Transformadores. Transformador

Transcripción

1 Transformadores Una maquinas eléctrica, es un dispositivo que transforma la energía cinética en otra energía, o bien, en energía potencial, pero con una presentación distinta, pasando esta energía por una etapa de almacenamiento en un campo magnético. Una maquina eléctrica tiene un circuito magnético y dos circuitos eléctricos. Normalmente uno de los circuitos eléctricos se llama excitación, porque al ser recorrido por una corriente eléctrica produce los amperios-vuelta necesarios para crear un flujo en la máquina. Se clasifican en tres grupos: 1. Generadores: transforman energía mecánica en eléctrica 2. Motores: Transforman energía eléctrica en mecánica 3. Transformadores: conservan la forma de la energía, pero transforman sus características Concepto Núcleo Devanados o bobinas Boquillas terminales (bushing) Tanque o cubierta Transformadores Partes (Fabricación) Medio Refrigerante Serpentines y aparatos de refrigeración Indicadores Conmutadores Herrajes Relación de transformación Curva de magnetización Histéresis Transformador Es un dispositivo estático, es decir, sin partes, móviles, destinados a transferir energía eléctrica de un circuito a otro, siendo el enlace común entre ambos circuitos, un flujo magnético. El transformador solamente modifica la energía eléctrica de unas características determinadas de tensión y corriente a otras diferentes.

2 Figura 1.- Transformador en vacío (sin carga) Un transformador, está constituido por un circuito magnético, formado por chapas apiladas de material ferromagnético, sobre el que se arrollan dos bobinas (devanados) B1 y B2 que tienen respectivamente N1 y N2 numero de espiras. Figura 2.- Transformador con carga Si conectamos la bobina B1 a los terminales de un generador y cerramos el circuito de la Bobina B2 mediante una impedancia Z, la bobina B1 actuá como una inductancia que al ser atravesada por la corriente que procede del generador, se produce un flujo electromotriz en la bobina B2 de la misma frecuencia que la tensión aplicada en B1; como consecuencia, por el circuito eléctrico constituido por B2 y Z, pasa una corriente eléctrica, por inducción muta. Como, solamente un flujo variable puede producir una fuerza electromotriz inducida y el transformador no tiene partes móviles, se deduce fácilmente que el transformador solamente puede funcionar con corriente alterna. A la bobina B1 que actúa como generadora del flujo, se le llama arrollamiento primario o también, devanado primario. A la bobina B2 que actúa como receptora del flujo se llama arrollamiento secundario o devanados secundario.

3 Una manera de diferenciar los devanados es medir la resistencia de cada devanado, nos encontramos que la resistencia del devanado de alta tensión (A.T) es mayor a la resistencia del devanado de baja tensión (B.T). También podemos observar el grosor del conductor de cada devanado, y encontraremos que el devanado de B.T. tiene un conductor más grueso que el devanado de A.T., esto se debe a que por el devanado de B.T. circula una mayor corriente Se llama Tensión primaria y corriente primaria, a la tensión aplicada al primario y a la corriente que atraviesa dicho circuito. La tensión secundaria y corriente secundaria corresponden respectivamente a la tensión que aparece en el secundario y a la corriente que atraviesa este circuito cuando se le conecta una carga. Partes Núcleo magnético o armazón: Un transformador está constituido por un núcleo de material magnético que forma un circuito cerrado, y sobre de cuyas columnas o piernas se localizan los devanados, uno denominado primario que recibe la energía y el otro secundario, que se cierra sobre un circuito de utilización al cual entrega la energía. El núcleo determina características relevantes, de manera que se establece una diferencia fundamental en la construcción de transformadores, dependiendo de la forma del núcleo, y puede se llamado núcleo tipo columnas y el núcleo tipo acorazado, existen otros aspectos que establecen diferencias entre tipos de transformadores. Figura 3.- Núcleo magnético Devanados o bobinas: Uno de los devanados se conecta a la fuente de energía eléctrica alterna y el segundo (y quizás el tercero) suministra energía eléctrica a las cargas. El devanado del transformador que se conecta a la fuente de potencia se llama devanado primario o devanado de entrada, y el devanado que se conecta a la carga se llama devanado secundario o devanado de salida. Si hay un tercer devanado en el transformador, este se llama devanado terciario. Hay dos formas típicas de bobinados para transformadores los cilíndricos y planos. Los núcleos, con su forma, son los que determinan la elección de uno u otro tipo, salvo que se requieran

