UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
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EL TRANSFORMADOR MONOFSICO
1.- PROBLEMACul es la razn entre la relacin de transformacin "a"
con los voltajes primarios y secundarios en un transformador
monofsico?Cmo determinar los parmetros del circuito equivalente del
transformador monofsico: resistencia RC, reactancia Xm, resistencia
equivalente Re y reactancia equivalente Xe?2.- INFORMACIN TERICAEl
transformador es una mquina elctrica esttica que convierte la
potencia CA de un nivel de voltaje en potencia CA de la misma
frecuencia en otro nivel de voltaje.
La relacin de transformacin "a" en un transformador ideal, donde
no existe perdidas de potencia, est dada por:(1)
(2)
Dnde:N1 y N2: Nmero de espiras del primario y secundario
respectivamente V1 y V2: Voltajes primario y secundario
respectivamenteI1 y I2: Corrientes del primario y secundario
respectivamente Z1 y Z2: Impedancias del primario y secundario
respectivamente
Sin embargo, el concepto de transformador ideal desprecia tres
elementos que deben considerarse al evaluar las caractersticas de
funcionamiento: 1) Resistencia de los devanados del primario y
secundario, 2) Reactancia de dispersin y 3) Prdidas en el ncleo
(histresis y corrientes de remolino). Al considerar estos elementos
tendremos un trasformados real
Figura 1. Circuito equivalente exacto de un transformador
real
Transformador Ideal
Aunque la fig. 1 es un modelo exacto de un transformador, no es
la ms utilizada. Normalmente se utiliza los circuitos equivalentes
que se muestran en las Figuras 2 y 3, referidos tanto al lado
primario como al lado secundario respectivamente.
Para la determinacin de los parmetros del circuito equivalente
se realizan los ensayos en circuito abierto y cortocircuito.
a) Ensayo de cortocircuito: Permite determinar Re y Xe, a partir
de las mediciones de PCC, VCC, ICC.
(3)
b) Ensayo en circuito abierto: Permite determinar RC y Xm, a
partir de las mediciones de V0, I0 y P0:
(4)
Fig. 2. Modelo Equivalente deTransformador referido al
primario
Fig. 3. Modelo Equivalente deTransformador referido al
secundario
La regulacin de voltaje a plena carga RV es una cantidad que
compara el voltaje de salida del transformador en vaco V20 con el
voltaje de salida a plena cargaV2pc:
La eficiencia de un transformador puede expresarse por:
3.- HIPTESISDeterminaremos los valores de los parmetros
caractersticos del circuito equivalente del Transformador
Monofsico, siendo estos Re, Xe, Rc y Xm. Y tambin aprenderemos a
realizar las mediciones en el Transformador Monofsico a travs de
los mtodos de Ensayo de Vaco y Ensayo de Cortocircuito.
4.- INSTRUMENTOS Y MATERIALES Una fuente CA 0-20 V, 4 A, 60 c/s
Un transformador: N1 = 200, 800, 1600; N2 = 100, 400 Un cosmetro
(Icos) modelo Polytest 1W Un multmetro Cables de conexin
Fuente de CACables de Conexin
Multmetro
Transformador
5.- DISEO EXPERIMENTAL
Fig. 4. El transformador como elevador y reductor de voltaje
Fig. 5. Prueba en cortocircuito del transformador
Fig. 6. Prueba en circuito abierto del transformador
6.- REALIZACIN DEL EXPERIMENTO Y OBTENCIN DE DATOS
6.1.- El transformador como elevador y reductor de
voltajeInstalar el circuito de la figura 4 y ajustar la fuente de
voltaje alterno Vf = 10 VAC, luego para los valores de N1 y N2 que
se indican en la TABLA 1 medir V2.Tabla 1
N1N2AV1 (Voltios)V2 (Voltios)V1/V2
ELEVADOR10020010220.45
40080010210.48
REDUCTOR16004004102.44.17
80040021052
6.2.- Pruebas del transformadorPara esta prueba considere un
transformador reductor de 800/100 vueltas, 96/12 VAC y Potencia
Aparente S = 9.6 VA.
