Laboratorio N° 3

Tema: Transformador monofásico con carga capacitiva, resistiva e inductiva

Objetivos: Analizar el transformador monofásico en carga Familiarizar e identificar los bancos de carga resistiva, inductiva y capacitiva. Observar la regulación del transformador a diversos niveles de carga R, L y C.

Marco teóricoTransformadores monofásicos.

Es un dispositivo que se encarga de "transformar" la tensión de corriente alterna que

tiene a la entrada en otra diferente a la salida.

Este dispositivo se compone de un núcleo de hierro sobre el cual se han arrollado

varias espiras (vueltas) de alambre conductor. Este conjunto de vueltas se llaman

bobinas y se denominarán: "primario" a la que recibe la tensión de entrada y

"secundario" a aquella que dona la tensión transformada.

La bobina "primaria"

recibe una tensión alterna

que hará circular, por ella,

una corriente alterna. Esta

corriente inducirá un flujo

magnético en el núcleo de

hierro. Como el bobinado

"secundario" está arrollado sobre el mismo núcleo de hierro, el flujo magnético

circulará a través de las espiras de éste. Al haber un flujo magnético que atraviesa las

espiras del "secundario" se generará por el alambre del secundario una tensión. Habría

corriente si hubiera una carga (si el secundario estuviera conectado a una resistencia,

por ejemplo). La razón de la transformación de tensión entre el bobinado "PRIMARIO"

y el "SECUNDARIO" depende del número de vueltas que tenga cada uno.

Tipos de Transformadores

Según funcionalidadTransformadores de potencia

Transformadores de comunicaciones

Transformadores de medida

Por los sistemas de tensiones

Monofásicos

Trifásicos

Trifásicos-exafásicos

Trifásicos-dodecafásicos

Trifásicos-monofásicos

Según tensión secundarioElevadores

Reductores

Según medioInterior

Intemperie

Según elemento refrigeranteEn seco

En baño de aceite

Con pyraleno

El transformador real.

Para entender el funcionamiento de

un transformador real, refirámonos

a la figura. Esta nos muestra un

transformador que consiste en dos

bobinas de alambre enrolladas alrededor de un núcleo del transformador. La bobina

primaria del transformador está conectada a una fuente de tensión de ca y la bobina

secundaria está en circuito abierto.

La base del funcionamiento del transformador se puede derivar de la ley de Faraday

eent = dφ

/ dt

En donde φ

es el flujo magnético ligado de la bobina, a través de la cual se induce la

tensión. El flujo ligado total es la suma de los flujos que pasan por cada vuelta de la

bobina, sumando tantas veces cuantas vueltas tenga dicha bobina:

φ= å f i

El flujo magnético total que pasa por entre una bobina no es sólo Nf , en donde N es el

número de espiras en la bobina, puesto que el flujo que pasa por entre cada espira es

ligeramente diferente del flujo en las otras vueltas, y depende de la posición de cada

una de ellas en la bobina.

Carga resistivaLas cargas resistivas son simplemente aquellas en las que la electricidad produce calor y no movimiento. Típicas cargas de este tipo son las lámparas incandescentes o los radiadores eléctricos. Todas aquellas que consumen electricidad y por lo general producen calor y/o luz, por ejemplo: parrillas eléctricas, focos, hornoeléctrico, cafetera, sandwichera. Su consumo se mide en Watts.

Cargas inductivasSon aquellas que utilizan la electricidad pero no la disipan, por ejemplo los motores eléctricos (motobomba, refrigerador, extractor de jugos) en los cuales se crean campos magnéticos que interactúan, a partir de los cuales se produce movimiento (energía mecánica). Su ³consumo´ se mide en VA (Volts Amperes

Carga Capacitiva

Cuando se aplica carga capacitiva a un transformador, la corriente (I) en la carga se adelanta 90º con respecto al voltaje. Esto quiere decir que la corriente se desfasa hacia adelante 90º con respecto al voltaje de utilización (V). Tomando en cuenta este desfase, se obtiene la caída interna (ec) del transformador (caída de voltaje). De esta manera la ecuación que da de la siguiente manera:

Equipo: Fuente de poder TF-123 Fuente de poder PS-12 Amperímetro AC de 6 A Voltímetro analógico 120/220 AC Transformador monofásico TT91 Transformador monofásico TR-13 Bancos de resistencias TB-40 y 3 phase rheostat Bancos de inductancias TB-41 y LI 22 Bancos de capacitancia TB-42 y LC32 Vatímetro 150W Interruptor TO30

Esquema:

Procedimiento:

Verificar que el interruptor del circuito de carga esté en estado abierto. Realizar las conexiones del diagrama de la figura 9 manteniendo el circuito sin

energía Colocar el selector del banco de resistencias en su posición máxima R en

terminales, equivalente a mínima corriente. Alimentar el circuito primario con una tensión nominal del transformador [V1], el

mismo que se debe mantener constante a lo largo de todo el experimento. Cierre el interruptor T 030.

Cerrar el interruptor de la carga. Incrementar la carga del transformador con el cursor del banco de resistencias de

manera que se produzca incrementos de corriente de 0.5 Amperios [I1], hasta un máximo de 4.5 Amperios.

Tomar lecturas de V1, I1, V2 y I2. Apagar la fuente. Abrir el interruptor de la carga y reemplace el banco de resistencias por uno de

inductancias con el selector en la posición cero (0), active la fuente y cierre el interruptor de la carga.

Incrementar la carga del transformador con el selector de la inductancia utilizada desde la posición 0 hasta la 9 tome lecturas de V1, I1, V2 y I2 (verifique en cada medición que la tensión de entrada sea constante).

Apagar la fuente Abrir el interruptor de la carga y reemplace el banco de inductancias por el banco

de capacitancias con el selector en la posición cero, active la fuente y cierre el interruptor de la carga.

