TRX Monofasico

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    11-Aug-2015

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<p>UNIVERSIDAD SIMN BOLVARDEPTO. DE CONVERSIN Y TRANSPORTE DE ENERGA</p> <p>CT-4381</p> <p>LABORATORIO DE CONVERSIN DE ENERGA I</p> <p>INFORME</p> <p>PRCTICA N 3: TRANSFORMADOR MONOFSICO</p> <p>Rubn Armas 08-10069 Wendy Galarza 08-10392 Natalie Guilln 08-10504 Anthony Bujosa 09-10116 Jos Macas 09-10466</p> <p>Sartenejas Octubre, 2012</p> <p>RESUMENLa tercera prctica del Laboratorio de Conversin de Energa I se dividi en dos sesiones y tuvo como propsito la obtencin de los distintos modelos y parmetros que caracterizan al transformador monofsico para as luego poder analizar el comportamiento del mismo cuando se encuentra bajo distintos tipos de cargas (R, RL, RC). En la primera sesin se realizaron las pruebas de aislamiento para concluir su estado interno, relacin de transformacin para determinar a cuanto reduce o aumenta la tensin, polaridad para as realizar acertadamente la conexin, adems la prueba de cortocircuito y vaco para hallar los parmetros del circuito equivalente, la curva de magnetizacin para aproximar tensin de saturacin, las formas de onda de las corrientes de energizacin y la prueba de separacin de prdidas en el ncleo con diferentes frecuencias, para luego hallar coeficiente de Steinmetz. Por otro lado en la segunda sesin se estudi el comportamiento tanto del transformador monofsico como autotransformador bajo diferentes cargas tanto lineales como no lineales para evaluar eficiencia y regulacin, as como las prdidas en el mismo. Entre las conclusiones ms relevantes se determin que el transformador posee un aislamiento dudoso, la tensin a la que se satura es al 80,887% de la nominal, las prdidas aumentan con la frecuencia y por ltimo el autotransformador posee mayor eficiencia y regulacin respecto al transformador monofsico.</p> <p>2. INTRODUCCINSe denomina transformador a un dispositivo elctrico que permite aumentar o disminuir la tensin en un circuito elctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin prdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las mquinas reales presentan un pequeo porcentaje de prdidas, dependiendo de su diseo, tamao, etc. El transformador es por naturaleza uno de los principales convertidores de energa (elctrica-elctrica) en la actualidad, y es por eso que durante la presente prctica del laboratorio de conversin de energa ser objeto de estudio, especficamente trabajaremos con el transformador monofsico. Se tienen como principales objetivos durante esta prctica la obtencin de los distintos modelos y parmetros que caracterizan al transformador para as luego poder analizar el comportamiento del mismo cuando se encuentra bajo distintos tipos de cargas (R, RL, RC). Para esto se proceder a realizar distintas pruebas, tales como: la obtencin del ndice de absorcin dielctrica (DAR) y del ndice de polarizacin (IP) para conocer el estado del aislamiento interno, la medicin de resistencias de los devanados de Alta Tensin (H) y de Baja Tensin (L), la determinacin de la relacin de transformacin y la polaridad del transformador, pruebas de vaco y cortocircuito para hallar los parmetros del mismo (impedancias de cortocircuito y de magnetizacin). Una vez realizadas todas la pruebas necesarias para conocer los parmetros, se proceder a estudiar el efecto que tiene sobre la eficiencia y la regulacin, la conexin de distintos tipos de cargas. Una de las aplicaciones ms interesantes que podemos conseguir en el transformador es su conexin como autotransformador, la cual se obtiene sencillamente con una conexin galvnica entre uno de los terminales de H y uno de los terminales de L, pudiendo aumentar as la tensin en uno de los devanados y la potencia que es capaz de transformar y transmitir de un devanado a otro. Es por esta razn que una vez culminados los estudios sobre el transformador convencional, se proceder a realizar su conexin como autotransformador y analizaremos su comportamiento bajo carga.