Lab. Maquinas I 06

Laboratorio de Máquinas Eléctricas I

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN DE AREQUIPA FACULTAD DE INGENIERIA DE PRODUCCION DE SERVICIOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA GUIA DE LABORATORIO Nº 06 EL TRANSFORMADOR DE POTENCIA MONOFASICO CONECTADO COMO AUTOTRANSFORM AUTOTRANSFORMADOR ADOR I.- OBJETIVO:

Mediante ensayos de un transformador conectado como autotransformador determinar el circui circuito to equiva equivalen lente te y los paráme parámetro tros. s. Verifi Verificaro caron n de la potenc potencia ia según según sea su conexión. II.- MARCO TEORICO: AUTOTRANSFORMADOR

Esquema de conexión conexión de un autotransformado autotransformador. r.

Un autotransformador es una máquina eléctrica, eléctrica, de construcción y características similares a las de un transformador, pero que a diferencia de éste, sólo posee un único devanado alrededor del núcleo. Dicho devanado debe tener al menos tres puntos de conexión conexión eléctrica, llamados tomas. La fuente fuente de tensión y la carga se conectan a dos de las tomas, mientras que una toma (la del extremo del devanado) es una conexión común a ambos circuitos circuitos eléctricos eléctricos (fuente y carga). Cada toma corresponde a un voltaje diferente de la fuente (o de la carga, dependiendo del caso). En un autotransfor autotransformado mador, r, la porción porción común (llamada por ello "devanado "devanado común") del deva devana nado do únic único o actú actúaa como como part partee tant tanto o del del deva devana nado do "pri "prima mari rio" o" como como del del "secundario". La porción restante del devanado recibe el nombre de "devanado serie" y es la que proporciona la diferencia de voltaje entre ambos circuitos, mediante la adición en serie (de allí su nombre) con el voltaje del devanado común.

Construcción de un autotransformador autotransformador a partir de un transformador .

En un transformador, las definiciones de primario y secundario son: • • • •

: Tensión en el devanado primario : Corriente en el devanado primario : Tensión en el devanado secundario : Corriente en el devanado secundario

Al conectarlo como autotransformador, hay que redefinir primario y secundario como: • • •

: Voltaje en el primario (devanado serie + común) : Voltaje en el secundario (devanado común) : Corriente en el primario (devanado serie + común)


•

: Corriente en el secundario (devanado común)

Comparando ambas posibilidades de conexión, se observa que se cumplen las siguientes relaciones:

Pero:

Despreciando la rama en paralelo:

Con respecto a la potencia, para el transformador se cumple que:

o bien, despreciando las pérdidas,

La potencia al conectarlo como autotransformador es:

o bien, despreciando las pérdidas,

si se sustituyen los valores y se agrupa correctamente, se obtiene:

Por lo tanto, al conectar un transformador como autotransformador, este aumenta su capacidad para transferir potencia en una proporción determinada por la relación de transformación de la conexión como transformador. La implicación directa de esta deducción matemática es que para transferir la misma cantidad de potencia entre dos circuitos, un autotransformador es de menor tamaño que un transformador equivalente. III.- ELEMENTOS A UTILIZAR:


√ √ √ √ √

01 Transformador de potencia monofásica de 100 VA; 220/110 V, 60 Hz. 01 Autotransformador variable de 0-240 V, 60 Hz. 01 Vatímetro. 02 Multímetros. Conductores varios.

IV.- ACTIVIDADES:

a) Verificar la polaridad del transformador: considerar el circuito como se muestra en la figura 1 y las tensiones que nos indica el voltímetro puede ser aditiva o sustractiva. Si: X,Y conectados y el voltímetro indica (U 1-U2) son de la misma polaridad; X,Y conectados el voltímetro indica (U1+U2) son de polaridad opuesta. b) Impedancia de corto circuito como transformador: Realizamos la prueba de corto circuito tomando um solo valor de corriente nominal y podemos calcular la impedância de corto circuito como transformador.