Incrementar la carga del transformador con el selector de la capacitancia utilizada variando desde la posición 0 hasta la 6 tome las lecturas V1, I1, V2 y I2 (verifique en cada medición que la tensión de entrada sea constante).

Datos medidosCon carga Resistiva

V1 (v) V2 (V) i1 (A) i2 (A) P(W) R 50 Ω[%]119.5 91.1 0 0 0 0119.3 91 0.5 1.5 170 10118 91 0.65 2 200 20118 90.8 1.06 2.5 240 34118 90.8 1.5 3 295 45

Con carga Capacitiva

V1 (v) V2 (V) i1 (A) i2 (A) P(W) C [uF]119.5 91 0.06 0.2 7.5 15119.7 91.2 0.09 1.1 12.5 30119.9 91.4 0.13 1.55 20 45120.1 91.8 0.36 1.8 20 60120.4 92.1 0.68 2.3 22.5 75120.5 92.3 1.09 2.8 25 90120.7 92.5 1.42 3.4 27.5 105

Con carga Inductiva

V1 (v) V2 (V) i1 (A) i2 (A) P(W) L [mH]119.5 91.4 0 0 0.5 0119.3 90.6 0.6 0.2 5 300118 90 1.2 1.2 11 150118 89.3 1.6 1.8 20 100118 88.4 2.2 2.5 25 75

117.5 88 2.7 3.3 30 60117.1 88 3.3 4.2 45 50

Cuestionario:Realizar un solo gráfico con las características de regulación del transformador monofásico para las cargas resistiva, inductiva y capacitiva.

Carga resistiva

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.590.8

90.85

90.9

90.95

91

91.05

91.1

91.15

CARGAS RESISTIVA Linear (CARGAS RESISTIVA )

I2(A)

V2(V)

Carga capacitiva

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 490

90.5

91

91.5

92

92.5

93

93.5

CARGA CAPACITIVALinear (CARGA CAPACITIVA)

Axis Title

Axis Title

V2(V)

I2(A)

Carga inductiva

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.586

87

88

89

90

91

92

CARGA INDUCTIVA Linear ( CARGA INDUCTIVA )

Axis Title

Axis Title

V2(V)

I2(A)

Analizar la regulación general y con cada una de las cargas R, L y C.

Cálculo de la regulación en cargas resistivas, capacitivas e inductivas

Tabla de Regulación% Regulación Carga Resistiva

% Regulación Carga Inductiva

% Regulación Carga Capacitiva

1,27 0,91 0,55 1,09

1,00 0,00 1,270,91 0,64 1,640,91 1,45 1,910,73 1,82 2,090,73 1,82 2,27

%Regulación=|Vteórico−VexperimentalV teórico |∗100%

Ejemplo de cálculos

%Regulación=|90−91,1110 |∗100%

%Regulación=1%

Carga resistiva

Observando el gráfico notamos que la variación de corriente no es proporcional a la carga, para que se produzcan estas corrientes nominales el voltaje debe ir variando, entonces el factor de regulación del fabricante es el que nos marca la variación de voltaje

Carga capacitiva

Analizando el gráfico observamos que la variación del voltaje es mínima y la corriente aumenta, este fenómeno se debe a que el capacitor se carga muy rápido y por el continuo ingreso de corriente este no se descarga, lo que provoca que la corriente I2 varíe.

Carga inductiva

Observando el gráfico observamos que el voltaje desciende de manera lineal mientras la corriente aumenta, luego de varias cargas y descargas de la bobina esta se comporta como un cortocircuito (voltaje es cero).

Determinar y graficar la potencia reactiva y el factor de potencia con los datos obtenidos en cada medición.

Carga resistiva

No es necesario graficar ya que en este caso toda la potencia aparente (|S|=|V|.|I|) es activa y la reactiva es igual a cero.

Y el ángulo de la impedancia es igual a 0º, debido a que solo tenemos carga resistiva por lo tanto el factor de potencia es fp=1.

Carga capacitiva

Para este caso toda la potencia es aparente (|S|=|V|.|I|) es reactiva y al ser capacitiva tenemos:

Y el ángulo de la impedancia es igual a -90º, debido a que solo tenemos carga resistiva por lo tanto el factor de potencia es fp=0

Carga inductiva

Para este caso en cambio toda la potencia es potencia aparente (|S|=|V|.|I|) es reactiva y al ser inductiva tenemos:

Y el ángulo de la impedancia es igual a 90º, debido a que solo tenemos carga resistiva por lo tanto el factor de potencia es fp=0

Conclusiones: Al terminar la práctica observamos que en la carga resistiva el voltaje es

directamente proporcional a la corriente Se asume que la carga resistiva de la bobina y del capacitor es cero para fines

educativos. Al aplicar diferentes tipo de cargas la corriente y el voltaje cambian su relación, al

conectar una carga resistiva el voltaje es inversamente proporcional a la corriente, al conectar una carga capacitiva la corriente en la carga se adelanta con 90º con respecto al voltaje, y finalmente cuando se aplica una carga inductiva la corriente se atrasa respecto al voltaje

El voltaje en el primario varia en relación al voltaje en el secundario y esto lo comprobamos calculando el factor de regulación

Recomendaciones:

Llevar el trabajo preparatorio el cual nos servirá para guiarnos en la práctica a realizarse

No ingresar con alimentos al laboratorio. Manejar los equipos con mucha atención para evitar accidentes por mala

manipulación de instrumentos

Referencias Bibliográficas: Máquinas Eléctricas y Transformadores, Irving L. Kosow Ph.D. Teoría y análisis de las máquinas eléctricas A. E. Fitzgerald. Máquinas Eléctricas Estifan Chapman