Transformadores Monofásicos y Autotransformadores

Transformadores Monofsicos y Autotransformadores

Juan Andrs Cisneros Jcome Laboratorio de Conversin Electromecnica de Energa, Departamento de Energa Elctrica, Escuela Politcnica

Nacional

Quito, Ecuador [email protected]

Resumen-. En esta prctica se realiz el trabajo sobre

transformadores, en los cuales se determin el

comportamiento del transformador monofsico y para

complementar el estudio se vio la conexin de

transformadores para su funcionamiento como

autotransformador, y se determin el comportamiento

del mismo bajo condiciones de carga.

I. INFORME

A. Calcule la potencia de entrada, de salida, el

rendimiento y la regulacin de voltaje del

transformador con los datos obtenidos en los

numerales del procedimiento 3 y 4. Grafique la

potencia de salida, rendimiento y regulacin como

funcin de la carga. Utilice una escala adecuada.

Compare los resultados y justifique su diferencia.

Las potencias de entrada y salida son:

Pin = Ve Ie cos1 (Watios)

Pout = Vs Is cos2 (Watios)

El rendimiento del transformador es igual:

= Pout /Pin

Tambin existen prdidas en el ncleo debidas a

las corrientes parsitas y a la histresis, y

prdidas en los devanados debido al efecto Joule.

Todas estas prdidas se manifiestan en forma de

calor, y disminuyen el rendimiento del

transformador, por consiguiente, el rendimiento

real tambin se puede expresar como:

= Pout / (Pout + Pnucleo + Pdevanado)

Los rendimientos reales que se observan en los

transformadores son altos,(al no tener entrehierros como

las mquinas rotativas,) y mejoran con el tamao del

transformador (entre un 80% y un 98%).

Transformadores:

Relacin 1:1

Tabla de voltajes y corrientes en relacin 1:1

Carga Primario Secundario

V [v] I [A] V [v] I [A]

0 125,3 1,4 125,4 0,1

1 123,7 5,3 120,8 5,0

2 123,0 10 116,2 9,8

Primario (Potencia de entrada):

Sin carga Po = Ve *Ie = (125,3)*(1,4) = 175,42 VA

Con carga 1 P1 = Ve *Ie = (123,7)*(5,3) = 655,61 VA

Con carga 2 P2 = Ve *Ie = (123,0)*(10) = 1230 VA

Secundario (Potencia de salida):

Sin carga Po = Vs *Is = (125,4)*(0,1) = 12,54 VA

Con carga 1 P1 = Vs *Is = (120,8)*(5,0) = 604 VA

Con carga 2 P2 = Vs *Is = (116,2)*(9.8) = 1138,76 VA

Ejemplo de clculo del rendimiento:

= (Pout /Pin) *100% = (604 /655,61) *100% = 92,13%

Ejemplo de clculo de regulacin de voltaje:

R.V = (VNL-VFL) / VFL

R.V = (125,4 - 120,8) / 120,8

R.V% = 3,81 %

Tabla de potencia de entrada, salida,

rendimiento y regulacin de voltaje

Carga P entrada

[W]

P salida

[W]

Rendimiento

(%)

R.V

(%)

0 175,42 12,54 7,15

1 655,51 604 92,13 3,81

2 1230 1138,76 92,58 7,92

Grfico de la Potencia de entrada:

Grfico de la Potencia de salida:

Grfico del Rendimiento:

Relacin 2:1 (reductor)



V [v] I [A] V [v] I [A]

0 214,1 0,4 107,3 0,1

1 213,2 2,3 103,8 4,3

2 212,6 4,3 100,1 8,3







Con carga 1 P1 = Vs *Is = (103,8)*(4,3) = 446,34 VA



= (Pout /Pin) *100%

= (446,34 /490,36) *100% = 91,02%



R.V = (107,3 103,8) / 103,8

R.V% = 3,37 %



Carga P entrada

[W]

P salida

[W]

Rendimiento

(%)

R.V

(%)

0 85,64 10,73 12,53

1 490,36 446,34 91,02 3,37

2 914,18 830,83 90,88 7,19

0

500

1000

1500

0 0,5 1 1,5 2 2,5

P entrada [W]

0

500

1000

1500

0 0,5 1 1,5 2 2,5

P salida[W]

0

50

100

150

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Rendimiento (%)




Relacin 2:2



V [v] I [A] V [v] I [A]

