Lab 04 Autotransformador (5)

Tema:

TRANSFORMADOR MONOFÁSICO COMO AUTOTRANSFORMADOR

Nota:

Apellidos y Nombres:

Lab. Nrº

TRANSFORMADORES Y MAQUINAS DC LABORATORIO N° 04

“TRANSFORMADOR MONOFÁSICO COMO AUTOTRANSFORMADOR”

Alumnos :

- Apaza Apaza Xiomara Ashly - Bolivar Choquehuanca Cristhian - Escobedo Mendoza Aaron Ahirton - Vargas Huaraca Duberly Giamell - Laura Vargas Alexander

Grupo

‘’B‘’

Semestre

III

Fecha de entrega

27

Código: Semestre: Grupo:

Profesor: Mendoza Llerena María Teresa. 1 0

1 9

Hora:

III 05

I.

OBJETIVOS

Interpretar y analizar los resultados de pruebas y mediciones efectuadas al transformador monofásico operando como autotransformador. -

Comparar el comportamiento de un transformador y un autotransformador.

Determinar experimentalmente el valor de la potencia ganada por conducción cuando el transformador funciona como autotransformador. II.

EQUIPO A UTILIZAR

-

01 Transformador monofásico de 220/110 V – 400 VA.

-

03 multímetros.

-

01 pinza perimétrica.

-

01 vatímetro monofásico.

-

02 carga resistiva 100  - 2.5 A,

-

Conductores de conexión.

III.

FUNDAMENTO TEÓRICO

El autotransformador puede ser considerado simultáneamente como un caso particular del transformador con núcleo de hierro. Tiene un solo bobinado arrollado sobre el núcleo, pero dispone de cuatro bornes, dos para cada circuito, y por ello presenta puntos en común con el transformador. Es empleado para elevar o reducir voltajes en pequeños porcentajes, es decir como reguladores de tensión (5% al 20%), también pueden ser empleados para el arranque de motores de inducción como limitadores de corriente de arranque, bajando los niveles de tensión entre el 50% y 75 %. La ecuación general de la potencia de un autotransformador es:

 Nc  Nse  Sa  St    Nse 

Con la que se puede notar que estos pueden dar más potencia conectados como autotransformador que como transformador, esta potencia adicional se conoce como potencia de conducción y es calculada a partir de : Sc = Sa - St Los autotransformadores pueden ser empleados como elevadores o reductores, empleando en cada caso su propia ecuación particular para el cálculo de la potencia, que se derivan de la general.

 a 1 Sa  St    a  Fig. 1 a: Autotransformador Reductor

Sa  St (1  a) Fig. 1 b: Autotransformador Elevador

Entre sus principales ventajas podemos mencionar: -

Mayor potencia con menos masa y peso comparado con un transformador de potencia similar. Más económico. Mayor eficiencia. Menor regulación de voltaje. Menor corriente de excitación.

Entre las desventajas podemos mencionar que el autotransformador tiene menor impedancia porcentual que un transformador de potencia similar, lo que haría que las corrientes de falla en los sistemas de potencia sean mayores, otra de las desventajas es que con esta forma de conexión del transformador, se pierde aislamiento galvánico por lo que se perderá aislamiento ante transitorios entre le primario y secundario. Para la determinación del circuito equivalente, se pueden hacer ensayos en vacío y cortocircuito y los parámetros del cobre y del núcleo se calculará con las mismas ecuaciones y de la misma manera que con el transformador de potencia monofásico. IV.

PROCEDIMIENTO Advertencia: ¡En esta etapa se manejarán voltajes peligrosos! ¡No haga ninguna conexión cuando la fuente esté conectada! ¡La fuente debe desconectarse después de hacer cada medición!.

4.1.

