UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Mecánica Laboratorio de Electricidad y Electrónica de Potencia
GUIA DE LABORATORIO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS ESTÁTICAS (ML 223)
Preparado por: Ing. Emilio Asunción Marcelo Barreto Ing. Bernabé Alberto Tarazona Bermúdez
Año 2014
CRITERIOS DE EVALUACIÓN Informe final: Este informe será realizado y presentado en forma grupal por los alumnos que participaron en la experiencia. Sus partes serán las siguientes: 1. Carátula 2. Índice 3. Objetivo 4. Fundamento teórico 5. Solución del cuestionario que se plantea en la guía del laboratorio (los resultados en cuadros y/o gráficos detallar la forma de cálculo de alguno de ellos) 6. Conclusiones y recomendaciones (por separado) 7. Bibliografía 8. Hojas de datos tomados en la experiencia Los informes finales serán entregados en versión física y digital (pdf) una semana después, en la hora de laboratorio. Luego de realizarse las cuatro primeras experiencias, habrá una sustentación oral y/o escrita sobre las cuatro experiencias realizada por el grupo. La nota individual que obtenga cada alumno en la sustentación será incrementada en la nota de las cuatro primeras experiencias. Igualmente luego de realizarse las cuatro últimas experiencias habrá una sustentación oral y/o escrita sobre las últimas cuatro experiencias del laboratorio. La nota individual será incrementada en las notas de las cuatro últimas experiencias. Los puntajes asignados en la calificación en las diferentes partes que comprenden las experiencias de laboratorio son: Informe final : 07 Participación en experiencias y evaluación oral : 03 Sustentación oral y/o escrita : 10 Se considera tardanza, el ingreso al laboratorio luego de 15 minutos de la hora programada. La tardanza restará en menos un punto la nota del alumno. La ausencia del alumno de los primeros 30 minutos de la hora programada será calificada como falta. Los informes que no fueron entregados en su oportunidad subirán una penalidad de menos un punto por cada día transcurrido contados desde la fecha de entrega.
LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS ESTATICAS ML 223 PROGRAMA DE EXPERIENCIA POR SEMANA
2
3
4
2
3
4
1
3
4
1
2
4
1
2
3
G: GRUPOS
7
8
9
10
11
12
5
6
7
8
6
7
8
5
7
8
5
6
8
5
6
7
13
14
15
SUSTENTACION
1
6
SUSTENTACION
5
RECUPERACIONES
4
4
SUSTENTACION
3
3
RECUPERACIONES
2
2
EXAMENES PARCIALES
1
1
FORMACION DE GRUPOS
G/S
S: SEMANA
EXPERIENCIAS 1. 2. 3. 4.
EL REACTOR DE NUCLEO DE HIERRO. EL TRANSFORMADOR MONOFASICO. EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO TIPO SECO BANCO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS EN CONEXIÓN TRIFÁSICA Yy , Dd,
.
5. TRANSFORMADORES EN PARALELO 6. EL AUTOTRANSFORMADOR MONOFÁSICO 7. EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO EN ACEITE 8. BANCO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS EN CONEXIÓN TRIFÁSICA Yd , Dy
LABORATORIO Nº 01 EL REACTOR DE NÚCLEO DE HIERRO I.
OBJETIVO: Empleando un transformador como reactor con núcleo de hierro, determinar las características de magnetización de determinado material ferromagnético. Observación del lazo de histéresis dinámico y de la forma de onda de la corriente de excitación. Asimismo se presenta un método para efectuar la separación de pérdidas en el núcleo.
II. EQUIPO A UTILIZAR: 1 Transformador de 1 kVA, 127/220 V, 60 Hz. 1 Autotransformador variable con capacidad de 3 A. 1 Resistencia variable de 1 A ( 0-4,5Ω) 1 Resistencia de 60 kΩ. 1 Condensador de 20 uF 1 Amperímetro de pinza A.C. 1 Multimetro digital 1 Vatímetro digital 1 Osciloscopio digital.
III. PROCEDIMIENTO: 3.1 OBTENCION DE LA CARACTERISTICA: B-H Disponer el circuito siguiente:
A
W V
220 V
Reactor
60 HZ
Fig. 1.1
Antes de energizar el circuito de autotransformador deberá estar en la posición de tensión de salida cero. Después de comprobar la corrección de las conexiones con la presencia del profesor, cerrar el interruptor alimentando el autotransformador y elevar la tensión aplicada hasta un 30% sobre la tensión nominal (127 V). Comprobar el adecuado funcionamiento de todos los instrumentos y verificar que el rango de trabajo de cada uno de ellos sea el que conviene. Reducir la tensión de salida del Autotransformador a cero nuevamente elevarla progresivamente registrando ahora valores de tensión y corriente, hacer 10 mediciones hasta un 30% sobre la tensión nominal. Medir aproximadamente el área transversal (Am) y la longitud media (Lm) del núcleo ferromagnético del reactor.
3.2 OBSERVACIONES DEL LAZO DE HISTÉRESIS Y FORMA DE ONDA DE LA CORRIENTE DEL REACTOR: 3.2.1 LAZO DE HISTERESIS: Disponer el circuito siguiente:
Osciloscopio Amplificacion Horizontal
Amplificacion Vertical
A
W 20 uF
0 - 4.5 ohm
V 220 V 60 HZ
60 k
Reactor
Fig. 1.2
Variar la tensión de salida del autotransformador a 22, 55, 110 y 143% de a tensión nominal y observar como variar la forma de la figura sobre la pantalla del oscilocopio. Hacer un bosquejo aproximado de esta figura para cada caso. 3.2.2 CORRIENTE DEL REACTOR En el circuito anterior visualizar la señal aplicada a la sonda 2 variando la tensión desde 0 hasta a 130 % de la tensión nominal del reactor (127V) considerar 10 puntos. Asímismo, tomar las lecturas de los instrumentos conectados. 3.3 SEPARACION DE PÉRDIDAS Esta parte de la experiencia será solo teórica , porque no se dispone del alternador sincrónico. En el circuito mostrado en la figura 1.3, utilizando como fuente de alimentación un alternador sincrónico de tensión y frecuencia fácilmente controlable.