0 251,4 0,11 220 0

1 250 2,29 195 2,38

2 250 3,44 152 3,53

3 248,8 3,97 119 4,07

4 248 4,28 97 4,33



Con carga 1 P1 = Ve *Ie = (250)*(2,29) = 572,5 VA

Con carga 2 P2 = Ve *Ie = (250)*(3,44) = 860 VA




Sin carga Po = Vs *Is = (220)*(0) = 0 VA

Con carga 1 P1 = Vs *Is = (195)*(2,38) = 464,1 VA





= (Pout /Pin) *100% = (0 /27,65) *100% = 0%



R.V = (220 195) / 195

R.V% = 12,82 %



Carga P entrada

[W]

P salida

[W]

Rendimiento

(%)

R.V

(%)

0 27,65 0 0

1 572,5 464,1 81,07 12,82

2 860 536,56 62,39 44,74

3 987,74 484,33 49,03 84,87

4 1061,4 420,01 39,57 126,80


0

200

400

600

800

1000

0 0,5 1 1,5 2 2,5

P entrada [W]

0

200

400

600

800

1000

0 0,5 1 1,5 2 2,5

P salida[W]

0

50

100

150

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Rendimiento (%)



Relacin 1:2 (elevador)



V [v] I [A] V [v] I [A]

0 147,7 0,36 288 0

1 146,4 5,33 237 2,67

2 145 7,92 180 3,94

3 145 9,10 140 4,55







Sin carga Po = Vs *Is = (288)*(0) = 0 VA



Con carga 3 P3 = Vs *Is = (140)*(4,55) = 637 VA


= (Pout /Pin) *100% = (0 /53,17) *100% = 0%



R.V = (288 237) / 237

R.V% = 21,52 %



Carga P entrada

[W]

P salida

[W]

Rendimiento

(%)

R.V

(%)

0 53,17 0 0

1 780,31 632,79 81,09 21,52

2 1148,4 709,2 61,76 60

3 1319,5 637 48,28 105,7



0

500

1000

1500

0 1 2 3 4 5

P entrada [W]

0

200

400

600

0 2 4 6

P salida[W]

P salida[W]

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5

Rendimiento (%)

0

500

1000

1500

0 1 2 3 4

P entrada [W]


Comparacion y justificacin:

Tras los resultados y las grficas de las diferentes

conexiones de los transformadores, ya sea como:

elevadores, reductores o de igual relacin. Se not

claramente que el rendimiento de los transformadores es

muy malo, ya que si se eleva el voltaje a trabajar (de

110v a 220v ) llega a un punto en el que deja de ser

eficiente y empiezan a ser ms evidentes las prdidas en

el ncleo.

Con la ayuda de la regulacin de voltaje tambin se lleg

a deducir que la regulacin de los mismos es muy mala ya

que en vez de mantenerse la regulacin esta va

aumentando y creando prdidas en el devanado y en el

ncleo.

B. Calcule las potencias de entrada y salida, el

rendimiento y la regulacin de voltaje de

transformacin cuando funciona como

autotransformador con los datos obtenidos en los

numerales del procedimiento 5 y 6. Grafique la

potencia de salida, rendimiento y regulacin como

funcin de la carga. Utilice una escala adecuada.

Compare los resultados y justifique su diferencia.

Autotransformadores:

Relacin 2:1 (reductor)


Carga Entrada Salida

V [v] I [A] V [v] I [A]

0 213,7 0,5 106,7 0,2

1 212,8 2,4 105,6 4,3

2 212,3 4,5 104,3 8,8

3 211,9 6,6 103,5 13,0

4 211,9 8,8 102,4 17,1














= (Pout /Pin) *100% = (21,34 /106,85) *100% = 19,97%



R.V = (106,7 105,6) / 105,6

R.V% = 1,04 %



Carga P

entrada

[W]

P salida

[W]

Rendimiento

(%)

R.V

0 106,85 21,34 19,97

1 510,72 454,08 88,91 1,04

2 955,35 917,84 96,07 2,3

3 1398,54 1345,5 96,21 3,09

4 1864,72 1751,04 93,90 4,2

0

200

400

600

800

0 1 2 3 4

P salida[W]

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4

Rendimiento (%)




Relacin 1:2 (elevador)


Carga Entrada Salida

V [v] I [A] V [v] I [A]

