1. transformadores potencia

RESUMEN DE TRANSFORMADOR DE POTENCIA

Que Es Un Transformador

Se denomina transformador a un dispositivo eleacutectrico que permite aumentar o disminuir la tensioacuten en un circuito eleacutectrico de corriente alterna manteniendo la potencia La potencia que ingresa al equipo en el caso de un transformador ideal (esto es sin peacuterdidas) es igual a la que se obtiene a la salida Las maacutequinas reales presentan un pequentildeo porcentaje de peacuterdidas dependiendo de su disentildeo y tamantildeo entre otros factores

Para lograrlo transforma la electricidad que le llega al devanado de entrada en magnetismo para volver a transformarla en electricidad en las condiciones deseadas en el devanado secundario

Definicioacuten

Seguacuten Su Funcioacuten

Pueden ser entendidos como dispositivos capaces de suministrar voltaje a un nivel distinto del alimentado

bull Son utilizados cuando existe un intereacutes por manipular una fuente de energiacutea eleacutectrica alternante a un nivel de voltaje distinto del que tiene

bull La potencia de funcionamiento permanece constante en su operacioacuten asumiendo una transferencia eficiente entre su entrada y salida

Ejemplos Transformadores Elevadores Como su nombre lo dice elevan el Voltaje

Transformadores Reductores Reducen el Voltaje

Autotransformadores pueden ser usados para elevar el voltaje en pequentildeas cantidades estos pequentildeos incrementos pueden ser necesarios debido a una caiacuteda de voltaje en un sistema de potencia localizado lejos de los generadores

Seguacuten Su Construccioacuten

bull Constan de dos circuitos eleacutectricos interconectados a traveacutes de un circuito magneacutetico

bull El circuito de entrada se denomina primario mientras que el de salida secundario

bull Al circuito magneacutetico comuacutenmente se le denomina nuacutecleo

Ejemplo Transformador tipo Nuacutecleo Transformador tipo Acorazado

Simplifican el problema de Aislar el devanado de Alta Tensioacuten desde el nuacutecleo producen un menor flujo disperso que el que se presentariacutea en caso de colocar los dos devanados separados del nuacutecleo

Transformador Monofaacutesico

Objetivo1048711 Transferir energiacutea desde la fuente hacia la carga1048711 Construccioacuten1048711 Dos conductores (primario y secundario) bobinados sobre un mismo nuacutecleo por ende asilados eleacutectricamente uno del otroComponentes Baacutesicos De Un Transformador

Baacutesicamente todos los transformadores estaacuten constituidos de la misma manera al margen de las bobinas o fases que sobre eacutel se enrollen y coacutemo se enrollen o del tamantildeo que tengan o de la forma de su nuacutecleo Asiacute pues en un transformador encontraremos

un nuacutecleo magneacutetico un arrollamiento primario o de entrada y un arrollamiento secundario o de salida

De la misma manera y en funcioacuten de la energiacutea a transformar el transformador estaraacute dotado de un sistema de refrigeracioacuten bien por conveccioacuten si intercambia el calor con el aire circundante o bien de un sistema de refrigeracioacuten liacutequido si se hace necesario disipar una mayor cantidad de calor

El Nuacutecleo

Estaraacute formado por un material ferromagneacutetico que favorezca la propagacioacuten del flujo Φ tal es el caso del acero con aleacioacuten de silicio Para minimizar las peacuterdidas en el hierro por las corrientes parasitas de Foucault la seccioacuten conductora del flujo magneacutetico se divide en pequentildeas partes o laacuteminas y se intercala entre laacutemina y laacutemina de acero un papel o barniz aislante

Devanados El devanado es un hilo de cobre enrollado a traveacutes del nuacutecleo en uno de sus extremos y recubiertos por una capa aislante que suele ser barniz Estaacute compuesto por dos bobinas la primaria y la secundaria La relacioacuten de vueltas del hilo de cobre entre el primario y el secundario nos indicaraacute la relacioacuten de transformacioacuten Donde apliquemos la tensioacuten de entrada seraacute el primario y donde obtengamos la tensioacuten de salida seraacute el secundario

Material Aislante (Primario)Objetivo Aislar los potenciales y proveer soporte mecaacutenicoMaterial CELULOSA papel Kraft envoltura del Devanado PapelCrepe Madera Eleacutectrica etc

Material Aislante (Secundario)Objetivo Aislar potenciales reducir calentamiento mantiene alejada la humedadMaterial Aceite Mineral Natural Silicona Air Nitroacutegeno SF6

Otros Componentes De Un Transformador

- Cuba es un depoacutesito que contiene el liacutequido refrigerante (aceite) y en el cual se sumergen los bobinados y el nuacutecleo metaacutelico del transformador

- Depoacutesito de expansioacuten sirve de caacutemara de expansioacuten del aceite ante las variaciones se volumen que sufre eacutesta debido a la temperatura

- Indicador del nivel de aceite permite observar desde el exterior el nivel de aceite del transformador

- Releacute Bucholz este releacute de proteccioacuten reacciona cuando ocurre una anomaliacutea interna en el transformador mandaacutendole una sentildeal de apertura a los dispositivos de proteccioacuten

- Desecador su misioacuten es secar el aire que entra en el transformador como consecuencia de la disminucioacuten del nivel de aceite

- Termostato mide la temperatura interna del transformador y emite alarmas en caso de que esta no sea la normal

- Regulador de tensioacuten permite adaptar la tensioacuten del transformador para adaptarla a las necesidades del consumo Esta accioacuten solo es posible si el bobinado secundario estaacute preparado para ello