A
VyF
F
W
V
Variables
Fig. 1.3
Reactor
Suministrar la tensión y tomar las lecturas indicadas por los instrumentos para las cuatro situaciones regulando la tensión y frecuencia de alimentación de tal manera que para las condiciones 1, 2, 3 y 4 se verifique:
p1 kh f1 1 ke f12 12 p1 kh f 2 2 ke f 22 22 p1 kh f3 3 ke f32 32
Las cuales, al resolverse como ecuaciones simultáneas, proporcionan los siguientes resultados (donde a = f2/f1) log [
22 ( P2 a 2 P3 ) ] ( P2 a 2 P3 ) 12 a (a 1) P1 22 log 2 1
P2 a 2 P3 kh f 2 (1 a) 2
ke
P2 a P3 a f 22 22 a 1
4. CUESTIONARIO 4.1.-La relación de los valores tomados en las experiencias efectuadas 4.2.-Trazar las características B vs H y U vs H y asimismo graficar W vs V explicar sus tendencias y que significado tiene cada una de ellas. 4.3.-Graficar la pérdidas especificas en el fierro en (vatios 7Kg) a 60Hz, como una función de la inducción máximas expresadas en Tesla. Explicar la tendencia. 4.4.- ¿Qué es el circuito equivalente en una maquina eléctrica? ¿En que le es equivalente? 4.5.-Elaborar el circuito equivalente del reactor para su tensión nominal. 4.6.-Explicar el principio de funcionamiento del circuito para la observación del lazo de histéresis. 4.7.-¿Qué función desempeña el condensador de 20 F y la resistencia de 60K ? 4.8.-Graficar con la frecuencia como abscisa los puntos P/f en donde P es la perdida total en vacío, A partir de este gráfico determinar las pérdidas totales por corrientes parasitas y por histéresis en el hierro del núcleo para a tensión nominal y 60Hz. 4.9.-Dar 5 conclusiones a la experiencia y plantear algunas recomendaciones. Nota: Para la elaboración del Informe estimar el N° de vueltas probable del reactor
LABORATORIO Nº 02 EL TRANSFORMADOR MONOFASICO 1. OBJETIVO Determinación de los parámetros del circuito equivalente de un transformador monofásico para operación a frecuencia y tensión nominales. Pronostico del comportamiento del transformador bajo carga, utilizando el circuito equivalente. Determinación de las características de regulación.
2. EQUIPOS A UTILIZAR
1 Transformador monofásico de 3KVA, 220/110V 1 Auto transformador 5 A. 1 Multímetro digital. 1 Vatímetro digital. 1 Amperímetro de pinza. 1 Termómetro 0 – 100ºC o instrumento equivalente. 1 Banco de Resistencias (Focos incandescentes). 2 Condensadores de diferente capacitancia. 1 Motor eléctrico monofásico de 220V/110 V.
3. PROCEDIMIENTO 3.1 OBTENCION DE RESISTENCIAS EN D.C. Medir las resistencias de cada bobina y anotar la temperatura ambiente. Corregir los valores a la temperatura normalizada de referencia (75ºC). 3.2 ENSAYO EN VACIO Utilizar el circuito de la figura 2.1
A 220V 60Hz
F
W V
V
110/220V FIGURA 2.1
Ajustando el auto transformador, variar la tensión hasta que el voltímetro indique el valor nominal (220) voltios.
Mediante el mismo proceso, reducir la tensión desde 110% de la tensión nominal hasta cero voltios y registrar 10 lecturas de corriente, tensión y potencia. 3.3 ENSAYO EN CORTOCIRCUITO: Utilizar el esquema circuital de la figura 2.2
A 220 V 60 HZ
F
W
V
A
220/110
Fig. 2.2
A partir de cero voltios aumentar gradualmente la tensión hasta lograr la corriente nominal en el lado de 380 v. Registrar las lecturas de tensión, corrientes y las pérdidas en carga dada por el vatímetro en condiciones de corrientes nominales. Cambiar la corriente del lado de 380 voltios en etapas desde 110% hasta 70% de la corriente nominal y registrar las lecturas de los instrumentos. 3.4 ENSAYO CON CARGA: 3.4.1. Con el circuito anterior desenergizado, conectar a la salida la resistencia de carga. Excitar el transformador a tensión y frecuencias nominales. 3.4.2. Ajustar el valor de la resistencia de carga (Focos incandescentes) para obtener 4 magnitudes lo más cercanas posibles al 25, 50, 75 y 100% de la intensidad nominal secundaria, registrando la intensidad nominal secundaria y las lecturas de los demás instrumentos. 3.4.3. Desconectar la carga y medir la tensión del primario para los valores anotados en las diferentes condiciones de cargas fijadas anteriormente. 3.4.4 Repetir los pasos anteriores conectando en paralelo un motor eléctrico de 110 voltios. 3.4.5 Repetir los pasos anteriores conectando en paralelo un motor eléctrico de 110 voltios con un condensador y luego con dos condensadores.
