Pruebas en Transformadores: Circuitos Abierto y Cortocircuito Explicadas Paso a Paso
Pruebas de Circuito Abierto (Sin Carga) y Cortocircuito (Con Carga) en Transformadores
En el circuito equivalente del transformador hay cuatro parámetros principales:
- Resistencia equivalente (R01)
- Reactancia equivalente (X01)
- Resistencia de pérdidas en el núcleo (R0)
- Reactancia de magnetización (X0)
Las pruebas de circuito abierto y cortocircuito determinan parámetros del circuito, regulación y eficiencia. Se realizan sin carga real, por lo que son métodos indirectos de prueba. Dan resultados más precisos que la prueba a plena carga (método directo) y son más económicos por su bajo consumo.
Prueba de Circuito Abierto (Sin Carga)
La prueba de circuito abierto (o prueba sin carga) determina pérdidas en el transformador: pérdida en el núcleo (hierro), corriente de vacío (I0) y parámetros equivalentes sin carga (R0 y X0). Se realiza en el devanado de alta o baja tensión, pero usualmente en el de baja tensión. Porque es difícil obtener alto voltaje en laboratorio y la corriente en el devanado de alta tensión es muy pequeña, dificultando mediciones precisas.
El diagrama de conexión experimental en un transformador monofásico se muestra a continuación.
El primario (baja tensión) se alimenta con voltaje y frecuencia nominales (comúnmente monofásico desde autotransformador). El secundario queda abierto. Un voltímetro V0, amperímetro I0 y vatímetro W0 se conectan en el primario.
El secundario está en circuito abierto → corriente secundaria = 0. No hay carga conectada → corriente primaria = corriente de vacío I0. El amperímetro mide I0.
El voltaje de alimentación es el nominal → flujo en el núcleo es normal y el mismo para todas las condiciones de carga. La pérdida en el hierro depende del voltaje y frecuencia de alimentación. Al dar voltaje y frecuencia nominales, la pérdida en el núcleo es la misma para todas las cargas.
La corriente primaria alimenta la pérdida en el hierro y cobre en el primario. La corriente de vacío es muy pequeña (2-5% de la de plena carga), por lo que se desprecia la pérdida de cobre. La corriente primaria alimenta la pérdida en el núcleo.
El vatímetro en el primario mide la potencia suministrada → indica la pérdida en el núcleo. En la prueba de circuito abierto, las lecturas son:
- Amperímetro: corriente de vacío I0
- Voltímetro: voltaje nominal de alimentación V1
- Vatímetro: pérdida en el hierro o núcleo Pi
Tabla de Observaciones - Circuito Abierto
| Voltaje nominal V1 | Corriente de vacío I0 | Pérdida en el núcleo Pi |
|---|---|---|
| … | … | … |
Ahora podemos hallar los parámetros del circuito (R0 y X0) usando la corriente de vacío.
Potencia sin carga W0 = V1 I0 cos φ0 = Pérdida en el hierro
cos φ0 = W0 / (V1 I0)
Componente activo de la corriente de vacío:
IW = I0 cos φ0
Componente magnetizante de la corriente de vacío:
IM = I0 sin φ0
Resistencia sin carga:
R0 = V1 / IW
Reactancia sin carga:
X0 = V1 / IM
Prueba de Cortocircuito (Con Carga)
La prueba de cortocircuito (o prueba con carga) se realiza en el lado de alta tensión, cortocircuitando el de baja tensión. Podría hacerse en baja tensión, pero requiere solo 5-7% del voltaje nominal, que en baja tensión es muy pequeño y propenso a errores. El voltaje reducido (5-7%) del lado de alta tensión está disponible fácilmente en laboratorio. Por eso es conveniente hacer la prueba en alta tensión.
El diagrama esquemático se muestra a continuación.
Usualmente el devanado de baja tensión se cortocircuita con cable grueso. A veces se conecta un amperímetro para medir la corriente de carga nominal. Amperímetro, voltímetro y vatímetro en el lado de alta tensión. Consideramos primario = alta tensión, secundario = baja tensión.
El devanado de alta tensión se alimenta con voltaje reducido de fuente variable. El voltaje aumenta gradualmente hasta que circule corriente de plena carga por el primario. Cuando fluye corriente de plena carga en el primario, por acción de transformador, fluye corriente de plena carga en el secundario.
El amperímetro en alta tensión mide la corriente de plena carga primaria. El voltímetro mide el voltaje suministrado con corriente de plena carga. En esta condición, el voltaje suministrado es apenas 5-10% del voltaje de plena carga. Por el bajo voltaje, el flujo en el núcleo es muy bajo. La pérdida en el núcleo es proporcional al cuadrado del flujo → pérdida en el núcleo muy pequeña, despreciable.
La corriente que circula es de plena carga → pérdida de cobre durante la prueba es la pérdida de cobre normal de plena carga. El vatímetro indica la pérdida de cobre a plena carga. El secundario está en cortocircuito → voltaje secundario (salida) = 0. Todo el voltaje primario se usa para suministrar la caída de voltaje en la impedancia total referida al primario.
El circuito equivalente aproximado bajo prueba de cortocircuito se muestra a continuación.
Tabla de Observaciones - Cortocircuito
| VSC (V) | ISC (A) | PC (W) |
|---|---|---|
| … | … | … |
Lecturas de instrumentos en prueba de cortocircuito:
- Amperímetro: Corriente primaria de plena carga (ISC)
- Voltímetro: Voltaje suministrado (VSC)
- Vatímetro: Pérdida de cobre de plena carga (PC)
Pérdida de cobre de plena carga:
WSC = ISC² R01
Resistencia equivalente referida al primario:
R01 = WSC / ISC²
Impedancia equivalente referida al primario:
Z01 = VSC / ISC
Reactancia equivalente referida al primario:
X01 = √(Z01² − R01²)
Factor de potencia:
cos φ = WSC / (VSC ISC)
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