- Placa de caracteriacutesticas en ella se recogen las caracteriacutesticas maacutes importantes del transformador para que se pueda disponer de ellas en caso de que fuera necesaria conocerlas

- Grifo de llenado permite introducir liacutequido refrigerante en la cuba del transformador

- Radiadores de refrigeracioacuten su misioacuten es disipar el calor que se pueda producir en las carcasas del transformador y evitar asiacute que el aceite se caliente en exceso

Principio De Funcionamiento

Induccioacuten Electromagneacutetica

Fuga de flujo Magneacutetico

Relacioacuten de Vueltas

La induccioacuten electromagneacutetica es el fenoacutemeno que origina la produccioacuten de una fuerza electromotriz (fem o tensioacuten) Al aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario es decir una tensioacuten se origina un flujo magneacutetico en el nuacutecleo de hierro Este flujo viajaraacute desde el devanado primario hasta el secundario Con su movimiento originaraacute una fuerza electromagneacutetica en el devanado secundario

Seguacuten la Ley de Lenz necesitamos que la corriente sea alterna para que se produzca esta variacioacuten de flujo En el caso de corriente continua el transformador no se puede utilizar

Cuando conectamos los extremos del bobinado primario a una fuente de Tensioacuten Alterna de forma senoidal (exactamente como la tenemos en nuestras casas)

Lo que ocurre es que gracias a la tensioacuten variable comienza a circular por la bobina una pequentildea corriente eleacutectrica a su vez dicha corriente genera un flujo magneacutetico variable que circula por el nuacutecleo dicho flujo corta las espiras del bobinado secundario e induce una fuerza electromotriz o FEM en el mismo dicha FEM dependeraacute del nuacutemero de espiras que tenga el devanado secundario

Fuga De Flujo Magneacutetico

La porcioacuten del flujo que va a traveacutes de una de las bobinas pero no de la otra se llama flujo de dispersioacutenEl flujo en la bobina primaria del transformador puede asiacute dividirse en dos componentes un flujo mutuo que permanece en el nuacutecleo y conecta las dos bobinas y un pequentildeo flujo de dispersioacuten que pasa a traveacutes de la bobina primaria pero regresa a traveacutes del aire desviaacutendose de la bobina secundaria

Transformador Funcionando En Vaciacuteo

Los conductores no son ideales por lo que tienen resistencia eleacutectrica Podemos suponer que las bobinas sigan siendo ideales y para ello su valor resistivo estaraacute concentrado fuera de la bobina en serie tal como indica la imagen

Resistencia de las bobinas

Si ahora consideramos las peacuterdidas de flujo tendremos que el flujo que afecta a la bobina del primario Φ1 estaraacute formado por una parte que es comuacuten a ambas bobinas Φ y otra parte que es propia de cada bobina y que se debe a la dispersioacuten Φ1d es decir

Teniendo en cuenta la ley de induccioacuten es como si el bobinado tuvieran una parte que abraza al nuacutecleo y otra al aire y en funcioacuten del nuacutemero de espiras y de su distribucioacuten geomeacutetrica las autoinducciones seraacuten mayores o menores y al igual que en el caso de la resistencia de las bobinas estas autoinducciones se pueden representar como reactancias tal y como indica la imagen

Esquema del transformador real en vaciacuteo

Por uacuteltimo nos queda considerar las peacuterdidas en el hierro En un transformador al igual que en cualquier maacutequina eleacutectrica al producirse un flujo variable el material del nuacutecleo se ve sometido a cambios continuos de imantacioacuten que provoca rozamientos a nivel molecular y por lo tanto un calentamiento De igual manera aunque el nuacutecleo del transformador estaacute constituido por laacuteminas para minimizar las corrientes de Foucault que se manifiestan sobre todo cuando la seccioacuten es considerable es cierto que estas corrientes cerradas sobre si mismas se presentaraacuten y eso provocaraacute tambieacuten peacuterdidas en el hierro

Cuando el transformador estaacute en vaciacuteo los efectos de magnetizacioacuten del nuacutecleo provocan un calentamiento del mismo calor que resulta de la energiacutea eleacutectrica absorbida por el primario y que en la praacutectica se traducen en que esa corriente de magnetizacioacuten no se encuentra desfasada φ=π2 sino un aacutengulo φ0ne90ordm

Podemos representar esto vectorialmente tal como indica la imagen y observamos que de la corriente absorbida solo una parte tiene efectos magnetizantes Im y el resto son peacuterdidas Ip ambas componen la corriente total absorbida I0

La tensioacuten inducida en el primario ε1 ya no es igual a la de alimentacioacuten V1 sino que hay

que restar las caiacutedas de tensioacuten producidas por la resistencia de la bobina asiacute como la

inductancia producida por las peacuterdidas de flujo

Podemos representar estas peacuterdidas en un diagrama vectorial como el de la figura

Desfase de I0 en un

transformador real en vaciacuteo

Representacioacuten vectorial de un transformador real en vaciacuteo

En la praacutectica todas estas consideraciones no se efectuacutean pues los valores de R1 y X1d asiacute como i0 son muy pequentildeos y las peacuterdidas por ellos generadas tambieacuten lo son (entre el 001 y el 01)

Los mismos efectos de peacuterdidas que en el primario sucederaacuten en el secundario es decir peacuterdidas de flujo peacuterdidas resistivas en las bobinas y peacuterdidas en el nuacutecleo por lo que el esquema completo del transformador real seraacute el que muestra la imagen

Transformador real en carga

Si ahora queremos conocer el valor de la tensioacuten que podremos aplicar a la impedancia Zc a la salida del secundario tendremos

