guÍa de laboratorio de mÁquinas elÉctricas estÁticas ml223 (28.03.2013)
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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 Tarazona Bermúdez
Año 2013
CRITERIOS DE EVALUACIÓN
Informe final: Este informe se será realizado por el grupo de alumnos que
realizó 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 una semana después en la hora
de laboratorio
Luego de realizarse las cuatro primeras experiencias, habrá una
sustentación oral 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 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:
1. Informe final : 07
2. Participación en experiencias y evaluación oral : 03
3. Sustentación oral : 10
Se considera tardanza, el ingreso al laboratorio luego de 15 minutos de
la hora programada. La tardanza 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
G/S 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1
FOR
MA
CIO
N D
E GR
UP
OS
1 2 3 4
REC
UP
ERA
CIO
NES
SUSTEN
TAC
ION
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MEN
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RC
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5 6 7 8
REC
UP
ERA
CIO
NES
SUSTEN
TAC
ION
SUSTEN
TAC
ION
2 2 3 4 1 6 7 8 5
3 3 4 1 2 7 8 5 6
4 4 1 2 3 8 5 6 7
G: GRUPOS S: SEMANA
EXPERIENCIAS
1. EL REACTOR DE NUCLEO DE HIERRO. 5. TRANSFORMADORES EN PARALELO
2. EL TRANSFORMADOR MONOFASICO. 6. EL AUTOTRANSFORMADOR MONOFÁSICO
3. EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO. 7. EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO EN ACEITE
4. BANCO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS 8. BANCO DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS
EN CONEXIÓN TRIFÁSICA Yy , Dd, 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
VReactor
220 V
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:
A W
V
Reactor
220 V
60 HZ
Fig. 1.2
HorizontalAmplificacion
Osciloscopio
AmplificacionVertical
20 uF 0 - 4.5 ohm
60 k
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 W
V
Reactor
V y F
Variables
Fig. 1.3
F
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:
2
1
2
1111 fkfkp eh
2
2
2
2221 fkfkp eh
2
3
2
3331 fkfkp eh
Las cuales, al resolverse como ecuaciones simultáneas, proporcionan los siguientes
resultados (donde a = f2/f1)
1
2
2
21
2
13
2
2
3
2
2
2
2
log
])1()(
)([log
PaaPaP
PaP
22
3
2
2
)1( af
PaPkh
12
2
2
2
32
a
a
f
PaPke
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.
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
V
WA
VF220V
60Hz
110/220V
FIGURA 2.1
Ajustando el auto transformador, variar la tensión hasta que el voltímetro
indique el valor nominal (110) voltios.
Mediante el mismo proceso, reducir la tensión desde 120% 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
60 HZ
220 V
Fig. 2.2
220/110
A
WA
VF
A partir de cero voltios aumentar gradualmente la tensión hasta lograr la
corriente nominal en el lado de 220 v.
Registrar las lecturas de tensión, corrientes y las pérdidas en carga dada por
el vatímetro en condiciones de corrientes nominales.
Cambiar la corriente primaria en etapas desde 120% hasta 10% 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 θo (%),
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:
100(%)2
22 xV
VV
O
O
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:
)º75(22 CPPCosIV
CosIV
LONN
ANAN
4.9 Comparar las pérdidas en el cobre (I1N)2 RT(W) con las pérdidas de carga PL
(75ºC) dada por la expresión:
)75235(
)235())((
)235(
)75235(1
2
11
2
1)º75(
tRItP
tRIP NCCNCL
Donde: I1N: Corriente nominal en el primario
Rt: resistencia equivalente en el arrollamiento primario a tºC = R1t +a2 R2t
4.10 Dar 5 conclusiones de la experiencia realizada.
LABORATORIO Nº 03
EL TRANSFORMADOR TRIFÁSICO
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 3KVA; 220/380V
1 Autotransformador trifásico (Variac) de 5 KVA
1 Multímetro digital
1 Vatímetro trifásico.
1 Cosfímetro 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.
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
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
25%, 50%, 75% y 100% 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:
03 resistencias ó focos incandescentes iguales conectadas en delta.
03 resistencias focos incandescentes iguales conectadas en estrella.
03 ramas R-C iguales conectadas en delta
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?
Procedemos a energizar el circuito formado. Ajustar el valor de la resistencia de carga
para obtener magnitudes de 25, 50, 75, y 100% 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 la corriente y voltaje de línea del
secundario.