4. CUESTIONARIO: 4.1 La relación de los valores tomados en las experiencias efectuadas. 4.2 Del ensayo de vacío trazar las curvas de factor de potencia Cos θ o (%), potencia consumida Po (W) y corriente en vacío Io (A) como funciones de la tensión de alimentación, asimismo graficar la curva relación de transformación. 4.3 Del ensayo de cortocircuito graficar a partir de las lecturas la potencia consumida Pcc (W), la tensión de impedancia Vcc (V) y el factor de potencia
de cortocircuito Cos θcc (%) como funciones de la corriente de cortocircuito Icc (A). 4.4 Utilizando los datos de las dos primeras pruebas hallar el circuito equivalente exacto del transformador para condiciones nominales. 4.5 Con el circuito equivalente aproximado trazar el diagrama circular del transformador, es decir, Va vs Ia. 4.6 Con los datos del ensayo con carga a factor de potencia 1, graficar la curva Va vs Ia, y compararlo con el gráfico encontrado en 4.5 Explicar las diferencias. 4.7 Para las diversas cargas determinar la caída de tensión interna μ en % según la expresión: V V2 (%) O 2 x100 VO 2 4.8 Calcular la regulación de tensión para carga nominal con Cos φ = 0.8 capacitivo. Asimismo calcular la eficiencia del transformador para estas condiciones:
V AN I AN Cos V2 N I 2 N Cos PO PL (75º C )
4.9 Comparar las pérdidas en el cobre (I1N)2 RT(W) con las pérdidas de carga PL (75ºC) dada por la expresión:
PL ( 75ºC ) I1N R1 2
(235 75) (235 t ) 2 ( PCC (t ) I1N R1 ) (235 t ) (235 75)
Donde:I1N: Corriente nominal en el primario Rt: resistencia equivalente en el arrollamiento primario a tºC = R1t +a2 R2t
LABORATORIO Nº 03 EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO TIPO SECO I. Objetivos Realizar el ensayo de vacío y de cortocircuito en el transformador trifásico (3Ø) para determinar los parámetros del circuito equivalente del transformador. Determinar las pérdidas en el hierro y en el cobre, que ocurren en el transformador. Hallar el rendimiento del transformador. Familiarización con el transformador trifásico, relacionado a las formas de conexión posibles y diferencias entre ellas. Identificación de bornes homólogos (igual polaridad relativa). Pronosticar el comportamiento del transformador trifásico bajo carga, utilizando el circuito equivalente. Determinación de las características de regulación. II. Equipos a Utilizar
1 Transformador trifásico de 5KVA; 220/380V 1 Autotransformador trifásico (Variac) de 5 KVA 1 Multímetro digital 1 Vatímetro trifásico. 1 Amperímetro de pinza. 1 Banco de Resistencias (Focos incandescentes). 3 Condensadores de 20 microfaradios 1 Motor trifásico de 380 V 1 Motor monofásico
III.Procedimiento Verificar las características físicas del transformador trifásico, sus datos de placa e identificar sus partes principales. Medir y anotar las resistencias de los bobinados de los lados de alta y baja del trasformador, asimismo anotar la temperatura ambiente. Medir y anotar las resistencias de aislamiento: AT-BT, AT-Masa, BTMasa.
a) Prueba de Relación de Transformación Conectar el autotransformador (variac) al lado de baja tensión del transformador, luego regular el voltaje de salida del autotransformador empezando de 230 y disminuyendo cada 10 voltios hasta 190 voltios, anotar el voltaje en el lado de alta tensión del transformador. b) Prueba de Vacío Armar el circuito que se muestra en la figura, conectar el lado de baja (220 V) al autotransformador, el que a su vez debe estar alimentado con la energía de la red y dejar abierto los bornes del lado de alta (380 voltios). Conectar un cosfímetro trifásico en el lado de baja con la finalidad de medir el factor de potencia, los dos vatímetros monofásicos se pueden reemplazar por un vatímetro trifásico, para medir las corrientes en cada fase usar la pinza amperimétrica, medir con el multímetro los voltajes de línea en el lado de alta y en el lado de baja.
Una vez armado el circuito de acuerdo a las indicaciones dadas en el párrafo anterior, se debe graduar el voltaje de salida del autotransformador de manera que se obtengan en el lado de baja (220 V), voltajes iguales al 25%, 50%, 75% y 100% del voltaje nominal (medida por el multímetro), para cada caso anotar la lectura de todos los instrumentos. Finalmente, la potencia total de vacío representa las pérdidas en el hierro de todo el transformador, y el ángulo de desfasaje de la corriente de vacío será:
Debiendo tenerse presente que el ángulo cuyo coseno da la ultima formula, no es el que corresponde a una fase particular, sino que a un intermedio entre las tres fases, ya sabemos que son distintos. Para tener el valor exacto de cada uno, habría que conectar tres juegos de instrumentos, uno en cada fase, y calcular el ángulo por el método de medida que se conoce y que se vio en la sección correspondiente a los monofásicos.
c) Prueba de Cortocircuito Previamente se deben de calcular las corrientes nominales de alta y baja tensión del transformador trifásico. Con el circuito desenergizado , armar el circuito que se muestra en la figura, conectar el lado de alta (380 V) al autotransformador , el que a su vez debe estar alimentado con la energía de la red y dejar cortocircuitado los bornes del lado de baja (220 voltios). Conectar un cosfímetro trifásico en el lado de alta con la finalidad de medir el factor de potencia, si el transformador no tiene conductor neutro, el vatímetro monofásico se pueden reemplazar por un vatímetro trifásico el cual nos dará directamente las pérdidas totales en el cobre (Pcu), para medir las corrientes en cada fase usar la pinza amperimétrica, medir con el multímetro los voltajes de línea en el lado de alta y en el lado de baja:
Una vez armado el circuito de acuerdo a las indicaciones dadas en el párrafo anterior, hay que aplicar al lado de alta (380 V) una tensión reducida, graduando el voltaje de salida del autotransformador, de manera de obtener en dicho lado el 4 diferentes % de la corriente nominal (medida por el amperímetro de pinza), para cada caso anotar la lectura de los instrumentos. Una vez que conocemos las pérdidas totales en el hierro y en el cobre de nuestro transformador trifásico, para determinar el rendimiento no hay más que conocer la potencia normal secundaria y aplicar la siguiente fórmula:
Donde: W2
: Es la potencia total trifásica para el secundario, en Watts
PFE
: Son las pérdidas totales en el hierro
PCU
: Son las pérdidas totales en el cobre
d) Prueba con Carga: -
Acoplamos el interruptor trifásico a la entrada del transformador (lado 220 V) siguiendo un orden de secuencia establecido (Ejemplo: RST) mostrado esquemáticamente en la figura siguiente:
-
Con el circuito anterior desenergizado, conectamos la carga balanceada: Resistencias ó focos incandescentes iguales conectadas en delta y/o en estrella. Condensadores iguales conectados en delta y/o en estrella. 01 motor eléctrico trifásico.
Nota: Tomar en cuenta que los focos incandescentes trabajan a 220 voltios, por lo tanto el circuito debe adecuarse de tal manera de asegurar estos 220 Voltios ¿Qué cambios haría?
