INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS DETERMINACIÓN DE ARMÓNICOS EN UN BANCO DE TRANSFORMADORES CONEXIÓN TRIFÁSICA TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: INGENIERO ELECTRICISTA PRESENTA: MARGARITO TREJO MARTÍNEZ DIRECTORES DE TESIS: M. EN C. TOMÁS I. ASIAÍN OLIVARES DR. DANIEL RUIZ VEGA MÉXICO D.F. 213

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5 DEDICATORIAS A dios Por darme lo más importante en la vida, mi familia A mis padres Cirila y Felipe Con cariño y eterno agradecimiento por el apoyo brindado A mis hermanos Por su comprensión y confianza depositada en mí. Con gratitud y especial cariño. A Margarita y Juana Por haberme apoyado cuando más lo necesitaba. Mil gracias. A la familia García Martínez Por todos sus consejos y apoyo incondicional. Con admiración y respeto. v

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7 AGRADECIMIENTOS A la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica. Por haberme dado las facilidades para terminar mis estudios. Al Instituto Politécnico Nacional. Gracias a esta institución que no solo me ha formado como profesionista sino que además ha influido para ser día a día mejor persona. A mis padres en especial a mi madre Cirila por su sacrificio y su ejemplo de superación incansable. A mis hermanos y particularmente a Margarita por todos sus consejos y apoyo brindado. Agradezco especialmente al M. en C. Tomás Ignacio Asiaín Olivares, por su amistad y por todo el tiempo dedicado a la realización del presente trabajo. Al Dr. Daniel Ruiz Vega por el apoyo brindado a la realización de este trabajo. Al Ing. Francisco Javier Palacios de la O. Por su apoyo y tiempo dedicado. A la Sección de Estudios de posgrado e Investigación, ESIME Zacatenco. Por proporcionar el equipo y material necesario para realizar este trabajo. vii

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9 RESUMEN Los sistemas eléctricos de potencia (SEP) están diseñados para operar a una frecuencia fundamental de 6 Hz, pero algunos fenómenos eléctricos como el desbalance de la carga, saturación magnética, cargas eléctricas no lineales, entre otros afectan la pureza de la onda eléctrica, a este efecto se le conoce como presencia de armónicos que en otras palabras es la contaminación de la onda fundamental. Los armónicos se presentan en las ondas de tensión y/o corriente cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia fundamental, estas pueden ser de segundo orden, tercer orden, cuarto orden, quinto, etc. (12 Hz, 18 Hz, 24 Hz, 3 Hz, etc.). Generalmente los armónicos son producidos por cargas no lineales como son los dispositivos de estado sólido (diodos, transistores, tiristores, etc.), pero estos no son la única fuente de armónicos; en los trasformadores se da este fenómeno debido a las características de la corriente de excitación, núcleo magnético, tipo de conexión, tipo de carga y desbalance de la carga entre otros. Por todo esto, en este trabajo de tesis se determinan los armónicos de corriente y tensión en un banco de transformadores trifásico, de 3kVA de potencia tipo seco, para diferentes conexiones eléctricas, como son: estrella-estrella, estrella-delta, delta-delta y delta-estrella, con neutro aterrizado y sin aterrizar, donde se observó el efecto que tienen los armónicos en los diferentes casos de su operación con y sin carga del banco de transformadores, verificando cuales armónicos son los de mayor presencia en magnitud y deformación de las ondas eléctricas de tensión y corriente en cada caso. Para esto se utilizó un analizador digital de potencia eléctrica con la función de medición de armónicos de uso industrial. ix

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11 CONTENIDO DEDICATORIAS... iii AGRADECIMIENTOS... vii RESUMEN... ix CONTENIDO... xi LISTA DE FIGURAS... xiii LISTA DE TABLAS... xv CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN GENERAL Introducción Antecedentes Objetivos Justificación Hipótesis Alcances Estructura de la tesis... 6 CAPÍTULO 2.- CONCEPTOS BASICOS DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS Introducción El transformador ideal Teoría de operación de los transformadores monofásicos Corriente de magnetización de un transformador El transformador con carga Tipos de enfriamiento CAPÍTULO 3.- CONEXIONES TRIFÁSICAS Y PRUEBAS EXPERIMENTALES DE MEDICIÓN DE ARMÓNICOS EN UN BANCO DE TRANSFORMADORES Introducción Conexiones de los transformadores trifásicos Conexión estrella-estrella Conexión estrella-delta Conexión delta-estrella Conexión delta-delta Pruebas experimentales de armónicos en banco de transformadores conexión trifásica... 2 xi

12 3.3.1 Introducción Equipo y Herramienta utilizada Analizador de calidad de la energía (PowerPad Modelo 3945) Manual de utilización del PowerPad para la medición de armónicos Transformador Prueba de relación de transformación del banco de transformadores (TTR) Reactores Herramienta y equipo de cómputo Medición de armónicos conexión estrella-estrella en vacío Medición de armónicos conexión estrella-estrella en saturación Medición de armónicos conexión estrella-delta en vacío Medición de armónicos conexión estrella-delta en saturación Medición de armónicos conexión delta-estrella en vacío Medición de armónicos conexión delta-estrella en saturación Medición de armónicos conexión delta-delta en vacío Medición de armónicos conexión delta-delta en saturación CAPÍTULO 4.- ANÁLISIS DE RESULTADOS Análisis armónico conexión estrella-estrella en vacío Análisis armónico conexión estrella-estrella en condición de saturación Análisis armónico conexión estrella-delta en vacío análisis armónico conexión estrella-delta en saturación Análisis armónico conexión delta-estrella en vacío Análisis armónico conexión delta-estrella en condición de saturación Análisis armónico conexión delta-delta en vacío Análisis armónico conexión delta-delta en saturación CAPÍTULO 5.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Conclusiones Recomendaciones REFERENCIAS APÉNDICE A xii

