6.ensayos en un transformador

U.P.T.C. Formación básica profesional. Área (Eléctrica – Electrónica)
Facultad Seccional Duitama Máquinas eléctricas II
Escuela de Ingeniería Electromecánica 54020805-02
1
PRACTICA DE LABORATORIO 2
ENSAYOS EN UN TRANSFORMADOR
INTRODUCCION
El modelo del trasformador ideal da una indicación clara acerca de la manera en que el
dispositivo transfiere energía de un circuito a otro, pero en situaciones prácticas es muy
difícil que el modelo ideal sea útil ya que un transformador real involucra pérdidas de
energía (caso muy diferente al que se presenta en el modelo ideal). Para dar una explicación
precisa del mecanismo por el cual se pierde energía en un transformador real en necesario
crear un circuito equivalente práctico construido a partir de dos ensayos fundamentales que
se realizan al transformador real.
1. OBJETIVOS
• Obtener las características en vacío y en cortocircuito para un transformador.
• Determinar el circuito equivalente del transformador.
2. GENERALIDADES
2.1 ENSAYO DE CORTOCIRCUITO
Por medio de éste ensayo se simulan las condiciones de carga de un transformador.
Consiste en cortocircuitar el devanado de baja tensión del transformador y hacer circular
por éste la corriente nominal ( nominal2I ). De acuerdo con la ecuación:

2
1122 NINI = (Amperios-Vueltas) (Ec. 1)
Se observa que cuando circula la corriente nominal en el lado de baja nominal2I circula por el
lado de alta la corriente nominal1I .
Las conexiones típicas de los instrumentos de medida se ilustran la figura 1, y las lecturas
de los instrumentos se emplean para determinar el circuito equivalente referido al dado de
alta del transformador.
Figura 1. Conexiones típicas para el ensayo de cortocircuito.
La impedancia equivalente 1eZ se calcula mediante la relación:
oamperímetrdelIndicación
voltímetrodelIndicación
I
V
Z
sc
sc
e ==1 (Ec. 2)
La resistencia equivalente 1eR , está dada por:
( ) ( )2
sc
sc
e
oamperímetrdelIndicación
vatímetrodelIndicación
I
P
R == 21 (Ec. 3)
Donde la indicación del vatímetro da las pérdidas en el cobre.

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2.2 ENSAYO EN VACÍO
Mediante éste ensayo se determinan las pérdidas en el hierro del transformador, el ensayo
consiste en aplicar la tensión nominal del lado de baja y medir la potencia disipada en dicho
arrollamiento sin aplicar ninguna carga al devanado de alta, las conexiones típicas se
ilustran la figura 2.
Figura 2. Conexiones típicas para el ensayo en vacío.
Las pérdidas en el núcleo se calculan por medio de la ecuación:
xmc RIPP 2
)(−= (Ec. 4)
Siendo, xR la resistencia del devanado de baja tensión.
2.3 CIRCUITOS EQUIVALENTES
Las perdidas que ocurren en los transformadores reales se explican en modelos, estos
describen el comportamiento del transformador, los detalles principales que deben tenerse
en cuenta para la construcción de tal modelo son:

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• Pérdidas en el cobre. Son pérdidas debidas a las resistencias de las bobinas primaria
y secundaria del transformador. Son proporcionales al cuadrado de la corriente que
circula por dichas bobinas.
• Pérdidas por corrientes parásitas. Las pérdidas por corrientes parásitas son
pérdidas por resistencia en el núcleo del transformador. Son proporcionales al
cuadrado del voltaje aplicado al transformador.
• Pérdidas por histéresis. Las pérdidas por histéresis están asociadas con los
reacomodamientos de los dominios magnéticos en el núcleo durante cada medio
ciclo. Son una función compleja, no lineal, del voltaje aplicado al transformador.
• Flujo de dispersión. Los flujos LPφ y LSφ que salen del núcleo y pasan solamente a
través de una de las bobinas de transformador son flujos de dispersión. Estos flujos
escapados producen una autoinductancia en las bobinas primaria y secundaria y los
efectos de esta inductancia deben tenerse en cuenta.
2.3.1 Circuito equivalente exacto de un transformador real. Es posible construir un circuito
equivalente que tenga en cuenta todas las imperfecciones principales de los
transformadores reales. Cada imperfección principal se considera a su turno y su efecto se
incluye en el modelo del transformador.
El efecto más fácil de incluir en el modelo del transformador es el de las pérdidas en el
cobre, estas son incorporadas en el modelo, poniendo una resistencia PR en el circuito
primario del transformador y una resistencia SR en el circuito secundario.
El flujo de dispersión en la bobina primaria LPφ , produce un voltaje LPE expresado por:
dt
d
NtE LP
PLP
φ
=)( (Ec. 4)

