Nociones básicas sobre transformadores.

Transcripción

1 Nociones básicas sobre transformadores. Introducción. Los transformadores han adquirido una muy amplia aplicación dentro e los sistemas de transporte de energía a grandes distancias, distribuirlas entre sus receptores y entre los diferentes dispositivos de rectificación, señalización, amplificación, etc. Durante el transporte de la energía eléctrica, por medio de las líneas de transmisión y distribución, se originan pérdidas que dependen de la intensidad de corriente a través de ellas. Para reducir estas perdidas es que se utilizan tensiones elevadas para la transmisión de la energía, resultando así menores intensidades para una misma potencia transmitida y por ende menores perdidas y también menores secciones transversales de los conductores. Por otra parte es necesario que en el lugar donde se va a utilizar o consumir esta energía las tensiones presenten valores mas bajos y además se adapten a las tensiones de los diferentes dispositivos de consumo, esto nos lleva a tener antes que nada una preferencia en la utilización de la corriente alterna sobre la corriente continua, debido a su facilidad para su transformación. La utilización de la corriente continua queda limitada a cierta aplicaciones, como por ejemplo regulación de motores, sin embargo en la actualidad con el gran avance en los dispositivos de electrónica de potencia los usos de esta forma de corriente es cada ves mas utilizada, como así también en los casos de transporte de energía en sistemas de extra-alta tensiones (000 kv). La energía eléctrica se produce en las centrales eléctricas por alternadores sincrónicos a tensiones del orden de los kv a 8 kv; aunque esta tensión es muy alta para ser utilizada directamente por los consumidores, resulta, sin embargo insuficiente para su transmisión económica a lugares distantes para ello es necesaria la utilización de transformadores que eleven la tensión para la posterior transmisión de la energía. Los receptores de dicha energía transmitida (lámparas incandescentes, motores eléctricos, etc.) están diseñados por cuestiones de seguridad para trabajar en tensiones muy inferiores (0 V a 380 V aproximadamente), por lo que en este caso es necesario reducir la tensión proveniente de las líneas de distribución a estos valores mucho menores, utilizándose en este caso transformadores reductores de tensión. Como se observa los niveles de tensión de los sistemas de transmisión, distribución y de consumo han sido modificados varias veces desde el punto de generación hasta su destino final, el de consumo por lo que se ve la importancia de los transformadores en este proceso de llevar la energía desde la central eléctrica hasta los usuarios finales. Principio de funcionamiento. Al proceso de cambio de tensión en un sistema de transporte de energía (transmisión o distribución) se llama Transformación. Para este proceso de cambio de un nivel de tensión a otro utilizaremos una maquina la cual se denomina transformador. Estos se encuentran entre las denominadas Pagina de

2 maquinas eléctricas estáticas, ya que no existen piezas que tengan movimientos dentro del mismo. Primeramente veremos el transformador monofásico y al posteriormente analizaremos los transformadores trifásicos. El transformador monofásico. El funcionamiento del transformador se funda en el fenómeno de inducción electromagnética el transformador consta, en forma simplificada, de un núcleo de hierro cerrado sobre el cual se disponen dos arrollamientos (bobinas). no de estos arrollamientos es el que recibe la energía y es denominado arrollamiento de entrada o primario, independientemente sea el que esta conectado al lado de mayor o menor tensión. El arrollamiento del cual se toma la energía a la tensión transformada se denomina arrollamiento de salida o secundario, igual que en el caso anterior este puede ser el de mayor o menor tensión en la maquina. Si el arrollamiento primario esta conectado a una señal de tensión de corriente alterna ( ), por este circulara una corriente que creara en el núcleo de hierro de la maquina un flujo magnético alterno, este flujo corta las espiras del bobinado secundario, induciendo una f.e.m. en los extremos del mismo ( ). Esta corriente por el bobinado primario es la denominada Corriente de magnetización o I 0 del transformador. El núcleo de hierro y flujo magnético. Con el objeto de mejorar el enlace magnético entre los arrollamientos primario y secundario, estos se sitúan sobre un conductor magnético de acero. El núcleo se construye de este material porque posee una gran permeabilidad, lo cual constituye en un muy buen conductor del flujo magnético. Tanto el arrollamiento de entrada como el de salida envuelven la misma columna del núcleo de hierro. En un transformador el núcleo tiene dos misiones fundamentales: Pagina de