Y de la misma manera que en el arrollamiento primario escalarmente tendremos

Al haber puesto una carga circularaacute I2 por el secundario y eso como ya se ha visto provoca una corriente reflejada en el primario I2 y teniendo en cuenta el nuevo valor de la corriente absorbida en vaciacuteo que se ha estudiado maacutes arriba

Resultaraacute que la corriente del primario en esta situacioacuten seraacute

Y teniendo en cuenta que I0 es muy pequentildea frente a I2 tendremos I1asympI2 y la tensioacuten inducida en el primario seraacute

Clasificacioacuten

Los trasformadores de potencia se pueden clasificar de forma general por una gran cantidad de paraacutemetros

Capacidad De una fraccioacuten de voltios-amperios (VA) a maacutes de un milloacuten de MVA Tiempo en funcionamiento Continuo de corta duracioacuten intermitente perioacutedica

variando Rango de frecuencia de frecuencia industrial de audiofrecuencia o de radiofrecuencia Voltaje De unos pocos voltios a cientos de kilovoltios Tipo de refrigeracioacuten Conveccioacuten natural (N) Ventilacioacuten forzada (F) El refrigerante

Aceite (O) agua (W) o gas (G) La nomenclatura que designa la ventilacioacuten es del tipo XXYY donde XX indica el tipo de refrigerante y el YY la ventilacioacuten usada Seguacuten esto existen

o ONANo ONAFo ONWFo OFAF

Aplicacioacuten del circuito Tales como fuente de alimentacioacuten adaptacioacuten de impedancia tensioacuten de salida y estabilizador de corriente o el aislamiento del circuito

Utilizacioacuten Pulso potencia distribucioacuten rectificador horno de arco salida del amplificador etc

Estructura Nuacutecleo carcasa nuacutecleo distribuido Configuracioacuten delta estrella o estrellas y en zigzag o en estrella interconectada

autotransformador Scott-T transformador de puesta a tierra

Tambieacuten pueden ser clasificados seguacuten el tipo y la funcioacuten que desempentildean

Autotransformador Transformador en la que parte del devanado es comuacuten a ambos circuitos primario y secundario Grandes autotransformadores trifaacutesicos se utilizan en sistemas de distribucioacuten de energiacutea eleacutectrica por ejemplo para interconectar 33 kV y redes de subtransmisioacuten de 66 kV

Nuacutecleo laminado Este es el tipo maacutes comuacuten de transformadores ampliamente utilizado en la transmisioacuten de energiacutea eleacutectrica y aparatos para convertir la tensioacuten de red de baja tensioacuten para alimentar dispositivos electroacutenicos Estaacuten disponibles en potencias que van desde mW a MW Las laacuteminas aisladas minimizan las peacuterdidas por corrientes paraacutesitas (corrientes Eddy) y perdidas por histeacuteresis en el nuacutecleo de hierro

Transformador Polifaacutesico Cualquier transformador que cuente con maacutes de una fase En redes eleacutectricas el maacutes comuacuten es el transformador trifaacutesico

Transformador aislador tienen una relacioacuten 11 Resulta uacutetil como medida de seguridad cuando se requiere alimentar un aparato (eleacutectrico o electroacutenico) desde la red eleacutectrica pero sin que exista conexioacuten directa con ella para proteger la integridad fiacutesica de quienes deban entrar en contacto con sus circuitos

Transformador enfriado en aceite Para grandes transformadores utilizados en la distribucioacuten de energiacutea o subestaciones eleacutectricas el nuacutecleo y las bobinas del transformador se sumergen en aceite que se enfriacutea y se aiacutesla Aceite circula a traveacutes de los conductos de la bobina y de todo el conjunto de la bobina y el nuacutecleo movidos por conveccioacuten El aceite es enfriado por el exterior del tanque en transformadores de capacidades bajas y a capacidades maacutes grandes se utiliza un radiador enfriado por aire Cuando se requiere una capacidad maacutes alta o cuando se utiliza el transformador en un edificio o bajo tierra se utilizan bombas de aceite para hacer circular el aceite y un intercambiador de calor aceite-agua tambieacuten puede ser utilizado

Transformador regulador del aacutengulo de fase Un transformador especializado que se utiliza para controlar el flujo de potencia real en las redes de transmisioacuten de electricidad trifaacutesica

Transformador de puesta a tierra Transformador que se utiliza para conectar a tierra los circuitos trifaacutesicos para crear un neutro en un sistema de tres hilos usando un transformador estrella-delta o maacutes comuacutenmente una conexioacuten a tierra en zigzag

En sistemas de transmisioacuten eleacutectrica podemos clasificar a los transformadores seguacuten su funcioacuten de la siguiente forma Transformador en generacioacuten

o Transformadores de Potencia de subida funcionando a alto voltaje Niveles comunes incluyen 115kV 230kV etc

o El valor nominal de kVA depende el nivel de carga del generador correspondiente

o Se realiza subida para transmitir la energiacutea generada con menos peacuterdidas

Transformador en subestacioacuteno Funcionan como etapa intermedia entre la generacioacuten y la distribucioacuteno Reduce el voltaje de generacioacuten a niveles maacutes aptos para la distribucioacuten