13 LISTA DE FIGURAS Figura Elementos básicos de un transformador monofásico Figura Dibujo de un transformador real sin carga Figura a) Curva de magnetización del núcleo de un transformador. b) Corriente de magnetización causada por el flujo en el núcleo del transformador Figura Diagrama de conexión estrella-estrella Figura Diagrama de conexión estrella-delta Figura Diagrama de conexión delta-estrella Figura Diagrama de conexión delta-delta Figura PowerPad Modelo Figura Accesorios del PowerPad Modelo 3945 a) Pinzas de tensión. b) Pinzas de corriente. c) cable de comunicación Figura TTR (TRANSFORMER TURNS RATIO) Figura Conexión del TTR para hacer la prueba de relación de transformación Figura Reactores Figura a) Equipo de cómputo. b) Herramienta Figura Diagrama de alambrado para la medición de armónicos en conexión estrella-estrella en vacío Figura Esquema físico de la conexión estrella-estrella en vacío Figura Forma de onda de tensión en el primario del transformador Figura Espectro armónico de tensión en el primario del trasformador Figura Forma de onda de corriente en el primario del transformador Figura Espectro armónico de corriente en el primario del trasformador Figura Diagrama de alambrado para la medición de armónicos en conexión estrella-estrella en saturación Figura Forma de onda de tensión en el primario del transformador Figura Espectro armónico de tensión en el primario del trasformador Figura Forma de onda de corriente en el secundario del transformador Figura Espectro armónico de corriente en el secundario del trasformador Figura Diagrama de alambrado para la medición de armónicos en conexión estrella-delta en vacío Figura Forma de onda de tensión en el primario del transformador Figura Espectro armónico de tensión en el primario del trasformador xiii

14 Figura Forma de onda de corriente en el primario del transformador Figura Espectro armónico de corriente en el primario del trasformador Figura Espectro armónico de corriente en el primario del trasformador (continuación) Figura Diagrama de alambrado para la medición de armónicos en conexión estrella-delta en saturación Figura Forma de onda de tensión en el secundario Figura Espectro armónico de tensión en el secundario del trasformador Figura Forma de onda de corriente en el secundario del transformador Figura Espectro armónico de corriente en el secundario del trasformador Figura Diagrama de alambrado para la medición de armónicos en conexión delta-estrella en vacío Figura Forma de onda de tensión en el primario Figura Espectro armónico de tensión en el primario del trasformador Figura Forma de onda de corriente en el primario del transformador Figura Espectro armónico de corriente en el primario del trasformador Figura Diagrama de alambrado para la medición de armónicos en conexión delta-estrella en saturación Figura Forma de onda de tensión en el secundario del transformador Figura Espectro armónico de tensión en el secundario del trasformador Figura Forma de onda de corriente en el secundario del transformador Figura Espectro armónico de corriente en el secundario del trasformador Figura Espectro armónico de corriente en el secundario del trasformador (continuación) Figura Diagrama de alambrado para la medición de armónicos en conexión delta-delta en vacío Figura Forma de onda de tensión en el primario del transformador Figura Espectro armónico de tensión en el primario del trasformador Figura Forma de onda de corriente en el primario del transformador Figura Espectro armónico de corriente en el primario del trasformador Figura Forma de onda de tensión en el secundario del transformador Figura Espectro armónico de tensión en el secundario del trasformador Figura Forma de onda de corriente en el secundario del transformador Figura Espectro armónico de corriente en el secundario del trasformador xiv

15 LISTA DE TABLAS Tabla Amplitudes de las armónicas en la forma típica de una onda de corriente magnetizante.. 13 Tabla Especificaciones del analizador de calidad de la energía (PowerPad) Tabla Resultados de la prueba de relación de transformación Tabla Comparación del nivel de armónicos. Vacío vs Saturación en conexión estrella-estrella 4 Tabla Comparación del nivel de armónicos. Vacío vs Saturación en conexión estrella-delta Tabla Comparación del nivel de armónicos. Vacío vs Saturación en conexión delta-estrella.. 58 Tabla Comparación del nivel de armónicos. Vacío vs Saturación en conexión delta-delta Tabla A-1 Límites de Distorsión Armónica en Voltaje en % del voltaje nominal Tabla A-2 Límites de Distorsión Armónica en Corriente en la Acometida xv

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17 CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN GENERAL 1.1 Introducción En el sistema eléctrico nacional con frecuencia se tienen problemas con la calidad de la energía esto es debido a diferentes fenómenos, en este caso los de mayor importancia son los armónicos de diferente tipo como son los de corriente y tensión, ya sean de tercer orden, quinto orden, séptimo orden, etc. Estos armónicos distorsionan las ondas, por lo que trae como consecuencia una mala calidad de la energía eléctrica para su utilización. Actualmente los equipos eléctricos son diseñados especialmente para trabajar con el onda sinusoidal pura, por lo que la existencia de armónicos no es adecuada para la buena operación de estos equipos y por consiguiente en una posible falla. 1

18 1.2 Antecedentes Durante los últimos 2 años ha crecido la preocupación debido al hecho de que la forma de onda de corrientes y voltajes en alimentadores y buses se ha corrompido por la aparición de corrientes armónicas en los sistemas eléctricos de potencia, debido principalmente a la introducción masiva de la electrónica de potencia en las redes industriales, así como a la operación, cada vez más extendida, de grandes hornos de arco usados para fundición de acero, grandes instalaciones de computadoras y equipo electrónico de control [1], se encuentran disponibles instrumentos para su medición. El área de análisis de armónicas también ha experimentado avances significativos y se han desarrollado modelos más apropiados de los equipos, métodos de simulación y procedimientos de análisis para realizar estudios de armónicas. En los transformadores monofásicos suelen despreciarse los armónicos de la corriente de excitación a causa de su bajo valor en magnitud. En los que intervienen los bancos trifásicos de transformadores pueden también despreciarse si son de baja capacidad y que tengan un buen diseño de la parte magnética (núcleo). Sin embargo, las características de los fenómenos de armónicos en estos equipos, en algunos casos, ejercen efectos importantes sobre las características eléctricas del sistema eléctrico, como es caso de la operación de los bancos estrella-estrella de transformadores Todos los transformadores monofásicos, cuando se excitan al voltaje nominal, producen una tercera armónica debido a la corriente de excitación. Esto se debe a la existencia del núcleo magnético y a la curva de magnetización de los transformadores, haciendo que la corriente de magnetización se distorsione desde el inicio de su operación. 2

