Guía 3 - El transformador monofásico

Facultad de Ingeniería.
Escuela de Eléctrica.
Asignatura “CONVERSION
DE ENERGIA
Tema:
“EL TRANSFORMADOR MONOFASICO”.
ELECTROMECANICA I”.
I. OBJETIVOS.
•
Establecer el procedimiento para determinar la polaridad de las terminales de los devanados de un transformador, utilizando Vdc.
•
Establecer el procedimiento para determinar la polaridad de las terminales de los devanados de un transformador, utilizando Vac.
•
Realizar las pruebas de vacío y de cortocircuito en un transformador.
•
Determinar la relación de transformación de un transformador.
•
Determinar los parámetros del circuito equivalente en un transformador, a partir de los datos obtenidos en las pruebas de vacío y de
cortocircuito.
II. INTRODUCCIÓN.
Un transformador que consiste en dos bobinas de alambre arrolladas alrededor de un núcleo de material magnético.
La bobina primaria del transformador estará conectada a una fuente de potencia de Vac y la bobina secundaria estará
en condición de circuito abierto, aunque se le puede conectar una carga eléctrica en el devanado secundario.
La base del funcionamiento del transformador se puede derivar de la ley de Faraday.
λ / dt
eent = dλ
En donde λ es el flujo magnético ligado de la bobina, a través de la cual el voltaje se induce. El flujo ligado total
λ es la suma de los flujos que pasan por cada vuelta de la bobina, sumando tantas veces cuantas vueltas tenga
dicha bobina:
λ = ∑φi
El flujo magnético total que pasa por entre una bobina no es sólo Nφ, en donde N es el número de espiras en la
bobina, puesto que el flujo que pasa por entre cada espira es ligeramente diferente del flujo en las otras vueltas,
y depende de la posición de cada una de ellas en la bobina.
Sin embargo, es posible definir un flujo promedio por espira en la bobina. Si el flujo magnético total de todas las
espiras es λ y si hay N espiras, entonces el flujo promedio por espira se establece por
φ= λ/N
Y la ley de Faraday se puede escribir
φ/ dt
eind = N dφ
GUÍA 3
Si el voltaje en una fuente es vp(t), entonces ese voltaje se aplica directamente a través de las espiras de la bobina primaria del
transformador. La ley de Faraday nos explica al aplicar un flujo variable al devanado primario, tendremos un voltaje inducido en el
devanado secundario del transformador. Cuando la ecuación anterior se resuelve para el flujo promedio presente en la bobina
primaria del transformador, el resultado es
φ = (1/NP) ∫vp(t) dt
Esta ecuación establece que el flujo promedio en la bobina es proporcional a la integral del voltaje aplicado a la
bobina y la constante de proporcionalidad es la recíproca del número de espiras en la bobina primaria 1/NP.
Los transformadores ideales nunca se podrán construir. Lo que puede construirse son transformadores reales; dos o más bobinas de
alambre, físicamente envueltas alrededor de un núcleo ferromagnético. Las características de un transformador real se aproximan
mucho a las de un transformador ideal, pero sólo hasta un cierto grado. En esta sección estudiaremos el comportamiento de los
transformadores reales.
III. MATERIALES Y EQUIPO.
No.
Cantidad
Descripción
Código
1
1
Medidor RMS
S05127-1L
2
1
Voltímetro/Amperímetro. Bobina Móvil
S05127-1C
3
1
Vatímetro electrónico
S05127-1R6
4
1
Interruptor de 4 polos
S03212-1W
5
1
Módulos de transformadores
---------
6
1
Fuente variable de Vac de cero a 230 Voltios
---------
7
1
Fuente ajustable de Vdc
---------
IV. PROCEDIMIENTO.
Parte I. Pruebas de polaridad.
a. Prueba de polaridad con Vdc.
1. Arme el circuito de la figura 1. Habilite como fuente de corriente continua el módulo ST7007-4M. A la salida colocar
un capacitor de 2200uF y 80 voltios (o de cualquier otro valor sugerido por el instructor, siempre que soporte el voltaje de
alimentación), el cual sólo servirá como filtro de Vdc. Tenga mucho cuidado que el transformador variable esté ajustado a cero.
No energice ningún circuito sin la autorización del instructor encargado.
En esta prueba se utilizará el devanado secundario del transformador. La resistencia puede ser de un valor aproximado al sugerido,
siempre que soporte unos 10W de potencia.
2. Ajuste el medidor SO5127-1L a la escala de 3 A y coloque los selectores tipo “switch” en la posición (AV) y
(AC+DC) y luego enciéndalo. Use la escala de 10 voltios en el medidor del devanado secundario del transformador de prueba
señalizado con 220 V.
3. Cierre el SW1 y luego encienda la fuente ST7007-4M. Ajuste el transformador variable hasta obtener una corriente de 1 A
de Vdc en el amperímetro conectado en el devanado secundario.
4. En forma alterna abra y cierre SW1 y anote la polaridad del pulso medido en el medidor de voltaje cuando SW1 se cierra.
Desconecte la fuente ST7007–4M y desarme el circuito de la figura 1.
b. Prueba de la polaridad con Vac.
