FACULTAD DE MINAS DEPARTAMENTO DE ENERGÍA ELÉCTRICA Y AUTOMÁTICA MÁQUINAS ELÉCTRICAS I
INFORME PRÁCTICA No. 6
Código:
3007757-1
Docente: Edwin Lopera Fecha:
25-abril-2013
TRANSFORMADORES EN PARALELO Elaborado por:
DIEGO HERNANDEZ MEJIA.
1. RESUMEN En esta práctica se trabajó con la configuración en paralelo de dos transformadores monofásicos, se optó por seleccionar dos equipos que tuviesen las mismas características para así contrastar con la teoría y observar los alcances que se tendrían. Debido a que se trabajó con equipos tratados en prácticas anteriores fueron innecesarias las pruebas de devanados en serie pues ya se conocían de antemano los mismos. Cuando se conocen las polaridades se procede a realizar su respectiva conexión en paralelo tanto de los devanados primarios como de sus devanados secundarios donde se registra la corriente circulante. Por último se conecta una carga resistiva a los devanados secundarios y se aumenta la misma con el fin de llevar los dos trafo a sus valores nominales. En este informe se analizaran los resultados de esta configuración evaluando los límites hasta donde se puede trabajar con los dos trasformadores en paralelo mediante eficiencias, regulaciones y demás.
2. PROCEDIMIENTO DESARROLLADO 2.1 Se trabaja con los transformadores monofásicos 1 y 2 cuyas características son: Transformador
No. 1
Transformador
No. 2
Potencia Nominal Voltaje Nominal devanado de baja
1 KVA 115
Potencia Nominal Voltaje Nominal devanado de baja
1 KVA 115
Voltaje Nominal devanado de alta
230/460
Voltaje Nominal devanado de alta
230/460
Tabla 1 descripción descripción de los transformadores. Se realiza la conexión mostrada en la figura siguiente donde se decide trabajar por el lado de baja debido a que en este se puede extraer más corriente y esto es algo conveniente cuando se usa el analizador de redes puesto que para valores menores a 1 amperio la precisión del mismo es un poco cuestionable, a su vez se maneja una tensión de salida más baja lo cual cual es más seguro. Ahora se procede a medir el valor de la la corriente circulante:
Voltaje en el primario constante:
230 V
Corriente circulante de vacío
3,4 mA
Tabla 2 Voltaje del primario y corriente circulante.
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Figura 1 Esquema del montaje realizado en la práctica.
Para garantizar una tensión de alimentación constante se usa el variac trifásico ya que además de actuar como regulador nos permite extraer los 8 amperios que se requieren en el primario luego se conecta carga al circuito para medir con el analizador de redes las variables solicitadas, los resultados son mostrados en la tabla siguiente:
Voltaje Potencia Corriente Secundario de entrada secundaria [V] [W] [A]
potencia activa secundaria [W]
corriente secundaria [A]
potencia activa secundaria [W]
corriente secundaria total [A]
potencia de salida total [W]
114,1
220
0,84
96
0,89
101
1,76
200
113,9
320
1,28
145
1,35
153
2,53
288
113,4
420
1,72
195
1,81
205
3,4
385
113,3
520
2,12
241
2,25
255
4,22
479
113,2
625
2,55
289
2,7
305
5,05
572
112,5
720
2,98
336
3,15
356
5,92
669
112,8
830
3,4
384
3,61
407
6,77
764
112,3
1120
4,66
524
4,91
552
9,26
1040
112
1300
5,44
608
5,75
644
10,85
1214
111,5
1500
6,17
686
6,55
728
12,35
1375
111,4
1750
7,02
782
7,61
850
14,37
1604
111
1900
7,72
856
8,39
929
15,83
110,9
2125
8,55
949
9,28
1027
17,51
1753
1938
Tabla 3 Datos de transformadores bajo carga.
