transformadores de potencia 1

8/9/2019 Transformadores de Potencia 1

1/37

4.2 Transformadores de potencia

4.2.1 Generalidades

Descripcin Circuito magntico

Circuito elctrico

Refrigeracin

Aspectos constructivos

4.2.2 Principio de funcionamiento

El transformador ideal

Funcionamiento en vaco

Funcionamiento en carga

4.2.3 Circuito equivalente

Reduccin al primario

Circuito equivalente exacto Circuito equivalente aproximado

4.2.4 Transformadores trifsicos

Descripcin

Grupos de conexin


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4.2 Transformadores de potencia

4.2.5 Ensayos del transformador

Ensayo de vaco Ensayo de cortocircuito

4.2.6 Rendimiento del transformador

Prdidas en el transformador

Rendimiento

4.2.7 Regulacin de tensin

Cada de tensin

Regulacin de tensin: clculo aproximado

Efecto Ferranti

4.2.8 Placa de caractersticas

4.2.9 Datos de catlogo


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Mquina elctrica que se utiliza en la red elctrica para cambiar los niveles de tensin

Prdidas muy reducidas: potencia de entrada casi igual a la de salida

Componentes bsicos:

Circuito magntico

Devanados primario y secundario

El devanado de mayor tensin presenta menores intensidades que el de menor

(porque la potencia es casi constante)

Relacin de transformacin:rt=U1/U2

Transformador elevador: rt1

4.2.1 Generalidades

Descripcin

Secund

U1

Ncleo de chapamagntica aislada

Primario

Flujo magntico

U

I2

I1

Caractersticas principales:

Tensiones nominales: U1n, U2n

Potencia aparente nominal: Sn

Intensidades nominales: I1n, I2n

Frecuencia nominal


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Apilamiento de chapas de material ferromagntico de pequeo espesor

Las chapas estn aisladas para reducir prdidas por corrientes parsitas

Tipos de ncleos magnticos de transformadores monofsicos:

4.2.1 Generalidades

Circuito magntico

El ncleo suele aproximarse a una seccin circular a base de paraleleppedos

Posibles tipos de unin de las chapas: solape y tope Posibles tipos de corte de las chapas: 45 y 90 grados

AcorazadoNormal

Columnas

Culatas

Unin a tope Unin a solape Seccin columna


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Forma circular dispuestos concntricamente a la columna

Compuestos por conductores aislados entre si:

Hilos de cobre esmaltados (trafos de pequea potencia)

Pletina de cobre encintada (trafos de elevada potencia)

Devanado de baja tensin siempre en el interior para disminuir los gradientes de

tensin, pues el ncleo est puesto a tierra

Disposiciones:

4.2.1 Generalidades

Circuito elctrico

Baja tensin

Alta tensin

Aislamiento

Devanados concntricos Devanado en galletas


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4.2.1 Generalidades

Circuito magntico y elctrico

Detalle de un ncleo magntico Proceso de conformado de un devanado


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Prdidas en el transformador:

Ncleo magntico (histresis y corrientes parsitas)

Joule en los devanados

Necesidad de evacuar las prdidas para mantener la temperatura por debajo del

lmite trmico de los aislamientos: elevada superficie especfica

Propiedades del medio refrigerante:

Alta conductividad trmica Alta rigidez dielctrica

Posibilidades:

Bao de aceite (transformadores en bao de aceite)

Resina epoxdica (transformadores secos)

Tipos de refrigeracin en transformadores:

Exterior (natural o forzada)

Interior (natural o forzada)

Notacin del tipo de refrigeracin. Ejemplos:

OFAF (Oil Forced Air Forced): refrigeracin interior y exterior forzada

ONAN (Oil Natural Air Natural): refrigeracin interior y exterior natural

ONAF (Oil Natural Air Forced): refrigeracin interior natural y exterior forzada

4.2.1 Generalidades

Refrigeracin


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4.2.1 Generalidades

Refrigeracin

Transformador en aceite Transformador seco


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4.2.1 Generalidades

Aspectos constructivos

Transformador en aceite

1

2

3

4

5

6

7

8

1 Ncleo de hierro

2 Devanados

3 Cuba

4 Radiadores

5 Depsito de expansin

6 Bornas de alta tensin

7 Bornas de baja tensin

8 Placa de caractersticas


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Hiptesis de funcionamiento:

Devanados:

Sin prdidas Joule

Sin flujos de dispersin

Circuito magntico:

Sin prdidas en el hierro

Permeabilidad infinita (posibilidad de existencia de flujo sin consumo de intensidadmagnetizante)

Ecuaciones:

Segunda ley de Kirchhoff en cada devanado

U1 U

I2

I1

E1

E2

==

==

dt

dNeu

dt

dNeu

222

111

tr

N

N

U

U

fNU

fNU==

=

=

2

1

2

1

22

11

44.4

44.4


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Ecuaciones:

Circuito magntico asociado

+

F1=N1I1

+

F2=N2

RF

trI

IININ

10

2

1221121 === RFF

El transformador ideal es una dispositivo terico que no existe en realidad

A partir de este modelo ideal se incorporarn cada una de las simplificaciones

enunciadas anteriormente para obtener el modelo del transformador real

Modelo del trafo ideal

I1 I2rt:1

U1 U2

+ +

- - trI

I 1

2

1 =

trN

N

U

U==

2

1

2

1


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El transformador real: funcionamiento en vaco

Transformador en vaco: no se tiene conectada ninguna carga en el secundario

Introduccin de la permeabilidad finita del circuito magntico:

Se necesita una intensidad para magnetizar el ncleo

Se calcula a partir de la curva de magnetizacin B-H punto a punto

Conclusiones:

La intensidad de vaco no es senoidal sino deformada debida a la saturacin La intensidad de vaco est en fase con el flujo

Si se considera la senoide equivalente se puede hacer un diagrama fasorial

U

I0 F


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Introduccin de las prdidas en el circuito magntico

Ahora la curva de magnetizacin describe el ciclo de histresis

Se calcula de forma similar a la anterior

Conclusiones:

La intensidad de vaco no es senoidal sino deformada (saturacin e histresis) La intensidad de vaco adelanta al flujo

Si se considera la senoide equivalente se puede hacer un diagrama fasorial

Ife: Componente de prdidas en el hierro

Im: Componente de magnetizacin

U

Im FIFe

Io

fo

Io: Intensidad de vaco


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Modificacin del circuito equivalente del transformador para tener en cuenta:

Permeabilidad finita del material: Im retrasa a la tensin reactancia Xm

Prdidas en el hierro: Ife en fase con la tensin resistencia Rfe

U1= E1

Im F

IFeIo

fo

Io 0

rt:1

E1 E2= U2

+ +

- -

RFe jXm

0

U1

+

-

IFe Im


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Modificacin del circuito equivalente del transformador para tener en cuenta:

Resistencia del devanado primario: R1

Flujo de dispersin en el devanado primario: X1

La tensin primaria no es idntica a la fuerza electromotriz E1 y E2

E2= U2

Io 0rt:1

E1

+ +

-

-

RFe jXm

0

U1

+

-

IFe Im

R1 jX1U1

E1

Im F

IFeIo

fo

R1Io

jX1Io


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El transformador real: funcionamiento en carga

Transformador en carga: se conecta una carga en el secundario (circula intensidad)

En el devanado secundario existirn los mismos efectos que en el primario:

resistencia y reactancia de dispersin

U1

E1

F

I1

R1I1jX1I1

E2

I1= I0+ I2/rt I2rt:1

E1

+ +

- -

RFe jXm

I2/rt

U1

+

-

IFe Im

R1 jX1 R2 jX2

U2

+

-

E2

U2

F

I2

R2I2

jX2I2


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Reduccin al primario

Un circuito elctrico que incluye transformadores no tiene un nico nivel de tensin

Para resolver este inconveniente se puede realizar la reduccin a uno de los

devanados. En el transformador ideal:

trI

I 1

2

1 =trN

N

U

U==

2

1

2

1

=

===

c

'

c

'

c2c2ZZ

IZUIZUIZU

2

11

1

2

1

t

c

tr

r

La impedancia se ve desde el primario con valor Zc

Las magnitudes que estn en un secundario y se reducen al primario se notarn M

Las magnitudes que estn en un primario y se reducen al secundario se notarn M

Con la reduccin a uno de los devanados desaparece el transformador ideal del

circuito, existiendo un nico nivel de tensin

I1 I2rt:1

U1 U2

+ +

- -

Zc

Zc


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Circuito equivalente exacto

Consiste en reducir a uno de los devanados, generalmente el primario

I1

E1=E2

+

-

RFe jXm

I2

U1

+

-

IFe Im

R1 jX1 R2 jX2

U2

+

-

E1=E2 U2

F

I2

R2I2

jX2I2

I0

I1

U1

R1I1

jX1I1


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Circuito equivalente aproximado

