(parte 1) Mg. Amancio R. Rojas Flores

Transcripción

1 (parte ) Mg. Aancio R. Rojas Flores

2 Generalidades

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4 El transforador es una áquina eléctrica estática, destinada a funcionar con corriente alterna, constituida por dos arrollaientos, priario y secundario, que perite transforar la energía eléctrica, con unas agnitudes V-I deterinadas, a otras con valores en general diferentes. Transforador eleental V Flujo agnético I I V Se utilizan en redes eléctricas para convertir un sistea de tensiones (ono - trifásico) en otro de igual frecuencia y > o < tensión La conversión se realiza práctica-ente sin pérdidas Pot entrada Potencia salida Priario Núcleo de chapa agnética aislada Secundario Las intensidades son inversaente proporcionales a las tensiones en cada lado Transforador elevador: V >V, I <I Transforador reductor: V <V, I >I Los valores noinales que definen a un transforador son: Potencia aparente (S), Tensión (U), I (corriente) y frecuencia (f)

5 Esencialente, un transforador consta de dos o ás bobinados interrelacionados ediante flujo agnético utuo. Si uno de estos bobinados, el priario, está conectado para una fuente de voltaje alterno, se produce un flujo alterno cuya aplitud dependerá del voltaje priario y del nuero de vueltas. El flujo utuo encadenara al otro devanado, el secundario, e inducirá un voltaje, cuyo valor dependerá del nuero de vueltas de ese devanado. Para reducir las perdidas originadas por las corrientes parasitas en el núcleo, el circuito agnético consiste en general en una pila de lainaciones delgadas.

6 ASPECTOS CONSTRUCTIVOS

7 El transforador consta de las siguientes partes principales: a) núcleo b) devanado, c) sistea de refrigeración y d) aisladores pasantes de salida. a) Núcleo Se denoina núcleo del transforador el sistea que fora su circuito agnético, que está constituido por chapas de acero al silicio, odernaente lainadas en frío (grano orientado), que han sido soetidas a un trataiento quíico especial denoinado coercialente carlite, que las recubre de una capa aislante uy delgada (0,0 ), o que reduce considerableente las pérdidas en el hierro. Figura. Circuitos agnéticos de transforadores onofásicos.

8 Figura. Circuito agnético y devanados de un transforador trifásico. Figura. Uniones de chapas de transforadores.

9 Figura. Núcleos de transforador tipo crucifore.

10 I I En la construcción del núcleo se utilizan chapas de acero aleadas con Silicio de uy bajo espesor (0,3 ) aprox. V V El Si increenta la resistividad del aterial y reduce las corrientes parásitas La chapa se aísla ediante un trataiento quíico (Carlite) y se obtiene por Lainación en frio: auenta la pereabilidad. Mediante este procediiento se obtiene factores de relleno del 95-98% Corte a 90º Corte a 45º El núcleo puede tener sección cuadrada. Pero es ás frecuente aproxiarlo a la circular Montaje chapas núcleo

11 Fabricación núcleo: chapas agnéticas

12 b) Devanados Constituyen el circuito eléctrico del transforador; se realizan por edio de conductores de cobre, en fora de hilos redondos (para diáetros inferiores a 4 ) o de sección rectangular (pletinas de cobre) cuando se requieren secciones ayores. Los conductores están recubiertos por una capa aislante, que suele ser de barniz en los pequeños transforadores y que en el caso de pletinas está forada por una o varias capas de fibra do algodón o cinta de papel. Según sea la disposición relativa entre los arrollaientos de A.T. y B.T., los devanados pueden ser concéntricos o alternados. En los devanados concéntricos los bobinados tienen fora de cilindros coaxiales ; generalente se coloca ás cerca de la coluna el arrollaiento de B.T., ya que es ás fácil de aislar que el devanado de A.T., y entre abos bobinados se intercala un cilindro aislante de cartón o papel baquelizado. En los devanados alternados los arrollaientos se subdividen en secciones o <<galletas>>, de tal fora que las partes de los devanados de A.T. y B.T. se suceden alternativaente a o largo de la coluna. Para disinuir el flujo de dispersión, es frecuente que en cada extreo se coloque edia bobina, que por razones obvias de aislaiento pertenecen al arrollaiento de B.T.

