UNIVERSIDAD DE LA COSTA – CUC PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA ASIGNATURA: ASIGNATURA: LABORATORIO LABORATORIO DE MÁQUINAS MÁQUINAS ELÉCTRICAS ELÉCTRICAS I LABORATORIO Nº 6 TEMA: PERDIDAS EN EL COBRE, ENSAYO EN CORTO CIRCUITO FECHA DE EJECUCION LABORATORIO: LABORATORIO: FECHA DE ENTREGA DE INFORME:
3 Septiembre de 2013 10 Septiembre de 2013
ELABORADO POR:
Liliana Baró Paz Gina Mantilla Vásquez Víctor Caicedo Jonathan Rodríguez
c.c: 1.140.844.620 c.c: 1.140.856109 c.c: 1.045.708.448 c.c: 1.045.674.866
1: OBJETIVO:
Identificar y medir las pérdidas o consumo propio que tiene un transformador en su circuito eléctrico, relacionando este valor con la capacidad del mismo. 2: HIPOTESIS: Al aplicar un voltaje por el “lado primario”, estando estando el devanado devanado secundario cerrado o con carga, se
origina una circulación de corriente por el secundario. La corriente que circula por el devanado primario es proporcional a la demanda de corriente por el secundario, de acuerdo a la relación de transformación de la máquina. 3: INTRODUCCION: INTRODUCCION:
Las pérdidas en el cobre son originadas por la magnitud de la corriente que circula por los devanados, y a su vez esta corriente depende de la magnitud de la carga instalada al equipo. Dicho de otra forma un transformador en vacio sus pérdidas en el cobre son mínimas, debido a que la carga es cero y la corriente que circula por el secundario, no existe.
Pérdidas en el cobre (Pc):
Es la suma de la potencia pérdida (consumida) en los bobinados de un transformador, funcionando bajo carga nominal. El valor de esta potencia depende de la intensidad de corriente tanto en el bobinado primario como en el secundario, la cual varía suficientemente desde el valor en vacío al funcionamiento a plena carga. La variación del valor de la potencia pérdida en el cobre es proporcional al cuadrado de la intensidades de corriente de carga y a la resistencia de los bobinados. Para lograr este resultado, se alimenta el bobinado definido como primario hasta un determinado nivel de voltaje hasta que el valor de la corriente medida según el circuito sea igual al valor de la corriente a plena carga o nominal o de placa. La potencia absorbida por el transformador en estas condiciones de funcionamiento corresponde exactamente a las pérdidas totales en el cobre del conjunto de los dos bobinados, debido a que realmente el equipo NO está entregando potencia a ningún circuito externo y a que lo que ocurra por el lado secundario se refleja al lado primario de la máquina. Ahora, las pérdidas de potencia “totales” en un transformador es la sumatoria de la pérdidas en el núcleo o hierro (Pfe) más las pérdidas en el cobre de los bobinados (Pcu). Pérdidas totales = Pfe + Pcu Rendimiento de un transformador El rendimiento de un transformador es es variable y depende varios factores:
- Del valor de la potencia que está suministrando - De la forma del transformador y - De la calidad de los materiales con los que fue construido (núcleo y bobinados). Para determinar el rendimiento de un transformador , se alimenta el bobinado primario con el voltaje nominal, se coloca la carga nominal en el bobinado secundario y se miden la potencia de entrada Pa (potencia absorbida por el transformador) y la potencia de salida Pu (potencia útil). 4: MATERIALES: MATERIALES:
Transformador monofásico 250 VA, 115 V, 2:1 Multímetro FLUKE 179 Fuente DC/AC PaekTech 2235 Pinza batimétrica batimétr ica Minipa ET 4080
5: PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS:
Con los materiales puestos en la mesa de trabajo y con las indicaciones especificas de la placa del transformador, sabiendo la relación 2:1 (250 VA – 115 V) se realizo la prueba de corto por el lado de alta tensión (primario) mientras los instrumentos de medidas se localizaron en el lado de baja tensión (secundario) del transformador, bajo las indicaciones del profesor se obtuvo el cálculo de las corrientes nominales de cada lado del transformador, de acuerdo a sus especificaciones en la placa. I1N =1.7 (A) I2N =3.2 (A)
Teniendo el anterior valor como dato principal a tener en cuenta de no sobrepasar durante la realización de la práctica para no ocasionar daño al transformador y a los instrumentos de medición; pero lo más importante serán los valores en donde los datos obtenidos nos conlleven a otros parámetros existentes, que le dan una gran importancia a la práctica; como lo son I CC, VCC, PCuCC, RCC, XCC, FPCC y μCC. Luego se hizo el montaje de los instrumentos de medida por el lado de alta y realizamos el corto por el lado de baja, según el concepto teórico esta prueba debería realizarse siempre de este lado del transformador ya que por este devanado es donde se espera menor cantidad de corriente nominal, contrastándola con la del lado de baja (I NH < INB); la tabla de datos obtenida para las dos pruebas de estos ensayos es la siguiente: 6. RESULTADOS 6.1 Tabla de datos. Con alimentación por el lado de alta tensión
LADO PRIMARIO
LADO SECUNDARIO
CORRIENTE (A)
VOLTAJE Vcc (V)
POTENCIA Pcc (KW)
CORRIENTE DE CORTO Icc (A)
1,6
108,6
0,17 KW
3
Con alimentación por el lado de baja tensión.