3 - Desde el punto de vista eléctrico (y esta es su misión principal) es la vía por la que discurre el flujo magnético y de esta forma se conectan los dos bobinados. - Desde el punto de vista mecánico es el soporte de los arrollamientos en el que se apoyan, dándole la rigidez mecánica necesaria a la maquina. Régimen de trabajo del transformador. Funcionamiento en vacío. Durante la marcha en vacío del transformador, bobinado secundario sin carga, es decir, sin circulación de corriente por el mismo, por el bobinado primario circulará la corriente de vacío de la maquina o corriente de magnetización I 0, la cual es varias veces menor a la corriente por este bobinado en carga nominal o I n, la I 0 es del orden del 3,5 % al 5 % de este valor. La fuerza magnetomotriz generada por esta corriente es igual a I 0 N, esta f.m.m. es la que generara el flujo magnético,ϕ en el núcleo del transformador y es quien induce las f.e.m. correspondientes en los arrollamientos que este atraviesa (bobinados primario y secundario). Para cada variación de este flujo que atraviesa alguna espira se induce en esta una f.e.m. dada por la siguiente expresión: ϕ f. e. m. = e = t Si ϕ esta expresado en Webers y t en Segundos, la f.e.m. obtenida estará expresada en Voltios. Los arrollamientos del transformador tienen corrientemente un gran número de esperas N en el primario N en el secundario, por lo que las f.e.m. inducidas en cada bobinado serán: e = N ϕ t e = N ϕ t Como vimos este flujo magnético es producido por una corriente del tipo sinusoidal de por lo cual su forma será de este tipo ϕ t = ϕ maxsen( ϖt) siempre y cuando la el primario del transformador este conectado a la red cuya señal de tensión es también del tipo sinusoidal. De esto que dijimos anteriormente deducimos que las f.e.m. inducidas serán también sinusoidales. Podemos ahora determinar cual será el valor máximo de estas f.e.m. inducidas llegando a la siguiente expresión: = f = f E 4, 44 N ϕ max E 4, 44 N ϕ max Pagina 3 de

4 Como en el funcionamiento en vacío del transformador no hay circulación de corriente en el secundario la tensión a los bornes del mismo será igual a f.e.m. inducida es decir = E, en el circuito primario la circulación de corriente es muy pequeña, solo la corriente de vacío o I 0 por lo que podemos decir que la tensión a los bornes de este bobinado difiere en muy poco con la f.e.m. inducida en el mismo E. La relación entre las tensiones a los bornes de los arrollamientos primarios y secundarios con el transformador en vacío se denomina relación de transformación y es igual a: E E n = = N N De esta última expresión se puede deducir fácilmente que es posible obtener diferentes valores de tensión sobre el primario y el secundario, simplemente variando la relación de espiras del bobinado primario y del secundario. Funcionamiento en carga. Si el bobinado secundario del transformador se conecta a cualquier carga eléctrica, entonces en el circuito secundario circulara la corriente de secundario I y en el primario la corriente I que representa la suma geométrica de la corriente de vacío y la de carga del secundario reflejada en el primario. Hay que tener en cuenta que los arrollamientos primario y secundario no están conectados eléctricamente entre si, pero ambos están bajo la influencia del enlace magnético del flujo que afecta a ambos, por lo que cualquier variación en la corriente del secundario provoca una variación en la del primario y viceversa. Si se desprecian las pérdidas que se producen en el transformador (ver mas adelante perdidas en el hierro y en el cobre), la potencia suministrada al receptor ( I ) es igual a la de entrada al transformador ( I ), es decir: I = I y recordando a como habíamos definido la relación de transformación de la maquina, podemos escribirla de la siguiente forma: n = = = N N I I De esta expresión podemos deducir que la tensión a los bornes del primario es n veces la del secundario ( = n ) y que de la misma forma la corriente del secundario será n veces la correspondiente al primario ( I = n I ), así pues, la corriente por el bobinado de mayor tensión será siempre menor que la correspondiente al de menor tensión. Pagina 4 de