-
Se deben conectar los focos incandescentes para obtener 4 diferentes % de la intensidad nominal secundaria, es decir, con diferentes índices de carga a fin de evaluar posteriormente bajo que índice presenta una mayor eficiencia. Para cada caso medir potencia, factor de potencia consumida por la carga, asimismo, medir las corrientes y voltajes de línea y de fase en el primario y secundario.
-
Armar una carga trifásica desbalanceada que contenga focos incandescentes, condensadores y 01 motores eléctrico, luego, medir potencia, factor de potencia consumida por la carga, asimismo, medir las corrientes y voltajes de línea y de fase en el primario y secundario.
IV. Cuestionario
Prueba de vacío y cortocircuito:
1. De la prueba de relación de transformación, graficar la relación de transformación vs Voltaje de entrada y explicar los resultados. 2. Tabular las resistencias medidas a los arrollamientos de las bobinas (lados de alta y de baja) y determinar las resistencias promedios (lados de alta y de baja), asimismo, determinar dichas resistencias referidos a la temperatura de 75° ¿Para los cálculos, cuál de las resistencias se utiliza? 3. Realizar el esquema de conexiones para realizar la prueba de Circuito Abierto en un transformador, que condiciones son validas para realizar la prueba de vacío. 4. Realizar el esquema de conexiones para realizar la prueba de Cortocircuito en un transformador, que condiciones son validas para realizar la prueba de Cortocircuito. 5. Determinar los parámetros que representan el transformador real, las pérdidas en el mismo y la eficiencia del transformador trifásico. 6. Del ensayo de vacío trazar las curvas del factor de potencia Cos θ (%); Potencia consumida P0 (W) y corriente en vacío I0 (A) en función de la tensión de alimentación. 7. Del ensayo de cortocircuito graficar a partir de las lecturas la potencia consumida PCC (W), la tensión de la impedancia VCC (V) como funciones de la corriente de cortocircuito ICC (A) 8. Calcular la regulación de tensión para una carga nominal con Cos θ = 0.91 inductivo. Asímismo calcular la eficiencia del transformador para estas condiciones:
Ensayo con carga: 1) Elaborar una síntesis de los pasos realizados para la implementar la conexión trifásica requerida (Dy5).
2) Con los datos del ensayo con carga a factor de potencia 1, graficar la curva V vs I. 3) Para las diversas cargas resistivas dispuestas, construir el circuito monofásico equivalente y determinar: La regulación de tensión
4) La eficiencia del transformador para estas condiciones:
5) Comparar las pérdidas en el cobre
con las pérdidas de carga
(75°C) dada por la expresión:
Donde:
6) Grafique la curva índice de carga vs. Rendimiento. ¿Qué puede notar?, Sustente su repuesta y desarrolle la expresión analítica adecuada. 7) ¿Qué particularidades tiene la conexión usada? 8) Elabore un diagrama fasorial total, tomando en cuenta los desfasajes entre fases originados por el tipo de conexión usada. 9) Para las condiciones de la carga usada y en base a su análisis anterior, diga usted si sería favorable usar otro tipo de conexión, de ser así indique cual sería y que ventajas y desventajas obtendría respecto al caso ensayado. 10) Haga un estudio teórico empleando el circuito equivalente exacto (con la rama de excitación), indicar los porcentajes de variación. ¿Es viable despreciar dicha rama en la práctica? 11) Tomando como referencia los voltajes suministrados por la red, las corrientes medidas por el amperímetro y el circuito equivalente aproximado del transformador, plantear y resolver el circuito respectivo. Determinar las potencias consumidas por cada carga y su respectivo factor de potencia. Comparar, los resultados obtenidos al resolver el circuito, con los medidos por los respectivos instrumentos (vatímetro y cosfímetro), indicar % de error y las posibles causas de los mismos.
LABORATORIO Nº 04 BANCO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS EN CONEXIÓN TRIFÁSICA: Yy, Dd I.
OBJETIVOS Analizar y evaluar el comportamiento en forma experimental de las conexiones tipo Yy y Dd de dos bancos trifasicos. Realizar el ensayo de cortocircuito y de circuito abierto de un banco trifasico y calcular el valor de sus parametros respectivamente. Determinar el circuito equivalente y verificar el reparto de carga trifásica.
II.
MATERIALES Y EQUIPO NECESARIO
III.
3 transformadores monofásicos de 1 KVA, 220/127 2 Multímetros Digitales. 1 Vatímetro monofásico 1 Vatímetro trifásico 1 Autotransformador trifásico 3 Resistencias variables (Focos incandescentes) 3 Condensadores de 20 µF 1 Motor eléctrico trifásico.
PROCEDIMIENTO 1. Verificar el funcionamiento correcto de los instrumentos de medida antes de realizar los ensayos 2. Medicion de resistencias en corriente continua: Con la ayuda del multimetro medir las resistencias en corriente continua de cada arrollamiento de los transformadores a la temperatura de ambiente. 3. Verificar que la relación de transformación de cada transformador monofásico sean del mismo valor. 4. Realizar la prueba de cortocircuito de cada transformador monofásico y determinar la polaridad (puntos homólogos) del primario y secundario de cada transformador. 5. Verificar las relaciones de transformacion de cada transformador utilizado. 6. Implementar el circuito de la figura 1 para formar un banco trifasico en conexión Yy luego medir en la salida las tensiones en cada fase del sistema y comprobar con lo que se dice en la teoria.
7. Implementar el circuito de la figura 2 para formar un banco trifasico en conexión Dd luego medir en la salida las tensiones en cada fase del sistema y comprobar con la parte teorica. 1era Parte: Conexión Yy
U
u
V
v
W
w
ACOPLAMIENTO ESTRELLA ESTRELLA Y Y
FIGURA 1. 2da Parte: Conexión Dd
U
u
V
v
W
w
ACOPLAMIENTO TRIANGULO TRIANGULO D d
FIGURA 2.
3ta Parte: Prueba con carga Implementar el sistema de la figura 3, donde el banco de transformadores monofásicos está en conexión trifásica Dd0 y realizar las pruebas cuando la carga trifásica está formada por: Caso 01: 03 Lamparas incandescentes conectadas en delta y/o en estrella. Caso 02: 01 Motor eléctrico trifásico. Caso 03: 01 Carga desbalanceada.
