4.2 Transformadores de potencia

Transcripción

1 4. Transformadores de potencia 4.. Generalidades Descripción Circuito magnético Circuito eléctrico Refrigeración Aspectos constructivos 4.. Principio de funcionamiento El transformador ideal Funcionamiento en vacío Funcionamiento en carga 4..3 Circuito equivalente Reduión al primario Circuito equivalente exacto Circuito equivalente aproximado 4..4 Transformadores trifásicos Descripción Grupos de conexión

2 4. Transformadores de potencia 4..5 Ensayos del transformador Ensayo de vacío Ensayo de cortocircuito 4..6 Rendimiento del transformador Pérdidas en el transformador Rendimiento 4..7 Regulación de tensión Caída de tensión Regulación de tensión: cálculo aproximado Efecto Ferranti 4..8 Placa de características 4..9 Datos de catálogo

3 Máquina eléctrica que se utiliza en la red eléctrica para cambiar los niveles de tensión Pérdidas muy reducidas: potencia de entrada casi igual a la de salida Componentes básicos: Circuito magnético Devanados primario y secundario El devanado de mayor tensión presenta menores intensidades que el de menor (porque la potencia es casi constante) Flujo magnético Relación de transformación:r t / Transformador elevador: rt< Transformador reductor: rt> Características principales: Tensiones nominales: n, n 4.. Generalidades Descripción I I Potencia aparente nominal: S n Intensidades nominales: I n, I n Frecuencia nominal Primario Secunda Núcleo de chapa magnética aislada

4 nión a tope nión a solape Seión columna 4.. Generalidades Circuito magnético Apilamiento de chapas de material ferromagnético de pequeño espesor Las chapas están aisladas para reducir pérdidas por corrientes parásitas Tipos de núcleos magnéticos de transformadores monofásicos: Columnas Culatas Normal Acorazado El núcleo suele aproximarse a una seión circular a base de paralelepípedos Posibles tipos de unión de las chapas: solape y tope Posibles tipos de corte de las chapas: 45 y 90 grados

5 Forma circular dispuestos concéntricamente a la columna Compuestos por conductores aislados entre si: Hilos de cobre esmaltados (trafos de pequeña potencia) Pletina de cobre encintada (trafos de elevada potencia) Devanado de baja tensión siempre en el interior para disminuir los gradientes de tensión, pues el núcleo está puesto a tierra Disposiciones: 4.. Generalidades Circuito eléctrico Devanados concéntricos Devanado en galletas Alta tensión Baja tensión Aislamiento

6 4.. Generalidades Circuito magnético y eléctrico Detalle de un núcleo magnético Proceso de conformado de un devanado

7 Pérdidas en el transformador: Núcleo magnético (histéresis y corrientes parásitas) Joule en los devanados Necesidad de evacuar las pérdidas para mantener la temperatura por debajo del límite térmico de los aislamientos: elevada superficie específica Propiedades del medio refrigerante: Alta conductividad térmica Alta rigidez dieléctrica Posibilidades: 4.. Generalidades Refrigeración Baño de aceite (transformadores en baño de aceite) Resina epoxídica (transformadores secos) Tipos de refrigeración en transformadores: Exterior (natural o forzada) Interior (natural o forzada) Notación del tipo de refrigeración. Ejemplos: OFAF (Oil Forced Air Forced): refrigeración interior y exterior forzada ONAN (Oil Natural Air Natural): refrigeración interior y exterior natural ONAF (Oil Natural Air Forced): refrigeración interior natural y exterior forzada

8 4.. Generalidades Refrigeración Transformador en aceite Transformador seco

9 4.. Generalidades Aspectos constructivos Núcleo de hierro Devanados 3 Cuba 4 Radiadores 5 Depósito de expansión 6 Bornas de alta tensión 7 Bornas de baja tensión 8 Placa de características Transformador en aceite

10 4.. Principio de funcionamiento El transformador ideal Hipótesis de funcionamiento: Devanados: Sin pérdidas Joule Sin flujos de dispersión Circuito magnético: Sin pérdidas en el hierro Permeabilidad infinita (posibilidad de existencia de flujo sin consumo de intensidad magnetizante) Ecuaciones: Segunda ley de Kirchhoff en cada devanado u u e e N N dφ dt dφ dt I I E E 4.44N 4.44N fφ fφ N N r t

11 4.. Principio de funcionamiento El transformador ideal Ecuaciones: Circuito magnético asociado F R I F F R φ NI N I 0 I r t + + F N I F N El transformador ideal es una dispositivo teórico que no existe en realidad A partir de este modelo ideal se incorporarán cada una de las simplificaciones enunciadas anteriormente para obtener el modelo del transformador real Modelo del trafo ideal I I + r t : + I I r - - t N N r t

12 4.. Principio de funcionamiento El transformador real: funcionamiento en vacío Transformador en vacío: no se tiene conectada ninguna carga en el secundario Introduión de la permeabilidad finita del circuito magnético: Se necesita una intensidad para magnetizar el núcleo Se calcula a partir de la curva de magnetización B-H punto a punto Conclusiones: La intensidad de vacío no es senoidal sino deformada debida a la saturación La intensidad de vacío está en fase con el flujo Si se considera la senoide equivalente se puede hacer un diagrama fasorial I 0 F