5 Algunos ejemplos a tener en cuenta Ejemplo. Si el numero de vueltas del arrollamiento de entrada (primario) es N=00 y el del arrollamiento de salida (secundario) es N=00 y al primario se le aplica un tensión de 0 V, podremos observar que en voltímetro conectado a la salida indicara aproximadamente 0 V. Ejemplo. Si en el caso del trasformador anterior estamos alimentando una carga a través del bobinado secundario, y por esta carga circula una corriente I de 5 A, por el bobinado primario la corriente I que circula es de 0 A. Rendimiento de un transformador. El rendimiento de un transformador esta definido como el cociente entre la potencia P suministrada por el secundario a la carga y la potencia P potencia absorbida en el primario a la fuente de alimentación. η = P P = P P + P + 0 P cc La potencia absorbida por el primario P es igual a la suma de las potencias suministrada por el secundario a la carga P y las potencias de perdidas de vacío (o en el hierro) P o y las de cortocircuito (o en el cobre) P cc Perdidas en el hierro. (P 0 ) Estas dependen del flujo que circula por el circuito magnético. Este flujo es independiente de la corriente de carga a la que este sometido el transformador por lo que estas perdidas serán siempre las mismas. Se las denomina comúnmente pérdidas en vacío por que son prácticamente las únicas que hay cuando el transformador se encuentra en esta condición. Las perdidas en el hierro son de dos clases: Perdidas por corrientes de Foucault. Las chapas que conforman el núcleo están sometidas a variaciones del flujo y esto produce corrientes en su interior. Estas se denominan corrientes de Foucault y producen calentamiento de las chapas por efecto Joule. Estas corrientes parásitas son producidas por la aparición de tensiones inducidas en el material y como este es buen Pagina 5 de

6 conductor eléctrico aparecen corrientes dentro del núcleo (corrientes de Foucault) que asociadas a la resistencia ohmica del hierro producen el calentamiento del mismo y por consiguiente perdida de energía. Esto puede ser evitado en gran medida utilizando un núcleo laminado, por apilamientos de chapas de pequeño espesor, aisladas una de otras, con lo que se aumentan en gran medida los valores ohmicos de núcleo y por ende se reducen en forma considerable los valores de estas corrientes parásitas, por lo cual tambien se reducen las pérdidas producidas por ellas. Perdidas por Histéresis. Las sustancias denominadas ferromagnéticas como el hierro se imantan cuando están sometidas a un campo magnético de inducción B. La imantación adquirida es grande y dirigida en el sentido de la inducción B. Si se hace aumentar el campo, la susceptibilidad del hierro no es constante y varia con la magnitud del campo magnetizante, la imantación adquirida tiende hacia un limite para el cual el hierro se satura. Si se hace decrecer el campo, para un determinado valor del mismo no se obtiene el valor anterior de inducción. Curva de Histéresis típica. La perdidas por Histéresis son mas difíciles de evitar, para ello se recurren a materiales que presentan lazos de histéresis mas delgados (de menor área) lográndose de esta manera disminuir las mismas pero no eliminarlas. Perdidas en el cobre. (P CC ) Cuando el transformador esta trabajando en condiciones de carga normales, sobre el bobinado secundario tendremos conectada una serie de cargas (dispositivos que consumen energía), las cuales producen una circulación de corriente por dicho arrollamiento, esta corriente se ve reflejada en el bobinado primario, estas corrientes son las denominadas corrientes nominales I n, de la maquina y son las que permiten obtener la potencia de diseño del trasformador cuando el mismo esta conectado a líneas de alimentación de tensión igual a la nominal del mismo. Esta circulación de corriente y debido a que los bobinados del transformador presentan valores de resistencia proporcionales a la sección y características de los conductores que los forman, producirá el calentamiento de la maquina en función de la relación I R, estas perdidas son las denominadas perdidas en el cobre de la maquina. n Pagina 6 de

