Revista carrera de Ingeniería Eléctrica
ENSAYO DE CIRCUITO ABIERTO Y CORTOCIRCUITO EN TRANSFORMADORES Y MAQUINAS SINCRONAS OPEN CIRCUIT TEST AND SHORT CIRCUIT IN TRANSFORMERS AND SYNCHRONOUS MACHINES Lechón Edison1 Pachucho Karen 2 Sánchez Darwin 3 Sánchez Lizardo 4 Toapanta Luis5 Recibido 5 de diciembre de 2017, aceptado 5 de diciembre de 2017 Received: December December 27, 2017
Accepted: December December 27, 2017
RESUMEN En el presente trabajo, trabajo, el grupo conformado conformado por las personas descritas en al inicio, presentan el documento basado en una investigación acerca de las pruebas de cortocircuito y circuito abierto en los transformadores y la máquina síncrona dentro del estudio correspondiente a Sistemas Eléctricos de Potencia, el cual cumple un papel necesario necesario debido, a que dichas dichas máquinas permite permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente corriente alterna, manteniendo manteniendo la potencia, pero su aplicación técnica va más allá, donde en prácticas de laboratorio, como la que se presenta a continuación obedece a sus características, características, en ámbitos ámbitos de ensayos para su su mantenimiento. Los Los ensayos en un transformador representan las diversas pruebas que deben prepararse para verificar el comportamiento de la máquina. En la práctica es imposible disponer de cargas lo suficientemente elevadas para hacer un ensayo en situaciones reales. Dentro de sus características, mediante el manejo de la herramienta Matlab, se desarrolló el esquema eléctrico basado en las conexiones Y – Y, Y, Y – Δ, – Δ, Δ – Y, – Y, Δ - Δ. El esquema prese ntado permite obtener los valores tanto de corriente como de voltaje que permite para su respectivo calculo. Palabras clave: Sistemas Eléctricos de Potencia, transformador, maquina asíncrona. AB A B STR AC T
In the present work, the group formed by the t he people described in the beginning, b eginning, present the document based on a research about the short circuit and open circuit tests in the transformers and the synchronous machine within the study corresponding to Electrical Power Systems, the which fulfills a necessary role due to the fact that said machines allow to increase or decrease the voltage in an electric circuit of alternating current, maintaining the power, p ower, but its technical application goes further, where in laboratory practices, such as the one presented below It obeys to its characteristics, in areas of tests for its maintenance. The tests on a transformer represent the various tests that must be prepared to verify the behavior of the machine. In practice it is impossible to have loads high enough to do a test in real situations. Among its features, through the use of the Matlab tool, the electrical scheme based on the Y-Y, Y- Δ, Δ-Y, Δ- Δ connections was developed. The presented scheme allows to obtain the values of o f both current and voltage that it allows for its respective calculation. 1
Unidad Académica de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas. Universidad Técnica de Cotopaxi. Latacunga. Ecuador. E-mail: É
[email protected] 2 Unidad Académica de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas. Universidad Técnica de Cotopaxi. Latacunga. Ecuador. E-mail:
[email protected] 3 Unidad Académica de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas. Universidad Técnica de Cotopaxi. Latacunga. Ecuador. E-mail: Sánchezd@
[email protected] 4 Unidad Académica de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas. Universidad Técnica de Cotopaxi. Latacunga. Ecuador. E-mail: Sá
[email protected] 5 Unidad Académica de Ciencias de la Ingeniería y Aplicadas. Universidad Técnica de Cotopaxi. Latacunga. Ecuador. E-mail:
[email protected]
Lechón, Pachucho, Sánchez W, Sánchez D, Toapanta. Líneas de transmisión
Keywords: Power Electrical Systems, transformer, asynchronous machine.
INTRODUCCIÓN Pruebas a transformadores: Estas pruebas se hacen en los transformadores y sus accesorios por distintas razones, durante su fabricación, para verificar la condición de sus componentes, durante la entrega, durante su operación como parte del mantenimiento, después de su reparación, etc. Algunas de las pruebas que se hacen en los transformadores se consideran como básicas y algunas otras varían de acuerdo a la condición individual de los transformadores y pueden cambiar de acuerdo al tipo de transformador. La máquina recibe el nombre de alternador trifásico, el rotor de las máquinas está compuesto por un conjunto de arrollamientos que forman el inductor y que, al ser alimentados por una corriente continúa, dan origen a un flujo de valor constante pero giratorio al ser arrastrado el rotor por un motor primario mecánicamente acoplado a su eje. La alimentación al rotor con corriente continua se hace mediante anillos rozantes.
