DEPARTAMENTO DE ELECTRICA Y ELECTRÓNICA CARRERA DE INGENIERÁ MECATRÓNICA ASIGNATURA: MÁQUINAS ELÉCTRICAS. LABORATORIO No. 3
Realizado por: ORLANDO CAIZA
TEMA: “Transformador
Monofásico con Carga RLC” RLC ”
OBJETIVO GENERAL:
Conocer el funcionamiento y el comportamiento de un transformador monofásico colocando una carga Resistiva, Capacitiva, Inductiva.
OBJETIVOS ESPECIFICOS:
Analizar la gráfica obtenida V2 – I I2. Identificar cuando se encuentra con carga inductiva, capacitiva y resistiva. Medir las diferentes voltajes de regulación del transformador.
MARCO TEORICO: Transformador Transformador Monofásico Los transformadores son máquinas estáticas que se utilizan para variar los valores de tensión (V) e intensidad (I) en C.A. Son utilizados en las líneas de transporte y distribución para elevar o reducir los valores de tensión eléctrica Supongamos un arreglo como en el da la Figura (a), en el cual en una trayectoria cerrada de sección S y longitud L de material ferromagnético de permeabilidad infinita, al que llamaremos NUCLEO, inmerso en un medio de permeabilidad magnética despreciable, despre ciable, bobinamos al menos dos bobinas a las que llamaremos PRIMARIO, SECUNDARIO, TERCIARIO... etc., de material conductor de resistencia nula con N1 y N2 vueltas en un sentido tal que de acuerdo a la ley de Lenz las tensiones por una lado y las corrientes por el otro tienen valores positivos con la polaridad indicada en el diagrama equivalente de la Figura (b), por lo que también se puede decir que las tensiones por un lado como las corrientes por el otro están en fase. Las tensiones y corrientes en el dominio del tiempo son sinusoidales perfectas por lo que en el diagrama se representan a través de sus fasores.
Al establecerse las corrientes, tensiones y flujo magnético indicadas y teniendo en cuenta la idealidad del circuito magnético (permeabilidad infinita) se puede escribir de acuerdo a la ley de Faraday y de Ampere que:
A la relación
se
le denomina RELACION DE VUELTAS, mientras que a la rela ción
se
le denomina RELACION DE TRANSFORMACION, estos parámetros son fundamentales. Obsérvese que en el transformador monofásico la relación de vueltas coincide con la relación de transformación. La relación de transformación indica la capacidad del transformador en modificar el valor eficaz de las tensiones a un lado y otro del transformador. Si aplico una fuente de tensiona V1 del lado 1, tendré entonces una tensión
del lado 2 con lo cual según el
valor de n podre modificar como quiera el valor de la fuente primaria. Análogamente si por el lado 2 circula una corriente I2 entonces necesariamente por la lado 1 deberá circular una corriente
Luego se concluye fácilmente que en un transformador ideal se cumple que:
Si la tensión en un bobinado es nula, entonces necesariamente también lo será en el otro. Si la corriente en un bobinado es nula, entonces necesariamente también lo será en el otro.
Supongamos ahora que multiplicamos las relaciones de corrientes con las de tensiones, se obtiene que:
Entonces la potencia aparente de entrada es idéntica a la potencia aparente de salida del transformador con lo cual son iguales las potencias activas entre si así como las reactivas.
Supongamos ahora que configuramos el circuito eléctrico de la figura. Se cumple que: por tanto . Pero también se cumple en el transformador que por lo que , luego:
Por lo que la impedancia vista por la fuente es . En consecuencia: una impedancia en un lado del transformador ideal presenta un valor que se ajusta en proporción directa al cuadrado de la relación de vueltas en el otro lado del transformador. Obsérvese que como la relación de vueltas es un “real” y recordando que el argumento de Z es el desfasaje entre la corriente y tensiones aplicadas, concluimos que el desfasaje entre tensiones y corrientes primarias es idéntico al desfasaje entre tensiones y corrientes secundarias en un transformador ideal.
