Determinación de las constantes del Transformador de Potencia

Objetivos:

• Determinar las constantes del transformador de potencia monofásico y corroborar los parámetros nominales dados por el fabricante

• Tomar conciencia de los recaudos necesarios al trabajar en circuitos de potencia.

• Afianzar el manejo del instrumental de medida.

Instrumentos y equipo a utilizar:

• Amperímetro de CC marca RB.

• Voltímetro de CC marca RB.

• Cargador de batería de 6V a 12V.

• Amperímetro de CA

• Voltímetro de CA

• Vatímetro de CA marca ETA, modelo LW-1.

• Pinza Amperometrica marca YFE.

• Autotransformador Variac Marca VARIOSTAT.

• Transformador de medida de tensión (10440/110).

• Transformador a ensayar(220/6600).

• Conectores.

Desarrollo.

Los parámetros de un transformador se pueden obtener mediante pruebas de laboratorio. Efectuando cálculos relativamente simples se los halla. Estos parámetros representan el modelo equivalente del transformador, aunque algunos no existan físicamente.

Los ensayos de vacío y de cortocircuito son suficientes para determinar los parámetros deseados, no obstante se puede realizar un tercer ensayo de continua.

Ensayo en Continua.

Se realizó la medición indirecta de la resistencia de ambos bobinados del transformador monofásico de potencia.

Esta medición se realizó en corriente continua, donde la fuente fue un cargador de baterías. Se empleó el tipo de medición corta de una resistencia, pues es la que menos error introduce en la lectura.

Del lado de media tensión se alimentó con 12V. Los valores leídos por los instrumentos son:

I = 0,17A

V = 9,95V

Luego

R1 =V/I = 9,95/0,17 = 58,53

La alimentación del lado de baja fue con 6V. Los valores obtenidos fueron:

V = 6V

I = 32A

R2 = V/I =6/32 = 0,19

Ensayo a circuito abierto o en vacío.

Este tipo de ensayo se realizó para conocer los parámetros que representan las perdidas magnéticas, debidas a las corrientes parásitas y a la histéresis en el hierro. Haciendo referencia al diagrama fasorial se ve que : Io= Iu + Ip

Donde Iu es la corriente magnetizante, encargada de generar el flujo magnético; y Ip es la corriente de pérdidas, que es la encargada de representar las pérdidas por histéresis y por corrientes parásitas en el núcleo.

Estos son G0 y B0

Esquema de conexión

El amperímetro lee la corriente de vacío I0, el voltímetro lee la tensión de ensayo y el vatímetro lee las pérdidas en el hierro.

Se realiza el ensayo a tensión nominal y consecuentemente, por menores riesgos y para entrar en las escalas de los instrumentos se trabaja del lado de baja tensión(BT).

Para comprobar la tensión de salida se utilizó un transformador de medida (TV) y un voltímetro. La lectura de éste se afectó por la constante del TV.

El ensayo se realizó con el conmutador en su posición nominal.

Los valores obtenidos por los instrumentos fueron los siguientes:

I0 = 5,25 A

V20 = 218 V

P0 = 240W

V20 = K * 65,7V = (10440/110) * 65,7V = 6264V

A continuación se desglosarán las expresiones que nos permiten calcular los parámetros deseados

De esta forma quedaron determinados los parámetros G02 y B02 del circuito equivalente del transformador.

El subíndice 2 indica que los cálculos fueron realizados respecto al secundario debido a que el ensayo fue realizado del lado de baja tensión.

Ensayo en Cortocircuito.

El ensayo de cortocircuito consiste en cerrar con una conexión de resistencia despreciable, los terminales de uno de los devanados y alimentar el otro con un voltaje reducido (aplicado en forma regulada).Este valor reducido de tensión representa un pequeño porcentaje del voltaje nominal, de forma tal que en el devanado de baja tensión circule la corriente nominal. En estas condiciones se miden las corrientes nominales y la potencia absorbida. 

Debido a que la tensión aplicada es pequeña en comparación con la tensión nominal, las pérdidas en vacío o en el núcleo se pueden considerar como despreciables, de manera que toda la potencia absorbida es debida a las pérdidas por efecto joule en los devanados primario y secundario.

Esquema de conexión

El amperímetro lee la corriente nominal I1; el voltímetro lee la tensión de cortocircuito (Ucc) y el vatímetro lee las pérdidas en el bobinado (Pcu). Estos valores fueron:

I1 = 1,4A

Ucc = 239V

Pcu = 255W

Para calcular los parámetros correspondientes a este ensayo se utilizaron las magnitudes referidas al primario. Luego se convirtieron tales parámetros a los reflejados al secundario.

Como se mencionó anteriormente este ensayo se realiza a tensión reducida, siendo ésta aproximadamente un 10% de la tensión nominal. Al trabajar con baja tensión las pérdidas en el núcleo, que dependen del cuadrado de V, serán despreciables.

Así, quedaron determinados los parámetros Xe2 y Re2. Para discriminar los valores de X1 y X2 se hizo lo siguiente:

Donde los valores de las resistencias R1 y R2 fueron calculados en el ensayo de continua.

Rendimiento del transformador

Obviamente dependerá de la carga.

Regulación de tensión:

La regulación de tensión también depende de la carga.

Datos de chapa

A continuación se compararán los parámetros obtenidos con las características de chapa del transformador. Estas son:

Marca KNANDSONS

Tipo exterior

Fases Monofásicos

Frecuencia 50 Hz

Refrigerante ESSO

6600 ± 5% / 231 Volts

1.5 / 44 Amperes

S = 10 KVA

Máximo aumento de temperatura 55ºC

Consumo en vacío 150 W

Consumo en cortocircuito 180 W

Corriente de excitación 10%

Voltaje de cortocircuito 2,8%

Rendimiento :

• 4/4 carga: 96,8 %

• ¾ de carga : 96,8 %

• ½ de carga : 96,3 %

Conclusiones

Primeramente podemos observar que la tensión de cortocircuito ensayada (3,6%) no coincide con el valor de chapa (2,8%). El consumo de vacío ensayado fue de 240 W mientras que en chapa figura 150W. El consumo de cortocircuito ensayado dio 255W, mientras que en chapa figura 180W. La variación de estos datos pueden deberse a un posible rebobinado del transformador.

Según la chapa, la corriente de excitación es un 10% de la nominal, con lo cual da 4,4A Comparándola con la obtenida en el ensayo de vacío (5,25 A) se ve una diferencia del 20 % respecto de la misma.

A continuación se desarrollará el cálculo de las resistencias y reactancias en base a la recomendación dada por normas, como las del IAEEE

La hipótesis simplificativa, que proviene de un criterio de diseño y dimensionado de los transformadores bien proyectados, establece que:

• R1=R21

• X1=X21

Entonces de las ecuaciones del circuito eléctrico simplificado, obtenemos:

Del mismo modo

Observando los correspondientes valores calculados en el ensayo en continua y de corto circuito:

R1 = 58,53

R2 = 0,19

X1 = 49.76 

X2 = 73.6 m

notamos que la diferencia de aplicar esta hipótesis es válida con un error del 10% aproximadamente.

Se puede hacer una observación al ensayo en vacío. Al conectar un voltímetro en el secundario, la máquina no esta exactamente en vacío. Pero debido a su alta resistencia interior constituye una carga totalmente despreciable en los transformadores de potencia, salvo los muy pequeños en los que podría hacerse una medida con un voltímetro electrónico de impedancia interior muy elevada.