PCC 20.0 W

VCC 9.0 V

ICC 2.24 A

ZCC

ZCC (p.u.) 4.02 Ω

;

;

c) Realizar las conexiones posibles como autotransformador según la figura elevadores: 220/330 V y 110/330 V. determinar la potencia de ganancia para ambas conexiones. Sa (sa lid a)

Sb (sa lid a)

33 32 0 V8 V

d) Impedancia de corto circuito como autotransformador: realizar la prueba de corto circuito del autotransformador por el AT y cortocircuitando el lado de


baja, para ambas conexiones del autotransformador a y b de la figura anterior. Registrando la tension de corto circuito U cc, corriente nominal In y la potencia de perdidas Pcu de la figura.

PCCa 21 9,6 2,2 4,231 W 0V7A Ω

VCCa

ICCa

ZCCa (p.u.)

PCC VC ICC ZC b

Cb

b

Cb

(p. u.)

30 5,3 4,9 1,2 W 0 V 0 A 85 Ω

•

Para cuando se cortocircuita el devanado de 110 V y se alimenta por el devanado de 220 V:

;

•

Para cuando se cortocircuita el devanado de 220 V y se alimenta por el devanado de 110 V:

;

V.- CUESTIONARIO:

1. Un transformador y un autotransformador de potencias nominales y tensiones iguales. ¿Cuál cree usted que tiene menos costo y por qué?


2. Explique el funcionamiento de un autotransformador, con detalle. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El autotransformador puede ser considerado simultáneamente como un caso particular del transformador o del bobinado con núcleo de hierro. Tiene un solo bobinado arrollado sobre el núcleo, pero dispone de cuatro bornes, dos para cada circuito, y por ello presenta puntos en común con el transformador. En realidad, lo que conviene es estudiarlo independientemente, pero utilizando las leyes que ya vimos para los otros dos casos, pues así se simplifica notablemente el proceso teórico. En la práctica se emplean los autotransformadores en algunos casos en los que presenta ventajas económicas, sea por su menor costo o su mayor eficiencia. Pero esos casos están limitados a ciertos valores de la relación de transformación, como se verá en seguida. No obstante, es tan común que se presente el uso de relaciones de transformación próximas a la unidad, que corresponde dar a los autotransformadores la importancia que tienen, por haberla adquirido en la práctica de su gran difusión. Para estudiar su funcionamiento, haremos como con los transformadores, es decir, primero consideraremos el principio en que se basan, desde el punto de vista electromagnético, para obtener las relaciones entre las tensiones y las corrientes de sus secciones, ya que no se puede hablar de bobinados en plural. Luego veremos el diagrama vectorial, muy parecido al de transformadores, pero con diferencias que lo distinguen netamente. Y, también, haremos un estudio comparativo entre el autotransformador y el transformador de iguales condiciones de servicio. La figura siguiente nos muestra un esquema del autotransformador. Consta de un bobinado de extremos A y D, al cual se le ha hecho una derivación en el punto intermedio B. Por ahora llamaremos primario a la sección completa A D y secundario a la porción B D, pero en la práctica puede ser a la inversa, cuando se desea elevar la tensión primaria.

La tensión de la red primaria, a la cual se conectará el autotransformador, es V1, aplicada a los puntos A y D. Como toda bobina con núcleo de hierro, en cuanto se aplica esa tensión circula una corriente que hemos llamado de vacío en la teoría anterior. Sabemos también, que esa corriente de vacío está formada por dos componentes; una parte es la corriente magnetizante, que está atrasada 90° respecto de la tensión, y otra parte que está en fase, y es la que cubre las pérdidas en el hierro, cuyo monto se encuentra multiplicando esa parte de la corriente de vacío, por la tensión aplicada. Llamamos a la corriente total de vacío I0, como lo hemos hecho en otras oportunidades. 3. Dibujar el circuito referido a uno de sus lados del autotransformador.


4. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de usar un transformador versus un autotransformador? Una falla en el aislamiento de los devanados de un autotransformador puede producir que la carga quede expuesta a recibir plena tensión (la de la fuente). Se debe tener en cuenta esta situación al decidir utilizar un autotransformador para una determinada aplicación. Las ventajas en ahorro de material (tanto en los devanados como en el núcleo) tienen una limitación física, que en la práctica es una relación de voltajes de 3:1. Para relaciones de tensión mayores a ésta, o bien el transformador convencional de dos devanados es más compacto y económico, o bien resulta imposible construir el autotransformador. En sistemas de transmisión de energía eléctrica, los autotransformadores tienen la desventaja de no filtrar el contenido armónico de las corrientes y de actuar como otra fuente de corrientes de falla a tierra. Sin embargo, existe una conexión especial -llamada "conexión en zig-zag"- que se emplea en sistemas trifásicos para abrir un camino de retorno a la corriente de tierra que de otra manera no sería posible lograr, manteniendo la referencia de tierra. 5. ¿Cuáles son los usos principales de un autotransformador? Los autotransformadores se utilizan a menudo en sistemas eléctricos de potencia, para interconectar circuitos que funcionan a voltajes diferentes, pero en una relación cercana a 2:1 (por ejemplo, 400 kV / 230 kV ó 138 kV / 66 kV). En la industria, se utilizan para conectar maquinaria fabricada para tensiones nominales diferentes a la de la fuente de alimentación (por ejemplo, motores de 480 V conectados a una alimentación de 600 V). Se utilizan también para conectar aparatos, electrodomésticos y cargas menores en cualquiera de las dos alimentaciones más comunes a nivel mundial (100-130 V a 200-250 V). En sistemas de distribución rural, donde las distancias son largas, se pueden utilizar autotransformadores especiales con relaciones alrededor de 1:1, aprovechando la multiplicidad de tomas para variar el voltaje de alimentación y así compensar las apreciables caídas de tensión en los extremos de la línea. Se utilizan autotransformadores también como método de arranque suave para motores de inducción tipo jaula de ardilla, los cuales se caracterizan por demandar una alta corriente durante el arranque. Si se alimenta el motor conectándolo a la toma menor de un autotransformador, el voltaje reducido de la alimentación resultará en una menor corriente de arranque y por lo tanto en condiciones más seguras de operación, tanto para el motor como para la instalación eléctrica. Una vez que el motor ha alcanzado suficiente velocidad, se puede ir aumentando el voltaje de alimentación (en tantos pasos como tomas posea el autotransformador) gradualmente, hasta llegar al voltaje de la red (cuando la relación de tomas es 1:1). En sistemas ferroviarios de Alta velocidad existen métodos de alimentación duales tales como el conocido como 2x25 kV. En este, los transformadores de las subestaciones alimentan a +25 kV a la catenaria, a -25 kV (en realidad 25


kV desfasados 180º) al feeder o alimentador negativo y con la toma intermedia o neutra puesta al carril. Cada cierto tiempo, 10 km típicamente, se conectan autotransformadores con 50 kV en el primario (entre catenaria y feeder negativo) y 25 kV en el secundario (entre feeder negativo y carril). De esta manera, la carga (trenes) se encuentra alimentada a 25 kV entre catenaria y carril pero la energía se transporta a 50 kV, reduciendo las pérdidas. VI.- OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES:

1. Mediante los ensayos de cortocircuito del transformador, conectado como autotransformador se logro determinar los parámetros respectivos a cada uno de los ensayos y el circuito equivalente del transformador. 2. Se logró apreciar que la corriente de entrada al autotransformador o también llamada corriente de control es la corriente del bobinado que trabaja en cada ensayo ya sea cortocircuitando el lado de alta como el lado de baja tensión. 3. La impedancia de cortocircuito del transformador se modifica cuando trabaja como autotransformador, esto se ve claramente en los resultados de la sección IV.d) como es que varia la impedancia de cortocircuito. 4. Lo ideal en la variación de la impedancia de cortocircuito es que esta impedancia sea mucho menor que la impedancia de cortocircuito del transformador, para cuando se cortocircuita el lado de 220 V esta comparación es notoria puesto que Z CCb<
http://www.fisicarecreativa.com/ Maquinas Eléctricas, Jesús Fraile Mora http://www.sc.es/sbweb/fisica/.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Transformador#Autotransformador http://es.wikipedia.org/wiki/Autotransformador http://www.unicrom.com/Tut_autotransformador.asp

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