LADO PRIMARIO
LADO SECUNDARIO
CORRIENTE (A)
VOLTAJE Vcc (V)
POTENCIA Pcc (KW)
CORRIENTE DE CORTO Icc (A)
3,2
51,4
0,15 KW
1,5
6.2 Especificaciones de equipos Transformador monofásico 250 VA, 115 V, 2:1 Multímetro FLUKE 179 Fuente DC/AC PaekTech 2235 Pinza batimétrica batimétr ica Minipa ET 4080
6.3 Imagen de conexión en la práctica
6.4 Con base a los valores obtenidos, y lo investigado previamente a la práctica se puede observar lo siguiente; según la teoría para ensayo de transformadores en corto circuito este debe hacerse con un
valor de Vcc no mayor al 10% del V1 nominal, según la teoría este Vcc o voltaje reducido va desde 0 hasta alcanzar la In1, en un ensayo; sin embargo los valores obtenidos en la primera prueba (alimentado (aliment ado en el lado de de alta) fueron muy altos ya que V1n es de 250 V y para alcanzar la I1n el Vcc se tuvo que llevar hasta los 108,6 V siendo esto un dato muy diferente a lo que nos dice la teoría, igualmente sucedió cuando se alimento del lado de baja, su V1n es de 115V y para llegar a I1n se elevo el Vcc hasta 51,4 V un incremento de hasta casi el 50% en los dos casos, el análisis que se hará a partir de estos datos nos llevaran a concluir el porqué estos valores fueron tan altos y no los esperados, como lo menciona la teoría. 6.5 Para realizar esta prueba se tuvieron muchos aspectos importantes en cuenta entre estos se pueden mencionar los siguientes: Prestar especial atención al Vcc aplicado con el fin de no superar la corriente nominal en ambos devanados Tener una fuente de tensión regulable, para partir desde cero hasta alcanzar I1n Tener precaución en la manipulación de los instrumentos de medida. Seguir las recomendaciones de seguridad dadas por el ingeniero a cargo de instruirnos en esta práctica.
6.7 Teniendo en cuenta los datos iniciales de la prueba: Transformador 250 VA 115 V relación 2:1 (Alimentado por Alta tensión) I1n: 1,7 A; V1n = 250 V Icc: 3 A Vcc: 108.6 V Pcc: 0, 17 kW
PCu = Pcc = 0.17 (kW) FPCC = CosφCC
CosφCC = = CosφCC = 0.92 Sen (φCC) =0.39
φCC = 23.07
= 0.92
63.17 (Ω) [ZCC] = VCC / I1n = 108,3V / 1,7A = 63.17 RCC = [ZCC] CosφCC = 63.17 * 0.92 = 58.11 (Ω) XCC = [ZCC] SenφCC = 63.17 * 0.39 = 24.63(Ω) cc =
x 100%
= 0.41 x 100%
cc = 41 % RCC = CC CosφCC = 41% * 0.92 = 37.7 % XCC = CC SenφCC = 41% * 0.39 = 15.9 %
(Alimentado por baja tensión) I1n: 3.2 A; V1n = 115 V Icc: 1.5 A Vcc: 51.4 V Pcc: 0, 15 kW
PCu = Pcc = 0.15 (kW) FPCC = CosφCC
CosφCC = = CosφCC = 0.91 Sen (φCC) =0.41
= 0.91
φCC = 24.49
[ZCC] = VCC / I1n = 51.4V / 3.2A = 16.06 (Ω) RCC = [ZCC] CosφCC = 16.06 * 0.91 = 14.6 (Ω) 6.58(Ω) XCC = [ZCC] SenφCC = 16.06 * 0.41 = 6.58(Ω) cc =
x 100%
= 0.44 x 100%
cc = 44 % RCC = CC CosφCC = 44% * 0.91 = 40 % XCC = CC SenφCC = 44% * 0.41 = 18.4 %
7: CUESTIONARIO Y CONCLUSIONES:
7.1 Análisis de los resultados obtenidos y relación con la teoría. Como se menciono con anterioridad en el ítem 6.4 los resultados obtenidos no encajan con los que se esperaban. 7.2 Con base a los valores obtenidos en la práctica y lo investigado se concluye que:
Se ve por ejemplo que los valores de tensión resultantes de la prueba, no fueron los valores reducidos de la tensión nominal, ya que para esta prueba a esos valores nominales de corriente se esperan tensiones reducidas (del orden del 5% al 10% de la tensión nominal; para este caso V N = 220 (V), esperando VCC entre 11 (V) y 22 (V). Además se menciona que VCC para transformadores de menos 630 (kVA) es del orden del 4% al 5%, mientras que en la práctica obtuvimos valores de más del 44% muy por encima de los valores esperados.