1. Arme el circuito de la figura 2. Conecte el devanado primario a la terminal L1 y neutro (N).
2. Energice la fuente y ajuste el voltaje en el devanado primario del transformador a 220Vac. Antes revise los datos nominales de
placa del transformador, de tal manera de no sobrepasar dichos valores, de lo contrario podría dañar el transformador.
3. Mida el voltaje de los devanados primario y secundario conectados en serie y anote el resultado. La medición se
realiza entre el neutro y el borne del secundario sin conexión (entre P2 y S2).
Valimentación = ___________________ V ; Vmedido(entre P2 y S2) = ________________ V
Polaridad = ___________________
4. Si el voltaje medido es mayor que el voltaje de alimentación, el transformador tiene polaridad aditiva; si el voltaje medido es
menor que el voltaje de alimentación, el transformador tiene polaridad sustractiva.
5. Desarme el circuito de prueba.
Parte II. Prueba en vacío y en corto circuito para determinar los parámetros del circuito equivalente referido al primario.
a. Prueba de Vacío (circuito secundario abierto).
1. Arme el circuito de la figura 3.
GUÍA 3
2. Cierre SW1 y energice la fuente ST7007-4M y ajuste el voltaje aplicado al devanado primario a 220 V; tenga mucho cuidado de
usar el devanado que sea capaz de soportar este voltaje.
VOC = 220 Voltios
3. Mida el valor de la corriente de magnetización Im y anote el resultado.
IM =_______________Amperios
4. Mida la potencia consumida en vacío:
POC = ________________W
5. Regrese el ajuste del voltaje a cero y desconecte la fuente. Nota: Asegúrese de desconectar la fuente de alimentación del
circuito, y además, de regular el voltaje de la fuente de alimentación a cero voltios, de lo contrario podría dañar el
transformador en la prueba de cortocircuito.
b. Prueba de cortocircuito.
1. Nota: Antes de energizar el circuito para esta prueba, asegúrese de llamar al instructor, de lo contrario podría dañar el
transformador. Además asegúrese de que el voltaje de la fuente sea de 0 voltios.
2. Para esta prueba utilizará el mismo circuito de la prueba anterior, solamente que en esta ocasión colocará un conector en el
devanado secundario del transformador de tal forma de cortocircuitar la bobina.
3. Energice la fuente y ajuste el transformador con mucho cuidado hasta obtener la corriente nominal primaria de T1, a un valor de
ISC= 0.7 amp.
4. Mida el voltaje aplicado al primario bajo la condición de cortocircuito.
VSC =________________voltios
5. Mida la corriente en la condición de cortocircuito
ISC = 0.7 Amperios
5- Mida la potencia en la condición de cortocircuito
PSC = _______________ W
Luego apague la fuente, pero sin modificar el voltaje de alimentación de la fuente. Esta prueba debe hacerse lo más rápido posible
para evitar el calentamiento excesivo del transformador.
GUÍA 3
Parte III. Determinación de la relación de transformación a.
1. En esta prueba se usarán los mismos valores de voltaje utilizados en el circuito anterior.
2. Inserte un medidor SO5127-1L, conectado como amperímetro en el circuito secundario del transformador.
3. Encienda la fuente con los ajustes de la prueba de corto circuito y mida la corriente por cada devanado:
I1 = ____________Amperios; I2 = _____________Amperios
4. Luego abra el circuito secundario del devanado y mida
V1 = ___________Voltios; V2 = _____________Voltios
5. Encuentre la relación de transformación del transformador, tanto para las mediciones de voltaje como de corriente.
6. Apague la fuente y ordene la mesa de trabajo.
V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
Parte I.
1. Basándose en los resultados obtenidos, explique de que forma se determina la polaridad de los devanados de un transformador
mediante la prueba de Vdc.
2. Basándose en los resultados obtenidos, explique de que forma se determina la polaridad de los devanados de un transformador
mediante la prueba de Vac.
Parte II.
1. Determine los parámetros del circuito equivalente del transformador, usando los datos obtenidos en las pruebas de vacío y de
cortocircuito.
2. Dibuje el diagrama del circuito equivalente del transformador referido al primario, incluyendo los valores de los parámetros
determinados. Redibuje el circuito equivalente referido al secundario y señalícelo con cantidades en P.U.
Parte III.
1. Determine la relación de transformación en función de las corrientes y en función de los voltajes.
VI. INVESTIGACIÓN COMPLEMENTARIA.
1. Explique como se señalizan las terminales de transformadores de distribución con polaridad aditiva y con polaridad
substractiva.
2. Investigue sobre el efecto de la saturación del núcleo de un transformador al aplicar sobretensión al primario. Explique
el efecto de la saturación sobre la operación del transformador.
VII. BIBLIOGRAFÍA.
1. Electric Machines. Second Edition. Charles I. Hubert. Prentice Hall, 2002.
2. Máquinas Eléctricas. Quinta Edición. A. E. Fitzgerald/ Charles Kingsley, Jr. McGraw-Hill 1992.
3. Fundamentos de Máquinas Eléctricas. Stephen Chapman. McGraw-Hill 1990.
GUÍA 3