13 Figura. Devanados concéntricos y alternados"

14 Aspectos constructivos: devanados y aislaiento V Diferentes foras constructivas de devanados según tensión y potencia 4,5-60 kv Los conductores de los devanados están aislados entre sí: En transforadores de baja potencia y tensión se utilizan hilos esaltados. En áquinas grandes se eplean pletinas rectangulares encintadas con papel ipregnado en aceite > 60 kv El aislaiento entre devanados se realiza dejando espacios de aire o de aceite entre ellos La fora de los devanados es noralente circular El núcleo está siepre conectado a tierra. Para evitar elevados gradientes de potencial, el devanado de baja tensión se dispone el ás cercano al núcleo

15 Aspectos constructivos: devanados y aislaiento Estructura devanados: trafo onofásico Priario Núcleo con colunas Priario Aislante Secundario Secundario Priario Aislante Secundario Núcleo con 3 colunas Priario Secundario Concéntrico Aislante Alternado

16 c) Sisteas de refrigeración En un transforador, coo en cualquier otro tipo de áquina eléctrica, existen una serie de pérdidas que se transforan en calor y que contribuyen al calentaiento de la áquina. Para evitar que se consigan altas teperaturas que puedan afectar la vida de los aislaientos de los devanados es preciso dotar al transforador de un sistea de refrigeración adecuado. Para potencias pequeñas, la superficie externa de la áquina es suficiente para lograr la evacuación de calor necesaria, lo que da lugar a los llaados transforadores en seco. Para potencias elevadas se eplea coo edio refrigerante el aceite, resultando los transforadores en baño de aceite. El aceite tiene una doble isión de refrigerante y aislante, ya que posee una capacidad térica y una rigidez dieléctrica superior a la del aire. En estos transforadores, la parte activa se introduce en una cuba de aceite ineral, cuyo aspecto externo puede tener fora plana, ondulada, con tubos o con radiadores adosados, realizándose la eliinación del calor por radiación y convección natural.

17 Fig. Aspectos constructivos de un transforador

18 Denoinación Tabla. Características de aceites de transforador Densidad (kg/ 3 ) Conductividad térica (W/ C) Peritividad dieléctrica Rigidez dieléctrica (kv/c) Hidrocarburos puros (aceite de trafo) 900 0,6, 00 Pyralenos 80 0,0 4,5 90 Aceite de silicio 960 0,5,56 00 a 300 Aire 93 0,04 3 un transforador en baño de aceite, con circulación natural por convección, que a su vez está refrigerado por aire con oviiento natural, se designará por las letras ONAN. Si el oviiento del aire llega a hacerse con la ayuda de ventiladores se hubiera designado por ONAF

19 d) Aisladores pasantes y otros eleentos Los bornes de los transforadores de edia tensión se llevan al exterior de la cuba ediante unos aisladores pasantes (pasatapas) de porcelana, rellenos de aire o aceite. Cuando se utilizan altas tensiones aparece un fuerte capo eléctrico entre el conductor terinal y el bode del orificio en la tapa superior de la cuba, y para evitar la perforación del aislador, éste se realiza con una serie de cilindros que rodean la borna etálica dentro del espacio cerrado que contiene el aceite los pasatapas de A.T.y B.T. en un transforador se distinguen por su altura, siendo tanto ás altos cuanto ayor es la tensión, coo se puede observar en la Figura. Otro eleento que suelen llevar los transforadores de gran potencia es el llaado relé de gas o relé Buchholz, que protege a la áquina de sobrecargas peligrosas, fallos de aislaiento, etc.