19 1.3 Objetivos Objetivo general Determinar los patrones y magnitudes de armónicos del banco de transformadores en las conexiones trifásicas estrella y delta. Objetivos específicos: o Estudiar y analizar los niveles de magnitud y tipo de armónicos generados por los bancos de transformadores. o Conocer las variables involucradas en la generación de armónicos en el banco de transformadores. 3

20 1.4 Justificación Actualmente en el sistema eléctrico nacional la calidad de la energía es de vital importancia debido al gran crecimiento que se ha tenido en los últimos años de usuarios de energía eléctrica, es por eso que se requiere tener certeza en la calidad de está en su transformación y alimentación a los usuarios. Los armónicos que se presentan en los transformadores deben de considerarse debido a las distorsiones que provocan en la onda de frecuencia fundamental (en México es de 6 ciclos por segundo o 6 Hz) estos armónicos como se mencionó afectan a la forma de onda de la tensión y corriente, esto es porque al presentarse armónicos en los transformadores y analizándolas por Fourier las ondas de armónicos se suman con la fundamental generando como consecuencia una forma de onda no deseada y que afecta a todos los equipos eléctricos, ya que por fabricación estos equipos están diseñados para operar con formas de onda sinusoidal y como la onda se ve afectada, el funcionamiento de los equipos no es el adecuado, deteriorando así su operación y vida útil. 4

21 1.5 Hipótesis En la operación de los transformadores se originan ondas de frecuencia superior a la fundamental, estas ondas son llamadas armónicas las cuales perjudican la forma de onda sinusoidal ya sea de corriente o de tensión, por lo que se debe de encontrar una forma de suprimirlas, es por esto que se miden y analizan en las conexiones estrella y delta durante su operación para determinar cuáles de ellas se presentan en menor y mayor magnitud en función del tipo de conexión trifásica. 1.6 Alcances En este trabajo se mencionan los orígenes de los armónicos así como su determinación y análisis de los armónicos en los transformadores, en especial en los bancos de transformadores trifásicos tipo seco de baja capacidad. 5

22 1.7 Estructura de la tesis CAPÍTULO 2.- CONCEPTOS BÁSICOS DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS En este capítulo se abordara la teoría relacionada con los transformadores trifásicos, es decir, el principio de funcionamiento, sus características eléctricas, parámetros que influyen en los transformadores, como es la relación de transformación y su utilidad. Las diferentes conexiones que se pueden realizar con los transformadores trifásicos se describirán en el capítulo siguiente. CAPÍTULO 3.- CONEXIONES TRIFÁSICAS Y PRUEBAS EXPERIMENTALES DE MEDICIÓN DE ARMÓNICOS EN UN BANCO DE TRANSFORMADORES Los temas que se consideraran en este capítulo son las diferentes conexiones que se pueden realizar en los transformadores trifásicos. Se realiza una serie de pruebas eléctricas determinando los armónicos de tensión y corriente en un banco de transformadores en conexión trifásica, esto se lleva mediante un proceso donde se establecen las características eléctricas de los transformadores capacidad, tensión corriente, relación de transformación tipo de transformador. Para la determinación de armónicas se hará uso de un analizador de armónicas Power- Pad de la marca AEMC Instruments modelo 3945, teniendo así los suficientes datos para un análisis posterior para cada tipo de conexión. CAPÍTULO 4.- ANÁLISIS DE RESULTADOS Se analizaran los resultados obtenidos del capítulo anterior y poder determinar en qué tipo de conexión se presentan en mayor magnitud y tipo de armónico como lo señalan las normas vigentes. CAPÍTULO 5.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Contiene las conclusiones obtenidas de la tesis y las recomendaciones para futuros trabajos que continúen con análisis similares o que tengan relación con los efectos de armónicos en transformadores trifásicos bajo operación. REFERENCIAS Contiene las referencias utilizadas para la realización de este trabajo. 6

23 CAPÍTULO 2.- CONCEPTOS BASICOS DE TRANSFORMADORES TRIFÁSICOS 2.1 Introducción Un transformador es un dispositivo que cambia la potencia eléctrica alterna con un nivel de voltaje a potencia eléctrica alterna con otro nivel de voltaje mediante la acción de un campo magnético [2]. Hoy en día en los sistemas eléctricos de potencia los generadores producen potencia eléctrica a niveles de tensión no muy elevados del orden de 13.8 a 3 kv. Los transformadores aumentan las tensiones para que sea ventajoso económicamente transmitir grandes cantidades de potencia a través de las líneas de transmisión, y al final de estas se localizan transformadores que reducen generalmente los niveles de tensión y en algunos casos los aumentan aún más para interconectarse con otras líneas que operan a niveles de tensión más elevados, a este tipo de transformadores se les identifica como elevadores. Los hay también reductores porque reducen los niveles de tensión, que se localizan al final de las líneas de transmisión, de subtransmisión y en las redes de distribución en los alimentadores primarios y secundarios. La capacidad de los transformadores en un Sistema Eléctrica de Potencia (SEP) va desde unas cuantas decenas de kva a nivel de distribución hasta miles de kva, o sea cientos de MVA a nivel de transmisión, por ejemplo: desde 5 kva hasta 13 MVA, o un poco mayores. Como se sabe la potencia eléctrica es el producto de la tensión por la corriente, por lo que cuando se utilizan niveles de tensión altos se propicia que la corriente sea reducida y viceversa, actualmente se llegan a tener niveles de tensión del orden de 15 kv, pero generalmente menores por ejemplo 12, 1, 75 y menores, y corrientes que pueden exceder los 23 ka, o menores. Este tipo de aparatos son los más eficientes en el SEP ya que llegan a tener eficiencias muy cercanas al 1 %, actualmente del orden del 99 % o inclusive mayores, es decir que presentan pocas pérdidas de potencia y además también baja caída de tensión. Los transformadores que se utilizan en los SEP pueden ser monofásicos, pero generalmente trifásicos, que pueden ser bancos de transformadores o transformadores trifásicos, también se llegan a utilizar autotransformadores que son un poco diferentes a los transformadores [3]. 7