(416kV 138kV 345kV 44kV etc)o Son principalmente transformadores de regulacioacuten de voltaje y de control de

encendido de interruptores Transformadores de distribucioacuten

o Transformadores de baja con el objetivo de llevar energiacutea al consumidor

o Por lo general los transformadores de menos de 23kV son clasificados como distribucioacuten maacutes es posible distribuir a 69 kV con tal de no superar 500kVA de carga

o Son mayoritariamente de tipo posteNuevas Tecnologiacuteas

Solid State Transformers (SST) o Transformadores Inteligenteso Es una coleccioacuten de componentes semiconductores de alta potencia

transformadores de altas frecuencias convencionales y circuitos de control que se utiliza para proporcionar un alto nivel de control flexible para redes de distribucioacuten de energiacutea Se le agrega la capacidad de comunicacioacuten y todo el paquete se refiere a menudo como un transformador inteligente

o La tecnologiacutea SST puede intensificar o disminuir niveles de voltaje de CA al igual que del transformador tradicional pero tambieacuten ofrece varias ventajas significativas Eacutestas incluyen

Permitir que el flujo de potencia bidireccional Entrada o salida de CA o CC Cambiar activamente las caracteriacutesticas de potencia tales como los niveles

de tensioacuten y frecuencia Mejorar la calidad de la energiacutea (compensacioacuten de energiacutea reactiva y

filtrado de armoacutenicos) Proporcionar enrutamiento eficiente de la electricidad basada en la

comunicacioacuten entre el proveedor de servicios puacuteblicos el sitio del usuario final y otros transformadores en la red

Reducir en gran medida el tamantildeo fiacutesico y el peso de los transformadores con la misma capacidad de potencia

o Cuando se implementen los SST se va a cambiar radicalmente la forma en la que la red eleacutectrica se distribuye Tambieacuten se convertiraacuten en componentes integrales en el futuro Smart Grid lo que le permite dirigir la energiacutea de cualquier fuente a cualquier destino por la ruta maacutes eficiente posible

Dry Type Transformers (DTT) Transformadores Secos o Transformadores Ventilados por Aire

o Los transformadores de distribucioacuten en este tipo se utilizan para reducir la tensioacuten suministrada por las empresas de distribucioacuten de energiacutea a niveles de baja tensioacuten para la distribucioacuten de energiacutea principalmente en las aacutereas metropolitanas (edificios puacuteblicos oficinas subestaciones de distribucioacuten) y para aplicaciones industriales Entre las ventajas de estos transformadores tenemos

Menor espacio necesario No requieren caracteriacutesticas de seguridad especiales (deteccioacuten de

incendios) Exentos de mantenimiento

Una vida uacutetil de los transformadores maacutes larga gracias a un bajo envejecimiento teacutermico

Puede instalarse cerca del lugar de consumo reduciendo las peacuterdidas de carga

Un disentildeo oacuteptimo sujeto a mejoras constantes tan pronto como se dispone de nuevos materiales

Son seguros y respetan el medio ambiente Contaminacioacuten medioambiental reducida Sin riesgo de fugas de sustancias inflamables o contaminantes Fabricacioacuten segura para el medio ambiente (sistema cerrado) Apropiados para zonas huacutemedas (superior al 95 ) o contaminadas Funcionan en temperaturas por debajo de los -25 degC Disentildeo con mayores espacios internos para permitir una mejor disipacioacuten

del calor Sin peligro de incendio Los materiales empleados en su construccioacuten (resina epoxy polvo de

cuarzo y de aluacutemina) son autoextinguibles de alto reciclado (90 ) y no producen gases toacutexicos o venenosos

Se descomponen a partir de 300 ordmC y los humos que producen son muy tenues y no corrosivos

Alta resistencia a los cortocircuitos Gran capacidad para soportar sobrecargas Buen comportamiento ante fenoacutemenos siacutesmicos Capaces de soportar las condiciones maacutes duras de balanceo y vibraciones Los transformadores de tipo seco encapsulado al vaciacuteo variacutean desde 50

kVA hasta 30 MVA con tensiones de trabajo de hasta 52 kVo Pero a comparacioacuten de los transformadores sumergidos en aceite tienen sus

desventajas Mayor costo casi del orden del doble de un transformador en aceite Mayor nivel de ruido Menor resistencia a las sobretensiones Mayores peacuterdidas en vaciacuteo Menor resistencia a las sobrecargas prolongadas

Materiales BIOTEMP de ABB y NOMEX de DuPonto El BIOTEMP es un aceite aislante vegetal biodegradable producto de aceites

vegetales con alto contenido oleico desarrollado por ABB y que es maacutes amigable con el ambiente

Provee mayor estabilidad a altas temperaturas (330degC) Mayor resistencia al encendido (360degC) a comparacioacuten del aceite

convencional (140degC aproximadamente) Compatible con materiales aislantes solidos Es 97 biodegradable en 21 diacuteas

Absorbe una gran cantidad de agua y humedad protegiendo al aislante solido

o NOMEX es una familia de papel sinteacutetico y materiales aislantes de cartoacuten prensado con altos niveles de integridad quiacutemica mecaacutenica y eleacutectrica

Operan a altas temperaturas (220degC) Gran resistencia a la compresioacuten y a la contraccioacuten Alto tiempo de vida y fiabilidad Menor impacto ambiental Menor peso que materiales convencionales Menor costo de mantenimiento y mayor utilizacioacuten

RedimientosPara hablar de rendimiento primero debemos hablar de las perdiacuteas presentes en los trasformadores de Potencia las cuales influyen de forma importante en el rendimiento de estas maacutequinas estaacuteticas de esta forma podemos decir que ninguna maquina eleacutectrica es ideal es decir siempre tienen alguacuten tipo de perdida al realizar un trabajo siendo estas estaacuteticas o dinaacutemicas Para analizar las peacuterdidas de potencia en un transformador es muy conveniente analizar al circuito magneacutetico y el circuito eleacutectrico por separado puesto que cada uno de ellos presenta peacuterdidas por circunstancia totalmente diferentes