13 4.. Principio de funcionamiento El transformador real: funcionamiento en vacío Introduión de las pérdidas en el circuito magnético Ahora la curva de magnetización describe el ciclo de histéresis Se calcula de forma similar a la anterior Conclusiones: La intensidad de vacío no es senoidal sino deformada (saturación e histéresis) La intensidad de vacío adelanta al flujo Si se considera la senoide equivalente se puede hacer un diagrama fasorial I o : Intensidad de vacío I o I fe : Componente de pérdidas en el hierro I Fe f o I m F I m : Componente de magnetización

14 4.. Principio de funcionamiento El transformador real: funcionamiento en vacío Modificación del circuito equivalente del transformador para tener en cuenta: Permeabilidad finita del material: I m retrasa a la tensión reactancia X m Pérdidas en el hierro: I fe en fase con la tensión resistencia R fe + I o r t : + I Fe I m E - R Fe jx m E E - - I Fe f o I o I m F

15 4.. Principio de funcionamiento El transformador real: funcionamiento en vacío Modificación del circuito equivalente del transformador para tener en cuenta: Resistencia del devanado primario: R Flujo de dispersión en el devanado primario: X La tensión primaria no es idéntica a la fuerza electromotriz E y E + R jx I o r t : + I Fe I m jx I o E R I o - R Fe jx m E - - E I Fe f o I o I m F

16 4.. Principio de funcionamiento El transformador real: funcionamiento en carga Transformador en carga: se conecta una carga en el secundario (circula intensidad) En el devanado secundario existirán los mismos efectos que en el primario: resistencia y reactancia de dispersión + R jx R I I 0 + I /r t I /r jx t I + r t : + + I Fe I m R Fe jx m E E jx I E jx I E R I R I I F I F

17 4..3 Circuito equivalente Reduión al primario n circuito eléctrico que incluye transformadores no tiene un único nivel de tensión Para resolver este inconveniente se puede realizar la reduión a uno de los devanados. En el transformador ideal: I I + r t : + ' ZcI ZcI rt ZcI ' Zc rt Z c - - Z c N N r t I I r t Z c La impedancia se ve desde el primario con valor Z c Las magnitudes que están en un secundario y se reducen al primario se notarán M Las magnitudes que están en un primario y se reducen al secundario se notarán M Con la reduión a uno de los devanados desaparece el transforma dor ideal del circuito, existiendo un único nivel de tensión

18 4..3 Circuito equivalente Circuito equivalente exacto Consiste en reducir a uno de los devanados, generalmente el primario jx I + R jx R jx I I + I Fe I m + E E R I jx I R Fe jx m E E I R I I I 0 F

19 4..3 Circuito equivalente Circuito equivalente aproximado La resistencia y reactancia de dispersión son tan pequeñas que la fuerza electromotriz E puede suponerse igual a la, lo que plantea una simplificación I I R jx R jx + I Fe I m + E E E E - R Fe jx m La suma de las impedancias primaria y secundaria se denomina impedancia de cortocircuito: j(x +X )I - (R + R )I I I 0 R X R X + R + X Z R + X I F

20 4..4 Transformadores trifásicos Descripción La transformación trifásica se puede realizar a partir de: Banco trifásico de tres transformadores monofásicos Se pueden realizar conexiones en estrella o en triángulo tanto en primario como en secundario R S T º º º º º º º T º T º T3 º T º T º T r s t Banco estrella-estrella r s t Banco triángulo-triángulo

21 4..4 Transformadores trifásicos Descripción La transformación trifásica se puede realizar a partir de: Transformador trifásico de tres columnas: Cada columna contiene los devanados de alta y baja de una fase Alta tensión Baja tensión Aislamiento Fase R Fase S Fase T Las conexiones de estas bobinas pueden ser en estrella y en triángulo

22 4..4 Transformadores trifásicos Grupos de conexión Designación de los transformadores trifásicos: dos letras más un número Primera letra: conexión del devanado de alta tensión Estrella: Y Triángulo: D Segunda letra: conexión del devanado de baja tensión: Estrella: y Triángulo: d Número: índice horario Se refiere al ángulo de desfase de las tensiones secundarias con respecto a las primarias La tensión primaria se toma como origen de fases a las horas El índice horario se refiere a la hora que está marcando la tensión secundaria (ángulo de desfase en grados dividido por 30) Ejemplo: Yy0 Devanado de alta tensión en estrella Devanado de baja tensión en estrella Desfase nulo R r T S t s

23 4..4 Transformadores trifásicos Grupos de conexión Designación de los transformadores trifásicos: dos letras más un número Ejemplo: Yy6 Devanado de alta tensión en estrella Devanado de baja tensión en estrella Desfase 80 grados R s t T S r Ejemplo: Dy R Devanado de alta tensión en triángulo r Devanado de baja tensión en estrella Desfase 30 grados s T S t Ejemplo: Dy5 Devanado de alta tensión en triángulo Devanado de baja tensión en estrella R s t Desfase -50 grados T S r