OBJETIVOS 1. Objetivo General Realizar las pruebas de circuito abierto y corto circuito para establecer las características, condiciones de funcionamiento y operación de un transformador y la máquina síncrona, mediante la utilización de un software para sus respectivas simulaciones.
ANÁLISIS TEÓRICO 1. Antecedentes Las pruebas se hacen en los transformadores y sus accesorios por distintas razones, durante su fabricación, para verificar la condición de sus componentes, durante la entrega, durante su operación como parte del mantenimiento, después de su reparación, etc. Algunas de las pruebas que se hacen en los transformadores se consideran como básicas y algunas otras varían de acuerdo a la condición individual de los transformadores y pueden cambiar de acuerdo al tipo de transformador, por lo que existen distintas formas de clasificación delas pruebas a transformadores. 2. Transformador. (Stephen, 2010) “El transformador es un dispositivo que transforma energía eléctrica, con una tensión e intensidad determinadas, en energía eléctrica, con tensión e intensidad distintas o iguales a las anteriores”. En esencia, un transformador está constituido por dos circuitos eléctricos acoplados magnéticamente, de tal manera que la influencia de un circuito sobre otro se hace a través de un flujo magnético, siendo por tanto la ley de inducción de Faraday el fundamento básico del funcionamiento del transformador.
2. Objetivos Específicos Determinar las curvas características de circuito abierto y corto circuito del generador síncrono y el transformador. Analizar el comportamiento de las curvas de corto circuito y circuito abierto. Comprender e interpretar la información de los datos obtenidos por las curvas del generador síncrono y el transformador.
Fig. 1. Esquema típico de un transformador. Fuente: Stephen, C. (2010). Máquinas Eléctricas.
3. Ensayos eléctricos.
en
transformadores
Los dos ensayos industriales más comunes que se pueden llevar a cabo para conseguir los parámetros del modelo reducido del transformador son el ensayo en vacío o circuito abierto y el ensayo en cortocircuito. 3
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Los circuitos equivalentes de cada uno de los ensayos van a ser los siguientes:
Puesto que las pérdidas en el devanado primario son muy pequeñas frente a las perdidas en el hierro (núcleo) se tiene que la potencia medida en la prueba que corresponde a las perdidas en vacío son aproximadamente iguales a las perdidas en el hierro:
≅ Fig. 2. Circuitos resultantes en los ensayos de a) circuito abierto y b) corto-circuito. Fuente: Stephen, C. (2010). Máquinas Eléctricas.
4. Ensayo en vacío o de circuito abierto (Pérez, 2001) “Tiene como fin de determinar la corriente en vacío (I0), la potencia en vacío (P0) que representa las pérdidas en vacío del transformador las cuales resultan de la suma de las pérdidas por histéresis y corrientes parásitas en el núcleo y el factor de potencia en vacío (cosϕ0)”. Esta prueba se puede efectuar alimentando indiferentemente el devanado primario o secundario del transformador, manteniendo el devanado no utilizado abierto. Tal elección está en función de la tensión de alimentación disponible. En el ensayo en circuito abierto el devanado del transformador, generalmente el del lado de mayor tensión (si el transformador es de MT o AT), se deja en circuito abierto y en el otro devanado se aplica la tensión nominal.
Además con la lectura del vatímetro se puede estimar el factor de potencia del circuito en vacío, el cual será:
cos = ∗ Finalmente la impedancia en vacío Z0 (que es RP en paralelo con j) se puede calcular de la siguiente manera: Magnitud de la impedancia:
0 = Angulo de la impedancia:
= cos− [∗ ] Debido a que esta impedancia de vacío es el resultante de un paralelo, los valores de los parámetros de y de se debe estimar con el concepto de admitancia (Y).
Admitancia en vacío:
1 = ⦟ Convirtiendo en rectangulares: Fig. 3. Ensayo de circuito abierto. Fuente: Pérez, P. A. (2001). Transformadores de distribución: teoría, cálculo, construcción y pruebas.