Las peacuterdidas se dividen en dos tipos estas peacuterdidas son Perdidas en el hierro (circuito magneacutetico) Perdidas en el cubre (en la bobinas)

Perdidas en el Hierro son productos de los siguientes efectos presentes en el circuito magneacutetico Efecto Histeacuteresis Debido a que el nuacutecleo del transformador estaacute constituido por un material ferromagneacuteticos presenta perdidas de potencia producidas por el ciclo de histeacuteresis El ciclo de histeacuteresis se puede explicar entendiendo que el nuacutecleo del transformador se encuentra ubicado dentro del campo magneacutetico generado por el mismo y en consecuencia se imanta Pero ocurre que la corriente aplicada al transformador es alterna y por tanto invierte constantemente su polaridad variando con la misma frecuencia el sentido del campo magneacutetico entonces las moleacuteculas del material que forman el nuacutecleo deben invertir en igual forma su sentido de orientacioacuten lo cual requiere energiacutea que es tomada de la fuente que suministra la alimentacioacuten lo cual representa una peacuterdida de potencia Usualmente se necesita un material que invierta su polaridad de forma faacutecil y eficaz este tipo de material con el que es construido los nuacutecleos de los transformadores en el hierro Silicio en cual posee dichas caracteriacutesticas y presenta un costo razonable para ser utilizado como materia prima en la fabricacioacuten de transformadores Corrientes Parasitas Se producen en cualquier material conductor cuando se encuentran sometidos a una variacioacuten de flujo magneacutetico como los nuacutecleos de los transformadores estaacuten hechos de materiales magneacuteticos y estos materiales son buenos

conductores se genera una fuerza electromotriz inducida que origina corrientes que circulan en el mismo sentido estas corrientes reciben el nombre de corrientes parasitas o de FoucaultLas corrientes de Foucault crean peacuterdidas de energiacutea a traveacutes del efecto Joule Maacutes concretamente dichas corrientes transforman formas uacutetiles de energiacutea como la cineacutetica en calor no deseado por lo que generalmente es un efecto inuacutetil cuando no perjudicial A su vez disminuyen la eficiencia de muchos dispositivos que usan campos magneacuteticos variables como los transformadores de nuacutecleo de hierro y los motores eleacutectricos Para reducir en parte estas peacuterdidas de potencia es necesario que el nuacutecleo del transformador que estaacute bajo un flujo variable no sea macizo es decir el nuacutecleo deberaacute estar construido con chapas magneacuteticas de espesores muy delgados colocadas una encima de otra y aisladas entre siacute Al colocar las chapas magneacuteticas lo que conseguimos es que la corriente eleacutectrica no pueda circular de una chapa a otra y se mantenga independientemente en cada una de ellas con lo que se induce menos corriente y disminuye la potencia perdida por corrientes parasitas o corrientes de Foucault

Perdidas en el Cobre estas peacuterdidas pueden definirse como la suma de las potencias peacuterdidas en los bobinados de un transformador Se deben a la disipacioacuten de calor que se producen en los devanados El valor de esta potencia depende del cuadrado de las intensidades de corriente de carga y a la resistencia de los bobinados la cual variacutea mucho desde el funcionamiento en vaciacuteo a plena carga

Meacutetodo para medir las peacuterdidas en el hierro Ensayo en Circuito Abierto Consiste en alimentar el primario del transformador con la tensioacuten nominal y dejando el secundario a circuito abierto

Figura 1 Diagrama equivalente de Ensayo en Circuito Abierto

Conectamos un vatiacutemetro al primario Esto nos indicara una cierta potencia que representara la potencia de entrada debido a que el circuito estaacute abierto y no se entrega ninguna Potencia de salida dicha medicioacuten corresponderaacute a las perdidas en el Hierro y las peacuterdidas en el Cobre Las peacuterdidas en el cobre pueden ser despreciables debido a En el secundario no circula ninguna corriente por esta en circuito abierto lo que hacen que

las peacuterdidas en el cobre sean nulas En el primario podemos depreciar estas peacuterdidas en el cobre debido a que la corriente de

vaciacuteo es del orden del 5 de la corriente nominal (o de plena carga)

Por consiguiente se puede afirmar que el total de la potencia absorbida por un transformador funcionando al vaciacuteo bajo a voltaje nominal representa el valor de la potencia peacuterdida en el hierro del circuito magneacuteticoDichas peacuterdidas son causadas por el fenoacutemeno de histeacuteresis y por las corrientes de Foucault las cuales dependen del voltaje de la red de la frecuencia y de la inductancia a que estaacute sometido el circuito magneacutetico

Figura 2 Circuito equivalente de ensayo en circuito abierto

Ecuacioacuten PH=ei

2

R p

Meacutetodo para medir las peacuterdidas en el Cobre Ensayo en Corto Circuito Consiste en Cortocircuitar el secundario del trasformador y alimentar el primario mediante una tensioacuten reducida cuyo valor es tal que la corriente que circule sea la nominal del transformador Debido a que el valor de la tensioacuten que se debe aplicar es del orden del 5 de la tensioacuten nominal podemos pensar en descartar las peacuterdidas en el Hierro

Figura 3 Diagrama equivalente de Ensayo en Corto Circuito

En este ensayo se determinan las peacuterdidas en el cobre del transformador ya que de acuerdo al circuito equivalente el elemento que consume potencia activa es la resistencia equivalente de los bobinados Ya que la corriente que se hace circular es la nominal las peacuterdidas obtenidas son las nominales y se cumple