Vatímetro El vatímetro es un instrumento electrodinámico que mide la potencia eléctrica o la tasa de suministro de energía eléctrica de un circuito eléctrico dado.
Banco de resistencias: Un banco de resistencias es un conjunto de elementos resistivos, dispuestos en diferentes arreglos ya sea en serie, paralelo o una combinación de ambos para aplicaciones industriales generalmente para alta potencia, como control de motores, generadores, arranque, sub estaciones, transportes eléctricos entre otros. Necesitan de un ventilador para disipar el calor producido.
DIAGRAMA FASORIAL DEL TRANSFORMADOR, FACTOR DE POTENCIA EN UNIDAD
Banco de inductancias: Los inductores son elementos pasivos que forman parte importante de los circuitos eléctricos industriales, como son elementos físicos tienen ciertas características entre los voltajes de operación, cantidad de espiras su valor de inductancia, su reactancia inductiva etc. Los bancos de inductancias no necesitan de ventiladores, con respecto a su guía se comienza en OFF y se termina en OFF. La regulación de voltaje será ma yor que cero.
DIAGRAMA FASORIAL DEL TRANSFORMADOR, FACTOR DE POTENCIA EN ATRASO
2.7 Banco de capacitancias: Estos dispositivos, hacen que cuando el voltaje alterno entre positivo y negativo generan un desfase entre la onda de voltaje y la onda de corriente, esto debido a que por su naturaleza se oponen al cambio en el flujo de la corriente o al cambio en el voltaje, en el caso de los bancos de capacitores generan un adelanto.
DIAGRAMA FASORIAL DEL TRANSFORMADOR EN ADELANTO, FACTOR DE POTENCIA EN ADELANTO
EQUIPO UTILIZADO:
Fuente de Poder TF-123 Voltímetro analógico 120/220 AC Amperímetro AC de 5 A Transformador Monofásico TT91 Vatímetro 150W Interruptor TO30 Banco de Resistencias TB-40 Banco de Inductancias TB-41 Banco de Capacitancias TB-42
PROCEDIMIENTO:
Conectar el secundario del trasformador, 1 y 2 en serie, 3 y 4 en serie, y luego estos conectarle en paralelo para que el trasformador entregue el mismo voltaje que el de la entrada, como se indica en el siguiente gráfico.
Procedimos armar el circuito 1 que se indica en la siguiente figura.
R
I1 V1
V2
R;L;C
N
Prendimos la fuente de poder y conectados con la fuente no variable Conectamos el banco de resistencia y comenzamos a variar la resistencia, viendo que la corriente I2 suba en incrementos de 0.5 hasta 3.5 Cogemos los datos de V2, V1, I1, W1 Conectamos el banco de capacitancias y comenzamos a variar la del 1 al 6 Cogemos los datos de V2, V1, I1, W1 Conectamos el banco de inductancias y comenzamos a variar del 1 al 6. Cogemos los datos de V2, V1, I1, W1 Apagamos equipos
DATOS DE LA PRÁCTICA: CARGA RESISTIVA
I2 [A]
V2 [V]
V1 [V]
I1 [A]
W1 [Watt]
0 0.25 1 1.5 2 2.5 3 3.5
0 114 114 114 112.5 111.5 110 110
0 117 117 117 117 117 115 115
0 0.65 1.25 1.75 2.25 2.8 3.4 3.9
0 8 15 21 27 33 40 46
CARGA CAPACITIVA
1 2 3 4 5 6
I2 [A]
V2 [V]
V1 [V]
I1 [A]
W1 [Watt]
0.6 0.9 1.3 1.4 1.6 1.9
117.5 118 118.5 119 119 119
118 119 119 119 119 119
0.2 0.55 0.98 1.25 1.25 1.63
3 3 3 3 3 3
CARGA INDUCTIVA
0 1 2 3 4 5 6
I2 [A]
V2 [V]
V1 [V]
I1 [A]
W1 [Watt]
0.5 0.55 0.6 0.75 0.9 1.2 1.35
117 117 117 116.5 116.5 116.5 115
118 118 119 119 119 119 119
0.4 0.6 0.8 1.05 1.3 1.55 1.75
3 3 3 3 3 3 3
CUESTIONARIO: 1. Realizar la regulación del transformador con la carga resistiva, carga capacitiva, carga inductiva.