DETERMINACIÓN DEL CIRCUITO EQUIVALENTE DEL AUTOTRANSFORMADOR

Ensayo en cortocircuito: Con los valores nominales del transformador, encuentre la corriente nominal en el bobinado de mayor tensión como transformador (lado 220 V). SN = 400VA

UN1 = 220V

IN1 = 1.81A

Arme el circuito de la figura N° 2 y regule la tensión en el lado de prueba hasta obtener la corriente nominal, la misma que debe ser la máxima que soporte el bobinado serie. Con los valores medidos, determine los parámetros del cobre. Escriba las formulas y encuentre resultados: Ucc =12.07

IN =1.82

Zqe1 =6.63

Req1 =6.57

Xeq1 =0.81i

Ucc% =3.65%

a´ =220+110/110= 3 Fig. 2: Circuito de pruebas para hallar

Pcu =21.8

Arme el circuito de la figura N° 3 y regule la tensión en el lado de prueba hasta obtener la corriente nominal. Con los valores medidos, determine la impedancia del cobre así como su tensión de cortocircuito. Escriba las formulas y encuentre resultados: Ucc =12.92 V

IN =1.81 A

Pcu =23.02W

Zqe1 = 12.92V/1.81A=7.14 Ω

Ucc% =12.85v/330v=5.87% Fig. 3: Circuito de pruebas para hallar la impedancia del cobre.

a =2

¿Son iguales las impedancias del cobre del autotransformador y el transformador?¿Porqué?. No, la impedancia del autotransformador es menor, y esto se debe a que su tensión de cortocircuito también es más pequeña respecto al transformador.

Ensayo en vacío: Arme el circuito de la figura N° 4 y regule el voltaje del Erfi a tensión nominal. Tome nota de los valores marcados por los instrumentos y con ellos determine la impedancia del núcleo del autotransformador. Escriba las formulas y encuentre resultados: U0 = 330

I´e1 = 0.101

Znu =330/0.101=3267.32OHM

Ynu =3.06 x 10-4

Rnu =3302/35 = 3111.42

Gnu =3.21 x 10-4

Bm =√Ynu2 – Gnu 2

Fig. 4: Circuito de pruebas para hallar la impedancia del núcleo.

=

a´ =220+110/0 = 3

4.43x 10-4

Pnu =35VA

Escriba la corriente de excitación y con la relación de transformación del autotransformador, refleje la corriente de excitación al lado de menor tensión. I´e1 =103m A

Ie2 = a´ I´e1 = 3x103mA

=

309 A

Arme el circuito de la figura N° 5 y regule la tensión en el lado de prueba hasta obtener la tensión nominal y tome nota de las lecturas de los instrumentos.

U0 =220V

Ie1 =151MA

P0 =16W

a =220V/110V = 2 Fig. 5: Circuito de pruebas para hallar la corriente de excitación. Escriba la nueva corriente de excitación y con la relación de transformación del autotransformador, refleje la corriente de excitación al lado de menor tensión. Ie1 = 151mA

Ie2 = a Ie1 = 2X151mA

= 298m A

¿Son iguales las corrientes reflejadas Ie2 del autotransformador y el transformador? ¿Porqué? No, porque la corriente del autotransformador es más grande y esto por la relación de transformación del autotransformador que es más grande Con las lecturas de las corrientes de excitación medidas para el autotransformador y el transformador, confirme que se cumple la ecuación siguiente:

 a  I e´1  I e1    a  1 (2/2+1) x 151mA = 100.6 mA

¿Qué puede concluir según los resultados encontrados?. La corriente primaria del autotransformador en vacío es en este caso dos tercios de la corriente primaria del transformador y por lo tanto más pequeña, es decir que con este puede elevar o reducir la corriente mucho más que un transformador.

Con los resultados de los ensayos, dibuje el circuito equivalente del autotransformador referido al lado de mayor tensión y luego referido al lado de menor tensión. Lado de mayor tensión

4.2.

Lado de menor tensión

EL AUTOTRANSFORMADOR CON CARGA

Arme el circuito de la figura N° 6, verifique las conexiones y escalas de los instrumentos y luego aplique las cargas indicadas en la tabla N° 1. Recuerde mantener la tensión constante en el primario (330 V).

Fig. 6: Circuito de pruebas para aplicar carga al autotransformador.

