepresión: se refiere a un dispositivo mecánico que regula el aumento de presión para evitar una posible explosión.

Determinación de polaridad de un transformador

En un transformador se tienen dos tipos de polaridad en los devanados la cual puede ser de tipo aditiva o sustractiva. Esta depende de si la tensión que se induce en el devanado secundario está en oposición o concordancia de fase con respecto a la tensión del primario.

Una forma de determinar esto en la práctica es: Primero, conectar los dos terminales correspondientes como podrían ser D y d. Segundo, aplicar una tensión en uno de los embobinados, como lo puede ser, D y Q. Tercero, se debe medir la tensión entre los otros dos terminales Q y q. Si dicha tensión es mayor que la aplicada en los bornes D y Q. en consecuencia la polaridad será aditiva, mientras que si este valor de tensión da menor, la polaridad será entonces sustractiva.

Elementos para la practica:

Hoy en día la realización de la práctica del transformador monofásico requiere una serie de elementos de protección. De esta forma se realizan las conexiones de la máquina de forma segura. Equipos:

  1. Guantes de Nitrilo
  2. Gafas de seguridad
  3. Botas dieléctricas
  4. Cables apropiados para las conexiones (6AWG)
  5. Transformador monofásico
  6. Multímetro
  7. Vatímetro
  8. Analizador de redes.

Metodología:

Identificación de devanados y conexiones:

  • Realizar medidas de aislamiento y continuidad entre los bornes para identificar cuales pertenecen a la misma bobina. Es necesario tener en cuenta que estas pruebas deben hacerse con el transformador des-energizado.
  • Identificar los devanados de alta y baja tensión, incluida su polaridad relativa (polaridad aditiva o polaridad sustractiva), mediante la medición de resistencia de devanados y la medición de tensiones inducidas. Los métodos de medida de resistencia utilizados deben ser adecuados para el valor de resistencia esperado, también se deben tener presentes los valores nominales del transformador y los instrumentos de medida al realizar las pruebas.
  • Identificar los devanados de alta y baja tensión, incluida su polaridad relativa (polaridad aditiva o polaridad sustractiva), mediante la medición de resistencia de devanados y la medición de tensiones inducidas. Los métodos de medida de resistencia utilizados deben ser adecuados para el valor de resistencia esperado, también se deben tener presentes los valores nominales del transformador y los instrumentos de medida al realizar las pruebas.

Mediciones básicas:

  • Determinar el modelo equivalente del transformador, mediante la realización de pruebas normalizadas de vacío y cortocircuito. Ambas pruebas deben realizarse en las condiciones de tensión y corriente sugeridas en la normatividad y que sean posibles en el laboratorio; es decir la tensión de vacío debe corresponder al nominal de baja tensión y la corriente de corto a la nominal de alta tensión.
  • Establecer gráficamente la variación de pérdidas en vacío ante el cambio de tensión aplicada.
  • Establecer gráficamente la variación de pérdidas en el cobre ante el cambio de la corriente de cortocircuito.

Resultados y análisis:

En ésta sección se mostrarán los resultados obtenidos de las mediciones y diferentes actividades propuestas en la sección de metodología. Además se busca la identificación de los diferentes terminales del transformador. Así como la polaridad del mismo y el cálculo del circuito equivalente con la ayuda de los datos obtenidos en las pruebas de vacio y corto circuito. Tambien se analizaran las perdidas por efecto joule, por histéresis y por corrientes de foucault.

Identificación de terminales y polaridad:

La identificación de terminales se realizó mediante la medición de continuidad con la ayuda del multímetro, posteriormente se alimentó uno de estos devanados limitando la tensión con el variac y luego se procedió con la medición de la tensión en cada uno de los bornes con el objetivo de identificar los devanados de alta y de baja tensión.

La polaridad se determinó cortocircuitando los bornes 2, 3, 9 y 8. Despues se alimentó ese nodo y el borne 4. Seguidamente, se realizaron las respectivas mediciones para determinar los casos en que era sustractiva o aditiva la tensión.