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3. RESPUESTAS DEL CUESTIONARIO 3.1 ¿Qué se puede concluir de la conexión en serie de los transformadores realizada en el numeral 4.2? ¿Cuál es la máxima potencia que se le podría extraer al sistema? ¿Por qué? El tipo de conexión va a depender de su propósito ya que si los transformadores se colocan en serie o en paralelo va a variar las características de la señal entregada ya sea obteniendo mayor potencia, mayor voltaje o menor corriente. Cuando tenemos los 2 transformadores en serie se obtiene una relación de transformación diferente de la entrada respecto a la salida de la conexión de los 2 transformadores en serie, por ejemplo si suponemos 2 transformadores con iguales características y valores nominales al hacer esta conexión obtendríamos la misma potencia que la que obtendríamos con 1 solo transformador. Miremos los valores nominales en los 2 transformadores si están conectados a una fuente que les suministra su potencia nominal :
Si a es la relación de transformación en cada transformador, tenemos en el devanado secundario:
Ahora, como los devanados secundarios secundarios se conectan en serie, entonces entonces en la salida de los 2 transformadores en serie es:
Por lo tanto, la potencia en la salida de los 2 transformadores en serie:
Se conserva la misma potencia nominal de los transformadores en serie ya que al cambiar la relación de tensión en la salida respecto a la entrada también varía a su vez la relación de las corrientes manteniéndose así las potencias en cada transformador. Pero es importante saber que si las corrientes nominales de los transformadores conectados en serie no son iguales, la corriente de salida del sistema no puede superar la magnitud de la menor de cualquiera de las 2 corrientes nominales, esto implica que . Pero cuando tenemos los 2 transformadores en paralelo obtendríamos la suma de las 2 potencias nominales, con los voltajes y corrientes nominales en los transformadores; ya que al conectar en paralelo por ejemplo los devanados primarios a una misma fuente de voltaje de tal forma que la potencia de cada transformador seria:
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Donde haciendo la conexión en paralelo tendríamos un voltaje constante y el mismo entre los devanados en paralelo pero la corriente total vendría siendo la suma de las corrientes nominales que circularían por el devanado de cada transformador:
Por tanto la potencia generada por los 2 transformadores seria:
Entonces:
Hay que tener en cuenta que al hacer esta conexión es muy importante la polaridad de los transformadores ya que se puede llegar a hacer un corto si se conectaran los devanados uno por el positivo con el otro por el negativo. Esta conexión en paralelo se evidencio en la práctica ya que al conectar los 2 transformadores en paralelo llegamos a los siguientes resultados sabiendo que los 2 transformadores son de 1KVA y verificando las corrientes y potencias: Voltaje primario [V] 110,9
Potencia de entrada [W] 2125
Corriente secundaria [A] 8,55
potencia activa secundaria [W] 949
corriente secundaria [A] 9,28
potencia activa secundaria [W] 1027
corriente secundaria total [A]
potencia de salida total [W]
17,51
1938
Tabla 4 Datos de potencia nominal.
3.2 ¿Qué ocurre cuando los secundarios de los transformadores se conectan en paralelo con polaridad incorrecta? Analizando el circuito secundario secundario con con la polaridad polaridad invertida, invertida, donde donde ic es la corriente corriente circulante circulante en vacío vacío se obtiene obtiene el siguiente circuito de la fig. __.
Figura 2. Circuito desde el secundario en vacío. Laboratorio Máquinas Eléctricas I
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Ya que para realizar la conexión en paralelo los transformadores deben ser de características parecidas con y muy similares, al hacer hacer la conexión con las polaridades inversas se observa que el Ic va a ser muy muy grande y quemaría los devanados ya que se sumarian los voltajes y .
3.3 ¿Qué ocurre si los voltajes secundarios de los transformadores conectados en serie o en paralelo difieren un poco? Si la conexión se realiza en serie, los voltajes de los secundarios pueden ser distintos, siempre y cuando la corriente sea la misma. Pero si las corrient corrientes es de los secundarios son distintas, esto violaría el principio de la ley de corrientes de Kirchhoff, por lo tanto si una de las corrientes es mayor a la otra, puede suceder que se exceda el valor nominal de la máxima corriente soportada por un devanado. Cuando los voltajes secundarios de los transformadores difieren considerablemente y se realiza una conexión en paralelo uno de los trafos asumiría el otro como una carga, lo que llevaría que dentro de este transformador se presente una corriente, lo que aparte de ocasionarle pérdidas al sistema, ocasiona un desgaste en el núcleo y los devanados del segundo transformador. Si la diferencia entre los voltajes de los secundarios es mínima no ocurriría mayor inconveniente, sin embargo si no es así podría aparecer una corriente exagerada que comprometería la integridad de los devanados.
