transformadores. principales aspectos

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Jorge Patricio Muñoz Vizhñay

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1.- Introducción.2.- Definiciones fundamentales3.- Principio de funcionamiento de un transformador

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Transformador elementalTransformador elemental

Se utilizan en redes eléctricas para convertir tensiones o voltajes (monofásicas o trifásicas) en otros valores de mayor o menor tensión e igual frecuencia.El transformador ideal considera nula las pérdidas de potencia y energía, con lo cual:Potencia entrada Potencia salidaEl número de espiras de las bobinas o devanados son directamente proporcionales a las tensiones e inversamente proporcionales a las intensidades.

Cuando el transformador es elevador: V2>V1; I2<I1

Cuando el transformador es reductor: V2<V1; I2>I1

Los valores nominales que definen a un transformador son: Potencia aparente (S), Tensiones (U), Corrientes (I) y

frecuencia (f)

Secundario

I1

I2

Núcleo de chapa magnética aislada

Primario

Flujo magnético

Introducción

Es una máquina eléctrica estática destinada a funcionar en corriente alterna, constituida por dos arrollamientos, primario y secundario.

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El silicio (Si) incrementa la resistividad del material y reduce las corrientes parásitas

En la construcción del núcleo se utilizan chapas de acero aleadas con silicio (Si) de muy bajo espesor (0,3 mm) aprox.

Aspectos constructivos: circuito magnético

Dispone de:a) Núcleob) Devanados o bobinadosc) Sistema de refrigeraciónd) Aisladores pasantes y otros elementos

Las chapas se aíslan mediante un tratamiento químico (Carlite) y se obtiene por laminación en frio: aumenta la permeabilidad.El material más utilizado es la chapa de silicio de grano orientado por la capacidad que tiene para orientar el campo electromagnético sin que se produzcan grandes calentamientos por perdidas.

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En los transformadores de gran potencia se intercalan entre las chapas canales de ventilación para evacuar el calor.

Aspectos constructivos:circuito magnético

Mediante este procedimiento se obtienen factores de relleno del 95-98%

Otro aspecto característico constituyen las secciones transversales de las columnas. En transformadores pequeños se construyen en forma cuadrada y en mayores potencias con la bobina circular la sección es tipo "cruciforme ".


Montaje de láminas de silicio en un transformador de pequeña potencia.

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1

2

345

El núcleo puedetener sección cuadrada. Pero es más frecuente aproximarlo a la circular

Montaje chapas núcleo

Corte a 90ºCorte a 90º Corte a 45ºCorte a 45º


1

2

345


Montaje de láminas de silicio en un transformador

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Fabricación núcleo: Fabricación núcleo: chapas magnéticaschapas magnéticas


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600-5000 V

4,5 - 60 kV

> 60 kV

Diferentes formas constructivas de devanados Diferentes formas constructivas de devanados según tensión y potenciasegún tensión y potencia

Se realizan mediante conductores de cobre en forma de hilos redondos para diámetros inferiores a 4 mm y sección rectangular para mayores secciones.Los conductores de los devanados están aislados entre sí con una capa de barniz para secciones circulares o con fibra de algodón o cinta de papel impregnado en aceite para secciones (pletinas) rectangulares.

Aspectos constructivos: devanados y aislamientos

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Estructura de Estructura de devanados de devanados de transformadortransformadoreses


Los devanados pueden ser concéntricos o alternados.Los devanados concéntricos tienen forma de cilindros coaxiales, el de BT generalmente esta más cercano del núcleo por la facilidad de aislar.En los devanados alternados se subdividen en secciones o "galletas" de tal forma que las partes de AT y BT se suceden alternativamente.

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Estructura Estructura devanados: devanados: transformadtransformador or monofásicomonofásico

Núcleo con 2 Núcleo con 2 columnascolumnas

Núcleo con 3 Núcleo con 3 columnascolumnas

SecundariSecundarioo

PrimarioPrimarioPrimarioPrimario

SecundariSecundarioo AislanteAislante

ConcéntricoConcéntrico


AislantAislantee

PrimarioPrimario

PrimariPrimarioo

AislanteAislanteAlternadAlternad

oo



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Estructura Estructura devanados: devanados: transformadtransformador trifásicoor trifásico