Modelo de transformador:

Para empezar a realizar el cálculo del modelo del transformador se hace uso de los datos obtenidos de las pruebas de corto circuito y circuito abierto.  Por lo general estos datos son  se obtienen con la ayuda del analizador del redes. De esta forma se tienen los datos de potencia real, tensión y corriente.En cuanto al analizador de redes, se conecto de la siguiente forma:

Prueba de vacío:

Posteriormente se realizó la prueba de circuito abierto con la ayuda del variac de la mesa de trabajo. Después se realizó la variación de la tensión y con esto, se obtuvieron suficientes datos para poder hacer el cálculo de la rama de magnetización. Los datos obtenidos se muestran a continuación:

Prueba Vacío
VIWSTetha
45.440.221.0039.996884.24170505
50.480.261.2413.124884.578745
60.50.341.820.5784.97985035
810.94476.1486.98859115
95.147.2614690.716488.83860316

Parámetros del núcleo:

En primer lugar los datos que nos suministró el analizador de redes fueron: la tensión, la corriente y la potencia real. según estos datos se realiza el calculo de la potencia aparente y el factor de potencia.

Por lo general los datos obtenidos se pueden explicar de una manera muy sencilla. Los valores del angulo theta dan muy cercanos a 90°. De hecho, en la rama de magnetización el mayor aporte es de tipo inductivo. Como consecuencia se puede modelar como una inductancia en paralelo a una resistencia.

De igual forma se obtienen unos valores de potencia aparente más altos que la potencia real.  Por consiguiente el angulo Theta es muy cercano a los 90 grados.

Finalmente tenemos la obtención de los parámetros de la rama de magnetización, los cuales se muestran en la siguiente tabla:

ConductanciaImpedancia
YS(imaginaria)G(real)XR
0.004841550.000485760.0048171192058.61775207.592968
0.005150550.000486610.0051275162055.02452195.026201
0.005619830.000491770.0055982772033.47222178.62639
0.011604940.000609660.0115889131640.2586.2893703
0.07630860.001546680.076292922646.54425713.1073759

Se puede observar que el valor de la reactancia es  mayor comparado con el de la resistencia. Lo cual es entendible dado el valor de ángulo Theta es cercano a 90°. Además, estos valores de reactancia corresponden a la rama de magnetización.

Prueba de corto de un transformador:

Una vez identificada la rama de magnetización realizando la prueba de circuito abierto. Se procede a ejecutar la prueba de corto circuito. Sin embargo, por efectos de la corriente, se hace el corto en el devanado de alta tensión. Así mismo, se evita el salto de los interruptores termo-magnéticos del banco o del tablero de protecciones. También se proteje el equipo de daños. Los datos obtenidos se muestran a continuación:

Prueba de corto
VIWSTetha
4.13411.126.90545.9700881.36111236
4.95113.289.5165.7492881.68354579
6.5117.5416.9114.185481.48867409
7.14619.1220.41136.6315281.40900861

Parámetros del embobinado:

Impedancia
ZRX
0.371762590.055841120.367544817
0.372816270.053924280.368895838
0.371151650.054932270.367064021
0.373744770.055829950.369551309

Relación de tensión y potencia aparente del transformador en vacío:

la relación entre tensión y potencia debe ser un polinomio de orden dos. Por suerte se sabe de antemano que:

S=\frac{V^2}{Z}=\frac{V^2}{R^2+X^2}(R-jX)
|S|=\frac{V^2}{\sqrt{R^2+X^2}}
w=R\frac{V^2}{\sqrt{R^2+X^2}}

Para facilitar se representa el modulo de la potencia aparente y su parte real en el mismo eje:

la relación entre corriente y potencia debe ser un polinomio de orden dos. Por suerte se sabe de antemano que:

S=I^2Z=I^2(R-jX)
|S|=I^2\sqrt{R^2+X^2}
w=I^2R

De hecho se representa el modulo de la potencia aparente y su parte real en el mismo eje.

Conclusiones:

  • Para empezar se pudo observar a lo largo del presente informe se realizaron las diferentes tomas de datos.  cumpliendo con las expectativas de la guía del laboratorio.
  • Las pruebas eléctricas en transformadores son ideales para garantizar un mantenimiento preventivo de un transformador.

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