TABLA N°1 Resistencia (Ω)

V1 (V)

V2 (V)

I1 (A)

I2 (A)

I3 (A)

P1 (W)

P2 (W) 38.9 W

PC (W)

RVa (%)

12.96 100.9

Eficiencia (%)

300

329.4V 109.3V 0.190A 0.356A 0.220A 55W

70.72%

200

329.5V 109.2V 0.251A 0.516A 0.690A 109W 56.34W

100

331.1V 108.4V 0.410A 1.070A 0.335A 528W 115.98W 38.66 103.6

50

329.5V 106.8V 0.734A 2.110A 1.41A

244W 225.35W 75.12 105.68 92.35%

33.333

332.0V 106.2V 1.078A 3.145A 2.08A

354W 333.9W

18.78 101.15 51.68% 21.96%

111.3 108.41 94.32%

Con los valores medidos, calcule la potencia de salida, la potencia por conducción, la regulación de voltaje y la eficiencia, considerando las siguientes ecuaciones:

V1

P2  U 2 I 2 ;

4.3.

 V2 P2  Nc  Nse  *100% Pa  Pt    P2 ; Pc  Pa  Pt ; RVa %  a´ * 100% ;  %  P1 V2  Nse 

EL TRANSFORMADOR CON CARGA

Arme el circuito de la figura N° 7, verifique las conexiones y escalas de los instrumentos y luego aplique las cargas indicadas en la tabla N° 2. Recuerde mantener la tensión constante en el primario (220 V).

Fig. 7: Circuito de pruebas para aplicar carga al transformador. TABLA N° 2 Resistencia (Ω)

V1 (V)

V2 (V)

I1 (A)

I2 (A)

P1 (W)

P2 (W)

RVT (%)

Eficiencia (%)

300

220.5V 109.3V 0.293A 0.333A 60.2

36.39

0.86

61.29

200

220.9V 108.8V 0.35A

57.55

1.51

79.6

100

221.2V 110.4V 0.167A 1.055A 131

116.47

1.18

88.90

50

217.7V 105.1V 1.082A 2.10A

240.8

220.71

3.66

91.65

3.055A 341.9

336.96

5.08

98.55

33.333

217.1V 103.3V 1.56A

0.529A 72.3

Con los valores medidos, calcule la potencia de salida, la regulación de voltaje y la eficiencia, considerando las siguientes ecuaciones:

P2  U 2 I 2 ; 4.4.

V1  V2 RVT %  a * 100% ; V2

% 

P2 *100% P1

COMPARACIÓN DEL TRANSFORMADOR Y AUTOTRANSFORMADOR CON CARGA

Con los resultados obtenidos en las tablas 1 y 2, realizar la gráfica de la eficiencia (η%) vs potencia de salida (P2), para el transformador y el autotransformador.

AUTOTRANSFORMADOR

TRASFORMADOR

Con los resultados obtenidos en las tablas 1 y 2, realizar la gráfica de la regulación de tensión (RV %) vs potencia de salida (P2), para el transformador y el autotransformador.

TRASFORMADOR

AUTRANSFORMADOR

V.

CUESTIONARIO

1- ¿Según el transformador de la experiencia, determine que voltajes de entrada y salida se pueden obtener haciendo distintas conexiones? Realizar graficas que demuestren lo afirmado. Conexionado de circuito numero 1: Voltaje de entrada: 329.4V Voltaje de salida: 109.3V Conexión del circuito número 2: Voltaje de entrada: 220.5V Voltaje de salida: 109.3V

2- ¿Es factible conectar el transformador como autotransformador para las distintas tensiones indicadas en la pregunta N° 1?¿cuales si se podrían hacer?. No todas. Las configuraciones 1 a 3 si son factibles, mientras que la configuración 4 no es viable porque la relación de transformación es de 6 y por lo tanto, muy alta.

VI.

TRABAJO DE INVESTIGACIÓN

Temas: -

“Aplicaciones del autotransformador”. “Ventajas y desventajas de los autotransformadores”.

“Aplicaciones del autotransformador” El autotransformadores se utiliza como método de arranque suave para motores de inducción tipo jaula de ardilla, los cuales se caracterizan por demandar una alta corriente durante el arranque. Un autotransformador también se usa para: Conectar circuitos que funcionan a tensiones diferentes, pero con una relación cercana a 2:1. Conectar aparatos con una tensión de servicio distinta a la de la red, por ejemplo, motores de 480 V a una red de 600 V En sistemas de distribución rural.

