TRABAJO PRÁCTICO Nº 3 UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTROTECNIA GENERAL “A” (65.03) CURSO 2 TRABAJO PRÁCTICO Nº 3 ENSAYO DE UN TRANSFORMADOR MONOFÁSICO

f f P P Pp U U I I Sistema Eléctrico Sistema Eléctrico TRANSFORMADOR Nota: El transformador es una máquina eléctrica reversible, de ahí la doble flecha en el flujo de potencia

 U1 + I1 E1 - R1 N1 - + U2 I2 E2 R2 N2 ~ d2 d1 C A R G Circuito magnético  ~ U1 + I1 E1 - R1 d1 N1 - + U2 I2 E2 R2 C A R G d2 N2 Sentido del flujo de potencia

Objetivos del ensayo: Determinar las pérdidas en el hierro y en el cobre. Determinar los parámetros del circuito equivalente. Determinar el rendimiento y la regulación a partir de un ensayo directo. Para lograr lo anterior haremos trabajar al transformador en tres condiciones bien definidas: dos que representan situaciones extremas para la máquina: vacío y cortocircuito y una tercera condición (intermedia)entre las dos anteriores: carga

Circuito equivalente exacto referido Mediante el circuito eléctrico equivalente podemos representar al transformador, analizar su comportamiento, simular situaciones(por ej. fallas ) mediante una computadora y sacar conclusiones sin someter al transformador real a ninguna solicitación que pueda deteriorarlo. I1 R1 X1 R21 X21 I21 U1 - + + - U21 RC I10 Im Ip Rp Xm Tengamos presente que, como todos los modelos que en Ingeniería “representan” algo real, tienen sus limitaciones, aquí estamos representando un elemento alineal (recordar que el Fe del núcleo del transformador es un material alineal) mediante un circuito eléctrico lineal. Nota:

Ensayo en Vacío ¿Qué obtendremos en este ensayo? Obtendremos PFe Rp , Xm y a (relación de transformación) Condiciones del Ensayo: Este ensayo se realiza a tensión nominal y sin carga en el secundario (secundario abierto) La corriente que toma el transformador en estas condiciones o corriente de vacío I0 es del 3 al 5% (pudiendo llegar hasta 10% ) de la corriente nominal In por ello pueden despreciarse las caídas de tensión en R1 y X1 . Además como el secundario está abierto, puedo eliminar R21 y X21. R1 X1 R21 X21 Rp Xm De este modo el circuito equivalente simplificado para el ensayo de vacío quedará así: I10 Rp Xm U10 - + U21 Ip Im

Potencia nominal = S n = 5 kVA Datos del transformador a Ensayar (obtenidos de su Chapa de Características): Tensión primaria nominal = U1 n = 220 V Tensión secundaria nominal = U2 n = 380 V Corriente primaria nominal = I1 n = 22,73 A Corriente secundaria nominal = I2 n = 13,76 A Potencia nominal = S n = 5 kVA

Transformador a ensayar Circuito para el ensayo en vacío Transformador a ensayar I10 P10 N W A Variac Tablero 220 V-50 Hz L1 R U U1n U U10 U20 L2 ~2,3 A ~100 W Secuencia Operativa: Se cerrará L1 y se elevará la tensión por medio del autotransformador variable hasta su valor nominal luego se leerán los valores de P10, I10, y mediante L2, U10 y U20 .