7.3 Si se alimenta el transformador y el otro bobinado se pone en corto circuito, la potencia absorbida en ese momento corresponde exactamente a las pérdidas en el cobre. La relación que se puede observar entre la potencia de corto circuito a cuando esta a plena carga es que en corto circuito adquiere valores muchos más bajo a la de su potencia nominal, alcanzado porcentajes no superiores al 50% de su potencia Max. 7.4 Según el ensayo previo de circuito abierto, para hallar la potencia consumida por los efectos del hierro tenemos: PFe = V2H / RFe donde RFe = (VH / IO) X CosφO ; CosφO = (IO RH) / VO PFe = 3.9 Las pérdidas totales para el transformador viene dada por la siguiente ecuación: (teniendo en cuenta los datos obtenidos y los valores de la placa del transformador)
η% = Pt / (Pt + W Cu +WFe) η%= 0.61%
Conclusiones: comparando las potencias de cada ensayo tenemos que W Fe / W Cu nos indica en mayor proporción, que son las pérdidas en el cobre las que más cobran importancia para la eficiencia de dicho transformador con referencia a plena carga y con factor de potencia de uno. Que teniendo la referencia de los transformadores del laboratorio a 250 VA arrojaría un bajo valor para transformadores transformado res de baja potencia y baja tensión como los que utilizamos para dichas pruebas y es de nuestro análisis. Haciendo un análisis de lo visto en la práctica sacamos por concluido que este transformador necesita de un mantenimiento o cambio total de él, más que todo a los alambres de cobre con que están enrolladas las espiras de cada devanado, ya que la prueba de cortocircuito arrojó valores preocupantes de la potencia consumida por el cobre, como tanto así las características del material magnético del núcleo pero, de todas formas los valores elevados de corriente en los devanados pueden afectar los fenómenos de magnetización del núcleo (deformación del material y deterioro del material dieléctrico entre las tapas por efectos del calor).
CONCLUSIONES Y APRENDIZAJE
8.1 Efectivamente la hipótesis sobre la relación de voltaje y corriente en la entrada y salida de un transformador y la introducción del tema en la prueba de corto circuito conlleva a una relación teórica comprobada en las practicas anteriores complementada con esta práctica, en esencia la teoría se confirma tal cual como está planteada, algunos valores en nuestra practica fueron un poco fuera de lo normal debido a causas ajenas, como son (el deterioro del trafo, y su exposición consecutiva a tales pruebas), lo que nos permite sacar algunas conclusiones diferentes pero sin desmentir la teoría. 8.2 Esta prueba nos permite conocer parámetros importantes además de las perdidas en el cobre, para el buen funcionamiento del trasformador además de permitir el estado de la maquina y poder saber si cumple con la normas establecidas, y saber la relación de impedancias para establecer conexiones en paralelos de trafo. 8.3 Teniendo en cuenta que los cambios en el F.P de la carga no modifican las pérdidas, elevar el F.P de la carga mejorará la eficiencia del transformador. Las pérdidas se convertirán entonces en una proporción menor de la potencia total de entrada. La eficiencia sin carga del transformador será igual cero. Pero cargas elevadas aumentan las pérdidas en el cobre, las cuales varían con el cuadrado de la corriente, corrient e, disminuyendo por lo mismo la eficiencia. La operación con eficiencia máxima ocurre con el valor medio de la carga. La eficiencia máxima ocurre cuando las pérdidas en el cobre son iguales a las pérdidas en el hierro. Entonces: P i
P CU kVAc arg a kVAnom
2
Regularmente para los transformadores la carga que genera eficiencia máxima es cuando ella sea el 50% de la potencia del trafo, esto es cierto para la mayoría de los transformadores. La eficiencia en todo el día es importante cuando el transformador está conectado para alimentar las 24 horas completas, como es lo común en los sistemas de distribución distribuci ón de corriente corrient e alterna. Es normal calcular su eficiencia con factor de potencia unitario. Con cualquier otro factor de potencia, la eficiencia en todo el día sería más baja porque la salida de potencia sería menor para las mismas pérdidas. La eficiencia general de energía de un transformador de distribución a lo largo de las 24 horas es alta independientemente independientement e de las variaciones de carga y de las condiciones del factor de potencia. Una baja eficiencia diaria existe sólo cuando existe una falta completa de uso del transformador, o durante la operación con factores de potencia extremadamente bajos.
7: BIBLIOGRAFIA: BIBLIOGRAFIA: http://www.tuveras.com/transformador/eltransformador.htm www.wikipedia.org Ensayo de transformadores, McGraw-Hill. Documento pdf. FITZGERALD, Arthur. Máquinas Eléctricas, Cuarta Edición. Transformadores de potencia de medida y protección Enrique Ras 7º Edición. www.elistas.com
