EXPERIMENTO DE LABORATORIO No.3
PRUEBA DE CIRCUITO ABIERTO PRUEBA DE CORTO CIRCUITO
OBJETIVOS: 1.
Medir la corriente de excitación y determinar las pérdidas en el núcleo del transformador.
2.
Determinar el circuito equivalente de un transformador por el método del cortocircuito.
INSTRUMENTOS Y EQUIPO 1.
Módulo de transformador EMS 8341
2.
Módulo de fuente de Alimentación (120/208 V c-a) EMS 8821
3.
Cables de conexión EMS 8941
A.
CONOCIENDO EL TRANSFORMADOR
El transformador es un dispositivo que transforma energía eléctrica, con una tensión e intensidad determinadas, en energía eléctrica, con tensión e intensidad distintas o iguales a las anteriores. En esencia, un transformador está constituido por dos circuitos eléctricos acoplados magnéticamente, de tal manera que la influencia de un circuito sobre otro se hace a través de un flujo magnético, siendo por tanto la ley de inducción de Faraday el fundamento básico del funcionamiento del transformador. El esquema del transformador monofásico es el siguiente:
Un transformador viene determinado por su circuito equivalente en el cual a través de la asociación de bobinas y resistencias podemos llegar a simular lo que ocurre en el mismo. El circuito equivalente o modelo real de un transformador está compuesto por la impedancia del devanado primario que representa el conductor del devanado. Este a su vez está conectado en paralelo con una rama de magnetización que representa las perdidas en el circuito magnético (el encargado de la inducción magnética) y una impedancia que representa el conductor del devanado secundario.
Si las corrientes nominales se desconocieran, se podrían calcular mediante las relaciones de tensión nominal y potencia nominal del circuito en cada devanado:
Puesto que no existe conexión física entre los devanados primario y secundario, el modelo completo del transformador debe ser reducido a un equivalente donde uno de los devanados debe ser "referido" al otro para de esta manera tener un modelo aproximado cuyos elementos estén conectados entre sí. El circuito equivalente referido al devanado primario del transformador (modelo aproximado) es:
En este circuito se tiene que la relación de transformación (m) y los parámetros de resistencia (R 2), reactancia (X2), tensión (U 2) y corriente (I2) del devanado después de ser referidos al devanado primario son:
Aproximando aún más el circuito y teniendo en cuenta que al referir uno de los devanados estos pueden sintetizarse en un solo devanado el circuito equivalente (modelo reducido) es el siguiente:
B.
ENSAYOS EN TRANSFORMADORES ELECTRICOS
Los dos ensayos industriales más comunes que se pueden llevar a cabo para conseguir los parámetros del modelo reducido del transformador son el ensayo en vacío o circuito abierto y el ensayo en corto circuito. Los circuitos equivalentes de cada uno de los ensayos van a ser los siguientes:
ENSAYO EN VACÍO O DE CIRCUITO ABIERTO Tiene como fin de determinar la corriente en vacío (I 0), la potencia en vacío (P 0) que representa las pérdidas en vacío del transformador las cuales resultan de la suma de las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas en el núcleo y el factor de potencia en vacío (cosϕ0). Esta prueba se puede efectuar alimentando indiferentemente el devanado primario o secundario del transformador, manteniendo el devanado no utilizado abierto. Tal elección está en función de la tensión de alimentación disponible. En el ensayo en circuito abierto el devanado del transformador, generalmente el del lado de mayor tensión (si el transformador es de MT o AT), se deja en circuito abierto y en el otro devanado se aplica la tensión nominal.