</p> <p>3. METODOLOGA3.1) Determinar el DAR para HLG, LHG, HL, HG y LG. Para determinar la relacin de absorcin dielctrica en el transformador monofsico, se utiliz un hmetro de grandes resistencias (mejor conocido como megger), con las siguientes conexiones y en rangos de tiempo de 30s y 60s. Las conexiones sern:H LH L</p> <p>+ - G</p> <p>+ - G</p> <p>H</p> <p>Figura 3.1.1: Conexin HLG L</p> <p>Figura 3.1.2: Conexin LHGH L</p> <p>+ - G</p> <p>+ - G</p> <p>Figura 3.1.3: Conexin HLH L</p> <p>Figura 3.1.3: Conexin HG</p> <p>+ - G</p> <p>Figura 3.1.5: Conexin LG</p> <p>El valor del DAR vendr dado por:</p> <p>Si se desea calcular el ndice de polarizacin para cada una de las conexiones se tendr como:</p> <p>3.2) Medicin de las resistencias de alta tensin y baja tensin: Para el clculo de resistencias de alta y baja tensin, se utiliz un hmetro industrial, con los montajes de las siguientes figuras.</p> <p>1</p> <p>2</p> <p>Figura 3.2.1: Medicin de resistencia de AT</p> <p>Figura 3.2.2: Medicin de resistencia de BT</p> <p>Las resistencias tendrn un valor:</p> <p>3.3) Determinar la relacin de transformacin y polaridad del transformador: Para determinar la relacin de transformacin se utiliz el montaje de la figura 3.3.1, donde se alimentar con 240V y con un variac monofsico se ir variando la tensin en alta tensin hasta llegar a la tensin nominal (240V), as tomando 5 puntos aproximadamente se puede tener una curva de V1 vs V2 y as la pendiente de esa curva dar la relacin de transformacin.</p> <p>Figura 3.3.1: Relacin de transformacin del transformador.</p> <p>Tendremos que para cada punto de medicin:</p> <p>Instrumento de medicin Voltmetro 1 Voltmetro 2</p> <p>Escala 240V 120V</p> <p>Para determinar la polaridad del transformador, se realiz la siguiente prueba:</p> <p>Figura 3.3.2: Relacin de transformacin del transformador.</p> <p>La polaridad ser sustractiva si la lectura del voltmetro V3, es V1-V2. La polaridad ser aditiva si la lectura del voltmetro V3, es V1+V2. Instrumento de Medicin Voltmetro 1 Voltmetro 2 Voltmetro 3 3.4) Obtener la curva de magnetizacin del transformador. Para obtener la curva de magnetizacin del transformador se variar la tensin del variac hasta llegar a la tensin nominal, se tomarn mediciones de corriente en el primario y tensin inducida en el secundario para una serie de puntos. As, al referir las tensiones al primario y graficar estas tensiones vs las corrientes del primario se obtiene la curva de magnetizacin del transformador. Tambin se tomarn las potencias para cada punto y las formas de onda (tensin primario, tensin secundario, corriente primario) para el punto nominal. Escala 240 120 120</p> <p>Variac</p> <p>H WA</p> <p>L V</p> <p>240V</p> <p>Figura 3.4.1: Montaje para la curva de magnetizacin.</p> <p>Instrumento de medicin Voltmetro TC Vatmetro Ampermetro</p> <p>Escala 120V 25:5 A 120V 5A 5V</p> <p>Variac CH3 240V CH1</p> <p>H</p> <p>L</p> <p>CH2</p> <p>Figura 3.4.1: Montaje para la curva de magnetizacin. Formas de tensin.</p> <p>3.5) Observe la curva de histresis del transformador: Para ello se realiz una aproximacin, en donde se tomaron los puntos en el canal 1 de corriente en el primario y en el canal 2 del osciloscopio la tensin inducida en el secundario.Variac CH1 240V CH2</p> <p>H</p> <p>L</p> <p>Figura 3.5: Osciloscopio para observar la curva de histresis.</p> <p>3.6) Realice la prueba de vaco y cortocircuito del transformador. La prueba de vaco se realizar en baja tensin, se variar el variac hasta obtener tensin nominal en el voltmetro (120V) , all se tomarn las mediciones de corriente, potencia y voltaje de vaco.</p> <p>H</p> <p>L VA W</p> <p>Variac</p> <p>240V</p> <p>Figura 3.6.1: Montaje de la prueba de vaco.</p> <p>Instrumento de Medicin Voltmetro TC Ampermetro Vatmetro</p> <p>Escala 120V 1:5 5A 120V, 5A</p> <p>La prueba de cortocircuito se realizar en alta tensin, se variar la tensin del secundario del variac hasta que se obtenga la corriente nominal por el ampermetro (11,25A). Se tomarn las mediciones de corriente, potencia y voltaje de cortocircuito.