De la ecuación anterior se puede asegurar que el denominador es muy pequeño (impedancias de los devanados) por ello un numerador que no se aproxime a cero podría causar una Ic considerable. Además tampoco tampoco se alcanzaría alcanzaría la máxima máxima potencia potencia de los trafos trafos limitando limitando la potencia potencia de de conexión de de operación. operación. Para la conexión en paralelo de dos transformadores, se deben cumplir condiciones, que, en orden de importancia son: 1) Las tensiones secundarias deben estar en fase. 2) Las relaciones de transformación deben ser iguales. 3) Las tensiones de cortocircuito deben ser iguales. 4) Las impedancias de cortocircuito deben tener el mismo ángulo de fase. La primera de las condiciones enunciadas es vital, es decir que si no se cumple, no se puede hacer el paralelo, porque se produciría un cortocircuito; las demás admiten diferencias: la segunda muy pequeñas y la cuarta es muy poco importante. La primera condición tiene que ver con la forma en que se deben conectar los transformadores, mientras que las restantes determinan el comportamiento de los transformadores ya conectados en paralelo.
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3.4 En el caso de la conexión en paralelo, explique el efecto de la corriente circulante cuando los transformadores tienen carga. Al momento de ponerle carga al trafo conectado conectado en paralelo, aparecen dos corrientes corrientes la corriente circulante se opone a una de ellas y apoya otro de ellas, esta corriente circulante también hace que solo se pueda extraer la potencia nominal de un solo transformador, está unida también las diferencias de los devanados, junto con las reactancias de flujo dispersos.
3.5 Considere dos transformadores con características técnicas diferentes, pero con voltajes secundario iguales. ¿Qué sucede si los transformadores se alimentan de fuentes diferentes, pero sus devanados secundarios se conectan en paralelo para alimentar una carga? Lo que se plantea es un esquema parecido al visto en clase, solo se deben tener ciertas consideraciones para las ecuaciones del nuevo caso.
Donde corresponde a la corriente circulante cuando el montaje está en vacío, es la corriente que pasaría por la carga y finalmente e que serían las corrientes aportadas por cada secundario de los transformadores. La primera consideración del enunciado nos da la idea o se podría suponer que los voltajes de entrada a los transformadores tienen valores distintos, los cuales a su vez, nos podrían indicar que las impedancias de los transformadores difieren entre transformadores e incluso las potencias nominales de los mismos. Mientras que la seg segunda unda consi onside derració ación n del del enu enuncia nciado do se pue puede inter nterpr pret etar ar com como . Ten Tenie iend ndo o en en cue cuent nta a las las dos dos consideraciones considerac iones anteriores se puede afirmar que seria cero, esto teóricamente teóricament e hablando puesto que en la práctica que esos voltajes sean idénticos no es muy común. Adicionalmente las corrientes aportadas por cada transformador van a ser distintas al tener impedancias distintas, limitándose así la potencia máxima del sistema en paralelo por la corriente nominal que sea menor.
3.6 Evalúe el comportamiento de la regulación de voltaje y la eficiencia de la conexión en paralelo considerando los datos medidos durante la práctica. Análisis de datos experimentales: A continuación continuación se analiza mediante tablas y graficas el desempeño desempeño de los transformadores transformadores conectados conectados e paralelo. Corriente sec. Trafo 1
0,89
1,35
1,81 1,81
2,25
2,7
3,15
3,61 3,61
4,91
5,75
6,55 6,55
7,61
8,39 8,39
9,28
Corriente sec. Trafo 2
0,84
1,28
1,72 1,72
2,12
2,55 2,55
2,98
3,4
4,66
5,44
6,17
7,02
7,72 7,72
8,55
Eficiencia del sistema
90,9
90,0
91,7
92,1
91,5
92,9
92,0
92,9
93,4
91,7
91,7
92,3
91,2
regulación
0,8
1,0
1,4
1,5
1,6
2,2
1,9
2,3
2,6
3,0
3,1
3,5
3,6
0,05
0,07
0,09
0,13
0,15
0,17
0,21
0,25
0,31
0,38
0,59
0,67
0,73
5
8
10
14
16
20
23
28
36
42
68
73
78
ΔI en los trafos [A] ΔW en los trafos
[W]
Tabla 5 Eficiencia del sistema, regulación y diferencias entre los 2 trafos.