“Ventajas y desventajas de los autotransformadores”

-

-

-

1. VENTAJAS: Transfiere más potencia que un transformador normal. Tiene una tensión de cortocircuito pequeña lo que plantea el inconveniente de que la corriente en caso de corto circuito es elevada. El autotransformador genera mas potencia que un transformador normal de especificaciones similares. El autotransformador tiene mayor rendimiento Las perdidas eléctricas siempre son menores que las perdidas magnéticas Parte de la energía del autotransformador se transmite eléctricamente En consecuencia es un económico Es más difícil de construir y requiere menos cobre Menor intensidad de vacío Menores caídas de tensión El autotransformador lleva a un solo bobinado Existe menor flujo del campo y menor tamaño de núcleo de hierro Solo un porcentaje de la energía se transmite por inducción 2. DESVENTAJAS: No tienen asilamientos en los primarios y secundarios La salida del transformador no esta aislada con la entrada, este se vuelve inseguro para la persona que lo opera Debido a la construcción eléctrica de los dispositivos, la impedancia de entrada del autotransformador es menor que de un transformador común. Esto no es ningún problema durante el funcionamiento normal de la máquina, pero si por alguna razón se produce un cortocircuito a la salida Baja regulación de tensión debido a su baja impedancia equivalente Conducción galvánica entre el primero y secundario Peligro del corte de una espira, lo que produciría que el secundario quede sometida a la tensión del primario La principal desventaja de los autotransformadores es que a diferencia de los transformadores ordinarios hay una conexión física directa entre el circuito primario y el secundario, por lo que se pierde el aislamiento eléctrico en ambos lados

--------LINK VIDEO-------https://youtu.be/60YXbdl9SxI

VII.

OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

(Mínimo 8 de cada una de ellas) Conclusiones: (Duverly Vargas Huaraca) -Se concluyó que el autotransformador tiene menos perdida de cobre siendo más eficiente que el transformador ya que en el autotransformador vimos una pérdida de 22.9watss y el transformador de 23.02watts. -Según las respectivas medidas se comprobó que el autotransformador posee menor impedancia que el transformador y tensión de cortocircuito y tensión de cortocircuito porcentual que el transformador. -Desarrollando el ensayo de corto circuito nos pudimos dar cuenta que el autotransformador tiene menos pérdidas en el núcleo de 10 watts, frente al transformador que tuvo 16 watts en pérdidas. -Para llegar a 360 mA en el devanado secundario con una carga de 300 ohm, un transformador requirió 258 mA, mientras que un autotransformador requirió solo 109.3 mA, lo que indica que el autotransformador tiene mejor capacidad para elevar o reducir la corriente. -Los autotransformadores se utilizan a menudo en sistemas eléctricos de potencia para interconectar circuitos que funcionan a voltajes diferentes, pero en una relación cercana a 2:1 por ejemplo: 500kV/330kV ó 148kV/76kV. Observaciones: (Duverly Vargas Huaraca) -Se observó que nuestro multímetro no estaba en tan buen estado - para hacer los cálculos del ensayo al vacío se utilizará los datos del laboratorio anterior. -El voltaje que se utilizo fue de 330v esto se utilizó para obtener el voltaje nominal - Observamos que tanto como en el transformador y auto transformador la mínima carga era de 33.33Ω -Se utilizó cargas resistivas, para la prueba del autotransformador nuestro factor de potencia fue de relación a 1

Conclusiones: (Bolivar Choquehuanca Cristhian) -Si al transformador lo conectamos como autotransformador, este puede mejorar mucha más potencia de lo normal. -Mediante el ensayo de vacío, el autotransformador tiene menos pérdidas en el núcleo, 10 watts, frente al transformador, que tuvo 16 watts en pérdidas. - Un autotransformador llega a tener una gran desventaja con el peligro del corte de una espira, lo cual produciría que el secundario quede sometido a la tensión del primario. -Se concluye que los autotransformadores tienen un solo devanado el cual hace de bobinado primario y secundario, que se encuentra envuelto de núcleo.