Ecuacioacuten Pcu=Req i12

Figura 4 Circuito equivalente de ensayo en corto circuito

Rendimiento La eficiencia de un transformador se define como la relacioacuten entre la potencia de salida y la potencia absorbida de la red por el transformadorEsta dada por la siguiente ecuacioacuten

n=P salidaPentrada

=P salida

Psalida+Pperdidas=

PsalidaPsalida+PH+PCu

Podemos decir que la eficiencia del transformador es afecta principalmente por las peacuterdidas en el hierro y en el cobre por ser un maquina estaacutetica no presenta perdidas mecaacutenicas La ecuacioacuten presentada relaciona la potencia entregada por el transformador entre la potencia de entrada del mismo esta uacuteltima involucra la potencia entregada maacutes las perdidas antes mencionada Esta potencia de salida es una potencia aparente que estaacute iacutentimamente ligada al

factor de potencia que presenta la carga La potencia aparente SN es la potencia que puede soportar el transformador en funcionamiento continuo sin sobrepasar los liacutemites de calentamiento Asiacute pues podemos expresar esta foacutermula como

n=SN f c cosempty carga

SN f c cosempty carga+PH+ f c2PCu

En esta nueva ecuacioacuten podemos identificar lo que llamaremos el factor de carga f c el mismo aparece debido a que el transformador no siempre funciona bajo condiciones nominales este factor representa el grado de carga que conectamos al secundario del transformador por lo general el mejor funcionamiento de este tipo de maacutequinas resulta de operarlas a una carga menor que la nominal Este factor estaacute dado por

f c=I1I N 1

=I2IN 2

Este iacutendice de carga se relaciona con las peacuterdidas en el transformador Sif clt 1 El transformador funciona descargado Si f c gt 1 El transformador estaraacute funcionando sobrecargadoComo podeos observar en esta ecuacioacuten aparece el factor de potencia en cada terminoacute excepto en las perdidas por en el hierro esto se debe a que dichas perdidas con constantes y dependen de la tensioacuten suministrada al transformador

Figura 5 Curva del rendimiento de una maacutequina en funcioacuten de la carga

En este grafico observamos el comportamiento del rendimiento de un transformador de potencia en funcioacuten al grado de carga que se le conecta tambieacuten podemos decir que la curva de rendimiento es afecta por el factor de potencia de dicha

carga lo que podemos traducir como a mayo factor de potencia mayor eficiencia Tambieacuten

podemos distinguir de este grafico coacutemo evoluciona las perdidas en funcioacuten del factor de carga( Perdidas en el hierro y en el cobre)Podemos obtener el factor de carga para una maacutexima eficiencia derivando la ecuacioacuten de eficiencia con respecto al factor de carga Su valor se produce cuando las peacuterdidas fijas (en el hierro) son iguales a las peacuterdidas variables (en el cobre) o sea

fcn max=radic PHPCuDe esta manera podemos obtener un factor de carga que nos produzca una eficiencia maacutexima del transformador la cual estaacute frecuentemente por debajo de la carga nominal de dicha maacutequina

Pruebas a Transformadores de Potencia

La mayoriacutea de transformadores no salen de servicio por envejecimiento o por fin de su vida uacutetil Normalmente salen de operacioacuten por

Averiacuteas del sistema Corriente de circulacioacuten Desbalances de corrientes Efecto de fuga de flujo

Averiacuteas de componentes Bornes Cambiadores de Tomas Sistemas de Enfriamiento Pararrayos

Averiacuteas del Sistema Dieleacutectrico Papel (celulosa) Aceite Dieleacutectrico Relacioacuten de TransformacioacutenPrueba utilizada para determinarDefectos de Fabricas en los Devanados Errores en Espiras Polaridad Configuracioacuten del Devanado Montaje incorrecto de las conexiones de los devanadosAveriacuteas en el Aislamiento Corto Circuito entre espiras por dantildeo en el aislamiento Averiacuteas mayores de aislamientoCambiador de Tomas defectuosos Conexiones de alta resistencia Configuracioacuten incorrecta del Cambiador de TomasFuncionamiento

Se excita un devanado y se mide la tensioacuten inducida en el devanado opuesto La tensioacuten de prueba se aplica ya sea al Devanado de alta o al de baja tensioacuten (de

preferencia del lado de alta) La corriente generada en el devanado donde se aplica la tensioacuten es la corriente de

excitacioacuten

Figura 6 Esquema de Realizacioacuten de Prueba de relacioacuten de Transformacioacuten

La medicioacuten de relacioacuten debe realizarse con pocos voltios Principales errores en la medicioacuten son causados por excesiva corriente de excitacioacuten

por ello se limita la tensioacuten de prueba a una fraccioacuten del voltaje nominal del espeacutecimen Resistencia de DevanadosPrueba utilizada para determinarAlta resistencia en contactos metaacutelicos Conexiones de Boquillas y en los DevanadosSe utiliza tambieacuten para comprobar las conexiones del cambiador de tomas OLTC (Conmutador de tomas bajo carga) Para saber cuaacutendo limpiar o sustituir sus contactos o para sustituir el mismo OLTC debido a que presenta una vida uacutetil maacutes corta que otras partes del transformador FuncionamientoRango de Prueba Se aplica de 1 al 10 de la corriente nominal No se debe sobrepasar el 10 de la corriente nominal causa Stress innecesario Lecturas erroacuteneas (Por calentamiento de Devanados) La inductancia del devanado necesita de un tiempo para saturarse CPC calcula cuando la inductancia se ha saturado y la resistencia puede medirse La resistencia se mide a intervalos y la lectura se considera vaacutelida cuando no variacuteaPara devanados con tomas muacuteltiples esto hay que realizarlo en cada posicioacuten de toma probando por tanto el OLTC y el devanado juntos Los resultados deben compararse con Mediciones originales de faacutebrica Comparacioacuten entre fases Mediciones preliminares en campo Para comparar mediciones hay que recalcular los valores de resistencia para reflejar las

diferentes temperaturas durante las mediciones - IEEE 62 (611) recomienda que los valores comparativos no excedan de una diferencia del