Núcleo con 3 columnasNúcleo con 3 columnasPrimarioPrimario


AislanteAislante


Núcleo acorazadoNúcleo acorazado

14Fabricación núcleo: Fabricación núcleo: chapas magnéticaschapas magnéticas

Bobinado de Bobinado de conductores:conductores:devanadosdevanados


15


16


17

1 1 NúcleoNúcleo1’1’ Prensaculatas Prensaculatas22 Devanados Devanados33 Cuba Cuba4 4 Aletas refrigeraciónAletas refrigeración55 Aceite Aceite66 Depósito expansión Depósito expansión77 Aisladores (BT y AT) Aisladores (BT y AT)88 Junta Junta99 Conexiones Conexiones1010 Nivel aceite Nivel aceite1111 - 12- 12 Termómetro Termómetro13 - 1413 - 14 Grifo de vaciado Grifo de vaciado1515 Cambio tensión Cambio tensión1616 Relé Buchholz Relé Buchholz1717 Cáncamos transporte Cáncamos transporte1818 Desecador aire Desecador aire1919 Tapón llenado Tapón llenado2020 Puesta a tierra Puesta a tierra

Aspectos constructivos: refrigeración

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Aspectos constructivos:Relé Buchholz

El relé Buchholz es un dispositivo que se monta en algunos transformadores (de potencia) en baño de aceite que van equipados con un depósito externo de expansión en su parte superior.El relé Buchholz se usa como dispositivo de protección contra fallos del dieléctrico en el interior del equipo por la descomposición química del aceite. Los gases que fluyen hacia el conservador de aceite o la onda expansiva generada por la formación rápida de gases activa el sistema de alarma del relé de Buchholz.Si el nivel de aceite en el conservador queda por debajo de un valor determinado o sea si el conservador pierde aceite, el relé de Buchholz toma la función de un indicador del nivel de aceite.

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Aspectos constructivos: refrigeración

Para transformadores de pequeñas potencias, la superficie externa es suficiente para evacuar el calor lo que da lugar a transformadores secos.Para potencias elevadas se emplea el transformador sumergido en aceite teniendo la doble misión de refrigerar y aislar.El aceite mineral procede de un subproducto de la destilación fraccionada del petróleo.

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Aspectos constructivos:refrigeración

El aceite puede experimentar un proceso de envejecimiento lo que indica que se oxida y polimeriza notándose la presencia de lodo, proceso activado por la temperatura, la humedad y el contacto con el oxígeno del aire.Para evitar la entrada de humedad se coloca en el transformador un desecador de cloruro cálcico o un gel de sílice.

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El bifenilo ploriclorado (PCB) es un aceite de compuesto químico formado por cloro, carbón e hidrógeno. El PCB es resistente al fuego, muy estable, no conduce electricidad y tiene baja volatilidad a temperaturas normales. Éstas y otras características han hecho ideal para los transformadores. Pero estas cualidades hacen al PCB peligroso para el ambiente, especialmente su resistencia extrema a la ruptura química y biológica a través de procesos naturales.

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Estudios del PCB determinan los efectos que produce en la salud de los seres humanos. Los científicos convienen en que es poco probable que la baja exposición a los PCBs, a corto plazo, genere lesiones serias. Sin embargo, la mayoría coincide sobre los efectos adversos provocados por la exposición a largo plazo, incluso en concentraciones bajas.

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Transformadores en baño de aceite

Aspectos constructivos:

transformadores trifásicos

Un transformador en baño de aceite con circulación natural por convección refrigerado por aire con movimiento natural se designa ONAN. Si el movimiento del aire se hace con ventiladores se denomina ONAF.

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Transformador seco

OFAF



25

5 MVA5 MVABaño de Baño de aceiteaceite

2,5 MVA2,5 MVABaño de aceiteBaño de aceite

1,250 MVA1,250 MVABaño de aceiteBaño de aceite

10 MVA10 MVASellado con NSellado con N22




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El aceite circula alrededor de los devanados hacia los radiadores donde el calor es cedido al exterior.Para potencias elevadas, se pasa aire forzado producido por ventiladores sobre los radiadores.En transformadores de varios MVA’s se puede refrigerar mediante un intercambiador de calor aceite-agua. El aceite caliente se bombea a través de un serpentín en contacto con el agua fría.

27Banco trifásico de tres transformadores monofásicos con uno de reserva.