Con los valores medidos y las expresiones que se detallan se obtendrán los parámetros buscados: Se trazará el Diagrama fasorial del transformador en vacío: U10 = Un Ip 10 Im I10 

I10 = 10% I1n  I10 = 0,1 . 22,73 A = 2,273 A  Alcance Amp. = 2,5 A estimación de valores a obtener y definición de alcances de instrumentos a utilizar en el ensayo de vacío I10 = 10% I1n  I10 = 0,1 . 22,73 A = 2,273 A  Alcance Amp. = 2,5 A U1 0 = U1 n = 380 V Alcance Volt. =  380 V U2 0 = U2 n = 220 V colocaremos un voltímetro adicional a la salida del autotransformador para regular con mayor precisión la tensión de alimentación del transformador: U1 0 = U1 n = 380 V  Alcance Volt. Adicional  380 V P0  1 a 2 % de Sn  P0  0,02 . 5000 W = 100 W ¿ Alcances Wattímetro? cos10  0,2  10  80º

Ensayo en Cortocircuito podemos clasificar el cortocircuito de un transformador en: Cortocircuito en servicio: es una falla de la máquina que debe evitarse pues se produce a tensión nominal y por ende la corriente de cortocircuito si no es interrumpida a tiempo(t<1seg) por los elementos de protección, puede alcanzar valores del orden de 10 a 20 veces la corriente nominal, lo que ocasionaría la destrucción del transformador. Ensayo en condiciones de cortocircuito: alimentamos el transformador con una tensión de valor reducido (Ucc) tal que haga circular por los arrollamientos primario y secundario sus respectivas corrientes nominales. En el Trabajo Práctico realizaremos un ensayo en condiciones de cortocircuito. ¿Qué parámetros buscamos obtener en este ensayo? Buscamos las resistencias representativas de las pérdidas Joule y las reactancias representativas del flujo disperso en los arrollamientos primario y secundario. La tensión que aplicaremos al transformador será un valor reducido de U1 (entre el 5 y el 10 % de la tensión nominal) que llamaremos U1cc ( tensión de cortocircuito primaria) debido a ello las pérdidas en el hierro que son proporcionales al cuadrado de la tensión aplicada (recordar PFe  Bmáx2 , y Bmáx  Umáx) serán muy pequeñas, por tanto se puede despreciarse RP . De la misma forma, como el flujo max es proporcional a la tensión ( U = 4,44 N.f max) y esta es reducida podemos despreciar Xm .

En este ensayo el transformador al tener su arrollamiento secundario en cortorcircuito NO ENTREGA POTENCIA UTIL solo mediremos la potencia consumida por el transformador que será igual a las perdidas Joule en el cobre de sus arrollamientos. El valor de perdidas Joule obtenido en el ensayo será igual a las que tendrá el transformador cuando ENTREGUE SU POTENCIA NOMINAL A UNA CARGA conectada en el secundario. ¿por qué esto es así? El circuito equivalente simplificado para el ensayo en condiciones de cortocircuito queda así: R1 X1 R21 X21 U1cc - + I1cc

leer en el amperímetro el valor de la corriente nominal. Circuito para el Ensayo en condiciones de Cortocircuito Transformador a ensayar ~23 A ~5 A ~200W W A I 1CC P Transformador de intensidad ~11 V Variac Tablero 220 V-50 Hz L 1 U U 1CC L 2 ~14 A A I 2CC Secuencia Operativa: Estando L1 abierta y el cursor del autotransformador en la posición de tensión de salida igual a cero volt, se cierra L1 y girando lentamente el cursor del autotransformador se elevará la tensión hasta leer en el amperímetro el valor de la corriente nominal. Se leerán I1 cc , I2 cc , U1 cc y P2 cc .

Con los valores medidos y las expresiones que se detallan se obtendrán los parámetros buscados: 2 cc 1 21 I R = + cc 1 I U Z = 2 21 1 ) (R Z X + R - = + Se trazará el Diagrama fasorial del transformador en cortocircuito: U1CC << U1n 1cc I1 ccR21 I1 ccR1 j I1 ccX1 j I1 ccX21 cc I1CC = I1n

estimación de valores a obtener y definición de alcances de instrumentos a utilizar en el ensayo de cortocircuito colocaremos un voltímetro adicional a la salida del autotransformador para regular con mayor precisión la tensión de alimentación del transformador y para medir U1CC : U1CC = 5 % U1 n = 0,05 . 220 V = 11 V  Alcance Volt. Adicional  15 V I1CC = I1 n = 22,73 A Como no disponemos de amperímetros con ese alcance  intercalaremos un transformador de corriente con una relación de transformación 50/10 de modo que podamos utilizar un amperímetro con alcance igual a 5 A. P1CC  4% Sn = 0,04 . 5000 W = 200 W Alcances wattímetro : U = 50 V (elegimos el menor alcance de tensión disponible, recordar que la tensión aplicada  11V) I = 5 A (aquí como en el amperímetro, intercalamos el transformador de corriente ) ¿cuál es el valor de Kw ? cos  1CC  0,8   1CC  37º

