Laboratorio 1 (Segunda Parte)

ENSAYO DE MÁQUINAS ELÉCTRICAS Laboratorio N° 1 (Segunda parte):

ENSAYO EN UN TRANSFORMADOR ELÉCTRICO DE POTENCIA CON CARGAS RESISTIVAS, INDUCTIVAS Y CAPACITIVAS.

Integrantes: Jorge Cárdenas Vivero. Carlos Conejeros Jerez. José Contreras Lefno. Carlos Córdova Solís. Rubén Delgado Colún. Felipe Diaz Obando. Profesor:

Luis Diaz Arriagada.

Fecha:  Fecha: 

27-03-2015.

Asignatura: Ensayo de máquinas eléctricas. Especialidad: Electricidad Especialidad: Electricidad industrial: Electromecánica (sección 730).

1. INTRODUCCIÓN: INTRODUCCIÓN: El presente informe describe las actividades realizadas en la asignatura “ensayo de máquinas eléctricas”, en las cuales se han aplicado métodos teóricos y prácticos respecto a medición de voltaje y corriente eléctrica en un transformador eléctrico de potencia, ejecutando ensayos sobre éste con cargas resistivas, inductivas y capacitivas, de acuerdo a los parámetros y especificaciones correspondientes. El objetivo principal de esta actividad consistió en el estudio de la regulación de voltaje de un transformador de potencia con cargas resistivas, inductivas y capacitivas. Éste informe ha sido dividido en cuatro partes, de acuerdo a la cantidad y tipos de procedimientos realizados durante esta experiencia, las cuales son nombradas y explicadas a continuación: 

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Introducción: Se plantea la introducción, la cual indica las partes en las cuales se divide el informe y el objetivo principal de la experiencia desarrollada durante el laboratorio (página presente). Objetivos: Se indica un listado de los objetivos secundarios a cumplir durante la experiencia. Desarrollo Desarroll o de la experiencia: Se explica paso a paso el desarrollo y dentro de éste, las observaciones obtenidas durante la experiencia realizada. Conclusiones: Se presentan las conclusiones con respecto a todas las actividades, análisis y resultados obtenidos de esta experiencia.

2. OBJETIVOS: 

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Reunir y analizar los diferentes tipos de elementos e instrumentos requeridos para la actividad a realizar. Montar y energizar un transformador de potencia con carga resistiva variable y registrar mediciones de voltaje y corriente eléctrica con distintos valores de impedancia. Registrar mediciones de voltaje y corriente eléctrica del transformador con carga inductiva con distintos valores de impedancia. Registrar mediciones de voltaje y corriente eléctrica del transformador con carga capacitiva con distintos valores de impedancia. Dar respuesta a cada una de las preguntas planteadas en la pauta de trabajo de la actividad, de acuerdo a los parámetros ya indicados. Detallar, comparar y realizar conclusiones, desarrollando posteriormente, un informe general y detallado con todos los cálculos y mediciones obtenidos, graficando los datos correspondientes, con respecto a todos los pasos desarrollados y conclusiones obtenidas en la experiencia.

3. DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA: Para la realización de esta actividad, disponíamos de los siguientes instrumentos y equipos requeridos: Cantidad

Materiales

1

Módulo de transformador EMS 8347-2

1

Módulo de fuente de alimentación alimentació n (0-200 V c-a) EMS 8829-2

1

Módulo de medición de c-a (250/250 V) EMS 8429-2

1

Módulo de medición de c-a (0.25/0.25 A) EMS 8428-2

1

Módulo de resistencia EMS 8319-2

1

Módulo de inductancia EMS 8328-2

1

Módulo de capacitancia EMS 8338-2

Varios

Cables de conexión EMS 8941

Una vez obtenidos los materiales, procedimos a montar el siguiente circuito que se muestra a continuación:

Figura n° 1

Según se puede apreciar, utilizamos los devanados 1 a 2 y 5 a 6 del transformador, ya que éstos están en igual relación de vueltas, por ende, el voltaje de entrada será igual al voltaje de salida. Una vez montado el circuito, procedimos a abrir todos los interruptores del módulo de resistencia R L para tener una corriente de carga igual a cero (impedancia infinita). Luego, procedimos a energizar la fuente de alimentación y ajustarla a 220 V c-a, tomando esta lectura en el voltímetro E 1  como referencia. Por último, procedimos a

registrar las lecturas de la corriente de entrada, la corriente de salida y el voltaje de salida, de acuerdo al ajuste realizado con cada uno de los valores de impedancia del módulo de resistencia RL, en la tabla que se indica a continuación:

ZL (Ω)

I2 (mA) c-a

E2 (V) c-a

I1 (mA) c-a

∞

0 46 94 139 185 228

220 217 215 209 205 201

10 54 101 146 192 234

4400 2200 1467 1100 880

Tabla n° 1 Una vez registradas las mediciones, reducimos a cero el voltaje de entrada y desconectamos la fuente de alimentación. Posteriormente, en base a las mediciones obtenidas, procedimos a responder las siguientes preguntas, indicadas en la pauta de trabajo: 1. Calcule la regulación del transformador, utilizando utilizand o los voltajes de salida en vacío y a plena carga anotados en la tabla n° 1. R: Para calcular la regulación de voltaje del transformador, aplicamos la siguiente fórmula: VR = Vvacío  – Vplena carga * 100% Vplena carga VR = 220 – 201 * 100% 201 VR = 9,5% De acuerdo al resultado obtenido, podemos apreciar que existe una diferencia de un 9,5% entre el voltaje de vacío y a plena carga del transformador, esto quiere decir que existe tal porcentaje de diferencia de voltaje a causa de la carga de mínimo valor conectada al devanado secundario del transformador. Esto se debe a que el devanado secundario del transformador posee una impedancia interna, por lo tanto, se producirán caídas de tensión entre la impedancia del devanado secundario y la carga conectada a este (conexión en serie), lo cual se podría explicar ó relacionar con el principio de la ley de tensiones de Kirchhoff.

2. ¿Son equivalentes los valores de VA del devanado primario y del secundario para cada valor de resistencia de carga indicado en la tabla? Fundamente su respuesta. R: Los valores de potencia aparente del devanado primario y secundario para cada valor de resistencia indicado, no son equivalentes, ya que una parte de la corriente eléctrica no se transforma. Esto se debe a que existen caídas de tensión entre la impedancia interna del devanado secundario y la carga conectada a este, por ende, la corriente eléctrica en el secundario será menor que la del primario (aumento de la impedancia). Por ejemplo, para el transformador con una carga de 880 Ω,   se puede apreciar lo siguiente: para el devanado primario, su potencia aparente estará dada por S = V * I, esto es: S = 220 V * 0,234 A y esto es 51,5 VA, mientras que para el devanado secundario, su potencia aparente estará dada por S = V * I, esto es S = 201 V * 0,228 A y esto es 45,8 VA. Posteriormente, procedimos a reemplazar la carga de resistencia variable por una carga inductiva de impedancia variable:

Figura n° 2

Luego, procedimos procedimos a registrar las lecturas de la corriente de entrada, la corriente de salida y el voltaje de salida, de acuerdo al ajuste realizado con cada uno de los valores de impedancia del módulo de inductancia, en la tabla que se indica a continuación:

ZL (Ω)