Realizar las mediciones de potencia, factor de potencia, y todas las corrientes y voltajes tanto de línea como de fase.
VARIAC TRIFÁSICO
VATÍMETRO TRIFÁSICO
COSFIMETRO TRIFÁSICO
CARGA TRIFÁSICO
FIGURA 3 Repetir el Caso 01, pero ahora deberá conectar los transformadores monofásicos en: -
Conexión trifásica D-d invirtiendo polaridad del secundario de manera que los voltajes del primario y secundario estén desfasados 180° (Conexión Dd6).
-
Conexión trifásica en delta abierto ó conexión V.
-
Conexión trifásica Y-y de manera que los voltajes del primario y secundario estén en fase (Conexión Dd0).
-
Conexión trifásica Y-y invirtiendo polaridad del secundario de manera que los voltajes del primario y secundario estén desfasados 180° (Conexión Yy6)
IV.
CUESTIONARIO
1. ¿Qué tipos de conexiones trifásicas de transformadores monofásicos existen? ¿para qué sirven? 2. ¿A qué es debido el ruido que genera un transformador? 3. ¿Se pueden obtener diferentes relaciones de transformación con un transformador trifásico? ¿Y con un monofásico? Explícalo. 4. ¿Qué requisitos deben cumplir los transformadores monofásicos para formar la conexión trifásica? 5. ¿Por qué existe una asimetría en las corrientes de vacío? 6. Si formamos un transformador trifásico a partir de tres transformadores monofásicos iguales y lo alimentamos con un sistema trifásico equilibrado de secuencia directa, ¿obtendremos a la salida siempre un sistema equilibrado de tensiones de secuencia directa?. 7. Indique las ventajas y desventajas de los bancos monofásicos en conexión trifásica respecto a los transformadores trifásicos. 8. ¿En qué casos es conveniente usar la conexión Yy y Dd? 9. ¿Qué diferencias relevantes se encontraron al trabajar con la conexión Yy0 y Yy6? 10. ¿Qué diferencias relevantes se encontraron al trabajar con la conexión Dd0 y Dd6? 11. Enumera algunas de las normas de seguridad a tener en cuenta en los ensayos de transformadores. 12. En qué casos se utiliza la conexión Delta abierto? 13. Tomando como referencia los voltajes suministrados por la red, las corrientes medidas por el amperímetro y el circuito equivalente aproximado de cada transformador, plantear y resolver el circuito respectivo. Determinar las potencias consumidas por cada carga y su respectivo factor de potencia. Comparar los resultados obtenidos al resolver el circuito con los medidos por los respectivos instrumentos (vatímetro y cosfímetro), indicar % de error y las posibles causas de los mismos.
LABORATORIO Nº 05 PARTE A: TRANSFORMADORES MONOFASICOS EN PARALELO 1. OBJETIVOS: Verificar el reparto de carga en dos transformadores de distinta tensión de cortocircuito funcionando en paralelo. 2. EQUIPOS A UTILIZARSE:
2 Transformadores monofásicos de 1KVA; 220/110 V 1 Autotransformador variable de 1.3 KVA; 220 V; 0-20 A 1 Multímetro digital 1 Amperímetro de pinza 1 Vatímetro trifásico 1 Resistencia variable 0-10 A 220 Ω 1 Resistencia 0-15 Ω, 5 A
3.1.- Verificación de la polaridad de los transformadores.
FIGURA 1 Conectar los circuitos de acuerdo con las figura 1 y determinar las polaridades y relación de transformación de c/u de los transformadores monofásicos de acuerdo con el método de los 3 voltímetros y utilizando las siguientes ecuaciones: a = V1 / V2 V3 = V1 + V2 la polaridad es aditiva V3 = V1 - V2 la polaridad es sustractiva
Transformador V1 V2 V3 a = relación de Polaridad Observaciones Serie No voltios voltios voltios transformación
3.2.- Medir la tensión de cortocircuito de ambos transformadores conforme se muestra en la figura 2
3.3.- Conectar los 2 transformadores monofásicos en paralelo de acuerdo con la figura 3 teniendo en consideración la polaridad de c/u de ellos .
3.4.- Con R2 en cortocircuito, ajustar el valor de RL hasta lograr que uno de los Transformadores entregue su corriente nominal. En estas condiciones medir
la corriente de carga y las corrientes de c/u de los transformadores en los lados de 220 y 110 voltios . Aumentar luego el valor de R2 hasta lograr un reparto equitativo de la carga y medir la caída de tensión en R2 ; las corrientes de carga y de c/u de los transformadores.
4. CUESTIONARIO 4.1.- ¿Qué condiciones se deben cumplir para conectar dos ó mas transformadores en paralelo? 4.2
Construir el diagrama fasorial correspondiente a la situación registrada 3.1. ¿Pudo colocarse R2 en el lado 110 V?
4.2.- ¿Cuál será el reparto de carga si los transformadores tienen además su relación de transformación distinta? 4.3.- ¿Se mantendrá el equilibrio entre las corrientes si se modifica el factor de potencia de la carga?. Aplicar el caso de una carga a f.d.p. 0.8 inductivo. 4.4.- ¿Con que aproximación se verificó el cálculo teórico del reparto de la carga? Explicar las discrepancias. 4.5.- ¿Cuál es el factor de potencia del transformador 1 con respecto al secundario si el f.d.p. de la carga es 0.85? 4.6.- ¿Qué sucedería si los transformadores se conectan en paralelo con la polaridad opuesta?
5.- CONCLUSIONES
PARTE B TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS EN PARALELO I. OBJETIVO: Verificar el reparto de carga en dos transformadores trifásicos funcionando en paralelo. II. EQUIPOS A UTILIZARSE: III.
2 transformadores trifásicos de 5KVA; 220/110 V 1 Autotransformador trifásico 1 Vatímetro trifásico 1 multímetro digital 1 Amperímetro de pinza 3 Resistencias variables 0-10 A 220 Ω 1 Resistencia 0-15 Ω, 5 A
PROCEDIMIENTO Conectar el circuito de la figura 3
DY
CARGA TRIFASICA
DY
110 V
220 V
La alimentación se realiza a través del autotransformador trifásico hasta lograr una tensión de 220 voltios entre líneas en la carga trifásica y tomar valores de corriente y potencia para diferentes cargas .