6.2.1.- Prueba en cortocircuito (lado de alta tensin)Con la
fuente Vf al mnimo, instalar el circuito de la figura 5, con el
Polytest en modo de ampermetro, elevar Vf hasta que el ampermetro
marque la corriente nominal del lado de alta tensin del
transformador Icc = 0.1 A, enseguida cambiar el selector del
Polytest al modo cosmetro (para la instalacin del cosmetro consulte
con el profesor de prctica), anotar Icos as como la tensin medida
en el voltmetro VCC, y completar la Tabla 2. La potencia en
cortocircuito es PCC = (VCC)(Icos).Tabla 2: Prueba en
Cortocircuito
Icc (A)Vcc (Voltios)Pcc(VATIOS)Re()Xe()
0.19.30.4656046.580.5
6.2.2.- Prueba en circuito abierto (lado de baja tensin)Con la
fuente Vf al mnimo instalar el circuito de la figura 6, con el
Polytest en el modo de corriente, luego elevar Vf hasta que el
voltmetro marque el voltaje nominal del lado de baja tensin del
transformador V0 = 12 VAC y medir la intensidad de corriente I0.
Cambiar el selector del Polytest al modo Icos y medir esta
corriente. Completar la Tabla 3. La potencia en cortocircuito
abierto es P0 = (V0)(Icos)Tabla 3: Prueba en Circuito Abierto
Vo(V)Io(A)Po(VATIOS)Rc()Xm()
120.614.39253.1332.824.6
NOTA: Los datos de color rojo han sido obtenidos durante la
realizacin del presente experimento y los de color azul a partir de
los del experimento.
7.- ANLISIS Y DISCUSIN DE RESULTADOS
7.1.- Para los datos de la tabla 1, verifique la ecuacin (1)
Existe discrepancias? Explique.Con la ecuacin de un transformador
ideal:
La relacin de transformacin vara por escaso margen, por ejemplo
de 0.5 a 0.48; esto corrobora la teora, ya que esta frmula es vlida
si no se toma en cuenta las prdidas de flujo en el aire, as como la
resistencias en el cobre del transformador y las corrientes
parsitas.
7.2.- Usando los datos de la Tabla 2, y la ecuacin (3) determine
Re y Xe.
Hallando PCC:
PCC = VCC IcosPCC = 9.3 x 0.05 = 0.465 VA
Luego entonces:
Ahora determinaremos la impedancia equivalente:
Por lo tanto: (5)
7.3.- Usando los datos de la Tabla 3, y la ecuacin (4) determine
Rc y Xm.
Hallando P0:P0 = V0 IcosP0 = 12 x 0.366 = 4.392Luego
entonces:
Ahora determinaremos la impedancia equivalente:
Por lo tanto: (6)7.4.- Dibujar los circuitos equivalentes del
transformador ensayado en la prctica, referido al primario y al
secundario, indicando los valores de todos sus parmetros.
Modelo Equivalente deTransformador referido al primario
Modelo Equivalente deTransformador referido al secundario
7.5.- Para el transformador ensayado en la prctica, calcular la
regulacin de voltaje a plena carga RV, y su eficiencia ; para un
factor de potencia en atraso 0.8.Primero hallaremos RV:
Isnominal A ; F.P. = 0.8 en retraso Is
Ahora hallaremos la eficiencia:
Por lo tanto la eficiencia es:
8.- CONCLUSIONES El rendimiento del transformador se debe a que
ste no se encontr en buenas condiciones, ya que solo obtuvimos un
61.2%. Lo cual no corrobora la teora que dice que un transformador
en buenas condiciones debe dar una eficiencia mayor a 90%. En los
circuitos equivalentes se ve que las impedancias formadas por Xm y
Rc son pequeas en comparacin de la formada por Xe y Re, debido al
mal estado del transformador desgastado por su uso. Cuando se
contrast la teora del transformador ideal con las mediciones de
laboratorio, hubo una pequea diferencia en los valores de la
relacin de transformacin esto es explicado al no tener en cuenta la
dispersin del flujo, la resistencia del flujo y las corrientes
parsitas, adems de la imprecisin de instrumentos en las mediciones.