4 propiedades especiales, como ser baja capacidad distribuida, para uso en telecomunicaciones u otros. a. Bobinado cilíndrico: este tipo se usa cuando el núcleo del transformador es del tipo núcleo. b. Bobinado plano: este tipo se usa cuando el núcleo del transformador es del tipo acorazado. Los materiales aislantes para el bobinado, o para colocar entre capas, son: papel barnizado, fibra, micanita, cinta impregnada, algodón impregnado, etc., para transformadores con bobinados al aire, y para los sumergidos en baños de aceite, se utilizan los mismos materiales sin impregnarse; debe evitarse el uso del caucho en los transformadores en baño de aceite, pues este lo ataca, y tiene efectos nocivos también sobre la micanita y aun sobre los barnices Figura 4.- Devanados o arrollamientos de un transformador Boquillas terminales (BUSHING): Las boquillas se emplean para pasar de un conductor de alta tensión atreves de una superficie aterrizada, como son el caso del tanque de un transformador o de un reactor. Las boquillas deben ser capaces de transportar las corrientes de los equipos en régimen nominal y de sobrecarga, de mantener el aislamiento tanto para tensión nominal como para sobretensiones y de resistir también esfuerzos mecánicos. Las boquillas de acuerdo a las funciones desempeñadas se pueden clasificar en: a. Boquillas de terminales de línea b. Boquillas de terminales en neutro c. Boquillas de terciario

5 Figura 5.- Boquillas terminales (BUSHING) Tanque o cubierta: De acuerdo a su diseño hay tanques lisos, con aletas, con ondulaciones y con radiadores, dependen del tipo de aceite y medio de refrigeración para su selección. En general, consiste en una caja rectangular dividida en dos compartimientos a. Un compartimiento que contiene el conjunto convencional de núcleo-bobinas. b. Un segundo compartimiento para terminaciones y conexiones de los cables. Los conductores de cable primario están conectados por medio de conectores de enchufe para la conexión y desconexión de la carga. Los conductores del secundario van, por lo general, atornillados a terminales de buje. c. Tienen fusibles de varias clases que van en un porta fusibles colocado en un pozo que está al lado del tanque, de manera que pueda secarse del mismo. Figura 6.- Tanque, cubierta, carcaza o cua de un transformador monofásico

6 Figura 7.- Tipos de tanques Medio refrigerante: Durante su operación el transformador genera pérdidas en forma de calor, pérdidas de Joule. Por esto, es necesario un sistema de refrigeración que mantenga al transformador dentro de unos niveles de temperatura aceptables, ya que en el caso de que se den sobre temperaturas en los aislamientos estos verán reducido su tiempo de vida útil de manera considerable. Para la distinción de los tipos de refrigeración la normativa clasifica estos sistemas con un acrónimo de cuatro letras:

7 a. Primera letra: Designa el fluido refrigerante primario, que esta en contacto con las partes activas del transformador.- Aire (Air): A- Aceite (Oil): O- Agua (Water): W b. Segunda letra: Designa el método de circulación del fluido primario.- Natural: N- Forzada: F-Dirigida: D c. Tercera letra: Designa el fluido refrigerante secundario. d. Cuarta letra: Designa el método de circulación del fluido secundario Tabla 1.- Simbología para los distintos métodos de enfriamiento Método de enfriamiento Sumergido en aceite, con circulación natural de aire Sumergido en aceite con enfriamiento propio, con circulación de aire forzado Sumergido en aceite con enfriamiento propio, con enfriamiento con aceite forzado - aire forzado Sumergido en aceite, con enfriamiento por aceite forzado y con enfriadores de agua forzada Tipo seco con enfriamiento propio Tipo seco con enfriamiento por el aire forzado Tipo seco con enfriamiento propio y por aire forzado Símbolo OA OA/FA OA/FOA FOA AA AFA AA/FA Serpentinas y aparatos de refrigeración: Los transformadores en aceite poseen diferentes métodos de ventilación con el objeto de mantener sus temperaturas de operación dentro de valores normales (no excediendo los 55 o65 C sobre la temperatura ambiente). Para el efecto, en cada método utiliza accesorios como radiadores, ventiladores, intercambiadores de calor, bombas de circulación, etc, los cuales se encuentran instalados generalmente en el tanque del transformador y son usados de forma individual o en conjunto. Algunos de los métodos de ventilación usados en transformadores son: a. Refrigeración natural b. Refrigeración por aire forzado c. Refrigeración por aceite forzado d. Refrigeración por agua e. Combinación de los anteriores La eliminación del calor, es necesario para evitar una temperatura interna excesiva que podría acortar la vida del aislamiento, provocado por las pérdidas generadas en los devanados, pero también estas pérdidas dependen del diseño, la construcción, el tipo de transformador, sus características de voltaje, corriente y potencia, empleando así los distintos tipos de enfriamiento y diferentes equipos para poder disipar y eliminar el calor generado.

8 Figura 8.- Algunos tipos de refrigeración Indicadores: La función del indicador magnético de nivel de aceite es la de indicar y controlar el nivel del líquido aislante dentro del tanque de expansión del transformador. Se instala en la pared desmontable del tanque de expansión y está constituido por una caja circular magnética cubierta por un frente de vidrio a través del cual se observa un cuadrante graduado y un índice que señala el nivel correspondiente al líquido aislante. La caja posee dos sectores: una anterior hermética al aceite y a la humedad y otro posterior que se introduce en el tanque y en el cual está montado un imán permanente el cual se encuentra vinculado mediante un eje y una varilla a un flotante.

