Tema III. Transformadores

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1 Titulación. Ingeniero Organización Industrial Asignatura. Tecnología Eléctrica Rev. 1.0 (Enero-01) Tema III. Transformadores 3.1. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TRANSFORMADOR 3.. FINALIDAD Y UTILIZACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES TIPOS Y CONSTITUCIÓN POTENCIA NOMINAL DE UN TRANSFORMADOR CORRIENTE DE VACÍO EN EL TRANSFORMADOR ANÁLISIS DEL TRANSFORMADOR REAL TRANSFORMADOR REAL EN CARGA ESQUEMA EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR: RESISTENCIA Y REACTANCIA DE CC ENSAYO DE CORTOCIRCUITO. TENSIÓN DE CORTOCIRCUITO PÉRDIDAS Y RENDIMIENTOS DE UN TRANSFORMADOR TRANSFORMADORES EN PARALELO AUTOTRANSFORMADOR TRANSFORMADOR TRIFÁSICO: INTRODUCCIÓN BANCO TRIFÁSICO A BASE DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS TRANSFORMADOR DE TRES COLUMNAS (UN SOLO NÚCLEO) FUNCIONAMIENTO EN RÉGIMEN EQUILIBRADO ENSAYOS Y ESQUEMA EQUIVALENTE CONEXIONES EN LOS TRANSFORMADORES CATÁLOGO DE TRANSFORMADORES BIBLIOGRAFÍA 5 Universidad Politécnica de Cartagena DPTO. DE INGENIERÍA ELÉCTRICA FRANCISCO JAVIER CÁNOVAS RODRÍGUEZ

2 Tema III. Transformadores. 3.1 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TRANSFORMADOR R 1 =0 Ley de Faraday e 1 = dφ N dt E1 = 4' 44 f N1 Bm S i 0 ϕ u 1 e 1 e R 1 0? E = 4' 44 f N Bm S Relación de transformación nominal, con respecto a tensiones U1, nomin al E1 N1 rtn 1 = = U E N, vacío

3 Principio de funcionamiento del transformador (II). Con respecto a las Intensidades. Si se considera el trafo real S nt rendimiento kva 96 99% kva % i1( t ) = i ( t ) N N FINALIDAD Y UTILIZACIÓN DE LOS TRANSFORMADORES. -Finalidad. Transmitir energía Sistema a una determinada tensión Sistema a una tensión diferente -Utilidades Fuente: Transformadores de Potencia, de medida y de protección, Marcombo

4 TIPOS Y CONSTITUCIÓN. Tipos -Según la función. -Sistema de tensiones. -Según aumenten o reduzcan la tensión. -Según el refrigerante. -Según la refrigeración. Principales símbolos 6000 V 10 kva 6000 V 10 kva 6000 V 10 kva 6000 V 10 kva V 500 kva V 500 kva 50 Hz 50 Hz 50 Hz 50 Hz 50 Hz 50 Hz 0 V 0 V 0 V 0 V 380 V (a) (b) (c) (d) (e) (f) 380-0V a) Circuito eléctrico. Constitución b) Circuito magnético. c) Refrigeración. a) Circuito eléctrico. Posibles disposiciones de las bobinas.

5 Tipos y Constitución (II). b) Circuito magnético. Núcleo con chapas ferromagnéticas. tipo de chapa Pérdidas por histéresis y corrientes parásitas (W/kg) chapa normal (50Hz,1 T) grano orientado (50Hz,1 T.) 1 1 (50Hz,1 5T.) -Aislamiento (papel, barniz y carlite) Ha repercutido en -Factor de relleno o de aprovechamiento (0 88 del papel del carlite) c) Refrigeración Refrigerante -Tipos de refrigeración. Fuente: Transformadores de Potencia, de medida y de protección, Marcombo

6 POTENCIA NOMINAL DE UN TRANSFORMADOR. S nt kva / MVA 3.5. CORRIENTE DE VACÍO EN EL TRANSFORMADOR. Fuente: Transformadores de Potencia, de medida y de protección, Marcombo Supondremos i o senoidal, su diagrama fasorial, será. Fuente: Fundamentos de Electrotecnia para Ingenieros: Máquinas Eléctricas, Marcombo Por lo tanto, la Potencia Activa, llamada también pérdidas en el núcleo ferromagnético. P=U 1 I o cosϕ o = U 1 I Fe Trafo modernos trafo antiguos I o 0 6 8% I 1n 4 14% I 1n I Fe 1 15% I o 5 14% I o I µ I o