0 125,5 1,4 250,8 0,2

1 123,7 6,8 244,7 3,3

2 122,3 12,6 239,8 6,3

3 121,1 18,5 234,4 9,1












= (Pout /Pin) *100%

= (21,34 /106,85) *100% = 19,97%



R.V = (250,8 244,7) / 244,7

R.V% = 2,49 %

Tabla de potencia de entrada, salida, rendimiento

y regulacin de voltaje

Carga P entrada

[W]

P salida

[W]

Rendimiento

(%)

R.V

0 175,7 50,16 28,55

1 841,16 807,51 96 2,49

2 1540,98 1510,74 98,03 4,59

3 2240,35 2133,04 95,21 7



0

500

1000

1500

2000

0 1 2 3 4 5

P entrada [W]

0

500

1000

1500

2000

0 1 2 3 4 5

P salida[W]

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5

Rendimiento (%)

0

500

1000

1500

2000

2500

0 1 2 3 4

P entrada [W]


C. Comparar el rendimiento del transformador

monofsico y en conexin como autotransformador

para el caso de carga mxima cuando funcionan

como elevadores y reductores.

Comparando los dos rendimientos el del

autotransformador y el del transformador, se lleg a una

clara visin de que los autotransformadores poseen un

mayor rendimiento, en especial cuando se trabajan con

carga mxima, igualmente siendo elevadores y reductores.

CUESTIONARIO

D. Por qu razn el dato de potencia de los

trasformadores viene dado en kVA y no en kW?

Un transformador consume una potencia igual a la

del circuito conectado a su salida, ms las prdidas

del propio transformador.

En un transformador ideal, que no tuviese prdidas,

la potencia de entrada sera igual a la de salida.

La potencia nominal de un transformador se mide en

VA (voltiamperio), al ser una medida de potencia

aparente. Ya que es un sistema en el que se

encuentran trabajando impedancias resistivas e

inductivas. Por lo que la potencia que generan es una

potencia aparente en VA [voltiamperios] y no en W

[vatios] como normalmente lo hacamos en un

sistema totalmente resistivo.

E. En un transformador que tenga varias bobinas.

Cul es el criterio empleado para formar el

primario y el secundario? Qu ocurre con el

rendimiento y la regulacin de voltaje cuando no se

escoge adecuadamente las mismas?

Podemos arrollar varias bobinas en el mismo ncleo, con

lo que tendremos varios secundarios. stos pueden estar

elctricamente unidos, como en la figura 1B y 1D, o

separados como en la figura 1C.

Un transformador de varios devanados puede tener desde

5 puntas hasta 50 puntas que van en una caja de

terminales. Las bobinas de bajo voltaje tendrn

conductores de mayor seccin transversal que las de alto

voltaje.

Tambin las bobinas de alto voltaje pueden tener

aislamiento de mayor capacidad que las de bajo voltaje.

Sin embargo, este examen fsico no da indicacin alguna

acerca de las polaridades de las salidas de las bobinas

asociados con determinadas bobinas que estn aisladas

entre s.

F. Seales las aplicaciones del transformador y

autotransformador

Transformadores:

Una vez generada la electricidad en el generador

de las centrales, y antes de enviarla a la red, se

utilizan los transformadores elevadores para

elevar la tensin y reducir as las prdidas en el

transporte producidas por el efecto Joule. Una

vez transportada se utilizan los transformadores

reductores para darle a esta electricidad unos

valores con los que podamos trabajar.

Los transformadores tambin son usados por la

mayora de electrodomsticos y aparatos

electrnicos, ya que estos trabajan, normalmente,

0

500

1000

1500

2000

2500

0 1 2 3 4

P salida[W]

0

50

100

150

0 1 2 3 4

Rendimiento (%)

a tensiones de un valor inferior al suministrado

por la red

Por ltimo hacer mencin a que uno de los

elementos de seguridad elctrica del hogar utiliza

transformadores. Se trata del diferencial. Este

dispositivo utiliza transformadores para

comparar la intensidad que entra con la que sale

del hogar. Si la diferencia entre estos es mayor a

10 mA desconecta el circuito evitando que

podamos sufrir lesiones.

Autotransformadores:

Los autotransformadores se utilizan con

frecuencia en aplicaciones de potencia para

interconectar sistemas que operan a diferentes

clases de tensin, por ejemplo, 138 kV a 66 kV

para la transmisin.

Otra aplicacin es en la industria para adaptar la

maquinaria construida para suministros de 480 V

para funcionar con un suministro de 600 V.