I2 (mA) c-a

E2 (V) c-a

I1 (mA) c-a

∞

0 49 95 140 186 226

220 214 210 205 200 193

10 56 102 147 193 232

4400 2200 1467 1100 880

Tabla n° 2

Según se puede apreciar en la tabla anterior, los valores de corriente y voltaje para el devanado secundario con carga inductiva, son muy similares a los valores de corriente y voltaje obtenidos con la carga resistiva y de esto podemos deducir que la carga inductiva se comportó muy similarmente a la carga resistiva, sin embargo, pudimos apreciar que el voltaje de salida E 2 del devanado secundario, resultó ser un poco menor a cada uno de los valores de voltaje de salida obtenidos con los valores de resistencia variable, lo cual se podría deber a que la carga inductiva conectada al devanado secundario, recibirá el voltaje del mismo (como si fuera un segundo transformador), que ya no es igual que el del primario, debido a las pérdidas comunes. Por último, procedimos a reemplazar la carga inductiva de impedancia variable por una carga capacitiva de impedancia variable:

Figura n° 3

Luego, procedimos procedimos a registrar las lecturas de la corriente de entrada, la corriente de salida y el voltaje de salida, de acuerdo al ajuste realizado con cada uno de los valores de impedancia del módulo de capacitancia, en la tabla que se indica a continuación:

ZL (Ω)

I2 (mA) c-a

E2 (V) c-a

I1 (mA) c-a

∞

0 53 107 158 209 260

220 220 232 236 242 251

9 49 100 151 202 251

4400 2200 1467 1100 880

Tabla n° 3

Según se puede apreciar en la tabla anterior, los valores de corriente y voltaje para el devanado secundario con carga capacitiva, resultaron ser mayores a los valores de corriente y voltaje obtenidos con las cargas resistiva e inductiva, y esto se debe a que el capacitor presenta una característica interesante, ya que se presenta una resonancia parcial entre la reactancia del devanado secundario y la carga capacitiva, por lo tanto, el capacitor actúa como un compensador ante un transformador como carga inductiva y por ende, tiende incluso a aumentar el voltaje de salida, conforme aumenta su valor capacitivo.

Posteriormente, procedimos a trazar las curvas de regulación del voltaje de salida E 2 para cada tipo de carga del transformador: 

Carga resistiva:

Gráfico n° 1 

Carga inductiva:

Gráfico n° 2



Carga capacitiva: capacitiva:

Gráfico n° 3

Según se puede apreciar en los gráficos anteriores, las curvas de regulación de voltaje de las cargas resistiva e inductiva son similares entre sí, mientras que la curva de la carga capacitiva muestra, de acuerdo a los valores registrados en la tabla n° 3, el aumento del voltaje del devanado secundario a medida que disminuíamos la impedancia del condensador. Una vez graficadas las curvas, procedimos a responder las siguientes preguntas planteadas en la pauta de trabajo: 1. Explique por qué el voltaje de salida aumenta cuando se utiliza una carga capacitiva. R: Como ya se planteó anteriormente, el condensador, en varios contextos de la electricidad, actúa como un compensador ante las pérdidas. Cuando se conecta una carga capacitiva a un transformador, se presenta una resonancia parcial entre la reactancia del devanado secundario y la reactancia de la carga, y al anularse ambas entre sí, el condensador actúa como compensador y tiende a aumentar el voltaje, incluso si se le aumenta su valor capacitivo.