IV.- CUESTIONARIO 4.1.- Hallar el circuito equivalente para cada transformador trifásico en condiciones nominales. 4.2.- ¿Qué ventajas/desventajas tienen los bancos de transformadores monofásicos con respecto a los transformadores trifásicos? . 4.4.- ¿Cómo es el reparto de carga en transformadores trifásicos puestos en paralelo? Explicar comprobando con los obtenidos en el laboratorio. 4,5
Tomando como referencia los voltajes suministrados por la red, las corrientes medidas por el amperímetro y el circuito equivalente aproximado de cada transformador, plantear y resolver el circuito respectivo. Determinar las potencias consumidas por cada carga y su respectivo factor de potencia. Comparar los resultados obtenidos al resolver el circuito con los medidos por los respectivos instrumentos (vatímetro y cosfímetro), indicar % de error y las posibles causas de los mismos.
V.- CONCLUSIONES
LABORATORIO N° 06 EL AUTOTRANSFORMADOR MONOFÁSICO
I. Objetivos Realizar la prueba de vacío y de cortocircuito en el Autotransformador monofásico (1Ø) para determinar los parámetros del circuito equivalente del autotransformador. Determinar las pérdidas en el hierro y en el cobre, que ocurren en el autotransformador. Hallar el rendimiento del autotransformador. Pronosticar el comportamiento del autotransformador monofásico bajo carga, utilizando el circuito equivalente. Determinación de las características de regulación.
II. Equipos a Utilizar:
2 Autotransformadores variables con capacidad de 2KVA c/u. 1 Vatímetro digital. 1 Bobina L=112.86 m Hr; ri=13.2Ω; A=3.5 Amp. 1 Condensador de 20µF. 1 Elemento resistivo (Foco de 300 watts). 1 Multímetro digital. 1 Juego de cables para Conexión. 1 Amperímetro de Pinza de 40 Amp.
III.Procedimiento Verificar las características físicas del autotransformador monofásico, anotar sus datos de placa e identificar sus partes principales, anotar Temperatura ambiente. Medir y anotar las resistencias de los bobinados de los lados de alta y baja del autotransformador. Medir y anotar las resistencias de aislamiento: AT-BT, AT-Masa, BT-Masa. Conectar los bornes de entrada del Autotransformador N° 2 (El que se va a analizar) a la red de 220 voltios y regular su tensión de salida a un voltaje de 150 voltios. Conectar los bornes de entrada del autotransformador N° 2 a la red de 220 voltios y dejando abiertos los bornes de salida del autotransformador 2, tomar la lectura de los instrumentos de medición: tensión, corriente y potencia.
220 V
VARIAC.
Monofasico
N° 1
AUTO TRASFORMADOR MONOFASICO
U
N° 2
I T LN
VATÍMETRO DIGITAL MONOFÁSICO
Conectar el Autotransformador N° 1 a la red de 220 voltios y regular su tensión de salida a 220 voltios, luego conectarlo a los bornes de entrada del autotransformador N° 2 Conectar el vatímetro digital entre los bornes de salida del Autotransformador N° 1 y los bornes de entrada del autotransformador N° 2, luego cortocircuitando los bornes de salida del autotransformador N° 2, regular el voltaje de salida del autotransformador N° 1, de manera que circule la corriente nominal en el primario del autotransformador N° 2, tomar la lectura de los instrumentos de medición: tensión, corriente y potencia. Sin modificar nada en el Autotransformador N° 2, realizar la prueba de carga, para esto instalamos el vatímetro a la salida del Autotransformador (El que se analiza), y a la salida de este conectamos primero la carga resistiva (foco), segundo la carga capacitiva (condensador) y por último la carga inductiva, para cada carga tomar las lecturas de los instrumentos de medición: tensión, corriente y potencia. Repetir los pasos anteriores cuando a la salida del Autotransformador N° 2 sea 110 voltios y después cuando sea 50 voltios. IV CUESTIONARIO: 4.1 La relación de los valores tomados en las experiencias efectuadas. 4.2 Del ensayo de vacío trazar las curvas de factor de potencia Cos θ o (%), potencia consumida Po (W) y corriente en vacío Io (A) como funciones de la tensión de alimentación, asimismo graficar la curva relación de transformación. 4.3 Del ensayo de cortocircuito graficar a partir de las lecturas la potencia consumida Pcc (W), la tensión de impedancia Vcc (V) y el factor de potencia de cortocircuito Cos θcc (%) como funciones de la corriente de cortocircuito Icc (A). 4.4 Utilizando los datos de las dos primeras pruebas hallar el circuito equivalente exacto del autotransformador para condiciones nominales. 4.5 Con el circuito equivalente aproximado trazar el diagrama circular del autotransformador, es decir, Va vs Ia.
4.6 Con los datos del ensayo con carga a factor de potencia 1, graficar la curva Va vs Ia, y compararlo con el gráfico encontrado en 4.5 Explicar las diferencias. 4.7 Para las diversas cargas determinar la caída de tensión interna μ en % según la expresión: V V2 (%) O 2 x100 VO 2 4.8 Calcular la regulación de tensión para carga nominal con Cos φ = 0.8 capacitivo. Asimismo calcular la eficiencia del autotransformador para estas condiciones:
V AN I AN Cos V2 N I 2 N Cos PO PL (75º C )
4.9 Comparar las pérdidas en el cobre (I1N)2 RT(W) con las pérdidas de carga PL (75ºC) dada por la expresión:
PL ( 75ºC ) I1N R1 2
(235 75) (235 t ) 2 ( PCC (t ) I1N R1 ) (235 t ) (235 75)
Donde: I1N: Corriente nominal en el primario Rt: Resistencia equivalente en el arrollamiento primario a tºC = R1t +a2 R2t
LABORATORIO N° 07 TRANSFORMADOR TRIFÁSICO EN ACEITE
I. Objetivos Realizar la prueba de vacío y de cortocircuito en el transformador trifásico (3Ø) en aceite para determinar los parámetros del circuito equivalente del transformador. Determinar las pérdidas en el hierro y en el cobre, que ocurren en el transformador. Hallar el rendimiento del transformador. Familiarización con el transformador trifásico refrigerado con aceite, relacionado a las formas de conexión posibles y diferencias entre ellas. Identificación de bornes homólogos (igual polaridad relativa). Pronosticar el comportamiento del transformador trifásico bajo carga, utilizando el circuito equivalente. Determinación de las características de regulación.