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Y el flujo de dispersión en la bobina secundaria LSφ produce un voltaje LSE dado por:
dt
d
NtE LS
SLS
φ
=)( (Ec. 5)
Puesto que gran parte del camino del flujo de dispersión es a través del aire y como el aire
tiene una reluctancia constante mucho mayor que la reluctancia del núcleo, el flujo LPφ es
directamente proporcional a la corriente del circuito primario Pi y el flujo LSφ es
directamente proporcional a la corriente secundaria Si :
PPLP iNξφ = (Ec. 6)
SSLS iNξφ = (Ec 7)
En donde:
ξ es el camino de la permeancia del flujo.
PN , el número de vueltas de la bobina primaria.
SN , el número de vueltas de la bobina secundaria.
Entonces, el flujo de dispersión podrá representarse en el modelo por los inductores
primario y secundario.
Para definir en el modelo los efectos de la excitación del núcleo, se debe tener en cuenta
que la corriente de magnetización mI es una corriente proporcional (en la región no
saturada) al voltaje aplicado al núcleo y que retrasa el voltaje aplicado en 90°, en tal forma
que puede modelarla una reactancia mX conectada a través de la fuente de voltaje primario.
La corriente de pérdidas en el núcleo ehi + es una corriente proporcional al voltaje aplicado

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al núcleo y está en fase con el voltaje aplicado, de tal manera que puede modelarse por
medio de una resistencia CR conectada a través de la fuente de voltaje primario, tal como se
observa en la figura 3.
Figura 3. Circuito equivalente exacto de un transformador.
Aunque la figura muestra un modelo exacto de un transformador, no es de mucha utilidad.
Para analizar circuitos prácticos que contengan transformadores, normalmente es necesario
convertir el circuito entero en un circuito equivalente, con un nivel de voltaje único. Por
tanto, el circuito equivalente se debe referir, bien a su lado primario o bien al secundario.
La figura 4, es el circuito equivalente del transformador referido a su lado primario y la
figura 4 es el circuito equivalente referido a su lado secundario.
Figura 4. Circuito equivalente referido al primario.

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Figura 5. Circuito equivalente referido al secundario
2.3.2 Circuitos equivalentes aproximados de un transformador. Los modelos de
transformadores de las figuras anteriores, a menudo, resultan complejos al momento de
usarlos en aplicaciones prácticas para la resolución de problemas de ingeniería. Uno de los
principales inconvenientes es que la rama de excitación de los modelos añade otro nodo al
circuito que se esté analizando, haciendo la solución del circuito más compleja de lo
necesario. La rama de excitación tiene muy poca corriente en comparación con la corriente
de carga de los transformadores, se puede entonces adoptar un circuito equivalente
simplificado que trabaja casi tan bien como el modelo original. La rama de excitación
simplemente se mueve hacia la entrada del transformador y las impedancias primaria y
secundaria se dejan en serie entre sí, creando los circuitos equivalentes aproximados, como
los ilustrados en las figuras 6 y 7.
Figura 6. Circuito equivalente aproximado referido al primario.
SPeqP RaRR 2
+= SPeqP XaXX 2
+=

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Figura 6. Circuito equivalente aproximado referido al secundario.
S
P
eqS R
a
R
R += 2
S
P
eqS X
a
X
X += 2
2.4 PRECAUCIONES
Se deben seguir los requisitos de seguridad expuestos en la práctica de laboratorio 1.
2.5 AUTOEXAMEN
a. Generalmente se habla del transformador de núcleo de hierro ¿de qué tipo de
aleación está hecho exactamente el núcleo?
b. ¿Afecta la geometría del núcleo, el grado de acoplamiento magnético?
c. ¿La densidad de flujo del transformador varía en forma directa con el voltaje
aplicado al primario?, justifique su respuesta.
d. ¿En qué consisten las pérdidas por histéresis?, ¿de qué dependen?
e. El ensayo de cortocircuito da las pérdidas en el cobre, ¿estás pérdidas son a plena
carga y pertenecen a ambos devanados?, ¿alguna fracción de estas pertenece a las
pérdidas en el núcleo?

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f. ¿Qué proporción representan las pérdidas en el núcleo respecto de la capacidad de
transformador?
g. ¿Por qué el ensayo en vacío se realiza energizando el transformador por el lado de
baja tensión y no por el lado de alta?
3. MATERIALES Y EQUIPOS
Tabla 1. Equipos.
Cantidad Elemento Observación
1 Vatímetro monofásico
2 Voltímetro 0-120 V A.C
1 Amperímetro 0-30 A A.C.
1 Miliamperímetro 0-1 A A.C.
Tabla 2. Materiales.
Cantidad Elemento Observación
1 Transformador monofásico 4 kVA, 115/230 V,17.4 A, 60 Hz
1 Fuente de tensión alterna 3 φ,0-230 V, 12.5 A
4. PROCEDIMIENTO
4.1 ENSAYO EN CORTOCIRCUITO
1) Monte el circuito de la figura 1.
2) Conecte el circuito de alta tensión a la fuente de tensión alterna. Aumente el valor de la
tensión teniendo en cuenta que la corriente de cortocircuito no sobrepase la corriente
nominal (17. 4 A).
3) Para cada valor de la tensión, tome las lecturas de la corriente y de la potencia.
Consigne los valores en la tabla 3.