2. Indique el análisis de regulación con cada 1 de las cargas. CARGA RESISTIVA Sin carga [V]
Con carga [V]
% de Voltaje de Regulación
114 114 114
114 114 114
0,00 0,00 0,00
114 114 114
112,5 111,5 110
1,32 2,19 3,51
114
110
3,51
CARGA CAPACITIVA Sin carga [V]
Con carga [V]
% de Voltaje de Regulación
118
118
118 118 118
118 118 118,5
0,00 0,00 0,00 -0,42
118
119
118 118
119 119
-0,85 -0,85 -0,85
CARGA CAPACITIVA Sin carga [V]
Con carga [V]
% de Voltaje de Regulación
117 117
117 117
117 117 117 117
117 116,5 116,5 116,5
0,00 0,00 0,00 0,43 0,43 0,43
117 115 1,71 Al incrementa la corriente para los tres casos observamos que existe una variación en voltaje, pero estas variaciones son distintas para cada uno de los casos, tanto como resistivos, capacitivos e inducidos, con las gráficas se observa que la curva de regulación del voltaje para la resistencia tiene valores más altos que los inductivos y los capacitivos y por esta razón la curva del transformador puramente resistivo es mucho más pronunciada, por otra parte la curva de la carga capacitiva nos damos cuenta que es la más elevada y esto se debe a que es un elemento que almacena energía y aparte posee valores muy pequeños, las gráficas de la resistencia e inductancia se encuentran menores a las del voltaje sin carga debido a que pierden un poco de voltaje y no son como los capacitores que almacenan. Dentro de las aplicaciones de sistemas de potencia, la regulación es un factor importante para el transformador, un valor bajo indica que las variaciones de carga en el lado secundario de dicho transformador no afectarán de manera considerable la magnitud de voltaje que suministra la carga.
3. Grafique y determine la potencia reactiva y factor de potencia de cada uno de los datos CARGA RESISTIVA VOLTAJE
CORRIENTE
POTENCIA ACTIVA
POTENCIA APARENTE
POTENCIA REACTIVA
FACTOR DE POTENCIA
V1
I1
W
S carga
Q
fp
117
0,65
71
76,05
27,25
0,93
117
1,25
140
146,25
42,30
0,96
117
1,75
200
204,75
43,85
0,98
117
2,25
255
263,25
65,39
0,97
117
2,8
320
327,6
70,16
0,98
115
3,4
385
391
68,23
0,98
115
3,9
440
448,5
86,90
0,98
CARGA CAPACITIVA VOLTAJE
CORRIENTE
POTENCIA ACTIVA
POTENCIA APARENTE
POTENCIA REACTIVA
FACTOR DE POTENCIA
V1
I1
W
S carga
Q
fp
118
0,2
21
23,6
10,7684725
0,89
119
0,55
21
65,45
61,9895354
0,32
119
0,98
21
116,62
114,713663
0,18
119
1,25
21
148,75
147,260186
0,14
119
1,25
21
148,75
147,260186
0,14
119
1,63
21
193,97
192,829876
0,11
CARGA INDUCTIVA
VOLTAJE
CORRIENTE
POTENCIA REAL
POTENCIA APARENTE
POTENCIA REACTIVA
FACTOR DE POTENCIA
V1
I1
W
S carga
Q
fp
118
0,4
21
47,2
42,27
0,44
118
0,6
21
70,8
67,61
0,30
119
0,8
21
95,2
92,85
0,22
119
1,05
21
124,95
123,17
0,17
119
1,3
21
154,7
153,27
0,14
119
1,55
21
184,45
183,25
0,11
119
1,75
21
208,25
207,19
0,10
4. Que es Magnetismo Es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético. El magnetismo también tiene otras manifestaciones en física, particularmente como uno de los dos componentes de la radiación electromagnética, como por ejemplo, la luz.
