Universidad de la República Facultad de Ingeniería. Electrotécnica 1. Clase 9 - Transformadores - Aspectos operativos y constructivos.
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- Juan Bustos Luna
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1 Universidad de la República Facultad de Ingeniería Electrotécnica 1 Clase 9 - Transformadores - Aspectos operativos y constructivos Curso 2018
2 Contenido de la presentación Bibliografía de referencia Pérdidas, calentamiento y vida útil Aspectos constructivos Conexiones al transformador
3 Bibliografía de referencia Contenido Bibliografía de referencia Pérdidas, calentamiento y vida útil Aspectos constructivos Conexiones al transformador
4 Bibliografía de referencia Los contenidos de esta presentación se encuentran desarrollados en la siguiente bibliografía: Chapman, S. Máquinas Eléctricas. Editorial Mc. Graw Hill.
5 Contenido Bibliografía de referencia Pérdidas, calentamiento y vida útil Aspectos constructivos Conexiones al transformador
6 Al existir una gama amplia de niveles de tensión y de potencias del equipamiento, resulta conveniente trabajar con valores en un rango acotado. Para esto se definen los valores por unidad, que expresan el cociente entre la magnitud real y su respectivo valor base. Por ejemplo, en una instalación de tensión nominal 400V, la tensión en distintos puntos de la misma seguramente sea cercana a ese valor. Resulta práctico expresar ese valor en relación al nominal. Ejemplo: Si la tensión es 392V, el valor en por unidad es: u = 392V 400V = 0,98p.u.
7 Trabajar con el valor en por unidad permite rápidamente, y en forma independiente del nivel de tensión considerado, tener una idea de qué tan cerca estamos del valor nominal. Al expresar que la tensión es 0,98pu ya queda impĺıcito que se tiene una caída de tensión de 2 % en dicho punto del sistema, lo que no es tan evidente al expresar el valor real: 392V.
8 Entonces en general, el valor en por unidad es: x pu = X X b El valor base en general es el valor nominal de la magnitud, por ejemplo para las tensiones y las corrientes. Para la impedancia, se define el valor base en relación a la tensión y la potencia nominal, en circuitos trifásicos: Z b = U2 n S n
9 El valor de impedancia de cortocircuito de un transformador tiene una variación importante a medida que se modifica la potencia del mismo. Sin embargo, el valor por unidad de la impedancia de cortocircuito varía relativamente poco entre transformadores pequeños y grandes. Típicamente la impedancia de cortocircuito en por unidad de un transformador trifásico se ubica en el rango %.
10 Ejemplo: supongamos que se tiene un trafo 6,3/0,4kV, 200kVA,z cc = 7 %. El valor de la impedancia en Ohm puede calcularse a cualquiera de los niveles de tensión del mismo, supongamos que se calcula a nivel 6,3kV : Z cc = 0, = 13,9Ω O calculado a nivel 400V : Z cc = 0, = 0,056Ω
11 Pérdidas, calentamiento y vida útil Contenido Bibliografía de referencia Pérdidas, calentamiento y vida útil Aspectos constructivos Conexiones al transformador
12 Pérdidas, calentamiento y vida útil Pérdidas en el transformador Si bien el modelo simplificado del transformador que se ve en este curso no lo contempla, los transformadores presentan pérdidas, las cuales se traducen en calor generado en la máquina y el cual debe ser evacuado al ambiente. De hecho el dimensionamiento térmico del transformador resulta clave en su diseño. Las pérdidas en el transformador tienen dos formas principales: Pérdidas de vacío (generadas en el núcleo de hierro, están presentes siempre que el transformador está energizado, entregue o no potencia) Pérdidas de carga (generadas en los bobinados, están presentes cuando el transformador entrega potencia, y son cuadráticas con la corriente (pérdidas Joule)).
13 Pérdidas, calentamiento y vida útil Pérdidas en el transformador Las pérdidas en el transformador generarán calor y el mismo se evacuará al ambiente circundante escencialmente por convección. El modelo térmico resulta simplificadamente: P perd = k.(t trafo T amb ) La temperatura de operación del transformador no debe sobrepasar un valor máximo de diseño, para no dañar los aislantes de los bobinados (elementos sensibles a las altas temperaturas). Por tanto a mayor temperatura ambiente, menores pérdidas admisibles y por ende menor corriente podrá circular por el transformador.