Desconectar la carga y medir la tensión del primario para los valores anotados en las
diferentes condiciones de cargas fijas anteriormente.
índice de Carga ( ) (V) (V)
0,25
0,50
0,75
1,00
.
IV. Cuestionario
Prueba de vacío y cortocircuito:
1. 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
2. Realizar el esquema de conexiones para realizar la prueba de Cortocircuito en un
transformador, que condiciones son validas para realizar la prueba de
Cortocircuito.
3. Determinar los parámetros que representan el transformador real, las pérdidas en
el mismo y la eficiencia del transformador trifásico.
4. 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.
5. 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)
6. 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) Dar 5 conclusiones a la experiencia.
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
3 transformadores monofásicos de 1 KVA, 220/127
2 Multímetros Digitales.
1 Vatímetro monofásico
1 Vatímetro trifásico
1 Cosfímetro trifásico
1 Autotransformador trifásico
3 Resistencias variables (Focos incandescentes)
3 Condensadores de 20 µF
1 Motor eléctrico trifásico.
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 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 FIGURA 1. 2da Parte: Conexión Dd
U
V
W
u
v
w
ACOPLAMIENTO ESTRELLA ESTRELLA Y Y
U
V
W
u
v
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 en estrella.
Caso 02: 01 Motor eléctrico trifásico.
Caso 03: 03 Condensadores conectados en delta y estrella.
Caso 04: 01 Carga R-L-C desbalanceada en delta y estrella.
Realizar las mediciones de potencia, factor de potencia, y todas las corrientes
y voltajes tanto de línea como de fase.
FIGURA 3
Repetir el paso anterior, 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)
VARIAC
TRIFÁSICOVATÍMETRO
TRIFÁSICO
COSFIMETRO
TRIFÁSICO
CARGA
TRIFÁSICO
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 Dd?
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?
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
Serie No
V1
voltios
V2
voltios
V3
voltios
a = relación de
transformación
Polaridad Observaciones
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.
3. CUESTIONARIO
4.1.- 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:
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
III. PROCEDIMIENTO
Conectar el circuito de la figura 3
110 V 220 V
CARGA
TRIFASICA
D Y
D Y
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.
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.
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 θo (%),
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).
220 V
AUTO TRASFORMADOR
MONOFASICO
VARIAC.
Monofasico
VATÍMETRO DIGITAL
MONOFÁSICO
LN
U
I
T
N° 1
N° 2
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:
100(%)2
22 xV
VV
O
O
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:
)º75(22 CPPCosIV
CosIV
LONN
ANAN
4.9 Comparar las pérdidas en el cobre (I1N)2 RT(W) con las pérdidas de carga PL
(75ºC) dada por la expresión:
)75235(
)235())((
)235(
)75235(1
2
11
2
1)º75(
tRItP
tRIP NCCNCL
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 Cosfímetro 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:
- 03 resistencias iguales conectadas en delta.
- 03 resistencias iguales conectadas en estrella.
- 03 ramas R-C iguales conectadas en delta
Procedemos a energizar el circuito formado. Ajustar el valor de la resistencia de carga
para obtener magnitudes de 25, 50, 75, y 100% 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 la corriente y voltaje de línea del
secundario.
Desconectar la carga y medir la tensión del primario para los valores anotados en las
diferentes condiciones de cargas fijas anteriormente.
índice de Carga ( ) (V) (V)
0,25
0,50
0,75
1,00
Realizar las pruebas que se indican en el párrafo anteior para tres cargas
desbalanceadas.
Para las diferentes posiciones de los Taps del transformador realizar las pruebas que se
indican en el párrafo anterior.
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) Dar 5 conclusiones a la experiencia.
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 cosfímetro trifásico
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.
D Y
U
V
W
AUTOTRAFOTRIFASICO
N
u
v
w
VA
TIM
ET
RO
V
A
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.
FIGURA 4
V
A
AUTO TRAFO 3 Ø
VA
TIM
ET
RO
TR
IFA
SIC
O
U
V
W
u
v
w
A
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 en estrella.
Caso 02: 01 Motor eléctrico trifásico.
Caso 03: 03 Condensadores conectados en delta y estrella.
Caso 04: 01 Carga R-L-C desbalanceada en delta y 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.