24 2.2 El transformador ideal La teoría del funcionamiento y las aplicaciones se comprenden mejor si se le considera como un dispositivo ideal. Esta simplificación nos permite definir los términos del transformador y comprender su funcionamiento. Se define primero al transformador ideal como un dispositivo que tiene las siguientes características: 1.- Su coeficiente de acoplamiento es la unidad. 2.- Sus devanados primario y secundario son inductores puros de valor infinitamente grande. 3.- Sus impedancias propia y mutua son cero, y no contiene reactancia ni resistencia. 4.- Su flujo de fuga e inductancia de dispersión es cero. 5.- Su eficiencia de transferencia de potencia es 1 por ciento; esto es, no hay pérdidas debidas a resistencia, histéresis o corrientes parasitas. 6.- Su relación de vueltas de transformación ( ) es igual a la relación de sus voltajes en terminales del primario y secundario, y también a la relación de su corriente secundaria y primaria. 7.- Su permeabilidad del núcleo ( ) es infinita [4]. Un transformador ideal es un dispositivo sin perdidas que tiene un devanado de entrada y un devanado de salida. Devanado Primario Ip + ϕ Devanado Secundario Is + Vp Np Ns Vs - - Núcleo Ferromagnético Figura Elementos básicos de un transformador monofásico. 8

25 El cociente entre las tensiones en terminales de un transformador ideal es exactamente igual al cociente entre los números de espiras. Sin embargo en un transformador real, el cociente de las tensiones entre terminales puede ser superior o inferior un pequeño tanto por ciento al cociente entre los números de espiras a causa de las caídas de tensión en las impedancias de fuga de los devanados. Como estas caídas de tensión dependen de la magnitud y factor de potencia de la carga, el cociente de las tensiones entre terminales no será una constante característica del transformador solo, ya que depende de la carga. Por esta razón, conviene definir la razón de transformación como el cociente entre los números de espiras, en lugar de como cociente de las tensiones entre terminales, ya que el cociente entre los números de espiras es una constante definida fijada solamente por el transformador. ya puede verse que el cociente entre los números de espiras es una cantidad importante en la teoría de los transformadores. El cociente entre los números de espiras es también igual al cociente entre las tensiones inducidas por el flujo mutuo resultante. Es decir, si es a la razón de transformación, o cociente entre los números de espiras se tiene [5] Donde se define como la relación de transformación: La relación entre la corriente i p que fluye del lado primario del transformador y la corriente i s que sale del lado secundario del transformador es: o 9

26 2.3 Teoría de operación de los transformadores monofásicos El transformador ideal que se describe en la sección 2.2 no se puede fabricar. Lo que sí se puede fabricar es un transformador real de dos o más bobinas de alambre enrollado alrededor de un núcleo ferromagnético. Las características de un transformador son muy parecidas a las de un transformador ideal, pero solo hasta cierto punto. En la figura se puede observar un transformador que consta de dos bobinas de alambre enrollado alrededor del núcleo del transformador. El devanado primario está conectado a una fuente de potencia de ca y el devanado secundario está abierto. + ip + Vp + - Np Ns Vs - - Figura Dibujo de un transformador real sin carga. La base de operación de un transformador se puede derivar de la ley de Faraday: Donde es el flujo concatenado en la bobina a través de la cual se induce el voltaje. El flujo concatenado es la suma del flujo que pasa a través de cada vuelta en todas las vueltas de la bobina: El flujo concatenado total a través de una bobina no es exactamente, donde es el número de vueltas de la bobina, puesto que el flujo que pasa a través de cada vuelta de la bobina es ligeramente al flujo de las demás vueltas, lo cual depende de la posición dentro de la bobina. 1

27 Sin embargo es posible definir el flujo promedio por vuelta en una bobina. Si el flujo ligado total de las vueltas de la bobina es y si hay vueltas, entonces el flujo promedio por vuelta está dado por: Y la ley de Faraday se puede escribir de la siguiente manera [2]: 2.4 Corriente de magnetización de un transformador Cuando se aplica un voltaje sinusoidal al devanado primario de un transformador real que esta sobre un núcleo de acero con el devanado secundario abierto, fluye una pequeña corriente, llamada corriente de excitación. La componente mayor de esta corriente se llama corriente de magnetización, esta componente produce el flujo en el núcleo. La componente más pequeña de que contempla las perdidas en el núcleo, adelanta la corriente de magnetización. En primer lugar, las pérdidas del núcleo ocurren debido a los cambios cíclicos de la dirección del flujo en el acero requieren de energía que se disipa en calor. A esta disipación se le denomina perdida por histéresis. El segundo tipo de pérdidas se debe al hecho de que circulan corrientes que son inducidas en el acero por el flujo variable y que producen llamadas perdidas por corrientes de Eddy. Las pérdidas por histéresis se reducen mediante ciertas aleaciones de alto grado de acero para construir los núcleos. Las pérdidas por corrientes de Eddy se reducen construyendo el núcleo con hojas de acero laminado [6]. En la figura a) se muestra la curva de magnetización del núcleo de un transformador típico donde se observa la parte donde el transformador puede operar sin saturarse. b) se observa la corriente de magnetización causada por el flujo del transformador y además se puede ver el efecto que ejerce sobre esta la curva de magnetización del núcleo del transformador. 11