20 Figura. Relé Buchholz y esquea eléctrico de protección

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22 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN TRANSFORMADOR IDEAL

23 Sea el transforador onofásico de la Figura Para coprender ejor el funcionaiento del transforador, sin que las iperfecciones reales que tiene la áquina enascaren los fenóenos físicos que tienen lugar, vaos a suponer que en un principio se cuplen las condiciones ideales siguientes: a) Los devanados priario y secundario tienen resistencias óhicas despreciables, lo que significa que no hay pérdidas por efecto Joule y no existen caídas de tensiones resistivas en el transforador. En el sistea real estas resistencias son de pequeño valor pero no nulas. b) No existen flujos de dispersión, lo que significa que todo el flujo agnético está confinado al núcleo y enlaza abos devanados priario y secundario. En el transforador real existen pequeñas partes del flujo que solaente atraviesan a cada uno de los arrollaientos y que son los flujos de dispersión que copletan su circuito a través del aire.

24 Al aplicar una tensión alterna v al priario, circulará por él una corriente alterna, que producirá a su vez un flujo alterno en el núcleo cuyo sentido vendrá deterinado por la ley de Ápére aplicada a este arrollaiento. Debido a la variación periódica de este flujo se crearán f.e..s. inducidas en los arrollaientos, que de acuerdo con la ley de Faraday responderán a las ecuaciones: d d e N ; e N dt dt Coo quiera que los devanados son ideales, la aplicación de la da Ley de Kirchhoff a los circuitos priario y secundario de la Figura nos da: v d e N e v N dt ; d dt Expresiones instantáneas de las tensiones y de las f.e. en función del flujo agnético Si se parte de un flujo senoidal de la fora sent cos( t 90)

25 teniendo en cuenta las dos prieras ecuaciones se cuplirá t N v e t N e v cos ; cos lo que indica que las tensiones y fe..s. van adelantadas 90 respecto al flujo, siendo sus valores eficaces N f N E V N f N E V 4,44 4,44 Dividiendo entre sí las ecuaciones anteriores resulta: N N E E V V Valores eficaces de las tensiones y de las f.e..s en función del flujo agnético áxio Relación de transforación ideal

26 Si el interruptor S de la Figura está abierto, el transforador funciona sin carga o en régien de vacío. El priario se coportará corro una bobina con núcleo de hierro(el estudio ya se realizó ). En este caso el transforador absorberá una corriente de vacío i 0 análoga a la corriente i exc. La corriente i 0 fora un ángulo 0 con la tensión aplicada V de tal fora que la potencia absorbida en vacío, denoinada P 0, será igual a las pérdidas en el Hierro P Fe en el núcleo del transforador, cupliéndose la relación: P 0 P Fe VI 0Cos0

27 Cuando se cierra el interruptor S, el transforador funciona en carga y aparece una corriente i, que circula por el circuito secundario, que responde a un valor coplejo o fasorial: E Z L E Z L 0 es decir, I, se retrasa de la f.e.. E. I E Z L La corriente i al circular por el devanado secundario produce una f... desagnetizante N i, que se opone a la f... priaria existente. Es por ello que si esta f... de secundario no queda neutralizada por una corriente adicional que circule por el priario, el flujo en el núcleo se verá reducido profundaente, con las consiguientes reducciones en las f.e..s. e y e que son proporcionales a él y se roperá el equilibrio entre v y e, en el priario..

28 Para que pueda restablecerse el equilibrio es preciso neutralizar la f... N i, del secundario, ediante una corriente adicional priaria equivalente ' i N i N de donde se deduce el valor de la corriente adicional priaria: ' ; N N i i N N i De este odo, y coo se indica en la figura I I I I I fasorialente i i i i i 0 ' 0 0 ' 0

29 Esta ecuación nos indica que la corriente priaria tiene dos coponentes. Una corriente de excitación o de vacío I 0 cuya isión es producir el flujo en el núcleo agnético y vencer las pérdidas en el hierro a través de sus coponentes I y I Fe respectivaente. Una coponente de carga I que equilibra o contrarresta la acción desagnetizante de la f... secundaria para que el flujo en el núcleo peranezca constante e independiente de la carga.