7 ANÁLISIS DEL TRANSFORMADOR REAL. Caso A.- Consideración de la resistencia en el primario. Caso B.- Consideración del flujo de dispersión. Fuente: Transformadores de Potencia, de medida y de protección, Marcombo jx d1 I 0 U 1 R 1 I 0 E 1 I 0 I Fe Φ I µ

8 ANÁLISIS DEL TRANSFORMADOR REAL EN VACÍO (II). Caso C.- Ensayo de vacío. E 1 P Fe(=U1 I0 cos ϕ0) E I o 3.7. TRANSFORMADOR REAL EN CARGA. I 1 I 0 I Φ I S R 1 X d1 U 1 N 1 N X d R U Z c E 1 E 3.8. ESQUEMA EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR: RESISTENCIA Y REACTANCIA DE CORTOCIRCUITO. A.- Reducción de los valores de un transformador del secundario al primario.

9 9 3.8.ESQUEMA EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR: RESISTENCIA Y REACTANCIA DE CORTOCIRCUITO (II). B.- Esquema equivalente. R 1 X d1 X d R N 1 U 1 I 1 E 1 N E I U R 1 X d1 X d R B b N 1 U 1 I 1 E 1 N E = E 1 A N 1 a I U R 1 X d1 X d R B b U 1 I 1 E 1 = E I U A a (a) R 1 X d1 X d R U 1 I 1 E 1 = E I U I 1 I = I 0 (b)

10 ESQUEMA EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR: RESISTENCIA Y REACTANCIA DE CORTOCIRCUITO (II). R 1 X d1 X d R I 1 I U 1 E 1 = E I 1 I = I 0 U (c) R 1 X d1 X d R I 0 U 1 I 1 R Fe I Fe X µ I µ I U E 1 = E

11 ESQUEMA EQUIVALENTE DEL TRANSFORMADOR: RESISTENCIA Y REACTANCIA DE CORTOCIRCUITO (III). C.- Esquema equivalente simplificado. Resistencia y reactancia de cortocircuito de un transformador. R 1 X d1 X d R U 1 I 1 I U 3.9. ENSAYO DE CORTOCIRCUITO. TENSIÓN DE CORTOCIRCUITO. R cc U Xcc = jx cc I 1n ε Xcc F U cc I 1n I n U cc = I 1n Z cc ε cc φ cc I 1n I n U Rcc = R cc I 1n ε Rcc

12 ENSAYO DE CORTOCIRCUITO. TENSIÓN DE CORTOCIRCUITO (II). RECOMENDACIÓN DE UNESA hasta 630 kva y hasta 4 kv 4% desde 630 kva y 36 kv 4 5% de 800 hasta.500 kva y hasta 36 kv 6% a) Corrientes de Cortocircuito. Qué distingue el ensayo y el accidente de cc? Tensión aplicada Corriente correspondiente

13 ENSAYO DE CORTOCIRCUITO. TENSIÓN DE CORTOCIRCUITO (III). b) Caídas de tensión en el trafo. I 1 U Rcc =R cc I 1 U Xcc =X cc I 1 R cc X cc U 1 U Z c φ V=V 1 -V =AB+BC U Rcc U Xcc ε = V V = R cc. I 1 V1 1.cosϕ + X cc. I 1.senϕ 100 ε = u cosϕ + u Rcc Xcc senϕ

14 ENSAYO DE CORTOCIRCUITO. TENSIÓN DE CORTOCIRCUITO (IV). Afecta la carga conectada al trafo en su valor de ε? Fuente: Electrotecnia, Paraninfo. S nt (kva) Placa de característica 16 Tensión a plena carga y cos ϕ=1 >16 u cc (%)

15 PÉRDIDAS Y RENDIMIENTOS DE UN TRANSFORMADOR. Qué pérdidas consideraremos? η = P P salida entrada = P P 1 = P + P P Fe + P Cu η=f( c ) c = Índice de carga Recordar a) P Fe K (P Fe =P o ) b) P Cu =f (I ' ) P Cu = Rcc. I n. c = c. Pcc Obtendremos η c η c = P + P o P + c P cc = U c I U N c I N cosϕ cosϕ + P o + c P cc Conclusiones a) c = cte b) cos ϕ = cte Fuente: Electrotecnia, Paraninfo. c = P P o Cu η cmax?