28 Φ, Wb F, A.espiras a) Φ(t) y Vp(t) Vp(t) Φ(t) Φ t F b) im t Figura a) Curva de magnetización del núcleo de un transformador. b) Corriente de magnetización causada por el flujo en el núcleo del transformador. 12

29 A continuación se muestra en la tabla que nos presenta las magnitudes de las componentes armónicas de mayor importancia [7]. Tabla Amplitudes de las armónicas en la forma típica de una onda de corriente magnetizante. Armónicas Componente fundamental C.D. 2ª. 3ª. 4ª. 5ª. 6ª. 7ª. Valor típico porcentaje El transformador con carga Considérese un transformador cargado, esto es, con un consumidor de energía eléctrica colocado a través de las terminales secundarias. Ya que existe una fem inducida (E 2 ) en el arrollamiento secundario, fluirá a través de la resistencia de carga y del arrollamiento secundario una corriente I 2. Cuando se omiten las pérdidas del transformador, entonces, de acuerdo a la ley de conservación de la energía, la potencia tomada de las líneas por el arrollamiento primario es igual am la potencia entregada al circuito externo colocado a través del arrollamiento secundario, la corriente tomada de las líneas por el arrollamiento primario debe cambiar en tanto cambie la corriente secundaria de la carga. Como resultado del cambio en la corriente primaria debida a la carga, las tres componentes de la tensión que equilibran la tensión primaria final cambien también: la caída por resistencia y la caída por la reactancia de dispersión aumentan o disminuyen con el cambio de la carga y, por lo tanto, la tensión inducida E 1 por el flujo principal viene a ser correspondiente mayor o menor. No obstante (en transformadores de potencia ordinarios), las caídas por resistencia y reactancia de dispersión son pequeñas usualmente en comparación a la fem E 1 aun en plena carga, así que E 1 tiene aproximadamente el mismo valor para el transformador, lo mismo en carga que sin ella; ya que el flujo principal está determinado por E 1, esto significa que el flujo principal varia un poco únicamente entre en vacío y carga [8]. 13

30 2.6 Tipos de enfriamiento Tipo OA. Es un transformador sumergido en aceite con enfriamiento natural. Este es el enfriamiento más común y frecuente resultando más económico y adaptable a la generalidad de las aplicaciones. En estas unidades el aceite aislante circula por convención natural dentro de un tanque con paredes lisas o corrugadas, o bien provistos de enfriadores tubulares o de radiadores separables. Tipo OA / FA. Sumergido en aceite con enfriamiento a base de aire forzado. Esta unidad es básicamente un tipo OA a la cual se le han agregado ventiladores para aumentar la disipación de calor en las superficies de enfriamiento, y por lo tanto, aumentar los kva de salida del transformador. El empleo de este sistema de enfriamiento está indicado cuando la unidad debe soportar sobrecarga durante periodos cortos. Tipo AA. Transformadores tipo seco con enfriamiento propio. Se caracteriza por no tener aceite u otro líquido para efectuar las funciones de aislamiento y enfriamiento. El aire es el único medio aislante que rodea el núcleo y las bobinas. Tipo AFA. Transformador tipo seco con enfriamiento por aire forzado, el diseño comprende un ventilador que empuja el aire en un ducto colocado en la parte inferior de la unidad; por medio de aberturas del ducto se lleva el aire a cada núcleo. Este tipo solo tienen un régimen. Con ventilador. Tipo AA / AFA transformador tipo seco con enfriamiento propio, con enfriamiento por aire forzado, su denominación indica que tiene dos regímenes, uno por enfriamiento natural y otro por la circulación forzada por medio de ventiladores, este control es automático y opera mediante un relevador térmico.[9] 14

31 CAPÍTULO 3.- CONEXIONES TRIFÁSICAS Y PRUEBAS EXPERIMENTALES DE MEDICIÓN DE ARMÓNICOS EN UN BANCO DE TRANSFORMADORES 3.1 Introducción. Casi toda la energía se genera en generadores trifásicos y se transmite por líneas de transmisión trifásicas. Como a menudo es necesario elevar y reducir la tensión varias veces entre los generadores y las cargas, en los sistemas trifásicos se utilizan muchísimos trasformadores. Los transformadores pueden realizarse mediante bancos de transformadores monofásicos adecuadamente conectados, o mediante transformadores trifásicos en los que se enlazan entre si los circuitos magnéticos de las tres fases. Los transformadores trifásicos, algunas de cuyas características pueden ser diferentes de las de un banco de transformadores monofásicos conectados análogamente. Aun cuando casi toda la transmisión de potencia se realiza por medio de sistemas trifásicos, aproximadamente la mitad de la energía se utiliza eventualmente en forma de potencia monofásica para fines domésticos o de poca potencia. Las cargas monofásicas se alimentan desde los secundarios de baja tensión de transformadores de distribución cuyos primarios se conectan al sistema trifásico de transmisión, distribuyéndose las cargas monofásicas entre las fases del sistema trifásico de manera que resulte una carga trifásica aproximadamente equilibrada [5]. El análisis detallado de las conexiones de transformadores trifásicos nos permitirá saber cómo son las relaciones de corriente y tensión en los transformadores conexión trifásica. 3.2 Conexiones de los transformadores trifásicos Un banco de transformadores consta de tres transformadores monofásicos, ya sea separados o combinados sobre un solo núcleo. Los primarios y los secundarios de cualquier transformador trifásico se pueden conectar independientemente en estrella ( ) o en delta ( ). Las ventajas y desventajas de las conexiones de los transformadores trifásicos se analizaran a continuación [2]. 15

