Prueba de Sumpner (Back-to-Back): Eficiencia, Regulación de Voltaje y Calentamiento en Transformadores

Prueba de Sumpner o Back-to-Back en Transformadores para Eficiencia, Regulación de Voltaje y Efecto de Calentamiento

Las pruebas de circuito abierto y cortocircuito determinan los parámetros del circuito equivalente. Con ellas no se puede hallar el aumento de temperatura en un transformador. La prueba de circuito abierto examina solo pérdidas en el núcleo y la de cortocircuito solo pérdidas en el cobre. Sin embargo, el transformador no se somete concurrentemente a ambas pérdidas. La alternativa es la prueba de Sumpner.

La solución es la prueba de Sumpner, también llamada prueba back-to-back, que determina la eficiencia, regulación de voltaje y efecto de calentamiento bajo condiciones de carga. Consiste en dos transformadores idénticos conectados espalda con espalda.

En la prueba de Sumpner se simulan condiciones reales de carga sin conectar carga real. Para transformadores pequeños es conveniente conectar carga plena, pero para grandes es difícil. Esta prueba halla parámetros importantes y da resultados más precisos que las pruebas de circuito abierto y cortocircuito.

Prueba de Sumpner (Back-to-Back)

Se requieren dos transformadores monofásicos de características idénticas. El diagrama experimental se muestra a continuación.

Como se ve, dos transformadores idénticos T₁ y T₂ se conectan back-to-back. Los primarios en paralelo con voltaje y frecuencia nominales. Un amperímetro A₁, voltímetro V₁ y vatímetro W₁ en el lado de entrada.

Los secundarios se conectan en serie con polaridades opuestas. Un voltímetro V₂ entre ambos secundarios verifica la oposición de polaridades. Su rango debe ser el doble del voltaje secundario nominal. Se unen dos bornes (B y C). Si V₂ mide cero entre los otros dos (A y D), los devanados están en serie oposición y se usan A y D. Si V₂ lee el doble del voltaje nominal, están en misma polaridad; para oponerlos, se unen A y C y se usan B y D.

Al alimentar los primarios con voltaje nominal, el voltaje total en secundarios es cero. Estos se comportan como circuito abierto y la corriente secundaria es cero. Por voltaje nominal en primario y corriente cero en secundario, W₁ mide las pérdidas en el núcleo de ambos transformadores.

Un voltaje bajo (5-10%) se aplica a los secundarios mediante un transformador regulador T_R excitado por la red. Un amperímetro A₂ en el lado secundario. Se ajusta el voltaje secundario hasta que A₂ lea corriente secundaria de plena carga. Esta corriente produce corriente de plena carga en el primario (acción de transformador), representada con línea punteada verde. El transformador se comporta como en plena carga. W₂ lee la pérdida de cobre a plena carga de ambos transformadores.

Lecturas de los Instrumentos

• Amperímetro A₁ = Corriente de vacío = 2I₀
• Voltímetro V₁ = Voltaje nominal aplicado (primario)
• Vatímetro W₁ = Pérdidas en el núcleo (hierro) de ambos = 2P_i
• Amperímetro A₂ = Corriente secundaria de plena carga de ambos = 2I₂
• Voltímetro V₂ = Voltaje total en serie de ambos secundarios
• Vatímetro W₂ = Pérdida de cobre a plena carga de ambos = 2P_cu

Tabla de Observaciones

I1 (A)	V1 (V)	W1 (W)	I2 (A)	V2 (V)	W2 (W)
…	…	…	…	…	…

Cálculo de Pérdidas

Al usar dos transformadores idénticos, las pérdidas en ambos son iguales. Los vatímetros (W₁ y W₂) miden pérdidas de hierro y cobre para ambos. Para hallar las pérdidas de cada transformador, divida la lectura entre 2.

P_i = W₁/2 ; P_cu = W₂/2

Cálculo de Eficiencia

La eficiencia del transformador se calcula mediante:

η = (Potencia de salida / Potencia de entrada) × 100% = (kVA × cos φ) / (kVA × cos φ + P_i + P_cu) × 100%

Cálculo de Parámetros del Circuito

Los parámetros del circuito equivalente (resistencia y reactancia equivalentes) se calculan a partir de las lecturas de la prueba de Sumpner.

R_S = W₂ / (2 I₂²) (Resistencia equivalente referida al secundario)

Caída de voltaje por transformador:

V_drop = I₂ √(R_S² + X_S²)

Por tanto:

X_S = √((V₂/2I₂)² − R_S²)

Cálculo del Aumento de Temperatura

El aumento de temperatura se determina con la prueba de Sumpner, por eso también se llama prueba de calentamiento. Se mide la temperatura del aceite y devanados a intervalos regulares. Los transformadores operan por largo período (36-48 horas) resultando en aumento de temperatura del aceite. De ahí se determina la capacidad de soportar altas temperaturas.

Ventajas y Desventajas de la Prueba de Sumpner

Ventajas

• Transformadores de gran capacidad pueden probarse sin carga real.
• Potencia requerida es muy poca: igual a las pérdidas de ambos transformadores.
• Permite hallar pérdida de cobre, hierro, aumento de temperatura, parámetros equivalentes y eficiencia.

Desventaja

La única desventaja es que se requieren dos transformadores idénticos para realizarla.