2. Un transformador transformador tiene una impedancia impedancia muy baja (R y X pequeñas): pequeñas): a) ¿Qué efecto tiene esto en la regulación? R: Como ya hemos visto, la regulación de voltaje de un transformador, se define como la diferencia del voltaje entregado al devanado primario y el voltaje de salida del devanado secundario. Un transformador con baja impedancia, será una ventaja en lo que respecta a su regulación, puesto que un transformador con baja impedancia, se acerca a un transformador ideal (sin impedancia), y por ende, el voltaje entregado al devanado primario, será el mismo ó muy próximo al voltaje de salida del devanado secundario, por lo tanto, las pérdidas serán casi nulas y existirá el aprovechamiento de un voltaje casi ideal. b) ¿Qué efecto tiene esto en la corriente de cortocircuito? cortocircuit o? R: Para el caso de un cortocircuito, un transformador con baja impedancia es una total desventaja, puesto que los cortocircuitos se producen, precisamente, cuando la impedancia tiende a cero ó existirá una alta probabilidad de que se produzcan si la impedancia es próxima a cero, por lo tanto, un transformador con baja impedancia es más propenso a sufrir graves daños si un cortocircuito lo atraviesa. 3. A veces, los transformadores de gran tamaño no poseen propiedades óptimas de regulación, o sea, se diseñan así a propósito para que se puedan utilizar, con ello, los interruptores de tamaño razonable. Explíquelo. R: Esto es muy común en las estaciones de transformación, esto quiere decir que los transformadores de gran tamaño se diseñan con una mala regulación de voltaje (alta impedancia) para evitar las corrientes de cortocircuito que pudieran ocasionarse por algún motivo específico. A causa de su mala regulación, existirán pérdidas de voltaje no menores, sin embargo, la alta impedancia del transformador protegerá al mismo de un cortocircuito, evitando que éste sufra graves daños y así poder utilizar interruptores de menor tamaño. De esta forma se reducen los costos de inversión en éstos y además, la necesidad de tener que utilizar interruptores más grandes que deban soportar grandes arcos eléctricos. 4. ¿Es aproximadamente igual el calentamiento de un transformador cuando la carga es resistiva, inductiva ó capacitiva, para el mismo valor nominal de VA? ¿Por qué? R: El calentamiento de un transformador con distintas cargas a un mismo valor nominal de VA, no es el mismo, ya que cuando se tiene un transformador con carga inductiva, el factor de potencia tiende a disminuir (a mayor potencia reactiva, menor factor de potencia) y por ende, la corriente eléctrica tiende a aumentar y se produce un recalentamiento del transformador (las bobinas almacenan corriente eléctrica, ésta última está atrasada en 90° con respecto al voltaje y esta es la causa del por qué las inductancias son los elementos

que más calentamiento producen en máquinas eléctricas). Sin embargo, para un transformador con carga capacitiva, ocurre todo lo contrario, ya que el condensador contrarresta a la reactancia inductiva y actúa como un compensador, lo cual lleva a un aumento del voltaje (atrasado en 90° con respecto a la corriente eléctrica) y una disminución de la corriente eléctrica y por ende, el calentamiento del transformador disminuye. Por último, para un transformador con carga resistiva, el factor de potencia se mantiene constante y su temperatura será similar a la temperatura interna del transformador.

4. CONCLUSIONES: CONCLUSIONES: De acuerdo al procedimiento realizado en laboratorio, en base a la experiencia realizada, obtuvimos las siguientes conclusiones: Primero, procedimos a identificar los módulos de fuente de alimentación, transformador, además de las cargas de resistencia, inductancia y capacitancia de impedancias variables, instrumentos de medición y cables de conexión. Posteriormente, procedimos a energizar el transformador, con ambos devanados en igual relación, desde la fuente de alimentación a 220 V y registramos las lecturas de voltaje y corriente eléctrica de entrada y salida cuando conectamos al transformador, un módulo de resistencia variable, desde una impedancia infinita hasta un valor mínimo. Luego, procedimos a calcular la regulación de voltaje del transformador con carga resistiva, obteniendo un 9,5% de diferencia entre el voltaje de entrada y el de salida, debido a que un transformador con carga resistiva perderá voltaje en el devanado secundario, a causa de las caídas de tensión entre la impedancia interna del devanado y la carga. Por último, pudimos comprobar que los valores de VA del devanado primario y secundario no son iguales, pues esto se debe a que existen caídas de tensión entre la impedancia interna del devanado secundario y la carga conectada a este, por ende, la corriente eléctrica y el voltaje en el secundario tenderán a aumentar y disminuir, respectivamente (a medida que disminuimos la resistencia variable), pero manteniéndose estos valores, inferiores a los del devanado primario. Luego, procedimos a reemplazar la carga resistiva por una carga inductiva y registrar, nuevamente, las lecturas de voltaje y corriente eléctrica de ambos devanados y pudimos comprobar que las lecturas obtenidas con la carga inductiva, resultaron ser similares a las lecturas obtenidas con la carga resistiva, sin embargo, los valores del voltaje de salida con carga inductiva, resultaron ser un poco menores con respecto a los valores de voltaje obtenidos con carga resistiva, ya que al conectar una carga inductiva a un devanado inductivo, se generarán caídas de tensión un poco más grandes, debido a las impedancias de ambas inductancias y por ende, la regulación del voltaje será más baja. Por último, procedimos a reemplazar la carga inductiva por una carga capacitiva y registrar, nuevamente, las lecturas de voltaje y corriente eléctrica de ambos devanados y pudimos comprobar que las lecturas obtenidas con la carga capacitiva, resultaron ser mayores a las lecturas obtenidas con las cargas resistiva e inductiva, lo cual se puede explicar por el hecho de que el condensador posee una reactancia opuesta a la de una inductancia, por ende, se produce una resonancia parcial entre el condensador y el devanado secundario y por ende, el condensador tiende a compensar las pérdidas de voltaje, aumentando el voltaje de salida (aumento de la regulación del voltaje), incluso si se aumenta su valor capacitivo.