II. Equipos a Utilizar:
1 Transformador trifásico Dy5 ; de 5KVA, 460/220V. 1 Autotransformador trifásico (Variac). 1 Multímetro digital. 1 Vatímetro trifásico. 1 Amperímetros de pinza. Carga Resistiva (Focos incandescentes). 06 Condensadores de 20 microfaradios. 01 Motor Eléctrico trifásico.
III.Procedimiento Verificar las características físicas del transformador trifásico en aceite, anotar sus datos de placa e identificar sus partes principales, anotar Temperatura ambiente. Medir y anotar las resistencias de los bobinados de los lados de alta y baja del trasformador. Medir y anotar las resistencias de aislamiento: AT-BT, AT-Masa, BT-Masa.
a) Prueba de Relación de Transformación Conectar el autotransformador (variac) al lado de baja tensión del transformador, luego regular el voltaje de salida del autotransformador empezando de 230 y disminuyendo cada 10 voltios hasta 190 voltios, anotar el voltaje en el lado de alta tensión del transformador. b) Prueba de Vacío Alimentar el lado de baja tensión con 220 voltios y dejar abierto los bornes de alta tensión de acuerdo a la siguiente figura:
Anotar las lecturas indicadas por los instrumentos de medición, ya que con estos valores se determinará los parámetros de vacío.
c) Prueba de Cortocircuito Previamente calcular las corrientes nominales de alta y de baja tensión del transformador trifásico. Con el circuito del ensayo desenergizado , conectar el lado de alta tensión del transformador al autotransformador trifásico (Variac) y regular este último a un voltaje tal que se obtenga la corriente nominal en el lado de alta tensión, asimismo, cortocircuitar los bornes de baja tensión de acuerdo a la figura mostrada. El ensayo de cortocircuito necesario para determinar las pérdidas en el cobre, se realiza aplicando la tensión de cortocircuito a uno de los devanados, manteniendo cortocircuitado el otro.
Tal como se vio en ensayo para transformadores monofásicos, hay que aplicar al primario una tensión reducida, que se gradúa de manera de tener en el secundario la carga normal, acusada por el amperímetro. El vatímetro indica la potencia que absorbe una fase del transformador con secundario en cortocircuito. Las pérdidas totales en el cobre se calculan multiplicando esa lectura por tres. Y una vez que conocemos las pérdidas totales en el hierro y en el cobre de nuestro transformador trifásico, para determinar el rendimiento no hay más que conocer la potencia normal secundaria y aplicar la siguiente fórmula:
Donde: W2
: Es la potencia total trifásica para el secundario, en Watts
PFE
: Son las pérdidas totales en el hierro
PCU
: Son las pérdidas totales en el cobre
d) Prueba con Carga: Acoplamos el interruptor trifásico a la entrada del transformador siguiendo un orden de secuencia establecido (Ejemplo: RST) mostrado esquemáticamente en la figura siguiente:
-
Con el circuito anterior desenergizado, conectamos la carga balanceada: Resistencias o focos incandescentes iguales conectadas en delta y/o estrella. Condensadores iguales conectadas en delta y/ o estrella. 01 motor eléctrico trifásico
-
Se deben conectar los focos incandescentes para obtener 4 diferentes % de la intensidad nominal secundaria, es decir, con diferentes índices de carga a fin de evaluar posteriormente bajo que índice presenta una mayor eficiencia. Para cada caso medir potencia, factor de potencia consumida por la carga, asimismo, medir las corrientes y voltajes de línea y de fase en el primario y secundario.
-
Armar una carga trifásica desbalanceada que contenga focos incandescentes, condensadores y 01 motores eléctrico, luego, medir potencia, factor de potencia consumida por la carga, asimismo, medir las corrientes y voltajes de línea y de fase en el primario y secundario.
IV. Cuestionario Prueba de vacío y cortocircuito: 1. Determinar los parámetros que representan el transformador real, las pérdidas en el mismo y la eficiencia del transformador trifásico. 2. Del ensayo de vacío trazar las curvas del factor de potencia Cos θ (%); Potencia consumida P0 (W) y corriente en vacío I0 (A) en función de la tensión de alimentación. 3. Del ensayo de cortocircuito graficar a partir de las lecturas la potencia consumida PCC (W), la tensión de la impedancia VCC (V) como funciones de la corriente de cortocircuito ICC (A) 4. Calcular la regulación de tensión para una carga nominal con Cos θ = 0.91 inductivo. Asímismo calcular la eficiencia del transformador para estas condiciones:
Prueba con carga: 1) Explicar el significado de cada una de las características de placa de este tipo de transformadores. 2) Describir cada una de las partes de este tipo de tranasformadores. 3) Detallar los usos de este tipo de transformadores. 4) Explicar la utilidad de los Taps en este tipo de transformadores. 5) Con los datos del ensayo con carga a factor de potencia 1, graficar la curva V vs I. 6) Para las diversas cargas resistivas dispuestas, construir el circuito monofásico equivalente y determinar: La regulación de tensión
7) La eficiencia del transformador para estas condiciones: 8) Comparar las pérdidas en el cobre con las pérdidas de carga (75°C) dada por la expresión:
Donde:
9) Grafique la curva índice de carga vs. Rendimiento. ¿Qué puede notar?, Sustente su repuesta y desarrolle la expresión analítica adecuada. 10) Elabore un diagrama fasorial total, tomando en cuenta los desfasajes entre fases originados por el tipo de conexión usada. 11) Para las condiciones de la carga usada y en base a su análisis anterior, diga usted si sería favorable usar otro tipo de conexión, de ser así indique cual sería y que ventajas y desventajas obtendría respecto al caso ensayado. 12) Tomando como referencia los voltajes suministrados por la red, las corrientes medidas por el amperímetro y el circuito equivalente aproximado del transformador, plantear y resolver el circuito respectivo. Determinar las potencias consumidas por cada carga y su respectivo factor de potencia. Comparar los resultados obtenidos al resolver el circuito con los medidos por los respectivos instrumentos (vatímetro y cosfímetro), indicar % de error y las posibles causas de los mismos.
