Transformadores (Parte 2.1)

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE MAR DEL PLATA Máquinas Eléctricas (342) Curso: Ingeniería Mecánica Transformadores (Parte 2.1) Prof. Justo José Roberts

2 Contenido Parte 1 Principio de funcionamiento de un transformador ideal. Funcionamiento de transformador real. Circuito eléctrico equivalente. Diagrama fasorial. Reducción a la malla del primario o secundario. Circuitos equivalentes aproximados. Transformador en vacío y en cortocircuito. Determinación de las constantes de un transformador. Parte 2 Aspectos constructivos. Caída de tensión en un transformador, regulación. Curva característica externa. Pérdidas y rendimiento. Paralelo de transformadores. Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 2

3 Aspectos Constructivos Núcleo Sistema de refrigeración Aisladores Devanados o bobinados Transformador Sn 630 kva Un 24 kv Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 3

4 Núcleo Sistema que forma el circuito magnético constituido por chapas de acero al silicio (Si) aisladas entre sí. Núcleo Se utilizan chapas de acero aleadas con silicio (Si) de muy bajo espesor (0,3 mm) aprox. El silicio (Si) incrementa la resistividad del material y reduce las corrientes parásitas. Las chapas se aíslan mediante un tratamiento químico (Carlite) y se obtiene por laminación en frio: aumenta la permeabilidad. Chapa de silicio de grano orientado por la capacidad que tiene para orientar el campo electromagnético sin que se produzcan grandes calentamientos por perdidas. Bobina A Bobina B Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 4

5 Núcleo Núcleo de hierro fabricado con chapas de acero al silicio (Si) aisladas entre sí reduce el efecto de las corrientes parásitas (Foucault). Núcleo Corriente parásitas Láminas aisladas Bobina A Bobina B Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 5

6 Núcleo Montaje de láminas de silicio en un transformador de pequeña potencia. Secundario Primario Láminas de acero (Si) Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 6

7 Núcleo Montaje de láminas de silicio en un transformador de gran potencia. Láminas de acero (Si) Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 7

8 Núcleo La disposición de los núcleos permite la clasificación de los transformadores en: Acorazado Ventana Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 8

9 Núcleo Denominación de piezas principales: Yugo Columna Entrehierro Yugo Columna Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 9

10 Núcleo Método constructivo para reducir el entrehierro Excelente desempeño magnético Dificulta el montaje de bobinas Bobina Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 10

11 Núcleo Secciones transversales de las columnas: En transformadores pequeños se construyen en forma cuadrada y en mayores potencias de tipo "cruciforme". En los transformadores de gran potencia se intercalan entre las chapas canales de ventilación para evacuar el calor. Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 11

12 Núcleo El núcleo puede tener sección cuadrada, pero es más frecuente aproximarlo a la circular: adaptar la columna a la forma circular de las bobinas evitar al máximo el flujo disperso Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 12

13 Núcleo Forma de fijación de las partes Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 13

14 Bobinas Constituyen el circuito eléctrico del transformador. Se realizan mediante conductores de cobre en forma de hilos redondos para diámetros inferiores a 4 mm 2 y sección rectangular (pletinas) para mayores secciones V 4,5-60 kv 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. > 60 kv Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 14

15 Bobinas Devanados concéntricos tienen forma de cilindros coaxiales, el de B.T. 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 A.T. y B.T. se suceden alternativamente. Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 15

16 Bobinas Estructura devanados: transformador monofásico Concéntrico Núcleo ventana Núcleo acorazado Primario Aislante Primario Secundario Secundario Alternado o galleta Primario Secundario Primario Secundario Aislante Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 16

17 Sistema de 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. Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 17

18 Sistema de refrigeración Se busca aumentar aumentar la superficie de contacto con el medio ambiente Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 18

19 Sistema de refrigeración El conjunto núcleo-bobinas está usualmente sumergido en aceite mineral, que cumple la doble función de refrigerante y aislante, ya que posee una capacidad térmica y una rigidez dieléctrica superior al aire. Tanque lleno de aceite (cuba) Corrientes de convección Transformador Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 19