14 Pérdidas, calentamiento y vida útil Pérdidas en el transformador A la inversa, si la temperatura ambiente desciende, se podrá cargar más el transformador. De tal modo que la potencia nominal del transformador (la cual determina las corrientes nominales y por tanto las pérdidas) está definida a unas condiciones predeterminadas de temperatura ambiente. Para condiciones más favorables la misma es mayor y se reduce ante temperaturas ambiente mayores.
15 Pérdidas, calentamiento y vida útil Elevación de temperatura Otro aspecto importante es la inercia térmica del transformador, lo que genera que los cambios de carga no generen cambios instantáneos de temperatura: Ante un cambio de carga de tipo escalón, la variación de temperatura es exponencial, pudiendo no llegar a alcanzar el valor de régimen si la sobrecarga es breve.
16 Pérdidas, calentamiento y vida útil Pérdidas de vida útil La pérdida de vida útil del transformador es una función exponencial de la temperatura, aproximadamente se reduce a la mitad cada 6 C de temperatura adicional:
17 Aspectos constructivos Contenido Bibliografía de referencia Pérdidas, calentamiento y vida útil Aspectos constructivos Conexiones al transformador
18 Aspectos constructivos Tipos de transformadores Una clasificación básica separa en dos tipos de transformadores: Transformadores en aceite Transformadores secos Los primeros se distinguen fácilemente por contar con una cuba que contiene aceite.
19 Aspectos constructivos Transformadores en aceite La parte activa (núcleo y bobinados) se ubica dentro de una cuba la cual contiene aceite, estando completamente sumergido. El aceite cumple dos funciones principales: actuar como aislante eléctrico y como medio refrigerante (por convección). En general tienen radiadores para la circulación del aceite, y eventualmente ventiladores para forzar el flujo de aire en los mismos (en transformadores de grandes dimensiones).
20 Aspectos constructivos Transformadores en aceite Notar el tanque de expansión para el aceite, que contempla las variaciones de volumen del mismo con la temperatura, existe intercambio de aire con el exterior:
21 Aspectos constructivos Transformadores en aceite Un ejemplo en alta tensión, con ventilación forzada:
22 Aspectos constructivos Transformadores en aceite Transformador de llenado integral (hermético), notar que no tiene depósito de expansión. Las aletas se expanden y absorben las variaciones de volumen del aceite. No ingresa humedad al aceite.
23 Aspectos constructivos Transformadores secos No tienen cuba ni aceite, los llamados transformadores secos encapsulados tienen sus bobinados aislados en resina epoxi. Al no poseer cuba, el calor se evacúa directamente al aire circundante. Tienen la ventaja frente a los inmersos en aceite de no ser una potencial fuente de incendio y por tal razón son utilizados en aplicaciones interiores donde esto es un requerimiento. La parte exterior no está a tierra, a diferencia de un transformador en aceite. En esos casos se requiere una barrera de protección para evitar contactos.
24 Aspectos constructivos Transformadores secos
25 Aspectos constructivos Transformadores secos Transformador seco dentro de una envolvente metálica:
26 Aspectos constructivos Transformadores secos Transformador seco ubicado tras una barrera de protección:
27 Conexiones al transformador Contenido Bibliografía de referencia Pérdidas, calentamiento y vida útil Aspectos constructivos Conexiones al transformador
28 Conexiones al transformador Conexiones al transformador Un transformador MT/BT estará conectado desde ambos lados de formas diferentes. Si bien este curso trata de las instalaciones de BT, mencionamos los elementos que son necesarios para la conexión del transformador. En general en una planta industrial se tendrá un transformador a los efectos de reducir la tensión que suministra UTE (MT) a niveles de BT para su uso.
29 Conexiones al transformador Celdas de MT La alimentación al transformador desde niveles de MT se realizará a través de las llamadas celdas. Las celdas de MT conforman lo que sería un tablero. Es decir, reproducen las funciones típicas de corte, seccionamiento, medida, presentes en un tablero de BT, pero a nivel de MT. A niveles de MT las distancias eléctricas comienzan a aumentar y se hace necesario mayor separación entre fases y a tierra.
30 Conexiones al transformador Celdas de mampostería Las celdas más antiguas son llamadas celdas de mampostería, por su forma constructiva:
31 Conexiones al transformador Celdas de mampostería En las celdas de mampostería los elementos con tensión están expuestos al operador (aunque tras una barrera y a distancia segura). Esto hace más riesgosa su utilización.
32 Conexiones al transformador Celdas modulares Las celdas actuales son llamadas celdas modulares, y los equipos de potencia están totalmente ocultos dentro de una envolvente metálica:
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