La resistencia y reactancia de dispersin son tan pequeas que la fuerza

electromotriz E1 puede suponerse igual a la U1, lo que plantea una simplificacin

U2

I1

RFe jXm

I2

U1 =E1=E2

+

-

IFe Im

R1 jX1 R2 jX2

+

- (R1+ R2 )I

F

U2

I2

j(X1+X2)I2

I0

I1

U1=E1=E2

La suma de las impedancias primaria y secundaria se

denomina impedancia de cortocircuito:

22

21

21

cccccc

cc

ccXRZ

XXX

RRR+=

+=

+=


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Descripcin

La transformacin trifsica se puede realizar a partir de: Banco trifsico de tres transformadores monofsicos

Se pueden realizar conexiones en estrella o en tringulo tanto en

primario como en secundario

1

2 T1

1

2 T2

1

2 T3

rst

Banco estrella-estrella

R

1

2 T1

1

2 T2

1

2

rst

ST

Banco tringulo-tringulo


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Descripcin

La transformacin trifsica se puede realizar a partir de:

Transformador trifsico de tres columnas:

Cada columna contiene los devanados de alta y baja de una fase

Fase R Fase S Fase T

Baja tensin

Alta tensin

Aislamiento

Las conexiones de estas bobinas pueden ser en estrella y en tringulo


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Grupos de conexin

Designacin de los transformadores trifsicos: dos letras ms un nmero

Primera letra: conexin del devanado de alta tensin

Estrella: Y

Tringulo: D

Segunda letra: conexin del devanado de baja tensin:

Estrella: y

Tringulo: d Nmero: ndice horario

Se refiere al ngulo de desfase de las tensiones secundarias con

respecto a las primarias

La tensin primaria se toma como origen de fases a las 12 horas

El ndice horario se refiere a la hora que est marcando la tensin

secundaria (ngulo de desfase en grados dividido por 30)

Ejemplo: Yy0

Devanado de alta tensin en estrella

Devanado de baja tensin en estrella

Desfase nulo

UR

USUT

Ur

UsUt


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Grupos de conexin

Designacin de los transformadores trifsicos: dos letras ms un nmero

Ejemplo: Yy6 Devanado de alta tensin en estrella


Desfase 180 grados

Ejemplo: Dy11

Devanado de alta tensin en tringulo


Desfase 30 grados

Ejemplo: Dy5

Devanado de alta tensin en tringulo


Desfase -150 grados

UR

USUTUr

UtUs

UR

USUT

Ur

U

Ut

UR

USUT Ur

Us

Ut


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Objeto

Deducido el circuito equivalente del transformador se necesita conocer el valor decada uno de sus parmetros

Para ello se procede al ensayo de los transformadores en laboratorio

Medidas a adquirir durante el ensayo:

Tensiones

Intensidades

Potencias

Son idnticos tanto para el caso monofsico como para el trifsico

En el ensayo trifsico se miden magnitudes de lnea y potencias trifsicas

Los ensayos determinarn los valores del circuito equivalente aproximado del

transformador:

Ensayo de vaco: rama de magnetizacin

Ensayo de cortocircuito: impedancia de cortocircuito


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Ensayo de vaco

Condiciones de realizacin del ensayo: Secundario abierto (sin carga)

Tensiones de alimentacin primarias cercanas a la nominal. Si la tensin es

la nominal, el ensayo se realiza en condiciones nominales

Medidas que se realizan:

Tensin de vaco primaria y secundaria: U10 y U20

Intensidad de vaco: I0

Potencia de vaco: P0

Esquema del ensayo

U10

U20

I0

V

A W

V

4 2 E d l f d


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Ensayo de vaco

Circuito equivalente aproximado asociado al ensayo:

I0

jXmRFeU1 =E1=E2

+

-

IFe Im U1= E1

Im F

IFeIo

fo

Clculo de los parmetros de la rama de magnetizacin (caso monofsico):

o

oo

oo

IU

P =cos

==

==

I

UXII

I

URII

Io

oo

Fe

oFeooFe

oo

sin

cos

4 2 5 E d l t f d


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Ensayo de cortocircuito

Condiciones de realizacin del ensayo: Secundario cortocircuitado

Intensidad de alimentacin primarias cercanas a la nominal. Si la intensidad

es la nominal, el ensayo se realiza en condiciones nominales

Medidas que se realizan:

Tensin de cortocircuito: Ucc

Intensidad de cortocircuito: Icc

Potencia de cortocircuito: Pcc

Esquema del ensayo

Ucc

Icc

V

A W

4 2 5 E d l t f d


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Ensayo de cortocircuito

Circuito equivalente aproximado asociado al ensayo:Rcc jXccIcc

Ucc

+

-

Rcc

Icc

jXccIcc

Icc

Ucc

fcc

Clculo de los parmetros de la rama de cortocircuito (caso monofsico):

cc

cccc

cccc

IU

P =cos

=

==

cccccc

cccccc

cc

cccc

ZX

ZR

I

UZ cc

sin

cos

4 2 6 R di i t d l t f d


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Balance de prdidas

Las prdidas del transformador son: Prdidas Joule del devanado primario

Prdidas del hierro

Prdidas Joule del devanado secundario

Utilizando el circuito equivalente aproximado, dichas prdidas se concentran en:

Prdidas Joule en los devanados

Prdidas del hierro

2

111 IRPJ =

2

222 IRPJ =

22

1

FeFeFe

Fe IRR

E

P ==

2'

2IRP cccc =

22

FeFeFe

Fe

IRR

UP ==

4 2 6 Rendimiento del transformador


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Rendimiento

El rendimiento se define como el cociente entre la potencia cedida y la absorbida:

En funcin de la potencia cedida por el secundario y las prdidas:

Definicin de ndice de carga:

Se puede obtener una expresin aproximada si se supone:

111

222

1

2

cos

cos

IU

IU

P

P==

2222222222 coscoscos nnnn cScIUIUPUU ==

ccFe PPP

P

P

P

++==

2

2

1

2

Fen

n

cPcS

cS2

2

2

cos

cos

++=

ccnncccccc PcIcRIRP 22'

2

22'

2 ===

nn S

S

I

Ic 2

2

2 =


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4 2 7 Regulacin de tensin


32/37


Clculo aproximado

Expresin aproximada de la regulacin de tensin utilizando el circuito equivalenteaproximado:

RccI2

U2

jXccI2

U1

f

f

A

B

C

DBCABCDBCABU +++=

coscos 1'

2 ncccc IcRIRAB ==

sinsin 1'

2 ncccc IcXIXBC ==

)sincos(1 ccccn XRcIU +=

)cos(1 = ccccnZcIU)cos(1

=

= ccccn

c cU

U

RccI2U2

I2

jXccI2U1

DU

f

4 2 7 Regulacin de tensin


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Efecto Ferranti

El ngulo f se refiere al ngulo de la impedancia de carga: Positivo para carga inductiva

Negativo para carga capacitiva

Para cargas capacitivas es posible que:

Significado: la tensin en el secundario en carga es mayor que la tensin de vaco

A este fenmeno se le denomina efecto Ferranti

00)cos(2


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4.2.8 Placa de caractersticas

Placa dispuesta en la cuba del transformador que contiene Informacin tcnica:

4 2 8 Datos de catlogo


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Schneider Electric:

4 2 8 Datos de catlogo


36/37


ABB:



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4.2.8 Datos de catlogo Otros fabricantes

15201600213025007605.0128801110017801.61000

14701450194020005805.010420890015201.6800

147013500174016505405.08425714012851.6630

12701300176015004705.06870578010901.7500

11001270158011804164.5566047309301.9400970123011609803584.5444036757652.0300

1080117010207952804.0350528906152.1225

770111013606682164.0241019604502.4150

74098011405401753.5190515403652.6112.5

62094011004401603.5135510902653.075

6008908703401203.08907101803.545

6008907902801003.06505151353.630

590890700200533.0390310804.415

CBAP

total

(W)

Pcu(W)

Po(W)

MEDIDAS (mm)PesoKg.

Aprox.

Litros

deaceite

Uz

%

PERDIDASLo

% deinKVA

transformadores de potencia 1

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