7 Tanto las perdidas en el hierro como las perdidas en el cobre pueden ser determinadas y medidas a través de dos ensayos característicos para los transformadores, el ensayo de vacío y el de cortocircuito respectivamente. Flujo de dispersión Cuando el transformador esta trabajando con carga circulan corrientes por ambos arrollamientos. Como se sabe por todo conductor por el cual circula una corriente eléctrica produce un campo magnético que lo envuelve, al estar formado cada bobinado por muchos conductores cada uno de estos producirán un flujo magnético que solo atraviesan aquellas espiras que lo generan y ese recorre principalmente el espacio que existe entre los arrollamientos, llamado canal de dispersión, y cierra su circuito al salir de dicho canal en parte a través de la columna sobre la que esta armado el bobinado y en parte a través del aire y piezas mecánicas que forman el transformador, este flujo es el denominado flujo de dispersión y depende de los valores de la corriente de carga de la maquina y de las dimensiones del canal de dispersión. Este flujo de dispersión induce en los arrollamientos caídas de tensión del tipo inductiva, estas están presentes tanto en el bobinado primario como en el secundario. La caída de tensión producida por este flujo y que esta presente en el bobinado primario esta en oposición a la tensión de alimentación del mismo por lo cual la tensión a transformar por la maquina es menor. En el caso de la caída de tensión de dispersión en el secundario reducirá más la tensión a los bornes de salida del mismo. A estas dos caídas hay que sumarles las producidas por las resistencias de los bobinados primarios y secundarios. De todo esto se deduce que la expresión n N = es solo valida cuando las caídas N de tensión anteriores pueden despreciarse, es decir en el caso en que el transformador este funcionando en vacío. El transformador trifásico. Para la transmisión y distribución de la energía eléctrica se utilizan en lugar de sistemas de corriente alterna monofásicos, sistemas trifásicos, por lo que se ha diseñado y creado el transformador trifásico. Por regla general, y en su construcción Pagina 7 de

8 más común, el núcleo del transformador trifásico está formado por tres columnas adyacentes dispuestas en un mismo plano y unidas entre sí por culatas, según se ve en la figura. Cada columna tiene un arrollamiento de alta tensión y otro de baja tensión correspondiente a cada fase, formando de esta forma tres arrollamientos primarios y tres secundarios. La conexión eléctrica de estos tres arrollamientos tanto en el primario como en el secundario puede tomar la disposición estrella o triángulo, que presentan sus méritos y desventajas propias. La conexión estrella es adecuada para mayores tensiones, pues debe soportar la tensión de fase y no la de línea. Brinda además la posibilidad de conectar el neutro a tierra. La conexión triángulo permite mayores corrientes nominales y ofrece otras ventajas que son más difíciles de cuantificar y escapan al objetivo de este curso. Estas consideraciones hacen que casi la totalidad de los transformadores de distribución de media a baja tensión, sean del tipo triángulo - estrella, ofreciendo el neutro en el secundario para la conexión de las cargas monofásicas. La distribución de corrientes y tensiones en esta conexión se muestran en el circuito esquemático que se da a continuación, donde las magnitudes de cada fase del primario son indicadas con las letras A, B y C y las del secundario con a, b y c, las tensiones y corrientes compuestas se indican con doble subíndice. A esta configuración se la designa como Dy, D de delta (triángulo) en el primario, y por estrella en el secundario y el número representa un desfasaje entre las tensiones del primario y del secundario. Esta designación (Dy) se conoce como grupo de cohesión del transformador. Los puntos que aparecen en la figura indican la polaridad de cada bobinado, es decir el sentido en el que están arrollados cada uno de los bobinados del transformador. Si las conexiones no poseen la polaridad correcta se puede originar un cortocircuito (en el caso de bobinados en triángulo) o puede aparecer un fuerte desequilibrio de tensiones (en el caso de bobinados en estrella). Pagina 8 de

