Transformadores Trifasicos ante cargas lineales y no lineales

Universidad Central de Venezuela
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Potencia
Laboratorio de Maquinas eléctricas I
Practica 8:
Transformador monofásico.
Comportamiento
Auxiliar Docente:
Charly Olivo
Estudiantes:
Miguelangel León C.I.25.752.406
David Torrecilla C.I.24.758.974
Sebastián Barco C.I. 24.843.749
Caracas, junio de 2019
DESARROLLO
Objetivo General
 Observar las formas de onda de la tensión y corriente de un banco de transformación
trifásico en conexión Estrella-Estrella (Y-Y).
 Observar la influencia del neutro y el delta terciario en la forma de onda de la tensión y
corriente de un banco trifásico, alimentado con cargas balanceadas y desbalanceadas.
 Observar la influencia del neutro y el delta terciario en la forma de onda de la tensión y
corriente de un banco trifásico, alimentado con cargas lineales y no-lineales.
Tabla 1. Materiales y Equipos utilizados en la práctica.
Equipo/Material
Variac
Marca
The Superior Electric
Company
Modelos
17548
Características
In: 240V
Out: 0-100 / 20A
Cables Variados
-
-
-
Transformador monofásico
-
08-24769
120V/240V
J1S C1102
-
-
-
Clase 0.5
25A/380V
Amperímetro hierro móvil
Voltímetro hierro móvil
Vatímetro hierro Móvil
Yokogawa Electric
Corporation
Yokogawa Electric
Corporation
Yokogawa electric
Corporation
Interruptores
Ticino
1603
Reóstato
¨
16BG46
Condensador
-
-
39.6 µF
Carga Lineal
Labec
59270
-
Carga no Lineal (Inductiva)
-
EIE2012.441
4KVA
330Ω
2.4ª
Ecuación para el cálculo de incertidumbre de una medida indirecta
Una vez obtenida la incertidumbre de las medidas directas, calculamos las de las
medidas indirectas. Supongamos que se desea medir la magnitud R=f (X, Y,Z), que es
función de otras magnitudes X,Y,Z, que se han medido directamente, junto con sus
incertidumbres directas, obteniéndose los valores:
X = X ± ∆X ; Y = Y ± ∆Y ; Z = Z ± ∆Z
La incertidumbre de la magnitud R viene dada por:
𝜕𝑅
𝜕𝑅
𝜕𝑅
𝜕𝑥
𝜕𝑦
𝜕𝑧
∆𝑅 = | | ∆𝑥 + | | ∆𝑦 + | | ∆𝑧
(1)
Parte experimental
1. Importancia de la conexión de neutro
El objetivo de éste experimento es estudiar los transformadores trifásicos, sus
diferentes formas de conexión (Y-Y y Y-Δ en estos casos), además estudiar y
analizar la influencia del neutro, conexión delta terciario y delta terciario con
neutro, para una carga lineal trifásica balanceada y una carga monofásica lineal.
Condiciones de ensayo general:
 Los instrumentos de medición deben estar en los rangos que den la
mayor deflexión del instrumento.
 A fin de evitar incluir en el cálculo de resistencia, la de los conductores y
terminales del circuito de corriente, se debe conectar el voltímetro lo más
cerca posible al devanado a ser medido.
 Para proteger el voltímetro de posibles daños, éste se debe desconectar
del circuito antes de desconectar el transformador. La desconexión del
transformador se debe hacer a través de un interruptor adecuado.
 Con el fin de proteger los equipos la potencia de carga no debe superar
los 1000W.
 Tener extremo cuidado al realizar las variaciones de carga, puesto que la
corriente puede aumentar abruptamente, generando una gran deflexión
en los instrumentos.
Carga Lineal
Las consideraciones a tomar para este experimento son las siguientes:
 La carga es una resistencia variable.
 Se debe tener conocimientos de la unidad monofásica a utilizar.
 La tensión de alimentación es constante.
El procedimiento general para este ensayo es realizar las mediciones de corriente
y tensión en puntos de interés, además de obtener la forma de onda de carga y en
el neutro, teniendo el sistema en vacío, luego con una carga lineal trifásica y
finalmente con una monofásica, tomando en cuenta los dos casos de interés (sin
neutro y con neutro) para cada una de las cargas a utilizar.
Figura 1. Diagrama circuital general para la realización de toda la práctica.
1.1. Resultados en Vacío:
Figura 3: Forma de onda de la corriente en la carga, sin neutro.
Figura 4: Forma de onda de la corriente en la carga, sin neutro.
Figura 5: Forma de onda de la corriente en el neutro.
1.2.Resultados con Carga Trifásica Balanceada:
Tabla 2: Mediciones con Carga Lineal Trifásica Balanceada con Neutro.