LABORATORIO N° 08 BANCO DE TRANSFORMADORES MONOFASICOS EN CONEXIÓN Dy,Yd
I.
OBJETIVOS:
Analizar y evaluar el comportamiento en forma experimental de las conexiones tipo Dy e Yd de dos bancos trifasicos. Realizar el ensayo de cortocircuito y de circuito abierto de un banco trifasico y calcular el valor de sus parametros respectivamente. Determinar el circuito equivalente y verificar el reparto de carga trifásica. II.
EQUIPOS A A UTILIZARSE:
1 autotransformador trifásico 220 voltios - 15 A 3 Transformadores monofasicos (220v-127v) 1 carga trifásica resistiva (Focos incandescentes) 220 voltios, 1 vatímetro trifásico 220 voltios ; 5/25 A 1 vatímetro monofásico 1 amperímetro de pinza digital 1 multímetro digital 1 Motor eléctrico trifásico a 220 v 3 condensadores de igual capacidad.
III.
PROCEDIMIENTO:
1. Verificar el funcionamiento correcto de los instrumentos de medida antes de realizar los ensayos 2. Medicion de resistencias en corriente continua: Con la ayuda del multimetro medir las resistencias en corriente continua de cada arrollamiento de los transformadores a la temperatura de ambiente. 3. Verificar que la relación de transformación de cada transformador monofásico sean del mismo valor. 4. Realizar la prueba de cortocircuito y de vacío de cada transformador monofásico, asimismo determinar la polaridad (puntos homólogos) del primario y secundario de cada transformador. 5. Verificar las relaciones de transformacion de cada transformador utilizado.
6. Implementar el circuito de la figura 1 para formar un banco trifasico en conexión Dy luego medir en la salida las tensiones en cada fase del sistema y comprobar con lo que se dice en la teoria. 7. Implementar el circuito de la figura 2 para formar un banco trifasico en conexión Yd luego medir en la salida las tensiones en cada fase del sistema y comprobar con la parte teorica. 1era Parte: Conexión Dy
FIGURA 1.
2da Parte: Conexión Yd
FIGURA 2.
3era Parte: Prueba de Vacio Armar el circuito que se muestra en la Figura 3 Variar la tensión de alimentación del banco trifásico de 0 a 220 voltios en el lado Delta, mientras el lado Y permanece en circuito abierto y tomar diferentes medidas simultáneas de tensión, corriente y potencia.
VATIMETRO
U
AUTOTRAFO TRIFASICO
u
A
V
N V
v
W w
DY FIGURA 3 4ta Parte: Prueba de Cortocircuito Conectar el circuito de la figura 4 y utilizando el autotransformador trifásico alimentar con tensión reducida del orden de 5-12% de la tensión nominal de c/u de las fases, de tal manera que circulen las corrientes nominales del banco y tomar diferentes medidas simultáneas de tensión, corriente y potencia.
U
AUTO TRAFO 3 Ø
VATIMETRO TRIFASICO
A V
u A
v V w
W
FIGURA 4
5ta Parte: Prueba con carga Implementar el sistema de la figura 5 y realizar las pruebas cuando la carga trifásica está formada por: Caso 01: 03 Lamparas incandescentes conectadas en delta y/o estrella. Caso 02: 01 Motor eléctrico trifásico. Caso 03: 03 Condensadores conectados en delta y/o estrella. Caso 04: 01 Carga R-L-C desbalanceada en delta y/o estrella. Realizar las mediciones de potencia, factor de potencia, y todas las corrientes y voltajes tanto de línea como de fase.
FIGURA 5
IV.
CUESTIONARIO
1. Elaborar para los circuitos de las figuras 1 y 2 , así como del ensayo con carga el diagrama fasorial en cada secuencia de fases indicando las tensiones de linea, de fase y corrientes obtenidas a partir de los cálculos. 2. Calcular a partir del ensayo de cortocircuito los parámetros a la temperatura garantizada por norma tomando como tensiones de cortocircuito valores entre el 5-12% de la tension nominal y tabular estos valores en una tabla. 3. ¿Qué aplicaciones importantes tienen en este caso las conexiones tipo Dy e Yd ? 4. ¿Qué ventajas importante tiene la conformacion de un banco trifasico a partir de transformadores monofasicos y dar un ejemplo aplicativo? 5. ¿Hay un cambio significante en los resultados si en nuestro sistema de alimentación con carga despreciamos la corriente de excitación? 6. ¿Es correcto decir que el factor de potencia en el ensayo de vacío es igual a la unidad? Fundamente su respuesta.
7. Del ensayo de cortocircuito elaborar una gráfica de las pérdidas que se producen en los devanados vs la tensión de cortocircuito para puntos en el rango establecido de (5-12%) del voltaje nominal e indicar para que tensiones se producen más pérdidas. 8. ¿Por qué no es necesario calcular las pérdidas en el fierro determinadas en el ensayo de vacío para la temperatura garantizada por norma? 9. Para el ensayo con carga ¿que influencia se tiene al trabajar con una carga con factor de potencia: unitario, en adelanto y en atraso?. 10. Desarrollar el fundamento teórico para los tipos de conexiones a través de un banco monofasico. 11. Tomando como referencia los voltajes suministrados por la red, las corrientes medidas por el amperímetro y el circuito equivalente aproximado de cada transformador, plantear y resolver el circuito respectivo. Determinar las potencias consumidas por cada carga y su respectivo factor de potencia. Comparar los resultados obtenidos al resolver el circuito con los medidos por los respectivos instrumentos (vatímetro y cosfímetro), indicar % de error y las posibles causas de los mismos.