30 Ejep. El transforador ideal de la Figura tiene dos devanados con N =300 espiras y N = 00 espiras. La longitud de la trayectoria agnética edia es de 50 c y la sección transversal del núcleo agnético es de l0 c. La curva de ianación del aterial responde a lo ecuación:,8.0 H B B : teslas H : A. v / 0 H Al aplicar al priario una tensión v t = 08 cos377 t voltios se coprueba que las pérdidas en el núcleo son de 0 W. Deterinar: a) Corriente de vacío Io absorbida por el transforador. b) Tensión secundaria V c) Si el secundario alienta una ipedancia de carga Z L = 0,5 60, deterinar la corriente secundaria I,y la corriente priaria que absorberá el transforador de la red.

31 Solución a) Corriente de vacío Io absorbida por el transforador 08 tension eficaz : V 47. V V 47., ,44 f N 4, Wb 3,84.0 B, 84Teslas 4 S 0.0 teniendo en cuenta la curva de ianación del aterial:,8.0 H B H 30A. v / 0 H Suponiendo que la corriente de ianación I sea de fora senoidal, tabién lo será la intensidad del capo agnético H que ella produce, por lo que se tendrá un valor eficaz de capo: H 30 H 6.63 A. v /

32 6,63.0,5 de H NI / I 0. 7A 300 de 0 PFe V. I0.cos0 VI Fe I Fe 0. 4A 47. del diagraa fasorial : I0 Fe I I I A

33 b) Tensión secundaria V V N V V N V 00 49V c) Si el secundario alienta una ipedancia de carga Z L = 0,5 60, deterinar la corriente secundaria I,y la corriente priaria que absorberá el transforador de la red. La tensión secundaria calculada en el apartado anterior está en fase con la tensión priaria, por lo que la expresión copleja será: V 490V I 98 60A 3 0, I I 0 I

34 En un transforador ideal se hacen las siguientes suposiciones: ) La curva B-H del aterial del núcleo es lineal y de un solo valor. La pereabilidad del núcleo es uy grande, u. El núcleo no tiene pérdidas. ) Los flujos establecidos por las corrientes en los ebobinados son encerrados enteraente en el núcleo. En otras palabras, el acoplaiento agnético de los dos ebobinados es perfecto. Todo el flujo establecido por una bobina enlaza al de la otra y viceversa. 3) Los ebobinados no tienen resistencia. 4) Son despreciables la capacitancia entre los ebobinados aislados y el núcleo, así coo entre las vueltas y entre los ebobinados.

35 FUNCIONAMIENTO DE UN TRANSFORMADOR REAL

36 En la parte anterior se ha realizado el estudio de un transforador ideal en el que los arrollaientos no tenían resistencia ni flujos de dispersión. En los transforadores reales hay que tener en cuenta abas características. Figura. Transforador real con resistencias eléctricas y flujos de dispersión. En la figura se observa, en el transforador real, que de todo el flujo producido por los devanarlos sólo existe una parte coún en abos y representada por

37 Lo anterior es consecuencia de los flujos de dispersión que aparecen en los arrollaientos y que se distribuyen por cainos no agnéticos, en particular por los conductores y el aire que rodea las bobinas. Si se denoinan y, a los flujos totales que atraviesan los devanados priario y secundario y d y d a los flujos de dispersión respectivos se cuplirá: d ; d Para conservar la idea del flujo coún único que existía en el transforador ideal se añaden en serie a cada arrollaiento unas bobinas con el iso núero de espiras que los devanados correspondientes, de tal odo que al circular por ellas las intensidades respectivas den lugar a los isos flujos de dispersión d y d que en los bobinados reales. En la Figura se ha representado esta idea, donde se han indicado con L d y L d los coeficientes de autoinducción respectivos de estas bobinas adicionales (con núcleo de aire), cuyos valores de acuerdo con su definición serán: L d d d N ; di L d N d di y que dan lugar a las reactancias de dispersión X y X de abos devanados: X L X L d ; d d