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Regulación 115 o i r a 114 d n u c e 113 s l e n e 112 n ó i s n 111 e T
Tesion ideal Tension real
110 0
5
10
15
Carga Resistiva
Figura 3 Graficas de regulación. Se puede notar que la regulación empeora al aumentar la carga en el sistema algo que era de esperarse sin embargo son valores muy aceptables con un máximo del 3,6%. Respecto a la eficiencia se nota que permanece en un rango estrecho de valores con un máximo fuera de las corrientes nominales el cual difiere solo en 1% respecto a la las corrientes cercanas a la nominal.
10 9 8 Corriente Secundaria trafo 1
7 ] A [ 6 e t n5 e i r r o4 C
Corriente secundaria trafo 2
3 2 1 0 0
5
Carga resistiva
10
15
Figura 4 Corrientes secundarias de los trafos. Se observa de la figura anterior que al aumentar la carga se desvían los valores de corrientes en los transformadores siendo más alta en el trafo 1, este desfase máximo es de 730 mA como lo muestra la tabla 3, lo cual hace que se muestre un comportamiento similar en las gráficas de potencia donde se observa que la máxima diferencia es de 78 W debido a los 730 mA. Los datos de la tabla ------ también muestran que solo el trafo 2 puede trabajar con la corriente nominal y el trafo debe trabaja a 0.6 A menos. Tratar de trabajar con mayor potencia haría que uno de los devanados trabaje con una corriente superior a la nominal.
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4. CONCLUSIONES Y ANÁLISIS ANÁLISIS DE RESULTADOS. RESULTADOS. Aunque los transformadores transformadores usados fueron de la misma clase, fabricante e iguales condiciones, condiciones, se pudo observar que la diferencia en sus valores nominales fueron levemente diferentes por tanto es necesario tener en cuenta que al montar un esquema como este para resolver una necesidad de alimentación las características de los dos quipos debe ser idénticas.
Esta configuración presenta una ventaja económica al incrementar la capacidad de determinados circuitos que demandan una mayor cantidad de carga solo con la instalación de otro equipo similar lo cual se traduce en duplicar la potencia nominal. A su vez vez se soluciona el problema de cambiar el equipo puesto puesto que esto haría que se deba darle un uso al trafo retirado, venta, reciclaje u otro método que puede convertirse en pérdidas financieras. financieras.
En la práctica es imposible tener dos equipos que funcionen exactamente con los mismos valores, este problema puede ser más representativo cuando uno de los equipos tiene años de uso puesto que algunas de sus características han cambiado con el tiempo (aislamiento, calidad de los devanados, etc.), es por ello que al tener en cuenta esta configuración se debe considerar que solo uno de los trafos estará a potencia nominal.
Es muy importante que los voltajes secundarios de los transformadores sean aproximadamente iguales, de lo contrario la diferencia de potencial generaría una corriente circulante la cual podría crecer hasta superar ampliamente la nominal generando así un daño en el devanado o un cortocircuito.
Si se desea aprovechar al máximo un montaje de transformadores en paralelo, estrictamente se debe hacer con transformadores similares, las posibles diferencias entre ellos (analizadas durante la práctica), limitaría la potencia máxima del sistema. Si se necesita aumentar la potencia de un sistema, la conexión en paralelo sería una alternativa sino no se cuentan con los recursos necesarios para adquirir otro transformador como reemplazo, siempre y cuando la eficiencia del sistema no sea muy exigente.
5. BIBLIOGRAFIA [1] EE Staff del MIT, Circuitos Magnéticos y Transformadores . Editorial Reverté, 1943. a
[2] Gilberto Enríquez Harper, Curso de transformadores y motores de inducción , 4. ed. 2005. [3] http://212.175.131.171/IEC/iec60044-2%7Bed1.2%7Den_d.pdf [4] http://www.sbbc.com.sa/en/sbcbok/IEEE/C57-12-70-2000-Transformer-Standard/IEEE%20C57-12-90-
1999.pdf
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