La razn de transformacin a del transformador como elevador siempre
es menor que 1; mientras que la razn de transformacin a del
transformador como reductor siempre es mayor que 1. Logramos
determinar los parmetros del circuito equivalente del transformador
utilizado en el experimento (ver ecuaciones 5 y 6).
9.- TRANSFERENCIA1.- Realiza una revisin bibliogrfica de las
principales aplicaciones del transformadorTanto en materia de
electricidad industrial y comercial como en radiotelefona,
telefona, televisin y electrnica en general, encuentra el
transformador un campo de utilizacin. Un caso significativo es el
de los sistemas de potencia en los que hace posible que la
generacin, transporte y consumo de energa elctrica se realicen a
tensiones ms rentables en cada caso. El transporte resulta ms
econmico cuando ms alta sea la tensin ya que la corriente y la
seccin de los conductores son menores.Los transformadores tienen
mucha importancia en nuestra vida cotidiana ya que todos los
aparatos elctrico tienen o dependen de un transformador para su
funcionamiento por ejemplo sin los transformadores no podramos
recargar los celulares y ni siquiera podramos prender el estreo o
la televisin.
TRANSFORMADOR ELEVADOR DE VOLTAJESon empleados por empresas
transportadoras elctricas en las subestaciones de la red de
transporte de energa elctrica, con el fin de disminuir las prdidas
por efecto Joule. Debido a la resistencia de los conductores,
conviene transportar la energa elctrica a tensiones elevadas, lo
que origina la necesidad de reducir nuevamente dichas tensiones
para adaptarlas a las de utilizacin.TRANFORMADOR DE
AISLAMIENTOProporciona aislamiento galvnico entre el primario y el
secundario, de manera que consigue una alimentacin o seal
"flotante". Suele tener una relacin 1:1. Se utiliza principalmente
como medida de proteccin, en equipos que trabajan directamente con
la tensin de red. Tambin para acoplar seales procedentes de
sensores lejanos, en equipos de electro medicina y all donde se
necesitan tensiones flotantes entre s.TRANSFORMADOR ESTABILIZADOR
DE TENSINEs un tipo especial de transformador en el que el ncleo se
satura cuando la tensin en el primario excede su valor nominal.
Entonces, las variaciones de tensin en el secundario quedan
limitadas. Tena una labor de proteccin de los equipos frente a
fluctuaciones de la red. Este tipo de transformador ha cado en
desuso con el desarrollo de los reguladores de tensin electrnicos,
debido a su volmen, peso, precio y baja eficiencia energtica.
2.- Se puede usar un transformador de 50 Hz en un sistema de 60
Hz?En transformadores, supngase de la misma capacidad. Si el
fabricante lo hace para 50 Hz, utiliza ms cobre (mas espiras y lo
tiene que hacer ms robusto-17% ms), por tanto se incremente las
prdidas en el cobre. Pero en 60 Hz se incrementa las corrientes
parsitas y el fenmeno de histresis por tanto se incrementan las
prdidas en el ncleo.En teora al trasformador no le pasa nada
funcionalmente, lo que "sufre" es el dispositivo que est conectado
a l, especficamente cargas inductivas de corrientealterna. Y como
regla general contra mayor es la frecuencia, menor debe ser el
tamao deltransformadorpara un mismo rendimiento
La respuesta es que, S lo puedes conectar, y el resultado que
obtendrs es que el rendimiento ser diferente, es probable que se
caliente. El voltaje que obtendrs va a ser menor, porque depende de
la frecuencia de operacin, a menor frecuencia menor voltaje de
salida en este caso.
3.- Por qu se oye un zumbido cuando estamos cerca de un gran
transformador de potencia?El campo magntico, crea un fenmeno
denominado "magnetostriccin" que no hace otra cosa ms que poner a
vibrar las capas metlicas presentadas en el transformador del
ncleo. Es importante mencionar que mientras ms anillos tenga
nuestra bobina y que la corriente sea mayor; el sonido es ms grande
ya que el campo magntico tambin lo es. Al sumergir las bobinas en
sustancia liquida (liquido dielctrico) el sonido disminuye pero aun
as se escucha.
LABORATORIO DE MQUINAS ELCTRICAS I