9 En la figura anterior se muestran dos formas diferentes de conectar correctamente las polaridades de los bobinados. La capacidad en potencia aparente de los transformadores trifásicos (kva) es tres veces la capacidad de cada fase (primario-secundario) y matemáticamente se expresa como: 3.V f.i f, donde V f e I f representan la tensión de fase y corriente de fase respectivamente. Designación de los bornes de un transformador. Para la identificación y designación de los bornes correspondiente a cada fase y neutro del transformador se ha adoptado la siguiente convención: Transformadores monofásicos. Los bornes de alta tensión se designan por las letras mayúsculas y V, mientras que para los bornes de baja tensión las letras minúsculas u y v. Transformadores trifásicos. Los bornes de alta tensión se designan por las letras mayúsculas, V y W mientras que para los bornes de baja tensión las letras minúsculas u, v y w, siempre que los comienzos de los arrollamientos se conecten a los bornes, si por el contrario son los finales de los arrollamientos los que conducen a los bornes, estos se designan x, y y z minúsculas. La disposición de los bornes de transformador de potencia puede verse el la figura. El borne neutro (conexión común de las tres fases del sistema) se designa por N mayúscula para el lado de alta tensión y n minúscula para el lado de baja. En los esquemas eléctricos los transformadores se representan con el símbolo de que se da a continuación (por ejemplo: transformador monofásico de 0 V / 0 V, 000 VA, 50 Hz). Tipos de construcción. Según sea los tipos de construcción o aplicación de los transformadores, estos se dividen según sea su finalidad de utilización y potencia, en: Pequeños transformadores. Con potencias de hasta 6 kva. Transformadores de red o de distribución. Con potencias de hasta unas 600 kva. Pagina 9 de

10 Grandes transformadores. Con potencias desde unos 000 kva ( MVA) hasta 000 MVA Aspectos constructivos de transformadores de distribución Los transformadores de distribución se emplean para reducir la tensión de las redes de distribución de media tensión (en nuestro país 33 kv ó 3, kv de tensión de línea) para abastecer directamente las redes de baja tensión ( 400/3 V). Estos transformadores de distribución constan de una cuba de chapa, dentro de la cual está inmersa en aceite aislante la parte activa (núcleo de hierro y arrollamiento), unida a la tapa de la cuba mediante tornillos. Sobre esta tapa se sujetan los aisladores pasatapa de porcelana y el recipiente de expansión del aceite, (ver figura). La función del aceite es doble, por un lado aislar las partes activas de la maquina de la cuba y por el otro como medio refrigerante. Ambas funciones las cumple muy bien un aceite mineral conocido como aceite para transformadores, el cual es combustible por lo cual se deben tomar las precauciones de seguridad necesarias. Por lo general se dispone en el lugar de instalación de una fosa capaz de contener todo el líquido del transformador para prevenir que este se propague en caso de incendio. El transformador sometido a carga desprende calor, el cual se transmite al medio a través de las paredes de la cuba, por ello la misma se construye con el fin de proporcione la mayor superficie posible para poder irradiar el calor generado en su interior por las partes activas del transformador y transmitido a sus paredes por el aceite en el que esta sumergido. Podemos incluir en este grupo de transformadores (los de distribución) los de aislación seca, en estos el aire circundante de los bobinados es el encargado de la refrigeración de los mismos, como el aire no es tan buen aislante como el aceite, las distancias entre los bobinados son mayores que en los anteriores. Se suelen construir también transformadores en seco en los que los arrollamientos de alta y baja tensión se encuentran totalmente incluidos en resina colada o del tipo epoxi. En la figura se muestra uno de estos transformadores. Pagina 0 de