32 3.2.1 Conexión estrella-estrella La conexión estrella-estrella da un servicio satisfactorio únicamente en las cargas trifásicas balanceadas; cuando la carga se desbalancea, el neutro eléctrico estará en el centro exacto de un punto que hará desigual los tres voltajes de línea a neutro. Esta conexión se emplea en sistemas que operan con tensiones relativamente elevadas y en instalaciones de potencia a 4 hilos [1]. En la figura se muestra, el voltaje primario en cada fase del transformador está dado por. El voltaje de fase primario se relaciona con el voltaje de fase secundariopor medio de la relación de vueltas del transformador. El voltaje de fase en el secundario está relacionado con la línea de voltaje en el secundario por general en el transformador es:. Por lo tanto. La relación de voltaje a a' b V P V S + b' NP2 - NP1 NS2 - NS1 VLS VLP NP3 NS3 c - - c' Figura Diagrama de conexión estrella-estrella. 16

33 3.2.2 Conexión estrella-delta En la figura se muestra el diagrama de conexiones estrella-delta de los transformadores trifásicos. En esta conexión el voltaje de línea primario está relacionado con el voltaje de fase primario por línea secundario es igual al voltaje de fase secundario para cada fase es: mientras que el voltaje de la relación de voltaje a c' b + + V P NP2 - NP1 NS2 VLP c - NP3 NS3 + NS1 V S b' VLS a' Figura Diagrama de conexión estrella-delta. Este arreglo presenta un problema. Debido a la conexión el voltaje secundario se desplaza con respecto al voltaje primario del transformador. El hecho de que se desplace una fase puede causar problemas en la puesta en paralelo de los secundarios de dos bancos de transformadores. Los ángulos de fase de los transformadores secundarios deben ser iguales si se desea ponerlos en paralelo, lo que quiere decir que se tiene que poner atención a la dirección del desplazamiento de los en cada banco del transformador para ponerlos en paralelo. 17

34 3.2.3 Conexión delta-estrella La conexión delta-estrella, de las empleadas, se utiliza en los sistemas de potencia para elevar voltajes de generación do de transmisión, en los sistemas de distribución (a 4 hilos) para alimentación de fuerza y alumbrado [1]. En la figura se muestra el diagrama de conexión delta estrella de un transformador trifásico. En esta conexión el voltaje de línea primario es igual al voltaje de fase primario, mientras que los voltajes secundarios están relacionados por voltaje de línea a línea en esta conexión es:. Por lo tanto, la relación de a VLP b V P NP1 NP2 + NP3 NS2 - NS3 V S NS1 + + a' VLS c - b' c' Figura Diagrama de conexión delta-estrella. 18

35 3.2.4 Conexión delta-delta La conexión delta-delta de transformadores monofásicos se usa generalmente en sistemas cuyos voltajes no son muy elevados; específicamente en aquellos casos en que se debe mantener la continuidad del sistema. Esta conexión se emplea tanto para elevar la tensión como para reducirla. La conexión delta-delta se muestra en la figura en esta conexión y, por lo que la relación entre los voltajes de línea primario y secundario es: Este transformador no tiene un desplazamiento de fase asociado y no tiene problemas con cargas desequilibradas. a + + NS2 + a' - VLP V P NP1 NP3 NS3 NS1 V S - b' b - - NP2 + c c' Figura Diagrama de conexión delta-delta. 19

36 3.3 Pruebas experimentales de armónicos en banco de transformadores conexión trifásica Introducción Para la determinación de armónicos en los bancos de transformadores es necesaria la realización de pruebas eléctricas. En este capítulo se abordaran las diferentes pruebas experimentales para las diferentes conexiones trifásicas mencionadas en el capítulo anterior, la medición de armónicos se hará mediante el analizador de red eléctrica (PowerPad). Primeramente se realizan las mediciones cuando el banco de transformadores se encuentre en la condición de vacío o sin carga y posteriormente se llevara a cabo la medición de armónicos con los transformadores en estado de saturación Equipo y Herramienta utilizada Analizador de calidad de la energía (PowerPad Modelo 3945) En la figura se muestra el analizador de calidad de la energía (PowerPad) modelo 3945-B de la marca AEMC Instruments donde se pueden observar su forma física y además de un teclado de uso frontal para las diferentes funciones eléctricas. 2

37 Figura PowerPad Modelo 3945 A continuación se observan los accesorios del PowerPad utilizados en la realización de las pruebas eléctricas para la medición de armónicos. En la figura a) se pueden ver las pinzas caimán que tienen como función ser el medio de conexión entre el PowerPad y los puntos donde se desea medir la tensión, además de que cada pinza está representada por un color distinto que indica a que fase pertenece. En la figura b) se observa las pinzas de corriente del PowerPad cuya función es censar la corriente que pasa a través del conductor que este abrazando, esta pinza tiene dos posiciones de medición una de 5 A y la otra de 1 A esto debido al nivel de corriente que se desee medir, al igual que las pinzas de tensión estas también están distinguidas por un color diferente que indica a que fase corresponden. En la figura c) se muestra el cable de comunicación entre el PowerPad y el ordenador, este cable sirve para poder sincronizar el analizador con la PC y transferir los datos de un equipo otro, además gracias a este cable se pueden ver los datos registrador por el Pad en la pantalla de la PC. 21

38 a) b) c) Figura Accesorios del PowerPad Modelo 3945 a) Pinzas de tensión. b) Pinzas de corriente. c) cable de comunicación. 22

39 El Analizador de calidad de la energía trifásico cuenta con las siguientes características: Mediciones monofásicas, bifásicas y trifásicas de RMS verdaderas a 256 muestras/ ciclo, mas CC. Formas de onda a color en tiempo real. Configuración de pantalla fácil de usar. Escala y reconocimiento automáticos de sondas amperimétricas. Medición de corriente y tensión RMS verdadera. Mide volts, amperes y potencia CC. Visualiza y captura armónicos de tensión, corriente y potencia hasta el 5 orden, incluida la dirección, en tiempo real. Captura transitorios hasta a 1/256 de un ciclo. Almacena una completa base de datos registrados. Visualización de diagrama fasorial. VA, VAR y W por fase y trifásico. kvah, kvarh y kwh por fase y trifásico. Cálculo y visualización de corriente del neutro para las tres fases. Visualización de factor K del trasformador. Visualización del factor de potencia, visualización del factor de potencia de desplazamiento. Captura hasta 5 transitorios. Visualización del flicker de corto plazo. Desequilibrio de fases (corriente y tensión). Distorsión armónica total e individual de 1 a 5. Alarmas, sobretensiones y subtensiones. Función de impresión de pantalla: captura formas de ondas u otros datos de la pantalla. 23