El campo magnético Una barra imantada o un cable que transporta corriente pueden influir en otros materiales magnéticos sin tocarlos físicamente porque los objetos magnéticos producen un „campo magnético‟. Los campos magnéticos suelen representarse mediante „líneas de campo magnético‟ o „líneas de fuerza‟. En cualquier punto, la dirección del campo magnético es igual a la dirección de las líneas de fuerza, y la intensidad del campo es inversamente proporcional al espacio entre las líneas.
Campos y fuerzas magnéticas El fenómeno del magnetismo es ejercido por un campo magnético, por ejemplo, una corriente eléctrica o un dipolo magnético crea un campo magnético, éste al girar imparte una fuerza magnética a otras partículas que están en el campo. Para una aproximación excelente (pero ignorando algunos efectos cuánticos, véase electrodinámica cuántica) las ecuaciones de Maxwell (que simplifican la ley de BiotSavart en el caso de corriente constante) describen el origen y el comportamiento de los campos que gobiernan esas fuerzas. Por lo tanto el magnetismo se observa siempre que partículas cargadas eléctricamente están en movimiento. Por ejemplo, del movimiento de electrones en una corriente eléctrica o en casos del movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo atómico. Estas también aparecen de un dipolo magnético intrínseco que aparece de los efectos cuánticos, p.e. del spin de la mecánica cuántica. La misma situación que crea campos magnéticos (carga en movimiento en una corriente o en un átomo y dipolos magnéticos intrínsecos) son también situaciones en que el campo magnético causa sus efectos creando una fuerza. Cuando una partícula cargada se mueve a través de un campo magnético B, se ejerce una fuerza F dado por el producto cruz:
Donde es la carga eléctrica de la partícula, es el vector velocidad de la partícula y es el campo magnético. Debido a que esto es un producto cruz, la fuerza es perpendicular al movimiento de la partícula y al campo magnético. La fuerza magnética no realiza trabajo mecánico en la partícula, esto cambiaría la dirección del movimiento de ésta, pero esto no causa su aumento o disminución de la velocidad. La magnitud de la fuerza es:
donde
es el ángulo entre los vectores
y
.`
Una herramienta para determinar la dirección del vector velocidad de una carga en movimiento, es siguiendo la ley de la mano derecha (véase Regla de la mano derecha). El físico alemán Heinrich Lenz formuló lo que ahora se denomina la ley de Lenz, ésta da una dirección de la fuerza electromotriz (fem) y la corriente resultante de una inducción
CONCLUSIONES.
Observamos que con las cargas inductivas y resistivas tenemos en la gráfica una pérdida de voltaje en la regulación. Observamos que con la carga inductiva en la gráfica el voltaje aumenta debido que la capacitancia almacena energía. Observamos que el coeficiente de regulación de voltaje es una cantidad que compara el voltaje de salida en Vacío con el voltaje de salida a plena carga. Para poder corregir el factor de potencia lo podemos hacer aumentando carga resistiva o capacitiva según convenga.
RECOMENDACIONES.
Prender el ventilador del banco de resistencia para evitar que dicho elemento se queme o se dañe. El aumento debe de ser gradual para que no altere resultados. Coger voltímetros amperímetros y vatímetros en buen estado para obtener valores reales.
BIBLIOGRAFÌA:
Fundamentos de Electromagnetismo (David K. Cheng) http://www.inta.es/descubreAprende/htm/accion6.htm Máquinas eléctricas / Stephen J. Chapman ; revisión técnica José Demetrio Martínez, Juan Yedra Morón Bogotá: McGraw-Hill, 1987
ANEXOS.