11 Calentamiento de un transformador y su relación con la vida útil. Las pérdidas en el cobre y en el hierro (ya mencionadas) hacen que, durante su funcionamiento, se calienten los bobinados y el núcleo del transformador. Este calentamiento hace aumentar la temperatura de la máquina hasta alcanzar el equilibrio térmico que es el punto en el que el calor producido es completamente disipado al medio circundante. En este punto se alcanza la temperatura de funcionamiento para ese estado de carga. De esto último se deduce que el límite máximo de carga que puede entregar el transformador será aquel en el cual la temperatura final de funcionamiento que alcance sea la máxima soportada por el aislante. Esto es así debido a que el compuesto empleado como aislante de los bobinados es el más débil térmicamente hablando ya que soporta temperaturas de hasta 0 C a 60 C dependiendo del tipo de aislante. Mientras que el cobre y el hierro soportan temperaturas muy superiores. El calentamiento de un transformador desde que se conecta hasta que llega a la temperatura de régimen se produce en forma exponencial. Donde la temperatura final depende de la potencia y constantes físicas del mismo. El valor de temperatura final es elevación de temperatura por sobre la ambiente, si existe precarga será la sobreelevación por encima de la temperatura que había alcanzado previamente. La temperatura máxima admisible es función del tipo de aislante (del bobinado y aceite) que se este utilizando en la maquina. Para transformadores en aceite tipo la elevación de temperatura sobre la ambiente admisible para los bobinados es de 65 C (promedio). Temperaturas superiores a estas deterioran el aislante muy rápidamente disminuyendo su vida útil. La vida útil de la máquina está altamente condicionada al estado del material aislante, por lo que será función de la temperatura de trabajo y del tiempo en servicio. Esto quiere decir que la vida esperada de un transformador está calculada para un régimen de funcionamiento continuo a una temperatura igual a la admisible del aislante (65 C), lo que equivale a mantener la carga nominal y la temperatura ambiente de diseño continuamente. Evidentemente estas condiciones no son reales ya que en general el régimen de carga es variable, por lo tanto la vida útil real dependerá del régimen de carga al que se somete el transformador, teniendo mayor expectativa de vida si este régimen de funcionamiento está por debajo del nominal y menor vida útil si la máquina se carga en exceso. Para determinar el consumo de vida útil por día de trabajo en base al régimen de carga se puede emplear el método de Montsinger que considera que la vida útil se disminuye a la mitad con el aumento de temperatura en 6 C sobre la admisible y se duplica con la disminución en el mismo valor. Este método no será detallado para este curso Determinación de las pérdidas. Perdidas en el hierro. Para la determinación de estas se debe realizar en ensayo denominado ensayo de vacío el cual esta especificado por la norma IRAM 06. Esta especifica que el mismo debe realizarse a valores de tensión y frecuencia nominal en los bobinados primario y secundario. Dado que el transformador esta en vacío (no Pagina de

12 tiene carga en el secundario), la única corriente que circula es (I 0 ) la necesaria para producir el flujo magnético y, por lo tanto, la que alimenta las pérdidas en el núcleo. Por lo tanto la potencia P 0 que se mide con el vatímetro son las pérdidas en el núcleo y la corriente que mide el amperímetro es la corriente de vacío I 0 Este ensayo se puede realizar alimentando el bobinado de alta o de baja tensión ya que el flujo magnético será el mismo independientemente del bobinado por el cual se alimente la máquina. Circuito de ensayo. Perdidas en el cobre. Para la determinación de estas perdidas se realiza el denominado ensayo en cortocircuito del transformador, también especificado en la norma IRAM 06. Se debe alimentar el primario del transformador con una tensión reducida, mientras mantenemos el secundario cortocircuitado mediante un amperímetro, el valor de tensión es el suficiente como para lograr hacer circular en el circuito secundario un valor de corriente igual a la nominal de la maquina. Como la tensión es pequeña el flujo es también muy pequeño y por lo tanto, en cortocircuito las perdidas en el hierro son perfectamente despreciables. De esta manera la potencia que mide el vatímetro es prácticamente igual a las pérdidas en el cobre. n valor particularmente importante que se determina durante el ensayo en cortocircuito es el de la tensión necesaria para que circule la corriente nominal en los bobinados, medida con el voltímetro. Esta tensión se conoce como tensión de cortocircuito ( cc ) y comúnmente se expresa como un porcentaje de la tensión nominal del bobinado. Los valores normales especificados por norma son: Transformadores rurales Todas las Pot. 4,5% ± 0% Transformadores de distribución Hasta 630 kva 4% ± 0% Más de 630 kva 5% ± 0% La importancia de esta tensión radica en que su valor da una idea de la caída de tensión que se produce en el transformador cuando este se encuentra trabajando a plena carga (si bien no es el valor exacto ya que depende del factor de potencia de la carga). También es muy importante en el cálculo de cortocircuito en los sistemas ya que a partir de la tensión de cortocircuito se puede calcular la impedancia interna (de dispersión) de la máquina. Pagina de