Transformador y autotransformador monofásico
Manobanda Vega Alex Fabian Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Escuela Politécnica Nacional Nacional Quito, Ecuador
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R esumen sumen-
La práctica 3 referido a transformador y autotransformador monofásico sirvió a los estudiantes para poder observar el comportamiento de estas máquinas eléctricas en el vacío y a diferentes niveles de carga conectado tanto como transformador y autotransformador. Antes de iniciar cualquier medición se procedió a realizar las pruebas para obtener las diferentes polaridades relativas del transformador (el transformador utilizado en la práctica consta de cuatro bobinas de idénticas características V= 110 V y I= 5 A). Después se realizó las mediciones de voltaje y corriente utilizando a la maquina eléctrica como transformador tanto en elevador (relación 1:2) como en reductor (relación 2:1) tener bastante cuidado con la corriente máxima que soporten los devanados en las diferentes conexiones de la práctica. Finalmente se conecta la maquina eléctrica como autotransformador y se procede a realizar las respectivas mediciones de voltaje y corriente de igual manera como se procedió cuando se trabajó como transformador.
I.
dos bobinas para formar el secundario. Entonces si se desea que el primario soporte los mismos 110 (V) con los que están fabricados las bobinas se deben conectar en paralelo dichas bobinas, en cambio si se desea que el secundario soporte 220 (V) estas bobinas deben de estar conectadas en serie, como se puede apreciar en la fig. 1. Ahora para que la maquina trabaje como autotransformador antes se debe conectar en paralelo dos bobinas del trasformador es decir se genera un transformador en relación 1:1, después de eso se conectan en serie el primario y el secundario y dependiendo de la forma de conexión de la fuente en el autotransformador este trabajara como elevador o reductor como se observa en las fig. 3 y fig.4.
CUESTIONARIO
II. A.
Tabular los datos de placa de los transformadores utilizados, y los datos obtenidos durante la práctica. TABLA I DATOS DE PLACA DEL TRANSFORMADOR
I NTRODUCCIÓN
La práctica de transformador y autotransformador monofásico tiene tres objetivos fundamentales: 1. Determinar la polaridad relativa de cada devanado de un transformador monofásico. 2. Relacionar los componentes co mponentes que influyen en el valor del voltaje inducido. 3. Estudiar el comportamiento del transformador monofásico y autotransformador bajo condiciones de vacío y carga Para determinar las polaridades relativas se cortocircuitea dos de los terminales de los devanados y se procede a conectar la fuente fuente a cualquier cualquier devanado devanado y a medir medir el voltaje en los terminales que no fueron cortocircuitados, como se puede observar en la fig.5. Como se mencionó el transformador presenta cuatro bobinas para poder utilizarlo como transformador se seleccionó dos bobinas para formar el primario y las otras
BOBINA
Voltaje (V)
Intensidad (A)
Potencia (VA)
A B C D
120 120 120 120
5 5 5 5
600 600 600 600
Fig. 1 Transformador elevador
TABLA II DATOS EXPERIMENTALES TRANSFORMADOR ELEVADOR
Voltaje (V)
Intensidad (A)
Paso de carga
Primario
Secundario
Primario
Secundario
0 1 2
123.2 122.2 121.7
244.6 200.2 151.6
0.3 5.6 8.2
0 2.8 4.2 Fig. 4 Autotransformador reductor
TABLA V DATOS EXPERIMENTALES AUTOTRANSFORMADOR REDUCTOR
Fig. 2 Transformador reductor
TABLA III DATOS EXPERIMENTALES TRANSFORMADOR REDUCTOR
Voltaje (V)
Intensidad (A)
Paso de carga
Primario
Secundario
Primario
Secundario
0 1 2 3 4
213.2 212.7 211.2 211.2 211.4
104.3 101.4 97.5 92.6 87.4
0.3 0.7 1.3 1.8 2.3
0 1.3 2.5 3.4 4.3
Voltaje (V)
Intensidad (A)
Paso de carga
Primario
Secundario
Primario
Secundario
0 1 2 3 4
211 210.7 210.7 210.5 210.6
105.6 105.4 104 103.5 102.8
0.2 0.7 1.3 2 2.7
0 1.4 2.7 3.9 5.3
Fig. 5 Polaridad relativa AB
Fig. 3 Autotransformador elevador Fig. 6 Polaridad relativa AC
TABLA IV DATOS EXPERIMENTALES AUTOTRANSFORMADOR ELEVADOR Voltaje (V)
Intensidad (A)
Paso de carga
Primario
Secundario
Primario
Secundario
0 1 2 3 4
123 121.7 120.4 119.5 118.9
243.9 235.1 223.1 210.3 197.1
0.4 6.2 11.6 16.3 20.2
0 3.3 6.1 8.4 10.5
Fig. 7 Polaridad relativa AD
TABLA VI POLARIDAD RELATIVA Bobinas
Voltaje (V)
Polaridad
A-B (fig.5) A-C (fig. 6) A-D (fig. 7)
243.5 241 2
Aditiva Aditiva Sustractiva
B. Para cada paso de carga, calcular la potencia de entrada, de salida, el rendimiento y la regulación de voltaje del transformador con los valores de la tabla II y III.