40 A continuación se muestra la tabla , con las especificaciones técnicas del analizador de red eléctrica PowerPad. Donde se observa las características eléctricas y mecánicas. Tabla Especificaciones del analizador de calidad de la energía (PowerPad) ESPESIFICACIONES MODELO 3945 CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS Tasa de muestreo 256 muestras/ciclo Almacenamiento de datos 4 MB con partición para función de impresión de pantalla, transitorios, alarmas y registro de tendencias. Tensión (TRMS) Fase-Fase:96 V, Fase-Neutro:48 V Corriente (TRMS) Pinza MN:5 ma a 6 A/1 a 12 A Pinza MR: 1 a 1 A CA, 1 14 A CC Pinza SR: 3 a12 A MiniFlex: 1 a 1 A AmpFlex:1 a 65 A Frecuencia (Hz) 4 a 69 Hz Otras mediciones kw, kvar, factor de potencia (FP), factor de potencia de desplazamiento (FPD), kwh, kvarh, kvah, factor K y flicker Armónicos 1 a 5, dirección y secuencia Fuentes de alimentación Conjunto de baterías de NiMH de 9.6Vrecargables (incluido) Fuente de CA:11/23 V CA 2% (5/6 Hz) Autonomía de la batería Ocho horascon la pantalla encendida; 35 horas con la pantalla apagada (modo de registro) CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS Puerto de comunicaciones RS-232 con acoplamiento óptico Pantalla LCD a color ¼ VGA (32 x 24) Dimensiones 24 x 18 x 55 mm(9.5 x 7 x 2 pulg.) Peso 2.1 kg (4.6 lbs.) Clasificación de seguridad EN 611, 6 V CAT IV, 1 V CAT III, grado de contaminación ambiental 2 24

41 Manual de utilización del PowerPad para la medición de armónicos A continuación se mencionaran los pasos para la utilización del powerpad para la medición de armónicos. 1. Como primer paso se debe de tener bien identificado el circuito o sistema en el que se va a realizar la medición de armónicos. 2. Se deben de escoger las pinzas de corriente adecuadas, es decir que el nivel de corriente que se va a medir pueda ser soportado por la pinza sin que se llegue a la saturación de está. 3. Una vez identificado y elaborado el circuito se procede a la configuración del instrumento de medición. 4. Para encender el Powerpad se debe de presionar el botón de encendido y apagado. 5. Para la configuración del pad lo primero que se tiene que hacer es ir al menú y seleccionar la opción conexión, en este submenú se debe de escoger la conexión en que se está efectuando la medición (monofásica, bifásica, trifásica a tres hilos o trifásica a cuatro hilos) y dar enter. 6. Después se debe de elegir el submenú sensor de corriente y configurar la pinza que se está utilizando. 7. Una vez energizado el circuito a medir presionar el botón de forma de onda en el powerpad, el cual te mostrara las curvas de tensión y corriente en el punto donde se esté midiendo. En esta ventana se puede seleccionar si se quiere ver el comportamiento en las tres fases o en su caso por fase. Además se puede realizar la opción del zoom para tener una mejor apreciación de los valores mostrados. 8. Para ver los niveles de armónicos se debe de presionar el botón de armónicos en el powerpad el cual abrirá una ventana que de igual forma te muestra los armónicos de corriente y tensión en las tres fases o por fase según se quiera ver. 9. Para sincronizar el powerpad con la PC se hace mediante el puerto de comunicaciones, conectando el cable desde el pad hasta la PC. 1. Para poder ver los datos que muestra el pad en la pantalla de la computadora se debe de ejecutar el software (ppv.exe) ya instalado previamente en la PC. 11. Una vez ejecutado este software automáticamente comprobara si se encuentra conectado el instrumento de medición y de ser así se sincronizara mostrando toda la información que contiene este. 12. Para guardar los datos obtenidos se tendrá que crear un informe de datos y después dar en guardar como, dar el nombre del archivo y elegir la ubicación en donde se desea guardar. 13. Para poder ver los datos posteriormente a haber realizado las mediciones se debe de contar con el ejecutable DataView el cual te mostrara los datos guardados. [11] 25

42 3.3.3 Transformador En la figura se muestra el banco de transformadores monofásicos tipo seco y acorazado con potencia 1 kva cada uno, 11/22 V.. Figura Banco de transformadores 3 kva totales Prueba de relación de transformación del banco de transformadores (TTR). A continuación se muestra la realización de la prueba de relación de transformación para el banco de transformadores. En la figura se muestra el equipo con que se realizó la prueba, un TTR digital de la marca Tettex Instruments cuya función es medir la relación de transformación para diferentes conexiones como son: monofásicas y trifásicas en sus distintas conexiones delta y estrella. En la figura se observa la conexión entre el TTR y el banco de transformadores para llevar a cabo la medición de relación de transformación. 26

43 Cables de salida alta tensión Cables de salida baja tensión Toma corriente y boton de encendido y apagado Botón paro de emergencia Botones de opciones Display y botones de configuración e inicio Figura TTR (TRANSFORMER TURNS RATIO). Banco de transformadores TTR Pinzas caimán Figura Conexión del TTR para hacer la prueba de relación de transformación. 27

44 En la siguiente tabla se exponen los dados obtenidos de la prueba de relación de transformación en donde se puede ver la relación de transformación por fase del transformador. Tabla Resultados de la prueba de relación de transformación Relación I[mA] P[ ] A B C Reactores En la figura se muestra los reactores que tuvieron como objeto ser la carga de los transformadores. Estos reactores tienen varias derivaciones lo que permitió controlar la carga que se le demandaba a los transformadores y así poder llevarlo a la saturación. Figura Reactores 28