</p> <p>H VA W</p> <p>Variac</p> <p>240V</p> <p>Figura 3.6.2: Montaje de la prueba de cortocircuito.</p> <p>Instrumento de Medicin Voltmetro TC Ampermetro Vatmetro</p> <p>Escala 120V 25:5 5A 120V, 5A</p> <p>3.7) Corriente de energizacin del transformador cuando se alimenta por alta y por baja tensin. La corriente de energizacin o inrush se obtiene al observar las ondas del canal 2 (corriente en el primario) despus de pasar los interruptores de energizacin. En el canal 1 se medir el voltaje para tenerla como referencia del disparador (o trigger).HCH2</p> <p>LCH2</p> <p>L</p> <p>H</p> <p>240V</p> <p>CH1</p> <p>240V</p> <p>CH1</p> <p>Figura 3.7.1: Energizacin alimentando por alta.</p> <p>Figura 3.7.2: Energizacin alimentando por baja.</p> <p>3.8) Separacin de prdidas en el ncleo para 4 valores de frecuencia. Con la mquina Ward-Leonard, se variar la frecuencia de la seal y mediante el variac, se mantendr la relacin v/f constante, se realiz para 5 frecuencias y 2 relaciones v/f.</p> <p>L</p> <p>H VA W</p> <p>Variac</p> <p>240V</p> <p>Figura 3.8: Montaje para separacin de prdidas.</p> <p>Instrumento de Medicin Voltmetro TC Ampermetro Vatmetro</p> <p>Escala 240V 1:5 5A 240V, 5A</p> <p>3.9) Eficiencia y Regulacin para distintas cargas R, RL, RC y en el punto de eficiencia mxima para el caso resistivo. Para la eficiencia, se realiz el montaje de la figura a continuacin, para cada uno de los casos manteniendo el factor de potencia constante.</p> <p>L V2A W</p> <p>H V1A W</p> <p>Variac</p> <p>240V</p> <p>Figura 3.9.1: Eficiencia y regulacin para caso resistivo.</p> <p>L V2A W</p> <p>H V1A W</p> <p>Variac</p> <p>240V</p> <p>Figura 3.9.2: Eficiencia y regulacin para caso RL.</p> <p>L V2A W</p> <p>H V1A W</p> <p>Variac</p> <p>240V</p> <p>Figura 3.9.3: Eficiencia y regulacin para caso RC</p> <p>Para la regulacin, se pondr en 0 el interruptor de carga, se medir la tensin en el voltmetro 2 y luego de pasar el interruptor de carga se medir la tensin en carga. Para la eficiencia se medirn las potencias de entrada y salida en los vatmetros 1 y 2 respectivamente. Las escalas de corrientes y del transformador de corriente cambiarn en la medicin, las escalas de tensin de los voltmetros sern (V1=240V V2=120V). 3.10) Prdidas en el transformador para los mismos valores de carga resistiva con un rectificador monofsico de onda completa. Se realizar el montaje de la figura 3.10, los valores de las resistencias sern del mismo valor que para la parte 3.9.</p> <p>HW1</p> <p>LW2</p> <p>240</p> <p>Figura 3.10: Eficiencia para caso carga no lineal.</p> <p>Instrumento de Medicin Vatmetro 1 Vatmetro 2 TC 1 TC 2</p> <p>Escala 240V Corriente cambiar 120V Corriente cambiar Cambiar dependiendo de carga R Cambiar dependiendo de carga R</p> <p>3.11) Conecte el transformador como auto-transformador y determinar eficiencia y regulacin para distintas cargas R, RL y RC; tambin para mxima eficiencia en el caso resistivo.H1 X1</p> <p>W1 240V X2</p> <p>W2</p> <p>V</p> <p>H2</p> <p>Figura 3.11.1: Autotransformador caso R.</p> <p>H1</p> <p>X1</p> <p>W1 240V X2</p> <p>W2</p> <p>V</p> <p>H2</p> <p>Figura 3.11.2: Autotransformador caso RL.</p> <p>H1</p> <p>X1</p> <p>W1 240V X2</p> <p>W2</p> <p>V</p> <p>H2</p> <p>Figura 3.11.3: Autotransformador caso RC</p> <p>4. RESULTADOSPara hacer breves comparaciones se presentan los parmetros aproximado de un transformador monofsico con las caractersticas del que se trabaj. Datos Transformador Tensiones (H/L) Corrientes (H/L) Potencia Parmetros Aproximados Corriente de Vaco Xm Rfe Rcc Xcc 240/120V 11,25/22,5A 2,7kVA Valor (H/L) 0,9A / 1,8A 426/106 1777/444 1,0665/0,266 5,3335/1,333</p> <p>Tabla 0.1: Datos del Transformador</p> <p>Respecto a la Nominal 8% 20% 83,33% 5% 25%</p> <p>Tabla 0.2: Parmetros aproximados.