Potencia de entrada Pentrada = Vprimario * I primario Pentrada = 122.2 * 5.6 Pentrada = 684.32 (VA)
Potencia de Salida 700 600 500 400 300 200 100
Potencia de salida Psalida = Vsecundario * I secundario Psalida = 200.2 * 2.8 Psalida = 560.56 (VA)
0 0
1
2
3
4
Transformador Elevador Transformador reductor
Rendimiento n = (Psalida/Pentrada) * 100 n = 560.56/684.32 * 100 n =81.91 %
Fig. 8 Potencia de salida transformador
Rendimiento
Regulación de voltaje RV = (Vvacio - Vcarga/Vcarga) * 100 RV = (244.6 – 200.2)/200.2 * 100 RV =22.18 % TABLA VII
100 80 60 40
TRANSFORMADOR ELEVADOR 20 Paso de carg a
Primari o
Secundario
0
36,96
0
0
1
684,32
560,56
81,91489362
2
997,94
636,72
63,80343508
Potencia (VA)
Rendimiento
Regulación de voltaje
0 0
1
0 22,1778221 8 61,3456464 4
2
3
4
Transformador Elevador Transformador reductor
Fig. 9 Rendimiento transformador
TABLA VIII TRANSFORMADOR REDUCTOR Paso de carga
Potencia
Primario Secundario
Regulacion de voltaje
Rendimiento
Regulación de voltaje
0
0
70 60 50
0
63,96
0
1
148,89
131,82
88,53516019 2,859960552
2
274,56
243,75
88,77840909 6,974358974
20
3
380,16
314,84
82,81776094
12,6349892
10
4
486,22
375,82
77,29422895 19,33638444
0
40 30
0
C. Con los resultados obtenidos en el punto A graficar la potencia de salida, rendimiento y regulación de voltaje en función de los pasos de carga (utilizar una escala adecuada). Compare los resultados y justifique sus diferencias.
1
2
3
4
Transformador Elevador Transformador reductor
Fig. 10 Regulación de voltaje transformador
Como se puede apreciar en la fig. 8 la potencia en el caso de utilizar el transformador como elevador tendrá valores más grandes comparados con los del transformador reductor, esto se debe a que en el primer caso la corriente está más próximo al nominal es decir este próximo a trabajar a plena carga, en cambio a lo que se refiere de rendimiento al trabajar como reductor se obtendrá un mayor rendimiento comparado con el transformador elevador y lo mismo sucede con la regulación de voltaje D. Para cada paso de carga, calcular las potencias de entrada y salida, el rendimiento y la regulación de voltaje del transformador cuando funciona como autotransformador con los valores de la tabla IV y V.
Potencia de salida 2500 2000 1500 1000 500 0 0
1
2
3
4
Autotransformador Elevador
Las formulas y procedimiento utilizado para los cálculos son el mismo que el utilizado en el punto B. TABLA IX
Autotransformador reductor
Fig. 11 Potencia de salida autotransformador
AUTOTRANSFORMADOR REDUCTOR Paso de carga
Potencia
Primario
Secundario
Rendimiento
Regulación de voltaje
0
0
Rendimiento 120
0
42,2
0
1
147,49
147,56
100,0474608 0,189753321
2
273,91
280,8
102,5154248 1,538461538
3
421
403,65
95,87885986 2,028985507
4
568,62
544,84
95,8179452 2,723735409
100 80 60 40 20
TABLA X
0
AUTOTRANSFORMADOR ELEVADOR Paso de carga
E.
Potencia
Primario Secundario
0
Rendimiento
Regulación de voltaje
0
0
0
49,2
0
1
754,54
775,83
102,8215867 3,743088048
2
1396,64
1360,91
97,44171726 9,323173465
3
1947,85
1766,52
90,69076161 15,97717546
4
2401,78
2069,55
86,16734255 23,74429224
Con los resultados obtenidos en el punto D graficar la potencia de salida rendimiento y regulación de voltaje en función de la carga (utilice una escala adecuada). Compare los resultados y justifique sus diferencias.
1
2
3
4
Autotransformador Elevador Autotransformador reductor
Fig. 12 Rendimiento autotransformador
Regulador de voltaje 25 20 15 10 5 0 0
1
2
3
4
Autotransformador Elevador Autotransformador reductor
Fig. 13 Regulación de voltaje autotransformador
Como se puede apreciar en la fig. 11 la potencia en el caso de utilizar el autotransformador como elevador tendrá valores más grandes comparados con los del autotransformador reductor, esto se debe a que en el primer caso la corriente está más próximo al nominal es decir este próximo a trabajar a plena carga, en cambio a lo que se refiere de rendimiento los valores serán casi parecidos en los dos casos, la regulación de voltaje en el autotransformador elevador es mayor que el autotransformador reductor. F.
I.