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4.2 ENSAYO EN VACÍO
1) Monte el circuito de la figura 2.
2) Conecte el circuito de baja tensión a la fuente de tensión alterna. Aumente la tensión
gradualmente hasta que su valor supere en un 30% la tensión nominal.
3) Para cada valor de la tensión, tome las lecturas de la corriente y la potencia absorbida.
Consigne los valores en la tabla 4.
5. TOMA DE DATOS
Tabla 3. Ensayo en cortocircuito.
)(VVsc )(AIsc )(WWsc
Tabla 4. Ensayo en vacío.
)(0 VV )(0 AI )(0 WW

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Nota: El circuito de baja tensión es aquel que proporciona una relación de transformación
igual a 2, esto para el caso de los transformadores a utilizar, los cuales se encuentran
ubicados en los laboratorios de máquinas eléctricas de la U.P.T.C. Duitama.
6. CARACTERISTICAS A OBTENER
Dibuje las características:
1) Potencia disipada en vacío vs tensión en vacío: )( 00 VfW = .Corriente en vacío vs
tensión en vacío: )( 00 VfI = .Corriente reactiva en vacío vs tensión en vacío:
)( 00 VfI r = .Corriente activa en vacío vs tensión en vacío: )( 00 VfI a = .Factor de
potencia en vacío vs tensión en vacío: )(cos 00 Vf=ϕ .Potencia disipada en
cortocircuito vs tensión de cortocircuito: )( scsc VfW =
2) Corriente de cortocircuito vs tensión de cortocircuito: )( scsc VfI = .Corriente
reactiva de cortocircuito vs tensión de cortocircuito: )(0 scscr VfI = .Corriente
activa de cortocircuito vs tensión de cortocircuito: )(0 scsca VfI = .Factor de
potencia de cortocircuito vs tensión de cortocircuito: )(cos scsc Vf=ϕ
3) Deduzca para 8.0cos =ϕ en atraso, la característica eficiencia en función de la
potencia útil, )( uPf=η .
4) Calcule las resistencias y reactancias equivalentes referidas al primario y al
secundario.
5) Dibuje los circuitos equivalentes reducidos al dado de alta y baja tensión.
6) Calcule la tensión de cortocircuito en porcentaje y compárela con la impedancia
equivalente en porcentaje.

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7. CUESTIONARIO
1. ¿Cuál sería la corriente de cortocircuito que sufriría el transformador si estuviese
operando a tensión nominal?
2. Calcule la regulación para carga nominal y 8.0cos =ϕ en atraso y el adelanto.
3. ¿Para que factor de potencia se obtiene la máxima regulación positiva?
4. ¿Para que porcentaje de carga se obtiene la máxima eficiencia?
5. ¿Por qué no se debe conectar un amperímetro en el secundario del transformador para
el ensayo de cortocircuito?
BIBLIOGRAFIA
CHAPMAN, Stephen J. Máquinas Eléctricas. 2 ed Mexico : McGraw-Hill,1993.
FINK, Donald G. BEATY, H Wayne. Manual de ingeniería eléctrica. 13 ed. Mexico :
McGraw-Hill, 2000.
HERNANDEZ, Ramón. Prácticas de electricidad. Murcia, España. Universidad de
Murcia, secretariado de publicaciones. 1990.
KOSOW, Irving L. Maquinas eléctricas y transformadores. 2 ed. Mexico : Prentice Hall
Hispanoamericana, 1991. 704p.
LIWSCHITZ-GARIK, Michael. WHIPPLE, Clyde C. Máquinas de corriente alterna. 8
ed. Mexico: Compañía editorial continental S.A. 1978. 770p.
MONTOYA V, José Lucinio. Guías de laboratorio de electricidad II. Pereira, Colombia :
Universidad tecnológica de Pereira, Facultad de Ingeniería eléctrica.1997.

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SERRANO, Llamas Esteban. Prácticas de laboratorio de electricidad. Barcelona, España :
Universidad de León, 1994.
UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Medidas eléctricas básicas (Técnicas de
medición eléctrica). Bogotá, Colombia : Universidad Nacional de Colombia, Facultad de
Ingeniería, 1998.

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