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Secciones de transformadores en aceite y Secciones de transformadores en aceite y secossecos

Seco

En aceite



Seco

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Secciones de transformadores secosSecciones de transformadores secos

Seco



30

Transformador seco

OFAF



31

Transformador seco

OFAF



32

Transformador seco


aisladores pasantesLos bornes de los transformadores de media tensión se llevan al exterior de la cuba mediante unos aisladores pasantes (pasatapas) de porcelana, rellenos de aire o aceite.Los pasatapas (aisladores) de AT y BT en un transformador se distinguen por su altura.

33

Transformador seco



34

Transformador seco



35

Transformador seco



36

Transformador seco


potencias comerciales

Monofásicos(kVA)

Trifásicos(kVA)

5 1510 2515 3025 45

37,5 5050 7575 100

112,5

Transformadores de DistribuciónTransformadores de Distribución

Monofásicos(kV)

Trifásicos(kV)

13,2 / √3 13,213,8 / √3 13,822 / √3 22

2 x 120 V (BT) 3x210 V o 3 x 220 V (BT)

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Transformador seco

Aspectos constructivos: potencias comerciales

Placas de Transformadores de DistribuciónPlacas de Transformadores de Distribución

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Transformador seco


potencias comerciales

Símbolos empleados para designar un transformadorSímbolos empleados para designar un transformador

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Transformador seco

V2(t)

V1(t)

I0(t)

I2(t)=0

e1(t)

e2(t)

(t)

R devanados = 0

Principio de funcionamiento de un transformador ideal en vacío

Debido a la variación periódica del flujo se crean fem’s inducidas en los arrollamientos que de acuerdo a la ley de Faraday se tiene:

dtdφNe

dtdφNe

22

11

El transformador ideal asume lo siguiente:

1)Los devanados tienen resistencias óhmicas despreciables lo que no hay pérdidas Joule y no existen caídas de tensión resistivas.2)No existen flujos de dispersión y todo el flujo magnético esta confinado en el núcleo enlazando el devanado primario y secundario.

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Transformador seco

V2(t)

V1(t)

I0(t)

I2(t)=0

e1(t)

e2(t)

(t)

R devanados = 0


e1(t) representa la fcem porque se opone a la tensión aplicada U1(t) y limita la corriente del primario.e2(t) representa la fem inducida por efecto del primario.Se parte de un flujo senoidal:

Derivando y reemplazando:

Lo que indica que las tensiones y fem´s van adelantadas 90 respecto al flujo, siendo sus valores eficaces.

Dividiendo una expresión para la otra resulta: m

NN

EE

VV

2

1

2

1

2

1

m2m2

22

m1m1

11

φN*f*4,442

ωφNEV

φN*f*4,442

ωφNEV

tcosωωφNvetcosωωφNev

m222

m111

)90tcos(wφtsenωφφ omm

V2(t)

V1(t)

I0(t)

I2(t)=0

e1(t)

e2(t)

(t)

R devanados = 0


El transformador ideal sin carga o en vacío se comportará como una bobina con núcleo de hierro, en este caso el transformador absorberá una corriente de vacío I0. La corriente I0 forma un ángulo φ0 con la tensión aplicada V1. De esta manera la potencia absorbida en vacío P0, será igual a las pérdidas en el hierro PFe, cumpliéndose:

001Fe0 cos I VPP

V2(t)

V1(t)

I0(t)

I2(t)=0

e1(t)

e2(t)

(t)

R devanados = 0


La I0 tiene dos componentes, una activa IFe y otra reactiva Iᵤ

IFe

I

V1=E1

V2=E2

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V2(t)V1(t)

I1(t) I2(t)

P2P1

P=0

Considerando el transformador ideal donde la conversión se realiza sin pérdidas:Pot entrada Pot salida

P1 P2 V1*I1 = V2*I2

Considerando que la tensión del secundario con carga es la misma que en vacío:V2vacío V2carga

Las relaciones de tensiones y

corrientes son INVERSAS

El transformador no modifica la potencia que se transfiere, tan solo altera la relación entre tensiones y corrientes

(t)

Principio de funcionamiento Relación entre corrientes

1

2

2

1

II

VV

m mI

I 21

44

V2(t)V1(t)

I1(t) I2(t)

P2P1

Pnúcleo

Considerando las pérdidas en el transformador, la corriente primaria será:

Principio de funcionamiento Relación entre corrientes

(t)

m2

0201I I III ,

Ecuación que expresa la relación entre la corriente primaria I1, de vacío I0 y secundaria I2.