¿La regulación de voltaje puede ser negativa? ¿Cuál es el significado de que esto ocurra? Sustente respuesta.
Si puede ser negativa, el significado de este valor es que la carga conectada al transformador presenta una carga capacitiva generando así una corriente en adelanto con el voltaje pudiendo ser el voltaje con carga mayor al voltaje en el vacío, como se muestra en la siguiente figura [2]:
Comparar el rendimiento del transformador monofásico con el del autotransformador para el caso de carga máxima, cuando funcionan como elevadores y reductores
Elevadores El rendimiento a carga máxima en el caso del autotransformador (87%) es mucho mayor que en el transformador (63%) Reductores El rendimiento a carga máxima en el caso del autotransformador (95%) es mucho mayor que en el transformador (77%) G. Señale las aplicaciones autotransformador
del
transformador
y
Tanto el transformador como el autotransformador se utilizan en lugares donde se desea interconectar circuitos que funcionan a tensiones diferentes, la única diferencia es que para los autotransformadores la relación está cercana a 2:1 en cambio en transformadores puede ser cualquier relación de transformación. Las aplicaciones puede ser las siguientes: Sistemas eléctricos de potencia, conectar cualquier equipo, aparato ya sea industrial o domestico que son fabricados para tensiones nominales diferentes a los entregado por las fuentes de alimentación por ejemplo un motor de 480 (V) conectados a una alimentación de 600 (V) [1]. H. ¿Por qué razón el dato de placa de potencia de los transformadores viene dado en kVA y no en kW?
La unidad kW es una unidad empleada netamente para referirse a la potencia activa de cualesquier carga, sin embargo en un transformador no se sabe a ciencia cierta si la carga será capacitiva, inductiva, resistiva o una combinación de las mencionadas anteriormente. Si la carga llegara a ser solo resistiva se puede utilizar la unidad kW, caso contrario toca hacer la relación respectiva para cuantizar cuanta potencia activa (kW) y potencia reactiva (kVA) están presentes en la carga [2].
Fig. 14 Diagrama fasorial de un transformador que opera con un factor de potencia en adelanto.
J. En un transformador que tiene varias bobinas, ¿cuál es el criterio empleado para formar el primario y el secundario? ¿Qué ocurre con el rendimiento y la regulación de voltaje cuando no se escoge adecuadamente las mismas?
Para formar el primario y el secundario en un transformador con varias bobinas se deben de conectar tanto en serie como en paralelo según sea la necesidad de relación de transformación. Como se mencionó si se conecta en paralelo (tener en cuenta la polaridad relativa conectar + con + y – con -) este soportara el mismo voltaje con los que están construidos las bobinas pero su intensidad aumentara, en cambio sí se conecta en serie (tener en cuenta la polaridad relativa cortocircuitar + con ) el voltaje soportado aumentara y la intensidad soportada será la misma con la que fueron fabricados las bobinas. Si no se toma en cuenta las polaridades relativas las relaciones de transformación no se cumplirán reduciendo el rendimiento del transformador. K. Indique las razones por las cuales se obtiene mayor potencia en un autotransformador que en un transformador estándar.
Esto es debido a que en el autotransformador se producen dos efectos de transferencia de energía la cual es por inducción eléctrica y acoplamiento magnético a diferencia que en el transformador solo se produce el fenómeno de acoplamiento magnético [2]. III.
CONCLUSIONES
En un transformador o autotransformador la polaridad relativa de sus bobinas es fundamental ya que si se desea
hacer diferentes conexiones entre los mismos hay que tener en cuenta esto, sino puede que se contrarresten los flujos magnéticos, generando esto que se induzca poco o nada de voltaje. El voltaje inducido en el secundario depende de las características de construcción del transformador, es decir existirán perdidas por las impedancias internas que se presentan en el transformador El rendimiento es un autotransformador es mucho mayor al rendimiento proporcionado por el transformador estándar. La regulación de voltaje idealmente debe ser cero, sin embargo dependiendo de las impedancias internas del transformador y de la carga conectada, este será mayor a cero cuando esté conectada una carga inductiva y este será menor a cero cuando se trate de una carga capacitiva. La potencia en un transformador no es constante, es decir la potencia del transformador que se transmite dependiendo de lo requerido por la carga, a menor carga menor potencia se transmite. El transformador es un maquina eléctrica que además de permitirnos varias las tensiones de entrada y salida, también puede servir como aislamiento eléctrico de ciertos circuitos.
IV. RECOMENDACIONES Siempre tener en cuenta la corriente y voltaje máxima que puede soportar una bobina de un transformador para no quemar los diferentes transformadores o autotransformadores. Ubicar de buena manera el primario y secundario del transformador, sin confundir los cables y terminales al momento de medir corriente y voltajes respectivamente.
REFERENCIAS [1]
[2]
(2016) Autotransformador. Acceso (Junio 2016) [online] Disponible:https://es.wikipedia.org/wiki/Autotransformador#Apli caciones S.J. Chapman, Maquinas Electricas, 3ra ed.,Mc Graw Hill, Mexico 2000, capitulo 2.