Corriente Secundario
de Línea [A]
Voltaje en el Secundario
de Fase [V]
Potencia de
Carga [W]
1.9 ± 0.1
224 ± 2
400
2.8 ± 0.1
220 ± 2
600
3.6 ± 0.1
218 ± 2
800
4.4 ± 0.1
218 ± 2
100
6.2 ± 0.1
210 ± 2
1400
8.5 ± 0.1
208 ± 2
2000
Tabla 3: Mediciones con Carga Lineal Trifásica Balanceada sin Neutro.
Corriente Secundario
de Línea [A]
Voltaje en el Secundario
de Fase [V]
Potencia de
Carga [W]
2.0 ± 0.1
260 ± 2
400
2.8 ± 0.1
258 ± 2
600
3.6 ± 0.1
4.5 ± 0.1
6.2 ± 0.1
256 ± 2
252 ± 2
248 ± 2
800
100
1400
8.6 ± 0.1
240 ± 2
2000
Figura 6: Forma de onda de la corriente en la carga, sin neutro y con neutro, a plena carga 2000W.
1.3.Resultados con Carga Monofásica:
Tabla 4: Mediciones con Carga Lineal Monofásica sin Neutro.
Corriente
Secundario
de Fase
[A]
Voltaje
Línea A-N
[V]
Voltaje
Línea B-N
[V]
Voltaje
Línea C-N
[V]
Carga
[W]
0.05 ± 0.05
228 ± 2
304 ± 2
220 ± 2
400
0.10 ± 0.05
206 ± 2
332 ± 2
228 ± 2
800
0.15 ± 0.05
184 ± 2
344 ± 2
240 ± 2
1400
0.20 ± 0.05
168 ± 2
352 ± 2
250 ± 2
200
Tabla 5: Mediciones con Carga Lineal Monofásica sin Neutro y con Delta Terciario.
Corriente
Secundario
de Fase
[A]
Voltaje
Línea A-N
[V]
Voltaje
Línea B-N
[V]
Voltaje
Línea C-N
[V]
Carga
[W]
1.8 ± 0.1
228 ± 2
230 ± 2
232 ± 2
400
2.6 ± 0.2
228 ± 2
230 ± 2
230 ± 2
800
6.0 ± 0.2
214 ± 2
230 ± 2
230 ± 2
1400
8.4 ± 0.2
208 ± 2
230 ± 2
230 ± 2
2000
Tabla 6: Mediciones con Carga Lineal Monofásica con Neutro y Delta Terciario.
Corriente
Secundario
de Fase
[A]
Voltaje
Línea A-N
[V]
Voltaje
Línea B-N
[V]
Voltaje
Línea C-N
[V]
Carga
[W]
2.0 ± 0.2
228 ± 2
230 ± 2
236 ± 2
400
3.6 ± 0.2
220 ± 2
230 ± 2
230 ± 2
800
6.0 ± 0.2
216 ± 2
230 ± 2
230 ± 2
1400
8.4 ± 0.2
210 ± 2
228 ± 2
230 ± 2
2000
Tabla 7: Mediciones con Carga Lineal Monofásica con Neutro.
Corriente
Secundario
de Fase
[A]
Voltaje
Línea A-N
[V]
Voltaje
Línea B-N
[V]
Voltaje
Línea C-N
[V]
Carga
[W]
2.0 ± 0.2
222 ± 2
236 ± 2
236 ± 2
400
3.6 ± 0.2
218 ± 2
234 ± 2
234 ± 2
800
6.0 ± 0.2
208 ± 2
236 ± 2
238 ± 2
1400
8.0 ± 0.2
200 ± 2
238 ± 2
238 ± 2
2000
Figura 7: Forma de onda de la corriente en la carga, sin neutro.
Figura 8: Forma de onda de la corriente en la carga, sin neutro y Delta Terciario abierto.
Figura 9: Forma de onda de la corriente en la carga, Sin Neutro y Delta Terciario.
Figura 10: Forma de onda de la corriente en la carga, Con Neutro y Delta Terciario.
Análisis de Resultados:
Inicialmente se puede observar en las figuras 3 y 4, las cuales corresponde a las formas
de onda de corriente en vacío y sin neutro del transformador, que tenemos como en las
practicas pasadas la forma de la corriente de magnetización del transformador, mientras
que en la figura 5, se incorpora el neutro en el sistema y observamos que al no tener
carga se nos genera igualmente una onda perfectamente senoidal en el neutro, esto es
debido a que las corrientes de magnetización de cada uno de los transformadores se
suman y al estar en perfecto balance, generan esta onda.