La corriente I1 tiene dos componentes:

1.La corriente de excitación o vacío I0 produce el flujo magnético en el núcleo y vence las pérdidas a través de sus componentes IFe e Iᵤ.2.La corriente de carga I2’ que equilibra o contrarresta la acción desmagnetizante de la fmm secundaria para que el flujo en el núcleo permanezca constante e independiente de la carga.

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(t)Flujo de dispersión: se cierra por el aire

V2V1

I2(t)=0I0

Representación simplificada del flujo de dispersión en el devanado primario.El flujo producido por la bobina se reparte en una parte en el aire y otra en el núcleo.

En vacío no circula corriente por el secundario y, por tanto, no produce flujo de dispersión.

En serie con el bobinado primario se colocará una resistencia interna del devanado y una reactancia de dispersión que será la que genere el flujo de dispersión.

I2=0

V2V1

(t)

I0 R1 Xd1

Flujo de dispersió

n

Resistencia

interna

e1(t)

Principio de funcionamiento de un transformador real

)jX(RIEeIjXIRV d110110d1011

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V1

(t)

I1R1 Xd1

Flujo de Flujo de dispersióndispersión

ResistenciResistenciaa

internainterna

e1(t) V2

R2


internainternaXd2


I2e2(t)

El bobinado secundario del transformador presentará una resistencia interna y una reactancia de dispersión como el primario. Donde e1 y e2 son las fem’s, resulta E1 y E2 en valores eficaces (donde øm es el flujo máximo que circula por le circuito magnético):

Principio de funcionamiento de un transformador real con carga

m2

m1

φNf4,44φNf4,44

2

1

EE

2222

1111

IIEVIIEV

22

11

jXRjXRA Xd1 y Xd2 se ha denominado con X1 y

X2 denominadas reactancias de dispersión.

dtdφNe

dtdφNe

22

11

47

V1

(t)

I1R1 X1



internainterna

e1(t) V2

R2


internainternaX2


I2e2(t)

Principio de funcionamiento de un transformador real con carga

22

11

EVEV

mNN

EE

2

1

2

1

mVV

2

1

La relación entre los valores eficaces será:

Las caídas de tensión a plena carga en las resistencias y reactancias parásitas son muy pequeñas del orden del 1,0 al 10% de V1 por lo que las relaciones se convierten en:

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Se tiene la ventaja de desarrollar circuitos eléctricos equivalentes de máquinas eléctricas para aplicar el potencial de la teoría de los circuitos eléctricos.El circuito equivalente se inicia reduciendo ambos devanados al mismo número de espiras. Generalmente se reduce el secundario al primario y se marca a los elementos del secundario referido al primario con una tilde.

X1

V2’V1

R1 R2’X2’

I2’

I1

X

I

RFe

IFe

I0

Circuito equivalente de un transformador Circuito equivalente de un transformador realreal

Circuito equivalente

22 VmV ,

mI

I 22 ,

22

2 RmR ,2

2,2 XmX L

2,L ZZ m

49

X1

V2’V1

R1 R2’=m2 R2X2’=m2 X2

I2’

I1

X

I

RFe

IFe

I0

Circuito equivalente de un transformador Circuito equivalente de un transformador realreal

El circuito equivalente permite calcular todas las variables incluidas pérdidas y rendimiento.

Los elementos del circuito equivalente se obtienen mediante ensayos o pruebas.

Una vez resuelto el circuito equivalente los valores reales del lado secundario pueden ser obtenidos pasando del primario al secundario con la relación de transformación.


La importancia de la reducción de los devanados al haber elegido la igualdad N2’=N1 radica en que se puede obtener el transformador sin función de transformación, es decir se sustituye los devanados acoplados magnéticamente por un circuito eléctrico acoplado eléctricamente.

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En la práctica, debido al reducido valor de I0 frente a las corrientes I1 e I2 se suele trabajar con un circuito equivalente aproximado que se obtiene trasladando la rama en paralelo a los bornes de entrada del primario.

Circuito equivalente aproximado de Circuito equivalente aproximado de un transformador reducido al primarioun transformador reducido al primario

R1 X1 R2’X2

’

V1

V2’

I1

I2’I0

51


De esta manera el circuito resultante tendrá una impedancia serie: Rcc + j Xcc (resistencia y reactancia de cortocircuito).

Circuito equivalente aproximado de Circuito equivalente aproximado de un transformador reducido al primarioun transformador reducido al primario

Rcc Xcc

V1 V2’

I1(t)

I2’(t)I0

'21cc

'21cc

XXX

RRR

transformadores. principales aspectos

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