16 TRANSFORMADORES EN PARALELO. Condiciones básicas -Igualdad de tensiones nominales. -Idéntica relación de transformación. -Igualdad de tensiones de cortocircuito. I I 1 1n Zcc,1 I U 1 Zcc,1 I Zcc, I = 1n c 1n 100 I = I n Zcc, I U 1n 1 ε cc,1 = c ε cc, c c 1 ε = ε cc,1 cc, n 100 U 1 Z cc,1 Z cc, I 1 I Z carga

17 AUTOTRANSFORMADOR. A N P = N 1 -N A a N P A a U 1 U 1 N 1 N N U N 1 N U A a A a (a) (b) a) sección Ventajas b) Se elimina un devanado c) I o b.1) Circuito magnético b.) Flujo de dispersión a)? Inconvenientes b) No hay aislamiento eléctrico U 0 75 U 1 - c) Dificultad para trabajar en paralelo Símbolos según la CEI:

18 TRANSFORMADOR TRIFÁSICO: INTRODUCCIÓN. Dos tipos constructivos Trafo monofásicos Un solo núcleo BANCO TRIFÁSICO A BASE DE TRANSFORMADORES MONOFÁSICOS. Conexiones Estrella Triángulo Relaciones de transformación Fuente: Transformadores de Potencia, de medida y de protección, Marcombo TRANSFORMADOR DE 3 COLUMNAS (UN SOLO NÚCLEO). Fuente: Transformadores de Potencia, de medida y de protección, Marcombo

19 TRANSFORMADOR DE 3 COLUMNAS (UN SOLO NÚCLEO) (II). -Constitución del núcleo trifásico. Fuente: Máquinas Eléctricas, Fraile, J. Fuente: Transformadores de Potencia, de medida y de protección, Marcombo Trafo de 3 columnas Banco de trafo monofásico Ventajas e inconvenientes

20 FUNCIONAMIENTO EN RÉGIMEN EQUILIBRADO. ENSAYOS Y ESQUEMA EQUIVALENTE. Se trabaja con tensiones simples Fuente: Transformadores de Potencia, de medida y de protección, Marcombo Se puede tener en cuenta la conexión del transformador o no Ensayo de vacío.

21 1 Ensayo de cortocircuito. Fuente: Electrotecnia, Paraninfo. Fuente: Electrotecnia, Paraninfo. Esquema equivalente.

22 3.17. CONEXIONES EN LOS TRANSFORMADORES. TRIFÁSICOS. -Desfases -Designaciones de polos y bornes Placa de bornas de un trafo trifásico (UNESA 501 B 3.5) Fuente: Transformadores de Potencia, de medida y de protección, Marcombo -Índice de desfase (índice horario). Fuente: Transformadores de Potencia, de medida y de protección, Marcombo -Símbolos de conexiones (CEI 76 transformadores de potencia). -Aplicaciones de cada tipo de conexión.

23 CONEXIONES EN LOS TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS (II). -Diferentes tipos de conexiones. Fuente: Transformadores de Potencia, de medida y de protección, Marcombo

24 CATÁLOGO DE TRANSFORMADORES. Fuente: Schneider Electric, SA

25 5 Bibliografía F.A. Ruz, F.J. Cánovas y J.M. Molina,, FUNDAMENTOS DE ELECTROTECNIA PARA INGENIEROS: MÁQUINAS ELÉCTRICAS, Marcombo SA Capítulo 15 y 16. Transformador monofásico y trifásico Jesús Fraile Mora, MÁQUINAS ELÉCTRICAS (6ª edición), ISBN: Capítulo 3. Transformadores. Página 181. Con el fin, de que los aspectos teóricos de tema queden más claro, querría destacar los siguientes apartados de este capítulo, el: Principio de funcionamiento de un trafo ideal (pág. 193) y 3.5, sigue profundizando en su funcionamiento y circuito equivalente Ensayos (pág. 07). Entra en detalle en la teoría que nos define los ensayos de vacío y cortocircuito Caída de tensión en un trafo (pág. 18), y por último, Pérdidas y rendimiento de un transformador (pág. 4). Cabe destacar alguno de los ejemplos de aplicación que se anexa a cada uno de los apartados teóricos, para aclarar estos contenidos. En el apartado 3.13, se definen que son los autotransformadores. Al final de dicho capítulo, hay una serie de enunciado de problemas, con solución que puede ayudar a seguir el tema. Recuerdo que nosotros tratamos en este tema los transformadores monofásicos. José García Trasancos, ELECTROTECNIA (6ª edición), ISBN: Capítulo 6. Transformadores. Página 141. Para darte una visión muy rápida del tema de transformadores, leería hasta la página 154, están resueltos algunos de los problemas del listado. Enrique Ras, TRANSFORMADORES DE POTENCIA, DE MEDIDA Y DE PROTECCIÓN, ISBN: Este libro es ideal para profundizar en los transformadores, pero tal vez, se llegue a un nivel en muchos aspectos que no es requerido a lo largo de este curso. Enríquez Harper, Curso de TRANSFORMADORES Y MOTORES DE INDUCCIÓN, Limusa Noriega Editores