Al agregar una carga lineal trifásica y balanceada al sistema, se observar en la figura 6
que se obtiene una forma de senoidal, al estar las cargas balanceadas, no es necesario la
incorporación de un neutro, esto queda comprobado al ver que la figura 6 corresponde
tanto para cuando se tiene o no el neutro y el sistema está a plena carga. Y como
podemos observar en la tabla 2, al aumentar la carga disminuye la tensión del
secundario y aumenta la corriente extraída, este fenómeno ya se había visto en la
práctica numero 5 donde se estudió el comportamiento del trasformador en presencia de
una carga lineal, donde se concluyó con el fenómeno de la regulación de tensión.
Finalmente trabajando con una carga monofásica se puede observar en la figura 7,
donde se tiene que la carga está completamente desbalanceada que la forma de onda de
la corriente esta distorsionada y no es completamente senoidal, esto es debido a que al
no tener neutro los armónicos de las otras fases se suman y generan esta onda, mientras
que al incorporar un neutro o un delta terciario (figura 9) los armónicos de las otras
fases se compensan o se van por el neutro, al tener un sistema con neutro y además con
delta terciario tenemos un sistema cubierto de la intervención de los armónicos, esto se
puede observar en la figura 10, donde en la carga monofásica que es desbalanceada, se
tiene una forma de onda de corriente perfectamente senoidal.
El otro fenómeno que se encuentra al trabajar con un banco de transformadores y una
carga monofásica lineal en conexión Y-Y, es que uno de los transformadores del banco
trabajara más forzado o alguno de los voltajes son más grandes que otros, tal como lo
vemos en las tablas 4 a 7, donde apreciamos que a medida que agregamos neutro, un
delta terciario o la combinación de ambas este desequilibrio de tensiones se va
reduciendo, esto se debe a que el neutro causa que los terceros armónicos que se suman
causen un flujo de corriente en el neutro en lugar de acumularse en las tensiones que se
observan sin neutro y con el delta terciario se generan armónicos contrarios a los
generados sin delta terciario, estos armónicos se suman y se suprimen, es por esto que la
combinación neutro y delta terciario es la mejor cuando se tienen cargas
desbalanceadas.
Carga No Lineal.
Las consideraciones a tomar para este experimento son las siguientes:
 La carga es una resistencia constante en paralelo con una inductancia.
 Se debe tener conocimientos de la unidad monofásica a utilizar.
 La tensión de alimentación es constante.
El procedimiento general para este ensayo se basa en obtener la forma de onda
de la corriente en la carga, para un circuito conformado por un banco de
transformadores conectado a una carga no lineal resistivo-inductiva, bajo las
condiciones de trabajo sin neutro, sin neutro con delta terciario, con neutro y
finalmente con neutro y delta terciario, mediante la manipulación de
interruptores, para lograr las conexiones predeterminadas.
Resultados:
Figura 11: Forma de onda de la corriente en la carga, Sin Neutro y Delta Terciario
Figura 12: Forma de onda de la corriente en la carga, Con Neutro y Delta Terciario
Figura 13: Forma de onda de la corriente en la carga, Con Neutro.
Figura 14: Forma de onda de la corriente en la carga, Sin Neutro.
Análisis de Resultados:
Al observar las formas de ondas de corriente para las diferentes combinaciones de
neutro y delta terciario, se aprecia que las señales no cambian ya que el sistema
está en equilibrio de carga, la distorsión de la señal se debe a que las cargas no son
lineales, pero debido al equilibrio de cargas no se necesita compensación de
tensión (cuando hay desequilibrio) o de armónicos, al conectar la carga
monofásica, se obtiene una mejoría de la señal y las tensiones al implementar el
neutro y el delta terciario.
Conclusiones
La conexión Estrella-Estrella nos sirve como base para estudiar de sistemas de
compensación de armónicos, ya que en este tipo de conexiones de transformadores y
cargas no balanceadas se generan los terceros armónicos, que como observamos
aumentan drásticamente la tensión de una de las fases. Al finalizar esta experiencia se
concluye que la conexión Y-Y siempre debe de tener un tipo de compensación, ya sea
con neutro conectado a tierra o con un delta terciario, para eliminar el desequilibrio de
tensiones y la intromisión en el sistema de los terceros armónicos. En la práctica es más
utilizada la conexión delta-delta ya que esta elimina casi en su totalidad el problema de
los armónicos y siendo la conexión estrella-estrella la menos utilizada por la necesidad
de agregar sistemas externos para que eliminen los armónicos. la ventaja que se obtiene
con las conexiones estrella-estrella con respecto a las otras es que se pueden realizar
conexiones de cargas trifásicas y monofásicas, pero debido al problema de armónicos,
se podría decir que para una industria una conexión delta-estrella sería conveniente, ya
que del lado primario no se generan armónicos y solo el lado secundario debería de
utilizar un método de compensación como el neutro.