38 Figura. Transforador real con bobinas ideales en el núcleo. La aplicación de la da ley de Kirchhoff a los circuitos priario y secundario de la Figura nos da: di di v e Ri Ld ; e v Ri Ld dt dt en fora copleja: V E RI jxi ; V E RI jx I donde los valores de e y e vienen expresados por las ecuaciones e d N e N dt ; d dt

39 que corresponden a los valores eficaces E 44 4,44 f N ; E 4, f N la relación entre los valores eficaces de las f.e..s. inducidas será: E E N N En los transforadores que usa la industria, las caídas de tensión a plena carga, son del orden del al 0% de las tensiones asignadas, por lo que las relaciones se convierten en las ecuaciones aproxiadas: V E RI jxi ; V E RI jx I V E ; V E y de ahí que la relación entre las tensiones priaria y secundaria será aproxiadaente igual a: V V

40 Si el transforador trabaja en vacío, las relaciones reales V E RI jxi ; V E RI jx I se transforan en: V E RI 0 jxi0 ; V E Coo quiera que en la práctica la corriente de vacío I 0 es del orden de 0,6 a 8% de I n (corriente asignada o de plena carga del priario), las caídas de tensión en vacío definidas por R I 0 y X I 0, son uy pequeñas (del orden de 0,004 a 0,06% de V ), y de ahí que en vacío se puedan considerar coo suficienteente exactas las igualdades: V E ; V0 E Por consiguiente, se podrá escribir: E E V V 0 N N que nos define la relación de transforación coo el cociente entre la tensión priaria aplicada al transforador y la tensión secundaria en vacío. Este cociente es el que incluye el fabricante en la placa de características de la áquina.

41 En el funcionaiento en carga la priera relación aproxiada y la priera ecuación E 44 4,44 f N ; E 4, f N V E ; V E nos indica que los flujos agnéticos en vacío y en carga son prácticaente iguales, lo que significa que las f...s. en abos estados de carga coinciden por lo que la ecuación ' I I I0 I I0 que relaciona las corrientes del transforador, se puede considerar válida a todos los efectos y que se vuelve a escribir a continuación: I I I0 I las ecuaciones V E RI jxi ; V E RI jx I ; I I0 definen el coportaiento eléctrico del transforador en carga. las ecuaciones V E R I jxi ; V E RI jx I relacionan las tensiones con las f.e..s. y caídas de tensión dentro de los devanados del transforador, ientras que I I I0 nos indica la relación entre las corrientes priaria, secundaria y de vacío.

42 Ejep Un transforador onofásico de 0 kva, relación 500/00 V, tiene las siguientes ipedancias de Z = 0, + j0.4 ; Z = 0,008 + j0.0,06. Al alientar el transforador por una tensión de 500 V que se toa coo referencia de fases, la corriente de vacío absorbida responde a la fora copleja: I 0 = 0, -70 A. Calcular: a) Valores de E, E y V cuando el transforador trabaja en vacío. b) Si el secundario lleva una corriente de la fora I = A, calcular los nuevos valores de E, E y V Solución a) En vacío se cuplen las relaciones V E R I0 jx I0 ; V E E 5000 (0, j0,4)0, ,90, 00 E E 99,980, 00 V E V V 99,980, 00 0 E

43 b) Cuando el transforador funciona con carga, la corriente priaria vendrá expresada por la ecuación I I I0 I I I0 0,70 0,5 30, 37 5 y teniendo en cuenta V E R I jxi ; V E RI jx I E 5000 (0, j0,4).0,5 30,37 49, E E 98,490, 57 V 98,490,57 (0,008 j0,06)