45 3.3.5 Herramienta y equipo de cómputo En seguida se presentan las herramientas y el equipo de computación utilizados en las pruebas para la medición de armónicos en diferentes conexiones trifásicas. En la figura a) se observa el ordenador y la pantalla de la marca dell, así como sus accesorios como son: teclado y mouse. En la figura b) se muestra la herramienta utilizada para hacer las conexiones necesarias en este estuche se tiene diferentes instrumentos como son: pinzas de corte, pinzas de electricista, pinzas pela cable automática, desarmadores de cruz y planos, llaves españolas, cinta de aislar, entre otros. a) b) Figura a) Equipo de cómputo. b) Herramienta. 29

46 3.3.6 Medición de armónicos conexión estrella-estrella en vacío En la figura Se muestra el diagrama de alambrado la conexión estrella- estrella en condición de vacío. Este esquema tiene como objetivo servir de guía para la realización de la conexión en forma física. 11 V 22 V VCA Tensión Corriente Analizador de armónicos Figura Diagrama de alambrado para la medición de armónicos en conexión estrella-estrella en vacío. A continuación se muestra un esquema físico de la conexión estrella-estrella en vacío que nos indican los diferentes equipos y accesorios utilizados para realizar la medición de armónicos, así como la fuente utilizada para alimentar los transformadores. 3

47 Banco de transformadores 2.- Analizador de armónicos (PowerPad) 3.- Pinzas de tensión 4.- Pinzas de corriente 5.- PC 6.- Monitor y accesorios 7.- Salida de regulador de tensión 8.- Multímetro 9.- Extensión 5 9 Figura Esquema físico de la conexión estrella-estrella en vacío En la figura se muestran las formas de onda de tensión en el primario del banco de transformadores las cuales están identificadas con los colores negro, rojo, azul que corresponden a las fases uno, dos y tres respectivamente. Estas cuentan con una tensión de 191 Vrms V /1/213 12:3:56.53 p.m (ms) 3 ms/div 1/1/213 12:3: p.m. Figura Forma de onda de tensión en el primario del transformador. 31

48 En la figura se observan gráficas de barras., Las cuales muestran el nivel de armónicos en tensión y proveen el porcentaje de la distorsión armónica total de cada fase. Además se presenta un listado donde se proporciona el porcentaje individual de cada armónico de tensión. U1 Forma de onda U1 Forma de onda Vrms, 1.63 %THD 1/1/213-12:3:56.53 p.m. H1 1. H19.1 H37.1 H2.1 H2. H38. H3. H21. H39. H4.1 H22.1 H4. H5 1.5 H23.1 H41. H6. H24. H42. H7.5 H25.2 H43. H8. H26. H44. H9.1 H27. H45. H1.1 H28. H46. H11.3 H29.1 H47. H12. H3.1 H48. H13.1 H31.1 H49. H14. H32. H5. H15.1 H33. H16.1 H34.1 H17.1 H35. H18. H36.1 U2 Forma de onda U2 Forma de onda Vrms, 1.92 %THD 1/1/213-12:3:56.53 p.m. H1 1. H19.2 H37.1 H2. H2. H38. H3.2 H21.1 H39. H4. H22.1 H4. H5 1.8 H23.1 H41. H6.1 H24. H42. H7.5 H25.2 H43.1 H8. H26. H44. H9. H27.1 H45. H1. H28. H46. H11.3 H29. H47. H12.1 H3. H48. H13.2 H31.1 H49. H14.1 H32. H5. H15.1 H33. H16. H34. H17.2 H35.1 H18. H36.1 U3 Forma de onda U3 Forma de onda Vrms, 1.87 %THD 1/1/213-12:3:56.53 p.m. H1 1. H19.1 H37.1 H2.1 H2.1 H38. H3.2 H21.1 H39. H4.1 H22.1 H4. H5 1.7 H23.1 H41. H6.1 H24.1 H42. H7.6 H25.1 H43. H8. H26.1 H44. H9.1 H27. H45. H1. H28.1 H46. H11.3 H29.1 H47. H12. H3.1 H48. H13.1 H31. H49. H14. H32. H5. H15.1 H33. H16.1 H34. H17.1 H35. H18. H36.1 Figura Espectro armónico de tensión en el primario del trasformador. 32

49 En la figura se muestra las formas de onda de corriente en el primario del transformador, como se observa, las cuatro curvas tienen un color distinto esto es para distinguir a una fase de otra, por lo que se tiene negro para la fase uno, rojo para la dos, azul para la tres y de color verde se representa la corriente que fluye por el neutro. Cabe mencionar que el valor corriente que indica la gráfica se debe de dividir por un factor de 1, esto se debe a que en la configuración de las pinzas de corriente del PowerPad se aplicó una razón de 1/1 con el propósito tener una mejor apreciación de las ondas. Todo esto es debido a que la corriente es demasiado pequeña y el equipo no transfería de forma adecuada los datos hacia la computadora A /1/213 12:3:56.53 p.m (ms) 3 ms/div 1/1/213 12:3: p.m. Figura Forma de onda de corriente en el primario del transformador. En seguida se observa el espectro armónico de corriente donde se muestra por medio de grafica de barras la magnitud de los armónicos, así como el THD de cada fase. Además de representar en forma de listado el porcentaje individual de cada armónico. A1 Forma de onda A1 Forma de onda Arms, %THD 1/1/213-12:3:56.53 p.m. H1 1. H19. H37. H2 1.7 H2. H38. H H21.1 H39.1 H4.9 H22. H4.1 H5 9.2 H23. H41. H6.4 H24. H42. H7 3. H25.1 H43. H8.1 H26. H44. H9 1.1 H27. H45. H1. H28. H46.1 H11.4 H29. H47. H12. H3. H48. H13.2 H31.1 H49. H14. H32. H5. H15.1 H33. H16. H34. H17. H35. H18.1 H36. 33