20 Sistema de refrigeración Transformador sumergido en aceite 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. Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 20

21 Sistema de refrigeración Transformador sumergido en aceite 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 ideal para los transformadores. Pero el PCB es peligroso para el ambiente, especialmente su resistencia extrema a la ruptura química y biológica a través de procesos naturales. PCB provoca efectos adversos a la salud humana a largo plazo. Actualmente se están utilizando aceites siliconados, que representan un avance tecnológico para intentar aunar las misiones aislantes y refrigerantes con reducido impacto ambiental. Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 21

22 Sistema de refrigeración 5000 kva Baño de aceite 2500 kva Baño de aceite 1250 kva Baño de aceite 10 MVA Sellado con N 2 10 MVA Sellado con N 2 Cubas selladas con una inyección de un gas inerte, como el nitrógeno (N 2 ), que Justo José Roberts garantiza FI-UNMdP (2018) la pureza del aceite e impide su contacto con el aire 22

23 Aisladores Los bornes de los transformadores de media tensión y alta tensión se llevan al exterior de la cuba por medio de unos aisladores pasantes de porcelana. Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 23

24 Aisladores Los bornes de los transformadores de media tensión y alta tensión se llevan al exterior de la cuba por medio de unos aisladores pasantes de porcelana. Conductor pasante Exterior de porcelana Papel impregnado Tapa del tanque del transformador Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 24

25 Curvas de Característica Estática Son curvas que muestran las relaciones existentes variables en estado de régimen estacionario. Vacío E 2 = U 20 = f(i m ) Externa U 2 = f(i 2 ) ; U 1 = cte. ; cosφ = cte. Regulación ε c% = f(i 2 ) ; φ = cte. Regulación ε c% = f(cosφ) ; I 2 = cte. Rendimiento η = f(i 2 ) Se obtienen por ensayos de laboratorio Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 25

26 Curvas de Característica Estática Vacío E 2 = U 20 = f(i 0 ) Característica de vacío proporcional a la curva de magnetización. U 20 Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 26 I 0

27 Curvas de Característica Estática Externa U 2 = f(i 2 ) ; U 1 = cte. ; cosφ = cte. La tensión U 2 crece para cargas capacitivas, no así para cargas resistivas e inductivas importante. CAPACITIVO RESISTIVO U 2 (%) INDUCTIVO I 2 (%) Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 27

28 Regulación Caída de tensión Un transformador alimentado con la tensión nominal U 1n dará en el secundario en vacío la tensión U 20 Cuando trabaje en carga, se producirán caídas de tensión. En el secundario aparece U 2c U U U 20 2c Caída de tensión R eq jx eq En vacío U 1n I 2 = 0 U 20 R eq jx eq I 1 = I 2 En carga U 1n U 2C Z C φ Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 28

29 Regulación Caída de tensión Un transformador alimentado con la tensión nominal U 1n dará en el secundario en vacío la tensión U 20 Cuando trabaje en carga, se producirán caídas de tensión. En el secundario aparece U 2c U U U 20 2c Caída de tensión Normalmente se expresa en % c(%) U20 U2 C U Se puede referir al primario o secundario (sólo hay que multiplicar por k) LAS CAÍDAS DE TENSIÓN DEPENDEN DE LA CARGA c(%) U U 1n 2C U 1n 100 U 1n R eq I 1 = I 2 jx eq U 2C Z C φ Para hacer el análisis fasorial se puede eliminar la rama en paralelo (I 0 <<I 2 ) La simplificación es válida sólo si la carga es próxima a la nominal Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 29

30 Regulación Caída de tensión R eq jx eq c(%) c(%) U AB BC CD U c(%) U 1n 2C U 1n 1n I 1 = I 2 U 1n U 2C 100 Carga carga nominal Req I1 cos Xeq I1 sen U U 1n 1n AB R I cos eq 1 BC Xeq I1 Z C φ U 1n sen CD se desprecia, 0 δ δ I 2 X eq A B U 2c D C I 2 R eq U U U 1n 2C I 1 =I 2 Se define el factor de carga C de un transformador I I C I I 1 2 1n 2n O Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 30