</p> <p>1.) Tabla de la relacin de absorcin dielctrica del transformador y concluya sobre el estado del aislamiento del transformador. HLG (M) 113 115 117 117 119 120 129 134 138 142 145 149 150 153 155 Mediciones con el Megger LHG HL HG (M) (G) (M) 228 2,42 111 230 2,78 112 232 2,9 114 234 2,96 114 236 3 115 238 3,04 115 244 3,16 114 252 3,28 113 276 3,32 114 296 3,36 115 302 3,42 115 310 3,38 118 316 3,42 119 322 3,54 119 326 3,58 120 LG (M) 174 180 185 191 197 204 236 262 280 294 304 310 320 326 334</p> <p>Tiempo 10s 20s 30s 40s 50s 1min 2min 3min 4min 5min 6min 7min 8min 9min 10 min</p> <p>Tabla 1.1 Diferentes mediciones con varios tiempos realizadas con el Megger para la prueba de aislamiento.</p> <p>Relacin de absorcin dielctrica Medicin</p> <p>ndice de polarizacin Estado</p> <p>HLG LHG HL HG LGTabla 1.2. Estado del aislamiento del transformador.</p> <p>Dudoso Dudoso Dudoso Malo Dudoso350 300 250 200 150 100 50 0</p> <p>Resistencia HLG (M)</p> <p>150 100 50 0</p> <p>Resistencia LHG(M)</p> <p>200</p> <p>Tiempo (min) 125 120 115 110 105 400 300 200 100 0</p> <p>Tiempo (min)</p> <p>Resistencia HG (M)</p> <p>Tiempo (min) 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 1 2 3 4 5 6 7</p> <p>Resistencia LG (M)</p> <p>Tiempo (min)</p> <p>Resistencia de aHL (G)</p> <p>8</p> <p>9</p> <p>0,1667</p> <p>0,3333</p> <p>0,5</p> <p>0,6667</p> <p>0,8333</p> <p>Tiempo (min)Figura 1.1. Resistencia de aislamiento Vs Tiempo para distintas mediciones con el Megger.</p> <p>10</p> <p>2.) Correccin de las resistencias medidas en DC a la temperatura de operacin y por efecto piel al considerar la alimentacin de 60 Hz. Pruebas en DC R() Correccin por temperatura: AT 0.309 BT 0.069</p> <p>Tabla 2. Medicin de resistencias</p> <p>Siendo la resistencia a temperatura ambiente (Medida en DC), la temperatura nominal del transformador (75C) y la temperatura ambiente asumida igual a 22C, entonces se obtiene [3]: Correccin por efecto piel:</p> <p>Refiriendo ambas resistencias a alta tensin se tiene que: R1=0,309 y R2=0,069.4 =0.276 por tanto Rcc=R1+R2=0.585 Por otra parte el ensayo de cortocircuito arrojo el siguiente valor </p> <p>Tericamente la resistencia obtenida desde el ensayo deberan ser mayores a los medidas con el hmetro ya que como consecuencia del efecto pelicular aumenta la resistencia de los conductores a causa de la disminucin del rea efectiva de los mismo. Sin embargo los resultados obtenidos en el experimento son los mostrados.</p> <p>3.) Estimacin de los parmetros del modelo del transformador a partir de las pruebas realizadas.</p> <p>Prueba Vaco Cortocircuito</p> <p>Corriente (A) 0,64 11,25</p> <p>Tensin (V) 123,5 6,4</p> <p>Potencia (W) 51 62,5</p> <p>Tabla 3.1 Datos obtenidos en las Pruebas de vaco y Cortocircuito</p> <p>Determinacin de parmetros:</p> <p>De la prueba de vaco se obtiene la rama de magnetizacin:</p> <p>Para obtener</p> <p>se procede de la siguiente manera:</p> <p>Por lo tanto:</p> <p>Finalmente:</p> <p>Seguidamente de la prueba de cortocircuito se puede determinar la rama serie:</p> <p>Para obtener</p> <p>se procede de la siguiente manera:</p> <p>Luego:</p> <p>Relacin de TransformacinVH(V) 57 78 97 146 195 234 a 1,9 1,95 1,94 1,92 1,93 1,91250 200 150 100 50 0 0 50 100 150Tabla 3.2 Relacin de transformacin</p> <p>VL (V) 30 40 50 76 101 122</p> <p>Puntos Tomados Puntos Tericos Lineal (Puntos Tomados) y = 1,9185x + 0,5269 R = 0,9999</p> <p>Prueba de polaridadVL (V) 118 Voltmetro VH Terico 110,5 228,3 VL Terico 114,15 Desviacin 3,37% V Terico 114,15 Desviacin 3,20%</p> <p>VH (V) 228,3</p> <p>Tabla 3.3. Prueba de polaridad</p> <p>En esta prueba se determin que la polaridad del transformador corresponde a la sustractiva, puesto que el voltmetro midi la resta de la tensin correspondiente de ambos devanados. Se observa la polaridad en el siguiente grfico:</p> <p>HVL*a</p> <p>V</p> <p>L</p> <p>VL</p> <p>Figura 3.1. Prueba de polaridad</p> <p>4.) Tensin del transformador a la que se satura y densidad de flujo. Al g...</p>