Posteriormente, Posteriormente, procedimos a registrar las curvas de regulación del transformador con los tres tipos de carga y pudimos apreciar más claramente cómo las curvas tendían a disminuir con las cargas resistiva e inductiva, sin embargo, con la carga capacitiva, la curva mostró la compensación y aumento del voltaje de salida, por las razones ya indicadas anteriormente. Una vez terminada la experiencia, procedimos a responder las preguntas planteadas en la pauta de trabajo. Como ya indicamos anteriormente, el voltaje de salida del transformador con carga capacitiva, aumenta porque se produce una resonancia parcial entre la inductancia secundaria y la carga capacitiva y por ende, se produce un aumento de las caídas de tensión, por propiedad de los capacitores como compensadores ante las pérdidas. Además, podemos concluir que un transformador con una impedancia baja posee ventajas y desventajas para la regulación y corrientes de cortocircuito, respectivamente, esto porque un transformador con baja impedancia da a lugar a un transformador casi ideal y con pocas pérdidas de voltaje, sin embargo, esto también significa un alto riesgo ante corrientes de cortocircuito, pues a una impedancia baja o nula, las corrientes de cortocircuito producirán desde recalentamientos excesivos hasta graves daños al transformador en un corto tiempo. Podemos concluir, además, que los transformadores de gran tamaño, como los de las estaciones de transformación, se fabrican con mala regulación (a propósito), pues, si bien se producirán pérdidas de voltaje a causa de esto, contribuirán a la seguridad del transformador, ya que de esta forma se evitarán las corrientes de cortocircuito ante altas impedancias y además, esto permitirá un menor costo de inversión en grandes interruptores de paso y corte, utilizando otros de menor tamaño. Por último, podemos concluir que el calentamiento de un transformador con distintas cargas a un mismo valor nominal de VA, no es el mismo, ya que cuando se tiene un transformador con carga inductiva, el factor de potencia tiende a disminuir (a mayor potencia reactiva, menor factor de potencia) y por ende, la corriente eléctrica tiende a aumentar y se produce un recalentamiento del transformador (las bobinas almacenan corriente eléctrica, ésta última está atrasada en 90° con respecto al voltaje y esta es la causa del por qué las inductancias son los elementos que más calentamiento producen en máquinas eléctricas). Sin embargo, para un transformador con carga capacitiva, ocurre todo lo contrario, ya que el condensador contrarresta a la reactancia inductiva y actúa como un compensador, lo cual lleva a un aumento del voltaje (atrasado en 90° con respecto a la corriente eléctrica) y una disminución de la corriente eléctrica y por ende, el calentamiento del transformador disminuye. Por último, para un transformador con carga resistiva, el factor de potencia se mantiene constante y su temperatura será similar a la temperatura interna del transformador. .