Tambin se utilizan a menudo para proporcionar

conversiones entre las dos bandas de tensin de

red domsticas comunes en el mundo. Los

vnculos entre las redes de 275 kV superred

Reino Unido 400 kV y normalmente son tres

autotransformadores trifsicos con grifos en el

extremo neutro comn.

En las lneas de distribucin de energa rurales

largos, autotransformadores especiales con

cambiar de equipo grifo automtico se insertan

como reguladores de voltaje, por lo que los

clientes en el otro extremo de la lnea reciben la

misma tensin media, como las ms prximas a

la fuente. La proporcin variable del

autotransformador compensa la cada de tensin

a lo largo de la lnea.

Una forma especial de autotransformador llama

zig zag se utiliza para proporcionar conexin a

tierra en sistemas trifsicos que de otra manera

no tienen conexin a tierra. Un transformador de

zig-zag ofrece una trayectoria para la corriente

que es comn a todas las tres fases.

G. Por qu en un autotransformador se obtiene una

potencia mayor que la que se tendra como un

transformador estndar?

Por la distribucin de las bobinas que hacen que la

potencia utilizada en el autotransformadores sean

mayores a la de los transformadores estndares.

Transformador

Autotransformador:

Queda claro que cuanto ms pequeo es el nmero de

vueltas del devanado serie respecto al devanado

comn mayor ser la ventaja en cuanto a la potencia,

ya que los devanados manejarn menos potencia que

la que realmente circula por el transformador.

De la ecuacin nmero 10 se desprende entonces que

el conectar un transformador estndar en

configuracin autotransformador me permitira

manejar una potencia mayor que la que podra

manejar dicho transformador en una conexin

estndar.

La potencia necesaria del autotransformador es slo

un 12 % (tomando la relacin ms desfavorable, pues

esa ser la cifra necesaria) de la que debera traer un

transformador que prestar el mismo servicio. Estas

cifras son elocuentes de por s, y bastan para

demostrar la razn del empleo generalizado de los

autotransformadores en las redes, para elevar o

reducir la tensin en valores cercanos a la unidad.

Para relaciones de transformacin que se alejan

mucho de la unidad, el cociente entre las potencias

necesarias tiende a valer 1, luego al

autotransformador requiere casi la misma potencia

que el transformador. Pese a esto sera conveniente

por sus menores prdidas y cadas internas, pero .en

tales casos hay mucha diferencia entre las tensiones

primaria y secundaria, con lo que aparecen problemas

de aislacin; ellos obligan a utilizar el transformador,

cuya independencia entre circuito primario y

secundario le da ventaja en tales casos.

II. CONCLUSIONES

El rendimiento de los autotransformadores es

mucho mejor que el de los transformadores,

trabajando con cargas ms elevadas.

La regulacin de voltaje de los transformadores

utilizados es muy mala, ya que a medida de que

se aumenta el voltaje este tambin aumenta.

El autotransformador tiene ms ventajas en el

uso que el de los transformadores aunque tienen

la desventaja de ser ms peligrosos en el manejo.

El trabajo con los autotransformadores es mejor

ya que se puede manipular potencias ms altas

que con los transformadores estndares, y

ahorrando ms material.

III. RECOMENDACIONES

Al trabajar con transformadores se debe tener

cuidado al momento de manipular los elementos

con los que se estn trabajando ya que se trabaja

con grandes voltajes y corrientes.

Recordar que los autotransformadores no tienen

proteccin en su acoplamiento y eso los hace

ms peligrosos, pueden ocurrir cortos elctricos.

Recordar el correcto uso de los instrumentos del

laboratorio, ya que si no se hace bien las

conexiones puede generarse algn dao en el

equipo o en las instalaciones del laboratorio.

REFERENCIAS

[1]

http://ddtorres.webs.ull.es/Docencia/Intalaciones/Electrifica/

Tema%203.htm

[2] http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-

interactivos/conceptos-basicos/funcionamiento-de-los-

transformadores#Transformador ideal

[3] http://docsetools.com/articulos-utiles/article_117415.html

[4]

http://patricioconcha.ubb.cl/transformadores/autotransformad

or.htm

[5]

https://eva.fing.edu.uy/pluginfile.php/66928/mod_resource/c

ontent/1/Transformadores/Autotransformadores.pdf

[6] http://fidestec.com/blog/fuentes-de-alimentacion-conmutadas-06/

HOJA DE DATOS

Documents

Transformadores Monofásicos y Autotransformadores