31 Regulación Caída de tensión c(%) R I cos X I sen eq 1 eq 1 Multiplicando por: U U 1n 1n I I 1n 1n R I I X I eq 1 1n eq 1 1n c(%) cos sen U1 n I1 n U1 n I1 n R C X I C x R X R eq U eq U I 1n I 1n 1n 1n Caídas de tensión relativas c(%) C cos sen R X c(%) U U 1n 2C U 1n 100 si 0º sen 0 puede ser 0 U U U U c 2c 1n 2c 20 EFECTO FERRANTI Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 31

32 Regulación Caída de tensión EFECTO FERRANTI I 2 X eq I 2 R eq U 1n I 2 X eq Con carga capacitiva c puede ser negativa y la tensión en carga > que en vacío U 1n I 2 R eq U 2c I 1n =I 2n U 2c I 1n =I 2n U U 2c 20 Carga inductiva (>0) 2c 20 Carga capacitiva (<0) Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 32 U U

33 Regulación Caída de tensión Influencia del cosφ (f.d.p.) de la carga en la magnitud de U 2 Debe recordarse que U 1n = U 20 es constante si la tensión de entrada no se modifica. Por consiguiente si la magnitud de corriente I 2 es constante las caídas I 2 R eq e I 2 X eq no varían en magnitud. Al variar el cosφ de la carga el triangulo de caídas solo modifica su posición manteniendo sus lados constates la tensión en bornes U 2c irá aumentando (con la misma magnitud de I 2 ) a medida que la carga pasa de inductiva, a resistiva y a capacitiva. Gráficamente Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 33

34 Regulación Caída de tensión Carga capacitiva (<0) I 2 R eq Carga inductiva (>0) Carga resistiva (=0) I 2 X eq I 2 X eq I 2 X eq I 2 R eq U 1n U 1n U 1n I 2 R eq U 2c U 2c I 1n = I 2n I 1n =I 2n U 2c I 1n = I 2n Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 34

35 Regulación Caída de tensión c(%) U U 1n 2C U 1n 100 Regulación ε c% = f(i 2 ) ; φ = cte. c(%) cos 0.707L cos 1 cos 0.707C c(%) I 2 Regulación ε c% = f(cosφ) ; I 2 = cte. C L Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 35 2

36 Rendimiento Debido a las pérdidas, el transformador entrega en el secundario una potencia activa P 1 (potencia útil) menor a la potencia activa que absorbe del primario P 2 (potencia absorbida). Transformador Potencia absorbida P 1 Potencia útil P 2 Pérdidas P Cu1 P Fe P Cu2 P P P P Fe1 Fe2 Cu P Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 36 Fe % P 2 P 1 100

37 Rendimiento P ( P P) (100 P) 2 1 % % P P P P p Las pérdidas se evalúan en % de la potencia útil P 2 % Luego, % p% (100 P 2 ) (100 p% ) p 100 p P P 100 % % 2 2 P Podemos discriminar en pérdidas P Cu (variables) y en el P Fe (fijas) p p% pfe% pcu% p Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 37 Fe% Cu% P P P P Fe% 2 Cu% P 2 100

38 Rendimiento p% pfe% pcu% % (100 p% ) p % tenemos, % 100 pfe% pcu% p Fe% p Cu% Rendimiento en función de las pérdidas relativas a la potencia activa secundaria la cual depende del valor de la corriente secundaria y del factor de potencia de la carga. Necesitamos evaluar las pérdidas para cada estado de carga se necesita una ecuación más general. Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 38

39 Rendimiento Variación del rendimiento con la carga, cosφ = cte. Definimos las pérdidas nominales relativas porcentuales a la potencia activa útil nominal P 2n p p nfe% ncu% P P Fe 2n P P Cu 2n Recordando el factor de carga C de un transformador Para una potencia activa útil distinta de la nominal I I S C I I S n 2n 2n P S cos C S 2 2 2n cos Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 39

