Estructura y funcionamiento del transformador monofásico

UCSM

CIRCUITOS ELÉCTRICOS II

Tema:

Estructura y Funcionamiento del Transformador Ideal

I.

06.10.11 2/7 VI 1

Objetivos: 

II.

Página: Semestre: Grupo:

Verificar el funcionamiento y las principales relaciones matemáticas que se aplican en los transformadores monofásicos ideales.

Materiales y equipos:      

01 Transformador monofásico de 1KVA, 220/110V 01 Multímetro Digital 01 Amperímetro 0-5 A 01 Voltímetro de 0-300 V Conductores eléctricos varios 01 Variac (Transformador trifásico)

III. Fundamento Teórico: 

Inducción Mutua Los transformadores son dispositivos electromagnéticos que transfieren energía eléctrica de un circuito a otro por Inducción Mutua. La inducción mutua es el acoplamiento de inductancias por sus campos magnéticos mutuos. En un transformador monofásico hay dos bobinados, un bobi nado primario y otro secundario, en un núcleo de material ferromagnético el cual facilita el paso del flujo mag nético. Un generador CA (como es usual) provee de potencia eléctrica al bobinado primario. El campo magnético producido por este bobinado induce un voltaje en el bobinado secundario, el cual suministra potencia a la carga.

Los transformadores son usados para elevar un voltaje a un valor superior, o reducirlo a un valor inferior. Son usados extensivamente en sistemas de distribución de potencia, permitiendo a las compañías de suministro transportar potencia eléctrica a distancias muy grandes Hay una relación directa entre el voltaje, la impedancia, la corriente y el número de espiras de las bobinas en un transformador. Esta relación puede ser usada para encontrar ya sea el voltaje, la corriente o el número de espiras en cada bobinado primario y secundario. El número de espiras es el número de vueltas de conductor que determinan si un transformador es elevador o reductor. Las siguientes “reglas” pueden ser aplicadas a los transformadores:  

Si el bobinado primario tiene menos vueltas que el secundario, es un transformador eleva dor. Si el bobinado primario tiene más vueltas que el secundario, es un transformador reductor.

Cuando el número de vueltas del primario y secundario son iguales, el voltaje de entrada, la impedancia y la corriente son iguales en la salida.

Transformador Elevador:

Transformador Reductor:

Relación de transformación Esta relación está directamente ligada al diseño y construcción de las máquinas eléctricas estáticas donde relaciona los voltajes y corrientes del lado primario y secundario con el número de vueltas de cada bobinado (N1 y N2 respectivamente) donde se cumple la relación matemática:

a

V1 I 2 N 1   V2 I 1 N 2

IV. Procedimiento: V.1. Armar el siguiente circuito

A Alimentación 2x220V

Salida 2x0-250V

X

V2

V1 x

Autotransformador Variable

Y

y

Transformador a ensayar

V.2. Con el multímetro verificar cual es el lado de alta tensión y cual el de baja tensión, (recordar que el lado de alta tensión tiene muchas espiras y de alambre muy delgado, por lo que la resistencia es alta, mientras que el lado de baja tensión tiene pocas espiras y su conductor es más grueso por lo qu e tiene baja resistencia).

Rint (AT)

Rint (BT)

1.6Ω

0.5Ω

V.3. Alimentar por el lado primario con 220V. V.4. Medir las tensiones en el lado primario y secundario, respectivamente, hacer variar la tensión de salida del autotransformador de 10 en 10 voltios hasta llegar al voltaje nominal Un del lado primario. V1

V2

a = V 1/V 2

10

5.1

1.96

20

10.2

1.96

30

15.1

1.98

40

20.1

1.99

50

25.1

1.99

60

30.1

1.99

70

35.2

1.98

80

40.5

1.97

90

45.6

1.97

100

50.8

1.96

110

55.2

1.99

120

60.1

1.99

130

65.3

1.99

140

70.2

1.99

150

75.1

1.99

160

80.1

1.99

170

85.1

1.99

180

90.1

1.99

190

95.1

1.99

200

100.2

1.99

210

105.2

1.99

220

110.1 Tabla.1

1.99

V.5. Armar el circuito N°2.

A1 Alimentación 2x220V

Salida 2x0-250V

X

V1

A2 Zcarga

x Autotransformador Variable

Y

y

Transformador a ensayar

V.6. Con la tensión nominal y haciendo variar la carga medir las corrientes en el lado primario y secundario (hasta un máximo de corriente de 1.5A en el primario y 3 A en el secundario), respectivamente.

Para efectuar este punto las resistencias se conectaron en serie al comienzo y luego en paralelo para que cada que la corriente a través de ellas no supere el límite de 4.4A.

Iteórico1(A)

Iteórico2(A)

I1 (A)

I2 (A)

a = I2/I1

V 1 (V)

V 2 (V)

a = V 1/V 2

0.5

1

0.68

1

1.47

220

112.3

1.95

1

2

1.15

2

1.73

220

108.7

2.02

1.5

3

1.6

3

1.87

220

112.1

1.96

2

4

2.25

4

1.77

220

112.1

1.96

2.5

5

2.65

5

1.88

221.2

107.5

2.07

3

6

3.15

6

1.9

219.8

105.9

2.07

3.5

7

3.7

7

1.89

218.8

104.6

2.09

4

8

4.25

8

1.89

217.9

105.8

2.06

4.5

9

4.54

9

1.99

220.8

104.6

2.11

Tabla.2

V.

