El Trasformador Monofásico

IE-0416 Laboratorio de Máquinas Eléctricas I
Guía de Laboratorio
Práctica #7: El Transformador Monofásico
El Trasformador Monofásico
Faseo, Polaridad e Índice Horario
Curso:
Documento:
Laboratorio de Máquinas Eléctricas I
ie0416.practica #7.2007-2.doc
Elaborado por:
Ing. Mauricio Céspedes Moya
Revisado por:
Horas Lectivas
3
06 Ago. 07
Fecha
Sigla:
IE-0416
Ing. Franklin Chinchilla, PhD.
Ing. Gustavo Valverde Mora
Ing. Oscar Núñez Mata
2007-2
Versión
1. Introducción
Además de las pruebas de circuito abierto y cortocircuito que se utilizaron para modelar el
comportamiento eléctrico de los transformadores, existen pruebas adicionales que se acostumbran realizar
antes de poner en servicio un transformador. Dos de estas pruebas son el faseo y el estudio de la polaridad.
El faseo es el proceso mediante el cual se identifica cuales terminales del transformador forman parte
de una misma bobina. La prueba de polaridad es necesaria para marcar en las bobinas del transformador
cuales terminales presentan la misma polaridad instantánea, es decir, identificar las terminales con punto
de cada bobina.
2. Fundamentos
2.1
Faseo de bobinas en un transformador
Las terminales externas de un transformador de potencia son, por lo general, fácilmente identificables
inspeccionando la placa del transformador y sus características externas.
Por ejemplo, las terminales que poseen una mayor separación dieléctrica de otros puntos en el
transformador son también las terminales de mayor tensión. Por otro lado, los devanados del
transformador con conductores de mayor sección transversal son los devanados por los que circula una
mayor corriente y en consecuencia corresponden a los devanados de baja tensión.
Sin embargo, en transformadores donde las características de tensión y corriente son similares, la placa
instalada se encuentra deteriorada y no es factible inspeccionar internamente los devanados individuales,
la prueba de faseo permite conocer cuales terminales del transformador forman parte de una misma
bobina.
En C.D. las bobinas de un transformador son básicamente conductores de baja resistencia que no
presentan continuidad eléctrica entre devanados separados. En este sentido, un ensayo en serie de una
fuente de C.D., una bombilla y el devanado de un transformador conformando un circuito cerrado puede
funcionar como un método para diferenciar cuales terminales forman parte de un mismo devanado.
Claramente, cuando se realice el ensayo entre dos terminales que pertenezcan a devanados diferentes, el
circuito se encuentra abierto y la bombilla no encenderá. Este método es conocido en [2] como la prueba
de faseo.
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2.2
Práctica #7: El Transformador Monofásico
Polaridad de los devanados de un transformador
En la Figura 1 se muestra un transformador de varios devanados que tiene dos bobinas de alta tensión y
dos de baja tensión. Es una práctica general, identificar las terminales de los devanados de alta tensión con
la letra H y las de baja tensión con la letra X. Advierta que los devanados de alta tensión poseen una
mayor cantidad de espiras.
Figura 1: Polaridad instantánea de los devanados y la convención del punto.
En la Figura 1, se utiliza un subíndice impar para designar la polaridad instantánea positiva de cada
devanado. Obsérvese que esta terminal corresponde al punto que representa la FEM positiva que se induce
en cada devanado. La ley de la mano derecha y la ley de Lenz permiten establecer las polaridades de los
devanados con base en la forma en el sentido de arrollamiento de las bobinas.
Sin embargo, en un transformador industrial es impráctico deducir la polaridad relativa a partir de la
forma en que se han colocado los devanados. El solo hecho de desarmar el transformador conlleva una
considerable inversión de tiempo y dinero en transformadores de alta potencia; más aún, una vez
desarmado el transformador, la inspección visual de las bobinas en busca de una dirección de
arrollamiento representa una tarea tediosa y poco ingeniosa.
El ensayo de polaridad descrito en las siguientes líneas viene a solventar el problema de la
identificación de las terminales con punto de los devanados.
Una vez que se han identificado las terminales de alta tensión y baja tensión, el ensayo de polaridad
inicia con marcar en el devanado de alta tensión una terminal con punto (H1 en la Figura 2), la otra
terminal se conecta a cualquier otra terminal del devanado de baja tensión.
Figura 2: Arreglo de instrumentos para un ensayo de polaridad.
Se requiere de tres voltímetros V1 , V2 y VP . Note que el valor de V1 será siempre mayor que V2 .