- Concluimos que el autotransformador puede variar cantidad altas de voltaje, en caso de un autotransformador solo poco, según nuestras medidas

Observaciones: (Bolivar Choquehuanca Cristhian) -El autotransformador necesita menos cantidad de corriente para generar el flujo en el núcleo -Se observó que el autotransformador genera más potencia que un transformador normal de especificaciones similares. -Para las comparaciones con el transformador, se utilizaron los datos del laboratorio anterior. -El autotransformador es más eficiente que un transformador con potencias parecidas

Observaciones: (Apaza Apaza Xiomara) -La relación de auto transformación no debe ser mayor a tres esto depende si es un autotransformador es elevador o reductor -La tensión relativa de cortocircuito εcc de un autotransformador es pequeña -En el autotransformador se encuentran 2 potencias la potencia inductiva y potencia conductiva -Para poder medir la corriente tres en el autotransformador se tuvo que hacer una derivación. Conclusiones: (Apaza Apaza Xiomara) -La eficiencia de los autotransformadores es mucho mayor debido a que poseen un solo núcleo y las pérdidas por histéresis son mínimas. -El autotransformador nos permite alimentar cargas que requieren mayor voltaje del permisible aceptado en un transformador. -Baja regulación de voltaje por su menor impedancia equivalente -Se puede comprobar su buen rendimiento

Conclusiones: (Escobedo Mendoza Aaron Ahirton) -Se concluye que, la eficiencia del autotransformador es mucho mayor debido a que poseen un solo núcleo y las pérdidas que se dan son mínimas. -Nos hemos dado cuenta que el autotransformador a diferencia del transformador tiene una más baja caída de tensión. -Tiene una tensión de cortocircuito pequeña lo que plantea el inconveniente de que la corriente en caso de coto circuito es elevada. -El autotransformador genera más potencia que un transformador normal de especificaciones similares. - Se concluye que, la potencia de salida tiende a aumentar a medida que se aumenta los pasos de carga, así mismo se da incremento en la corriente. Observaciones: (Escobedo Mendoza Aaron Ahirton)

-Antes de energizar el tablero, primero tenemos que poner la fuente de energía en 0V y luego recién energizarlo, ya que si no lo hacemos podremos dañar equipos de medición. -Consideramos que, en caso del autotransformador a mayor relación de transformación, será mayor la potencia aparente. -En el laboratorio se observó la prueba del autotransformador en vacío. En donde se pudo sacar los parámetros del autotransformador. -Para la relación de potencia usamos las leyes de Kirchhoff. -Siempre tener la fuente de tensión en 0 para no tener problemas.

Observaciones: (Laura Vargas Alexander) -Se observa una posibilidad de que la carga en el autotransformador podría quedar directamente conectada la fuente de alto voltaje si falla el aislamiento entre sus devanados primarios o secundarios. Lo cual podría presentar un peligro. -El autotransformador puede tener baja regulación de tensión debido a su baja impedancia equivalente. -Observamos que la potencia total en el autotransformador aumentó considerablemente cuando se trabajó con una resistencia mínima de 30 Ω. -Antes de energizar nuestro circuito es muy importante tener en cuenta que el regulador de tensión en el módulo “erfi” esté en 0. -Hay que tener mucho cuidado con el autotransformador porque este trabaja con el mismo bobinado. Por lo tanto, si falla el aislamiento presentaría un peligro inminente para el operador. Conclusiones: (Laura Vargas Alexander) -Logramos concluir a través de los ensayos que el autotransformador es más pequeño y puede poseer las mismas cualidades de un trasformador, pero con limitaciones en su uso. -Solo un porcentaje de la energía se trasmite por inducción, esto significa menor flujo del campo y menor tamaño del núcleo de hierro. Por lo tanto, se obtienen transformadores más livianos. -Concluimos que el autotransformador puede alimentar cargas que requieran un mayor voltaje a diferencia de un transformador. -Concluimos que el correcto análisis e interpretación en las mediciones efectuadas en el transformador monofásico como autotransformador nos permitirán determinar la regulación de voltaje y la eficiencia. -Concluimos entre un transformador y un autotransformador que el autotransformador necesitará menos corriente “I”.