Cuestionario V.1. ¿Cómo se reconoce cual es el lado de baja tensión y cuál es el lado de alta tensión? Si se mide la resistencia de los bobinados se notará que uno de ellos tiene mayor resistencia, es decir que tendrá mayor número de espiras, además que el diámetro del conductor será menor, este será el lado de alta tensión. El otro bobinado de menor resistencia tendrá menos espiras con un conductor de mayor diámetro, es decir que conducirá mayor corriente que el de alta tensión y menor voltaje, este bobinado será entonces el de baja tensión. V.2. Detallar los tipos de pérdidas que se presentan en el funcionamiento de un transformador. Pérdidas en Vacío: Durante el funcionamiento de un transformador en vacío, tienen lugar las siguientes clases de pérdidas:  Pérdidas en el cob re del primario, debida a la resistencia óhmica del conductor.  Pérdidas principales en el acero del núcleo, compuestas de pérdidas por histéresis y corrientes parásitas.  Pérdidas adicionales en vacío: o

Debidas a la modificación de la estructura de las chapas de acero del núcleo durante su tratamiento mecánico.

o

Debidas a las pérdidas de las junturas y sitios de disposición de los espárragos a causa d e la distribución irregular de la inducción magnética

o

Debidas a pérdidas en materiales de construcción: espárragos, vigueta s para prensar las culatas, cuba del transformador, etc. Las pérdidas adicionales en vacío no se someten a un cálculo exacto. Por eso las pérdidas de un transformador en vacío se calculan por los datos tabulados para las pérdidas específicas en las cuales entran también las pérdidas adicionales en vacío.

La potencia consumida por un transformador en vacío se gasta íntegramente para compensar las pérdidas en vacío. Pérdidas de cortocircuito: Puesto que en condiciones de cortocircuito el flujo principal es muy pequeño, las pérdidas en el acero del núcleo pueden ser despreciadas y se puede considerar que la potencia de cortocircuito solo se gasta para compensar las pérdidas que tienen lugar en el cobre de los devanados.

Las pérdidas en el cobre están compuestas por:  

Las pérdidas principales determinadas por la resistencia a la corriente en los devanados.

Las pérdidas adicionales en el cobre, determinadas por las corrientes parásitas que surgen en el devanado por la imperfección del cruzado de los hilos conductores, etc. Las pérdidas principales en el cobre de los devanados constituyen la parte fundamental de todas las pérdidas en el cobre.

V.3. En forma tabulada comprobar las relaciones matemáticas de la teoría de las máquinas eléctricas. Ver tablas 1 y 2. V.4. ¿Cuál es la relación de transformación teórica que ha determinado? a=2 V.5. En forma tabulada mostrar los errores absolutos y relativos porcentuales de la relación de transformación que se obtuvieron en el desarrollo de la presente experiencia.

Variando la tensión de entrada del transformador: aExp.

er 

ea 100% Vt

aTeórico

ea  Vt  Ve

2

0.04

2%

1.96

2

0.04

2%

1.98

2

0.02

1%

20.1

1.99

2

0.01

0.5%

50

25.1

1.99

2

0.01

0.5%

60

30.1

1.99

2

0.01

0.5%

70

35.2

1.98

2

0.02

1%

80

40.5

1.97

2

0.03

1.5%

V 1 (V)

V 2 (V)

10

5.1

a = V 1/V2 1.96

20

10.2

30

15.1

40

90

45.6

1.97

2

0.03

1.5%

100

50.8

1.96

2

0.04

2%

110

55.2

1.99

2

0.01

0.5%

120

60.1

1.99

2

0.01

0.5%

130

65.3

1.99

2

0.01

0.5%

140

70.2

1.99

2

0.01

0.5%

150

75.1

1.99

2

0.01

0.5%

160

80.1

1.99

2

0.01

0.5%

170

85.1

1.99

2

0.01

0.5%

180

90.1

1.99

2

0.01

0.5%

190

95.1

1.99

2

0.01

0.5%

200

100.2

1.99

2

0.01

0.5%

210

105.2

1.99

2

0.01

0.5%

220

110.1

1.99

2

0.01

0.5%

Con tensión nominal y variando la resistencia de carga: aExp.

I1 (A)

I2 (A)

a = I2/I1

0.68

1

1.15 1.6

ea 100% Vt

aExp.

V1 (V)

V2 (V)

a = V 1/V 2

26.5%

220

112.3

0.27

13.5%

220

0.13

6.5%

220

2

0.23

11.5%

2

0.12

6&

0.1

5%

0.11

5.5%

0.11 0.1

aTeórico

ea  Vt  Ve

1.47

2

0.53

2

1.73

2

3

1.87

2

2.25

4

1.77

2.65

5

1.88

3.15

6

1.9

2

3.7

7

1.89

2

4.25

8

1.89

2

4.54

9

1.99

2

er 

er 

ea 100% Vt

aTeórico

ea  Vt  Ve

1.95

2

0.05

2.5%

108.7

2.02

2

0.02

1%

112.1

1.96

2

0.04

2%

220

112.1

1.96

2

0.04

2%

221.2

107.5

2.07

2

0.07

3.5%

219.8

105.9

2.07

2

0.07

3.5%

218.8

104.6

2.09

2

0.09

4.5%

5.5%

217.9

105.8

2.06

2

0.06

3%

5%

220.8

104.6

2.11

2

0.11

5.5%