Ensayo en Carga Tipo de carga a conectar: Resistiva pura U Transformador a ensayar ~23 A ~5 A ~5000W W A I 1C P Transformador de intensidad R C I 2C A  14 A 220 V Variac Tablero 220 V-50 Hz L 1 U U 1C L 2 Secuencia Operativa Con L1 cerrada se conectará la carga Rc y manteniendo el valor de U1c = U1n se leerán los valores de I1c , P1c , U1c, y U2c. Se efectuarán lecturas para distintos valores de Rc hasta carga nominal.

Con los valores medidos y las expresiones que se detallan se obtendrán los parámetros: ¿de donde obtenemos el valor de PFe para éste ensayo?

1c 10 Construcción del Diagrama Fasorial para un estado de carga j X1I1c U1 R1I1c E1 = E21 j X21I21c 1c I21c U21c R21I21c 10 I1c I10 En la escala elegida, se trazan U21c= aU2c e I21c= I2c/a (recordar: a es la relación de transformación) que estarán en fase por ser la carga resistiva pura. Se suma en fase con U21c, la caída de tensión R21.I21c , y en cuadratura jX21.I21c, obteniéndose E1 = E21. Con ángulo 10 en atraso respecto de E1 se traza I10. I1c se obtiene de la suma de I10 con I21c. En fase con I1c se traza R1.I1c , y en cuadratura jX1.I1c, obteniéndose U1. Como verificación, el ángulo  1c de desfasaje entre U1 e I1c obtenido del fasorial debe coincidir con el valor obtenido mediante el cálculo.

Si tengo dos trafos y uno tiene menores pérdidas que el otro ¿cómo se reflejará esa diferencia en el circuito equivalente? ¿Por qué las pérdidas en el hierro son constantes en la gráfica de rendimiento? Regulación: 1 2 3 4 5 6 10 100 1000 Pn (kVA)  ( %) ¿Qué nos indica la regulación de un transformador? La regulación indica cuanto varía la tensión en bornes cuando variamos la carga ¿Por qué nos es útil ? Una de las condiciones que debe cumplir un sistema eléctrico es que la tensión no debe variar más allá de un determinado valor (± 5 %) porque las de las cargas deben funcionar a su tensión nominal (para la cual fueron proyectadas y construidas). Así podremos saber si el transformador que ensayamos cumple con dicha condición

Rendimiento: Régimen Nominal: es el conjunto de condiciones de funcionamiento para los cuales ha sido diseñada y construida una máquina eléctrica comprende la potencia, tensión, corriente, frecuencia, tipo de servicio, clase de aislación, nivel de ruido, altitud sobre el nivel del mar, etc, nominales. Potencia Nominal de un Transformador: es la potencia que el transformador puede entregar cuando las restantes condiciones son las nominales, sin que la sobreelevación de temperatura sobrepase el valor límite.

Característica Externa: U2 f(I2)

Característica Externa: U2 f(cos) para carga constante (I2 = cte) capacitivo

Rendimiento del transformador a factor de potencia constante

Bibliografía: Guía de Trabajos Prácticos Electrotecnia General “A” (45.01) Apuntes de la Cátedra Electrotecnia General “A” (65.03) Ingeniería de la Energía Eléctrica Tomo II (Máquinas) autor Ing. Marcelo Sobrevila Máquinas Eléctricas autores M. Kostenko L. Piotrovski Vol. I