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Práctica #7: El Transformador Monofásico
En la Figura 2, si la tensión de prueba VP es mayor que V1 , la ley de tensiones de Kirchhoff dice que
V2 debe “ayudar” a V1 para nivelar la tensión VP . Es decir, la polaridad del devanado de baja tensión es
tal que su tensión se suma a la del primario y por lo tanto se dice que la polaridad del transformador es
aditiva. La terminal con punto en este caso es tal y como se muestra en la Figura 3a.
Figura 3: Resultados del estudio de polaridad: a) polaridad aditiva, b) polaridad sustractiva
Si por otro lado, VP es menor que V1 , la ley de tensiones de Kirchhoff dice que V2 debe ayudar en este
caso a VP para nivelar la tensión V1 . Es decir, la polaridad del devanado de baja tensión es tal que su
tensión se resta a la del primario y por lo tanto se dice que la polaridad del transformador es sustractiva.
La terminal con punto en este caso es tal y como se muestra en la Figura 3b.
2.3
Índice horario del transformador
El índice horario en un transformador se establece al comparar la separación angular que guardan las
tensiones primaria y secundaria con la diferencia horaria. Por ejemplo, dos tensiones en fase poseen cero
grados de desfase, por lo tanto su índice horario es cero. Si las dos tensiones poseen 180° de desfase, el
índice horario en este caso es de 6.
En un transformador, se colocan las dos tensiones fasoriales en un reloj ficticio de manera que la
tensión primaria sea una aguja situada a las 0 (o 12) horas. Al colocar la segunda tensión en el reloj, el
índice horario del transformador es indicado por la hora que marque este segundo fasor.
En general, lo devanados cuyas tensiones sean inducidas por un mismo flujo magnético presentan un
desfase de 0° o de 180°; en este sentido, diríamos que en los transformadores monofásicos sólo podemos
obtener un índice horario 0 o 6 respectivamente.
Note que en la Figura 3a el índice horario es 6 (desfase entre V1 y V2 es 180°) mientras que en la
Figura 3b el índice horario es 0 (desfase entre V1 y V2 es 0°). Grabe lo siguiente en su mente, el fasor
JJJJJG
JJJJJG
H 2 H1 está siempre en fase con X 2 X 1 , le será de mucha utilidad en el estudio del índice horario para
transformadores trifásicos.
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2.4
Práctica #7: El Transformador Monofásico
Transformadores en paralelo
Una vez identificados claramente los devanados y sus polaridades relativas es posible realizar
conexiones entre ellos. Bajo ninguna circunstancia dos transformadores sin identificar deben colocarse en
funcionamiento paralelo o serie, las conexiones descuidadas pueden originar cortocircuitos o sobrevoltajes
peligrosos para la carga, equipo y el personal.
En la práctica, no es común la conexión en paralelo o en serie de transformadores de potencia, por
cuanto nunca se da una repartición de carga equitativa entre los transformadores. La repartición no
equitativa de carga es producto de diferencias en la impedancia equivalente de los transformadores.
3. Equipo
•
Fuente de alimentación y cables de conexión.
•
Transformador monofásico con derivaciones (uno de los grupos con M.A.D. debe solicitar 2)
•
VoltAC.
•
Módulo de resistores y módulo de inductores.
•
Módulo de Adquisición de Datos (VoltAC, AmpAC, Watt1Ф)
4. Procedimiento
1)
Evalúe la necesidad de realizar la prueba de faseo a su transformador. Si la requiere, debe solicitar
el equipo adicional mencionado en la teoría.
2)
Identifique las terminales con punto para cada una de las bobinas del transformador. Determine si
el transformador es aditivo o sustractivo.
3)
Con la alimentación en cero, conecte dos transformadores monofásicos en paralelo para alimentar
una carga a 120VRMS que exija a los transformadores su corriente nominal. Coloque instrumentos de
medición de corriente, tensión y potencia en watts en ambos transformadores y en la carga.
4)
Con una alimentación común para los transformadores, aumente el voltaje primario observando
siempre la corriente en ambos transformadores, note que uno de ellos se carga con mayor facilidad.
a. El transformador cargado por debajo de su valor de funcionamiento normal (nominal)
representa una pérdida de inversión, existe una capacidad instalada que no puede utilizarse y
no por esto la vida útil del transformador se ve extendida.
5)
Tome las lecturas de los instrumentos.
5. Referencias
[1] Fitzgerald, A.; Máquinas Eléctricas. Sexta edición, McGraw-Hill, México, 2003.
[2] Kosow, I.; Máquinas Eléctricas y Transformadores. Segunda edición, Prentice-Hall, México, 1993,
págs. 606-609.
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