9 Figura 9.- Nivel de aceite Conmutadores (Taps) y auxiliares 1. Conmutadores: Se emplea para compensar las variaciones de tensión en la red, de manera que aun cuando la tensión primaria no sea la nominal se pueda ajustar la diferencia dentro de un rango de ±5% para que la tensión secundaria sea la requerida. El conmutador solamente se puede accionar estando desconectado el transformador. En grandes transformadores, se emplean interruptores escalonados, que conectan o desconectan espiras adicionales. Dichas espiras están montadas separadamente, constituyendo una bobina de maniobra y se puede conectar y desconectar también en carga y bajo tensión. 2. Auxiliares Conmutadores o taps a. Medidores de temperatura: Con la finalidad de que el personal encargado de la operación y mantenimiento del transformador pueda conocer la temperatura del líquido aislante, devanados, así como la del transformador, los fabricantes del mismo instalan los medidores de temperatura en el tanque del transformador.

10 Figura 10.- Medidores de temperatura b. Medidores de nivel: El indicador de nivel de aceite señala el nivel del líquido aislante contenido en el tanque principal del transformador o en comportamientos asociados. En los transformadores con tanque de conservación el medidor de nivel se encuentra instalado a un costado del mismo. En los transformadores sellados el medidor de nivel está instalado justo a la altura del nivel de aceite. Figura 11.-Medidores de nivel c. Dispositivo contra sobrepresiones: Es un equipo de protección contra sobrepresiones peligrosas dentro del tanque del transformador, es decir, este dispositivo sirve para aliviar la presión interna del tanque cuando esta excede un valor predeterminado. d. Relé buchholz: La protección que presta este dispositivo es simple y eficaz. El relé buchholz es empleado en transformadores que poseen tanque de conservación. El relé buchholz es un dispositivo que posee dos cámaras llenas de aceite con flotadores dispuestos verticalmente uno encima de otro. Si existen corrientes parasitas, sobrecalentamiento o descargas parciales dentro del transformador, se producirán burbujas de gas, las cuales se dirigirán hacia el tanque de conservación. En su camino hacia dicho tanque las burbujas de gas pasan por la tubería que conecta el tanque principal con el tanque de conservación ingresando al relé buchholz y localizándose en la cámara superior del mismo. A medida que

11 la cantidad de gas aumenta en la cámara, el aceite es desplazado y por ende el nivel de aceite en el relé disminuye. Al ser desplazado el aceite, el flotador superior desciende hasta que cierra el switch magnético que activa una alarma. Figura 12.- Relé buchholz e. Medidores de presión/vacío: El medidor de presión/vacío también llamado manovacuometro, es instalado en los transformadores tipo sellado. Este dispositivo nos proporciona la presión de nitrógeno que posee el transformador o la cantidad de vacío a la que se está sometiendo el transformador. f. Válvula para hacer vacío: Esta es una válvula que se encuentra localizada en la cubierta del transformador, a un costado del tanque, en su parte superior. Normalmente es del tipo diafragma y a ella deberá conectarse el ducto para hacer vacío de la máquina de tratamiento de aceite. Herrajes: Como se ha mencionado antes, los núcleos de los transformadores tienen partes que cumplen con funciones puramente mecánicas de sujeción de las laminaciones y estructuras, estas partes o elementos se conocen como herrajes o armadura y se complementan con componentes como fibra de vidrio o madera para protección de la sujeción de los yugos. Relación de Transformación Corresponde a la relación de vueltas en el primario con las vueltas del secundario.

12 Curva de magnetización Muestra el comportamiento de un material magnético exterior a él, que en el caso de los transformadores corresponde a la corriente de excitación en los devanados produce la variación del flujo alrededor del núcleo de manera ascendente y descendente. Figura 13.- Curva de Magnetización (Ciclo de Histéresis) La Histéresis, es el retardo en la magnetización o desmagnetización que experimentan los materiales ferromagnéticos luego de haber sido expuestos a un campo magnético, este retardo se denomina Ciclo de Histéresis. donde: I: Corriente H: Campo magnético dl. diferencial de longitud E: Tensión f: frecuencia N: número de espiras B: Inducción magnética ds: diferencial de superficie

13 Bibliografía Cortes M., Curso Moderno de Máquinas Eléctricas Rotativas. Edición 1974, Editorial ETA, Barcelona. Hindmarsh J., Máquinas Eléctricas y sus aplicaciones, Edicion 1974, Editorial Urmo, Bilbao. Kosow I., Máquinas Eléctricas y Transformadores, Editorial Revertee, Barcelona. Kostenko M., Piotrovshy L., Máquinas Eléctricas I y II Tomos, Editorial Montanes y Simons, Barcelona. Mora P., Transformadores y Máquinas Sincrónicas, Edición ULA.