40 Rendimiento Variación del rendimiento con la carga, cosφ = cte. Reemplazando se llega a: P nfe pfe% 100 C Sn cos C cos P C P C 2 ncu ncu ncu pcu% 100 C Sn cos C Sn cos cos nfe nfe ncu Pérdidas nominales en el Hierro (a tensión nominal), relativas a la potencia aparente secundaria nominal resulta cte. Pérdidas nominales en el Cobre (a tensión nominal), relativas a la potencia aparente secundaria nominal resulta cte. Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 40

41 Rendimiento Variación del rendimiento con la carga, cosφ = cte. Finalmente rendimiento en función del factor de carga: % 100 nfe 100 C ncu C nfe 100 cos2 C C ncu nfe ncu Las pérdidas nominales relativas a la potencia aparente se obtiene del ensayo indirecto del transformador dato. % f C Para un dado cosφ 2 podemos graficar el rendimiento en función del factor de carga. Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 41

42 Rendimiento Rendimiento en función del factor de carga, cosφ = cte. a max b max cos a cos b cos a cos b El rendimiento máximo es diferente en función del f.d.p. η max cuando cosφ Máximo η max cuando cosφ = 1 Existe un único valor de carga para la cual el rendimiento es máximo (C opt ) Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 42

43 Rendimiento Condición de rendimiento máximo % 100 nfe 100 C ncu C nfe 100 cos2 C C ncu El rendimiento será máximo cuando este término sea mínimo, luego derivando, igualando a cero y reordenando... C C C C C nfe nfe nfe 100 cos 2 ncu 2 ncu ncu C nfe 0 2 ncu C max ncu nfe S S 2 2n Factor de carga de máximo rendimiento Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 43

44 Rendimiento Condición de rendimiento máximo C max nfe ncu S S 2 2n η max f(relación pérdidas nominales) se fijan por diseño Distribución de pérdidas Factor de carga de máximo η max Potencia de carga de η max Estado de carga en el punto de η max ω ncu = ω nfe C ηmax = 1 S 2 = S 2n nominal ω ncu > ω nfe C ηmax < 1 S 2 < S 2n carga parcial ω ncu < ω nfe C ηmax > 1 S 2 > S 2n sobrecarga Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 44

45 Rendimiento Condición de rendimiento máximo C max nfe ncu S S 2 2n El factor de carga C ηmax independiente del factor de potencia de la carga. La relación de pérdidas ω ncu /ω nfe es fundamental en las especificaciones de un transformador. Por ejemplo, transformadores de distribución que funcionan a carga parcial durante la mayor parte del tiempo el fabricante recarga las pérdidas en el Cu para que ω ncu >ω nfe Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 45

46 Rendimiento Expresión del rendimiento máximo C max ncu 2 % nfe S S 2n 100 nfe 100 C ncu C nfe 100 cos2 C C ncu max% 200 ncu nfe cos 2 2 ncu nfe El rendimiento máximo de un transformador no depende de la relación de pérdidas sino del producto de las misas (ω ncu *ω nfe ) y del cosφ de la carga. Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 46

47 Rendimiento Expresión del rendimiento máximo max% 200 ncu nfe cos 2 2 ncu nfe ncu nfe cte. cte. I max ncu 2 2 ncu C max nfe I2n S2n nfe S f max% ncu nfe f % ncu / nfe max% ncu nfe ncu nfe Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 47 I % de I n 2 2

48 Referencias 1. Marcelo A. Sobrevila. Ingeniería de la Energía Eléctrica - Libro II. Buenos Aires: Marymar, Jesús Fraile Mora. Máquinas Eléctricas. España: Mc Graw Hill, Macri Mario G. Apuntes de cátedra Máquinas Eléctricas, FI-UNMdP. 4. Enrique Ras. Transformadores de Potencia, Medida y Protección. Barcelona: Marcombo S.A., Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 48

49 Consultas Prof. Justo José Roberts Justo José Roberts FI-UNMdP (2018) 49