Mediante este ensayo se consigue el valor de las pérdidas en el hierro del transformador. Las pérdidas en vacío son las siguientes:
= 2 ∗ + 3
= + Resistencia de pérdidas:
= 1 Reactancia de magnetización:
= 1
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≅ ≅ (2 ∗ ) + (22 ∗ 2) 5. Ensayo en cortocircuito (Staff, 1965) “En el ensayo en cortocircuito un devanado del transformador, generalmente el del lado de baja tensión, se cortocircuita. En el otro extremo se aplica una tensión inferior a la nominal, tal que haga pasar por el devanado en cortocircuito la corriente nominal del devanado conectado a la fuente de alimentación”. La tensión que se aplica al devanado correspondiente, (que debe ser el de baja tensión si es un trafo de MT o AT), es del orden del 2 al 15 por ciento de la tensión nominal del transformador. Los porcentajes inferiores corresponden a los transformadores de mayor potencia. Dicha tensión recibe el nombre de tensión de cortocircuito, siendo un valor característico del transformador de tensión proporcionado por el fabricante y que se expresa en porcentaje respecto a la tensión nominal.
Además con la lectura del vatímetro se puede estimar el factor de potencia del circuito en cortocircuito, el cual será:
cos = ∗ Finalmente la impedancia en cortocircuito se puede calcular de la siguiente manera:
Z
Magnitud de la impedancia:
0 = Angulo de la impedancia:
= cos− [∗ ] Debido a que esta impedancia de cortocircuito es el resultante de los parámetros de R y X en serie se tiene entonces que: Resistencia:
= ∗ cos Reactancia:
= ∗ sin Fig. 4. Ensayo de corto circuito. Fuente: Staff, E. (1965). Circuitos magnéticos y transformadores.
En esta prueba, la potencia consumida corresponde a las pérdidas en el cobre de los dos bobinados, ya que la tensión aplicada en la prueba de cortocircuito suele ser pequeña comparada con la nominal, la corriente de la rama de magnetización, el flujo en el núcleo y las consecuentes pérdidas se pueden despreciar. En tales condiciones se determina la resistencia equivalente del transformador. Mediante este ensayo conseguimos conocer el valor de las pérdidas en el cobre del transformador, ya que las pérdidas en son despreciables frente a y 2
R R
R
6. Máquina síncrona (Pau Casals Torrens, 2005) “Las máquinas de corriente continua y de inducción tienen un amplio rango de aplicaciones industriales tales como tracción, bombeo, control y otros”. Sin embargo, la operación del sistema eléctrico de potencia requiere la conversión de grandes cantidades de energía primaria (petróleo, gas natural, agua, carbón, uranio), en energía y potencia eléctrica. La energía eléctrica puede ser transportada y convertida en otras formas de energía en forma limpia y económica. La máquina sincrónica es hoy por hoy, la más ampliamente utiliza-da para convertir grandes cantidades de energía eléctrica y mecánica 4
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7. Prueba de Circuito Abierto (Martín, 2002) “La prueba a circuito abierto, o prueba sin carga consiste, en colocar el Generador en vacío, es decir sin carga alguna en sus bornes, haciéndola girara su velocidad nominal y con corriente de campo igual a cero ”. Al ir aumentando gradualmente el valor de la corriente de campo, se obtienen diversos valores de y ya que la corriente que circula por la armadura siempre será cero debido que se encuentra en vacío, se obtendrá que gracias a ésta prueba, con los valores obtenidos, se puede f ormar “La cur va de Caracterí sticas de Vacío” que permite encontrar la tensión interna generada por una corriente de campo dada.
Si la máquina está conectada en estrella, la tensión de medida será un voltaje línea a línea y la tensión inducida por fase se puede encontrar en:
= √ 3∞ Técnicamente esta prueba se efectúa impulsando el generador a su velocidad nominal al tiempo que se deja abierto el devanado de la armadura. La corriente del campo se varía en pasos apropiados y se registran los valores correspondientes del voltaje a circuito abierto entre dos pares cualesquiera de terminales de los devanados de la armadura. La corriente del campo puede aumentarse hasta que el voltaje a circuito abierto sea el doble del valor especificado. De los datos registrados para el voltaje a circuito abierto es posible calcular el voltaje por fase (circuito abierto). Cuan-do se grafica el voltaje por fase (circuito abierto) como unción de la corriente de campo, se obtiene una gráfica llama-da característica (curva) de saturación a circuito abierto (CCA).
Fig. 5. Diagrama del circuito para realizar una prueba de circuito abierto Fuente: Martín, J. C. (2002). Máquinas eléctricas.