5 Prueba de ImpedanciaTambieacuten conocida como Prueba de Reactancia de fuga o Impedancia de corto CircuitoOcurre cuando la trayectoria del flujo magneacutetico variacutea Estas Pruebas detectan cortos entre laacuteminas del nuacutecleo mala conexioacuten del nuacutecleo a tierra y el sobrecalentamiento local debido a peacuterdidas excesivas de corriente paraacutesita vinculados por el flujo de dispersioacuten Funcionamiento

Se conecta una fuente de CA a cada fase del devanado de alta tensioacuten (AT) Se debe tener el correspondiente devanado de baja tensioacuten (BT) cortocircuitado El voltaje se regula para circular una corriente en el orden de 05 -1 del valor de la

corriente nominal del devanado

Se mide la corriente y la tensioacuten que pasa por el devanado de AT en amplitud y fase y se calcula la impedancia de cortocircuito

Figura 7 Esquema de Realizacioacuten de Prueba de Impedancia

Prueba de Factor de Potencia Es una teacutecnica de prueba eleacutectrica que aplica voltaje AC para medir la corriente de fuga

en el aislamiento eleacutectrico Objetivo El objetivo de este ensayo es medir valores de capacitancia y de FP y FD de las

diferentes combinaciones del sistema de aislamiento de un transformador y del aislamiento de los bushings

La corriente de fuga se compone de dos elementos Corriente resistiva (en fase con la tensioacuten) Corriente Capacitiva

Figura 8 Componentes de la corriente de Fuga

Factor de disipacioacuten (Tan-Delta)Con el fin de detectar humedad suciedad y deterioro del aislamiento del transformador se realizan pruebas de factor de disipacioacuten (tan-delta) Tiacutepicamente mide el calor que se pierde cuando un aislante tal como un dieleacutectrico se expone a un campo alterno de electricidadFuncionamiento Se aplica tiacutepicamente 10kV AC No se debe exceder el valor de voltaje nominal del

espeacutecimen bajo prueba Se Mide

o Corriente de perdida(mA)o Perdidas de Potencia (W)o Capacitancia (pF)

Los devanados se conectan en corto circuitoo Conecte en corto circuito todos los terminales de ATo Conecte en corto circuito todos los terminales de BT

Resultados Incremento en el factor de potencia significa

Contaminacioacuten

Deterioro Quiacutemico Dantildeo por sobrecalentamiento Humedad

Variaciones de Capacitancia indicanDeformaciones mecaacutenicas en la estructuras de nuacutecleos y bobinas Humedad

Respuesta en la Frecuencia Deformaciones Mecaacutenicas de los devanados del transformador y en el nuacutecleo magneacutetico

o Deformacioacuten de Bobinas Desplazamiento Axial y Radialo Deformacioacuten del devanado circunferencialo Deformaciones en el nuacutecleo o La Respuesta en Frecuencia es un diagrama de Bode donde se representa una

respuesta del transformador a diferentes frecuencias la respuesta puede ser medida en Hz o Voltios o Decibeles

Figura9 Diagrama equivalente de RLC de Devanados

Figura 10 Diagrama equivalente de Prueba de Respuesta en Frecuencia

Se inyecta una tensioacuten sinusoidal con una frecuencia en incremento continuo en un extremo del devanado del transformador y mide la sentildeal que vuelve del otro extremo

La comparacioacuten de las sentildeales de entrada y salida genera una respuesta de frecuencia exclusiva que se puede comparar con datos de referencia

Se realiza cuando Fabrica Control de calidad Antes y despueacutes de la prueba de corto circuito Antes de transporteEn sitio Despueacutes del Transporte Prueba de rutina Despueacutes de mensajes de alarma y operacioacuten de releacute de proteccioacuten Despueacutes de presencia de cambios en variables monitoreadas (Gases) Despueacutes de mantenimiento de OLTC bushings y Devanados Anomaliacuteas de pruebas como resistencia de devanados

Pruebas Fisicoquiacutemicas Rigidez Dieleacutectrica Su propoacutesito es evaluar la capacidad del aceite para soportar un esfuerzo eleacutectrico Meacutetodo maacutes recomendado seguacuten norma ASTM 1816 dos electrodos

esfeacutericos colocados en la muestra de aceite separados de 1 oacute 2 mm aplicando una tasa de voltaje de 500 V por segundo

Color La prueba es un paraacutemetro para medir el deterioro del aceiteSe compara el color de la muestra con una escala que va de 05 (aceite nuevo) a 8No es del todo confiable ya que podeos tener un aceite claro con mucha humedad

Figura 11 Escala de Colores para el Aceite

Nuacutemero de neutralizacioacuten (acidez) Al envejecer el Aceite produce Aacutecidos por medio de la oxidacioacutenEl meacutetodo para medir el nuacutemero de neutralizacioacuten utiliza KOH que reacciona con los aacutecidos presentes en el aceite Se agrega la cantidad necesaria de KOH para producir la reaccioacuten que se observa en el cambio de color de un indicador incluido en el aceite