24 4..5 Ensayos del transformador Objeto Deducido el circuito equivalente del transformador se necesita conocer el valor de cada uno de sus parámetros Para ello se procede al ensayo de los transformadores en laboratorio Medidas a adquirir durante el ensayo: Tensiones Intensidades Potencias Son idénticos tanto para el caso monofásico como para el trifásico En el ensayo trifásico se miden magnitudes de línea y potencias trifásicas Los ensayos determinarán los valores del circuito equivalente aproximado del transformador: Ensayo de vacío: rama de magnetización Ensayo de cortocircuito: impedancia de cortocircuito

25 4..5 Ensayos del transformador Ensayo de vacío Condiciones de realización del ensayo: Secundario abierto (sin carga) Tensiones de alimentación primarias cercanas a la nominal. Si la tensión es la nominal, el ensayo se realiza en condiciones nominales Medidas que se realizan: Tensión de vacío primaria y secundaria: 0 y 0 Intensidad de vacío: I 0 Potencia de vacío: P 0 Esquema del ensayo A W I 0 0 V V 0

26 4..5 Ensayos del transformador Ensayo de vacío Circuito equivalente aproximado asociado al ensayo: + I 0 I Fe I m E E E - R Fe jxm I Fe f o I o I m F Cálculo de los parámetros de la rama de magnetización (caso monofásico): I o cos I ϕo I Fe µ P o ϕo ϕo oio I I o o cosϕ sinϕ o o R X Fe µ I I Fe o µ o

27 4..5 Ensayos del transformador Ensayo de cortocircuito Condiciones de realización del ensayo: Secundario cortocircuitado Intensidad de alimentación primarias cercanas a la nominal. Si la intensidad es la nominal, el ensayo se realiza en condiciones nominales Medidas que se realizan: Tensión de cortocircuito: Intensidad de cortocircuito: I Potencia de cortocircuito: P Esquema del ensayo V A W I

28 4..5 Ensayos del transformador Ensayo de cortocircuito Circuito equivalente aproximado asociado al ensayo: I R jx + jx I R I - f Cálculo de los parámetros de la rama de cortocircuito (caso monofásico): I Z cos I P ϕ ϕ I ϕ R X Z Z cosϕ sin ϕ

29 4..6 Rendimiento del transformador Balance de pérdidas Las pérdidas del transformador son: Pérdidas Joule del devanado primario Pérdidas del hierro P J R I E P Fe R R Pérdidas Joule del devanado secundario Fe P J RI tilizando el circuito equivalente aproximado, dichas pérdidas se concentran en: Pérdidas Joule en los devanados Fe I Fe Pérdidas del hierro P Fe R ' I P Fe R R Fe I Fe

30 4..6 Rendimiento del transformador Rendimiento El rendimiento se define como el cociente entre la potencia cedida y la absorbida: η P P I I cosϕ cosϕ En función de la potencia cedida por el secundario y las pérdidas: η P P P + P P Fe + P Definición de índice de carga: Se puede obtener una expresión aproximada si se supone: I I S c n S n n P I cosϕ ncin cosϕ csn cos P R I ' ' Rc In c P n ϕ η cs n cs cosϕ n cosϕ + P + c Fe P

31 4..7 Regulación de tensión Caída de tensión Transformador en vacío: si se alimenta a tensión nominal la tensión secundaria es la nominal: n Transformador en carga: si se alimenta a tensión nominal la tensión secundaria no es la nominal: c Definición de caída de tensión n c Regulación de tensión: expresión de la caída de tensión en por unidad: ε c n n c n ' n c

32 4..7 Regulación de tensión Cálculo aproximado Expresión aproximada de la regulación de tensión utilizando el circuito equivalente aproximado: jx I D R I f jx I B D C f AB + BC + CD AB + BC ' AB RI cosϕ crin cosϕ ' BC X I sinϕ cx In sin ϕ f A R I I cin( R cosϕ + X sinϕ) ε c cε cos( ϕ n ϕ) ci Z n cos( ϕ ϕ)

33 4..7 Regulación de tensión Efecto Ferranti El ángulo f se refiere al ángulo de la impedancia de carga: Positivo para carga inductiva Negativo para carga capacitiva Para cargas capacitivas es posible que: ϕ ϕ > π cos( ϕ ϕ) < 0 ε c < 0 Significado: la tensión en el secundario en carga es mayor que la tensión de vacío A este fenómeno se le denomina efecto Ferranti R I jx I I f

34 4..8 Placa de características Placa dispuesta en la cuba del transformador que contiene Información técnica:

35 Schneider Electric: 4..8 Datos de catálogo

36 ABB: 4..8 Datos de catálogo

37 4..8 Datos de catálogo Otros fabricantes C B A P total (W) Pcu (W) Po(W) MEDIDAS (mm) Peso Kg. Aprox. Litros de aceite z % PERDIDAS Lo % de in KVA