La prueba de circuito abierto se lleva acabo con los terminales de la máquina desconectada de cualquier circuito externo. El procedimiento de la prueba básica es:
Abra el circuito de los terminales del generador. Llevar la máquina a la velocidad síncrona mediante un sistema mecánico externo. Poco a poco aumentar la intensidad de campo y medir la tensión abierta en los bornes.
Como no hay corriente en la armadura, la tensión en los bornes de medida es la tensión inducida:
= 5
Fig. 6. Corriente De Campo Fuente: Martín, J. C. (2002). Máquinas eléctricas.
La CCA sigue una relación en línea recta en tanto el circuito magnético del generador síncrono no se sature. Debido a que en la región lineal el entrehierro con-sume la mayor parte de la FMM, la recta recibe el nombre de línea del entrehierro. A medida que la saturación se establece, la CCA comienza a desviarse de la línea de entrehierro.
8. Prueba de Cortocircuito
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(Martín, 2002)“Como su nombre indica, la prueba de corto circuito se lleva a cabo con los terminales de la máquina de un corto-circuito, consiste en llevar nuevamente la corriente de campo a cero, para luego cortocircuitar los bornes del generador y proseguir a ir incrementando la corriente de campo ”.
lecturas de la corriente de campo y del voltaje de armadura hasta llegar al 120% del voltaje nominal.
El procedimiento de ensayo básico es como sigue:
Establezca el campo actual a cero Un cortocircuito en los terminales dela armadura Accionar el generador a la velocidad síncrona con el sistema mecánico externo. Poco a poco aumentar el devanado de campo en curso hasta que la corriente de corto circuito de la armadura alcanza el valor nominal de diseño.
Fig. 7. Diagrama del circuito para ejecutar una prueba de cortocircuito. Fuente: Martín, J. C. (2002). Máquinas eléctricas.
La prueba en cortocircuito brinda información acerca de las potencialidades de corriente de un generador síncrono. Se lleva a cabo impulsando el generador a su velocidad nominal, con las ter-minales del devanado de la armadura en cortocircuito. Técnicamente esta prueba se efectúa colocando un amperímetro en serie con una de las tres líneas en cortocircuito. Características de Circuito Abierto
la
Prueba
Fig. 8. Diagrama fasorial de la prueba de circuito abierto. Fuente: Pau Casals Torrens, R. B. (2005). Máquinas eléctricas: aplicaciones de ingeniería eléctrica.
Con esta información se construye la característica de saturación en vacío. Se observa en la curva característica de vacío, la linealidad que se presenta para corrientes de campo bajas, pero a medida que la corriente de campo empieza a aumentar se acerca a la zona de saturación. Entre algunas ventajas que presenta este ensayo se encuentran: la facilidad en su implementación, además de ser una prueba que no ocasiona daños a la máquina. Características de la Prueba de Prueba de Cortocircuito
Al encontrarse el generado sincrónico girando a velocidad nominal con los terminales cortocircuitados, a medida que varía la resistencia de campo R, se toma en forma simultánea, las lecturas de las corrientes de armadura y de la corriente de campo.
de
El primer dato se toma cuando la corriente de campo, que corresponde al valor de la tensión residual. Posteriormente la corriente de campo se va incrementando gradualmente y progresivamente con el reóstato R, tomando
Fig. 9. Diagrama fasorial de la prueba de cortocircuito. Fuente: Pau Casals Torrens, R. B. (2005). Máquinas eléctricas: aplicaciones de ingeniería eléctrica.
Normalmente se toman datos para el 25%, 50% 75%,100% y el 125% de la corriente nominal de 6
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armadura. La prueba de circuito corto circuito pue-de realizarse fácilmente, ya que para su implementación no se necesitan equipos costosos ni de difícil consecución
MARCO EXPERIMENTAL.
CONCLUSIONES
REFERENCIAS. [1] Martín, J. C. (2002). Máquinas eléctricas. México: Editex. [2] Pau Casals Torrens, R. B. (2005). Máquinas eléctricas: aplicaciones de ingeniería eléctrica. Madrid: Univ. Politèc. de Catalunya,. [3] Pérez, P. A. (2001). Transformadores de distribución: teoría, cálculo, construcción y pruebas. México: Reverte. [4] Staff, E. (1965). Circuitos magnéticos y transformadores. México: Reverte. [5] Stephen, C. (2010). Máquinas Eléctricas. España: Mc Graw Hill.
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