Tensioacuten interfacial Contenido de agua en aceite Tensioacuten de la barrera entre el aceite y el agua

Figura 12 Limites para la Prueba

Densidad Relativa Se hunde un hidroacutemetro en el aceite para medir densidad Valores normales estaacuten entre 086-089 Valores mayores de 091 indican contaminacioacuten de PCB (Bifenilos Policlorados)


Anaacutelisis de Gases DisueltosLos gases disueltos en aceite dieleacutectrico se generan por esfuerzos teacutermicos y eleacutectricos que soporta el transformador Cromatografiacutea de gases realiza un anaacutelisis cuantitativo y cualitativo de los mismos

Figura 13 Porcentajes de gases nocivos para el Aceite Dieleacutectrico

Anaacutelisis de Compuesto FuranosDisueltos en el aceite no afectan al mismo pero si al papel dieleacutectrico El envejecimiento del aceite produce aacutecidos en el mismo lo afecta el grado de polimerizacioacuten de la celulosa constituyente principal del papel dieleacutectrico Los aacutecidos producen una reaccioacuten con la celulosa y producen los compuestos furanos

La siguiente grafica muestra el deterioro de la celulosa a medida que se presentan compuestos furanos en el aceite dieleacutectrico

Figura 14 Grafico de deterioro de la celulosa por Furanos

Compuestos Furanos FAL FOL ACF MEF HMF 2-Furaldehiacutedo

2-furil alcohol

2-acetil furano

5-metil-2-furaldehiacutedo

5-hidroximetil-2-furaldehido

Objetivo1048711 Transferir energiacutea desde la fuente hacia la carga1048711 Construccioacuten1048711 Dos conductores (primario y secundario) bobinados sobre un mismo nuacutecleo por ende asilados eleacutectricamente uno del otroComponentes Baacutesicos De Un Transformador

Baacutesicamente todos los transformadores estaacuten constituidos de la misma manera al margen de las bobinas o fases que sobre eacutel se enrollen y coacutemo se enrollen o del tamantildeo que tengan o de la forma de su nuacutecleo Asiacute pues en un transformador encontraremos

un nuacutecleo magneacutetico un arrollamiento primario o de entrada y un arrollamiento secundario o de salida

De la misma manera y en funcioacuten de la energiacutea a transformar el transformador estaraacute dotado de un sistema de refrigeracioacuten bien por conveccioacuten si intercambia el calor con el aire circundante o bien de un sistema de refrigeracioacuten liacutequido si se hace necesario disipar una mayor cantidad de calor

El Nuacutecleo

Estaraacute formado por un material ferromagneacutetico que favorezca la propagacioacuten del flujo Φ tal es el caso del acero con aleacioacuten de silicio Para minimizar las peacuterdidas en el hierro por las corrientes parasitas de Foucault la seccioacuten conductora del flujo magneacutetico se divide en pequentildeas partes o laacuteminas y se intercala entre laacutemina y laacutemina de acero un papel o barniz aislante

Devanados El devanado es un hilo de cobre enrollado a traveacutes del nuacutecleo en uno de sus extremos y recubiertos por una capa aislante que suele ser barniz Estaacute compuesto por dos bobinas la primaria y la secundaria La relacioacuten de vueltas del hilo de cobre entre el primario y el secundario nos indicaraacute la relacioacuten de transformacioacuten Donde apliquemos la tensioacuten de entrada seraacute el primario y donde obtengamos la tensioacuten de salida seraacute el secundario

Material Aislante (Primario)Objetivo Aislar los potenciales y proveer soporte mecaacutenicoMaterial CELULOSA papel Kraft envoltura del Devanado PapelCrepe Madera Eleacutectrica etc

Material Aislante (Secundario)Objetivo Aislar potenciales reducir calentamiento mantiene alejada la humedadMaterial Aceite Mineral Natural Silicona Air Nitroacutegeno SF6

Otros Componentes De Un Transformador


































Desfase de I0 en un











Clasificacioacuten






































































Ecuacioacuten PH=ei

2

R p







n=P salidaPentrada

=P salida

Psalida+Pperdidas=







f c=I1I N 1

=I2IN 2














excitacioacuten




















Contaminacioacuten


























2-furil alcohol

2-acetil furano




































Desfase de I0 en un











Clasificacioacuten






































































Ecuacioacuten PH=ei

2

R p







n=P salidaPentrada

=P salida

Psalida+Pperdidas=







f c=I1I N 1

=I2IN 2














excitacioacuten




















Contaminacioacuten


























2-furil alcohol

2-acetil furano












Clasificacioacuten






































































Ecuacioacuten PH=ei

2

R p







n=P salidaPentrada

=P salida

Psalida+Pperdidas=







f c=I1I N 1

=I2IN 2














excitacioacuten




















Contaminacioacuten


























2-furil alcohol

2-acetil furano





























































Ecuacioacuten PH=ei

2

R p







n=P salidaPentrada

=P salida

Psalida+Pperdidas=







f c=I1I N 1

=I2IN 2














excitacioacuten




















Contaminacioacuten


























2-furil alcohol

2-acetil furano



n=P salidaPentrada

=P salida

Psalida+Pperdidas=







f c=I1I N 1

=I2IN 2














excitacioacuten




















Contaminacioacuten


























2-furil alcohol

2-acetil furano












excitacioacuten




















Contaminacioacuten


























2-furil alcohol

2-acetil furano





















Contaminacioacuten


























2-furil alcohol

2-acetil furano




























2-furil alcohol

2-acetil furano



1. transformadores potencia

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