Vn
I0
P0
La corriente que circula por el primario será del orden del 1 al 10% de la nominal, siendo los valores inferiores para los transformadores de mayor potencia y los superiores para los de pequeña potencia. Esta corriente recibe el nombre de corriente de excitación, y es un valor característico del transformador, proporcionado por el fabricante, y que se expresa en porcentaje respecto a la corriente nominal. Teniendo en cuenta que la corriente de excitación es generalmente muy pequeña comparada con la nominal, el circuito equivalente en este ensayo será el que se muestra en la Fig. 6a, ya que la caída de tensión en R 1 y X1 es muy pequeña y debido a que el circuito está abierto en el segundo devanado R 2 y X2 no se tienen en cuenta. Mediante este ensayo se consigue el valor de las pérdidas en el hierro del transformador. Las pérdidas en vacío son las siguientes:
Puesto que las pérdidas en el devanado primario son muy pequeñas frente a las perdidas en el hierro (núcleo) se tiene que la potencia medida en la prueba que corresponde a las perdidas en vacío son aproximadamente iguales a las perdidas en el hierro:
Además con la lectura del vatímetro se puede estimar el factor de potencia del circuito en vacío, el cual será:
Finalmente la impedancia en vacío Z 0 (que es R P en paralelo con jX M) se puede calcular de la siguiente manera:
Debido a que esta impedancia de vacío es el resultante de un paralelo, los valores de los parámetros de R P y de XM se debe estimar con el concepto de admitancia (Y).
ENSAYO EN CORTOCIRCUITO En el ensayo en cortocircuito un devanado del transformador, generalmente el del lado de baja tensión, se cortocircuita. En el otro extremo se aplica una tensión inferior a la nominal, tal que haga pasar por el devanado en cortocircuito la corriente nominal del devanado conectado a la fuente de alimentación. La tensión que se aplica al devanado correspondiente, (que debe ser el de baja tensión si es un trafo de MT o AT), es del orden del 2 al 15 por ciento de la tensión nominal del transformador. Los porcentajes inferiores corresponden a los transformadores de mayor potencia. Dicha tensión recibe el nombre de tensión de cortocircuito, siendo un valor característico del transformador de tensión proporcionado por el fabricante y que se expresa en porcentaje respecto a la tensión nominal.
Vcc
In
Pcc
Icc
En esta prueba, la potencia consumida corresponde a las pérdidas en el cobre de los dos bobinados, ya que la tensión aplicada en la prueba de cortocircuito suele ser pequeña comparada con la nominal, la corriente de la rama de magnetización, el flujo en el núcleo y las consecuentes pérdidas se pueden despreciar. En tales condiciones se determina la resistencia equivalente del transformador. Así el circuito equivalente para el ensayo en cortocircuito será el que se observa en la Fig. 6b
Mediante este ensayo conseguimos conocer el valor de las pérdidas en el cobre del transformador, ya que las pérdidas en R p son despreciables frente a R 1 y R2
Además con la lectura del vatímetro se puede estimar el factor de potencia del circuito en cortocircuito, el cual será:
Finalmente la impedancia en cortocircuito Z CC (que es R en paralelo con jX, véase figura 5) se puede calcular de la siguiente manera:
Debido a que esta impedancia de cortocircuito es el resultante de los parámetros de R y X en serie se tiene entonces que:
REPORTE
1. Presente un diagrama del circuito equivalente del transformador (con los parámetros encontrados por los ensayos de circuito abierto y cortocircuito) 2. Tablas con las mediciones hechas. 3. ¿Por qué el ensayo de cortocircuito de un transformador muestra específicamente las pérdidas del cobre y no las pérdidas de excitación? 4. ¿Por qué la prueba de vacío arroja fundamentalmente las pérdidas de excitación y no las de cobre? 5. Se tiene un transformador de 50KVA de 2200 V a 220V que dio durante el ensayo los siguientes datos: a. Ensayo en circuito abierto: i. Pcc=300W ii. V1 = 2200V iii. V2 = 240 V iv. I0 = 1ª b. Ensayo de corto circuito: i. Vcc = 82V ii. I1 = 22.7ª iii. Pcc = 460V c. Determine el circuito equivalente aproximado
INVESTIGACIÓN Investigar de manera breve y con ayuda de imágenes como se realizan las pruebas de circuito abierto y cortocircuito en un transformador trifásico.
